李龙飞-半固态流变制浆技术研究概述

1、金属半固态触变流变技术研究概述目录引言21.半固态材料触变行为研究31.1半固态触变成形工艺流程31.2铝合金半固态坯料制备31.3半固态金属触变成形72.半固态材料流变行为研究82.1半固态合金的流变特性82.2搅拌中半固态浆料流变现象93.半固态合金组织形成机制113.1半固态合金组织形成机制113.2球形组织的直接生长 124.半固态合金流变成形技术12小结15参考文献：16摘 要：金属半固态成形技术属于近终型成形，在众多工业尤其汽车工业具有广泛的应用前景。半固态成型技术包括触变成形和流变成形。本文对金属半固态成形技术的研究现状和发展做综述基础上，系统地论述了半固态触变成形和流变成形的工

2、艺过程和研究成果。关键字：金属半固态 触变成形 流变成形引言20世纪70年代初，麻省理工学院的D.B.Spencer博士在M.C.Flemings教授的指导下研究合金的热撕裂试验中，利用Couette粘度计测评Sn一15Pb(质量分数，下同)部分凝固合金的粘度来模拟钢铸件热撕裂性。在试验过程中，Spencer博士发现在对部分凝固合金连续施加剪切作用时，固相率很高的合金具有机械油一样的流动性，并表现出触变性流变行为。这一现象有悖于传统铸造工艺中合金在固相率达到0.2时就不能流动的结论。敏锐的科学工作者们立刻意识到这一发现对金属加工科学和技术具有突破性的重要意义。深入研究表明，这种具有触变性和伪塑

3、性流变特性的半固态合金结构特征有别于传统铸造工艺中得到的枝晶结构，而是球形或非枝晶形态的微观结构。Flemings把这种建立在球形结构或者说触变性结构上开发出来的新工艺称之为半固态金属加工。半固态加工技术的核心内容就是生产具有球形组织的半固态浆料。因此，获得理想的半固态供给料是实现流变成形路线的前提条件。半固态材料触变行为研究1.1 半固态触变成形工艺流程图1.1 金属半固态触变成形工艺流程a： 金属冶炼；b： 电磁搅拌及冷却系统；c：非树枝晶金属坯料；d： 机架；e：定量分割坯料；f：半固态感应加热；h：成形件金属半固态触变成形关键工艺主要有：非树枝晶金属坯料的制备工艺、坯料的二次加热重熔工

4、艺以及半固态成形工艺等。1.2 铝合金半固态坯料制备传统铸造法得到的金属铸锭为树枝晶组织，该组织会严重影响到材料的致密度及其性能，并且在加热到半固态时，由于枝晶组织相互缠结，将显著降低坯料的流动性及成形性，因而致使成形件组织疏松、性能下降，而通过机械搅拌法或者电磁搅拌法等制得的非树枝晶组织在半固态成形时可以明显改善流动性，因此成形件表面平整光滑，内部气孔、疏松等缺陷少，晶粒细小，组织致密、力学性能好。为此半固态成形时，为了得到组织致密、性能优异及形状复杂的成形件，坯料的组织应是球状或近球状的非树枝晶。制备具有球状晶粒组织的铝合金半固态坯料是触变成形的前提条件。铝合金半固态坯料的制备方法主要有液

5、相法和固相法两大类。液相法是对正在凝固的液态金属进行搅拌、振动等处理，或控制其凝固过程，从而得到具有非枝晶组织的半固态坯料，主要包括机械搅拌法(Mechanical stirring，MS)、电磁搅拌法(Magneto hydrodynamic stirring，MHD)、超声振动法(Ultrasonic vibration， UV)和喷射沉积法( Spray deposition，SD)等。固相法是将固态金属经过一定处理后，加热至半固态温度并保温，从而获得球状晶粒组织，主要包括半固态等温转变法(Semi-solid thermal transformation，SSTT)、粉末冶金法(Pow

