（材料加工工程专业论文）半固态成形工艺对al5fe合金组织和力学性能的影响.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文针对越f e 合金组织中易形成粗大的脆性针状或针片状富铁相，严重割裂基体， 恶化合金力学性能的问题，开展了旨在改善此类合金微观组织结构及力学性能的研究工 作。通过采用半固态成形技术细化组织，研究了电磁搅拌法、近液相线法、二次加热、 不同挤压比及热处理工艺等对合金组织和性能的影响。 研究结果表明：电磁搅拌能有效的改善合金中的a 1 3 f e 相形态，使合金中的a 1 3 f e 相由粗大的针片状变为细小的短针状，并伴随搅拌电压的提高，效果增强。本实验选用 搅拌电压为1 0 0 v 时，针状相长度较铸态减少7 5 ；近液相线法能有效地细化合金组织， 其中浇铸温度为7 7 5 1 2 时，a 1 3 f e 相细化最明显，厚度明显减小，并且有相当部分的a 1 3 f e 相以近颗粒状存在。随着保温时间的延长，合金中的初生铁相形态经历了从粗大到逐渐 细化，再到重新长大的变化过程。在本文实验条件下，保温时间选择3 0 m i n 为宜。 二次加热使舢3 f e 相发生局部溶解现象，导致尖角消失，厚度变薄。二次加热温度 越高，这种溶解现象越明显，甚至导致刖3 f e 相的熔断，本实验选择二次加热温度为 6 8 0 ，保温3 0 m i n 较为适宜。 半固态挤压成形可以进一步细化a i 5 f e 合金中的a 1 3 f e 相。挤压比越高，破碎细化 效果越显著，相分布也越均匀。本文分别采用电磁搅拌法和近液相线法进行半固态坯料 的制备。采用电磁搅拌法制备的坯料经挤压后，a 1 3 f e 相的长度约3 0 t a n ，较铸态减少 8 5 ；采用近液相线法制备的坯料挤压后，a 1 3 f e 相的长度约2 0 t t m ，较铸态减少9 0 。 热处理可以改善合金的组织，合适的工艺为4 8 0 2 h 固溶处理后，水淬。 半固态成形使a 1 f e 合金的力学性能得到了提升，并且随着挤压比的增大，其拉伸 强度越大，伸长率提高。半固态成形后的最高拉伸强度比铸态时提高3 7 ，达到 1 4 6 5 m p a ，延伸率可达2 7 4 。 关键词：半固态成形， 卜f e 合金。微观组织，力学性能 半固态成形工艺对a 1 5 f e 合金组织和力学性能的影响 e f f e c to fs e m i s o l i df o r m a t i o nt e c h n o l o g yo nt h es t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa l - 5 f ea l l o y a b s t r a c t t h e p a p e ra i m sa tt h ep r o b l e m so f t h i c kf r a g i l i t yn e e d l e - l i k eo rn e e d l e - p l a t el i k ei r o n - r i c h p h a s eo fa i - f ea l l o ys e v e r i t yr e n dt h eb a s a lb o d ya n dd e t e r i o r a t em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h e a l l o y ；w ed e v e l o pt h er e s e a r c hw o r ko fi m p m v i n gt h em i c r o s u u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo ft h ea l l o y t h es u l l c t u t eh a sb e e nr e f i n e db ys e m i s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y t h e i n f l u e n c eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g , n e a r b yl i q u i d u s ，r e h e a t , d i f f e r e n te x t r u s i o nr a t i oa n d h e a tt r e a t i n gp r o c e s st ot h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f t h ea l l o yh a sb e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a te l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gc a l le f f e c t i v ei m p r o v e a 1 3 