（材料加工工程专业论文）半固态锻压制备双金属复合材料技术的研究.pdf

原创性声明 f i i ii ii ii iil uli ii iiif y 19 14 8 4 0 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了己注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名： 圈商 日期： 一趁! 1年土月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：豆吐导师签名：盐查呈望日期：超u 年月监日 中南人学硕+ 学位论文摘要 摘要 目前，双金属材料的制备方法虽然有很多，但是，多为成形板材、 线材等形状简单的零件。为了得到一种能制备复杂双金属复合制件且 成本低廉的技术，本文采用半固态触变锻压的方法来制备具有复杂外 形的双金属制件，探索了一种新的制备双金属复合材料技术的可行 性。 实验研究了s n 1 5 w t p b ，p b 2 2 w t s n ，p b 一3 0 w t s n ，a 3 5 6 合 金以及s i c p 6 0 6 1m m c 的半固态模锻温度，研究了用应变诱发熔化 激活法制备的半固态坯料，在此基础上，采用半固态触变锻压的方法 制备了s n 15 w t p b + p b 2 2 w t s n ，s n 15 w t p b + p b 3 0 w t s n 及 a 3 5 6 + s i c p 6 0 6 1 双金属复合制件。研究了在制定的半固态模锻温度 下材料的流动特性，并对所得制件的复合界面特征进行了分析。 由实验的结果可以得出，a 3 5 6 合金，p b 2 2 w t s n 合金， s n 1 5 w t p b 合金，p b 一3 0 w t s n 合金及s i c p 6 0 6 1 m m c 的半固态模 锻温度分别为5 8 0 ，2 6 0 ，2 2 0 ，1 9 5 及6 3 6 ；采用应变诱发 熔激活法可以得到有着细小的近似球状的半固态坯料组织；在获得的 半固态温度下，材料有着良好的流动特性，用应变诱发熔化激活触变 锻压加工所得的双金属复合制件，不同半固态材料间依然保持相对独 立，且在界面附近两种液相之间相互融合并形成一层薄冶金结合的、 无氧化物聚集的、过渡良好的界面。 因此，采用半固态锻压技术来制备复杂的双金属复合制件是可行 的，采用这种技术可以得到有着良好外观质量、良好界面结合层、复 杂外形轮廓的双金属复合制件。 关键词：半固态加工技术，双金属复合材料，触变成形，模锻，金属 基复合材料 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e r ea r em a n yw a y st op r o d u c eb i - m e t a lc o m p o s i t e s ，h o w e v e r , m o s t o ft h e mo n l yc a nb ea p p l i e dt op r e p a r ep a r t so fs i m p l es h a p e sl i k ep l a t e a n dw i r ep r o d u c t s t og e ta ne c o n o m i c a lm e t h o dt op r e p a r eb i m e t a l c o m p o s i t e so fc o m p l e xs h a p e s ，i nt h i sw o r k ，t h i x o f o r g i n gt e c h n o l o g yi s u s e dt op r e p a r ec o m p l e xb i m e t a lc o m p o s i t e s a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s m e t h o dt op r o d u c ec o m p l e xb i m e t a lc o m p o s i t e sw a se x p l o r e di nt h i s w o r k t h es e m i - s o l i df o r g i n gt e m p e r a t u r eo fs n 一15 w t p b ，p b 一2 2 w t s n ， p b 一3 0 w t s n ，a 3 5 6a l l o y sa n ds i c p 6 0 61m m cw a ss t u d i e d a n d ， s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t et e c h n o l o g yw a su s e dt op r e