半固態(tài)成形分析課件

1、半固態(tài)成形一、概述 一切金屬材料在進(jìn)行其它成形（軋制、鍛造）之前都要經(jīng)歷液固相變的凝固過(guò)程。 凝固過(guò)程研究與凝固技術(shù)的進(jìn)展在冶金過(guò)程、材質(zhì)控制中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，同時(shí)引發(fā)了各種新型材料及其加工工藝的誕生和發(fā)展。 金屬成形一直是在固態(tài)區(qū)或者液態(tài)區(qū)進(jìn)行的，而人們對(duì)許多合金的凝固過(guò)程中的半固態(tài)區(qū)，尤其是金屬動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程中的半固態(tài)區(qū)并沒有給予足夠的重視，直至半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)明。 1.1 金屬半固態(tài)成形（SSM）的定義 金屬半固態(tài)成形（Semi-Solid Metal Forming/Processing）是指利用金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)或者從液態(tài)向固態(tài)兩相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的半固態(tài)區(qū)的金屬具有良好的流變特性而進(jìn)

2、行的金屬成形。 金屬在凝固過(guò)程中，進(jìn)行劇烈攪拌，或者控制固液態(tài)溫度區(qū)間，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮一定固相組分的固液混合漿料，這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，即半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性，易于通過(guò)普通加工方法制成產(chǎn)品，采用這種既非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，也就是半固態(tài)金屬加工技術(shù)。半固態(tài)成形的技術(shù)核心是使固液混合漿料或者坯料獲得非枝晶組織，固相必須球化或者細(xì)化，合金組織一般含有10-100um的球形晶、近球形晶或者等軸晶。 有的學(xué)者將金屬半固態(tài)成形分成廣義和狹義兩個(gè)概念。狹義上的半固體成形是指首先通過(guò)外場(chǎng)或者內(nèi)部物理化學(xué)作用制備半固態(tài)金屬漿料或者非枝晶坯料，然后將

3、預(yù)先制備好的金屬漿料或者非枝晶坯料冷卻或者加熱到半固態(tài)區(qū)進(jìn)行成形； 廣義上的半固體成形是將常規(guī)鑄造得到的固態(tài)金屬坯料直接加熱到半固態(tài)區(qū)所進(jìn)行的成形，嚴(yán)格意義上應(yīng)稱為半熔融成型。 關(guān)鍵區(qū)別在于？半固態(tài)成形的基本工藝路線 半固態(tài)金屬漿料具有流變與觸變性能，因此有兩條線路，流變成形和觸變成形。流變成形半固態(tài)漿料直接在壓力作用下流變成形。優(yōu)缺點(diǎn)：短流程節(jié)能、節(jié)材儲(chǔ)存運(yùn)輸困難觸變成形 半固態(tài)漿料鑄造成錠坯，根據(jù)產(chǎn)品尺寸需要下料，經(jīng)過(guò)二次加熱（也叫重熔加熱）后，在半固態(tài)溫度下壓力加工成形，成為觸變成形。優(yōu)缺點(diǎn)：輸送方便易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化半固態(tài)成形技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)半固態(tài)金屬材料的制備二次加熱半固態(tài)成形1.2

4、SSM的優(yōu)缺點(diǎn)投資小，能耗小。 由于半固態(tài)成形方便簡(jiǎn)捷，省去了熔化輸送、澆注以及附加控制污染的設(shè)備，加工設(shè)備可小型化，因此高效社能，并且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這不僅減少了設(shè)備投資，而且改善了車間勞動(dòng)條件。半固態(tài)成形時(shí)材料的變形抗力低，可以用較小的力成形較大的零件。試驗(yàn)證明，半固態(tài)軋制的軋制力僅是傳統(tǒng)熱軋的40%。半固態(tài)鑄造鋁合金比傳統(tǒng)鑄造鋁合金可以節(jié)能35%。2. 成形性能好，可實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)。 半固態(tài)材料流動(dòng)性能與變形性能良好，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈攪拌的固相分?jǐn)?shù)為40% - 60%的半固態(tài)金屬的表觀黏度在0.1-10Pa.s之間，與黃油(0.1 Pa.s)、甘油(l Pa.s)及蜂蜜( 10 Pa.s)的表

