（材料加工工程专业论文）scr技术制备a2017合金半固态材料组织演化与扩展成形.pdf

东北大学博士学位论文 s c r 技术制备a 2 0 1 7 合金半固态材料组织演化与扩展成形 摘要 本文研究工作是国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目 s c r 技术制备半固态材料组织演化与扩展成形机制 n o 5 0 2 7 4 0 2 0 的部分内容 以 a 2 0 1 7 合金为对象 系统研究了一种能够连续高效制备半固态金属的技术 即单 辊剪切冷却技术 s h e a r i n g c o o l i n gr o l lp r o c e s s 简称s c r 技术 并根据s c r 技 术的设备结构及工艺特点 提出半固态金属的连续挤压扩展成形新工艺 解决了 s c r 技术制备半固态金属与成形的一体化和连续化问题 主要工作及获得的研究 成果如下 1 设计和建立一台s c r 实验机 采用实验机制备a 2 0 1 7 台金半固态浆料 并流变铸造成半固态锭坯 揭示了s c r 工艺参数对半固态合金浆料组织的影响规 律 优化了流变铸造工艺参数 结果表明 随着熔体浇注温度的降低或者辊靴型 腔高度的减小 半固态合金浆料组织从粗大的枝品和玫瑰晶逐渐转变为细小均匀 的等轴晶 在本实验机设计的技术参数条件下 浇注温度为7 6 0 7 8 0 l c 辊靴型腔 高度为4 6 m m s c r 技术制各的a 2 0 1 7 合金半固态浆料可直接漉变铸造得到质量 良好的半固态合金锭坯 2 通过对s c r 技术制备a 2 0 1 7 合金半固态浆料辊靴型腔内组织演化过程 的实验观察 认为s c r 技术制备半固态合金浆料过程存在搓动剪切动态凝固机制 使辊靴型腔内合金形成动态凝固形核一枝晶破碎一晶粒细化球化的组织演化过 程 即熔体首先在冷却靴和工作辊表面凝固形核并以枝晶形态生长 在剪切搅拌 作用下 枝晶脱落 部分枝晶退化成玫瑰晶 随着剪切搅拌作用的加强 枝晶和 玫瑰晶破碎形成细小的等轴晶 等轴晶在碰撞摩擦过程中可形成球形晶 3 首次采用有限元法对半固态台金连续挤压扩展成形过程热流耦合场进行 三维数值模拟 建立了半固态合金连续挤压扩展成形过程的计算模型 确定了计 算模型的边界条件和a 2 0 1 7 合金的热物性参数 获得了辊靴型腔和模腔内合金温 度场和流场 揭示了工艺参数和模具设计参数对温度场和流场的影响规律 模拟 结果为优化工艺参数 设计扩展成形模具 控制产品组织等半固态金属的连续制 查 垄堂堡主兰堡垒墨 备与成形提供了理论依据 摘要 4 设计和建立了半固态连续挤压扩展成形机构 通过对a 2 0 1 7 合金半固 态浆料的制备与连续挤压扩展成形扁型材和半固态圆棒坯实验 对扩展成形工艺 模腔内金属流动规律 扩展成形模具的设计以及产品的组织性能进行了系统研究 优化了扩展成形工艺 结果表明 熔体浇注温度为7 8 0 c 模具扩展角为4 5 模具预热温度为4 5 0 c 采用半固态连续挤压扩展成形工艺 可制备表面质量良好 内部组织为细小均匀等轴晶的a 2 0 1 7 合金扁型材和半固态圆棒坯 同时 数值模 拟结果与实验结果基本吻合 证明模拟结果合理 5 对s c r 技术流变铸造a 2 0 1 7 合金半固态锭坯和挤压扩展成形a 2 0 1 7 合 金半固态圆棒坯进行二次加热 揭示了坯料二次加热过程中的组织演化规律 结 果表明 两种坯料在二次加热过程中 随着保温时间的延长 晶粒逐渐长大和球 化 液相逐渐增加 6 2 5 恒温保温6 0 r a i n 两种坯料均可获得由球形晶粒和液相 组成的理想半固态组织 证明s c r 技术制备的a 2 0 1 7 合金流变铸造半固态锭坯和 挤压扩展成形半固态圆棒坯均可适合作为触变成形的半固态坯料 6 采用g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟实验机 对s c r 技术流变铸造a 2 0 1 7 合金半固 态锭坯进行压缩变形实验 对压缩变形力学特性和变形机制进行了研究 实验结 果表明 半固态合金锭坯的压缩变形过程可分为三个阶段 即弹性变形阶段 稳 定流动变形阶段和固相偏聚变形阶段 在稳定的流动变形阶段 变形机制主要是 液相流动 阻尼液相流动和固相颗粒的转动和滑动机制组成 变形抗力小 并且 变形抗力随着变形温度的升高或者变形速率的下降而下降 7 首次对半固态金属的触变轧制成形进行研究 包括轧制成形工艺 轧材 的组织和力学性能等 结果表明 a 2 0 1 7 合金半固态坯料触变轧制过程出现了固 相与液相分离现象 球状固相颗粒偏聚在板材心部 而液相偏聚在板材边部 半 固态坯料加热温度为6 2 5 轧制速度可达3 0 r s 一道次变形量可达8 0 触变 轧制板材表面光亮平整 抗拉强度和延伸率分别为3 3 6 m p a 和2 5 板材经冷轧 变形后 抗拉强度和延伸率可进一步得到提高 关键词 半固态金属 单辊剪切冷却技术 挤压扩展成形 有限元模拟 触变轧 制 组织演化 铝台金 i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n o fs e m i s o l i da 2 017a l l o yp r e p a r e db ys c r p r o c e s sa n de x t e