（材料加工工程专业论文）6xxx铝合金半固态坯料的制备及其成形数值模拟.pdf

r ， ， 二。：k ，一 a。；ssen砒；。n；n垒鱼垦；生【i塑，苎至q!也i望g娶翌gi翌笠皇i望g蝴 s e m i - - s o l i db i l l e t sp r e p a r a t i o na n di t s d e f o r m i n gn u m e r i c a ld m u l a t i o no f6delorming n u m e r i c a ls i m u l a t l o nox x xa 天天 a l u m i n u m a l l o y b yd o n g f u - - j u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ug u i - - m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y 2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 究 所 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 0-r - ，r j 1 _ 1】 东北大学硕士学位论文 摘要 6 x x x 铝合金半固态坯料的制备 及其成形数值模拟 摘要 金属半固态加工技术是一种节能节材、高精度、高性能的新型加工方法，具 有广阔的发展前途，是2 l 世纪最具有发展潜力的金属成形技术之一。本文采用液 相线半连续铸造工艺制备6 0 6 3 和6 0 6 1 铝合金半固态坯料，采用该工艺可以获得 适合于半固态加工的细小、均匀的蔷薇状或近球状的晶粒组织，且工艺简单、生 产效率高。 采用i m a g e p r op l u s 金相图像分析软件对半连续铸锭的组织进行晶粒尺寸和 圆整度的分析，铸坯中心部位的晶粒尺寸和圆整度比边部的小，随着铸造速度的 增加，晶粒尺寸增大，组织不均匀性增加。所以在略高于液相线温度保温，较低 的铸造速度下进行半连续铸造能获得良好的非枝晶组织，并在此基础上分析了液 相线半连续铸造条件下的形核及长大机理。 利用电阻炉加热，考察了液相线半连续铸造的6 0 6 3 和6 0 6 1 合金坯料在不同 的加热温度、不同的保温时间下的二次加热组织。通过i m a g e p r op l u s 金相图像分 析软件对二次加热组织进行液相和有效液相分数、晶粒平均等积圆直径和圆整度 定量的分析，得n - 次加热组织演变规律。6 0 6 3 合金在加热温度6 1 5 ，保温时 间2 0 m i n 或加热温度6 3 5 ，保温时间1 0 m i r a6 0 6 1 合金在加热6 2 0 ，保温时间 1 0 m i n ，能够获得适合予半固态触变成形的浆料组织。 本文利用了粘一塑性有限元模拟技术和半固态的变形机制，采用d e f o r i i l 3 d 塑性有限元分析软件对6 0 6 1 合金在6 2 0 半固念挤压成形进行了数值模拟，考察 了挤压速度、模具结构及模具温度对半固态挤压时挤压力，挤压件温度场、等效 应变场和等效应力场的影响，并与4 5 0 固态挤压成形数值模拟结果进行了对比分 析，由于变形机制的不同使得半固态挤压效果明显不同于固态挤压。通过数值模 拟优化获得的6 0 6 1 铝合会坯料在6 2 0 的半固态挤压工艺为：挤压速度3 m m s ， 模具温度2 0 0 ，挤压简温度6 0 0 的平模等温半固态挤压。 东北大学硕士学位论文摘要 关键词：半固态制浆；液相线半连续铸造；6 x x x 铝合金；二次加热；数值模 拟；半固态挤压 一i v l l ， ， i y 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i - - s o l i db i l l e t sp r e p a r a t i o na n di t s d e f t r m i n gn u m e r i c a l ；i m u l a t i o no f60rming n u m e r i c a ls i m u l a t i o no i - 0 x x xxx x a 1 1 j m i n l alloyuminum a bs t r a c t s e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g ( s s m ) i san e wp r o c e s sb e c a u s eo fi t sl o wc o n s u m i n g e n e r g y , h i g hf o r m i n gp r e c i s i o na n dh i g hp r o p e r t i e s ，w h i c hi sc o n s i d e r e da st h em o s t p o t e n