6、der metallurgy，PM)、应变诱导熔化激活法(Strain induced melt activation，SIMA)和再结晶重熔法(Recrystallization and partial remelting，RAP)等。下面对其中几种常用的铝合金半固态坯料制备方法介绍和分析。应变诱导熔化激活（SIMA）法。IMA 法工艺路线是：首先铸造出具有细小枝晶组织的金属坯料；随后将该金属坯料进行大变形量的热塑性变形(再结晶温度以上)，从而使铸态的树枝晶组织充分地破碎；然后将热变形后的坯料进行少量的冷变形，从而使坯料组织保留一定的变形能量；最后将冷变形后的金属坯料切成所需的尺寸，并将其迅

7、速加热至半固态温度区间并保温一定时间，从而得到具有球状晶粒组织的半固态坯料。应变诱导熔化激活法制备半固态坯料的优势主要包括：可制备高熔点金属半固态坯料，坯料纯净、生产效率高，且 SIMA 法所获得的球晶组织更加细小、圆整。但是，SIMA 法需要使坯料进行大变形量的塑性变形，因此该方法难以制备大尺寸的半固态金属坯料。图1-2 应变诱导熔化激活法的原理示意图再结晶重熔法。再结晶重熔法即 RAP法(Recrystallization and partial remelting)，是 Kirkwood等学者提出的半固态坯料制备方法。其工艺原理如图 1-3 所示。RAP 法技术原理和 SIMA 法相似，

8、坯料经塑性变形后，在重熔加热过程中发生回复和再结晶，随后液相润湿再结晶晶界并导致再结晶晶粒的球化。但二者也有一定的区别，主要表现为坯料在重熔加热前的塑性变形方式。SIMA 法过程中，首先对坯料进行热塑性变形（再结晶温度以上），随后施加少量的冷变形；而对于 RAP法，则是直接对坯料施加温变形（再结晶温度以下）。图1-3 再结晶重熔法的原理示意图再结晶重熔法除了具备与 SIMA 法相同的优势外，还拥有其独特的优点：在工业市场中，许多合金的原材料即为挤压棒材，若其没有发生明显的再结晶，可以直接利用 RAP 法制备半固态坯料。相对于 SIMA 法，RAP 法工艺流程更短，生产效率更高，工业化应用潜力更

9、大。近年来，国内外很多学者对 RAP 法开展了许多深入的研究。电磁搅拌法。电磁搅拌法(Magneto hydrodynamic stirring，MHD)是利用感应线圈产生的电磁场（垂直或平行于铸型的轴线方向）在处于固-液相间的金属液中产生感应电流，感应电流又受到洛伦兹力的驱动，从而对金属液产生剧烈的搅拌作用，使金属凝固形成的枝晶组织充分破碎。图 1-4 为电磁搅拌装置示意图。电磁搅拌能使金属液进行三维流动，搅拌效果良好，可制备具有细小等轴晶组织的半固态坯料。电磁搅拌法具有非接触，不污染金属浆料，搅拌过程精确控制，生产效率高，可以实现连续铸造等优点，因此在半固态坯料制备领域率先获得了应用，并已

10、实现了工业化生产。但是，由于感应电流的集肤作用，电磁搅拌力从铸型的四周到中心逐渐减弱，因而电磁搅拌法不能生产大直径坯料。目前，MHD 法可以生产出的最大直径半固态坯料为 152mm。而且，电磁搅拌法存在耗能高，设备结构及生产工艺复杂等缺点，尚有待在技术途径上取得进一步突破。图1-4 电磁搅拌装置示意图机械搅拌法。机械搅拌法(Mechanical stirring，MS)是最早应用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用叶片或搅拌棒的机械旋转，对金属液施加剧烈的搅拌作用，使树枝晶组织充分地破碎，并改变金属凝固初生相的产生与长大过程，以得到液态金属母液中均匀地悬浮着一定近球状固相颗粒的半固态金属浆料