n d i n gf o r m i n g a b s t r a c t an e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s h e a r i n g c o o l i n gr o l l s c r w a sd e v e l o p e dt o e f f i c i e n t l yc o n t i n u o u sp r e p a r a t i o no fs e m i s o l i dm e t a l l i cs l u r r yi nt h ep r e s e n tw o r k r o u n da n df i a tb a r sw e r ep r o d u c e db yac o n t i n u o u se x t e n d i n ge x t r u s i o np r o c e s su s i n g a l le x t e n d i n gd i ei nt h i ss c rt e c h n o l o g y w h i c hc a l lp r e p a r ea n df o r mt h es e m i s o l i d m e t a l l i cs l u r r yc o n t i n u o u s l y m a i nr e s u l t sa r ea c h i e v e da sf o l l o w s 1 as c rt e s t i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e d s e m i s o l i dm e t a l l i cs l u r r yo f a 2 0 1 7a l l o y w a sp r e p a r e du s i n gs c rt e c h n o l o g y t h e ns e m i s o l i db i l l e t sw e r ep r o d u c e db ys c r r h e o c a s t i n g t h ee f f e c to fs c rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o r t h em i c r o s t r u c t u r e sv 忍5 i n v e s t i g a t e d t h er h e o c a s t i n gp a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d i t i sf o u n dt h a tt h e m i c r o s t r u c t u r e so fs e m i s o l i db i l l e t st r a n s f o r mg r a d u a l l yf r o mc o a r s ed e n d r i t e so f r o s e t t eg r a i n si n t o f i n e h o m o g e n o u sd i s t r i b u t e de q u i a x e dg r a i n s a st h e p o u r i n g t e m p e r a t u r e sd e c r e a s e so rr o l l s h o eg a pr e d u c e s w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a l u r ei s 7 6 0 7 8 0 ca n dt h er o l l s h o eg a ph e i g h ti s4 6 m m b i l l e t sh a v i n gf i n ee x q u i x e da n d r o s c o eg r a i n s f e w e rc a s td e f e c t sa n db e n e rs u r f a c ec r nb co b t a i n e d 2 t h r o u g ho b s e r v a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fs e m i s o l i da 2 0 17a l l o y d u r i n gs c rp r o c e s s i ti st h o u g h tt h a td y n a m i cs h e a r i n gc a nb er e a l i z e d d u r i n g p r e p a r a t i o nw h i c hp r o m o t e sm i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o nf r o md y n a m i cn u c l e a t i o nt o b r o k e nd e n d r i t e st os p h e r o i d i z e dg r a i n s t h em e l tf