（材料加工工程专业论文）半固态al4cumg合金的制备及微观组织演化研究.pdf

摘要 摘要 半固态成形技术与传统的固态成形和液态成形相比具有显著的优点，符合面 向新世纪的先进制造技术的要求，是2 1 世纪最具潜力的先进制造技术之。半 固态材料的制备是半固态成形技术的关键和基础，要求其微观组织为细小、均匀、 呈近球状的非枝晶组织。 应变诱发熔化激活制备工艺简单，不需要复杂的设备，尤其对电磁搅拌法等 方法不宜制各的变形合金具有独特的优越性。本文采用应变诱发熔化激活法制各 了半固态a 1 4 c u m g 合金，即将热挤压后经固溶处理+ 自然时效的a 1 4 c u m g 合 金进行预变形处理，包括冷变形和热变形，再在半固态温度区间进行等温处理， 通过控制变形量、变形温度、变形速度、等温温度和保温时间等工艺参数获得了 适合半固态成形的细小、均匀、呈近球形的微观组织。 本文对应变诱发熔化激活法制备半固态a 1 - 4 c u m g 合金过程的各种工艺参 数进行了系统研究，研究了晶粒尺寸、分形维数和晶粒尺寸分布随制备工艺参数 的变化情况，为确定半圆态材料的应变诱发熔化激活制备工艺提供了科学依据。 同时，半固态a i 4 c u - m g 合金的室温压缩力学性能测试结果表明，作者制备的 半固态a i 4 c u - m g 合金的屈服强度和强度极限虽然比原材料略低，但符合半固 态成形的要求，可以应用于实际生产。 本文通过对a i 4 c u m g 合金在半固态等温处理过程中主要合金元素微观偏 析的s e m 线分析，并对a 1 4 c u - m g 合金原材料、热变形或冷变形后在半固态等 温处理加热阶段的位错组态以及a 1 4 c u m g 合金冷变形后在半固态等温处理保 温阶段的位错组态的t e m 分析，研究了微观组织在s i m a 制备过程中的演变机 理。发现经过变形后的a i 一4 c u m g 合金在随后半固态等温处理的加热阶段和保 温阶段中，微观组织的演变过程为：变形拉长结构一回复一原位再结晶一熔渗破 碎一球化一长大。 本文在仔细分析应变诱发熔化激法制备半固态a i 4 c u m g 合金中微观组织 演变的基础上依据晶体塑性变形理论和凝固理论的物理基础，对半固态等温处 理加热阶段的再结晶与晶粒长大、再结晶晶粒的熔渗破碎过程和半固态等温处理 西北上业大学 ：学博士学位论文 _ - _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ i 保温阶段的晶粒球化与晶粒长大过程进行了不同的模型假设，并在此基础上，系 统地建立了微观组织在半固态等温处理各阶段的演变模型，包括加热阶段中的再 结晶与晶粒长大、熔渗破碎模型和保温阶段中的晶粒球化与长大模型。这些模型 的计算结果与试验结果吻合良好，能够较好地描述半固态材料微观组织的演化过 程。 关键词a 1 - 4 c u m g 合金；应变诱发熔化激活法；制备；半固态；微观组织；演 化模型 a b s t r a e t a b s t r a c t s e m i s o l i df o r m i n g ( s s f ) i san o v e la n dp r o m i s i n gt e c h n i q u ei nt h em e t a l f o r m i n g o f2 1 s t c e n t u r y , w h i c hc o u l d m e e tt h e r e q u i r e m e n t o fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n do f f e rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lc a s t i n g a n df o r g i n gt e c h n o l o g i e s t h ek e yt os s fi sf a b r i c a t i n gt h es e m i s o l i dm a t e r i a l sw i t h f i n e ，t m i f o r ma n ds p h e r o i d a lm i c r o s t r u c t u r e a l t h o u g hs e v e r a lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n ge l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e s ) ， h a v eb e e na p p l i e df o raw i d ev a r i e t yo fa l l o y s ，t h e ya r ed i f f i c u l ta n d o re x p e n s i v et o p r o d u c et h es e m i - s o l i dm a t e r i a l so fs o m ew r o u g h ta l l o y s s t r a i ni n d u c e dm e l t a c t i v a t i o n ( s i m a ) i sa ni d e a lt e c h n i q u ef o rs o l v i n gt h i sp r o b l e mw i t ht h es