李龍飛-半固態(tài)流變制漿技術(shù)研究概述

1、金屬半固態(tài)觸變流變技術(shù)研究概述目錄引言21.半固態(tài)材料觸變行為研究31.1半固態(tài)觸變成形工藝流程31.2鋁合金半固態(tài)坯料制備31.3半固態(tài)金屬觸變成形72.半固態(tài)材料流變行為研究82.1半固態(tài)合金的流變特性82.2攪拌中半固態(tài)漿料流變現(xiàn)象93.半固態(tài)合金組織形成機(jī)制113.1半固態(tài)合金組織形成機(jī)制113.2球形組織的直接生長 124.半固態(tài)合金流變成形技術(shù)12小結(jié)15參考文獻(xiàn)：16摘 要：金屬半固態(tài)成形技術(shù)屬于近終型成形，在眾多工業(yè)尤其汽車工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。半固態(tài)成型技術(shù)包括觸變成形和流變成形。本文對金屬半固態(tài)成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展做綜述基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了半固態(tài)觸變成形和流變成形的工

2、藝過程和研究成果。關(guān)鍵字：金屬半固態(tài) 觸變成形 流變成形引言20世紀(jì)70年代初，麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer博士在M.C.Flemings教授的指導(dǎo)下研究合金的熱撕裂試驗(yàn)中，利用Couette粘度計(jì)測評Sn一15Pb(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)部分凝固合金的粘度來模擬鋼鑄件熱撕裂性。在試驗(yàn)過程中，Spencer博士發(fā)現(xiàn)在對部分凝固合金連續(xù)施加剪切作用時，固相率很高的合金具有機(jī)械油一樣的流動性，并表現(xiàn)出觸變性流變行為。這一現(xiàn)象有悖于傳統(tǒng)鑄造工藝中合金在固相率達(dá)到0.2時就不能流動的結(jié)論。敏銳的科學(xué)工作者們立刻意識到這一發(fā)現(xiàn)對金屬加工科學(xué)和技術(shù)具有突破性的重要意義。深入研究表明，這種具有觸變性和偽塑

3、性流變特性的半固態(tài)合金結(jié)構(gòu)特征有別于傳統(tǒng)鑄造工藝中得到的枝晶結(jié)構(gòu)，而是球形或非枝晶形態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)。Flemings把這種建立在球形結(jié)構(gòu)或者說觸變性結(jié)構(gòu)上開發(fā)出來的新工藝稱之為半固態(tài)金屬加工。半固態(tài)加工技術(shù)的核心內(nèi)容就是生產(chǎn)具有球形組織的半固態(tài)漿料。因此，獲得理想的半固態(tài)供給料是實(shí)現(xiàn)流變成形路線的前提條件。半固態(tài)材料觸變行為研究1.1 半固態(tài)觸變成形工藝流程圖1.1 金屬半固態(tài)觸變成形工藝流程a： 金屬冶煉；b： 電磁攪拌及冷卻系統(tǒng)；c：非樹枝晶金屬坯料；d： 機(jī)架；e：定量分割坯料；f：半固態(tài)感應(yīng)加熱；h：成形件金屬半固態(tài)觸變成形關(guān)鍵工藝主要有：非樹枝晶金屬坯料的制備工藝、坯料的二次加熱重熔工

4、藝以及半固態(tài)成形工藝等。1.2 鋁合金半固態(tài)坯料制備傳統(tǒng)鑄造法得到的金屬鑄錠為樹枝晶組織，該組織會嚴(yán)重影響到材料的致密度及其性能，并且在加熱到半固態(tài)時，由于枝晶組織相互纏結(jié)，將顯著降低坯料的流動性及成形性，因而致使成形件組織疏松、性能下降，而通過機(jī)械攪拌法或者電磁攪拌法等制得的非樹枝晶組織在半固態(tài)成形時可以明顯改善流動性，因此成形件表面平整光滑，內(nèi)部氣孔、疏松等缺陷少，晶粒細(xì)小，組織致密、力學(xué)性能好。為此半固態(tài)成形時，為了得到組織致密、性能優(yōu)異及形狀復(fù)雜的成形件，坯料的組織應(yīng)是球狀或近球狀的非樹枝晶。制備具有球狀晶粒組織的鋁合金半固態(tài)坯料是觸變成形的前提條件。鋁合金半固態(tài)坯料的制備方法主要有液