t i a l o n eo fm e t a l f o r m i n g i nt h e21s t c e n t u r y i nt h i sp a p e rl i q u i d u s s e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ( l s c ) w a sp r e s e n t e dt op r o d u c et h es e m i - s o l i db i l l e t so f 6 0 6 3 a n d6 0 6 1a l u m i n u m a l l o y s l s ci s ap r o c e s st h a to b t a i n st h e f i n e ，u n i f o r m r o s e t t e - s h a p e do rn e t - g l o b u l a rg r a i n sm i c r o s t r u c t u r e sw h i c ha r es u i t a b l ef o rs s m ，t h e p r o c e s si ss i m p l ea n dt h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c yi sh i g h t h eg r a i ns i z ea n dr o u n d n e s se x t e n to ft h ea s - c a s tm i c r o s t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e d w i t l lt h ei m a g e - p r op l u s t h eg r a i ns i z ea n dr o u n d n e s si nt h ec e n t e ro fb i l l e t sw e r e s m a l l e rt h a nt h ee d g e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec a s t i n gv e l o c i t y , t h e yb e c a m el a r g e i t g a i n e dg o o dn o n - d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r e st h a tl s cw a sp e r f o r m e da tal i t t l eh i g h l i q u i d u st e m p e r a t u r ea n dl o wc a s t i n gv e l o c i t y t h em e c h a n i c so ft h en u c l e a t i o nn e a r l i q u i d u sl s ca n dt h eg r o w t hm e c h a n i c so ft h ef o r m e dg r a i nw e r ea n a l y z e d af u m a c ew a su s e dt oi n v e s t i g a t et h er e h e a t i n gm i c r o s t r u c t u r e so ft h e6 0 6 3a n d 6 0 61 a l l o y sc a s tb yl s ca tt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt h ed i f f e r e n ti s o t h e r m a l h o l d i n g t i m e i tw a sa n a l y z e dt h a tl i q u i df r a c t i o n ，e f f e c t i v el i q u i df r a c t i o n ，g r a i na v e r a g e d i a m e t e ra n dr o u n de x t e n to ft h er e h e a t e d m i c r o s t r u c t u r e sw i t ht h ei m a g e p r op l u s ， g a i n e dt h er e s u l t so ft h er e h e a t e dm i c r o s t r u c t u r e se v o l v e m e n tr u l e t h er e h e a t i n g e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a ta f t e rh o l d i n g2 0 m i na t615 o r10 m i na t6 35 。