i g n i f i c a n t c o m m e r c i a la d v a n t a g e so fs i m p l i e i t ya n dl o we q u i p m e n tc o s ti nt h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h es e m i s o l i da i - 4 c u - m ga l l o yh a sb e e nf a b r i c a t e db yp l a s t i c d e f o r m a t i o nb e l o ws o l i d u st e m p e r a t u r e ，w h i c hi n c l u d ec o l dd e f o r m a t i o na n dh o t d e f o r m 砒i o n ，a n di s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n ti ns e m i - s o l i dt e m p e r a t u r er a n g e t h e a s r e c e i v e dm a t e r i a lu s e di nt h ee x p e r i m e n t sw a sh o te x t r u d e da n dt r e a t e db yas o l i d s o l u t i o na n dn a t u r a la g i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ef i n e u n i f o r ma n ds p h e r o i d a lm i c r o s t r u c t u r e sc a nb eo b t a i n e db yc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s s p a r a m e t e r ss u c ha sh e i g h tr e d u c t i o n ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o nv e l o c i t y , i s o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e t h es i m ap r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm i c r o s t r u c t u m le v o l u t i o no ft h es e m i s o l i d a 1 4 c u - m ga l l o yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y i no r d e rt op r o v i d es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o rd e t e r m i n i n gt h es i m ap r o c e s sp a r a m e t e r sa n di m p r o v i n gt h es e r v i c e q u a l i t yo ft h es e m i - s o l i da 1 - 4 c u - m ga l l o y , e f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g h e i g h tr e d u c t i o n ，d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o nv e l o c i t y , i s o t h e r m a l t e m p e r a t u r ea n dh o l d i n g t i m e ，o nm i c r o s t r u c t u r ev a r i a b l e s ，i n c l u d i n gg r a i ns i z e ， f f a c t a ld i m e n s i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fg r a i ns i z e ，h a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，u p s e r i n g t e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs e m i - s o l i d a i - 4 c u m ga l l o yf a b r i c a t e db yt h es i m ap r o c e s s a l t h o u g ht h eu p s e t t i n gt e s t ss h o w t h a tt h eu l t i m a t es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho fs e m i