5、相法和固相法兩大類。液相法是對正在凝固的液態(tài)金屬進(jìn)行攪拌、振動等處理，或控制其凝固過程，從而得到具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料，主要包括機(jī)械攪拌法(Mechanical stirring，MS)、電磁攪拌法(Magneto hydrodynamic stirring，MHD)、超聲振動法(Ultrasonic vibration， UV)和噴射沉積法( Spray deposition，SD)等。固相法是將固態(tài)金屬經(jīng)過一定處理后，加熱至半固態(tài)溫度并保溫，從而獲得球狀晶粒組織，主要包括半固態(tài)等溫轉(zhuǎn)變法(Semi-solid thermal transformation，SSTT)、粉末冶金法(Pow

6、der metallurgy，PM)、應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法(Strain induced melt activation，SIMA)和再結(jié)晶重熔法(Recrystallization and partial remelting，RAP)等。下面對其中幾種常用的鋁合金半固態(tài)坯料制備方法介紹和分析。應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活（SIMA）法。IMA 法工藝路線是：首先鑄造出具有細(xì)小枝晶組織的金屬坯料；隨后將該金屬坯料進(jìn)行大變形量的熱塑性變形(再結(jié)晶溫度以上)，從而使鑄態(tài)的樹枝晶組織充分地破碎；然后將熱變形后的坯料進(jìn)行少量的冷變形，從而使坯料組織保留一定的變形能量；最后將冷變形后的金屬坯料切成所需的尺寸，并將其迅

7、速加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間并保溫一定時間，從而得到具有球狀晶粒組織的半固態(tài)坯料。應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法制備半固態(tài)坯料的優(yōu)勢主要包括：可制備高熔點(diǎn)金屬半固態(tài)坯料，坯料純凈、生產(chǎn)效率高，且 SIMA 法所獲得的球晶組織更加細(xì)小、圓整。但是，SIMA 法需要使坯料進(jìn)行大變形量的塑性變形，因此該方法難以制備大尺寸的半固態(tài)金屬坯料。圖1-2 應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法的原理示意圖再結(jié)晶重熔法。再結(jié)晶重熔法即 RAP法(Recrystallization and partial remelting)，是 Kirkwood等學(xué)者提出的半固態(tài)坯料制備方法。其工藝原理如圖 1-3 所示。RAP 法技術(shù)原理和 SIMA 法相似，

8、坯料經(jīng)塑性變形后，在重熔加熱過程中發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，隨后液相潤濕再結(jié)晶晶界并導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒的球化。但二者也有一定的區(qū)別，主要表現(xiàn)為坯料在重熔加熱前的塑性變形方式。SIMA 法過程中，首先對坯料進(jìn)行熱塑性變形（再結(jié)晶溫度以上），隨后施加少量的冷變形；而對于 RAP法，則是直接對坯料施加溫變形（再結(jié)晶溫度以下）。圖1-3 再結(jié)晶重熔法的原理示意圖再結(jié)晶重熔法除了具備與 SIMA 法相同的優(yōu)勢外，還擁有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：在工業(yè)市場中，許多合金的原材料即為擠壓棒材，若其沒有發(fā)生明顯的再結(jié)晶，可以直接利用 RAP 法制備半固態(tài)坯料。相對于 SIMA 法，RAP 法工藝流程更短，生產(chǎn)效率更高，工業(yè)化應(yīng)用潛力更