i r s t l yn u c l e a t e sa tt h es u r f a c eo f w o r k i n gr o l l sa n ds h o e sa n dg r o wa 5d e n d r i t e s a tt h ee f f e c to fs h e a r i n ga n ds t i r r i n g f o r c e d e n d r i t e sa r ef 甜lo f f s o m ed e n d r i t e sg r o wi n t or o s e t t eg r a i n s t h e nf o r mf i n e e x q u i x e dg r a i n s a n ds p h e r i c a lg r a i n sc a n b eo b t a i n e db ys h e a r i n gf r i c t i o nf i n a l l y 3 i ti s f i r s tt i m et ou s et h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h e t h e r m a l f l u i dm u l t i p l ef i e l dd u r i n gs e m i s o l i dc o n t i n u o u se x t e n d i n ge x t r u s i o n p r o c e s s a c a l c u l a t i o nm o d e lw a sb u i l t t h eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h ec a l c u l a t i o nm o d e la n d 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t p h y s i c a lp a r a m e t e r sw r ed e t e r m i n e d t h et e m p e r a t u r e sf i e l d sa n df l u i df i e l d sd u r i n g s e m i s o l i dc o n t i n u o u se x t e n d i n ge x t r u s i o np r o c e s sw e r eo b t a i n e d i np a r t i u l a r l y t h e e f f e c l so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n de x t e n d i n gd i ep a r a m e t e r so nt h et e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h ef l u i df i e l dw e r eo b t a i n e d i tc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o ro p t i m i z i n gp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s d e s i g n i n gd i er a t i o n a l l ya n di m p r o v i n gq u a l i t yo f p r o d u c t s 4 o nt h eb a s eo ft h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n as e r i e so fe x p e r i m e n t st o p r o d u c ef l a ta n dr o u n db a r so fa 2 0 17a l l o yw e r ec a r r i e do u t t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s m e t a lf l o w i n gb e h a v i o r si nd i e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r o d u c t s w e r e i n v e s t i g a t e d t h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s w e r eo p t i m i z e d a n dt h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n f i r m e d w h e np o u r i n gt e m p e r a t u r ei s7 8 0 c e x t e n d i n g a n g l eo ft h ed i ei s4 5 a n dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s4 