（材料加工工程专业论文）自孕育法制备az61镁合金组织的凝固过程研究.pdf

硕士学位论文 摘要 半固态浆料或坯料的制备是半固态成形技术的关键环节，这就要求浆料或坯 料中具有完整球形或近球形的初生固相颗粒。本文采用了一种能够高效制备优质 半固态浆料坯料的工艺方法，即液液混合的自孕育法( s e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d ， 简称s i m 法) 。从形核和晶核生长两方面入手，深入研究了合金熔体凝固过程中 非枝晶组织的形成机理；并对比分析了其他工艺方法( 传统铸造、倾斜板法及液 液混合直接浇注的方法) ，系统的研究了工艺参数( 自孕育法中液液混合、熔体 处理温度、导流器角度) 对a z 6 1 镁合金半固态组织的影响规律。实验结果表明： 1 熔体处理温度、导流器角度很大程度上决定半固态浆料的优劣，制备a z 6 1 变形镁合金的导流器角度有效范围是3 0 0 - 4 5 0 ，熔体处理温度有效范围是6 3 5 6 9 5 ，制备的浆料出生相颗粒平均晶粒尺寸在4 8 9 i n 5 2 1 t i n 之间； 2 制备a z 6 1 变形镁合金非枝晶组织s i m 法的可操作温度区间约为6 0 ， 制备后的浆料有较好的流动性，有利于备高性能结构复杂的零部件； 3 采用熔体混合的s i m 工艺，合金熔体在浇注前就引入了强烈的紊流作用， 通过低过热浇注、导流器壁的局部激冷、冲刷和合金熔体在导流器出口处的汇合 混合综合作用下，最大限度的增大了异质形核，促进初生相细化。 关键词：自孕育法；熔体混合；a z 6 1 镁合金；组织细化 自孕育法制各a z 6 1 镁合金组织的凝同过稃研究 a bs t r a c t t h ep r e p a r a t i o no fs e m i - s o l i ds l u r r y b i l l e ti sak e ys t e po fs e m i - s o l i df o r m i n g t e c h n i q u e ；t h ec r u c i a lp r o c e d u r ei st h ep r o d u c t i o no f s e m i s o l i ds l u r r yw i t hs m a l la n d s p h e r i c a lp r i m a r yp a r t i c l e su n i f o r m l ys u s p e n d e d i nl i q u i dp h a s e i nt h i st h e s i s ，an o v e l t e c h n o l o g yo fh i g he f f i c i e n c yw a sd e v e l o p e dk n o w n 嬲s e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d ( s i m ) w i t hm e l ta n dm e l tm i x i n g ，a n dt h ee v o l u t i o nm e c h a n i s mo ft h es l u r r y 谢t h n o n d e n d r i t es t r u c t u r ew a ss t u d i e df r o ms o l i d i f i c a t i o na n dg r a i ng r o w t hp o i n t so fv i e w a c c o r d i n g l y , t h ee f f e c to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so n m i c r o s t r u c t u r eo ft h ef i n a ls l u r r y w a ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d ，c o n t r a s t i n go t h e rm e t h o d s ，s u c ha st r a d i t i o n a lc a s t i n g ， s l o p ec o o l i n gp l a t e ，l i q u i d - l i q u i dm i xm e t h o da n ds oo n t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 t h eq u a l i t yo fs e m i s o l i ds l u r r y ( p r i m a r yg r a i nd i a m e t e ro f4 8 i - t m 5 2 1 t m ) i s d e t e r m i n e db yp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n ds l o pa n g l eo ff l u i dd i r e c t o r t h eo p t i m u m p a r a m e t e r st op r e p a r es e m i s o l i ds l u r r yo fa z 6 1a l l o ya r es l o pa n g l ei n3 0 4 5 。