c ，6 0 6 3 a l u m i n u ma l l o ya n da f t e rh o l d i n glo m i na t6 2 0 c ，6 0 61a l u m i n u ma l l o yc o u l db e r e h e a t e di n t os e m i s o l i ds t a t ew i t hm i c r o s t r u c t u r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o rs s m v i s c o p l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g ya n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i c s o ft h es e m i s o l i ds t a t ew e r eu t i l i z e di nt h i sp a p e r i tw a ss i m u l a t e dt h a t6 0 61a l u m i n u m v 一 东北大学硕士学位论文 a b s t l a c t a l l o ye x t r u s i o na t6 2 0 。cb yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m 一3 d t h ei n f l u e n c e so f e x t r u s i o nv e l o c i t y , d i es t r u c t u r ea n dd i et e m p e r a t u r eo nt h ep u n c hf o r c ea n dt e m p e r a t u r e f i e l d ，e f f e c t i v es t r a i nf i e l d ，e f f e c t i v es t r e s sf i e l do ff o r w a r de x t r u s i o nb a r sa tt h e s e m i s o l i ds t a t ew e r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r i n g 、析t l lt h er e s u l t so fe x t r u s i o ns i m u l a t i o na t 4 5 0 t h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nm e c h a n i c sw o r k e dt h es i m u l a t e dr e s u l t sd i f f e r e n c e so f s o l i da n ds e m i s o l i ds t a t ee x t r u s i o n i ti st h a t3 m m se x t r u s i o nv e l o c i t y , 2 0 0 d i e t e m p e r a t u r e ，6 0 0 c e x t r u s i o nt o o l st e m p e r a t u r ei sr e a s o n a b l es e m i s o l i ds t a t ee x t r u s i o n p r o c e s so f6 0 6 1a l u m i n u mb i l l e t sa t6 2 0 k e y w o r d ：s e m i - s o l i ds l u r r yp r e p a r i n g ；l i q u i d u ss e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ；6 x x x a l u m i n u ma l l o y s ；r e h e a t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s e m i - s o l i ds t a t ee x t r u s i o n v l j _ 。一 蠢 ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 ) f 明i 摘要i i i a b s t r a c t v 目j i 乏v i i 第一章综述。