9、大。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對 RAP 法開展了許多深入的研究。電磁攪拌法。電磁攪拌法(Magneto hydrodynamic stirring，MHD)是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁場（垂直或平行于鑄型的軸線方向）在處于固-液相間的金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又受到洛倫茲力的驅(qū)動，從而對金屬液產(chǎn)生劇烈的攪拌作用，使金屬凝固形成的枝晶組織充分破碎。圖 1-4 為電磁攪拌裝置示意圖。電磁攪拌能使金屬液進(jìn)行三維流動，攪拌效果良好，可制備具有細(xì)小等軸晶組織的半固態(tài)坯料。電磁攪拌法具有非接觸，不污染金屬漿料，攪拌過程精確控制，生產(chǎn)效率高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造等優(yōu)點(diǎn)，因此在半固態(tài)坯料制備領(lǐng)域率先獲得了應(yīng)用，并已

10、實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。但是，由于感應(yīng)電流的集膚作用，電磁攪拌力從鑄型的四周到中心逐漸減弱，因而電磁攪拌法不能生產(chǎn)大直徑坯料。目前，MHD 法可以生產(chǎn)出的最大直徑半固態(tài)坯料為 152mm。而且，電磁攪拌法存在耗能高，設(shè)備結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，尚有待在技術(shù)途徑上取得進(jìn)一步突破。圖1-4 電磁攪拌裝置示意圖機(jī)械攪拌法。機(jī)械攪拌法(Mechanical stirring，MS)是最早應(yīng)用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法。該方法利用葉片或攪拌棒的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，對金屬液施加劇烈的攪拌作用，使樹枝晶組織充分地破碎，并改變金屬凝固初生相的產(chǎn)生與長大過程，以得到液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定近球狀固相顆粒的半固態(tài)金屬漿料

11、。MS 法可分為非連續(xù)機(jī)械攪拌法和連續(xù)機(jī)械攪拌法。圖 1-5 為連續(xù)機(jī)械攪拌法工藝原理示意圖。機(jī)械攪拌法的優(yōu)點(diǎn)主要在于成本低、結(jié)構(gòu)簡單、攪拌過程易于控制等，是目前實(shí)驗(yàn)室研究中應(yīng)用最廣泛的半固態(tài)制坯方法。但是，機(jī)械攪拌法也存在明顯的缺陷，如攪拌室和攪拌棒與高溫金屬液長時間接觸，造成工作壽命較短，且半固態(tài)金屬漿料易受污染。因此，MS 法雖然作為最悠久的半固態(tài)坯料制備方法，至今仍只用于實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模研究工作，而且由于制備的半固態(tài)金屬坯料的質(zhì)量和生產(chǎn)效率往往較低，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。關(guān)于機(jī)械攪拌過程中半固態(tài)金屬球晶組織的形成機(jī)制，F(xiàn)lemings 等學(xué)者都認(rèn)為這種球晶組織是在樹枝晶形成后，再折斷、破碎

12、、球化形成的，其初生相形態(tài)的演化過程為樹枝晶短枝晶枝晶碎塊球狀晶晶粒均勻化晶粒長大。圖1-5 機(jī)械攪拌裝置示意圖1.3 半固態(tài)金屬觸變成形由于半固態(tài)金屬坯料的加熱和輸送過程較為簡單，且易于實(shí)現(xiàn)批量化操作，因此半固態(tài)金屬觸變成形技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，其中觸變壓鑄和觸變鍛造是目前實(shí)際成產(chǎn)中應(yīng)用最成熟的。觸變壓鑄。觸變壓鑄是將預(yù)先制備的半固態(tài)金屬坯料進(jìn)行重熔加熱以獲得所需的液相分?jǐn)?shù)，待坯料各處的溫度場和液相分?jǐn)?shù)基本均勻后，將其送入壓鑄機(jī)壓室，使半固態(tài)坯料高速充填模具型腔，隨后在一定的壓力作用下凝固成型。半固態(tài)鋁合金觸變壓鑄主要包括三個工藝流程：鋁合金半固態(tài)坯料的制備、半固態(tài)坯料的重熔加熱和觸變壓