5、觀黏度相當(dāng)，僅比水或者液態(tài)金屬的黏度高出2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出很好的流動(dòng)性。與固態(tài)成形相比，半固態(tài)金屬中存在液相組元，塑性變形機(jī)理不同于固態(tài)塑性成形。塑性變形主要是由于晶粒之間的旋轉(zhuǎn)和相對(duì)滑移引起的，液相起到“潤(rùn)滑”作用，金屬流動(dòng)阻力顯著降低，復(fù)雜的零件也可用很少的工步成形。由于半固態(tài)合金材料具有特殊的流變性能，易于加工成形，半固態(tài)鑄造直接可以生產(chǎn)出精度較高的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比，半固態(tài)成形可實(shí)現(xiàn)近終形生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率、節(jié)約了原材料。與常規(guī)金屬模鑄造相比，半固態(tài)成形汽車零件生產(chǎn)率與成材率高的特點(diǎn)尤為突出。美國(guó)已利用半固態(tài)成形生產(chǎn)出許多電器連接元件。半固態(tài)成形電器連接元件與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相

6、比，也具有生產(chǎn)率與成材率高的特點(diǎn)。3. 產(chǎn)品性能好。 金屬半固態(tài)成形的特殊成形機(jī)理決定了成形產(chǎn)品的良好的內(nèi)部組織與整體性能。由于在半固態(tài)材料的制備過(guò)程中，對(duì)合金施加剪切攪拌作用，可以消除多種缺陷。與傳統(tǒng)鑄造成形相比，半固態(tài)金屬漿料中包含有類球形的固相顆粒，減少了凝固收縮，并提高了補(bǔ)縮能力，從而減輕或者消除了縮松傾向。同時(shí)，半固態(tài)鑄造時(shí)有一個(gè)平滑的液態(tài)充模界面，減輕了氣體包裹與氣泡的產(chǎn)生，也減輕了成分偏析，提高了材料的致密度、強(qiáng)度以及材料性能的均勻性。實(shí)踐證明，半固態(tài)鑄件內(nèi)部組織致密，內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，組織細(xì)小，力學(xué)性能提高，或者力學(xué)性能相當(dāng)，但塑性大大提高。 A356與A&357合金半固

7、態(tài)壓鑄件與永久模鑄件力學(xué)性能比較?？梢?，兩種鑄件的強(qiáng)度性能指標(biāo)相當(dāng)，而半固態(tài)壓鑄件的塑性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于永久模鑄件。4.提高成形工具壽命。 半固態(tài)合金的溫度比全液態(tài)合金溫壓低，而且由于部分凝固已經(jīng)釋放，部分結(jié)品潛熱，成形工具的工作溫度低，因此，提高了成形工具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。 對(duì)大部分鋁合金而言，半同態(tài)鑄造溫度比傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)時(shí)的鑄造溫度至少低70，鑄模的使用壽命可提高25%鋁合金半固態(tài)鑄造溫度比傳統(tǒng)鑄造溫度最大可以降低1200 ，大大減輕了對(duì)模具的熱沖擊，模具使用壽命得到大幅度提高。5.易于生產(chǎn)復(fù)合材料與新型合金。 金屬半固態(tài)成形工藝可改善復(fù)合材料中非金屬材料的漂浮、偏析以及與基體金屬不

8、浸潤(rùn)的技術(shù)難題，為復(fù)合材料的制備與成形提供了有利條件。控制固態(tài)合金黏度，可以均一地?fù)饺敕墙饘俨牧吓c密度差大的金屬材料，生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料與新成分合金。利用半固態(tài)合金的高黏性，在攪拌剪切的過(guò)程中加入密度差大的金屬或非金屬材料，可以生產(chǎn)其他工藝所不能生產(chǎn)的復(fù)合材料。在生產(chǎn)粒子強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料方面，半固態(tài)成形有著獨(dú)特的優(yōu)越性。半固態(tài)成形對(duì)復(fù)合材料的成形起到很大的推動(dòng)作用。半固態(tài)成形的主要缺點(diǎn)： (1)金屬半固態(tài)成形技術(shù)對(duì)金屬的合金成分有一定適用范圍，適合于半固態(tài)成形的合金需要具有足夠大的半固態(tài)區(qū)間，并且固相率隨溫度變化比較緩慢，以便于監(jiān)控半固態(tài)合金的固相率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半固態(tài)材料制備與成形過(guò)程