，m e l t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea t6 3 5 一- 6 9 5 。c ； 2t h eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r er a n g eo fs i mm e t h o dt op r e p a r ea z 61a l l o yi sa b o u t 6 0 c ，w h i c ho b v i o u s l yi m p r o v e st h em e l tf l u i d i t y , a n dc o n t r i b u t e st o f a b r i c a t i o no f c o m p l e xc o m p o n e n t s ； 3 t h ei n t e n s et u r b u l e n to fm i x i n gm e l t si si n t r o d u c e di ns i mm e t h o d t h el o w s u p e r h e a tp o u t i n g ，l o c a lc h i l lo ff l u i dd i r e c t o r , w a s h i n ga c t i o n ，a n dm i x i n ga c t i o n i m p r o v et h eh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o n ，a n dp r o m o t er e f i n e m e n to fp r i m a r yg r a i n k e yw o r d s ：s e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d ；m e l tm i x i n g ；m a g n e s i u ma l l o y a z 6 1 ； s t r u c t u r er e f i n e m e n t i i 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 插图索引 图1 1c p r 法工艺原理示意图7 图1 2 自孕育法铸造工艺示意图1 0 图2 1 工艺路线图1 5 图3 1 不同熔体处理温度采用m 1 浇注金属型坯料的铸态组织1 9 图3 2 不同熔体处理温度采用m 1 浇注金属型坯料的铸态和固溶组织1 9 图3 3m 1 方式下不同熔体处理温度对平均晶粒尺寸的影响2 0 图3 4 不同熔体处理温度采用m 2 浇注金属型坯料的铸态组织2 0 图3 5 不同熔体处理温度采用m 2 浇注金属型坯料的固溶组织2 1 图3 6m 2 方式下不同熔体处理温度对平均晶粒尺寸的影响2 2 图3 7 不同熔体处理温度采用m 3 浇注金属型坯料的铸态组织2 3 图3 8 不同熔体处理温度采用m 3 浇注金属型坯料的铸态和固溶组织2 3 图3 9 不同熔体处理温度采用m 3 浇注金属型坯料的晶粒尺寸分布2 4 图3 1 0 不同熔体处理温度采用m 4 ( 自孕育法) 浇注金属型坯料的铸态和固溶组 ! 织：! ：； 图3 1 1 不同熔体处理温度采用m 4 ( 自孕育法) 浇注金属型坯料的晶粒尺寸分布 ：! ! ； 图3 1 2 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金的铸态组织组织一2 8 图3 1 3 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金的固溶处理组织一2 8 图3 1 4 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布2 9 图3 1 5 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金平均晶粒尺寸分布2 9 图3 1 6a ) 熔体混合自孕育法b ) 固液混合自孕育法制各a z 6 1 变形镁合金的铸 态组织3 0 图4 1 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金的铸态组织。3 3 图4 2 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金的固溶组织3 4 图4 3 不同浇注方式下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布。3 4 图4 4 导流器角度3 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的铸态组织3 6 图4 5 导流器角度3 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的固溶组织3 7 图4 6 导流器角度3 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布曲线3 8 图4 7 导流器角度3 0 0 时熔体处理温度对a z 6 1 镁合金平均晶粒尺寸的影响。