半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景

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1、半固态成形技术及其应用【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景.【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用1　前言20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，这种半

2、固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。2　半固态成形工艺的基本原理2.1半固态组织的形成机理2.1.1　枝晶断裂机制在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的

3、球形结构。2.1.2　枝晶熔断机制在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。2.1.3　晶粒漂移、混合—抑制机制在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。结晶

4、过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到7凝固温度，再由于成分过冷，熔体中存有大量的有效形核质点，在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核，而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。然而在长大过程中，强烈的混合对流则极大的改善了熔体中的传热和传质过程，对晶体的生长起到了强烈的抑制作用。由于混合对流作用，使得熔体的温度和成分相对均匀。所谓的混合—抑制机制正是指这种环境不利于择优生长，或者说这种生长方式受到了强烈地抑制，而只能选择各个方向长大，

5、于是获得了球状的非枝晶组织。2.1.4　枝晶弯曲机制Vogel和Doherty等人认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲，并且位错的产生将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时，位错间发生攀移并且互相结合形成晶界，当相邻晶粒的取相差超过20°，晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液体就将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，从而使枝晶臂与主干分离。2.2　半固态合金的流变性能和触变特性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

6、为牛顿流体—拟塑性流体—宾汉姆流体。相比半固态合金的流变性，触变性强调的是表观粘度与剪切时间的依赖关系，它表征半固态浆液的依时行为。即在剪切作用下，合金液的表观粘度随时间连续下降。静止时表观粘度随之恢复。3　半固态成形的技术优点1)材料在半固态变形抗力显著降低，可以以较小的力加工较大型零件，加工机械设备可以小型化，简单化，因此可以减少设备投资，节约能源；2)材料在半固态流动性，变形性好，即使很复杂的零件也可以用很少的工步成形，这一点和普通锻造相比是一个显著的优势，并且，半固态成形可以更方便地制造出

7、接近最终形状的制品，缩短了加工周期，提高了材料利用率，有利于节能节材；3)半固态金属合金的温度较液态金属低，成形模具工作温度低于普通压铸，对模具及设备热冲击小，有利于改善模具工作条件，提高模具寿命，从而降低生产成本；4)半固态成形制品结构微细，析出物均一分散，没有普通铸件中存在的粗大枝晶，可改善材料的力学性能，防止内部缺陷，制品整体性能提高；75)利用半固态浆体的高粘性，容易均一地掺入非金属材料和比重差大的金属，制造新的复合材料和新成分的合金，为新材料的研制提供了一条新路。4　半固态浆料制备技术与

8、传统铸造成形相比，半固态金属浆料中包含有类球形的固相颗粒，减少了凝固收缩并提高了补缩能力，从而减轻或者消除了缩松倾向，因而组织优良的半固态金属浆料或坯料的制备是实现半固态金属加工技术的基础及关键。目前，半固态成形浆料制备主要可分为搅拌法和非搅拌法两大类。4.1　搅拌法4.1.1　机械搅拌法机械搅拌时搅拌叶片与金属熔体直接接触，设备构造简单、工艺参数容易控制。机械搅拌过程中可以获得很高的剪切速率，利于形成细小的近球形微观结构，但是搅拌槽内部往往存在搅拌不到的死区，影响浆料的均匀性，搅