9、的控制。因此，液固相線區(qū)間范圍小的金屬不適合于進(jìn)行半固態(tài)成形。 例如？ 純金屬，共晶合金。 (2)高熔點(diǎn)半固態(tài)材料的半固態(tài)成形工藝難以控制。由于高熔點(diǎn)金屬對(duì)模具的熱沖擊作用強(qiáng)烈，模具的使用壽命低。另外，高熔點(diǎn)半固態(tài)漿料的制備與輸送都比較困難。如利用機(jī)械攪拌制備鋼的半固態(tài)材料時(shí)，攪拌棒容易損耗；而電磁攪拌制備鋼的半固態(tài)坯料時(shí)，由于鋼的密度大、熔點(diǎn)高、攪拌強(qiáng)度相對(duì)較小，而且導(dǎo)熱性能不如鋁合金，因此，制備半固態(tài)漿料需要的功率大，要求嚴(yán)格控制，目前對(duì)高熔點(diǎn)金屬的半固態(tài)材料制備與成形技術(shù)的研究還不十分成熟。(3)工藝參數(shù)控制嚴(yán)格，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。 由于半固態(tài)成形對(duì)固相率控制嚴(yán)格，這就要求溫度及冷卻條

10、件等因素控制在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)，這樣對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。同時(shí)，利用機(jī)械攪拌制備高固相率的半固態(tài)材料比較困難。另外，二次（重熔）加熱技術(shù)是半固態(tài)成形技術(shù)中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，在二次加熱過(guò)程中要求加熱速度較快才能達(dá)到理想的效果，這樣就對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中某個(gè)參數(shù)稍有波動(dòng)，或者操作工人的疏忽等，都會(huì)對(duì)成形工藝有重大影響。因此，不但技術(shù)條件要求嚴(yán)格，而且對(duì)操作者的素質(zhì)提出了更高的要求對(duì)操作者的素質(zhì)一套嚴(yán)格的控制系統(tǒng)，并對(duì)工人的素質(zhì)進(jìn)行提高，才能較好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 20世紀(jì)70年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院D.B.Spencer等研究人員在測(cè)量Sn-15%Pb合金高溫粘

11、度時(shí)，發(fā)現(xiàn)金屬在凝固過(guò)程中特殊的力學(xué)行為。 金屬在凝固過(guò)程中強(qiáng)烈攪拌后，即使在較高固相體積分?jǐn)?shù)時(shí)，半固態(tài)金屬仍只有相當(dāng)?shù)偷募羟袘?yīng)力，枝晶被打碎，生成球狀微粒結(jié)構(gòu)，具有流變性和觸變性，并冠以半固態(tài)金屬加工技術(shù)（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。1.3 SSM的發(fā)展歷程 追溯金屬半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展歷史，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一 個(gè)從模糊到清晰的過(guò)程。實(shí)際上，早在1956年，日本北海道大學(xué)荻原和高橋兩位教授就提出了鑄模旋轉(zhuǎn)澆注法。該方法使鑄模以1OOr/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，而在金屬液中插入一根固定棒，通過(guò)流體的旋轉(zhuǎn)提供的剪切力使生長(zhǎng)在固定棒上的樹枝品尖端破碎，從而使晶粒細(xì)化

12、，改善組織，減少了Al-Cu合金在凝固過(guò)程中枝晶偏析”。實(shí)際上這種獲得細(xì)小非枝品組織的手段就是半固態(tài)成形技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)核心。雖然此后人們對(duì)合金組織細(xì)化時(shí)產(chǎn)品性能的影響有越來(lái)越高的重視，但是人們?nèi)匀痪窒抻趥鹘y(tǒng)的金屬成形模式，始終沒有對(duì)金屬在半固態(tài)條件下的特點(diǎn)與行為進(jìn)行更多深入的研究。 直到20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings與Spenrer等人發(fā)現(xiàn)了金屬凝固過(guò)程中的特殊力學(xué)行為，根據(jù)強(qiáng)力攪拌半凝固金屬所呈現(xiàn)的流變學(xué)性質(zhì)，成功用攪拌方法制備出了半固態(tài)金屬并進(jìn)行了鑄造成形，稱之為流變鑄造( Rheocasting)，他們首次明確提出了金屬半固態(tài)成形的構(gòu)想。繼而M.Molenaar等人