f ep h a s eo ft h ea l l o y ，c h a n g i n gi tf r o me x t r e m e l yt h i c kn e e d l e - p l a t el i k e t ot h i n s h o r t - n e e d l el i k e ，w h e ni n c r e a s i n gt h es t i r r i n gv o l t a g e ，t h er e f i n e m e n te f f e c tw i l lb eb e t t e r i n t h ee x p e r i m e n t , w h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gv o l t a g ei s1 0 0 v ，t h el e n g t ho fn e e d l e - l i k e p h a s ed e c r e a s e s7 5 c o m p a r i n gw i t ha sc a s tc o n d i t i o n ；t h en e a r b yl i q u i d u sa l s oc a ne f f e c t i v e r e f i n et h es t r u c t u r eo ft h ea l l o y ，t h ea l a f ep h a s eo b v i o u sr e f i n e d ，t h et h i c k n e s so b v i o u s d e c r e a s e d , a n dp a r t i a la 1 3 f ep h a s et r a n s i t i o ni n t og r a i n i n e s sa t7 7 5 c a st h es o a k i n gt i m e g r o w s ，t h ep r i m a r yi r o np h a s ec h a n g e sf r o mt h i c kt or e f i n i n g ，t h e ng r o wu po n e ea g a i n i nt h i s p a p e r , t h es o a k i n gt i m ei s3 0 r a i n r e h e a tm a k el o c a la 1 3 f ep h a s ed i s s o l v e ，t h es h a r pc o m e rv a n i s ha n dt h i c k n e s sr e d u c e t h eh i g h e rt h er e h e a tt e m p e r a t u r e ，t h em o r eo b v i o u st h ep h e n o m e n o no fd i s s o l v e i nt h i s p a p e r , t h er e h e a tt e m p e r a t u r ei s6 8 0 。ca n ds o a k i n gt i m ei s3 0 m i n s e m i - s o l i df o r m a t i o nc o u l df i u t h e rr e f i n ea 1 3 f ep h a s eo fa i - 5 f ea l l o y t h eh i g h e rt h e e x t r u s i o nr a t i o ，t h em o r eo b v i o u st h ee f f e c t i v e n e s so f r e f i n i n ga n db r e a k i n g i nt h ep a p e r ，t h e s e m i - s o l i ds t o c ki sm a d eb yb o t he l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dn e a r b yl i q u i d u s m e n e x t r u d i n gt h es t o c km a d eb ye l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，t h el e n g t ho f a l 3 f ep h a s ei sa b o u t3 0 p r o ， d e c r e a s i n g8 5 c o m p a r i n gw i t ha sc a s tc o n d i t i o n w h e ne x t r u d i n gt h es t o c km a d eb yn e a r b y l i q u i d u s ，t h el e n g t ho fa 1 3 f ep h a s ei sa b o u t2 0 p m ，d e c r e a s i n g9 0 c o m