13、鑄成形。與流變壓鑄相比，半固態(tài)觸變壓鑄坯料的固相分?jǐn)?shù)略高一些，在成形過程中有效地利用了半固態(tài)金屬的觸變性，即半固態(tài)坯料靜止時像固態(tài)材料，可以進(jìn)行搬運(yùn)，而受到剪切作用時，具有很高的流動性，可以層流方式連續(xù)均勻地填充模具型腔。鋁合金觸變壓鑄具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)無湍流填充；可以壓鑄形狀復(fù)雜和壁厚相差較大的零件；零件內(nèi)部缺陷少，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；既可以使用鑄造鋁合金，也可以使用變形鋁合金；可以實(shí)現(xiàn)近凈化成形；容易實(shí)現(xiàn)自動化等。因此，鋁合金觸變壓鑄是目前得到最廣泛關(guān)注和最大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的半固態(tài)加工技術(shù)。工藝鋁合金半固態(tài)觸變壓鑄成形液態(tài)壓鑄已普遍用于汽車零部件的生產(chǎn)，但是在生產(chǎn)氣密性高或運(yùn)動承載零

14、部件時，因液態(tài)壓鑄中不可避免地存在氣孔、疏松等冶金缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的成品率。而采用半固態(tài)觸變壓鑄可以明顯提高這類產(chǎn)品的質(zhì)量。半固態(tài)觸變壓鑄零件中的材料利用率較低是造成生產(chǎn)成本增加的主要原因，但目前很多大型壓鑄企業(yè)，在液態(tài)壓鑄生產(chǎn)車間內(nèi)或附近配有專門的合金配料和熔煉車間，因此，在這種車間內(nèi)配備半固態(tài)坯料生產(chǎn)線，就可以自成回收循環(huán)體系，解決半固態(tài)壓鑄產(chǎn)生的大量回收料的問題，降低綜合生產(chǎn)成本。觸變鍛造。半固態(tài)觸變鍛造(Thixoforging)是將重熔加熱到半固態(tài)的坯料輸送至模具型腔內(nèi)，隨后半熔融狀態(tài)的金屬在成形壓力作用下進(jìn)行黏性流動和凝固，并產(chǎn)生一定的塑性變形，從而獲得所需形狀和性能制件的加工方

15、法。觸變鍛造又可分為直接成形和間接成形兩種方式。直接觸變鍛造的工藝原理類似于固態(tài)閉式模鍛，半固態(tài)金屬在敞開的模具中鍛造成形；間接觸變鍛造成形結(jié)合了擠壓鑄造和鍛造兩種方式，模膛在成形前是閉合的，沖頭將半固態(tài)金屬送入模膛內(nèi)，使其充滿模具型腔并產(chǎn)生塑性變形，這種方式可以成形形狀更為復(fù)雜的制件。與流變鑄造和觸變鑄造等其它半固態(tài)成形工藝相比，觸變鍛造可以成形變形抗力較大的高固相率半固態(tài)材料；相對于普通鍛造成形，觸變鍛造可以加工一般鍛造技術(shù)難以成形的超硬合金，且具有可成形復(fù)雜形狀零件和成形壓力小等優(yōu)勢。而且，利用半固態(tài)金屬所具有的良好流動性，半固態(tài)鍛造可以同時加工兩種或以上的組合材料，成形和連接同時進(jìn)行，

16、以制造復(fù)合化零件。但是，由于高固相率半固態(tài)材料在鍛造成形過程中往往表現(xiàn)出固液流動不均勻性，流動性更好的液相集中于坯料表面，從而造成半固態(tài)鍛件的內(nèi)部組織和性能的不均勻性。這種內(nèi)部組織的不均勻性有時也可以加以利用，成形一種表層到內(nèi)部的力學(xué)性能要求不同的制件。工業(yè)應(yīng)用表明半固態(tài)觸變模鍛成形的主要優(yōu)點(diǎn)是:材料利用率超過90 %; 設(shè)備投資少,較低噸位的模鍛機(jī)就可滿足要求; 零件力學(xué)性能好; 可以用于流動性差的變形鋁合金。但是與壓鑄相比也存在一些不足之處,如只適合單件生產(chǎn),生產(chǎn)效率較低;不適合形狀復(fù)雜的零件生產(chǎn)等。盡管如此,半固態(tài)觸變模鍛成形在制造高性能鋁合金零件中具有較高的性能價格比,十分適合中小企業(yè)