3 8 图4 8 导流器角度3 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的水淬组织3 9 图4 9 导流器角度4 5 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的铸态组织4 0 i v 硕士学位论文 图4 1 0 导流器角度4 5 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的固溶组织4 1 图4 1 1 导流器角度4 5 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布曲线4 2 图4 1 2 导流器角度4 5 0 熔体处理温度对a z 6 1 镁合金平均晶粒尺寸的影响4 2 图4 1 3 导流器角度6 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的铸态组织4 4 图4 1 4 导流器角度6 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金的固溶组织4 5 图4 1 5 导流器角度6 0 0 不同熔体处理温度下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布曲线4 6 图4 1 6 导流器角度6 0 0 熔体处理温度对a z 6 1 镁合金平均晶粒尺寸的影响4 6 图4 1 7 自孕育法不同导流器角度浇注下a z 6 1 镁合金铸态组织4 7 图4 18 自孕育法不同导流器角度浇注下a z 6 1 镁合金固溶组织4 8 图4 1 9 自孕育导流器不同角度浇注下a z 6 1 镁合金平均晶粒尺寸分布4 9 图4 2 0 自孕育导流器不同角度浇注下a z 6 1 镁合金晶粒尺寸分布4 9 图4 2 1 导流器角度对不同熔体处理温度对下的a z 6 1 镁合金组织的影响4 9 图5 1 熔体在经导流器上的受力示意图5 5 v 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 能源枯竭、资源匮乏、环境恶化等因素越来越成为制约社会可持续发展的主 要问题。近几十年来的几场为了获取能源、抢夺资源等引发的战争再次证明现有 的非可再生能源、资源及现存的环境对人口膨胀及人类进一步的需求难以为继， 因此进入新世纪以来，节能与减排受到大家重视，且开发新能源，寻找替代非可 再生能源且对环境友好的资源迫在眉睫。对材料而言，积极开发低能耗、对环境 友好的新材料及新的成形方法刻不容缓i l j 。 镁作为“2 1 世纪的绿色工程材料 以其优越的特性：镁合金具有质轻，比强 度、比刚度高，良好的导热性和电磁屏蔽性能，抗震，尺寸稳定性好及优异的阻 尼系数等优点，同时，镁又是优良的储氢材料和优质的环保节能材料【2 ，3 1 ，使得 镁合金在航空航天、汽车工业、3 c 产品、手持工具等行业深受欢迎。 1 2 镁合金材料概述 1 2 1 镁合金的性能及应用 纯镁在常温2 0 时的密度为1 7 3 8 9 e r a 3 ，比铝轻3 5 6 ，比钛轻6 1 5 ，比 钢轻7 7 ，是常用结构材料中最轻的金属【4 】。据报道【5 一，飞行器重量每降l k g ， 发射燃料可以节约4 k g ；航空发动机自重降低4 0 ，比功率可以提高约3 0 ；汽 车自重每减少1 0 ，油耗可减少5 5 ，燃料经济性可提高3 - - 。5 ，同时降低污 染排放1 0 左右。因而航空航天、汽车零部件采用镁合金材料，如飞机蒙皮、壁 板、舱门、框架、轮毂、机甲、仪表壳体和汽车变速箱壳体等来减重并降低材料 的消耗和污染的排放。 镁合金材料还具有电磁屏蔽性能强、导热性能好、尺寸稳定性高等优点使其 在电子领域深受欢迎。除生产笔记本电脑、m d 随身听和数码相机三大用镁合金 最多的产品外，还开发了投影仪、c d 播放机、掌上电脑等。随着消费者对时尚 的要求越来越高，镁合金在电子产品的外壳材料上有更加广阔的应用前景【1 1 。 此外，镁合金还有阻尼系数小，减震性能好的优点，这使得采用镁合金零部 件的自行车更轻便，更舒适。美国l i g h t l i n g 公司【7 】生产的1 1 1 el i g h t n i n gf - 4 0 自行 车整车重仅1 4 9 7 k g ，比普通的自行车快5 0 左右。 1 2 2 变形镁合金的特性及应用 镁合金按成形工艺可分为铸造镁合金和变形镁合金两种【4 1 。大多数镁合金具 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 i i 有密排六方结构，因此人们一直认为镁合金是一种难以塑性变形、压力加工成形 能力差的金属材料。同时，大多数镁合金具有较好的铸造性能，使得目前镁合金 产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少。然而，铸件的力学性能不 够理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，导致镁合金的使 用性能和应用范围受到很大限制。