第四章半固態(tài)成型詳解演示文稿

第四章半固態(tài)成型詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有36頁\編輯于星期四優(yōu)選第四章半固態(tài)成型現(xiàn)在是2頁\一共有36頁\編輯于星期四半固態(tài)合金是將合金熔化后，待它冷卻到液相線溫度以下，對合金進(jìn)行攪拌，在攪拌力的作用下，合金析出的樹枝狀晶被破壞，并在周圍金屬液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小塊形成卵球狀的顆粒，分布在整個液態(tài)金屬中。該合金即使固態(tài)組分達(dá)40%-60%，仍然像糊狀懸浮液，具有一定的流動性。而在剪切力較小或為零時，它又具有固體性質(zhì)，可以搬運儲藏。利用半固體合金獨特的性質(zhì)實現(xiàn)澆注或壓注成形的方法，稱為半固態(tài)成形?，F(xiàn)在是3頁\一共有36頁\編輯于星期四現(xiàn)在是4頁\一共有36頁\編輯于星期四2、半固態(tài)成形的特點半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，圖2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?，高固相分?jǐn)?shù)圖2半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：(a)高固相分?jǐn)?shù)，(b)低固相分?jǐn)?shù)時，液相成分僅限于部分晶界；低固相分?jǐn)?shù)時，固相顆粒游離在液相成分之中?，F(xiàn)在是5頁\一共有36頁\編輯于星期四半固態(tài)金屬的金屬學(xué)和力學(xué)主要有以下幾個特點：由于固液共存，在兩者界面不斷發(fā)生熔化、凝固，產(chǎn)生活躍的擴散現(xiàn)象，因此，溶質(zhì)元素的濃度不斷變化；由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，因此，其宏觀流動變形抗力很低；隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流體特性，在微小外力作用下即可很容易變形流動；圖3半固態(tài)金屬和強化粒子(纖維)的攪拌混合現(xiàn)在是6頁\一共有36頁\編輯于星期四當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約75%)以下時，漿料可以進(jìn)行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖3所示；由于固相粒子間幾何無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離；但由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體圖4半固態(tài)金屬的(a)分離，(b)結(jié)合化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且于一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖4所示；現(xiàn)在是7頁\一共有36頁\編輯于星期四含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)行成形加工；當(dāng)施加外力時，液相成分和固相成分存在分別流動的情況，如圖5所示，一般來說，存在液相成分先行流動的傾向。液相先行流動的現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高、很低或加工速度特別高的情況下很難發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度下比較顯著。圖5半固態(tài)金屬變形時液相成分和固相成分的流動現(xiàn)在是8頁\一共有36頁\編輯于星期四與普通加工方法相比，半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點：黏度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表面光潔度，容易實現(xiàn)自動化和形成新加工工藝；流動應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實現(xiàn)半固態(tài)加工、可適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形?，F(xiàn)在是9頁\一共有36頁\編輯于星期四3、半固態(tài)成形的發(fā)展20世紀(jì)70年代初，美國MIT的博士研究生DBSpencer在研究Sn-15%wtPb合金的高溫特性時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬的半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點。這些發(fā)現(xiàn)引起了MIT的MCFlemings教授的特別重視，投入大量人力、物力，進(jìn)行了深入、廣泛的研究，創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。半固態(tài)流變鑄造（rheocasting）金屬液攪拌、凝固半固態(tài)漿料輸送成形現(xiàn)在是10頁\一共有36頁\編輯于星期四二、半固態(tài)下合金的流動性能非枝晶的形成與演化圖7Al-20Cu合金未攪拌和機械攪拌(流變鑄造)狀態(tài)的凝固組織

液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的初始形貌呈樹枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會破碎，形成小的球形晶，圖7未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對比，可見利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在是11頁\一共有36頁\編輯于星期四球形結(jié)構(gòu)的演化過程：結(jié)晶開始時，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時晶核是以枝晶生長方式進(jìn)行的；隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式進(jìn)行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化；隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡單的球形結(jié)構(gòu)，演化過程如圖8所示。圖8球形微粒固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖現(xiàn)在是12頁\一共有36頁\編輯于星期四