17、的生產(chǎn)。2. 半固態(tài)材料流變行為研究2.1 半固態(tài)合金的流變特性半固態(tài)合金的流變特性是指在外力作用下半固態(tài)合金的流動、變形性能。北京交通大學(xué)半固態(tài)成形研究中心學(xué)者指出，半固態(tài)合金是在固液兩相區(qū)進(jìn)行成形加工得到的，其固相分?jǐn)?shù)的變化范圍可以從0.200.90，合金漿料的力學(xué)行為特征強(qiáng)烈倚賴固相分?jǐn)?shù)。當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在0.050.10時，合金漿料的行為表現(xiàn)為強(qiáng)烈與時間有關(guān)的流體；當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在0.050.60時，漿料的力學(xué)行為則表現(xiàn)為非線性塑性體，具有賓漢姆流體的特性，可以進(jìn)行諸如模鍛、擠壓、噴射、軋制等金屬成形。大部分有關(guān)半固態(tài)合金流變行為的試驗(yàn)研究結(jié)果，都是在穩(wěn)態(tài)條件下獲得的，即在經(jīng)過數(shù)十分鐘的穩(wěn)定剪切

18、后測量和計(jì)算其表觀粘度，但在實(shí)際工藝條件下，如壓鑄的充型過程一般只持續(xù)0.010.2s，而半固態(tài)合金的流變行為具有很強(qiáng)的依時性，因此，半固態(tài)合金的穩(wěn)態(tài)流變性能并不適用于實(shí)際的工況條件。近年來，學(xué)者們開始對半固態(tài)合金的動態(tài)流變行為進(jìn)行研究?？梢苑治龀觯河绊懓牍虘B(tài)合金流變性能的主要因素是漿料的固相分?jǐn)?shù)、等溫溫度和剪切速率。當(dāng)剪切速率一定時，表觀粘度隨固相分?jǐn)?shù)的增加而增加，流型變化為牛頓流體一假塑性流體一賓漢姆流體。也表明：當(dāng)流體組織隨剪切歷程、時間變化較小時，其等溫穩(wěn)態(tài)的流變規(guī)律為：當(dāng)固相分?jǐn)?shù)一定，則表觀粘度隨剪切速率的增大和冷卻速率的降低而下降，即呈假塑性特征；而當(dāng)剪切速率一定，固相分?jǐn)?shù)增加時，

19、則相應(yīng)的剪切力隨之增加。當(dāng)漿料處于實(shí)際工藝條件下(如壓鑄)，其充型過程持續(xù)時間只有0.010.2s，屬于等溫動態(tài)流變范疇，其流變行為則屬于脹流型。2.2 攪拌中半固態(tài)漿料流變現(xiàn)象西北工業(yè)大學(xué)學(xué)者對半固態(tài)材料流變特性及模型進(jìn)行概括。將受攪拌的半固態(tài)漿料中流變現(xiàn)象概括為4類：連續(xù)冷卻行為：在恒定冷卻速率和剪切速率下連續(xù)冷卻過程中粘度的演變。通常在給定冷卻速率和剪切速率下表觀粘度隨固相率增大而增大，在低固相率時增大較慢，高固相率時增大較快。在給定固相率下表觀粘度隨剪切速率的增大和冷卻速率的減小而減小。圖1所示是進(jìn)行連續(xù)冷卻試驗(yàn)的結(jié)果。許多研究者在其他半固態(tài)漿料中也進(jìn)行相似研究。然而，這些試驗(yàn)更接近于