13、對(duì)半固態(tài)合金的流變與觸變行為進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究并取得了大量的研究成果，使人們對(duì)半固態(tài)金屬的特點(diǎn)與行為有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)。Flemings等人的研究為金屬半固態(tài)成形技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。在1978年，美國(guó)Alunmx公司的分部率先將半固態(tài)成形技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，建成了世界上第一條汽車零部件的觸變生產(chǎn)線。 20世紀(jì)80年代初，Cheng等人進(jìn)行了用鎳基超舍金IN-100的流變鑄造法制造渦輪盤的研究。1985年，Alumax公司將有關(guān)半固態(tài)成形的專利技術(shù)向歐洲轉(zhuǎn)讓，生產(chǎn)Volvo、BMW和Audi等小轎車的鋁臺(tái)金零件。1988 1998年間，Alumax公司為Bendix轎車公司生產(chǎn)了200萬(wàn)件鋁合

14、金汽缸，為Ford汽車公司生產(chǎn)J了1500萬(wàn)件鋁臺(tái)金壓縮機(jī)活塞，成品率幾乎為100%。 近20年來(lái)，半周態(tài)成形技術(shù)得到了快速發(fā)展，1990 - 2004年先后召開了8屆國(guó)際半固態(tài)成形學(xué)術(shù)會(huì)議。在發(fā)達(dá)國(guó)家半固態(tài)成形技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。 日本在20世紀(jì)80年代后期就組成了半固志成形公司，Speed Star Wheel公司已應(yīng)用半固態(tài)成形技術(shù)牛產(chǎn)鋁臺(tái)金輪轂。Rheotech公司包括了14個(gè)鋼鐵企業(yè)和4個(gè)有色金屬公司，從1988年到1994年共投資30億日元進(jìn)行開發(fā)研究半固態(tài)成形技術(shù)。日本制鋼所已批量生產(chǎn)鎂合金半固態(tài)觸變鑄造機(jī)，可以鑄造壁厚為0.5mm的零件，據(jù)報(bào)道該公司已為全球制造了100

15、臺(tái)。另外，日本宇部公司設(shè)計(jì)制造的新型流變鑄造機(jī)既可以進(jìn)行半固態(tài)模鍛，又可以進(jìn)行觸變鑄造與流變鑄造，該機(jī)已出售給奧地利，在2000年投產(chǎn)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代初陸續(xù)開展了半固態(tài)成形技術(shù)的研究，大部分都是利用機(jī)械攪拌的方法進(jìn)行流變鑄造與觸變鑄造的研究。在90年代，鋼鐵材料的半固態(tài)成形被列為國(guó)家基金重大項(xiàng)目，對(duì)電磁拌半固態(tài)成形技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的開發(fā)。由于國(guó)內(nèi)對(duì)半固態(tài)成形技術(shù)的研究起步較晚，與國(guó)外的先進(jìn)水平相比還存在一定的差距。工業(yè)應(yīng)用成功的報(bào)道不多。目前，我國(guó)對(duì)電磁攪拌鋁合金半固態(tài)連鑄坯技術(shù)研究還不十分成熟。為了推動(dòng)鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用，除了加強(qiáng)半固態(tài)成形技術(shù)的理論研究外，重要任務(wù)是

16、加快其工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。1.4 SSM的地位二、SSM的理論研究2.1 半固態(tài)金屬的流變學(xué)行為 通常鑄造條件下，合金固相分?jǐn)?shù)為2030%時(shí)，其宏觀流動(dòng)性已基本消失。但對(duì)經(jīng)受攪拌的部分凝固合金，即使固相分?jǐn)?shù)高達(dá)5060%，固相呈分散粒狀，仍具有一定流動(dòng)性。2.1.1 表觀粘度 半固態(tài)金屬的流變學(xué)性質(zhì)一般通過(guò)測(cè)定合金的表觀粘度來(lái)研究。 普通鑄造過(guò)程澆鑄溫度高于液相線，合金以全液態(tài)形式澆入鑄型，全液態(tài)金屬屬于牛頓液體，粘度是一常數(shù)。不隨切變速率變化。 部分凝固合金屬于非牛頓流體，屬于偽塑性體，粘度不是常數(shù)，隨切變速率的變化而改變。用表觀粘度的概念表征非牛頓流體。表觀粘度為：a=/a為表觀粘度，Pas；為