5 0 c t h ea 2 0 1 7a l l o yf l a tb a r w i t ht r a n s v e r s es e c t i o no fl o 5 0 m ma n dr o u n db a rw i t hd i a m e t e ro f3 5 r a mc a nb e o b t a i n e db ys e m i s o l i dc o n t i n u o u se x t r u d i n ge x t e n d h a gf o r m i n gp r o c e s st h ep r o d u c t s u r f a c ei sg o o da n dm i c r o s t r u c t u r ei sf i n eh o m o g e n e o u se q u i a x e dg r a i n s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o waf a i r l yg o o da g r e e m e n tw i t lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 t h es e m i s o l i da 2 0 1 7a l l o yb i l l e t sp r o d u c e db ys c rr h e o c a s t i n ga n ds e m i s o l i d c o n t i n u o u se x t e n d i n ge x t r u s i o np r o c e s sw e r ei s o t h e r m a lr e h e a t e d r e s p e c t i v e l y t h e m i c r o s t r u t u r ee v o l u t i o n so fa l lb i l l e t sw e r ei n v e s t i g a t e d d u r i n gr e h e a t i n g t h eg r a i n s g r o wa n ds p h e r o i d i z eg r a d u a l l yw i t ht h ep r o l o n g a t i o no f h o l d i n gt i m e w h e ni s o t h e r m a l r e h e a t e da t6 2 5 a n dh o l d i n g6 0 m i n t h eh o m o g e n e o u ss p h e r i c a lg r a i n sc a nb e o b t a i n e df o ra l lb i l l e t s i ti s p r o v e dt h a t a 1 1b i l l e t sa r es u i t a b l ef o rs e m i s o l i d t h i x o f o r m i n g 6 t h es e m i s o l i da 2 0 1 7a l l o yb i l l e tp r o v i d e db ys c rr h e o c a s t i n gw e r ec o m p r e s s e d a ts e m i s o l i ds t a t eu s i n gg l e e b l e 一1 5 0 0t h e r m a l m e c h a n i c a ls i m u l a t o r t h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dm 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 da 2 0 17a l l o yw e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e f o r m a t i o np r o c e s so fs e m i s o l i da l l o yc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s e l a s t i c i t yd e f o r m a t i o ns t a g e s t a b l ef l o wd e f o r m a t i o ns t a g ea n dh a r d i n g d e f o r m a t i o ns t a g e i nt h es t a b l ef l o wd e f o r m a t i o ns t a g e t h er e s i s t a n c et od e f o r m a t i o no f s e m i s o l i da l l o yi sf a i r l yl o wa n dd e c r e a s e sa sd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e