与铸造镁合金相比，变形镁合金经过挤压、轧 制和锻造等工艺后具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。变形镁合金制 品有轧制薄板、挤压件和锻件等。这些产品具有更低成本、更高强度和更好延展 性以及多样化的力学性能等优点【引。 随着现代电子技术的发展，消费者对电子器件用结构材料及部件的性能提出 了越来越高的要求。传统的塑料和铝材己难以满足电子产品轻、薄、小及安全、 环保的发展要求。从而变形镁合金成为制造电子产品的理想材料。现有的这些产 品大多都采用压铸法制造，存在产品规格尺寸受限、力学性能差等局限。采用塑 性加工技术生产该类产品，不仅可提高产品性能和质量，还可提高生产效率。因 此，变形镁合金在3 c 领域中具有广阔的应用前景。在办公、家用、体育用品、 手持工具及家庭消费品方面，由于经过塑性变形后的镁合金产品具有高的强度和 刚度，以及轻巧、美观、可回收且可替代许多塑料制品等优点，因此也成为近年 来变形镁合金材料不可忽视的一个应用领域【1 0 】。 1 2 3 制约变形镁合金进一步应用的主要因素 虽然对变形镁合金的研究及应用取得了阶段性成果，但其各方面的不足仍限 制了进一步的应用，这些不足主要表现在以下方面： ( 1 ) 对变形镁合金的理论研究不够深入，变形镁合金的研制缺乏理论指导； ( 2 ) 塑性变形能力差，虽然变形镁合金适合于塑性成形，但由于对其研制及 开发还处于实验室研究阶段，传统的塑性加工技术难以解决这一问题； ( 3 ) 耐蚀性差，镁属于活泼元素，易腐蚀，易氧化。因此必须采取措施提高 其耐腐蚀性，但这必将增加应用成本； ( 4 ) 未能开发出行之有效的变形镁合金加工成形新技术，相对于铸造产品而 言，变形镁合金产品的生产成本更高。由于变形镁合金的铸造性能差，用传统的 铸造方法容易产生热裂，且很难生产结构复杂的零件。即使以铸造的方法生产变 形镁合金零件，但如果不能解决铸造工艺中普遍存在的缩孔、缩松及气孔等缺陷， 那么后继的热处理和表面处理工序也不能进行。 1 3 镁合金半固态成形技术 变形镁合金由于各方面的不足限制了其进一步应用，因而开发新工艺提高合 金性能成为一种有效手段。半固态成形因其诸多优点加上镁合金质轻的特点使镁 2 硕士学位论文 合金半固态成形技术前景被看好【l 】。 1 3 1 半固态成形技术及其优点 所谓的半固态成形技术就是指将含有一定比例的非枝晶固相的固液混合熔体 在凝固温度范围内加工成形的一种材料成形方法。根据金属半固态成形工艺可以 把半固态成形分为流变成形和触变成形两类。流变成形是将浆料加热到固液两相 区，在规定的温度下直接将浆料送入成形设备进行近净终成形的成形方法：而触 变成形相对流变成形，要将浆料制备成非枝晶坯料，再进行二次加热到固液两相 区然后进行成形的工艺方法【l l 】。 半固态成形具有铸造成形适用合金范围广和压铸成形压铸件组织致密二者的 优点外，同时半固态成形能够打碎传统铸造过程中生成相互交叉的枝状组织结构， 连通凝固后期剩余的孤立液相，提高合金凝固后期的补缩能力，从而减少热裂和 缩松，提高铸件致密度：并能够减少或克服传统压铸过程中由于紊流而产生的裹 气现象。更重要的是半固态成形件可进行热处理进一步提高合金力学性能。 1 3 2 镁合金半固态成形技术现状 因镁合金现有的加工成形技术成本高，且镁合金的耐蚀性差，塑性变形能力 差，很难加工成板、带、棒及型材，因而其应用受到极大限制，针对镁合金半固 态成形大多现停留在实验室研究阶段【4 1 。目前投入工业应用较为成熟的是触交射 铸，该工艺类似塑料制品注塑成形，将颗粒状镁合金原料加热至半固态区间，同 时在螺旋推进器的推动下进入浆料收集区，由注射系统射入型腔进行成形。但该 工艺技术复杂，成本高，难以被市场接受。而流变成形由于工艺流程短，生产效 率高，产品质量优异被广泛看好。流变成形镁合金具有良好的机械性能和半固态 组织，但该工艺很大程度上受成形设备所限制，现基本上仍处于实验研究阶段。 1 4 半固态金属的微观组织 半固态浆料坯料的诸多特性都与其球形或近球形的晶粒组织有关，因此无论 对于流变成形技术还是触变成形技术，制备质量优良的半固态浆料坯料是成形技 术的基础和关键。自上世纪7 0 年代，f l e m i n g s 等采用机械搅拌法制备出具有完整 球形初生固相的半固态浆料后，随着对半固态组织形成机理的不断深入，半固态 浆料坯料制各技术也取得了大量成果。根据球形近球形晶粒的来源可以将现有 的浆料坯料制备工艺分成两大类，即树枝晶破碎球化技术、控制形核与抑制树枝 晶生长技术。 1 4 1 树枝晶破碎机理 半固态铸造过程中球晶近球晶的形成机理是半固态成形技术乃至凝固形态 3 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 学的一个重要基础理论问题，它决定着何种条件下采用何种工艺获得优质的半固 态组织。对引导开发新工艺和工艺应用都有重要的指导作用。经过4 0 多年的发展， 研究最广泛的是机械搅拌条件下的半固态组织的形成。f l e m i n g s 等【1 2 】对采用机械 搅拌法获得的具有完整球形初生固相的半固态组织进行了经典的论述：凝固开始 时，晶核以树枝状生长，随着熔体温度的降低，晶粒仍然以枝晶方式生长，但由 于机械搅拌条件的影响，枝晶臂发生破碎产生晶粒增殖，形成更多的细小晶粒。 但对枝晶破碎机制产生的晶粒增殖的基础理论还没达到共识，但以下机制作 用与枝晶破碎机制有密切关系： ( 1 ) 正常熟化引起的枝晶根部熔断。