s o l i da i 一4 c u - m ga l l o ya r el e s s t h a nt h o s eo ft h ea s r e c e i v e d ，i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ee n o u g ht os a t i s f yt h e s e r v i c el i f e t h ed i s t r i b u t i o n so fm a j o re l e m e n t sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gs e ma n dl i n e 1 t l d i s s e r t a t i o nf o rt h ep h dn o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y s c a n n i n gi n t h es e m i s o l i da l q c u - m ga l l o ya f t e ri s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t t h e d i s l o c a t i o nm o r p h o l o g i e so ft h ea s - r e c e i v e d ，h o t - d e f o r m e da n dc o l d d e f o m l e d a i 4 c u - - m ga l l o yd u r i n gt h eh e a t i n gs t a g eo fi s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n th a v eb e e n o b s e r v e du s i n gt e m 1 1 1 ed i s l o c a t i o nm o r p h o l o g i e so ft h ec o l d d e f o r m e da i 一4 c u m g a l l o yd u r i n gt h eh o l d i n gs t a g eo fi s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n th a v eb e e no b s e r v e du s i n g t e m ，t o o f i n a l l y , t h em e c h a n i s m so fm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d f o rt h ea i - 4 c u - m ga l l o yd u r i n gt h ef a b r i c a t i o np r o c e s sa n dt h em i c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o no f t h ec o l d - d e f o r m e da l _ 4 c u - m ga l l o yd u r i r i gi s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n tc a n b ec o n c l u d e da sf o l l o w s ：d e f o r m a t i o na n de l o n g a t e dg r a i n s r e c o v e r y r e c r y s t a l l i z a t i o n 一疗醒m e n t 甜i o n s p h e r o i d i z a t i o n c o a r s e n i n g b a s e do nt h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no ft h ea i - 4 c u - m ga l l o yd u r i n gt h es i m a p r o c e s s ，s e v e r a la s s u m p t i o n sh a v eb e e np r o p o s e d f o r t h er e c r y s t a l l i z a t i o n ，g r a i n g r o w t h ，f r a g m e n t a t i o n ，s p h e r o i d i z a t i o na n dc o a r s e n i n gp r o c e s s e sd u r i n gi s o t h e r m a l h e a tt r e a t m e n t t h e n ，as e r i e so fm o d e l st od e s c r i b ed i f f e r e n tp r o c e s s e sh a v e b e e np u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so fp l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o