1 1 1 半固态金属成形技术1 1 1 1 金属半固态成形工艺2 1 1 2 半固态成形合金3 1 2 半固态金属坯料的制备4 1 3 半固态金属坯料的二次加热5 1 4 半固态合金触变成形数值模拟技术6 1 5 国内外半固态成形技术的发展状况8 1 6 课题的目的、意义及研究内容1 1 第二章6 x x x 铝合金半固态坯料制备1 3 2 1 实验材料和方法13 2 1 16 0 6 3 铝合金的坯料制备13 2 1 26 0 6 1 铝合金的坯料制备1 4 2 2 实验结果与分析。1 4 2 2 16 0 6 3 合金半固态坯料1 4 ( a ) 坯料的微观组织1 5 ( b ) 铸造温度对组织的影响17 ( c ) 铸造速度对组织的影响。1 8 2 2 26 0 61 合会半固态坯料18 2 3 近液相线半连续铸造6 x x x 系铝合金组织的形成机理2 0 2 3 1 晶核的来源2 0 2 3 2 晶核的长大2 1 2 4 本章小结2 2 第三章6 x x x 铝合金半固态坯料的二次加热2 3 一v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 16 x x x 合金半固态坯料的二次加热2 3 3 1 1 实验方法及步骤2 3 3 1 26 0 6 3 合金半固态坯料的二次加热2 4 ( a ) 保温时间对二次加热组织的影响一2 4 ( b ) 加热温度对二次加热组织的影响。2 9 3 1 36 0 6 1 合金半固态坯料的二次加热3 1 ( a ) 二次加热的微观组织。3 l ( b ) 加热温度和保温时间对二次加热组织的影响。3 3 3 2 半固态坯料二次加热组织演变规律3 5 3 3 本章小结3 7 第四章6 0 6 1 合金触变成形的数值模拟3 9 4 1 粘塑性有限元法。3 9 4 1 1 粘塑性有限元法的基本假设3 9 4 1 2 粘塑性有限元法的基本方程【5 1 1 3 9 4 1 3 塑性材料的变分原理4 0 4 2 半固态材料变形行为4 l 4 2 1 半固态材料的变形机制。4 1 、 4 2 2 半固态材料塑性变形的本构关系4 2 4 36 0 6 1 铝合金挤压数值模拟。4 3 4 3 1d e f o r m 软件的介绍。4 4 4 3 2 挤压模拟前处理4 4 4 3 3 挤压模拟与结果分析4 5 4 3 3 1 半固态挤压4 5 ( a ) 挤压速度对触变成型的影响4 8 ( b ) 模具温度对触变成型的影响4 9 4 3 3 2 半固态和固态挤压模拟的区别5 0 ( a ) 挤压力5 0 ( b ) 出模具口处挤压件中心温度5 l ( c ) 等效应变5 1 ( d ) 等效应力5 2 4 4 本章小结5 3 一v i i i 东北大学硕士学位论文 第五章总结5 5 参考文献5 7 j 敦谢6 1 一i x j 东北大学硕士学位论文第一章综述 第一章综述弟一早练尬 1 1 半固态金属成形技术 金属半固态成形( s e m i s o l i df o r m i n go fm e t a l s ) 或半固态加工( s e m i 。s o l i d p r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌、扰动，改变 金属的热状态，加入晶粒细化剂或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大 过程，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一液混合浆 料，利用这种固一液混合浆料直接进行成形加工，或先将这种固一液混合浆料完 全凝固成坯料，根据需要将坯料切分，再将切分的坯料重新加热至固液两相区， 利用这种半固态坯料进行成形加工，这两种方法均称之为金属的半固态加工。 金属半固态成形【l 叫是介于固态和液态之间的一种成形工艺。半固态合金浆料 是由球形的初生相颗粒悬浮在母液中所组成的。随着固相成分的变化，此种状态 合金表现出来的特性差别很大。当金属液中的固相组分体积分数小于0 0 0 5 - - 0 1 时，固相微粒间的相互作用力很小，半固态金属浆料可以作为一种牛顿黏性流体 来处理；当金属液中的固相分数大于o 1 o 5 时，固相颗粒之间的相互运动和附 聚作用十分明显，其流变行为呈现非牛顿体型( 拟塑性) ；当金属液中的固相率为 o 5 - 一0 6 甚至更高时，固相微粒已经形成了“骨架 ，此时的半固态金属浆料可以 被认为是浸透着液体的多孔固体，浆液呈现非线性粘塑性，具有宾汉( b i n g h a m ) 流体的特性。随固相组分的增加，浆液流体从牛顿流体到拟塑性流体再到汉宾流 体变化。所以半固态金属成形兼具固态金属和液态金属的特性。 半固态金属浆料或坯料与传统过热的液态金属相比，具有一半左右的初生固 相，而与固态金属相比，又含有一半左右的液相，且固相为非枝晶态，所以，金 属半固念成形技术具有一系列的优点： ( 1 ) 半固念成形时，会属在充型过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化 和裹气，提高了铸件的致密性。因此，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学 性能，其强度比液态金属的压铸件高。