球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時這是一個不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度(不能讓合金完全熔化)，它也不會變成枝晶?，F(xiàn)在是13頁\一共有36頁\編輯于星期四半固態(tài)合金的制備方法半固態(tài)合金的制備常用機械攪拌法、電磁攪拌法和應(yīng)變激活工藝。間歇式機械攪拌連續(xù)式機械攪拌現(xiàn)在是14頁\一共有36頁\編輯于星期四(1)電磁攪拌法電磁攪拌法是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的平行于或者垂直于鑄型方向的強磁場對處于液-固相線之間的金屬液形成強烈的攪拌作用，產(chǎn)生劇烈的流動，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料的制備。

優(yōu)點：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連續(xù)鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。缺點：直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法生產(chǎn)。影響因素：攪拌功率，攪拌時間，冷卻速度，金屬液溫度，澆注速度電磁攪拌示意圖現(xiàn)在是15頁\一共有36頁\編輯于星期四(2)機械攪拌法該方法利用機械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金屬流變漿料。機械攪拌示意圖優(yōu)點：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便。缺點：生產(chǎn)的半固態(tài)漿料的產(chǎn)量小，只適用于

實驗室的小規(guī)模試驗研究工作。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)在是16頁\一共有36頁\編輯于星期四(3)應(yīng)變激活工藝再對熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲存部分變形能力。按需要將經(jīng)過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得具有觸變性的球狀半固態(tài)坯料。將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量的熱態(tài)擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織。利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠坯。現(xiàn)在是17頁\一共有36頁\編輯于星期四三、半固態(tài)成形方法半固態(tài)成形方法流變成形rheoforming觸變成形thixoforming在金屬凝固過程中，對其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50%左右)，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形。如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此金屬錠切成一定大小，然后重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半固態(tài)金屬坯料)。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工的方法為觸變成形現(xiàn)在是18頁\一共有36頁\編輯于星期四1、流變成形（Rheoforming)流變成形：利用半固態(tài)金屬制備器批量制備或連續(xù)制備糊狀漿料，直接進(jìn)行加工成形（鑄造、擠壓、軋制、模鍛等）的方法。特點：直接獲得的半固態(tài)漿料不便于保存和輸送，發(fā)展緩慢，成熟應(yīng)用有限；比觸變成形節(jié)省能源、流程短、設(shè)備簡單，發(fā)展前景較好。現(xiàn)在是19頁\一共有36頁\編輯于星期四(a)連續(xù)攪拌制備半固態(tài)漿料(b)漿料被送入壓室(c)壓射成型(d)壓鑄件鎂合金射鑄成形現(xiàn)在是20頁\一共有36頁\編輯于星期四2、觸變成形（Rheoforming)

觸變成形(Thixomolding)由美國的Dow公司開發(fā)的，1992年由日本引入并完成成形機的研制開發(fā)。下圖為Thixomolding工藝的簡圖，其設(shè)備由原料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機、加熱裝置以及壓鑄機等部分組成。Thixomolding工藝簡圖設(shè)備特點：原料進(jìn)入料斗后邊加熱邊剪切攪拌，最后形成半固態(tài)的狀態(tài)再射入模具中；半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)可控性強，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定螺旋機內(nèi)密閉性好，在成形過程中不需要嚴(yán)格的保護(hù)性氣氛進(jìn)行保護(hù)，僅在投料口處用少量的Ar氣保護(hù)即可?，F(xiàn)在是21頁\一共有36頁\編輯于星期四Thixomolding成形件的特點：表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善；成形件尺寸精度提高；力學(xué)性能提高；耐蝕性提高；可精密成形薄壁件三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件的力學(xué)性能比較材料成形方法屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%AZ91DThixomolding18029910模鑄1602303AM60BThixomolding14727818.8模鑄11423911.6ZM50AThixomolding13926920模鑄11223213現(xiàn)在是22頁\一共有36頁\編輯于星期四一、概述4.3快速凝固成形定義：冷卻速度大于102℃/s的凝固，稱為快速凝固。1、快速凝固及發(fā)展