p a r es e m i s o l i d b i l l e t s o nt h a t b a s i s ，t h r e e k i n d so fb i m e t a l c o m p o s i t ep a r t s ( s n - 15 w t p ba n dp b 一2 2 w t s nb i - m e t a ls y s t e m ，s n 一15 w t p ba n d p b - 3 0 w t s nb i - m e t a ls y s t e ma n da 3 5 6a n ds i c p 6 0 61m m cb i - - m e t a l s y s t e m ) w e r ep r e p a r e db y t h es t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t e dt h i x o - f o r g i n g t h ef l u i d i t yo ft h ea d o p t e dm a t e r i a l su n d e rt h eg i v e ns e m i s o l i df o r g i n g t e m p e r a t u r ew a ss t u d i e d f i n a l l y , t h ei n t e r f a c eo ft h eb i m e t a lc o m p o s i t e s w a ss t u d i e d i t i ss h o w e dt h a tt h es e m i s o l i d f o r g i n gt e m p e r a t u r e o fa 35 6 ， p b 一2 2 w t s n ，s n 一15 w t p b ，p b 一30 w t s na l l o y sa n ds i c p 6 0 61m m c w e r e5 8 0 。c ，2 6 0 。c ，2 2 0 。c ，1 9 5 * c a n d6 3 6 c a n df i n ea n ds p h e r i c a l m i c r o s t r u c t u r ec a l lb eo b t a i n e d b y s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t e d t e c h n o l o g y t h em a t e r i a l su n d e rt h eo b t a i n e dt e m p e r a t u r eh a v eg o o df l u i d i t y , a n d t h eo b s e r v a t i o n so ft h eo b t a i n e db i m e t a lp a r t ss h o w e dt h a tt h es e m i s o l i d m e t a l sk e p ti n d e p e n d e n td u et ot h es e m i s o l i ds l u r r i e sm a i n t a i n e dt h e i r o r i g i n a lm o r p h o l o g i e s a f t e rt h i x o - f o r g i n g t h el i q u i dp h a s e sn e a rt h e i n t e r f a c em i x e dt o g e t h e ra n df o r m e dat h i nl a y e r 1 1 1 ei n t e r f a c e sw e r e b o n d e df i r m l yb yam e t a l l u r g i c a lb o n d i n g n oo x i d el a y e r sw e r ef o u n do n t h ei n t e r f a c e s a n dt h er e s u l ti n d i c a t e dag o o ds t r e n g t ho ft h ei n t e r f a c e t os u m u p ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sf e a s i b l et op r o d u c ec o m p l e x b i m e t a lc o m p o s i t e sb yt h i x o f o r g i n g a n db yu s i n gt h i sm e t h o d ，c o m p l e x b i m e t a lc o m p o s i t e sw i t hg o o de x t e r i o ra p p e a r a n c ea n di n t e r f a c ec a nb e p r o d u c e d 1 1 k e yw o r d s ：s e m i s o l i dm e t a l p r o c e s s i n g ， b i - m e t a l c o m p o s i t e ， t h i x o 。