可以通过调整固相率，来改变其表观粘度， 以适应不同铸件的成形要求。成形温度低，可以大大节约能源且工作环境改善。 同时减轻了模具的热冲击，提高了模具的受命。 ( 2 ) 二次加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬运，也便 东北大学硕士学位论文第一章综述 于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低， 便于成形。可以进行机械零件的近终成形，提高生产效率，降低生产成本。 ( 3 ) 半固态金属成形所需要的变形力低，且成形范围广。 最近半固态金属成形技术受到了越来越广泛的关注，不仅在研究领域取得了 很大的进展，而且正在不断向较为成熟的商业化生产方向发展。 1 1 1 金属半固态成形工艺 半固态金属成形是固态成形 和液态的铸造技术相结合的产物， 具有低残余应力、高致密性、低能 耗、短流程、近终型等优点，是一 种全新的近终型金属成形技术。由 于半固态金属浆料中的初生晶粒 毋通常以近球状形式存在，从而在加 7 工成形的过程中，具有较好的流变 性和触变性，通常可以利用压铸、 挤压、模锻等常规工艺进行加工成 形，因而半固态金属成形通常采用 流变成形和触变成形【4 1 两种工艺， 如图1 1 所示。 在流变成形过程中，利用经搅 拌等工艺获得的预定固相分数的 近球状晶半固态金属浆料，在保持 其处于固液两相区温度时直接进 行浇注成形。根据成形设备的种 类，半固态金属流变成形【5 6 】又可 分为流变压铸( 采用压铸机成形) 、 图1 1 金属半同态成形l ：艺方法 f i g 1 1 m e t h o d so fs e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g 流变锻造( 采用锻造机成形) 、流变轧制( 采 用轧机成形) 、流变挤压( 采用挤压机成形) 等。由于金属浆料在制备成形过程中 没有过热度，从而能够明显降低能耗，缩短合金的凝固时间，提高生产效率。但 是由于半固态金属浆料的粘度往往与搅拌的剪切速率以及时间有关，因而如何保 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章综述 存和输送半固态金属浆料，控制其在成形过程中的温度变化以及一定的剪切速率 成为流变成形商业化生产需待解决的关键问题。 触变成形则是利用所制备出的半固态合金坯料锭，通过截取适当大小的坯锭， 重新加热至固液两相区温度，然后输送到成形设备进行半固态金属成形。根据成 形设备的种类，半固态金属触变成形也可分为触变压铸( t h i x o d i e c a s t i n g ) 、触变 锻造( t h i x o f o r g i n g ) 、触变射铸( t h i x o m o l d i n g ) 、触变轧制( t h i x o - r o l l i n g ) 、触变挤 压( t h i x o e x t r u d i n g ) 掣7 1 。尽管该工艺需要对合金进行二次加热，相对提高了能 耗，由于在金属加工成形过程中半固态合金坯料便于进行二次加热和输送，同时 易于控制成形过程，因而成为当今半固态金属成形商业化生产所采用的主要工艺 形式。 i i 2 半固态成形合金 由于半固态成形合金浆料的制备需要在固液两相区内进行，因而半固态金属 成形工艺通常适用于具有较宽固液两相区的合金体系，如铝合金、镁合金、铜合 金、锌合金、镍合金以及钢铁类合金等。随着半固态金属制浆和成形工艺的不断 拓展，合金的应用种类以及牌号还将日益扩大。 目前以铝合金系列牌号的研究开发最为显著，并进入商业化生产阶段，这些 合金最成功地应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、 汽缸头、轮毂、压缩机活塞等。在发达国家，铝合金半固态加工技术( 触变成形) 已经进入到商业化生产领域，主要应用于汽车、电器、航空航天等方面，其中a 3 5 6 合金【8 j 的半固态成形性能较为优异，其成形产品通过t 6 热处理后的力学性能可以 达到：抗拉强度2 9 6 m p a ，屈服强度1 9 3 m p a ，延伸率1 2 ，硬度达到1 0 5 h b s ， 明显高于金属型成形件的力学性能，尤其是延伸率提高了1 4 倍( 金属型成形件在 t 6 热处理后的延伸率为5 ) 。 随着材料应用技术的不断创新，高熔点合余应用领域的发展及其不可替代性， 和提高金属成形产品质量、降低能耗的要求，对于高熔点合金半固态会属成形技 术也逐渐成为研究丌发的焦点。目前研究的合金已涉及铸铁、低合金钢、不锈钢 以及镍基合金等。目f j 尽管高熔点合金的半固态金属成形技术研究得到了不断加 强，但距离商业化生产尚有一段距离。