p a r i n g 谢t l la sc a s t 沈阳工业大学硕士学位论文 c o n d i t i o n t h eh e a t m e n tc a ni m p r o v e m e n tt h es t r u c t u r eo fa l l o y ，t h ep r o p e rp r o c e s s i n gi s 4 8 0 cx 2 hs o l u t i o nt r e a t m e n t ，w a t e rq u e n c h s e m i s o l i df o r m a t i o nc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa i - f e ，a n dc o m p a r i n g w i t l lt h ei n c r e a s i n ge x t r u s i o nr a t i o t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o np e r c e n t a g ei si m p r o v e d t h em a x i m u mt e n s i l es t r e n g t hi s1 4 6 5 m p a , i n c r e a s e d3 7 c o m p a r i n gw i t ha sc a s tc o n d i t i o n , t h ee l o n g a t i o np e r c e n t a g ec o u l d r e a c h2 7 4 k e yw o r d s ：s e m i s o l i df o r m a t i o n ，a b f ea l l o y ，m i e r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 7 。又夕 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：幽! 地 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 朋- f c 合金是近些年重新被认识且极具发展前景的新型轻质耐热材料。但铁极易与 铝及其它元素化合，形成粗大的脆性针状或针片状富铁相，严重割裂基体，恶化合金的 力学性能f 1 埘。因此，细化富铁相是该类合金能否得到实际应用的关键 4 1 。目前，细化富 铁相常用的方法是加入合金元素使之球化( 5 , 6 1 ，但这种方法效果有限，特别是当铁元素含 量较高时，球化后的合金也几乎不具使用价值。快速凝固是细化富铁相的有效途径，也 使铁含量较高的耐热铝合金得到了实际应用1 7 。然而，快速凝固工艺存在着制备工艺复 杂、设备昂贵、生产成本高及制品尺寸有限等弊端，只适合用于航空航天和军工等特殊 领域【8 】。半固态成形技术可以在坯锭制备过程中细化和改变第二相形态，在成形过程中 还可以通过破碎进一步细化第二相( 9 1 。因此，该技术在制备类似于a i - f e 合金具有明显 的细化优势。为此，本文采用半固态成形技术制备了a i 5 f e 合金，研究了半固态成形 工艺对富铁相细化和形态的影响。 1 1 铝铁合金发展概况 铝合金以其良好的力学性能( 较高的比强度、比刚度) 和优良的铸造性能，在工业中 被广泛应用，是汽车、造船、航空航天及其它制造行业的重要结构材料。由于a 1 3 f e 等 强化相的存在，使舢f e 合金具有硬度高、耐热、耐磨、抗腐蚀等优良的性能。并且 a l f e 合金依旧保持了铝合金质轻的特点，这些特征是各类发动机和航天航空构件对材 料性能的重要要求之一所以，若能用舢f e 合金替代目前在发动机工业中所应用的某 些合金。必将大大降低生产成本，从而使铝合金在工业中的作用更加突出。 但至今a 1 f e 合金尚未作为一种工程结构材料应用于工业生产实践中。主要是由于 铁在铝中的固溶度很低，其含量一旦超过固溶极限，就会和铝及其它金属元素化合，形 成质脆的针状或片状铁相，粗大的针状或针片状a 1 3 f c 相分布在基体中，严重割裂基体， 大大降低了合金的力学性能，使铝合金的机械性能大幅度降低。然而由于工业领域所应 用的各种铝合金中都不可避免地含有一定量的铁，除了采用快速凝固的手段外还没有找 到有效的细化方法，因此该合金至今未能投入广泛使用。长期以来，人们一直把铁作为 铝合金中一种杂质元素来研究n 1 6 1 。直至7 0 年代，人们才开始把a 1 f e 合金作为一个 半固态成形工艺对a 1 5 f e 合金组织和力学性能的影响 合金系来研究。在此期间，澳大利亚学者c m e l a d a m 以及英国学者h j o n e s 对a 1 f e 合金的共晶凝固进行了研究，探索了a 1 a 1 3 f e 共晶和a 1 a 1 6 f e 共晶优先生长条件，生 长机理及生长过程的影响因素。这些试验研究结果虽然为继续研究a 1 f e 合金的凝固特 性奠定了基础，但终未得出改善a 1 f e 合金性能的有效方法。