f l e m i n g s 等l l2 1 3 】认为：由于正常的熟 化作用，枝晶臂会从根部熔断，而随着持续地搅动剪切，初生枝晶臂碎块之间的 摩擦以及与液体之间摩擦和冲刷作用，也由于初生枝晶臂碎块的熟化作用，初生 枝晶臂碎块逐渐转变为玫瑰花状，同时只要在较高的搅拌剪切速率和较低的冷却 速率下，初生枝晶臂碎块最后会转变为球状或椭球状； ( 2 ) 枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断。v o g e l 等人【1 4 ，1 5 】在a i 2 0 c u 合金机 械搅拌实验基础上，提出了枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断形成球状初生晶粒的 机理：在接近合金熔点温度下，假定初生昏a l 枝晶具有一定的韧性且在搅拌过程 中发生弯曲但不发生断裂。若搅拌过程中，某一初生a - a l 枝晶臂相对于枝晶主干 弯曲了0 角，这就要求该枝晶臂弯曲部位中必须存在附加位错，这些位错将会因 为该枝晶臂弯曲部位的回复和再结晶的发生而转变成晶界，则该晶界就有了9 角 大小的取向错误。由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，此外大于2 0 0 的大角度晶界的能量a g b 一般都比固液相的界面能a 。1 大两倍以上，那么弯曲枝晶 臂中的这种大角度晶界最终会被液体薄膜所完全浸润，最后该枝晶臂就会由于晶 界引发的融化而从枝晶主干脱落下来。l e e 、d o h e r y 等人研究了6 4 0 下纯铝单晶 的弯曲行为。也证明了v o g e l 等人提出的此种假说； ( 3 ) 电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制。毛卫民等人【1 6 1 7 】以a i s i 7 m g 合金 的电磁搅拌为实验基础，提出了球状初生晶组织形成的枝晶臂根部熔断机制：通 过实验研究分析表明，电磁搅拌创造了一个新的形核动力学条件，即低温度梯度。 当a i s i 7 m g 合金熔体温度降至液相线温度以下时，由于低温度梯度现象，几乎整 个熔体温度均低于液相线温度，初生a a i 几乎可在整个熔体区域形核，增加了初 生a - a l 同时形核的位置和数目，这将有利于等轴的或蔷薇状的初生a - a l 形成而不 会出现一次臂很长的初生a a i 枝晶。同时研究表明，在电磁搅拌过程中，刚形成 的初生小a l 仍为枝晶，在长大的同时发生熟化，出现二次臂缩颈现象。而电磁搅 拌引起的宏观流动不可能改变初生a - a l 枝晶二次臂根部的溶质富集程度，同时熔 体附加的流动，使细小的g - a i 晶体在搅拌室的边缘和中心区域来回游动，使a - a l 小枝晶处于强烈的附加温度起伏当中，最终造成甜a l 小枝晶二次臂根部大量熔断。 4 硕士学位论文 从a - a l 枝晶上分离出来的二次臂与合金熔体或与初生a - a l 之间发生摩擦以进一 步熟化，最终初生僻舢晶粒变得圆整。 1 4 2 抑制树枝晶生长、过冷熔体中快速形核和孕育处理增加形核机制 随着半固态浆料坯料制备技术的不断发展，近年来，研究者更注重控制形核 与抑制枝晶生长的方式来获得非枝晶的半固态浆料坯料。控制形核与抑制树枝晶 生长技术的核心是在合金熔体的凝固初期形成大量的自由晶，通过控制合金熔体 凝固的热力学条件，抑制晶粒呈树枝状生长，从合金熔体中直接获得球形近球形 的初生固相。因此可以认为，理论上首先要在合金熔体凝固初期形成足够多的晶 核，其次要满足球形晶生长的界面稳定性条件。 总的来说，为了获得半固态非枝晶组织，工艺上通常采取的措施有：1 ) 控制 热学条件，如低温浇注、液相线法及近液相线法等；2 ) 动态结晶，如冷却斜板法 及其改进技术【1 8 - 2 们、机械搅拌、电磁搅拌、及振动法等；3 ) 孕育处理，如传统 孕育、变质处理、悬浮铸造及固液混合等。自2 0 0 0 年，f l e m i n g s 等教授将机械搅 拌与近液相线铸造相结合开发了新m i t 法以来，半固态浆料制备开始呈现复合化 发展趋势，即一种或几种方法与近液相线铸造相结合制备半固态浆料【2 1 1 。其中 c r p 技术 2 2 ，2 3 1 是低温浇注和动态结晶的结合；s s r 技术瞄4 1 是低温浇注和弱机械搅 拌的结合；固液混合技术【2 5 2 6 】贝l j 为孕育处理和搅拌技术的结合。 ( 1 ) 控制热力学条件 低过热度倾斜板浇注式( n e wr h e o c a s t i n gp r o c e s s ，简称n r c ) 浆料制备技 术。该技术的工艺原理是：将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜板上，利用 倾斜板的激冷、合金熔体的冲击和自重作用，细化晶粒，获得理想半圆态合金的 方法。 在此基础上，管仁国等【2 7 】提出了新型倾斜板技术制备半固态浆料和坯料，采 用波浪形倾斜板，在斜板冷却条件下制备了组织和触变性能优良的半固态合金坯 料。为了进一步降低成本，提高成品率，管仁国等采用改进的倾斜板，即在波浪 形倾斜板上施加震动，研究了斜板倾角、长度、振幅等对a i 6 s i 2 m g 合金组织的 影响【2 e2 9 】。