20、研究凝固行為而不是研究半固態(tài)漿料的流變性。采用該微觀結(jié)構(gòu)模型可預(yù)測非球狀粒子形態(tài)的半固態(tài)漿料在連續(xù)冷卻和隨后的等溫保溫階段的表觀粘度。圖2-1 Sn-Pb 合金（連續(xù)剪切，冷卻速率0.33K·min-1）固相率fs與表觀粘度的關(guān)系假塑性行為：穩(wěn)態(tài)粘度與剪切速率的關(guān)系，或者說是剪切稀釋行為。目前，一般都認(rèn)同穩(wěn)態(tài)粘度在固定剪切速率下取決于固態(tài)顆粒團(tuán)聚程度，它是團(tuán)聚和分離過程保持動力學(xué)平衡的結(jié)果。與穩(wěn)態(tài)行為有關(guān)的另外一種現(xiàn)象是屈服應(yīng)力的存在。目前還沒有完全搞清楚這種現(xiàn)象。一般認(rèn)為許多懸浮液在低剪切速率時存在一屈服點(diǎn)，這是由固態(tài)粒子之間的動力學(xué)相互作用形成的結(jié)構(gòu)形成的。最近指出強(qiáng)的粒子間的相

21、互作用是屈服應(yīng)力存在的根本，在屈服應(yīng)力以下半固態(tài)漿料表現(xiàn)為彈性體。觸變性行為：暫態(tài)粘度的時間相關(guān)性高。盡管觸變性研究對于理解半固態(tài)材料加工極其重要。但至今對分解速度要比形成速度快很多的內(nèi)部團(tuán)聚組織形成和分解的觸變性動力學(xué)方面所做的基礎(chǔ)工作還很少。在循環(huán)剪切條件下通過測Sn-15Pb合金周期剪切變形的滯后回線，發(fā)現(xiàn)了金屬漿料的一個更重要的流變性：在定剪切速率下粘度的時間依賴性，也就是觸變性。高固相率下半固態(tài)材料變形特征。高固相率半固態(tài)金屬漿料特征是存在固態(tài)骨架，固態(tài)骨架可由低溫下部分凝固或者是在高固相率時部分重熔來形成。由于高固相率半固態(tài)漿料的變形特征與觸變成形加工有很大關(guān)系，所以許多研究者對此

22、開展了相關(guān)試驗(yàn)和理論研究，但與近液類半固態(tài)漿料的相關(guān)研究工作相比就要少得多。固相率的漿料中表征高固相率漿料的流動特性的方法有幾種，其中最常用的是平行板壓縮法。采用平行板壓縮試驗(yàn)，建立表觀粘度與平均剪切速率之間的冪指數(shù)關(guān)系。這種方法實(shí)施起來相對簡單，但剪切速率一般限制在小于1s-1 ，為改善這種情況，最近發(fā)明了快速壓縮流變儀，它的剪切速率與觸變成形時相當(dāng)，且剪切速率變化可達(dá)1500s-1。至今，試驗(yàn)結(jié)果主要確認(rèn)高固相率時存在大的屈服應(yīng)力及存在固相破裂和液相分離的現(xiàn)象。盡管了解半固態(tài)漿料的變形特征對觸變成形加工有很重要的意義，但由于其理論和試驗(yàn)研究的復(fù)雜性，這方面的建模工作也只是近幾年才開始。圖1

23、-2 兩相模型示意圖3. 半固態(tài)合金組織形成機(jī)制3.1 半固態(tài)合金組織形成機(jī)制半固態(tài)漿料攪動時的組織演變受很多因素的影響，半固態(tài)漿料的溫度、固相分?jǐn)?shù)和剪切速率是3個基本因素。但半固態(tài)金屬材料在攪拌過程中初生晶粒究竟遵循怎樣的破碎、轉(zhuǎn)變機(jī)制，由于研究的困難，目前還沒有形成統(tǒng)一和確定的理論?，F(xiàn)在主要有以下幾種假說機(jī)制：正常熟化引起的枝晶臂根部熔斷機(jī)制。在攪拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用，也由于初生枝晶之間以及它們與液體之間發(fā)生碰撞、摩擦和沖刷作用，初生枝晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊倒寤?，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢ＶП鄹繑嗔褭C(jī)制。該機(jī)制認(rèn)為，凝固中的枝晶受剪切力作用，發(fā)生塑性變形，枝晶臂彎曲、直至斷裂，使二次枝晶臂