so r d e f o r m a t i o nr a t ed e c r e a s e s v 查 查兰堡主兰堡丝查 垒里翌 坠竺 7 t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fa 2 017a l l o yp l a t e p r o d u c e db ys e m i s o l i dt h i x o r o l l i n gw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es o l i dp h a s e a n dl i q u i dp h a s ew e r es e p a r a t e dd u r i n gr o l l i n gp r o c e s s t h el i q u i dp h a s ei sn e a rt h ee d g e a n dt h es o l i dp h a s ei si nt h ec e n t e ro ft h er o l l e dp l a t e w h e nh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s6 2 5 t h ep l a t ew i t hg o o ds u r f a c ec a nb eo b t m n e d 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 na r e 3 3 6 m p aa n d2 5 r e s p e c t i v e l y t h em a x i m a lr o l l i n gs p e e di s3 0 r s t h eo n ep a s s d e f o r m a t i o nr a t i oi s8 0 a f t e rc o l dr o l l i n ga t4 0 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 n a l ei m p r o v e d t o3 7 0 m p aa n d3 1 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s s e m i s o l i dm e t a l s h e a r i n g c o o l i n gr o l lp r o c e s s e x t r u d i n ge x t e n d i n g f o r m i n g f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n t h i x o r o l l i n g m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n a l u m i n u m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意 本人签名 壬州殁聊 日期 a 母口6 弓 f 学位论文版权使用授权书 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 如作者和导师同意网上交流 请在下方签名 否则视为不同意 本人签名 签字日期 刮砭砑 测矗1 导师签名 签字日期 东北大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 半固态金属加工技术的涎生 常规铸造的金属锭坯组织是典型的枝晶组织 在金属熔体凝固初期 初步形 核长大的晶粒是可以自由移动的 图1 1 a 但是如果晶粒进一步长大成为大的枝 晶 并形成相互交错的枝晶网络 图1 1 b 那么晶粒闻的相互移动和晶间液相的 流动就变的很困难 f l e m i n g s 教授i l 的实验结果表明 当圃相率大约为0 2 时 液 态金属内部就会形成枝晶网 随后其枝晶网络强度随着固相率的进一步增加而急 剧增大 金属熔体的宏规流动性也就随之消失 这也是导致缩孔 偏析 热裂等 铸件缺陷形成的主要原因之一 圜瑙 a 凝固初期 b 网状枝晶 图1 1 枝晶网的形成示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s o l i d i f i c a t i o n 2 0 世纪7 0 年代初 美国麻省理工学院 m i t 的博士研究生s p e n c e r t 2 1 了研 究金属的热裂 h o tt e a r i n g 现象 他以s n 1 5 p b 合金为对象 采用内壁带有沟槽 的c o u e r e 粘度计来测量半固态s n 1 5 p b 合金的剪切应力 在正常实验中 首先让 过热的s n 1 5 p b 合金熔体以一定的冷却速率冷却到液相线温度以下的某预定温度 即预定的固相率 然后开始旋转粘度计的外筒剪切半固态s n 1 5 p b 合金 并记录 剪切应力与外筒偏转角的关系 发现剪切应力随着偏转角的增大开始急剧增大 当达到最大值后 剪切应力又随着偏转角的增大而急剧下降 即存在一屈服应力 a p p a r e my i e