快速凝固的研究開始于20世紀(jì)50年代末60年代初，是在比常規(guī)工藝過程快得多的冷卻速度或大得多的過冷度下，合金以極快的凝固速率由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。現(xiàn)在是23頁\一共有36頁\編輯于星期四1960年美國加州理工學(xué)院的PDuwez等采用一種獨特的熔體急冷技術(shù)，第一次使液態(tài)合金在大于107K/s的冷卻速度下凝固。他們的發(fā)現(xiàn)，在世界的物理冶金和材料學(xué)工作者面前展開了一個新的廣闊的研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下，凝固過程的一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制，凝固偏離平衡。經(jīng)典凝固理論中的許多平衡條件的假設(shè)不再適應(yīng)，成為凝固過程研究的一個特殊領(lǐng)域?，F(xiàn)在是24頁\一共有36頁\編輯于星期四快速凝固的目的超細(xì)組織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新的結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異的強度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等?，F(xiàn)在是25頁\一共有36頁\編輯于星期四2、實現(xiàn)快速凝固的條件

①金屬溶液必須被分散成液流或液滴，而且至少在一個方向上的尺寸極小，以便散熱；②必須有能帶走熱量的冷卻介質(zhì)?，F(xiàn)在是26頁\一共有36頁\編輯于星期四3、快速凝固的特點①快速凝固速度較大，溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配，是無溶質(zhì)分配的凝固；②在快速凝固條件下，固液界面的穩(wěn)定性將增加，凝固形成了平面、無偏析的等軸晶；③形成組織特殊的晶態(tài)合金；④非晶態(tài)組織的形成；⑤準(zhǔn)晶態(tài)組織的形成。現(xiàn)在是27頁\一共有36頁\編輯于星期四二、快速凝固技術(shù)1.動力學(xué)急冷法2.熱力學(xué)深過冷法現(xiàn)在是28頁\一共有36頁\編輯于星期四1、動力學(xué)急冷法

在動力學(xué)急冷凝固技術(shù)中，根據(jù)熔體分離和冷卻方式的不同，可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉積技術(shù)三大類。原理：通過提高熔體凝固時的傳熱速率從而提高凝固時的冷卻速率，使熔體形核時間極短，來不及在平衡熔點附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點的較低溫度凝固，因而具有很大的凝固過冷度和凝固速率?，F(xiàn)在是29頁\一共有36頁\編輯于星期四模冷技術(shù)模冷技術(shù)：使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)的方式散熱而實現(xiàn)快速凝固。其主要特點是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)的、界面尺寸很小的熔體流，然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定的、導(dǎo)熱良好的冷?；蚧籽杆俳佑|而冷卻凝固。模冷技術(shù)槍法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木熔體提取法急冷模法現(xiàn)在是30頁\一共有36頁\編輯于星期四霧化技術(shù)

霧化技術(shù)是指采用某種措施將熔體分離霧化，同時通過對流的冷卻方式凝固，其主要特點是在離心力、機械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小的霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機械霧化法現(xiàn)在是31頁\一共有36頁\編輯于星期四2、熱力學(xué)深過冷快速凝固熱力學(xué)深過冷是指通過各種有效的凈化手段避免或消除金屬或合金液中的異質(zhì)晶核的形核作用，增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用，使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達(dá)到的過冷度。采用這種技術(shù),可以在冷速不高的情況下獲得很大的凝固過冷度。因此,熱力學(xué)深過冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制，是實現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固的有效方法?，F(xiàn)在是32頁\一共有36頁\編輯于星期四熱力學(xué)深過冷方法1、微小液滴法2、乳化-熱分析法3、落管法4、電磁懸浮熔煉法5、微重力法6、固液兩相區(qū)法7、循環(huán)過熱法8、玻璃熔體凈化法9、復(fù)合凈化法現(xiàn)在是33頁\一共有36頁\編輯于星期四乳化-熱分析法的基本思想是在惰性環(huán)境（惰性基礎(chǔ)或惰性懸浮溶液）中，隨著液體分散程度的提高，有效形核襯底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中，大部分液滴保持分離并且不包含異質(zhì)