f o r m i n g ，d i e - f o r g i n g ，m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e i i i 中南大学硕十学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章文献综述l 1 1 课题的选题意义和研究价值。l 1 2 半固态加工技术概述2 1 2 1 半固态加工技术的优点2 1 2 2 半固态加工技术的工艺分类2 1 2 3 半固态金属坯料的制备3 1 2 4 半固态加工技术与双金属材料的的应用前景。3 1 3 研究目的与内容9 第二章实验过程及研究方法“ 2 1 实验目的1 l 2 2 工艺流程1 1 2 3 材料的牌号及成分1 2 2 4 加工过程1 2 2 4 1 加工设备1 2 2 4 2 工艺参数设计1 4 2 5 检测。1 5 2 5 1 腐蚀抛光15 2 5 2 制件宏观15 2 5 3 光学显微镜分析( o m ) 1 5 2 5 4 扫描电镜分析( s e m ) 1 5 2 5 5 显微硬度( h v ) l6 第三章材料的特性17 3 1 半固态模锻温度的确定1 7 3 1 1p b s n 合金1 7 3 1 2a 3 5 6 合金1 9 3 1 3s i c p 6 0 6 1 复合材料2 0 3 2 应力诱发熔化激活法制坯前后组织对比2 2 3 2 1 原始铸锭组织2 3 3 2 2 应力诱发熔化激活触变成形中二次加热前组织2 3 3 2 3 应力诱发熔化激活触变成形中二次加热后组织2 6 中南人学硕士学位论文 目录 3 3 本章小结2 8 第四章双金属复合制件复合的结果与分析2 9 4 1s n 15 w t p b 和p b 2 2 w t s n 双金属复合的结果2 9 4 1 1 流动特性2 9 4 1 2 结合面上组织和成分分析3 0 4 1 3 结合面附近显微硬度的分析3 1 4 2s n 1 5 w t p b 与p b 3 0 w t s n 双金属复合的结果3 3 4 2 1 流动特性3 3 4 2 2 结合面上组织和成分分析3 4 4 2 3 结合面附近显微硬度的分析3 5 4 3a 3 5 6 合金和s i c p 6 0 6 1 复合材料复合后结果3 7 4 3 1 流动特性。3 7 4 3 2 结合面上组织和成分分析3 8 4 3 3 结合面附近显微硬度的分析3 9 4 4 本章小结4 0 第五章结论4 2 参考文献4 3 致谢4 8 攻读硕士学位期间的主要研究成果4 9 中南人学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义献琢尬 本章简述了论文的选题意义、半固态加工技术的优点、工艺分类、坯料的制 备及半固态加工技术与双金属材料的应用前景。 1 1 课题的选题意义和研究价值 半固态加工技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g ，简称s s p ) 是一种具有良好发 展前景的技术【l 】。在其加工过程中所使用的浆料是一种固液混合浆料，即液态金 属母液中均匀悬浮着一定的球状初生固相的浆料。有着这种组织的半固态浆料具 备良好的触变性能及流变性能，并表现出假塑性行为，因此，半固态浆料在成形 过程中既可以像固体一样被移动，在受到剪切力的作用时又可以像液体一样流 动。半固态加工技术可以成形有着复杂形状的零部件。与传统的铸造所得零件相 比，半固态加工所制备的零件的质量更好；而与传统的锻造相比，其成本也更低。 因此，很多s s p 技术都取得了很大的发剧，如流变铸造，触变铸造，触变锻造， 应变诱发熔化激活触变锻压，触变注射成形，流变注射成形，新型流变注射成形 等。目前，半固态加工技术已经被广泛地应用于许多的工程材料，如汽车工业用 铝合金【2 】和镁合金【3 1 ，航空领域所用的金属基复合材料( m m c ) 【4 】，模具行业所 需的钢铁材料【5 】。除了这些传统材料的应用外，半固态加工技术还可用于制备一 些新型材料，如功能梯度材料【6 】，玻璃金属连接产品【7 1 。半固态加工技术的应用 还可以延伸到焊接领域【8 】o 尽管如此，还没有同时使用两种半固态状态的材料来 加工产品的技术。 双金属材料是把两种性能不同的材料复合在一起形成功能部位由指定材料 构成的复合材料。