l ds t r e s s 一系列实验后发现 剪切具有不同固相率的半固态 s n 一1 5 p b 合金均存在屈服应力现象 并且 当固相率约大于o 1 5 时 屈服应力值 东北大学博士学位论文 第一章绪论 随着固相率的增大而呈指数关系急剧增大 图1 2 a 比如 当固相率为0 4 时 n n 应力为2 0 0 k p a 对半固态s n 1 5 p b 合金的组织检查发现 此时s n 一1 5 p b 合金 组织为弯曲或断裂的枝晶 图1 2 b 生 奄 r 捌 盛 唾 q q z 0 4 叫 固相率 上 a 屈服应力 扭矩与固相率的关系 b 弯曲或断裂的枝晶组织 图1 2 等温剪切半固态s n 1 5 p b 合金剪的屈服应力与组织 f i g 1 2y i e l ds t r e s sa n dm i c r o s t r u c t u r e so f i s o t h e r m a ls h e a r i n gs e m i s o l i ds n 1 5 p ba l l o y 后来 s p e n c e r 偶然从高于s n 一1 5 p b 合金液相线温度就开始旋转粘度计外筒 同时一定的冷却速率连续冷却s n 一1 5 p b 合金熔体并记录剪切应力与合金固相率的 关系 这时出现了奇特的力学现象 与过去的实验结果相比 发现相同的固相率 时 剪切应力下降了2 3 个数量级 比如 当固相率为0 4 时 剪切应力只有o 1 2 k p a 其表观粘度比橄榄油的表观粘度还低 图1 3 a 经过显微组织检查发现 半固态 s n 1 5 p b 合金组织的初生固相都呈球形 图1 3 b s p e n c e r 还发现在连续剪切冷却 条件下 半固态s n 1 5 p b 合金的剪切应力 或表观粘度 还会随着剪切速率的增 大或者冷却速率的增加而下降 而晶粒会变的更加细小圆整 s p e n c e r 的实验现象引起了其导师f l e m i n g s 教授的高度重视 意识到金属凝固 的这一特性将具有许多潜在的利用价值 随即在f l e m i n g s 教授的领导下 对具有 球形初生固相的半固态金属组织形成机制 半固态金属浆料的流变特性及成形特 点进行了广泛深入的研究 创立了半固态金属加工的基本概念 理论和技术 i 3 所谓半固态金属加工技术 s e m i s o l i dm e t a l sp r o c e s s i n g 就是在金属熔体凝固 过程中 对其施以强烈的搅拌 得到一种由一定数量的球形初生固相和液相均匀 2 e i n 壤 东北大学博士学位论文 第一章绪论 色 剖 耱 露 摧 驾 签 至 杂 倒 肇 嗵 周相率 正 a 剪切应力 表观粘度与固相率的关系 b 球形晶粒组织 图1 3 连续冷却搅拌半固态s n 1 5 p b 合金剪的剪切应力与组织 f i g 1 3s h e a rs t r e s sa n dm i c r o s t r u c t u r e so f c o n t i n u o u s l yc o o l i n ga n ds h e a f i n gs e m i s o l i ds n 1 5 p b a l l o y 混合的浆料 再利用这种固液混合浆料直接进行加工成形 或者先将这种固液混 合浆料完全凝固成锭坯 根据需要将锭坯切分 再将切分的锭坯重新加热到固液 两相区进行加工成形 从金属半固态加工的科学含义来讲是指金属在固液两相区进行的成形加工 即利用金属材料从固态向液态 或从液态向固态的转变过程中具有半固态的特性 所实现的加工成形1 4 j 但上述表述只是一个温度概念 并没有涉及金属材料处于半 圆态的某种特性 从组织来讲包括枝晶态和非枝晶态半固态金属加工 自2 0 世纪7 0 年代初 f l e m i n g s 领导下的研究组发现经强力搅拌的半固态金属 形成球形晶粒的组织后具有特殊的力学性能 并冠以半固态金属加工的概念后 这时人们常称之的半固态金属加工的概念不仅是温度的函数 还是组织的函数 更确切说是性能的函数 随着半固态金属加工技术的发展 半固态金属加工技术的概念在f l e m i n g s 的 基础上又有了进一步的发展 首先 在半固态金属的制备方法上 除了搅拌方式 外 还出现了许多非搅拌方法 如应变诱发熔化法 低过热度浇注法 添加晶粒 细化剂细化法等 其次 对半固态金属的组织要求也延伸了 实际上很多半圆态 金属浆料或坯料的制备技术是很难获得完整的球形晶粒 而只能获得等轴晶 玫 3 东北大学博士学位论文 第一章绪论 瑰晶或者退化枝晶 统称菲枝晶组织 目前 国内外关于半固态金属加工技术的研究主要包括半固态金属浆料或坯 料的制备技术 半固态金属浆料或坯料的成形技术和系列与之相关基础理论问题 如半固态金属非枝晶组织的形成机理 半固态金属的流变行为等 1 2 半固态金属 j 0 技术的特点 最早 s p e n c e r 在其论文b j 中就曾预言 利用具有球形晶粒半固态金属将料在 高固相率下仍具有很好流动性的特点 可能存在的一些重大潜在利用价值 如降 低铸造温度 减少铸件气孔 提高组织均匀性 避免铸造充型过程中的紊流和喷 溅等 并预言可能会导致一些新的加工工艺的出现 随着人们对半固态金属加工技术广泛深入研究 以及半固态金属加工技术在 工业上广泛应用 人们对其特点也有了比较全面的了解 现将目前已知的有关半 