11、。MS 法可分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。图 1-5 为连续机械搅拌法工艺原理示意图。机械搅拌法的优点主要在于成本低、结构简单、搅拌过程易于控制等，是目前实验室研究中应用最广泛的半固态制坯方法。但是，机械搅拌法也存在明显的缺陷，如搅拌室和搅拌棒与高温金属液长时间接触，造成工作寿命较短，且半固态金属浆料易受污染。因此，MS 法虽然作为最悠久的半固态坯料制备方法，至今仍只用于实验室的小规模研究工作，而且由于制备的半固态金属坯料的质量和生产效率往往较低，难以实现工业化生产。关于机械搅拌过程中半固态金属球晶组织的形成机制，Flemings 等学者都认为这种球晶组织是在树枝晶形成后，再折断、破碎

12、、球化形成的，其初生相形态的演化过程为树枝晶短枝晶枝晶碎块球状晶晶粒均匀化晶粒长大。图1-5 机械搅拌装置示意图1.3 半固态金属触变成形由于半固态金属坯料的加热和输送过程较为简单，且易于实现批量化操作，因此半固态金属触变成形技术得到了较为广泛的应用，其中触变压铸和触变锻造是目前实际成产中应用最成熟的。触变压铸。触变压铸是将预先制备的半固态金属坯料进行重熔加热以获得所需的液相分数，待坯料各处的温度场和液相分数基本均匀后，将其送入压铸机压室，使半固态坯料高速充填模具型腔，随后在一定的压力作用下凝固成型。半固态铝合金触变压铸主要包括三个工艺流程：铝合金半固态坯料的制备、半固态坯料的重熔加热和触变压

13、铸成形。与流变压铸相比，半固态触变压铸坯料的固相分数略高一些，在成形过程中有效地利用了半固态金属的触变性，即半固态坯料静止时像固态材料，可以进行搬运，而受到剪切作用时，具有很高的流动性，可以层流方式连续均匀地填充模具型腔。铝合金触变压铸具有很多独特的优点：可实现无湍流填充；可以压铸形状复杂和壁厚相差较大的零件；零件内部缺陷少，可以进行热处理强化；既可以使用铸造铝合金，也可以使用变形铝合金；可以实现近净化成形；容易实现自动化等。因此，铝合金触变压铸是目前得到最广泛关注和最大规模实际应用的半固态加工技术。工艺铝合金半固态触变压铸成形液态压铸已普遍用于汽车零部件的生产，但是在生产气密性高或运动承载零

14、部件时，因液态压铸中不可避免地存在气孔、疏松等冶金缺陷，严重影响产品的成品率。而采用半固态触变压铸可以明显提高这类产品的质量。半固态触变压铸零件中的材料利用率较低是造成生产成本增加的主要原因，但目前很多大型压铸企业，在液态压铸生产车间内或附近配有专门的合金配料和熔炼车间，因此，在这种车间内配备半固态坯料生产线，就可以自成回收循环体系，解决半固态压铸产生的大量回收料的问题，降低综合生产成本。触变锻造。半固态触变锻造(Thixoforging)是将重熔加热到半固态的坯料输送至模具型腔内，随后半熔融状态的金属在成形压力作用下进行黏性流动和凝固，并产生一定的塑性变形，从而获得所需形状和性能制件的加工方

15、法。触变锻造又可分为直接成形和间接成形两种方式。直接触变锻造的工艺原理类似于固态闭式模锻，半固态金属在敞开的模具中锻造成形；间接触变锻造成形结合了挤压铸造和锻造两种方式，模膛在成形前是闭合的，冲头将半固态金属送入模膛内，使其充满模具型腔并产生塑性变形，这种方式可以成形形状更为复杂的制件。与流变铸造和触变铸造等其它半固态成形工艺相比，触变锻造可以成形变形抗力较大的高固相率半固态材料；相对于普通锻造成形，触变锻造可以加工一般锻造技术难以成形的超硬合金，且具有可成形复杂形状零件和成形压力小等优势。而且，利用半固态金属所具有的良好流动性，半固态锻造可以同时加工两种或以上的组合材料，成形和连接同时进行，