进入9 0 年代后，人们对 共晶、过共晶a l f e 合金的凝固特性进行了进一步研究。h j o n s e 通过对过共晶a 1 f e 合 金的研究，分析了影响其生长过程的各种因素，并发现在高f e 含量( 大于1 8 7 ) 及高生 长率下，将由a 1 a l 。f e 共晶取代a 1 f e 共晶。日本学者利用初生铁相与合金液之间具有 较大密度差这一特性，使铁相在离心力作用下产生径向迁移，从而获得一种铁相沿径向 呈梯度分布的梯度功能材料 】。与此同时，国内一些学者也进行了这方面的研究 1 8 - 2 1 1 ， 但至今a 1 f e 合金尚未作为一种工程结构材料应用于工业生产实践中，主要是由于a 1 f e 合金存在强度低、脆性大的弊端。这是因为a 1 f e 合金中的a 1 f e 等金属间化合物虽然 具有各种优良性能，但同时也具有很大的脆性，且其形状多为针状或片状，必将严重割 裂基体，成为应力集中源，显著降低a 1 f e 合金的力学性能。同时，粗大的针状铁相在 凝固过程的早期形成，阻塞了液体金属的补缩通道，容易导致铸造缺陷。要解决这些问 题，必须从研究铁相的形成机理入手，深入了解它的生长规律，从而寻求到一种控制铁 相的生长、改变其最终形状的有效方法，以得到有球状或枝状铁相弥散分布于a 1 基体 中的新型a 1 f e 合金。从以往对含f e 铸造铝合金来看，s i 、m n 等多种合金元素的存在， 会对铁相的形状有显著的影响。因此，在含f e 量较高的a 1 f e 合金中，添加适量的合 金元素可望收到良好的效果。另外，利用初生铁相与金属液密度差较大的特性，通过研 究离心铸造过程中固相迁移的运动规律，制定合理的离心铸造工艺，有效地控制a 1 f e 合金中铁相的分布情况【2 2 1 。 总之，关于a i f e 合金的研究应侧重于在提高其硬度及耐磨性的同时又不损害其韧 性，最终使a 1 f e 合金能够广泛地应用于各个工业领域。 1 2 铝铁合金组织细化的研究现状 迄今为止，人们对a 1 s i 合金中铁相的形态、铁相对合金力学性能的影响和改善铁 相形态的措施等方面做了详尽的研究【2 3 1 。这些措施概括起来主要有：熔体过热、提高冷 却速度、有效地变质、添加中和剂和热处理等五个方面。但从国内外的报道来看，人们 沈阳工业大学硕士学位论文 对于a i f e 合金的研究大多集中在基本凝固特性上，关于如何改善和细化a i f e 合金铁 相形态的研究还很少见。综合国内外有关的资料，概括起来主要有如下几个方面。 1 2 1 采用快速凝固技术改善铁相形态 快速凝固能扩大固溶极限，使夹杂物和化合物全部固溶或呈细小弥散颗粒，增加了 固溶强化和时效强化作用，同时，还能强烈抑制成分偏析，获得高度细化的组织，使合 金的力学性能得到明显改善。这对于铝合金来说特别重要，因为采用普通熔铸工艺，只 有为数不多的几种元素能大量地溶于铝，而实际上有很多元素能显著改善铝合金的力学 性能，特别是高温性能【2 4 】，铁就属于这一类元素。如果扩大铁在铝中的溶解度极限但又 不降低其力学性能，那么就有可能制得a 1 f e 系耐热合金。 快速凝固铝合金的最初研究工作始于4 0 年代对烧结铝制品的研究【2 5 1 ，7 0 年代， t u h r f i e d 等【2 6 】研究了成分为a i 8 f e 二元系及a 1 8 f e - x ( ) ( 为c r , m n , z r 等) 三元系合 金，获得了具有较高耐热性能的铝合金，自此快速凝固a i f e 基耐热合金的研制工作迅 速展开。 进入8 0 年代，人们通过进一步的研究发现，采用快速凝固和粉末冶金法，合理地 控制铁相形态，则能充分发挥铁在铝中的耐高温、耐磨和强化基体的有利作用，使a 1 f e 合金成为极有发展前景的新型轻质耐热合金。这些研究受到了国内外的普遍重视。上述 研究一改过去传统观点，把铁作为铝合金中的合金元素加入，其加入量可高达1 3 4 。 到8 0 年代中期，人们开发出了a 1 f e c e ，a 1 f e v - s i 及其它多元快速凝固耐热铝合金 系。可以说，快速凝固技术的蓬勃发展为耐热a 1 f e 投入实际应用开辟了一条新路。 a 1 f e 二元合金在平衡条件下，由a - a 1 和金属间化合物a 1 3 f e 组成，由于a 1 3 f e 相 是硬脆相且以粗大的针片状出现在a a 1 基体上，严重割裂了基体的连续性，使合金强 度降低，韧性变差。而快速凝固技术可改变f e 在a - a l 中的固溶度及a 1 3 f e 的形态分布， 促使a 1 3 f e 相成为合金的弥散强度相，使合金获得意想不到的高耐热性。 灿f e 合金的组织受冷却速度的影响，冷却速度不同，其组织形态也不同。例如， 用气体雾化的a 1 8 f e 合金粉末，不同尺寸的颗粒( 冷却速度不同) ，可能出现不同的微 观组织：显微a - a l 、胞状n a 1 、a - a i + a 1 6 f e 、共晶组织以及a 1 3 f e 初生相【2 刀。而用熔体 旋铸法制得的朋f e 合金，条带由薄变厚，其组织形态由微晶变为等轴晶、菊花状和放 半固态成形工艺对a 1 - 5 f e 合金组织和力学性能的影响 射状枝晶【2 引。