固态金属及其加工技术的主要特点及其应用的归纳总结如表1 1 由于半圆态金属加工技术与液态金属的铸造成形和固态金属的塑性加工成形 相比具有 些独特优点 因而 半固态金属加工技术也赢得了许多专家学者的赞 誉 如 2 l 世纪最具发展前景的近净成形技术 2 1 世纪最有发展前途的绿色 节约型工艺 2 1 世纪最有发展前景的现代加工新技术 是2 1 世纪金属加工的 重大新技术 是一种高效节能的现代冶金加工新技术 等t s q o 表1 1 半固态金属及其加工技术的特点与应用 t a b l e 1c h a r a c t e r i s t i c so f s e m i s o l i dm e t a l sp r o c e s s i n ga n di t sa p p l i c a t i o n s 特性 优点及其应用 热容量低于液态金属 商速进行零件成形 高速连铸 对铸型热蚀小 能 耗低 可对黑色或其它高熔点合金成形 粘度高于液态金属 并且粘度可控制 充型平稳 减小氧化倾向 改善加工性能 减小气 体的卷入 提高致密度 减小粘模倾向 可高速成形 降低表面粗糙度 可实现自动化 开发其它新工艺 充填时已有固拇存在 半固态合金的变形抗力小 可与其它材料复合 可进行圃 液分离 铸造收缩率低 缩孑l 少 补缩要求低 低偏析 细 化晶粒 可进行复杂件成形 进行高速成形 成形成本低 高速连续锻压成形 制造复合材料 进行提纯 制各梯度材料 4 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 半固态金属浆料或坯料的制备技术 半固态金属众多的特性都是与其独特的球形晶粒组织有关 因而组织优良的 半固态金属浆料或坯料的制备是实现半固态金属加工技术的基础和关键 核心思 想是使半固态金属浆料或坯料获得非枝晶组织 晶粒必须细化和球化 自从 f l e m i n g s 采用机械搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态金属后 人们又运用 金属凝固理论 金属学等知识设计了许多制备半固态金属浆料或坯料的新工艺和 新技术 大体可分为搅拌法和非搅拌法两大类 1 3 1 搅拌法 1 3 1 1 机械搅拌法 机械搅拌法是最早应用于制备半固态金属浆料的方法 机械搅拌装置可分为 间歇式 图1 4 a 和连续式 图t a b 连续式装置包括棒式和螺旋式 间歇式包 括底浇式和倾斜式 根据搅拌方式不葡又可分为被动搅拌式和主动搅拌式 即搅 拌棒固定 外桶旋转搅拌或者搅拌棒主动旋转搅拌i l 1 机械搅拌法具有装置结构简单 造价低 操作方便 搅拌速度 搅拌温度和 冷却速率等工艺参数易于控制 可获得很高的剪切速率 有利于形成细小的球形 晶粒组织 非常适合实验室的研究工作 是目前实验室应用最广泛的方法 在实 验室条件下 研究者利用机械搅拌法曾制各过几乎所有适合半固态成形的合金系 列的半固态金属浆料或坯料 如铝合金 铜合金 镁合金 锌合金 钢铁 高温 合金 复合材料等 但是 机械搅拌法的生产效率低 熔体易卷入气体 搅拌棒 的寿命短 搅拌棒腐蚀易污染半固态金属浆料 这是机械搅拌法的主要缺点 所 以机械搅拌法只适合于实验室的研究工作 无法制备高质量的半固态金属浆料或 坯料 也无法满足商业生产的需要 13 1 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是借助电磁力驱动金属熔体运动 改变金属凝固过程熔体的传热 传质过程 从而达到对金属熔体搅拌的目的 图1 4 c j 2 4 5 从搅拌金属熔体的 运动方式来分 电磁搅拌有两种形式 一是水平式 即感应线圈平行于铸型的轴 线方向 另一种是垂直式 即感应线圈与铸形的轴线方向垂直 电磁搅拌为非接触式搅拌法 有效克服了类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒腐 5 东北大学博士学位论文 第一章绪论 蚀污染半固态金属浆料的问题 另外 电磁搅拌参数控制灵活方便 便于控青4 半 固态金属浆料的生产 这些都是电磁搅拌制备半固态金属浆料或坯料的独特优点 目前 电磁搅拌法制备的半圆态金属浆料或坯料在实际半固态金属成形应用中占 据了主导地位 但电磁搅拌法也存在电磁搅拌功率大 效率低 能耗高 成本高 设计难度大的缺点 使用受到一定的限制 另外 电磁搅拌制备的半固态金属坯 料的组织在横断面上并不均匀 在坯料表层 初生相往往以细小枝晶为主 随着 向坯料心部靠近 初生相才逐渐球化 a 间歇式机械搅拌 b 连续式机械搅拌 c 电磁搅拌 图1 4 机械搅拌和电磁搅拌技术示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f m e c h a n i c a ls t i r r i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 1 3 1 3 其它搅拌方法 在上述传统的机械搅拌和电磁搅拌法基础上 人们一方面对传统机械搅拌法 和电磁搅拌法不断进行改进 以克服它们存在的一些缺点 另一方面 人们又根 据搅拌法制备半固态金属浆料或坯料的原理 设计和提出了一些新的搅拌工艺和 技术 如f l e m i n g s 改进的连续机械搅拌装置 图1 5 1 1 6 有效克服了单套连续式 