no fm e t a l s t h ec o m p a r i s o no ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h em o d e l sf o rm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no ft h ea i - 4 c u - m ga l l o yd u r i n gi s o t h e r m a l h e a tt r e a t m e n ti nt h es i m ap r o c e s sa r er e l i a b l e k e y w o r d s ：a i 一4 c u m ga l l o y ；s t r a i ni n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ( s i m a ) ；f a b r i c a t i o n ； s e m i s o l i d ；m i c r o s t m c t m e s ；m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nm o r e l 第1 章资料综述 1 1 半固态成形技术 第1 章资料综述 1 1 1 概述 半固态成形技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s so rs e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ，简称 s s m ) 兴起于2 0 世纪7 0 年代】。当时，美国麻省理工学院的s p e n c e r 等1 6 1 在自 制的高温粘度计中测量s n 1 5 p b 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特 殊力学行为：在金属凝固过程中进行强烈搅拌，即使在较高的固相体积分数时， 半固态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球 状微粒结构。他们意识到这一特征具有许多潜在的利用价值，随即对此进行了广 泛深入的研究，并发展成为一种新的金属成形技术一半固态成形技术。半固念成 形技术，就是利用金属材料从固态向液态，或从液态向固态转变过程中，经历固 液态温度区间，获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合 浆料( 固相体积分数 6 0 ) ，用于填充铸型或进行压力d h _ t 。 相对于传统的铸造和锻造，半固态加工技术具有明显的优势1 7 、1 6 】： ( 1 ) 应用范围广泛，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、挤压、锻造和轧制等。 ( 2 ) 充型平稳、无湍流和喷溅、温度低、结晶潜热少，凝固时间短，因而减 轻了对成型装黄的热冲击，且生产效率高。 ( 3 ) 凝固收缩小，内部组织织密、晶粒细小均匀，适于近终成型，且成型件 表面平整光滑，尺寸精度高，力学性能好。 f 4 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低，因而s s m 模锻成型 速度更高，而且可以成型复杂的零件。 ( 5 ) 利用半固态浆体的高粘性，容易均匀地掺入颗粒或短纤维等增强材料而 制造高性能的的复合材料。 ( 6 ) 节约能源，以生产单位质量零件为例，半固态加工与普通铝合金铸造相 西北上业大学上学博士学位论文 比，节能3 5 左右。 ( 7 ) 不直接处理液态金属，便于实现自动化，改善了劳动条件和生产环境。 在实际工业生产中，用半固态成形技术生产的金属制品在采用相同的热处理 制度卜- ，其力学性能明显优于传统铸造制品，并与锻件的性能相近。半固态金属 具有触变性，所以锭坯在成形中具有明显的超塑性效应和充填性能，变形抗力小， 可高速填充变形1 5 1 。 铝合金在不同的成形方法与热处理状态下的力学性能如表l - l 所示，从表中 可以看出半固态成形技术的优越性。 表1 - 1 不同成形方法获得铝合金的力学性能比较f 2 1 热处理屈服应力抗拉应力延伸率硬度 合金成形方法 状态 ( m p a l ( m p a 、( )( h b l a 3 5 6s s m 铸造 1 l o2 2 01 46 0 ( a 1 7 s i 0 3 m 曲 s s m t 4 1 3 02 5 0 2 0 7 0 s s mt 51 8 02 5 55 1 08 0 s s m t 6 2 4 03 2 0 1 2 1 0 5 s s m” 2 6 0 3 1 091 0 0 p m t 6 1 8 62 6 258 0 p mt 5 l1 3 81 8 62 c d ft 62 8 03 4 09 2 0 1 7s s mt 42 7 63 8 68 88 9 ( a 1 4 c u m g ) w t 4 2 7 54 2 7 2 2 1 0 5 2 0 2 4s s mt 62 7 73 6 692 ( a 1 4 c u m g ) c d ft 62 3 04 2 08 wt 6 3 9 34 7 6 l o wt 43 2 44 6 91 91 2 0 2 2 1 9s s m t 8 3 1 03 5 2 58 9 ( a 1 6 c u ) wt 62 6 04 0 08 6 0 6 l s s mt 62 9 03 3 08 21 0 4 f a l l m g s i ) wt 62 7 53 1 01 29 5 7 0 7 5s s mt 63 6 14 0 56 6 ( a 1 6 z n m g c u ) c d f t 6 4 2 05 6 06 wt 65 0 55 7 01 11 5 0 注：c d f 为闭模锻造；p m 为金属模铸造；s s m 为半固态成形；w 为锻造加t ：。 