17、切變速度，s-1；為切應(yīng)力，Pa2.1.2 影響流變性的因素 部分凝固合金雖然具有流動(dòng)性，但其表觀粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全液態(tài)合金，這種高粘度固液兩相流體的鑄造是困難的。 表觀粘度構(gòu)成了凝固合金流變性的主要方面，為使流變鑄造順利完成，對(duì)部分凝固合金表觀粘度的控制至關(guān)重要。（1）固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)表觀粘度的影響不同攪拌轉(zhuǎn)速下的afs曲線（2）剪切速率對(duì)表觀粘度的影響 在相同固相體積分?jǐn)?shù)下，表觀粘度隨剪切速率的上升而下降，滿足Power定律：=kn-1 式中為表觀粘度， 為剪切速率，k為反映稠密度的常數(shù)，n為常數(shù)。剪切速率對(duì)表觀粘度的影響 表觀粘度與剪切速率的關(guān)系反映的是粘性漿料的“偽塑性”(Pseudopla

18、sticity)。 在固相分?jǐn)?shù)不變時(shí)，表觀粘度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。對(duì)高粘度的部分凝固合金的鑄造特別有利。 鑄造在不斷攪動(dòng)條件下進(jìn)行。要求在流變鑄造時(shí)保持一定的攪拌速度，使部分凝固合金的表觀粘度不致過(guò)高而無(wú)法進(jìn)行鑄造。（3）冷卻速度對(duì)表觀粘度的影響不同冷卻速度下afs曲線（4）合金成分對(duì)表觀粘度的影響不同合金成分的afs曲線2.2半固態(tài)金屬的微觀組織結(jié)構(gòu)與特性 細(xì)小均勻的流變組織不但有利于改善半固態(tài)合金的流變性，消除了普通鑄錠中存在的粗大樹枝狀晶，獲得流變組織是半固態(tài)成形的關(guān)鍵之一。2.2.1 常規(guī)鑄造枝晶組織的微觀結(jié)構(gòu) 常規(guī)鑄造方法獲得的鑄造組織是典型枝晶組織。枝晶網(wǎng)形成示意圖及Al-6.6%

19、Si常規(guī)鑄造組織2.2.2 SSM微觀組織的形成與演化 利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近球形的顯微結(jié)構(gòu)。Sn-15%Pb合金的球形晶粒 結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，晶核以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，枝晶臂被打斷，形成更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)逐漸向薔薇形演化，隨溫度下降，最終演化稱為簡(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)。 一旦球形的結(jié)構(gòu)生成。只要在液固區(qū)，無(wú)論怎樣升降合金的溫度（不能讓合金熔化），也不會(huì)變成枝晶。球形微粒的演化過(guò)程 固相微粒尺寸大小與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越高，固相微粒尺寸越小，冷卻速度越低，固相微粒尺寸越大。2.2

20、.3半固態(tài)組織形成機(jī)理探討 晶粒長(zhǎng)大的初期，固相顆粒非常細(xì)小，由于對(duì)熔體劇烈的攪拌，固相顆粒分散在液相中，熔體以粥狀形態(tài)存在，此時(shí)固相顆?；臼侵畹摹?在流變鑄造中，金屬液被強(qiáng)制對(duì)流，對(duì)流強(qiáng)度非常大，因此當(dāng)晶粒長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)，較長(zhǎng)的枝晶臂在流動(dòng)液體的沖刷和其它晶粒碰撞下，會(huì)發(fā)生彎曲。在枝晶的勃頸處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力。 晶體在接近熔點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)度很低，枝晶臂發(fā)生斷裂。 劇烈攪拌導(dǎo)致合金熔體中熱流梯度小，而且固相顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)使各個(gè)方向熱流梯度趨向一致，因此單個(gè)結(jié)晶顆粒是等軸生長(zhǎng)的。 無(wú)論枝晶臂彎曲融合，或是熔斷，或是機(jī)械斷裂，都阻止初始形成的小枝晶相粗大的形式發(fā)展，同時(shí)晶體的等軸生長(zhǎng)和合并生長(zhǎng)也促

21、使合金初生相向球形或橢圓形發(fā)展。2.2.4半固態(tài)合金的金相組織鎂合金的半固態(tài)組織 銅合金的半固態(tài)組織M2工具鋼的半固態(tài)組織高熔點(diǎn)合金的半固態(tài)組織(a)Cu-10Sn-2Zn (b)AlS1304不銹鋼(c)HS31鈷基合金2.3流變性與組織的關(guān)系 半固態(tài)金屬材料的性質(zhì)（如表觀粘度）必然受到材料內(nèi)部微觀組織狀態(tài)的影響。 部分凝固合金的內(nèi)部組織狀態(tài)由它的固相組織狀態(tài)決定。固相的數(shù)量、大小、形狀和分布等參數(shù)決定了表觀粘度的高低。2.3.1 固相分?jǐn)?shù) 固相分?jǐn)?shù)越高，部分凝固合金液相量越少，流動(dòng)性越差。表觀粘度隨固相分?jǐn)?shù)增加而上升。2.3.2 攪拌強(qiáng)度對(duì)半固態(tài)組織的影響 電磁攪拌用磁感應(yīng)強(qiáng)度描述攪拌強(qiáng)度