机械搅拌装置半固态金属金属浆料产量不大 易卷入气体的缺点 法国人v i r e s 1 7 发明了旋转永久磁铁产生旋转磁场来搅拌金属熔体的方法 此外 还有超声波振 动搅拌法 引 紊流效应法 姗 冷却斜坡法 图1 6 2 1 t2 2 以及南昌大学杨湘杰 等人提出的旋转斜管法圆等 1 3 2 非搅拌法 13 21 应变诱发熔化激活法 应变诱发熔化激活法 s t r a j ni n d u c e dm e t a la c t i v a t i o n 简称s i m a 的工艺原 6 东北大学博士学位论文 第一章绪论 图1 5 连续式机械搅拌法示意图 f i g1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t i n u o u sm e c h a n i c a ls t i r r i n g 1 一金属液2 一中间包3 堪应加热器4 一中间包出口5 书板删 拌室7 一螺杆8 磺动 轴9 一感应加热器1 0 羚却箱l i y 争却箱入口1 2 前却箱出口1 3 一半固态金属浆料出口 1 4 塞头 a 合金熔化 b 通过冷却斜坡铸造 图i 6 冷却斜坡法示意图 f 培 1 6c o o l i n gs l o p ec a s t i n gs y s t e m 理如图1 7 所示 该方法的工艺要点是 把常规铸锭材料在再结晶的温度范围内进 行足够大的热变形 通过变形破碎铸态组织 然后再对热变形过的坯料加以少量 的冷变形 在坯料的组织中存储部分变形能量 最后按需要将经过变形的金属坯 料切成一定大小 迅速将其加热到固液两相区并适当保温 在加热过程中 先发 生再结晶 然后部分熔化 使初生柑转变为球状晶粒 形成半固态金属组织 在 s i m a 工艺中 也可不进行冷变形 只进行大变形量的热变形 也可获得近球状的 半固态组织 2 4 2 7 s i m a 方法制备的半固态金属坯料纯净 也是目前实际商业应用的方法之一 目前 应用s i m a 工艺不仅成功制备了铸造铝合金 变形铝合金的半固态坯料 还成功地应用于不锈钢 铜合金等高熔点合金半固态坯料的制备 但是s i m a 工 7 东北大学博士学位论文 第一章绪论 艺额外需要增加一道大变形量工序 不仅使生产成本提高 而且使锭坯的尺寸受 到限制 只能用于制备小尺寸的半固态金属坯料 再加热 1 l 圈1 7 应变诱发熔化激话法的工艺原理 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i m a 1 3 2 2 喷射沉积法 喷射沉积法制备半固态金属坯料的过程为 图1 8 利用惰性气体将液态金 属雾化成熔滴颗粒 并高速喷射到激冷沉积板上 由于雾化作用 提高了熔滴的 冷却强度 实现快速凝固 同时熔滴的高速冲击作用可产生足够的剪切力 破碎 熔滴内部的枝晶 凝固后形成颗粒状组织 经过二次加热到半固态温度区间即可 获得球形晶粒组织 调整沉积板的形状和运动方式就可以制备出不同形状的半固 态金属坯料 为了控制沉积体的显微结构和降低空隙率 则必须正确控制好喷射 沉积的工艺参数 如金属液的过热度 金属液的流速 雾化气体的压力和熔滴的 飞行距离等 2 8 3 2 图1 8 喷射沉积法原理示意图 f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f s p r a yf o r m i n g 一沉积室2 一基板3 喷射粒子流扯气体雾化器5 一合金液6 坩埚 7 一雾化气体8 沉 积体9 运动机构1 0 卅 气及取料室 8 东北大学博士学位论文 第一章绪论 目前利用喷射沉积法已成功对铝合金 黑色金属 高温合金和金属基复合材 料进行实验 从获得的半固态坯料的质量看 其组织一般为非常细小的等轴晶或 粒状晶 适合于半固态重熔加热和触变成形 但喷射沉积法工艺难度大 成本高 产量低 只适合制备一些高级特殊要求的合金坯料 尚不能大规模应用 1 3 2 3 添加晶粒细化剂法 对某些合金 通过熔体添加化学晶粒细化剂增加熔体的晶核数目 获得晶粒 细小的金属坯料 再将该坯料在固液两相温度区间进行二次加热保温即可获得具 有球形晶粒组织的半固态金属坯料 3 3 出 如在铝合金中添加舢 t i b a l t i c 晶粒 细化剂 在锌合金中添加z r 元素等 选择合适的晶粒细化剂是该工艺的技术关键 但从目前的研究进展看 合适的晶粒细化剂有限 对大多数合金来讲寻找合金的 晶粒细化剂还是一项亟待解决的问题 1 3 2 4 低过热度浇注法 在以往的生产实践中 人们发现在浇注过程中降低浇注温度往往能使铸造组织 得到细化 近些年来 有些学者试图通过控制浇注温度和凝固冷却速度来制备半 固态金属浆料或坯料 p a n 等人 3 6 研究了浇注温度对a 1 s i 7 m g 合金组织的影响 结果表明 当逐渐降低浇注温度时 合金组织逐渐得到细化 当浇注温度接近合 金的液相线温度时 可以获得球状半固态组织 m a o 等人 3 7 还探讨了浇注高度 坩 埚口到铸型上口的距离 对凝固组织的影响 结果表明 提高浇注温度 将增大 铸型中合金熔体的流动 合金熔体温度场进一步均匀 有利于组织的细化 刘丹 等人 3 8 郴1 也研究了近液相线温度浇注对2 6 1 8 7 0 7 5 等变形铝合金以及a z 9 1 d 镁 合金组织的影响 结果均表明降低浇注温度 合