24、與主干分離。枝晶臂彎曲機(jī)制。假設(shè)在接近熔點(diǎn)溫度下，初生的-Al枝晶具有一定的韌性，但這種假定的韌性使得-Al枝晶在攪拌的紊流之中只發(fā)生彎曲而不至于斷裂。在攪拌過程中，如果一個-Al枝晶臂相對于枝晶主干彎曲了角，就要求枝晶臂中必須存在附加的位錯，這些位錯將會因?yàn)榛貜?fù)和再結(jié)晶過程的發(fā)生而轉(zhuǎn)變成晶界，那么該晶界就具有角大小的取向錯誤。由于晶界的能量隨著晶界取向錯誤的增加而增加，大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大兩倍以上，這種晶界完全會被液體薄膜所浸潤。最后該枝晶臂就會由于晶界引發(fā)的熔化作用而從枝晶主干上脫落下來。3.2 球形組織的直接生長 Flemings等認(rèn)為，對于一個確定的冷卻速率，只要在

25、合金凝固的初期形成足夠多的晶核，就能夠從合金熔體中直按獲得球形或近球形的組織，而無需經(jīng)過枝晶球化過程。這種機(jī)制的核心思想就是在凝固初期促進(jìn)大量形核。大量研究表明，低過熱度澆注是一種可以促進(jìn)合金熔體大量形核的有效手段。為了在合金熔體中獲得更高的自由晶數(shù)量，通常在采取低過熱澆注的同時，引入一些輔助工藝，這些輔助工藝在保留液相線鑄造優(yōu)點(diǎn)的同時，在一定程度上提高了澆注溫度，進(jìn)而提高了各工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的可操作性。4. 半固態(tài)合金流變成形技術(shù)雙螺旋機(jī)械攪拌式流變射鑄工藝在單螺旋機(jī)械攪拌式流變射鑄工藝的基礎(chǔ)上，英國Brunel大學(xué)的Fan和Bevis 1999年提出了雙螺旋機(jī)械攪拌式流變射鑄工藝，其工藝流

26、程和原理如圖3-1所示。該流變設(shè)備主要包括液態(tài)合金供料機(jī)構(gòu)、雙螺旋機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)、壓射機(jī)構(gòu)和中央控制機(jī)構(gòu)。供料機(jī)構(gòu)用來向雙螺旋機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)提供溫度和數(shù)量合適的液態(tài)合金，當(dāng)液態(tài)合金進(jìn)入攪拌系統(tǒng)時，漿料一邊被強(qiáng)烈的攪拌，一邊被快速冷卻到預(yù)期的固相分?jǐn)?shù)；當(dāng)合金漿料進(jìn)入輸送閥時，初生固相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒，并均勻分布在低熔點(diǎn)的液相中，然后輸送閥打開，半固態(tài)金屬漿料進(jìn)入成形射室，被壓入模具型腔且在模具中完全凝固。雙螺旋機(jī)械攪拌式流變射鑄工藝可以獲得很高的剪切速率，如5 200 S，或獲得高強(qiáng)度的紊流，因此，初生晶粒可以直接生長成球形。最近Fan等又開發(fā)了雙螺旋機(jī)械攪拌式流變壓鑄工藝，目前正在進(jìn)行鋁合金和鎂