正确地设计双金属材料制件可以得到所需要的两种材料性能的 良好结合，并在最大程度上降低他们各自的使用限制【9 j 。目前，所使用的双金属 复合材料主要是一些电缆，管材，板材等等。还没有一种有效的、经济的加工方 法可以得到形状复杂的有着良好复合界面的双金属复合制件。 杨昭在研究中发现f 1 0 1 ，如果两种半固态浆料同时被挤入型腔，两种浆料不会 混合在一起，相反地，他们会保持位置相互独立。原因是细小的固相颗粒将液相 固定住，阻碍了液相间的相互混合，液相混合现象被限制在界面下很薄的地方， 当复合流体通过一个较窄的入口时，他们会保持层流状态。因此，在填充过程中， 半固态金属可以保持他们原来的相对位置，半固态金属的这种特点使得它可以以 低廉的价格、非常短的流程来加工形状复杂的双金属多金属复合材料制件i l 。 中南大学硕+ 学位论文第一章文献综述 1 2 半固态加工技术概述 作为本次双金属材料成形的主体工序，半固态加工技术具有下述优点、工艺 分类、制坯方法以及应用。 1 2 1 半固态加工技术的优点【l l 】 二十世纪七十年代初期，麻省理工学院的m c f l e m i n g s 教授与d a v i ds p e n c e r 博士提出了一种新的加工技术，即半固态加工技术。s s p 技术采用了非枝晶半固 态浆料，与传统的枝晶凝固模式相比，有着许多独特的优点，如变形抗力小；可 以成形具有复杂外形的零部件；结晶潜热低，对模具的热冲击较小；所制备的零 件组织均匀，气孔缩孔少；而且，是一种净成形加工技术，所得零件具有很好的 表面质量，减少了材料的浪费，缩短了生产周期，从而大大的节约了生产成本等 笔【l i l 寸0 在用半固态加工技术制备双金属材料时，依然保持了这些优点，因此为生产 优质的双金属材料提供了保障。 1 2 2 半固态加工技术的工艺分类 半固态加工技术通常分为两种成形方法【1 1 】。在金属凝固的过程中，对金属 施以剧烈的搅拌作用，以充分破碎树枝状的初生固相，从而可以获得一种在液态 金属母液中均匀悬浮着一定的球状初生固相的固液混合浆料( 即流变浆料) ，利 用流变浆料直接进行成形加工的方法就是半固态金属的流变成j 髟( r h e o f o r m i n g ) ； 如果将流变浆料凝固成坯锭，按需要将此金属坯锭切成一定的大小，然后重新加 热到半固态温度区间进行成形加工，这种方法称为触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 。 流变成形包括流变压铸、流变注射成形及流变锻造。由于流变压铸过程中， 直接获得的半固态金属浆液不方便保存和输送，难以工业化。英国布鲁内尔大学 的z f a n 等人将半固态金属流变铸造与塑料注射成形结合起来，开发了一种双螺 旋半固态流变注射成形技术【1 2 1 。而对于流变锻造，现在研究较少，它与液态模锻 过程基本一样，将制备好了的半固态浆料，不经冷却，直接放入模具内，进行半 固态锻造。 而与流变成形相比较，触变成形法更为实际可行，它解决了半固态金属浆料 制备与成形设备相衔接的问题。由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便， 并易于实现自动化操作，因此，触变成形更加适合于工业化生产，目前，它已被 广泛地投入到商业化生产中。半固态金属的触变成形可以分为以下几类【1 1 , 1 3 - 1 5 l ： 触变压铸( t h i x o d i e - c a s t i n g ) ，其成形设备采用压铸机；触变锻造( t h i x o f o r g i n g ) ， 2 ， 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 其成形设备采用模锻机；触变注射成形( t h i x o m o u l d i n g ) ，其成形设备采用专用 的t h i x o m o u l d i n g 机。 由于半固态触变锻造设备投入少，设备与模具制造简单，加工工艺控制容易， 因此，本次工作采用了半固触变锻造来探索半固态加工技术制备双金属材料的可 行性。 在成形过程中，半固态坯料的制备非常的重要。下边分别介绍了几种重要的 制备半固态坯料的技术。 1 2 3 半固态金属坯料的制备 半固态金属浆料的制备是金属半固态成形的基础，目前为止，人们普遍所采 用的半固态金属材料制备方法是：在金属凝固的过程中，对熔融态的金属施加剧 烈的搅拌作用，使得树枝状的晶粒破碎，变为近球状的晶粒。主要包括机械搅拌 法【1 l ，电磁搅拌法f l 】、喷射成形澍1 、应变诱发熔化激活法【1 ，1 1 】等等，目前商 业上比较实用的方法是电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法。 