材料工程基础：2-2 半固态成型

1、22 半固态成型 （Semi-solid processing）2.2.1 概述 2.2.2 半固态下合金流动性能2.2.3 半固态成形方法 1. 半固态合金的制备方法 2. 半固态合金凝固过程的组织演化与合金组织 3. 半固态合金的流变性能表达流变成形（Rheocasting or Rheoforming）触变成形 （Thixocasting）铸锻成形 复合铸造1半固态成形 （1） 半固态合金 熔体冷却到液相线以下，对合金进行搅拌，在搅拌力的作用下，凝固的树枝晶被破坏，并在熔体的摩擦熔融下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵球状颗粒分布在整个液态金属中，具有一定的流动性，又在剪切力较小或为零时，它具

2、有固体性质，可以搬运、贮藏。 冷却到双相区搅拌掺有固态的悬液。 2.2.1 概述(2) 半固态加工 利用半固态合金独特的性质实现浇注或压铸成形的方法，介于液态成形和固态成形之间。 2特点 应用范围广铸件质量高，力性好 ，尺寸精度高 减小对成型装置的热冲击，节约能源 便于实现自动化生产成本低3. 半固态合金成形的发展20世纪70年代初，美国科学家发现部分凝固的合金(partially solidified alloy)仍具有流动性，并发明了流变铸造法（Rheocasting）。之后美国和其它国家进行了深入研究，并逐渐应用于生产。目前，该方法已有许多新的发展，国外已大量用于工业生产，国内仍处于研究

3、和试验阶段。近几年开发了许多半固态合金制备方法，如等温处理法、超声波处理法、SCR（shearing cooling rolling）法、粉末冶金法和控制浇注温度法等。成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形(injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点，因而是未来成形技术的发展方向。计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值模拟及软件。半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性能的影响。222 半固态下合金流动性能 1半固态合金的制备

4、方法 机械搅拌法：搅拌棒法、旋转简法电磁搅拌法：感应线圈法、旋转永磁体法紊流效应法。特制多流装置产生紊流效应打碎枝晶应变激活工艺：常规铸锭预变形（20%），然后加热到半固态并适当保温得之。2半固态合金搅拌过程的组织演化与合金凝固组织 普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。 3半固态合金的流变性能表达 （1）合金在熔融态和凝固过程中的流变性 熔融合金在一般过热时是牛顿流体 =-剪切应力 Pa -剪切速率（s-1）-动力黏度系数（Pas） 在结晶温度范围内合金变形具有弹性、粘弹性和塑性等特征， 流变模型为M = H （S N） （HN）M-合金的流变模型符

5、号H-弹性（Hooke）体N-粘性（Newton）体S-塑性（St. Venant）体“”“”-并联和串联符号（2）半固态合金的流变性能流动性能可以用图4-17表达 （3）半固态合金的变形特性 用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表418所示。 合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形的过程223 半固态成形方法 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） 利用半固态金属制备器批量制备、或连续制备糊状浆料，并直接加工成形（铸造、挤压、轧制、模锻等）的方法。 3流变铸造过程 指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料铸成一定形状

6、的铸锭，可以搬运、切块、储藏，（或等轴细晶的预铸锭），使用时重新加热到半固态温度范围，装入成型机进行成形（铸造、挤压、轧制、模锻）的成形方法。见图420触变成形 （Thixocasting）3. 铸锻成形 液态金属浇入金属模中，在高压下凝固并产生半固态塑性流变的成形方法。是金属凝固（铸造）和塑性成形（锻压）两个过程的复合。 工艺简单，成本低，成形产品的性能好，质量可靠，应用广泛。主要方法：(1) 液态模锻 介于压力铸造与模锻之间的工艺。见图421（2） 液态挤压 具有液态模锻和热挤压变形特点的方法。 在高压下发生流动、结晶凝固挤压至成形模口大塑性变形成形成制品。如图422所示。 工艺演示（3）连续铸挤 将已凝固和待凝固的金属一起挤压变形，实现半固态加工。（4）液态轧制 将液态金属直接浇入两轧辊组成的辊缝之间，随轧辊旋转带入变形区，实现半固态轧制。如图424所示。 工艺演示4. 复合铸造 指对处于液固两相区的金属进行强烈搅拌，同时加入陶瓷颗粒或短纤维等增强相，形成复合材料半固态浆料，再进行流变成形