27、合金的流變壓鑄實(shí)驗(yàn)研究。雙螺旋機(jī)械攪拌式流變成形工藝具有合金漿料的初生固相尺寸小、球形圓整等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是也存在合金漿料易被污染、只能進(jìn)行低熔點(diǎn)合金的流變成形的缺點(diǎn)。我國華中科技大學(xué)也對雙螺旋機(jī)械攪拌流變壓鑄工藝進(jìn)行了研究，取得了與英國Brunel大學(xué)相類似的結(jié)果，并壓鑄出了AZ91D鎂合金試件。圖3-1 雙螺旋流變射鑄工藝原理示意圖NRC工藝。1996年，日本UBE公司申請了非機(jī)械或非電磁攪拌的低過熱度傾斜板澆注式流變鑄造技術(shù)的專利，也稱為New Rheocast Processing，簡稱NRC。UBE公司隨后對其冷卻方式和后續(xù)處理進(jìn)行了改進(jìn)，其技術(shù)路線如圖3-2所示。NRC技術(shù)路線的核心

28、內(nèi)容是：首先把合金液澆注到傾斜的坩堝狀的受器中，合金液在接受器中以一定的冷卻速度冷卻到半固態(tài)溫度區(qū)問，并保溫足夠的時間以得到半固態(tài)成形所要求的球狀組織的漿料，最后在壓鑄機(jī)型腔壓鑄成形。NRC技術(shù)的實(shí)施可以明顯縮短合金半固態(tài)鑄造的工藝流程，降低生產(chǎn)成本。NRC技術(shù)也是最早成功進(jìn)入商業(yè)化的流變成形工藝，在奧地利的LKR公司，意大利的Stampal公司已投人生產(chǎn)。但有關(guān)NRC技術(shù)的發(fā)展工作目前仍在繼續(xù)進(jìn)行，如毛坯的焊接、廢品及、廢品及澆注系統(tǒng)的回收和全面價格評估系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)等。最近南昌大學(xué)在低過熱度傾斜板澆注式流變鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了剪切低溫澆注式半固態(tài)流變壓鑄工藝。其基本工藝流程是：澆注具有

29、特定過熱度的合金熔體，合金熔體在自身重力和輸送管轉(zhuǎn)動的共同作用下流經(jīng)輸送管，并保證合金液流經(jīng)輸送管末端的溫度控制在合金液相到-2-5，具有大量自由晶的合金熔體在漿料蓄積器中靜態(tài)緩慢冷卻得到所需漿料，然后倒入壓鑄機(jī)的壓射室內(nèi)進(jìn)行流變壓鑄成形。圖3-2 Ubes NRC工藝示意圖Semi Solid Rehocasting。 2001年美國麻省理工學(xué)院的Martinez和Flemings等人提出了Semi Solid Rehocasting技術(shù)，簡稱SSR，其工藝流程如圖3所示。該技術(shù)的基本原理是：將低過熱度的合金漿料澆注到制備坩堝中，利用鍍膜的銅棒對坩堝中的合金液進(jìn)行短時間的機(jī)械攪拌，使合金漿料

30、冷卻到液相線以下；然后移走銅棒，使坩堝中的半固態(tài)合金漿料冷卻到預(yù)定的溫度或達(dá)到預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)，最后將合金漿料倒入壓鑄機(jī)壓射室進(jìn)行流變壓鑄成形。這種半固態(tài)合金漿料制備技術(shù)的關(guān)鍵在于：要快速地使合金熔體散去過熱，并同時在合金熔體中產(chǎn)生低強(qiáng)度的循環(huán)流動，使合金熔體各處均處在形核和凝固中；一旦形成一定的初生晶核，就可以停止攪拌，初生晶粒就會轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹Я?。這種半固態(tài)合金漿料的初生晶粒中夾裹的液相很少，這會提高半固態(tài)合金漿料在成形時的流動性，便于成形復(fù)雜件。最近美國的Idra Prince公司已準(zhǔn)備把它進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，前景十分光明。圖3-3 SSR技術(shù)示意圖低過熱度澆注和弱電磁攪拌式流變壓鑄。2002年北京科技大學(xué)的毛衛(wèi)民等提出了一種新的流變成形方法，其基本工藝流程是：將低過