当浇注温度为6 6 0 c 6 9 0 ( 2 、振动频率为5 0 6 0 h z ，可得到平均晶粒 直径为4 0 t t m ，晶粒平均圆度值为2 5 的半固态铝合金组织。对a z 9 1 d 镁合金波 浪形倾斜板振动技术触变成形研究表明，倾斜板倾角4 5 0 ，振幅1 4 5 m m ，浇注温 度为6 3 0 - 6 5 0 的条件下，可制备出组织优良的半固态a z 9 1 d 镁合金坯料；并 在5 7 5 、保温3 0 - 6 0 m i n 的条件下理想球化，通过触变锻压，在模具预热温度为 4 0 0 - 4 5 0 时，可制备出表面光洁、组织优良的成品制件。 a p e l i a n 教授和其合作者最近开发了控制扩散凝固法( c d s ) ：通过精确的控 制两种合金的成分、质量和温度来获得具有球状微观组织的铸件。选择温度接近 其各自液相线温度的合金( 如5 5 0 a 1 3 3 c u 和6 6 5 1 2 纯铝) ，控制其质量比， 5 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 使混合后接近所需的最终制备的合金成分；在选定温度下混合，研究者认为【3 0 3 1 】， 由于两种液态合金表面张力的不同和热扩散系数的不同，两种不同成分和温度的 合金熔体混合在一起，会出现两种情况：1 ) 通过传导和对流重新分配热能使合金 达到热平衡；2 ) 通过整个液体界面的质量扩散达到化学平衡。混合过程中能够产 生大量晶核，进而在液相中得到非树枝晶初生相，从而得到所需要的半固态浆料。 新m i t 工艺( s s r ) 【3 2 】：该方法是2 0 0 0 年由f l e m i n g s 等提出的，工艺为将 容器内合金温度保持在液相线以上几度范围内；将一个带有冷却作用的搅拌器伸 入到熔体内进行短时间搅拌，使合金温度降低到液相线以下，熔融合金内只有几 个固相百分数；取出搅拌器，将合金冷却到指定成形温度。在液相线温度附近的 搅拌冷却会使合金熔体内产生大量晶核，从而形成半固态组织。这种方法设备简 单，操作方便，目前已经在流变铸造中得到应用。 液相线铸造法【3 3 4 7 】是东北大学路贵民等开发的一种新型制浆技术。该技术的 原理是在合金液相线温度下保温形核后，进行浇注获得均一细小的非枝晶组织， 以适合半固态成形。7 0 7 5 铝合金液相线铸造的合理工艺参数是在液相线附近( 6 3 8 ) 保温后进行半连续铸造，获得的锭坯中心和边部组织是均匀、细小的近球形 组织。同时与常规铸造和接近液相线铸造进行对比，合金熔体的常规铸造温度( 7 2 0 ) 下获得的坯料边缘部位为粗大的树枝晶，中心部位组织极不均匀；在接近液 相线温度( 6 4 2 ) 保温3 0 m i n 后的铸造组织较好，中心部位和边缘部位差异较 小，同时王娜等对a 1 m g s i c u 合金近液相线半连续铸造速度进行了研究。结果 表明，6 6 0 c 保温后浇注，铸造速度为1 5 0 r a m r a i n 时可获得平均晶粒尺寸为3 6 5 l i r a 的均匀细小的近球形组织形成。该技术的重要贡献在于其理论意义和引导开发新 工艺方面3 钔。 ( 2 ) 动态结晶技术 目前，搅拌技术主要有机械搅拌法、电磁搅拌法和双螺旋注射技术。机械搅 拌法的原理是利用机械旋转叶片或者搅拌棒非连续或连续地改变凝固中的金属初 晶的生长与演化，获得球状或类球状的初生固相的半固态金属浆料，且这些球状 或类球状的初生固相均匀悬浮在母液中。但机械搅拌法的生产效率低，搅拌室和 搅拌棒的寿命不长，搅拌棒易于污染半固态浆料，且只适用于实验室研究，无法 制备高质量的半固态浆料坯料，也无法满足商业生产需要。 电磁搅拌法的原理是在旋转磁场的作用下，使熔融金属液在容器内做涡流运 动。该方法制备的金属浆料纯净，减少气体的卷入，控制方便，生产量大，在目 前工业应用的主要方法之一【3 9 1 。影响电磁搅拌效果的因素有搅拌速率、搅拌时间、 冷却速率、熔体温度和浇注温度等。由于加工过程的限制，通常认为，直径大于 1 5 0 m m 的铸锭不宜采用电磁搅拌法生产。这种方法的主要缺点是电能耗量大，设 备结构复杂且成本高。 6 硕士学位论文 f a nz 等人【4 0 4 1 1 在研究双螺旋机械搅拌流变射铸中提出高剪切速率或高强度 紊流促使球状晶粒生长的观点。首先，在高剪切速率或高强度紊流作用下，搅拌 室的温度场和溶质场趋于均匀，这使得在整个搅拌区域都可形核，增加了形核的 有效性，显著提高了存留下来的晶核数量，细化了初生晶粒；其次，在层流条件 下，提高剪切速率，初生晶粒周围的金属液流渗入二次枝晶臂之间的深度有限， 这将提高枝晶端部的生长速度，而几乎不会提高枝晶根部和枝晶侧面的生长速度， 结果促使初生晶粒生长成枝晶。但在高剪切速率或高强度紊流中，初生晶粒周围 的金属熔体流渗入二次枝晶臂之间的深度将增加，减薄了枝晶臂周围的热扩散边 界层和溶质扩散边界层厚道，减弱成分过冷，提高了枝晶臂根部和侧面生长速度， 而枝晶臂前端的生长速度却未提高，这促使晶粒最终生长成蔷薇状或球状。 s e e d 法( s w i r l e de n t h a l p ye q u i l i b r a t i o nd e v i c e ) 是由加拿大a l e a n 公司d o u t r e 等提出的一种制备半固态浆料的方法【4 2 1 ，2 0 0 2 年获得美国专利。