16、以制造复合化零件。但是，由于高固相率半固态材料在锻造成形过程中往往表现出固液流动不均匀性，流动性更好的液相集中于坯料表面，从而造成半固态锻件的内部组织和性能的不均匀性。这种内部组织的不均匀性有时也可以加以利用，成形一种表层到内部的力学性能要求不同的制件。工业应用表明半固态触变模锻成形的主要优点是:材料利用率超过90 %; 设备投资少,较低吨位的模锻机就可满足要求; 零件力学性能好; 可以用于流动性差的变形铝合金。但是与压铸相比也存在一些不足之处,如只适合单件生产,生产效率较低;不适合形状复杂的零件生产等。尽管如此,半固态触变模锻成形在制造高性能铝合金零件中具有较高的性能价格比,十分适合中小企业

17、的生产。2. 半固态材料流变行为研究2.1 半固态合金的流变特性半固态合金的流变特性是指在外力作用下半固态合金的流动、变形性能。北京交通大学半固态成形研究中心学者指出，半固态合金是在固液两相区进行成形加工得到的，其固相分数的变化范围可以从0.200.90，合金浆料的力学行为特征强烈倚赖固相分数。当固相分数在0.050.10时，合金浆料的行为表现为强烈与时间有关的流体；当固相分数在0.050.60时，浆料的力学行为则表现为非线性塑性体，具有宾汉姆流体的特性，可以进行诸如模锻、挤压、喷射、轧制等金属成形。大部分有关半固态合金流变行为的试验研究结果，都是在稳态条件下获得的，即在经过数十分钟的稳定剪切

18、后测量和计算其表观粘度，但在实际工艺条件下，如压铸的充型过程一般只持续0.010.2s，而半固态合金的流变行为具有很强的依时性，因此，半固态合金的稳态流变性能并不适用于实际的工况条件。近年来，学者们开始对半固态合金的动态流变行为进行研究。可以分析出：影响半固态合金流变性能的主要因素是浆料的固相分数、等温温度和剪切速率。当剪切速率一定时，表观粘度随固相分数的增加而增加，流型变化为牛顿流体一假塑性流体一宾汉姆流体。也表明：当流体组织随剪切历程、时间变化较小时，其等温稳态的流变规律为：当固相分数一定，则表观粘度随剪切速率的增大和冷却速率的降低而下降，即呈假塑性特征；而当剪切速率一定，固相分数增加时，

19、则相应的剪切力随之增加。当浆料处于实际工艺条件下(如压铸)，其充型过程持续时间只有0.010.2s，属于等温动态流变范畴，其流变行为则属于胀流型。2.2 搅拌中半固态浆料流变现象西北工业大学学者对半固态材料流变特性及模型进行概括。将受搅拌的半固态浆料中流变现象概括为4类：连续冷却行为：在恒定冷却速率和剪切速率下连续冷却过程中粘度的演变。通常在给定冷却速率和剪切速率下表观粘度随固相率增大而增大，在低固相率时增大较慢，高固相率时增大较快。在给定固相率下表观粘度随剪切速率的增大和冷却速率的减小而减小。图1所示是进行连续冷却试验的结果。许多研究者在其他半固态浆料中也进行相似研究。然而，这些试验更接近于

20、研究凝固行为而不是研究半固态浆料的流变性。采用该微观结构模型可预测非球状粒子形态的半固态浆料在连续冷却和随后的等温保温阶段的表观粘度。图2-1 Sn-Pb 合金（连续剪切，冷却速率0.33K·min-1）固相率fs与表观粘度的关系假塑性行为：稳态粘度与剪切速率的关系，或者说是剪切稀释行为。目前，一般都认同稳态粘度在固定剪切速率下取决于固态颗粒团聚程度，它是团聚和分离过程保持动力学平衡的结果。与稳态行为有关的另外一种现象是屈服应力的存在。目前还没有完全搞清楚这种现象。一般认为许多悬浮液在低剪切速率时存在一屈服点，这是由固态粒子之间的动力学相互作用形成的结构形成的。最近指出强的粒子间的相