本次实验中所采用的制坯方式是应变诱发熔化激活法，应变诱发熔化激活法 是指先对常规金属的铸锭进行预变形，如可以进行挤压，滚压等热加工，预变形 后制成的半成品坯料，其显微组织具有明显的变形拉长结构，然后将半成品坯料 加热到金属的固液两相区进行等温处理，等温处理一段时间后，被拉长的晶粒将 会转变成为细小的颗粒，再经快速冷却，便可获得具有非枝晶组织的半固态坯料。 在等温处理的过程当中，坯料内部首先会发生再结晶，之后部分熔化，最后便可 获得近球形状态的固相颗粒分布在液相中的半固态组织。其机理一般被认为是： 熔化了的部分液相渗入小角度晶界，从而使固相颗粒分开，枝状晶粒破碎。其特 点是，制备的锭坯材质与尺寸灵活多变，生产成本低，效率高，适合于实验室研 究。 1 2 4 半固态加工技术与双金属材料的的应用前景 1 2 4 1 半固态加工技术的应用现状 由于半固态加工技术有很多的优点，在国外，s s p 技术在汽车零部件的制造 上已经有了多年的应用，目前，美国、意大利、日本、英国、法国等国家的半固 态成形技术处于世界领先地位，并已进入了工业应用阶段i l6 ，1 7 j 。 在美国，a l u m a xe n 西n e e r e dm e t a lp r o c e s s ( a e m p ) 公司最先将此技术转化为 生产力。在1 9 7 8 年，a e m p 公司利用电磁搅拌技术生产出了供触变成形使用的 高质量圆锭，并且建立了世界上第一条高度自动化的触变成形生产线，用于铝合 金汽车零部件的生产，在此技术上a e m p 公司所获得的专利达到6 0 多个。在1 9 8 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 年，a e m p 公司将此项与触变成形有关的专利向欧洲转让，用来生产a u d i 、v o l v o 和b m w 等小轿车的铝合金零部件。从1 9 8 8 年开始，a e m p 公司为f o r d 汽车公 司生产近1 5 0 0 万件铝合金压缩机活塞，为b e n d i x 牌小轿车生产了约为2 5 0 万件 铝合金主汽缸，其成品率几乎达到1 0 0 。a e m p 公司于1 9 9 2 年与s u p e r i o r 工业 公司合资新建了一家工厂，利用t i ) l1 4 , - 呻1 5 2 的棒料来生产大尺寸的汽车零部 件。该厂共拥有2 4 台压机，在1 9 9 7 年，该厂的生产能力达到了2 3 x 1 0 4 吨年。 此外，美国t h i x o m a 公司采用半固态注射成形来生产镁合金零件。f o r c a s t 公司 集中生产半固态合金小零件，重量小于4 5 0 9 ，合金种类有铝、铜合金及金属基 复合材料【l 孓2 1 1 。2 0 0 8 年，美国科罗拉多矿业大学发明了一种新的计算凝固过程 中铝合金固相率的方法基于冷却曲线的牛顿方程。该方法是利用热平衡结合 冷却曲线来计算熔体的固相分数【2 2 1 。2 0 1 0 年，美国爱荷华大学结合了半固态加 工技术和粉末冶金技术两者的优点，成功地研制出了含有5 0 s i c 的s i c 6 0 6 1 复合材料【2 3 j 。在欧洲，意大利很早就将半固态加工技术应用于大规模的工业领域。 s t a m p a l 公司是意大利一家专门为铝合金触变成形提供锭坯的的公司( 该厂能够 生产出直径为9 0 m m 11 0 m m ，长度可以达到4 0 0 0 m m 的圆锭坯) 。它为福特汽 车公司生产发动机油料注射挡块，其生产效率可以达到1 6 0 件d , 时，另外，该 项技术还可以用于生产摇臂等零件与齿轮箱盖 2 4 1 。用半固态加工技术来制备各种 钢铁材料的复杂零件也是近年来研究的热点，目前，一些有着复杂外形的钢铁零 件也已经被成功制备。从1 9 9 3 起，w e b e r 公司就已经开始采用半固态技术生产 油料注射挡块。瑞士的a l u s u i s s e 公司与一些欧洲汽车制造商建立了合作关系并 采用半固态技术来开发零件，于1 9 9 7 1 9 9 8 年，所开发出来的技术开始全面投产， 产品主要是汽车悬挂系统和操纵转向节，并已成为其中两个汽车制造厂的供应 商。另外，瑞士b u h l e r 公司于1 9 9 3 年初设计制造的第一台适用于半固态金属压 铸的s c 卧式压铸机，配有压射的实时液压控制及新型的型腔传感器系统来检测 和确保工艺的稳定性。比利时列日大学( u n i v e r s i t yo f l i e g e ) 成功地用半固态触 变锻压的方法制备了易热裂材料的薄壁零件1 2 5 1 。法国的p e c h i n e r ys a 公司采用 电磁搅拌技术后，成功生产出了a 3 5 6 、a 3 5 7 还有a i s i 7 c u 3 m g 合金的半固态坯 料，其规格为0 7 6 m m ，1 2 7 m m 及0 1 5 2 m m ；在1 9 9 6 年9 月，o r m e t 公司引入 了p e c h i n e r ys a 的工艺技术并在美国正式投产，为美国的一些企业提供半固态 坯料。