第1 章资料综述 1 1 ，2 半固态成形的工艺过程 半固态成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺 方法的总称，其工艺过程见图1 一l 。半固态成形的工艺路线有两条：一条是将经 搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形， 通常被称为流变铸造( r h e o c a s t i n g ) 1 7 , 1 8 】。目前，可实际应用的流变铸造成形技 术只有一种，即射铸技术( t h i x o m o l d i n g ) 1 1 9 , 2 0 ，它适用于镁合金等的流变铸造。 图1 - 1 流变铸造与触变成形工艺流程示意图1 1 f i g 1 - ld i a g r a m m a t i cr e s p r e s e n t a t i o no f t h i x o f o r m i n ga n dr h e o c a s t i n g l 另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热 到半固态温度，然后进行加工，通常被称为触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 1 2 1 - - 2 3 1 。与 流变铸造法相比较，触变成形法由于操作简单、便于控制、易于实现自动化，而 更适合于工业化生产，现已被广泛地投入到商业化生产中。触变成形可分为半围 态塑性加工和半固态铸造加工【2 4 ，2 5 1 。 ( 一) 半固态塑性加工 半固态塑性加工包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制等。 1 半固态锻造 半固态锻造 2 6 3 6 1 是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主 而获得所需形状、性能制品的加工方法( 如图1 2 所示) 。半固态锻造可以成形 西北工业大学上学博士学位论文 变形抗力较大的高固相体积分数的半固态材料，并能够获得一般锻造难以达到的 复杂形状。可以用于制造用普通锻造难以成形的许多合金。到目前为止，利用半 固态锻造已经进行了各种铝合金、铜合金、铸铁、高碳钢，甚至高速钢材料的锻 造加工试验，进行联轴节、齿轮等机械零件制造的研究。在锻造加工的初期，坯 料表面溢出多为自由表面，随着加工力的施加，坯料内部液相单独流动；一部分 液相从表面溢出，流出的液相集中在坯料表面和坯料一起变形流动充满模腔，冷 却凝固后成为制品。因此，半固态锻造品的内部组织容易产生不均匀性，通常表 层为液相凝固而形成的组织。 图1 - 2 半固态锻造成形示意图1 2 5 i f i g1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es e m i s o l i df o r g i n g l 2 ” 2 半固态轧制 半固态轧制【”枷1 ( 如图1 - 3 所示) 要求金属加热到半固态时，仅有保持其固体 形状不被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利。现在开发的 种半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所要求的 半固态温度后，送入轧辊间轧制。半固态轧制最重要的技术课题是控制液相的流 动，制造所需内部组织的产品。因此，研究轧辊直径、转速、表面温度、压下率 等条件对被轧制材料内部液、固相成分流动的影响，具有积累数据和知识的作用。 一般来说，轧制件多为板材。 3 半固态挤压 半固态挤压 4 卜4 5 1 的加工工步和热挤压加工的情况基本相同，即将加热到半 固态温度的坯料放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模1 ：3 挤出所需形状的制 品( 如图1 4 所示) 。半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态，流动变形的自由 4 第1 章资料综述 度低，内部的固相、液相不易单独流动，除挤压开始时若干液相有先行流出的倾 向外，在进入正常挤压状态后，两者一起从模口挤出，在长度方向上得到稳定均 匀的制件。半固态挤压和其他半固态成形方法相比，研究得最多的是各种铝合会 和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织均匀，力学性能良好，也 容易操作，今后的应用前景十分广阔。半固态挤压是难加工材料、颗粒增强会属 基复合材料、纤维增强金属基复合材料成形加工不可缺少的技术。 