21、互作用是屈服应力存在的根本，在屈服应力以下半固态浆料表现为弹性体。触变性行为：暂态粘度的时间相关性高。尽管触变性研究对于理解半固态材料加工极其重要。但至今对分解速度要比形成速度快很多的内部团聚组织形成和分解的触变性动力学方面所做的基础工作还很少。在循环剪切条件下通过测Sn-15Pb合金周期剪切变形的滞后回线，发现了金属浆料的一个更重要的流变性：在定剪切速率下粘度的时间依赖性，也就是触变性。高固相率下半固态材料变形特征。高固相率半固态金属浆料特征是存在固态骨架，固态骨架可由低温下部分凝固或者是在高固相率时部分重熔来形成。由于高固相率半固态浆料的变形特征与触变成形加工有很大关系，所以许多研究者对此

22、开展了相关试验和理论研究，但与近液类半固态浆料的相关研究工作相比就要少得多。固相率的浆料中表征高固相率浆料的流动特性的方法有几种，其中最常用的是平行板压缩法。采用平行板压缩试验，建立表观粘度与平均剪切速率之间的幂指数关系。这种方法实施起来相对简单，但剪切速率一般限制在小于1s-1 ，为改善这种情况，最近发明了快速压缩流变仪，它的剪切速率与触变成形时相当，且剪切速率变化可达1500s-1。至今，试验结果主要确认高固相率时存在大的屈服应力及存在固相破裂和液相分离的现象。尽管了解半固态浆料的变形特征对触变成形加工有很重要的意义，但由于其理论和试验研究的复杂性，这方面的建模工作也只是近几年才开始。图1

23、-2 两相模型示意图3. 半固态合金组织形成机制3.1 半固态合金组织形成机制半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素的影响，半固态浆料的温度、固相分数和剪切速率是3个基本因素。但半固态金属材料在搅拌过程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎、转变机制，由于研究的困难，目前还没有形成统一和确定的理论。现在主要有以下几种假说机制：正常熟化引起的枝晶臂根部熔断机制。在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用，也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转变为玫瑰花状，最后转变为球状。枝晶臂根部断裂机制。该机制认为，凝固中的枝晶受剪切力作用，发生塑性变形，枝晶臂弯曲、直至断裂，使二次枝晶臂

24、与主干分离。枝晶臂弯曲机制。假设在接近熔点温度下，初生的-Al枝晶具有一定的韧性，但这种假定的韧性使得-Al枝晶在搅拌的紊流之中只发生弯曲而不至于断裂。在搅拌过程中，如果一个-Al枝晶臂相对于枝晶主干弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错，这些位错将会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大两倍以上，这种晶界完全会被液体薄膜所浸润。最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作用而从枝晶主干上脱落下来。3.2 球形组织的直接生长 Flemings等认为，对于一个确定的冷却速率，只要在

25、合金凝固的初期形成足够多的晶核，就能够从合金熔体中直按获得球形或近球形的组织，而无需经过枝晶球化过程。这种机制的核心思想就是在凝固初期促进大量形核。大量研究表明，低过热度浇注是一种可以促进合金熔体大量形核的有效手段。为了在合金熔体中获得更高的自由晶数量，通常在采取低过热浇注的同时，引入一些辅助工艺，这些辅助工艺在保留液相线铸造优点的同时，在一定程度上提高了浇注温度，进而提高了各工艺在实际生产中的可操作性。4. 半固态合金流变成形技术双螺旋机械搅拌式流变射铸工艺在单螺旋机械搅拌式流变射铸工艺的基础上，英国Brunel大学的Fan和Bevis 1999年提出了双螺旋机械搅拌式流变射铸工艺，其工艺流