合金中的a 1 3 f e 相形态和分布也受冷却速度的影响。冷却速度增加时， a 1 3 f e 相由粗大的棒状变为细小的捧状，再转变为菊花状，进一步增加冷却速度，a 1 3 f e 变得非常细小，甚至出现“光学无特性”组织【2 9 1 。a i f e 二元合金的性能主要取决于弥散 相( 主要是a 1 3 f e 相) 的体积分数和大小。由于凝固速度足够快，即使加入高的含铁量， 也不会影响细小的弥散相形成，并且弥散相的体积分数随含铁量的增加而增高，合金的 拉伸强度也逐渐增加( 含铁量 8 范围内) 。 在二元朋f e 合金中加入c e 元素，则能得到a 1 f e c e 快速凝固耐热合金。该合金 中的相有：a 1 3 f e 4 、a 1 6 f e 、a h c e 、a i l 3 f e 3 c e 、a i l o f e 2 c e 和a 1 2 0 f e s c e 。r a g h a v a n 等【”j 对气体雾化挤压后的a 1 8 5 f e 3 7 c e 合金的组织进行了研究，结果表明，合金中的 金属间化合物有球状的亚稳相a 1 6 f e ，棒状的a 1 2 0 f e s c e ，等轴型亚稳相a l l o f e 2 c e 以及 a 1 1 3 f e 4 c e 和舢1 3 f e 3 c e ，其中a 1 2 0 f e 5 c e 是主要弥散相，a l l o f e 2 c e 是主要沉淀相。由于 弥散相和沉淀相在该合金中起了重要作用，该合金使用温度可以达到3 0 0 c 。 a i f e - v s i 合金是快速凝固耐热铝合金中很重要的一种合金。它具有重量轻、高 温力学性能和断裂韧性高的特点。这种耐热铝合金的研制和开发，引起了国内外材料科 学和粉末冶金界的极大关注。快速凝固a i f e v s i 耐热铝合金最早由a l l i e dc o r p 公司 开发，该合金是在a 1 f e v 基础上引入s i 元素。在合金中加入s i 后，原来针状的a 1 3 f e 相转变为球形的a 1 1 3 ( f e ，v ) s i 相，这是该合金中唯一的弥散相。虽然a l l 3 ( f e ，v ) s i 相是一 种亚稳相，但热稳定性极佳，在温度高于5 0 0 c 时仍保持亚稳状态【3 l 3 2 1 。 1 2 2 离心铸造法制备铝铁基梯度功能材料 自从日本学者福井泰好于1 9 9 0 年首先提出离心铸造梯度复合材料的思想口3 1 ，尤其 是村田清等人用内衬保温材料的金属型离心铸造a 1 f e 合金，获得初生f e 相沿铸管径 向呈梯度分布的复合材料铸管以来，离心铸造梯度复合材料技术作为一种极具有应用前 景的技术成为梯度复合材料领域的一个重要发展方向，得到了进一步的研究。到目前为 止，日本己经采取不同方法试制了s i c 、t i n 门r i 、z r 0 2 ，w 和t i b 2 c u 等各种不同成分组 合的梯度功能材料。近年来，美国宇航局和德国航空研究所等都从事这一新型材料的开 发，但报道甚少。 沈阳工业大学硕士学位论文 梯度功能材料近年来逐渐为人们所重视。把过共晶a 1 f e 合金液置于离心力场中凝 固，利用初生金属间化合物与母液的比重差，使之向表面偏聚，通过控制工艺参数使初 生相的数量由一侧向另一侧呈现梯度分布，从而引起各种性能的梯度分布，则可望制得 一种自生的梯度复合材料i 3 4 , 3 5 1 。 张宝升等 3 6 1 研究了离心转速和含铁量对材料组织的影响。：转速越高，外层初生金 属间化合物( 主要是a 1 3 f e ，此外还有少量的a 1 5 f e ：及非平衡相a 1 6 f e ) 越多，且呈细 化趋势，初生金属间化合物沿径向里明显的梯度分布：随着含铁量的增多，初生金属间 化合物增多，而且初生相比f e 含量少的呈粗大趋势，含量越多，初生金属间化合物层 越厚。这样的材料，由于外层金属间化合物含量多，可以阻止材料的氧化磨损，提高了 抗磨性，内层由于金属间化合物含量少，保持了铝的韧性。故而该材料可设计成基体为 承载体，其表层具有耐磨性的材料。 徐自立等研究了离心铸造a 1 1 0 f e 合金后发现，随着转速增大，初生a 1 3 f e 相在 外层聚集越明显，而且其总体平均长度减少。与初生相沿径向呈梯度分布相对应，试样 的硬度和耐磨性也沿着径向由外到内呈递减趋势，热膨胀则沿着径向由内到外变小。 杨光照等人【3 7 】贝0 研究了s i 、r e 和m n 等合金元素在离心力场作用下对初生相的细 化作用。在a 1 - 5 f e 中加入6 的s i 后，初生相为汉字形、多角形块状f e 2 s i a l 8 组织， 与片状组织相比，可以避免应力集中，还可以提高组织致密性。当s i 含量为1 2 时， 则形成细长针状的f e s i a l 5 初生相。在a i - 5 f e - 6 s i 基础上加2 5 m n 和0 6 r e 后， 形成了更细小的复杂化合物a i s i f e m n r e 。加入m n 和r e ，初生相与共晶组织都明显细 化，使力学性能得到提高。 王渠东等采用覆砂金属型离心铸造a 1 f e 合金自生梯度复合材料【3 8 1 ，研究了含铁量 和转速对组织的影响，得出了类似张宝升等的结论。