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章综述 1 2 半固态金属坯料的制备 在半固态金属成形过程中，通常要求用于成形的半固态金属浆料拥有稳定的 均匀细小、被球化的非枝晶组织，从而确保金属浆料具有良好的流动性和触变性， 因而半固态金属浆料的制备是半固态金属成形过程中的关键环节之一，将会直接 影响到成形件的质量。目前，较为常用的半固态金属制浆方法主要有：机械搅拌 法、电磁搅拌法、应变诱导熔体活化法、液相线铸造法、喷射成形法以及化学晶 粒细化法等。 液相线铸造法( 9 】( 低过热度浇注法) 是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温 一段时间后进行浇注，通过控制浇注温度、保温时间和凝固冷却速度获得所需要 的半固态金属组织。在液相线铸造法制浆过程中，合金熔体浇注温度低，几乎无 过热，当浇注时熔体中会形成大量均匀分布的晶核，且析出初生相的凝固区较宽、 凝固潜热释放比较集中等，有利于细小、均匀、等轴的半固态非枝晶组织形成。 作为半固态金属制浆新工艺，液相线铸造法具有工艺简单，适用合金范围广，生 等产效率高、坯料的生产成本较低，尤其对变形铝合金半固态浆料的制备具有极其 重要的意义，对金属流变成形工艺的应用及发展将起到积极地推动作用。现已成 功制备了7 0 7 5 、6 0 6 3 、6 0 6 1 、2 6 1 8 和a 3 5 6 、z l 2 0 1 、z l l l 6 等铝合金以及a z 9 1 d ? 和z k 6 0 等镁合金的半固态坯料。 机械搅拌法【9 】是被最早采用的方法，通过搅拌器所产生的机械外力在浆体中形 成足够的剪切速率，形成近球形的非枝晶组织。尽管该工艺的设备简单，能够获 得较高的剪切速率，有利于形成理想的组织，但是搅拌作用存在衰减甚至死区问 题，从而影响到浆料的均匀性。浆料对搅拌器的侵蚀也会造成合金的污染，而设 备笨重、操作困难、生产率低以及对固相分数要求较高( 3 0 - 6 0 ) 等原因限制了机 械搅拌法的应用和推广。 电磁搅拌法【l0 】克服了机械搅拌法的诸多不利因素，通过改变磁场的方向和发 生方式来获得半固态浆料所需要的非枝晶组织。由于是非接触式搅拌，电磁搅拌 可以避免金属浆料的污染和气体的卷入，不仅可使浆料产生三维流动，提高搅拌 效果，而且可以应用于不同形状的半固态金属坯料生产，如圆锭、扁锭、方锭、 空心锭等。但是，通常直径大于1 5 0 m m 的坯料不宜采用电磁搅拌法生产。 应变诱导熔体活化法1 7 】是利用常规组织的坯料经过一定的冷变形，使枝晶组织 破碎，而后在加热到液固两相区的过程中，由于畸变能作用发生回复和再结晶， 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章综述 当处于两相区时界面能大的尖锐突起部位熔化，而凹陷部位由于扩散作用发生凝 固，从而获得近球状的半固态组织。该工艺由于对变形工序的要求较高，力n - r - 繁 琐、生产成本高、生产率低，使之在工业上主要应用在小规格尺寸的较高熔点合 金的非枝晶组织制备上。 通过晶粒细化剂或变质剂使金属熔体中增加大量的外来晶核数量，和改变结 晶方式来细化晶粒与改善结晶组织，从而得到非枝晶组织的化学晶粒细化法将 使半固态金属制浆工艺更加简化、操作更加简便，并将直接推动半固态金属流变 成形工艺的商业化生产。 除了以上的半固态金属制浆方法以外，目前还有采用喷射成形法、紊流效应 法、粉末冶金法、超声波处理法、等温热处理法、被动搅拌法、压锭压铸工艺法、 电磁脉冲法、新型m i t 工艺制浆法、单双辊旋转法等【5 1 ，由于应用条件及设备等 方面的要求，目前大部分依然处于实验室研究开发阶段，进入商业化生产尚有一 段距离，还有待于进一步的研究和开发。 1 3 半固态金属坯料的二次加热 半固态触变成形工艺主要包括半固态浆料的制备、坯料二次加热和触变成形 三个重要技术环节。二次加热是将半固态金属坯料加热至固液两相区，使其组织 部分重熔以恢复到固液混合状态，并获得所需的晶粒尺寸和形状，确保一定的固 液相比例和均匀的温度场，从而保证其具有良好的触变性能。因而在合金的半固 态触变成形工艺中，二次加热起着承上启下的作用。二次加热的目的：其一是为 了获得不同成形工艺所需要的固相体积分数，其二是坯料的蔷薇状组织逐渐长大 合并，并转化为近球状结构，从而为触变成形创造有利条件。半固态二次加热组 织状态对后续成形工艺及制品质量有重要影响，因此对半固态坯料进行二次加热， 通过严格控n - 次加热工艺，研究二次加热过程中加热温度和保温时间对坯料组 织演变规律的影响，为获得最适合于半固态触变成形的组织提供理论依据是十分 必要的。 从半固态二次加热工艺上看，为了满足半固态金属触变成形的需要，金属坯 料的半固态二次加热应满足以下基本要求： ( 1 ) 对于不同的成形合金，应确定不同和合理的二次加热温度，使半固态 二次加热后的金属坯料便于搬运，同时又具有较理想的触变成形性能，以便获得 轮廓清晰的毛坯零件。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章综述 ( 2 ) 对金属坯料的二次加热温度要精确控制、坯料内部的温度梯度应尽可能 小，以获得固相分数准确和固相分布均匀的重熔半固态坯料。 ( 3 ) 尽可能加快半固态二次加热速度，防止二次加热过程中坯料表面的过分 氧化和初生晶粒的过分长大。 ( 4 ) 金属坯料的二次加热时间应控制，以便获得良好的触变成形的组织。 金属坯料二次加热的方法有多种，如电磁感应二次加热、电阻炉二次加热、 盐浴炉二次加热、直流电流短路二次加热等。目前，真正投入工业应用的二次加 热方法主要以电磁感应加热为主，在实验研究中，则常以电阻炉为主。 电磁感应半固态二次加热是目前半固态合金触变成形中最主要的加热方式， 可以通过调整加热功率、加热频率等达到加热均匀。其优点是：重熔加热速度快， 坯料的表面氧化少，生产效率高，容易与高效率的成形设备的生产节奏相匹配； 感应加热工艺易于实现机械化和自动化控制，生产环境优良。但电磁感应半固态 二次加热的缺点是：加热坯料时产生的热量集中于坯料的外部，在坯料内部产生 较大的温度梯度，容易造成半固态坯料的温度场或固相分数的不均匀；受感应加 。热器的限制，不适合加热形状复杂和多品种小批量的坯料；加热过程中坯料的温 度或固相分数难以直接测量。 采用电阻炉重熔加热半固态坯料，利用电阻炉的辐射，对流和传导来加热坯 料，适用于合金小试样的半固态二次加热组织演变规律的研究，利用电阻炉加热 可以节约大量的金属，又能精确的测温，又能长时间的保温，便于改变实验条件 和取得不同的实验结果。因此，对于二次加热组织演变研究，电阻炉是很好的二 次加热方法i l i 】。 直流短路加热是g l e e b l e 1 5 0 0 型热模拟实验机使用的加热方式，加热速度可 快可慢，比如：可以在十几妙钟之内，将金属试样加热至几百度或上千度，而且 试样断面的加热温度还比较均匀。但加热方式难以应用于较大的金属半固态坯料 的加热，仅能用于很小试样的半固态重熔加热。因为，这种加热方式要求试样两 端具有较高的平行度，试样要在一定的预紧力下夹持，否则，试样各处的加热不 均匀，但当合金坯料进入半固态状态时，坯料就很容易被夹跨，加热只能终止l l 引。 1 4 半固态合金触变成形数值模拟技术 数值模拟技术不仅可以模拟金属加工过程的流场、温度场、应力场以及显微 组织的变化，还可以预测金属加工过程的缺陷形成，因此，他对于了解和分析半 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章综述 固态金属成形加工工艺过程，控制和优化工艺参数和零部件的近净触变成形可起 到有效的指导作用。然而，半固态金属成形是固液两相流动过程，并且具有触变 性，其形变抗力或表观黏度不仅与剪切速率有关，还与时间有密切关系，因此数 值模拟方法必须能跟踪流体变形过程。 目前对半固态金属触变成形的模拟大多立足于一些商业化的有限元或有限差 分软件的平台，如：德国的m a g m a s o f t 软件、美国的f l o w - 3 d 和p r o c a s t 软件、 a n s y s t m 等。模拟了半固态触变成形过程中成形件的流场、温度场和成形力， 分析影响因素如( 成形温度、成形速度等) 与其之间的关系。 王仕勤掣1 3 】采用f l u x e x p e r t 有限元软件研究了s n p b 合金压缩、a 1 s i 合 金蠕变条件下半固态材料的流变行为，其中固相采用粘塑性模型，液相流变则用 d a r c y 法则予以描述。研究表明摩擦对半固态材料流动影响非常大，而固液相分布 的不均匀性则导致材料在变形时出现严重的固液偏析现象，这对成形并获得均匀 组织性能的制品是不利的。o m i dl a s h k a r i 掣1 4 】采用稳态指数流动模型并用p r o c a s t t m 软件对a 3 5 6 铝合金半固态压铸进行了分析，认为半固态浆体与模腔间为无滑 动边界时，模拟结果不能解释压力变化行为和传热现象，而考虑滑动后模拟结果 和观测值相符。m e l e l l a n da r a 等人【l5 j 采用f l u xe x p e r t 有限元软件分析了s n p b 和砧s i 半固态合金充型过程。结果表明，在平行板挤压过程中，端面摩擦力、试 件形状及液相偏析等对半固态s n p b 合金充型过程的平稳进行有重要影响。在未 受挤压的情形下，舢s i 合金在半固态由于其自身重量的影响易产生液相偏析，使 充型过程中的液态扰动加大。m o d i g e l l m 等人【1 6 】用f e m 软件模拟了s n 1 5 p b 合 金圆柱形试样的半固态挤压过程。m p a e s ，e j z o q u i 等【l 7 】采用触变模型、常黏度 模型和非牛顿流体模型，在f l o w 3 d 软件平台上对a 3 5 7 铝合金的快速压缩变形压 力变化进行了模拟。表明非牛顿流体模型不能较好地描述半固态金属的触变行为。 引入“屈服应力 的概念代替黏度的连续变化来解释试样变形初期的刚性下降现 象。