图1 - 3、f 固态轧制成形示意图口8 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e m i - s o l i dr o l l i n g 2 5 l 图1 - 4 半固态挤压成形示意图【2 5 】 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e m i s o l i de x _ 【f u s i o nf 2 5 l ( _ 二) 半固态铸造加工 半固态铸造加工主要指触变铸造4 ”，其是将固体材料加热到所要求的半 固态温度后放入容器内，用活塞通过喷嘴高速压入模具内填充凝固得到制品的方 法。这种情况下，充型前坯料的固相体积分数和流变铸造大致相当或略高一些。 触变铸造最显著的特点是变形坯料在压铸前呈半固态，射出时产生的剪力又可以 使坯料具有充型所需要的良好的流动性，这样，和普通压铸和流变铸造相比较， 触变铸造对坯料的加热、输送易于实现自动化，可大幅度提高生产率，故该方法 是当今半固态铸造加工的主要工艺方法。 半固态铸造加工与半固态塑性加工的区别在于过程中是否产生塑性变形。前 者是一种凝固过程，后者不但有凝固，而且有塑性变形结合。 1 1 3 半固态成形与其它成形方法的关系【1 4 】 一般说来，在液相线以上的金属成形方法为铸造类成形，固相线以下的成形 西北工业大学j ：学博士学位论文 方法为锻造类成形。如果按成形温度排序，其各种成形方法排列方式见图1 5 。 其中，液态模锻也是一种模锻和铸造结合的加工方法，它借用了模锻的模具 结构、成形设备与工艺，成形过程中金属也有一定程度的塑性变形【5 “，制品的组 织结构和力学性能也比普通铸件要高，但它还是一种液态金属的成形过程。超塑 性锻造在成形温度接近开始熔化的温度( o 9 t s ) 进行，并在变形过程中一直保 持高温度状态，但其变形温度始终在固相线以下，完全属于固态领域的成形。从 温度范围上来看，半固态成形可以说填补了固相线和液相线之间没有成形加工方 法的空白。 液相线温度t l 固相线温度t s 0 9 t s 再结晶温度t b 皇温 铸造 液态横饭 半固态成形 等温锻造超塑性成形 热锻热挤压 温锻温饿 冷锻冷挤 i i液态 + l半固态 弋 i周态 l l 图1 - 5 半同态成形在各种成形方法中的位置l “】 f i g 1 5p o s i t i o no f s e m i s o l i d m e t a lp r o c e s s i n g i n f o r m i n g m e t h o d s 1 4 半固态成形方法和其它成形方法的关系见图1 - 6 。可以看出，半固态成形也 是在借鉴别的相关成形方法的基础上发展形成的，象流变铸造和触变铸造就借用 了压铸的工艺方法和模具结构，半固态锻造的工艺和模具与普通热锻模相近，半 固态轧制则是在金属压力加工中的热轧和热挤压工艺上产生的。 1 2 半固态金属材料的制备技术 半固态成形技术中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态合金坯料。目 前，普遍采用的半固态金属材料制备方法是在金属凝固过程中对熔融金属施加强 烈的搅拌作用，使得金属中树枝状的晶粒破碎为近球状的晶粒，主要包括机械搅 拌法、电磁搅拌法等。此外，半固态会属材料的制备方法还有喷射成形法、应变 第1 章资料综述 诱发熔化激活法、剪切冷却一滚动法、粉末法、基于熔体控制的凝固法和超声波 处理法等。其中，电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法是最具有工业应用前景的半 固态材料制各方法川。 图1 - 6 ，p 固态成形与其他成形方法的关系 f i g1 - 6s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ec o r r e l a t i o n sb e r w e e ns e m i s o l i dp r o c e s s i n ga n do t h e r f o r m i n gm e t h o d s 4 1 1 2 1 机械搅拌法( m e c h a n i c a ls t i r r i n g ，m s ) 机械搅拌法6 1 7 , 5 3 6 1 是制备半固态金属材料最早采用的方法，其设备构造简 单，可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶 粒破碎而成为球形颗粒结构，从而研究金属凝固规律和半固态金属流变性能。机 械搅拌法基本上可以分为两个类型：一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保 持静止，而外筒旋转，搅拌装置如图1 - 7 ( a ) 所示。f l 矗n i n g s 等应用回转机械搅拌 装置成功地制备了锡铅合金半固态浆料。另一种是在熔融的金属中插入一搅拌 棒进行搅动，包括非连续搅拌和连续搅拌两种方式，分别如图1 7 ( b ) 和图1 - 7 ( c ) 所示。目前，这些机械搅拌法主要用于实验室研究和许多低熔点合金的实际生产 中，例如铜基合金。 通常采用机械搅拌法制备半固态会属材料，可以获得很高的剪切速率，有利 于形成细小的球形或椭圆形微观结构，但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的 死区，使得死区内的半固态金属浆料得不到充分搅拌而性能恶化，而且常常会山 7 西北工业大学工学博士学位论文 于强烈的搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中，影响了浆料的均匀性。 搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对半固态金属材 料带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态浆料的圃相体积分数一般限制在3 0 - - 6 0 的范围内，浆料的固相体积分数小于3 0 时，破碎的树枝状晶粒在凝 固过程中会产生粗化，倾向于向枝晶发展；固相体积分数大于6 0 时，浸渍在 半固态浆料中的搅拌器有停止和破损的危险。另外，机械搅拌法还具有比较笨重、 操作困难、生产效率低等缺点。 ( a ) ( c ) 囤1 7 机械搅拌装置示意图1 1 ( a ) 回转式搅拌 ( b ) 非连续搅拌 ( c ) 连续搅拌 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a m so f t h em sp r o c e s s e s l l 】： ( a ) r o t a r ys t i r r i n g ( b ) b a t c hs t i r r i n g ( c ) c o n t i n u o u ss t i r r i n g 1 2 2 电磁搅拌法( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g e s ) 电磁搅拌法【5 7 埘1 是利用旋转电磁场在熔融金属中产生感应电流，使得熔融 金属在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液体搅拌的目的。图1 。8 是 一种典型的电磁搅拌装置示意图。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是 在感应线圈内通交变电流的传统方法。另一种是1 9 9 3 年由法国的v i v e s 6 5 1 推出 的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生高 强度的磁场，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液体产生明显的三维流动， 提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。 电磁搅拌法利用电磁感应力将析出的树枝状晶粒破碎，属于非接触式搅拌技 第1 章资料综述 术，能保证半固态金属浆料纯净，不卷入气体，因此电磁搅拌法克i l 殴t 机械搅拌 法存在的缺陷。但从实现搅拌的方式来说，无论是采用线圈式还是采用永磁式， 都存在设备投资大，能耗高，操作工艺复杂等问题。由于电磁搅拌法制备过程的 局限性，通常认为，直径大于1 5 0 m m 的材料不宜采用电磁搅拌生产6 6 ，”1 。 1 2 3 喷射成形法( s p r a yd e p o s i t i o n ，s d ) 喷射成形法6 8 7 2 1 是在金属材料熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷 射气体作用下部分凝固的液滴直接沉积在收集基板上。当每个熔滴的冲击能够产 生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热 到局部熔化时，就可以得到具有近球形颗粒固相的半圃态金属浆料，如图1 9 所 示【5 i 。目前已用这种独特的凝固方法对铝合金、黑色金属以及金属基复合材料进 行了成功的试验。 喷射成形法与其他方法相比，该方法成本较商，只适合于制各具有特殊要求 的大尺寸坯料。 图1 - 8 电磁搅拌法1 2 l f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee sp r o c e s s 【 图1 - 9 喷射成形法5 1 f i g 1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es dp r o c e s s 【5 】 1 2 4 应变诱发熔化激活法( s t r a i ni n d u c e dm e l ta c t i v e dp r o c e s s ， s i m a ) 应变诱发熔化激活法【7 扣8 8 1 由y o u n g 于1 9 8 1 年发明，工艺过程如图1 1 0 所示。 其首先将常规金属的铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒 9 西北工业人学j 二学搏士学位论文 料，这时金属坯料的显微组织具有强烈的变形拉长结构，然后加热到固液两幸日区 等温处理一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶 组织的半固态金属材料。在半固态等温处理过程中，坯料首先发生再结晶，然后 部分熔化，最终近球状的固相颗粒分散在液相中，从而获得半固态组织。一般认 为，其机理是熔化的部分液相渗入小角度晶界中，使得固相颗粒分开，从而使树 枝状晶粒破碎。因此，应变诱发熔化激活法的工艺效果主要取决于较低温度的变 形和半固态等温处理两个阶段。通过对应变诱发熔化激活法进行改进，添加微量 元素和进行循环热处理，可使晶粒尺寸减小，初生相的颗粒更圆整，并缩短了初 生相球粒化的时间。 