半固态成形能否提高材料的力学性能

半固态成形是否能够提高材料的力学性能，为什么？半固态成形技术作为一种新的材料成形加工技术，在一定的应用范围内，能够提高材料的力学性能。传统的金属成形技术一般在完全固态或完全液态下进行。半固态成形对固液共存的半固态金属进行成形，是一种新型的加工工艺，制品显微组织细化，缺陷和偏析减少，机械性能提高。与传统的液态成形和固态成形相比，半固态浆料由一定比例的固相、液相混合组成，且其中的固相为非枝晶态，因此，金属半固态成形技术具有剪切变稀和静置增稠的特性，铸件的致密性高、零件近终化(net-shape)成形、生产周期短、生产效率高和适用范围广等一系列的优点。凝固中的金属材料经强力搅拌，将生成近球形或棒状品组织，在半固态温度下，该组织具有很好的成形性，与全液态压铸相比，实现无湍流充填，降低了气体卷入的几率；型腔充填温度低，导致热冲击减弱和更短的加工周期；内部缺陷少，可随后进行热处理，导致制件后继性能的提高。与固态模锻相比，成形力较小，耗能小，以较少的工序，实现较复杂结构件成形，且力学性能接近锻件水平。半固态成形技术包括了流变成形和触变成形两大类，根据制浆工艺的不同，又大致分为：机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔体激活法、超声波法、品粒细化法、粉末冶金法、喷射沉积法、倾斜板法等。各种办法各有所长，适合不同的合金。例如液相线半连续铸造技术的发明，研究范围拓展到了7075、2618、ZL201、A13SilMg、ZL112、ZL116等为代表的各系铝合金，形成了成熟完整独特的半固态制浆与触变成形工艺技术体系，并试制了大量成形件，部分成形件已接近锻造性能，达到了国际先进水平。其中，ZL201合金半固态成型件热处理后的抗拉强度超过420MPa，ZLll6合金半固态成型件热处理后的抗拉强度与伸长率同比铸造件分别提高了35%和300%以上。对于某些合金而言，半固态成形技术比其他成形技术生产出的零件具有更好的力学性能，表1列出了半固态与低压铸造成形的合金轮毂特性比较。表1半固态成形与低压铸造合金轮毂的特性比较成形工或工件毛童工件净重kg生产率件/h台金牌号皖拉强度MPa屈服强度MPa批伸率%半固态成形9.97.7832357-T629321514低压铸造11.1&612356-T62201508吴树森等人瞄对AZ91D镁合金半固态流变压铸件的力学性能进行了研究。结果表明：与普通液态压铸件相比，半固态压铸件的抗拉强度提高34%，伸长率提高44%。而且与普通液态压铸件高达2.5%〜3.0%的平均孔隙率相比，半固态压铸件的平均孔隙率仅为0.14%〜1.8%,经T6处理后，半固态压铸件的抗拉强度和塑性可得到进一步提高，如表2所示，克服了普通液态压铸件不能进行热处理的缺陷。表2 不同成形条件下Az91D镁合金的力学性能Table1 propvitie^ofAZSJIDbydifferentfarming试验条件.推掠强度伸长率3（.%）哽度HB液态压铸13R3.262半固态压铸E854.663半固毒压铸+T而24S7.665为何半固态成形技术能够提高材料的力学性能，普遍认为一般的金属凝固过程中，生成的固相呈树枝状，当固相比率达到20%时，枝状结构就开始硬化，难以进行成形加工。半固态成形技术，就是对处于液态的合金在凝固过程中加以搅拌等处理而得到的（或对经过特殊处理的固体合金坯料加热而得到的），具有非枝品结构的固、液相组织共存的半固态坯料进行各种成形加工，从而得到所需形状、性能制品的一种工艺方法。搅拌带来的强烈熔体对流对微观组织的形成有着重大影响，对于搅拌熔体中球形结构的形成原因，众多的转嫁学者从不同的角度做出了一定的解释。Vogel引进了温度和溶质扩散的静止边界层模型来解释搅拌效果，在实验基础上提出了枝品破碎导致品粒重叠扩散边界层（溶质和温度）有利于球形品粒稳定生长

的假设。从而引起人们对形成重叠扩散边界层的高密度形核这一条件的实验观察和求证。Doherty等人在研究中提出枝品臂的晶界碎断机制，见图1。但是，流图1 次枝晶臂碎断机制示意图动的熔体在枝品臂大小范围的空间内能否产生使枝品臂折断的弯矩是一个疑问，Pilling和Hellawell通过对枝晶间流动熔体对枝晶臂剪切作用的计算后认为,次枝晶臂和主干的分离主要是由于枝晶臂根部溶质的富集和热溶质的对流引起的，而流动的熔体促进了这种分离。Spencer,Joly和Mehrabian采用Couette流变计对Sn-Pb合金搅拌的试验结果表明：半固态浆料中的固相颗粒呈现出退化的枝晶组织或玫瑰形貌。这种玫瑰晶形貌在其他实验中也能够见到。然而以上学者提出的枝晶臂破碎和熔断机制都不能够解释玫瑰形晶粒的成因。对于玫瑰晶粒的形成，Flemings认为是在凝固过程中由于连续的剪切作用，晶粒在生长过程中和其他晶粒发生摩擦、熟化后的形貌，见图2。应该说明的是，这些Inerts]ngshearrate;increasinghme;decreasingcoolingrate图2 图2 强力搅拌条件下晶粒演变示意图试验结果都是在金属熔体基本上是以层流方式流动的搅拌情况下得到的，切变速率相对较低。Mullis利用晶胞自动生长(cellularautomatonmodel)和枝晶自由边界层(freeboundarylayer)的偶合模型模拟流动熔体中晶粒的生长，认为枝晶臂弯曲能够引起玫瑰晶的形成而无须力学作用。Dragnevski和Mullis等人通过Cu-3Sn合金的试验表明在高流速熔体和非常细小枝品的条件下能够获得机械破坏后形成的变形枝品组织。Ji和Fan利用双螺旋流变射铸机研究了紊流效应对Sn-15P