与此同时，德国e f u 公司采用半固态压铸技术成功地制造出了铝合金汽 车主连杆，有着交叉筋的厚壁件和a 3 5 6 s i c 复合材料的圆盘状零件。2 0 世纪 8 0 年代后期，日本成立了一家名叫r h e o t e c h 的公司，该公司由十八个成员组成， 主要负责对半固态加工技术进行系统的研究，同时该公司也非常地注重与欧美著 名大学及公司的合作。r h e o t e c h 公司的成员主要包括古河电器，川崎制铁，神户 4 ， 中南火学硕士学位论文 第一章文献综述 制钢，三菱重工等钢铁企业以及四家有色金属公司。在1 9 8 8 年3 月至1 9 9 4 年6 月r h e o t e c h 公司共投资了3 0 亿日元对半固态加工技术进行研究开发，之后便开 始将该技术推向工业应用【l i j 。在俄罗斯首都莫斯科的轻合金研究所，学者们利 用超声振动的方法研制出了世界上最大的用u s t 方法所制造的一个铸锭，其重 量达1 0 t ，直径达到了1 2 0 0 m m ，所用的材料为2 3 2 4 铝合金。在泰国，g i s s c o 有限公司用一种新的半固态成形技术( g a si n d u c e ds e m i s o l i dp r o c e s s i n g ，简称 g i s s ) 成功地制造了转子盖( r o t o rc o v e r ) 、脚适配器( f o o ta d a p t o r ) 、管适配 器( t u b ea d a p t o r ) 等汽车零件，有着良好的质量。 在中国，半固态技术的应用目前还处在起步阶段，而现在的中国已经成为了 世界汽车零部件的主要生产基地，因此，推动半固态加工技术的发展与成熟将会 给中国的汽车行业带来巨大的经济效益，并对各个领域的材料的制备产生重大影 响。具有非常广阔的应用前景1 2 6 。2 9 j 。 对于半固态技术在中国的理论研究及应用，罗守靖教授等人在2 0 1 0 年国际半 固态会议中做了总结【3 0 l ：中国一些大学和研究所大约于2 0 世纪7 0 年代后期陆续开 展了关于半固态金属成形技术的研究，在这些研究院校中，哈尔滨工业大学、东 南大学、北京科技大学、上海大学、清华大学、大连科技大学、南昌大学、西北 工业大学及有色金属研究院等等一批研究机构，在国家“8 6 3 项目”、“9 8 5 项目”及 在第九个五年计划和第十一个五年计划“国家自然科学基金”的支持下，学者们在 基础理论研究及一些实验设备的自主研发及制造方面取得了很大的进步。在8 0 年代中期，我国的研究者开始研究用半固态技术来制备复合材料，并开始对个别 通用牌号材料的流变特性进行深入的研究，取得了一些成绩，例如利用晶粒细化 来获得具有细小枝晶的z a l 2 合金半固态锭坯【3 1 】。而在9 0 年代之后，一批研究院 校开始在其他材料上开展了较为广泛的研究。如有色金属及其合金等低熔点材料 及钢铁等高熔点材料。在国家自然科学基金的支持下，北京科技大学与中科院金 属所等单位一起开展了对钢铁材料半固态坯料直接成形的研究，在铸铁，弹簧钢， 不锈钢以及高碳钢等高熔点材料的坯料制备，喷铸成形及直接轧制等方面进行了 较为深入的研究，并取得了阶段性的成果【3 2 删。近年来，北京科技大学的康永林 教授采用机械搅拌法制备了s i c a 3 5 6 的半固态坯料，并采用半固态触变锻压的方 法将所得坯料成功制成形状复杂的电子封装外壳【3 5 】。除此之外，北京科技大学自 主研发的t b r 技术，能够制备出非常细小的有着球状晶粒的半固态坯料。所采用 的机器的具体结构可以参考【3 引，哈尔滨工业大学首次提出了一种新的应变诱发熔 化激活技术，该工艺是先用等倒角挤压的方法来对锭坯进行冷变形，接下来对材 料进行半固态等温处理。此方法成功地获得了非常细小的半固态坯料，为半固态 成形技术的发展增添了一个新的方向【3 7 】。镁合金的流变成形和触变成形在最近几 用铬钢与普通碳钢或是低合金钢来做成复合材料，他们所采用的方法是电渣焊接 法( e s h ) ，虽然对于基体表面的要求非常高，但是能够形成高强度的连接，所 形成的结合区适应任何生产操作，如弯曲，锻造等，同时，又能够获得综合力学 性能良好且有很好的耐蚀性的复合材料。现在已经有很多的双金属产品被广泛应 用于无缝石油管道，石油储存槽及海洋运输管道中3 踟。其他典型的例子还有很多， 6 中南大学硕+ 学何论文 第一章文献综述 如由不同物理性能材料连接而成的金属金属接头结构，用于压力容器、核反应 堆的双金属板、双金属复合导线，滑动轴承等。近年来，双金属复合材料以其良 好的综合性能在工程中得到了越来越广泛的应用【3 引。 ( 2 ) 双金属复合材料的制备方法 目前，双金属复合方法主要分为固一固复合、液一固复合和液液复合，其 中固态与固态金属的连接如激光焊接、摩擦焊接，固体和液体连续铸造复合( 铝 包钢，铜包钢复合电缆，铝铜复合板等 4 4 叫7 】) ，液体和液体复合如液液态铸轧 技术。下面介绍了几种连接方法的优缺点及发展现状。 