此外，还研究了覆砂层厚度对组织 的影响。对相同铁量的合金，在相同的转速下，覆砂层厚度变薄后，铸管外层初生f e 相尺寸明显减小，内层则不含初生f e 相，且亚共晶组织( 初生a - a 1 ) 数量增多，共晶 组织也明显细化。铸型覆砂层厚，铸管含有初生f c 的外层厚度较小，初生f e 相数量多 且分布梯度较大。 半同态成形工艺对a 1 5 f e 合金组织和力学性能的影响 1 2 3 加入合金元素和提高冷却速度 在a 1 f e 合金中加入适量的合金元素可以改变初生铁相的形态。过共晶a 1 - f e 合金 中加入少量的s i ( 1 7 5 6 ) 会使初生铁相的生长过冷度和初生相片间距增大【3 9 】，在低 冷却速度下会出现片状a 1 8 f e 2 s i ( 六方结构) 、片状a 1 5 f e s i ( 单斜晶) 及粗大片状 f e 2 s i 2 a 1 9 ( 单斜晶) 4 0 】。在a 1 f e s i 合金系中加入m n 元素会使f e 相转变为汉字状或 花朵状，加入t i 元素可使针a 1 f e s i 相尺寸增大，加入b e 可使针状a 1 f e s i 相转变为球 状，加入c o 可使f e 相化合物分散为球状、枝状。在a 1 f e m n 二元系中加入o 1 0 2 m g ， 可强化基体和细化f e m n 化合物1 4 1 1 。目前这方面的研究还很不成熟，多数属于探索性 阶段。 s i 对a 1 5 f e 有细化作用，加入6 的s i ，a 1 3 f e 相得到细化。在生长速度为2 0 p x n s 一1 0 0 肛m s 这一区间内，s i 的加入对初生a 1 3 f e 相形态影响不是很大，仍呈片状，所不 同的是，此时片状的a 1 3 f e 相已经发生碎断，沿热流方向呈骨节状生长。 生长速度对初生含铁相有很大影响。对于a 1 9 7 f e - 5 m n 合金来说，生长速度 较低时，花朵状或多边形的初生含铁相尺寸较大；当生长速度大于4 0 9 m s 时，初生含 铁相己经明显细化。对共晶成分的二元a 1 f e 合金的差热分析研究表明【4 2 】，冷却速度对 合金显微组织有明显影响。随着冷却速度的增加，共晶a 1 3 f e 相的形状不断地发生变化， 当冷却速度为5 * c m i n - 2 0 4 c m i n 时，共晶相为片状，冷却速度为2 6 。c m i n 时，共晶相 为碎片状，当冷却速度为3 4 。c m i n 时，共晶a 1 3 f e 相进一步细化为针状或点状组织。 随着冷却速度的增加，共晶a 1 3 f e 相不仅尺寸减小，而且分散度不断增大，共晶层片间 距不断减小。实验得出共晶层片间距u 岬) 与冷却速度u ( * c m i n ) 满足 扣= 2 7 9 4 0 4 6 u ( 1 - 1 ) 对过共晶a 1 f e 合金的研究表b ) t 4 3 1 ，与共晶a 1 3 f e 相层片间距和生长速度的关系类 似，初生a 1 3 f e 相的片间距也随生长速度的增加而减小。对于含9 5 - 2 8 1 f e 的a 1 f e 合金，在l o 。c m m 的温度梯度下，生长速度在1 0 - - 5 0 0 0 b m s 范围内，r 和温度梯度g 与九满足如下关系： x g l 2 r 1 4 = 4 3 士8 ( p m 3 4 k l 2 s - 1 4 )( 1 2 ) 6 沈阳工业大学硕士学位论文 从以上两个公式可以看出，提高温度梯度，增大生长速度都可以减小a 1 3 f e 相的片 间距，使之得到一定程度的细化。 因此，对于一定成分的a l - f e 合金，如果合理控制合金元素的加入量，适当提高晶 体的生长速度，可以使铁相得到细化。 1 2 4 强烈搅拌固液两相区和加入粒化剂 通过在凝固过程中施以固液两相流动和添加粒化剂的方法，可以改变铝合金中铁相 的形成条件和生长方式，使其形态得以粒化，从而改善a 1 f e 合金的力学性能1 1 4 1 。 对a l 7 5 f e 6 s i 的研究显示，在凝固过程中，若对固液两相区强烈搅拌( 转速 1 0 0 0 r r a i n ) ，铁相形态会发生明显变化，粗大针状铁相变成短棒状或近似颗粒状。经颗 粒测定，粒化程度明显提高。这无疑将减轻对合金基体的割裂作用，有利于改善力学性 能。 有人己研究了在m s i 合金中加入球化剂以降低铁相的危害n 2 1 。与此类似，潘冶等 研究了加入粒化剂g a ( g r a n u l a t i n ga g e n t ) 对a 1 7 5 f e 6 s i 中的铁相形态的影响。加入 2 g a ，对铁相有明显的粒化作用，铁相都以颗粒状存在。 潘冶等在研究后指出，最佳的粒化效果在两相流动和添加粒化剂的共同作用下获 得。 1 3 半固态成形加工国内外研究现状 1 3 1 半固态成形概念及发展历史 金属半固态成形是指利用金属从固态向液态或者从液态向固态两相转变过程中，其 半固态区金属具有良好的流变特性而进行的金属成形。