第四章半固态成型详解演示文稿

第四章半固态成型详解演示文稿当前第1页\共有36页\编于星期三\9点优选第四章半固态成型当前第2页\共有36页\编于星期三\9点半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下，对合金进行搅拌，在搅拌力的作用下，合金析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，分布在整个液态金属中。该合金即使固态组分达40%-60%，仍然像糊状悬浮液，具有一定的流动性。而在剪切力较小或为零时，它又具有固体性质，可以搬运储藏。利用半固体合金独特的性质实现浇注或压注成形的方法，称为半固态成形。当前第3页\共有36页\编于星期三\9点当前第4页\共有36页\编于星期三\9点2、半固态成形的特点半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体，根据固相分数不同，其状态不同，图2为半固态金属内部结构示意图。可见，高固相分数图2半固态金属的内部结构：(a)高固相分数，(b)低固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；低固相分数时，固相颗粒游离在液相成分之中。当前第5页\共有36页\编于星期三\9点半固态金属的金属学和力学主要有以下几个特点：由于固液共存，在两者界面不断发生熔化、凝固，产生活跃的扩散现象，因此，溶质元素的浓度不断变化；由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低；随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动；图3半固态金属和强化粒子(纤维)的搅拌混合当前第6页\共有36页\编于星期三\9点当固相分数在极限值(约75%)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图3所示；由于固相粒子间几何无结合力，在特定部位虽然容易分离；但由于液相成分的存在，又很容易地将分离的部位连接形成一体图4半固态金属的(a)分离，(b)结合化，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且于一般固态金属材料也容易形成很好的结合，如图4所示；当前第7页\共有36页\编于星期三\9点含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工；当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况，如图5所示，一般来说，存在液相成分先行流动的倾向。液相先行流动的现象在固相分数很高、很低或加工速度特别高的情况下很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度下比较显著。图5半固态金属变形时液相成分和固相成分的流动当前第8页\共有36页\编于星期三\9点与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点：黏度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，容易实现自动化和形成新加工工艺；流动应力比固态金属低：半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形(如挤压)，加工成本低；应用范围广：凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工、可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复合及成形。当前第9页\共有36页\编于星期三\9点3、半固态成形的发展20世纪70年代初，美国MIT的博士研究生DBSpencer在研究Sn-15%wtPb合金的高温特性时，偶然发现金属的半固态力学行为和组织特点。这些发现引起了MIT的MCFlemings教授的特别重视，投入大量人力、物力，进行了深入、广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。半固态流变铸造（rheocasting）金属液搅拌、凝固半固态浆料输送成形当前第10页\共有36页\编于星期三\9点二、半固态下合金的流动性能非枝晶的形成与演化图7Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织

液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶，图7未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。当前第11页\共有36页\编于星期三\9点球形结构的演化过程：结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长方式进行的；随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化；随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构，演化过程如图8所示。图8球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图当前第12页\共有36页\编于星期三\9点

球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区，无论怎样升降合金的温度(不能让合金完全熔化)，它也不会变成枝晶。当前第13页\共有36页\编于星期三\9点半固态合金的制备方法半固态合金的制备常用机械搅拌法、电磁搅拌法和应变激活工艺。间歇式机械搅拌连续式机械搅拌当前第14页\共有36页\编于星期三\9点(1)电磁搅拌法电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。

优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量可以很大。缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度，金属液温度，浇注速度电磁搅拌示意图当前第15页\共有36页\编于星期三\9点(2)机械搅拌法该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。机械搅拌示意图优点：搅拌装置结构简单、造价低、操作方便。缺点：生产的半固态浆料的产量小，只适用于

实验室的小规模试验研究工作。影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。

当前第16页\共有36页\编于星期三\9点(3)应变激活工艺再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能力。按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。当前第17页\共有36页\编于星期三\9点三、半固态成形方法半固态成形方法流变成形rheoforming触变成形thixoforming在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50%左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形。如果浆流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半固态金属坯料)。利用金属的半固态坯料进行成形加工的方法为触变成形当前第18页\共有36页\编于星期三\9点1、流变成形（Rheoforming)流变成形：利用半固态金属制备器批量制备或连续制备糊状浆料，直接进行加工成形（铸造、挤压、轧制、模锻等）的方法。特点：直接获得的半固态浆料不便于保存和输送，发展缓慢，成熟应用有限；比触变成形节省能源、流程短、设备简单，发展前景较好。当前第19页\共有36页\编于星期三\9点(a)连续搅拌制备半固态浆料(b)浆料被送入压室(c)压射成型(d)压铸件镁合金射铸成形当前第20页\共有36页\编于星期三\9点2、触变成形（Rheoforming)

触变成形(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入并完成成形机的研制开发。下图为Thixomolding工艺的简图，其设备由原料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。Thixomolding工艺简图设备特点：原料进入料斗后边加热边剪切搅拌，最后形成半固态的状态再射入模具中；半固态浆料的固相分数可控性强，成形件质量高、性能稳定螺旋机内密闭性好，在成形过程中不需要严格的保护性气氛进行保护，仅在投料口处用少量的Ar气保护即可。当前第21页\共有36页\编于星期三\9点Thixomolding成形件的特点：表面质量和内部质量改善；成形件尺寸精度提高；力学性能提高；耐蚀性提高；可精密成形薄壁件三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较材料成形方法屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%AZ91DThixomolding18029910模铸1602303AM60BThixomolding14727818.8模铸11423911.6ZM50AThixomolding13926920模铸11223213当前第22页\共有36页\编于星期三\9点一、概述4.3快速凝固成形定义：冷却速度大于102℃/s的凝固，称为快速凝固。1、快速凝固及发展

快速凝固的研究开始于20世纪50年代末60年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。当前第23页\共有36页\编于星期三\9点1960年美国加州理工学院的PDuwez等采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于107K/s的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。当前第24页\共有36页\编于星期三\9点快速凝固的目的超细组织过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃形成获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性等。当前第25页\共有36页\编于星期三\9点2、实现快速凝固的条件

①金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；②必须有能带走热量的冷却介质。当前第26页\共有36页\编于星期三\9点3、快速凝固的特点①快速凝固速度较大，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固；②在快速凝固条件下，固液界面的稳定性将增加，凝固形成了平面、无偏析的等轴晶；③形成组织特殊的晶态合金；④非晶态组织的形成；⑤准晶态组织的形成。当前第27页\共有36页\编于星期三\9点二、快速凝固技术1.动力学急冷法2.热力学深过冷法当前第28页\共有36页\编于星期三\9点1、动力学急冷法

在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉积技术三大类。原理：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速率。当前第29页\共有36页\编于星期三\9点模冷技术模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。模冷技术枪法双活塞法熔体旋转法平面流铸造法表面熔化与沉积技木熔体提取法急冷模法当前第30页\共有36页\编于星期三\9点雾化技术

雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。流体雾化法雾化技术离心雾化法机械雾化法当前第31页\共有36页\编于星期三\9点2、热力学深过冷快速凝固热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制均质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规条件下难以达到的过冷度。采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制，是实现大体积熔体非平衡凝固的有效方法。当前第32页\共有36页\编于星期三\9点热力学深过冷方法1、微小液滴法2、乳化-热分析法3、落管法4、电磁悬浮熔炼法5、微重力法6、固液两相区法7、循环过热法8、玻璃熔体净化法9、复合净化法当前第33页\共有36页\编于星期三\9点乳化-热分析法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液滴保持分离并且不包含异质