该方法的原理是 将一定温度下的合金熔体浇入收集坩埚中，并随收集坩埚以1 0 0 - 2 0 0 r m i n 的转 速偏心转动( 偏心度为1 2 r a m ) ，此阶段持续时间取决于容器尺寸及合金熔体质量； 当熔体固相率达到3 0 - 4 5 时停止旋转，静置5 l o s ，然后打开容器底部的流口， 排干所剩液体，排出的液体占整个熔体的1 0 3 0 ，持续时间约为3 0 4 5 s ；最后 翻转容器，取出半固态坯料进行成形。 c r p 技术( c o n t i n u o u sr h e o c o n v e r s i o np r o c e s s ) 是2 0 0 3 年由a p e l i a nd 、f i n d o n m 等提出的，其基本原理是：将具有一定过热度的两种合金熔体( 可以是相同的 合金也可以是不同的合金) 通过保温管进入反应器中，合金熔体在反应器中进行 混合、强制对流和快速冷却，就得到了具有球状初生晶粒的半固态合金浆料，然 后将接受器中的浆料进行流变成形。该工艺中反应器是核心构件，它必须保证合 金熔体在凝固初期大量形核，而且还要能够及时排出凝固潜热。该工艺能得到高 质量的半固态浆料，而且效率高。目前，f l e m i n g s 等还在进行工艺优化以适应工 业化应用。如图1 1 所示如下： 图1 1c r p 法工艺原理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r s t i o no ft h ec p rp r o c e s s ( 3 ) 孕育处理 通过添加晶粒细化剂、变质剂或孕育剂，增加外来晶粒的数量或改变结晶方 7 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 式来细化晶粒组织，使生产的浆料坯料适合于半固态成形。据报道，挪威n o r s k h y d r o 公司已经通过化学晶粒细化法与特殊的凝固条件结合制备了镁合金a z 9 1 d 的细晶粒铸锭。悬浮铸造是上个世纪6 0 年代苏联人发明的一种铸造方法，并成功 运用于铸钢生产，在铝合金和铜合金铸造方面也有尝试，并取得一定的效果，但 将悬浮铸造运用到镁合金则鲜为人知。国内研究学者仁政等【4 3 】在悬浮铸造的基础 上引入电磁搅拌，将悬浮铸造的优点与电磁搅拌有机结合，提出电磁悬浮铸造的 成形方法，即将定量的高纯镁颗粒粉末加入到金属液中，然后在悬浮杯中利用电 磁力的作用进行搅拌，使之与熔体均匀混合并悬浮于其中，这样，浇注到铸型中 的不再是通常的过热金属液，而是含有固态悬浮颗粒的悬浮金属液，这些悬浮颗 粒具有通常所说的内冷铁的作用，在合金凝固过程中起到吸热、形核、促进凝固 和阻止二次相连续长大的作用，从而细化晶粒并优化合金的微观组织结构。陈振 华等【2 6 饨4 5 】在总结了半固态加工技术和喷射沉积技术的基础上又提出了固液混 合铸造法。该技术的原理是：在过热的合金熔体中加入大量的同种合金粉末或润 湿性好的异种合金粉末，经强烈均匀搅拌后进行半固态铸造或各种热加工的一种 材料制备工艺。通过固液混合铸造制备了高硅铝合金和耐热铝合金。该工艺所制 备的各种铝合金晶粒微细，合金力学性能明显优于传统铸造，并且解决了高硅合 金化铸件难以热加工的问题，使得很多新合金得以实际应用l 4 4 】。 1 5 目前一些半固态浆料坯料制备技术及其存在的问题 目前的制浆$ u 坯技术中，电磁搅拌法和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 法) 已在商业中实现实际应用，为众人所接受【1 1 1 。最为传统的机械搅拌法，由于 设备结构复杂、工艺参数控制困难、生产效率低、易卷入气体与杂质，且搅拌室 及搅拌棒易污染金属熔体等因素，其工艺逐步向短时弱机械搅拌、低过热浇注、 低耗高效方向发展，如s s r 法等。s i m a 法需很大的挤压变形量，制备过程复杂， 且只能制备小直径的金属半固态坯料【l 。 近液相线铸造由于工艺简单、成本低、制备的非枝晶半固态浆料坯料组织 细小，一直受到国内外学者的关注。研究表明，低过热度浇注可增加熔体的有效 形核，提高晶核的存活率。但近液相线铸造的熔体浇注温度必须控制在液相线附 近，温控精度要求高，增加了浆料坯料制备过程中的操作难度。 变质处理和孕育处理即加入形核剂后获得等轴晶的方法。然而形核剂的加入 通常是以杂质的形式存在于结构中，改变了合金的性质，并且增加了生产成本。 1 6 本文采用的制浆制坯方法 如上所述，目前的一些浆料坯料制备技术存在一些问题，本课题组在总结前 人经验和结合动态结晶、低温浇注和孕育处理等多种工艺优点的基础上提出了一 种复合制备半固态浆料坯料的方法自孕育法。所谓自孕育法( s e l f - i n o c u l a t i o n m e t h o d ，简称s i m 法) 就是指将两个一定成分、质量、温度的合金母液固相( 或 8 硕士学位论文 液相、半固态) 混合，再经过一定角度的导流器，利用两个合金液( 体) 的不同 性质、如温度、表面张力、组织等，在混合后使合金液中瞬间形成大量晶核( 一 次孕育) ，同时通过导流器产生紊流、冲刷、剪切和激冷的共同作用，促进晶粒游 离和增殖，加强自孕育效果( 二次孕育) 、抑制晶粒长大，获得具有非枝晶初生固 相的固液混合浆料，坯料，然后进行各种后续加工。 