26、程和原理如图3-1所示。该流变设备主要包括液态合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。供料机构用来向双螺旋机械搅拌机构提供温度和数量合适的液态合金，当液态合金进入搅拌系统时，浆料一边被强烈的搅拌，一边被快速冷却到预期的固相分数；当合金浆料进入输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中，然后输送阀打开，半固态金属浆料进入成形射室，被压入模具型腔且在模具中完全凝固。双螺旋机械搅拌式流变射铸工艺可以获得很高的剪切速率，如5 200 S，或获得高强度的紊流，因此，初生晶粒可以直接生长成球形。最近Fan等又开发了双螺旋机械搅拌式流变压铸工艺，目前正在进行铝合金和镁

27、合金的流变压铸实验研究。双螺旋机械搅拌式流变成形工艺具有合金浆料的初生固相尺寸小、球形圆整等显著优点。但是也存在合金浆料易被污染、只能进行低熔点合金的流变成形的缺点。我国华中科技大学也对双螺旋机械搅拌流变压铸工艺进行了研究，取得了与英国Brunel大学相类似的结果，并压铸出了AZ91D镁合金试件。图3-1 双螺旋流变射铸工艺原理示意图NRC工艺。1996年，日本UBE公司申请了非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术的专利，也称为New Rheocast Processing，简称NRC。UBE公司随后对其冷却方式和后续处理进行了改进，其技术路线如图3-2所示。NRC技术路线的核心

28、内容是：首先把合金液浇注到倾斜的坩埚状的受器中，合金液在接受器中以一定的冷却速度冷却到半固态温度区问，并保温足够的时间以得到半固态成形所要求的球状组织的浆料，最后在压铸机型腔压铸成形。NRC技术的实施可以明显缩短合金半固态铸造的工艺流程，降低生产成本。NRC技术也是最早成功进入商业化的流变成形工艺，在奥地利的LKR公司，意大利的Stampal公司已投人生产。但有关NRC技术的发展工作目前仍在继续进行，如毛坯的焊接、废品及、废品及浇注系统的回收和全面价格评估系统的技术开发等。最近南昌大学在低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术的基础上，开发了剪切低温浇注式半固态流变压铸工艺。其基本工艺流程是：浇注具有

29、特定过热度的合金熔体，合金熔体在自身重力和输送管转动的共同作用下流经输送管，并保证合金液流经输送管末端的温度控制在合金液相到-2-5，具有大量自由晶的合金熔体在浆料蓄积器中静态缓慢冷却得到所需浆料，然后倒入压铸机的压射室内进行流变压铸成形。图3-2 Ubes NRC工艺示意图Semi Solid Rehocasting。 2001年美国麻省理工学院的Martinez和Flemings等人提出了Semi Solid Rehocasting技术，简称SSR，其工艺流程如图3所示。该技术的基本原理是：将低过热度的合金浆料浇注到制备坩埚中，利用镀膜的铜棒对坩埚中的合金液进行短时间的机械搅拌，使合金浆料

30、冷却到液相线以下；然后移走铜棒，使坩埚中的半固态合金浆料冷却到预定的温度或达到预定的固相分数，最后将合金浆料倒入压铸机压射室进行流变压铸成形。这种半固态合金浆料制备技术的关键在于：要快速地使合金熔体散去过热，并同时在合金熔体中产生低强度的循环流动，使合金熔体各处均处在形核和凝固中；一旦形成一定的初生晶核，就可以停止搅拌，初生晶粒就会转变为球状晶粒。这种半固态合金浆料的初生晶粒中夹裹的液相很少，这会提高半固态合金浆料在成形时的流动性，便于成形复杂件。最近美国的Idra Prince公司已准备把它进行商业应用，前景十分光明。图3-3 SSR技术示意图低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸。2002年北京科技大学的毛卫民等提出了一种新的流变成形方法，其基本工艺流程是：将低过