应变诱发熔化激活法适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔 点的半固态合金具有独特的优越性。目前，应变诱发熔化激活法已成功地应f j 于 不锈钢、工具钢和铜、铝合金系列，获得了晶粒尺寸为2 0 岬左右的非枝晶结构 的半固态金属材料【7 4 】。应变诱发熔化激活法制备的金属坯料纯净、产量较大，与 机械搅拌法和电磁搅拌法相比较，其加工不需要复杂的设备，正成为一种具有竞 争力的半固态会属材料的制备方法。但由于要增加一道预变形工序，使得制备成 本提高，与电磁搅拌法相比，且仅仅用于生产小直径坯料。 1 2 5 剪切一冷却一滚动法( s h e a r i n gc o o l i n gr o l l i n g ，s c 鼬 k i u c h i 等【e 9 州1 针对机械搅拌法不能制备出固相体积分数高于6 0 的半固态 金属材料、冷却速度较低等缺点，认为必须设计出一种理想的机械装置，使之具 有较高的强度和刚度，必要的动力和扭矩，有效的冷却系统，固相体积分数控制 系统以及稳定连续操作的控制系统。为此，他们提出了剪切冷却滚动法，工作 原理如图1 - 1 1 所示。该机械装置含有一个旋转的剪切，冷却滚子，一个固定冷却 靴和一个出料导板组成。加热到所需温度的熔融金属浇入滚子和冷却靴之问的间 隙内，用预热滚子和冷却靴来控制熔融金属的温度，使其处于固液两相区，并调 整滚子旋转速度及与冷却靴之间的间隙大小，实现不同程度的剪切，锝到具有l # 枝晶的半固态金属材料。 剪切冷却滚动法装置简单，操作维修方便，滚子表面与熔融金属周期性接 触，温度不会升得很高，使用寿命长，滚子与冷却靴表面的温度以及两者的间隙 可独立调整，容易达到所需的工艺条件。剪切冷却滚动法适用于各种熔点的合 l o 第l 章资料综述 会，并适合于大批量生产。目前，已应用该法制备出铝合金半固态金属材料，其 实验设备转速为1 1 0 r m i n ，最大驱动扭矩9 8 0 j ，滚子相对冷却靴可承受的压力达 1 9 6 k n 。 图1 】0 应变诱发熔化激活法 t 艺示意图【7 ” f i g 1 - 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e s i m ap r o c e s s 7 q 1 2 6 液相线铸造法( l i q u i d u sc a s t i n g ，l c ) 图1 - 1 1 剪切一冷一滚动法 示意闰1 1 ” f i g 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h e s c rp r o c e s s l l o o j 由东北大学与淡大利亚墨尔本大学合作成功地开发了液相线铸造法( 9 。”l 。 其原理是合金在液相线温度附近经适当保温后进行浇注，从而获得均匀、细小的 半固态组织，以适合于半固态成形。运用液相线铸造法制备半固态浆料时，微观 组织与结晶器的结构、冷却强度以及坯料直径、坯料下移速度等有关。其缺点是 对温度、冷却速度控制特别严格。该工艺具有广阔的发展前景，适合于制备各种 高、低熔点合金，如7 0 7 5 、2 1 6 8 等铝合金和铁基合金等。 1 2 7 粉末法( p o w d e rm e t h o d ，p m ) 粉末法【5 9 6 9 7 是指先将金属粉末混合、压块，然后再加热使一种粉末熔化或 不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相，形成固液混合金属浆料的方 法。在此工艺中，固相颗粒的大小取决于高熔点粉末的尺寸。此外，该工艺粒子 聚集的可能性比搅拌工艺小。因此，在某一温度下恒温保持时，细小组织的浆料 可以保持。这一工艺成本较高，但可以用来制备具有特殊用途的产品。 西北上业大学工学博士学位论文 1 2 8 其他方法 d o b a t k i n 【9 8 】等提出了在液态金属中加入细化剂，并进行超声波处理后获得半 固念铸锭的方法，称之为超声波处理法。h i r t 嗍等报道，挪威n o r s kh y d r o 公司 已经用化学晶粒细化法与特殊的凝固条件相结合，制备了半固念镁合金a z 9 1 的 细晶铸锭。紊流效应、法【1 】的原理是让金属通过特制的紊流装置，利用金属液体的 紊流效应打碎形成的枝晶并抑制枝晶生长，因此获得具有流变特性的半固态浆 料。这是巴西坎皮纳斯国立大学首先使用的一种流变铸造方法，它成功地应用于 铝合金和铜合金的流变铸造成形件上。潘冶【1 0 0 】等研究了基于熔体控制的凝固法， 该方法具有不需要搅拌和不需加入合金元素的优点，已制备出铝合金、灰铸铁等 半固态金属材料。朱鸣芳【l o l l 等将添加有微量元素的z a l 2 常规铸锭重新加热至 固液两相区进行半固态等温处理，获得了理想的半固态组织。 1 3 半固态成形技术基础 1 3 1 半固态金属的微观组织 半固态组织可以通过搅拌、热处理或形变加热处理等多种方法获得。国内外 学者对搅拌工艺下半固态微观组织的形成机理及演变过程进行了广泛的研究。结 果表明：剪切速率、固相体积分数和冷却速度是影响半固态组织演变的三个重要 因素，其决定着初生相的形成、分布、大小和形貌。一般认为，影响初生相形状 的主要因素为剪切速率，而它的大小则主要取决于冷却速度( 结晶速度) 。关于 初生相球化即半圆态组织的形成机理，具有代表性的有枝晶臂形变机制、枝晶臂 熔断机制、枝晶塑