目前，以对a m 6 0 、a z 9 1 d 和a z 6 1 等镁合金，a 3 5 6 、2 0 2 4 和7 0 7 5 等铝合 金和铜合金进行了部分研究，验证了自孕育法可对多种合金进行半固态浆料制备。 本论文采用的s i m 方法是在合金熔体中加入液态孕育剂。孕育剂为与合金母 液不同成分的合金液，首先两种熔体混合搅拌因成分不同引起浓度扩散及能量起 伏和结构起伏，促使原子集团增多，进而增加有效形核；其次熔体流经导流器受 到的冲刷、剪切和激冷的共同作用，促进晶粒游离、枝晶破碎从而增加形核；再 次熔体在导流器出口处的汇合和熔体温度在液相线附近又促使熔体中爆发形核， 几者的共同作用促进了晶粒增殖的同时也抑制了其长大，达到细晶的作用，获得 了理想的半固态坯料组织。 1 7 半固态浆料坯料制备技术发展展望 对于采用半固态金属加工工艺，虽然生产铸锭的成本有所提高、开发新型成 形设备费用增加，但是由于材料的利用率比原工艺大大提高，且符合节约和环保 理念。同时又可弥补成本的提高、成形设备可以采用原有的成形设备与半固态浆 料坯料制备相结合，这也大大降低了设备费用。因此，半固态加工技术不仅在成 形和提高产品性能方面具有优势，而且在经济方面也具有相当强的市场竞争力。 为了将半固态金属加工应用于实际，目前半固态加工技术方面还需对以下几个方 面深入研究： ( 1 ) 分析半固态浆料坯料非枝晶组织的形成机理，尤其是符合生产实际状 况的动态组织性能研究； ( 2 ) 进一步细化半固态金属加工件的微观组织，有效控制半固态浆料坯料 中的固相率和固相尺寸； ( 3 ) 变形合金的直接铸造成形。半固态加工技术可以通过直接铸造成形及热 处理获得近净终成形的变形合金零部件。这将大大降低能耗，减少加工余量，节 约制造成本： ( 4 ) 难铸造合金的铸造成形。例a 2 0 6 合金，该合金有接近于铸铁及变形铝 合金的力学性能，因而在高强高耐磨零件中被认为是可取代铸铁的理想材料。但 由于在常规铸造过程中存在热裂及缩孔，而且枝晶粗大，使得这种合金很少使用。 有研究表明【4 6 】，通过半固态加工，该合金可获得近球形的晶粒组织，并能增强补 缩能力。若能让该合金代替铸铁，不仅可以降低设备重量，且可以降低生产成本； ( 5 ) 研究半固态加工过程中的计算机应用和自动化过程控制，并进行半固态 加工技术的数值模拟研究，为优化成形工艺提供依据，同时也可以降低实验费用； 9 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 ( 6 ) 半固态浆料坯料质量及其稳定性是保证后续工艺稳定和最终产品质量 的关键，因此需尽快开发制备高质量半固态浆料坯料的制备技术，满足工业生产 需要。 1 8 本论文研究的目的、意义及内容 当前制浆或制坯工艺比较单一，对于复合制浆或制坯研究不多。自孕育法能 更有效细化组织。因此将自孕育法用于半固态浆料或坯料的制各有很好的应用前 景。自孕育法用于半固态成形研究尚少，需进一步对非枝晶形成机理进行深入探 讨。 在自孕育法铸造过程中，加入的孕育剂为不同合金成分的液体；导流器可起 到冷却、摩擦破碎枝晶及促进晶粒游离作用；孕育剂可因混合成分不同使熔体引 起浓度扩散及能量起伏和结构起伏，促使原子集团增多，进而增加有效形核，并 抑制其长大，从而得到理想的组织。其工艺示意图如图1 2 所示。 自孕育法制备半固态浆料坯料工艺简单，流程短，生产效率高，具有以下优 点： ( 1 ) 适合各种合金，包括镁合金、铝合金、锌合金、铜合金及钢铁材料等； 既可用于铸造镁合金，又可用于变形镁合金； ( 2 ) 可以实现连续制浆，既可以用于流变成形，又可以用于触变成形； ( 3 ) 有一个大的温度区间适合半固态浆料坯料的制备，降低了浆料坯料制 备过程中的操作难度； ( 4 ) 通过对半固态浆料的短时保温，可以明显改善浆料的微观组织形貌和浆 料的成形性，大大降低压铸件产生的热裂、气孔和缩孔缩松等缺陷，提高铸件的 力学性能； ( 5 ) 可直接与冷室压铸机相连进行半固态金属成形，不需要安装其他特殊装 置。 _ _ ? 气 圆 图1 2 自孕育法铸造工艺示意图 1 纯镁熔体；2 - a z 91 d 镁合金；3 - 混合熔体；4 导流器；5 浇口杯；6 模具 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d ： i - m ga l l o y2 - a z 9 1 da l l o y3 - m i x i n ga l l o y4 - c o i l i n gc h a n n e l5 p o u r i n gc u p6 - m o u l d 1 0 硕士学位论文 本文主要研究通过自孕育法将a z 9 1 d 镁合金和纯镁熔体混合制备a z 6 1 镁合 金半固态浆料坯料及成形。研究内容包括： ( 1 ) 制定自孕育法的工艺过程； ( 2 ) 确定自孕育法的工艺参数； ( 3 ) 研究自孕育法与其他成形方式所得试样的微观组织的变化： ( 4 ) 研究自孕育法工艺参数对微观组织的影响； ( 5 ) 初步探索自孕育法凝固过程非枝晶组织形成机理研究。 自孕育法制备a z 6 1 镁合金组织的凝固过程研究 第2 章实验方法 2 1 前言 传统铸造由于熔体处理温度高，冷却速率低，所得铸件组织主要是发达、粗 大的树枝晶，且相邻枝晶相互连接成网状结构，有缩孔缩松存在。这使得组织中 存在很大的应力