b a r k h u d a r o v i 博l 建立了一个描述半固态浆料触变性的本构关系数学模型： d o d ，、d u矿，、 万2 万7 ) - 卅7 万刮+ 布旷圳) 该模型考虑了浆料变形时黏度、剪切速率及迟滞时间对剪切应力的影响。采 用f l o w 3 d 软件对s n 1 5 p b 合金的触变挤压成形行为进行模拟，剪切应力和表观 粘度模拟计算结果与实验基本相符。m r j a f a r i 等i l9 】人通过有限体积方法模拟半固 态a 3 5 6 合金挤压过程，它避免了有限元模拟方法的重划分网格麻烦。c g k a n g 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章综述 等人【2 0 1 通过有限元方法( f e m ) 实现了半固态铝合金涡旋形零件的近净成形。同 时采用商业有限元软件d e f o r m t m 成功地分析了涡旋件的应力分布及固相率超 过5 5 时的应变率，并得出冲模行程越长，等效应变率的变化随之急剧增加的结 论。另外，c g k a n g 等人【2 l l 还提出了一个新的有限元程序s e m i f o r m ，并用它来 预测了半固态材料中固相的畸变状况、充型缺陷以及液相的偏析。同时验证了 s e m i f o r m 是一种对触变成型优化和设计的有效而又经济的工具。 目前国内许多科研工作者使用a n s y s 、d e f o r m 、a n y c a s t 、p r o c a s t 等软件半固态坯料触变成形进行模拟，对于低固相率一般采用表观粘度模型，如 李春明使用通用软件a n s y s 软件，采用c a r r e a u 粘度模型【2 2 】： = 反+ + 心) ( 1 + ( 兄d ) 2 ) _ ( 1 2 ) 对于高固相率( 7 0 ) 半固态坯料采用热模拟方法得到仃= f ( 6 ，t ，s ) 的本构 关系，在进行数值模拟时，如陈国香、阎洪等【2 3 埘1 通过d e f o r m 软件，采用 = 口0 e x p ( 口1 9 ) s 。a z z 6 ：a 3 【1 - i l l ( 1 3 ) ，、上 以- ( 等厂 蠢 其中：仃为轴向压缩应力，易为轴向应变，乞为轴向应变速率。模拟半固态 a z 6 1 镁合金在5 5 9 c ( 固相率高于8 0 ) 下的触变成形，发现半固态坯料的变形 抗力要比常规坯料的变形抗力降低1 3 。李兴刚等人在g l e e b l e 15 0 0 材料热模 拟试验机上实现了压缩试验。考察了温度在5 1 0 。c , - - , 5 7 0 范围内及应变率在o 1 2 0 s j 范围内的a z 9 1 d 镁合金半固念的变形特性，在粘塑性有限元理论和实验数据 的基础上，采用回归法确立了本构方程，并用商业有限元软件d e f o r m 3 d 模拟了 实际最小尺寸的汽车车轮的触变成型过程。由此获得了触变过程中的流场和应力 应变场，同时分析了应力、应变率和温度之间的关系。这些都是对某些材料进行 半固态触变模拟的研究，目前软件还没有开发半固态成形的板块。 1 5 国内外半固态成形技术的发展状况 半固态成形技术，自从2 0 世纪7 0 年代由美国麻省理工学院的研究小组首次 提出以来，由于性能优异的半固态成形产品可应用的领域不断扩大，越来越受到 世界各国的重视。随着研究的深入，半固态成形技术得到不断地完善，已经进入 一8 一 东北大学硕士学位论文 第一章综述 到工业应用的阶段，尤其在欧美及f 1 本等发达国家，由于汽车工业的发展和竞争 的同益激烈，使半固态铸造成形技术得到了广泛应用。 在美国，a e m p 公司率先将此技术转化为生产力。1 9 7 8 年，它使用m h d 技 术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了全球首条高容量和高度自动化的触变 成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并拥有相关专利6 0 多项。日本日立公司 从1 9 9 9 年开始以流变铸造工艺大量生产铝合金汽车悬挂件，与原来的触变成形工 艺相比，生产成本大幅度降低，生产周期缩短，产品质量提高。意大利的s t a m p a l 公司最先将源于日本u b e 公司的新流变铸造( n e wr h e o c a s t i n g ) 工艺用于工业生 产，使铝合金( a 3 5 6 ，a 3 5 7 ) 发动机托架、汽车悬挂件等零件质量提高，成本降 低。 英国的布鲁内尔大学【2 6 】在传统挤压技术的基础上，开发出半固态金属双螺旋 流变挤压工艺( s s mt w i n s c r e wr h e o e x t r u s i o n ) 。该工艺利用金属液在流过带有高 速旋转的双螺旋杆的管道时，先将金属液快速冷却到半固态金属浆料制备温度并 保温，通过双螺旋杆转动产生较强的剪切速率和紊流来获得半固态金属浆料，同 时由管道出口输送到成形装置中。该工艺装置可以同多种金属型成形