该技术的主要技术核心是使固 液混合浆料或坯料获得非枝晶组织，固相必须球化和细化，合金组织一般包含有l o 1 0 0 t a n 的球形晶、近球形晶或者等轴晶，半固态材料制备过程中需要将合金树枝晶转化 为球形晶或近球形晶，这种组织的合金表现出非常小的流动阻力和良好的成形性能1 4 4 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院( m i t ) 的f l e m i n g s 研究小组在实验时，偶 然发现了机械搅拌条件下半固态金属的特殊组织与流变行为，并在研究生的博士论文中 报道了这种金属在特定条件下的优良组织与性能。f l e m i n g s 等人首先提出了金属半固态 半固态成形工艺对a i - s f e 合金组织和力学性能的影响 成形( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ，简称s s f ) 的构想，并进行了大量的系统研究。金属 只能在固相区或液相区进行成形的传统格局被打破，为传统冶金技术的革新带来了生机 1 4 5 。 在近3 0 年的时间内，半固态成形技术由于具有独特的技术优势和广阔的应用前景 而倍受人们的关注，并且发展迅速。综观整个发展过程，其发展可以分为实验研究阶段、 应用研究阶段和工程化应用阶段。目前，有关铝合金和镁合金半固态成形技术的研究最 深入、应用最广泛、取得的效益最显著。另外，在用其它传统成形方法难于生产的合金 ( 如镍合金等) ，以及近年来迅速发展起来的金属基复合材料等的研究与应用方面，半 固态成形技术亦取得了可喜的进展。 从2 0 世纪7 0 年代初开始，实验研究工作大约延续了1 5 年。这一阶段的研究主要 集中在探索具有流变性和触变性有色合金半固态试样的组织特征与制备方法上。主要成 果为： ( 1 ) 揭示流变性和触变性坯料的组织特征； ( 2 ) 提出了枝晶组织向非枝晶转变的物理模型； ( 3 ) 研究了非枝晶组织合金的触变与流动机制； ( 4 ) 揭示了搅拌速度、强度以及温度等工艺参数对非枝晶化过程的影响规律； ( 5 ) 初步探讨了半固态微观组织与流变性能的关系； ( 6 ) 测试半固态合金流变性能，并建立相关的数学模型。 8 0 年代中期是半固态成形技术的应用研究迅速发展阶段。这一工作从早期的有色合 金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。此时人们开发与研制了包括电磁搅拌 在内的多种半固态坯料制备技术与连铸设备，利用计算机模拟技术揭示半固态合金充型 过程，并对成形工艺对产品组织性能影响的规律进行细致的研究。 这一阶段的研究工作己经遍及世界许多国家，特别是美国、英国、意大利、瑞士、 德国、日本、中国都前后投入大量人力、物力进行广泛深入的研究，并取得了丰富的研 究成果，为工业化应用莫定了基础。 9 0 年代中期，在继续深化半固态基础理论研究的同时，半固态成形技术己经步入了 工程化应用阶段。自1 9 9 0 年起，国际上每二年召开一次“半固态合会及材料成形过程” 8 沈阳工业大学硕士学位论文 学术会议，至今已经召开了8 届。目前，搅拌法制备有色金属坯料技术己经开始走向工 业生产。1 9 9 4 年6 月，世界上第一个专业生产半固态制件的厂家一美国a l u m a x e n g i n e e r e dm e t a lp r o e e s s ( a e m p ) 公司的奠基，标志着半固态成形技术已由实验研究向工 程转变闱。 1 3 2 电磁搅拌发展现状 在铝合金生产过程中，为了使铝液成分均匀化，一直沿用铁耙直接搅拌熔体，人工 搅拌由于要敞开炉门，热量损失大，送电时间延长，不仅浪费能源，而且合金铝液极易 溅到炉顶上部，侵蚀硅碳棒，镍铬带等发热元件，使之消耗过高，此种搅拌方法远远落 后于现在广泛应用于合金生产的电磁搅拌方法。 图1 1 电磁搅拌装置示意图 f i g 1 1e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g d e v i c ea b r i d g e d g e n e r a l v i e w 卜隔热套；2 - 上通风口；3 一坩埚盖；4 - 坩埚；5 一定子外壳； 6 - 定子；7 一隔热垫板；8 下通风口；9 _ 支架；1 0 - 风扇 半固态成形工艺对a 1 5 f e 合金组织和力学性能的影响 电磁搅拌是由瑞典首先在1 9 3 0 年提出，并且在随后的时间内经过了不断的探索研 究，在1 9 4 7 年研制出了第一台能够应用于工业生产的电弧炉用电磁搅拌装置。继瑞典 之后美国，日本也相继研制出了电磁搅拌装置，并投入工业生产当中，取得了明显的工 艺效果。我国是在2 0 世纪6 0 年代中期开始研制，并于7 0 年代中期制成4 0 t 电弧炉配套 使用的电磁搅拌装置的。1 9 8 9 年末，我国铝行业第一台应用于工业生产的电磁搅拌器在 青铜峡铝厂成功使用。随后，电磁搅拌技术不断得到提高。 电磁搅拌法利用电磁感应在金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下 促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。图1 1 是电 磁搅拌的示意图。