激光焊接是指在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方 向形成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔沿两工件间的接缝移动，进而形成 焊缝，实现不同材料间的连接。激光焊接具有非常高的能量密度，所以，能够形 成深宽比比较大、小孔状的熔深，除此之外，激光焊接还有许多的优点，如热源 的光路容易操纵，方便控制，所产生的热影响区狭窄，加工后工件发生的变形小， 精确性及自动化程度高，在大多数情况下激光焊接不需要真空工作室等等。但是， 由于激光焊接工艺的成本投入非常高，而且其能量转换率较低，在很大程度上限 制了激光焊接的推广，现在，在美国，激光焊接已经在汽车业和金属加工行业取 得了广泛的应用，在美国汽车工业中心底特律地区有4 0 多家激光加工站来参于汽 车金属件的切割和齿轮的焊接；在亚洲，激光器供应商最大的客户为半导体工业 和电气工业；在欧洲，激光焊接应用较多，主要是在汽车业和金属加工业，而在 半导体工业则应用较少。另外，在欧洲，激光器在其他行业如塑料加工业中也有 了非常广泛的应用【4 5 2 】。 摩擦焊接( f r i c t i o nw e l d i n g ) 是利用焊接接触端面之间的相对运动而产生的 摩擦热与塑性变形热，使接触面及其近区达到一种粘塑性状态，并且产生适当的 宏观塑性变形，通过两侧材料之间的相互扩散来实现材料连接的【5 3 】。由于摩擦焊 接有着高效，优质，无污染，节能等特色，该技术在航天，航空，核能开发，海 洋等高技术领域，机械制造，汽车制造，电力及石油钻探等产业部门得到了较为 广泛的应用。目前为止，已经有了十多种摩擦焊的工艺方法。其被焊零件的形状 由简单的圆截面发展到了非圆截面与板材，而所能焊的材料也逐渐增多【5 4 埘】( 由 传统的金属材料扩展到了一些复合材料，功能材料，粉末合金等新型材料与异种 材料领域) 。 日本新日铁公司最早研发出用连续铸造法来制备双金属复合轧辊，该方法将 熔化的外层金属浇入结晶器中和预先已经置于结晶器中的芯棒相接触，并以一定 速度向下拉动芯棒，使得外层金属和芯棒在结晶器中可以完成复合与凝固，最后 把复合轧辊抽出。一般来说，采用连续铸造的方法所生产出来的复合轧辊工作层 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 具备较为优异的力学性能以及耐高温性能。此种方法既可以用来生产新轧辊，也 可以用来修复旧轧辊，所以受n t 相关领域科技工作者的高度关注【6 2 1 。 日本学者t h a g a s ，s u z u k i 等设计并制备了一套可以用于铸造复层薄带的水 平双辊铸机。该设备可以参考文献【6 3 】。这个双辊铸机由两个轧辊所组成，并在 两个轧辊处分别设有一个浇口。位于上方的轧辊向下拉拽金属熔体，而位于下方 的轧辊则直接水平拉拽金属熔体。在双辊铸机下部的熔体拉拽辊附近会形成混合 层，轧辊咬合前，位于下部的薄带并没有完全的凝固。当两轧辊互相咬合的时候， 上面的薄带可以被连接到基带上。这样，就可以获得复层薄带。可通过浇口之间 的狭缝来控制其混合层的尺寸。而轧辊速度、覆层温度、冷却距离及基底合金的 温度将会决定覆层薄带是否能够成功地制备。这种铸轧技术可直接生产出板材与 带材，省掉了铸造后的处理工作，而且可以避免轧制过程中会出现的各类缺陷。 虽然有很多连接双金属的复合方法，但这些方法所能成型的复合材料，形状 简单，仅适合于板带、线材的生产。目前，还没有高效的用于制各复杂形状且尺 寸精密的双金属复合材料的加工方法。 1 2 4 3 半固态加工技术与双金属复合材料 采用半固态加工技术来制备双金属复合材料有着许多的优点，下边的内容对 此进行了详细的介绍。 ( 1 ) 半固态加工双金属复合材料的优点1 6 4 】 如果用半固态加工技术来成形双金属复合材料制件，用于复合的半固态材料 中液体部分在压力作用下可以相互融合，不同材料的半固态浆料在固液两相区内 容易达到双金属之间的充分扩散，可以提高结合强度，使复合界面形成良好的复 合组织结构；而均匀分布的固相颗粒把相互融合的部分限制在表面很浅的一层， 使不同的半固态材料具有相对独立性。除此之外，半固态材料流动性很好，所以 采用半固态加工技术可以加工形状复杂的双金属复合制件。 综合上述优点，通过半固态加工技术，把不同的半固态材料合在一起进行压 力成形，可使不同材料在受到控制的状态下按性能要求分布到不同的位置，形成 多金属( 多材料) 复合制件。此外，由于半固态状态下，材料的连接相对简单， 所以，对连接条件的要求也比较低，不需要专门的设备。 ( 2 ) 半固态加工双金属复合材料的研究现状 1 9 9 7 年，日本东京大学首次提出一种新的半固态连接技术，该技术采用半 固态铝合金作为基底，在各种形状的基底上面嵌入棒材、线材、板材、管材等固 态材料形成良好的接头，可以用来制造各种形状复杂的散热片，成形过程近乎净 成形。