22、，電磁攪拌造成“晶粒倍增”。不同攪拌強(qiáng)度下Al-6.6%Si合金組織 在電磁攪拌作用下，鋁液的湍流對(duì)流不斷將熱脈沖帶到液固界面，加速枝晶臂的熔化，枝晶臂被分離后，隨湍流帶到稍微過(guò)冷的液體中，形成新的晶體，造成晶粒倍增。 攪拌強(qiáng)度越大，晶粒倍增現(xiàn)象越明顯，晶粒越細(xì)小。 攪拌速度越高，固相顆粒比較分散，而低攪速下固相顆粒聚集現(xiàn)象明顯。Al-10%Cu在不同攪拌速度下的流變組織(a)n=2.38r/s (b)n=7.16r/s2.3.3 冷卻速度 固相分?jǐn)?shù)一定時(shí)，低冷卻速度的固相顆粒平均尺寸較大。原因是達(dá)到同樣固相分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒生長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)；高冷卻速度，達(dá)到同樣固相分?jǐn)?shù)所需時(shí)間較短，顆粒長(zhǎng)

23、大受到限制，顆粒較小。2.3.4 合金成分 合金濃度越高，越有利于產(chǎn)生成分過(guò)冷，使固液界面不穩(wěn)定，結(jié)果使界面不光滑，顆粒包裹的液相多，表觀粘度增加。Al-Cu合金流變組織(fs=46%)(a)Al-5%Cu合金 (b)Al-10%Cu合金三、SSM的力學(xué)性能不同加工方法獲得的鋁合金力學(xué)性能比較 不同加工方法獲得的AZ91D鎂合金力學(xué)性能不同加工方法獲得的鈦合金力學(xué)性能某些高熔點(diǎn)合金不同條件下力學(xué)性能比較四、SSM的制備及形成機(jī)制 半固態(tài)加工技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問題是如何制備優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)合金坯料或漿料，制備工藝直接影響半固態(tài)錠坯組織結(jié)構(gòu)的均勻性。 半固態(tài)材料的制備方法大致有液態(tài)法、控制凝固法和固態(tài)法三

24、種。4.1 液態(tài)法 液態(tài)法是指對(duì)正在凝固的液態(tài)金屬進(jìn)行機(jī)械、電磁或振動(dòng)處理，使枝晶破碎，逐步球化成非枝晶組織。4.1.1 機(jī)械攪拌法 是最早采用的方法，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，通過(guò)控制攪拌溫度、攪拌速度和冷卻速度等工藝參數(shù)，使初生樹枝狀晶破碎成為顆粒結(jié)構(gòu)。幾種機(jī)械攪拌裝置示意圖(a)棒式 (b)螺旋式 (c)底澆式 (d)傾轉(zhuǎn)式4.2.2 電磁攪拌法 電磁攪拌有兩種形式，一是水平式，二是垂直式。不同電磁攪拌方式示意圖4.2 控制凝固法 控制金屬液凝固速度，或加入某種添加劑抑制枝晶生成，形成細(xì)小非枝晶組織。 4.1.3 固相法 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活技術(shù)(Strain-Induced Melt Activation),即SIMA法。將合金原材料進(jìn)行足夠冷變形，然后加熱到半固態(tài)，加熱過(guò)程中，先發(fā)生再結(jié)晶，然后部分熔化。成功應(yīng)用于不銹鋼、銅合金等高熔點(diǎn)合金。金屬熔化成液態(tài)金屬后，霧化成溶滴顆粒，在噴射氣體作用下部分凝固的微滴直接沉積在收集板上，每個(gè)溶滴的沖擊能夠產(chǎn)生足夠剪切力打碎滴內(nèi)形成枝晶，凝固后成為顆粒狀組織，加熱到局部熔化，獲得具有球形顆粒固相的半固態(tài)金屬漿料。4.1.4 噴射成形法噴射沉積法示意圖4.