f l e m i n g s 认为合金组织非枝晶化是二次枝晶臂折断，碎块演化的结果 1 4 7 1 ；v o g e l 等学者则认为是剪切作用使初生枝晶二次臂发生大角度塑性弯曲，在枝晶臂 根部产生附加位错群，这些位错经过迁移或回复再结晶形成晶界。当这种位于二次臂根 部的晶界大于2 0 ( 2 时，其所具有的能量将超过固液界面能量的二倍。若与液相接触，晶 界就逐渐被液体薄膜所取代，二次臂便逐渐脱落下来，形成新的结晶核心j 。h e l l a w e l l 等认为搅拌会使熔体产生强烈的温度起伏和成分起伏，引起二次臂根部的熔断 4 9 j 。张奎 等认为搅拌作用使得金属液中许多小的热起伏和成分起伏区域同时具备了形核条俐。 目前，半固态非枝晶凝固组织的形成机理基本上由枝晶机械断裂、枝晶根部熔断以及爆 发形核等几种理论并存。 1 3 3 近液相线法研究现状 澳大利亚墨尔本大学与东北大学合作，成功开发出液相线半连续铸造法，也叫近液 相线法。其原理是在合金液相线温度附近经适当保温后进行浇注，而获得均一、细小的 非枝晶组织，以适合于半固态成形。目前，在东北大学实验室已经成功地制备出7 0 7 5 、 2 6 1 8 、a 3 5 6 、y 1 1 2 等铝合金的半固态坯料。该方法避免了搅拌，可以有效降低合金的 吸气与夹杂，提高产品质量及成品率，在铝合金半固态加工方面具有独特优势，同时解 决了镁合金半固态浆料制备的技术难题，为镁合金半固态加工技术的成功与应用开辟了 道路。此外，该工艺比较简洁，成本低，便于在工业中推广，极有发展前景”“。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 4 二次加热目地 坯料的二次加热在半固态触变成形工艺中起着承上启下的作用。半固态锭坯在触变 成形之前，必须进行二次加热，即把制备好的半固态坯料加热到液固两相区，使组织局 部重熔1 5 2 】。其目的是为了获得触变工艺所需要的含有一定固相体积分数的半固态坯料， 另一方面是为了使处于液固两相区间的半固态坯料中的非枝晶组织逐渐长大，并转化为 球状结构，为触变成形创造有利条件。二次加热是金属半固态触变成形过程的必需环节。 经二次加热的坯料的强度应足够高，以保证能将其夹持到成形机械上；同时还要保 证具有足够好的触变成形性，以便坯料在成形时能充满整个模腔。由于要同时满足上述 两点要求的温度范围很窄，因此，如何将坯料在工艺操作允许的时间内快速、精确和均 匀地加热到规定温度并保持坯料各部分的均匀性，是一个很重要的技术问题。目前应用 较广泛的一种工艺是重熔到液相体积分数占3 5 5 0 ，形态类似“黄油”，这种工艺的 局部重熔坯料可以象固态一样被搬运，简化了送料系统。 金属及合金坯料的半固态二次加热是一个极其重要的过程，它要求坯料的加热温控 精度很高，即使1 2 k 的误差就可以显著影响坯料的组织和搬运性，同时成形工艺还要 求坯料的二次加热要具有一定的速度。为了保证坯料的二次加热精度和加热速度，生产 中大都采用连续式电磁感应加热工艺。电磁感应加热可以保证坯料的加热温控精度，又 可以满足每3 0 4 0 s 加热一块坯料的要求；但是，电磁感应加热的能源效率很低，为了 克服这一缺点，可以先将合金坯料送入传统加热炉内加热到一定温度，再将该坯料移入 感应加热器中进行最后加热。根据加热中坯料的放置形式，电磁感应加热可分为水平式 和垂直式。水平式电磁感应加热其坯料不容易坍塌，又允许坯料有较高的液相分数和较 长的长度，同时又适用于加热凝固间隔很小的半固态合金坯料，但设备昂贵，占据空间 大。垂直式电磁感应加热设备相对便宜一些，占地空间小，可以利用转动圆盘实现坯料 的连续加热，但坯料容易坍塌，坯料的液相分数不能太高，坯料高径比要小于2 5 除了电磁感应加热方式外，半固态金属及合金坯料的二次加热也可以采用电阻炉或 盐浴炉，加热温度控制精确，坯料不易坍塌，但加热时间较长，显微组织容易粗大，坯 料表皮氧化加重。为了实现精确加热金属坯料，对加热中的坯料进行温度监控尤其重要。 a e c 公司开发了能量测量法，b u h l e r 和e f u 公司开发了感应圈涡电流法，另外还可以采 半周态成形工艺对a 1 5 f e 合金组织和力学性能的影响 用尖针侵入法，这些方法都可以实现坯料加热的温度监控，从而使金属及合金的半固态 成形过程更加稳定可靠【5 3 】。 1 3 5 半固态成形技术国内外应用现状 半圆态金属成形( s m p - - s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s ) 是由美国麻省理工学院的m c f l e m i n g s 教授等，于2 0 世纪7 0 年代初研究开发的新一代金属加工技术，这种技术主要借 助于非枝晶半固态金属浆料的流变行为，在非扰动的情况下，使浆料呈现一定的刚性并 可以运输，而在受剪切力的情况下，浆料可像液态金属一样，变形抗力很小，并可以用 常规加工技术如压铸、挤压、模锻、轧制等方法成形e 矧。这种对半固态金属浆料进行成 形的加工工艺称为半固态成形技术【5 5 】。该技术有很多优点，如成形好，生产效率高，制 品尺寸精度高，表面质量好，可成形薄壁件和复杂件，与传统的液态成形技术相比，模 具热冲击小