东京大学所还研究了一些用半固态加工方法成形的散热产品【6 5 1 。2 0 0 2 年 第七届国际半固态成型及复合材料会议上首次提出了用半固态挤压制备梯度组 8 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 织材剃6 6 l ，并对半固态技术制备具有梯度组织的高铬铸铁耐磨，抗冲击材料进行 了研究，得到了较好的效果。德国亚琛工业大学的金属成形研究所也于2 0 0 2 年 用半固态加工技术制备了一种由不同钢铁材料连接组成的一种新的功能材料，并 验证了用半固态加工技术来成形梯度复合材料的可行性【67 1 。日本学者研究了用离 心铸造法加工半固态a 1 a 1 3 n i ，a 1 a 1 3 f e 材料，制备出了具有梯度组织的高韧性 的金属金属陶瓷复合材料【6 8 1 。2 0 0 3 年，东京大学采用半固态连接技术制备了不 同材料连接的工艺品【6 9 1 。2 0 0 6 年，西安交通大学将铝和不锈钢在半固态状态下 成功连接，其结合强度达到1 0 6 1 7 m p a t 7 0 j 。 1 3 研究目的与内容 本文研究材料的半固态模锻温度，并采用应变诱发熔化激活法来制备半固 态坯料，在此基础上，研究采用半固态触变锻压技术是否可以得到有着良好外观 质量、良好复合界面、形状复杂的双金属复合零件，从而判断用半固态锻压加工 技术来制备复杂双金属复合制件是否可行。 本次工作中采用半固态触变锻压技术制备了两种具有代表性的双金属复合 材料制件，一种是过共晶合金与亚共晶合金的复合；另一种是有共晶组织的合金 和金属基复合材料体系，如表1 1 所示。因为p b s n 合金成形温度低，成型性能 比较好，所以，对于共晶合金与亚共晶合金的复合性能好坏的研究，采用了不同 p b 含量和s n 含量的两种p b s n 合金作为模型材料。s n 。1 5 w t p b 合金与 p b 2 2 w t s n 合金均为初晶组织与共晶组织共存的微观结构。接下来，为了开发 更具应用价值的半固态双金属复合材料，选用了a 3 5 6 合金和s i c p 6 0 6 1 复合材 料来进行连接，并研究了a 3 5 6 + ( s i c p 6 0 6 1 ) 双金属复合成型件的外观质量及 界面的特征。 表1 - 1 本实验所采用的双金属复合材料 泌 过共晶合金与亚共晶合金的复合有共晶组织的合金与金属 数量基复合材料的复合 第一组 s n 15 w t p b + p b 2 2 w t s n 第二二组 s n l5 w t p b + p b - 3 0 w t s n 第三组 a 3 5 6 + ( s i c p 6 0 6 1 ) 在实验过程中，首先研究了所选材料的半固态模锻温度，并研究了应变诱发 激活法制备的半固态坯料的特点，判断在选定的温度下材料是否具备应变诱发熔 化激活触变锻压的条件。获得合适的半固态坯料后，通过半固态锻压技术来制备 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 双金属复合材料，通过分析所得双金属复合制件的外观质量可以判断在充型过程 中浆料的流动特性，并对所得的双金属复合制件的复合情况进行了研究。综合所 研究的结果，判断采用半固态锻压制备复杂双金属复合材料技术的可行性。本论 文的主要研究内容为： ( 1 ) 研究了a 3 5 6 合金、s n 15 w t p b 合金、p b 2 2 w t s n 合金、p b 一3 0 w t s n 合金及s i c p 6 0 6 1 复合材料的半固态模锻温度，并采用应变诱发熔化激活法来制 备半固态坯料。 ( 2 ) 设计一套合理的半固态锻压模具。 ( 3 ) 在前面的基础上，用半固态触变锻压技术来制备形状复杂的双金属制 件。通过分析所得制件的外观质量与界面特征，综合判断采用半固态锻压技术加 工形状复杂的双金属复合制件是否可行。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章实验过程及研究方法 2 1 实验目的 第二章实验过程及研究方法 本实验的主要目的在于： 1 )研究s n 15 w t p b 合金，p b 2 2 w t s n 合金，p b 3 0 w t s n 合金，a 3 5 6 合金及s i c p 6 0 6 1 复合材料的半固态模锻温度，并采用应变诱发激活 法来制备半固态坯料。 2 )采用半固态触变锻压技术加工所得的双金属半固态坯料，分析在所得 的半固态模锻温度下材料的流动特性，并分析了所制备的 s n 15 w t p b + p b 2 2 w t s n 、 s n 15 w t p b + p b 3 0 w t s n 及a 3 5 6 + ( s i c p 6 0 6 1 ) 双金属复合制件的复合效果。 2 2 工艺流程 结合本文的研究目标，制定的技术路线如图2 1 所示。 图2 - 1 本文研究的技