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1、真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。半固态成形技术及应用摘要介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟0引言20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的
2、特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,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(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工1,人们一直沿用至今。半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；当固相分数在极限值(约75)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易
3、混入异种材料的粉末、纤维，完成复合材料制备和成形；应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺2，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提
4、高生产率和降低成本的目的。半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。半固态金属成形制品的主要市场是汽车工业，如空压机、制动器、发动机、燃料供给装置、悬挂装置及汽车轮毂等。由于制品质量优异，大量用于安全性能要求较高的地方。另外，在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛的用途。而我国的半固态金属加工技术起步较晚，开始于20世纪70年代末。直到90年代以后，随着国内轿车工业的发展，先后有以下高校和科研机构开展了这方面的研究：兰州理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、上海交通大学、清华大学、东北大学以及华中科技大学等3
5、，并取得了可喜的进步。1半固态成形的科学含义1.1科学含义 半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态转变时固液共存的特性，在成形中降低了加工温度，例如铝合金，与铸造相比，加工温度可降低120 ；变形抗力小，可一次加工形状复杂、精度要求高的零件。这些特性，为零件近净成形实现，提供了一条新途径。半固态加工应该是一个温度概念，即从合金相图上所看出的，该加工是在固一液温度区间内完成并未涉及合金在固一液温度区间内完成，并没有涉及金属在半固态区间处何种组织状态和持某种特性，即所谓流变性和触变性。由半固态加工的名称起源可知，半固态加工，不仅是温度的函数，而且是组织的函数，更确切说是性能函数4。1.2半固
6、态在相图中的位置 图1是二元系共晶合金状态图的一部分，化学组成为A的合金在液相线温度TL以下，在固相线温度(这里指共晶温度)TS以上的温度区域里，固相与液相共存，即处于半固态5。在这个范围中的温度T下，合金为保持平衡状态，由成分为A的固相和成分为A的液相以a:b之比共存，这就是合金的半固态区。图1 合金的半固态区2半固态浆料制备 半固态坯料的制备就是采用一定手段使半固态浆料中的固相以球状或椭球状颗粒分布于液相中，目前采用的方法有以下几种:2.1 机械搅拌法6 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
7、，但是搅拌槽内部往往存在搅拌到的死区，影响浆料的均匀性，搅拌叶片的腐蚀以及它对半固态金属浆料的污染，都会对坯料质量带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态金属浆料固相颗粒尺寸在50一1001m之间。2.2 电磁搅拌法7电磁搅拌属于非接触式搅拌技术，利用电磁感应力将初生的枝晶破碎，工作原理如图2所示，其特点是金属液纯净，适用于高熔点合金和大批量生产。但由于感应电磁力从熔池边界到熔体中心逐渐衰减，当熔融金属四周有凝固外壳形成时，搅拌效果大大减弱，因此不适合制备大尺寸的半固态金属锭料。同时，电能消耗大，能源供给和搅拌器定子等装置体积大。电磁搅拌与连铸设备相结合可以为后续触变成形连续生产锭料。图2 电磁搅
8、拌法2.3 应变诱导熔化激活技术8 应变诱导熔体活化法(strain induced meltactivation, SIMA)的工艺过程是，首先制备铸锭，然后对铸锭进行大的挤压变形，以获得晶粒细小的SIMA原料，再将铸锭加热到固液两相区，进行半固态成形。SIMA的关键是如何对铸锭进行大的挤压变形，以获得细小晶粒组织的铸锭。2.4 冷却斜坡法9 冷却斜坡法的工作原理如下:熔体首先流过冷却斜坡，产生局部降温、强烈滚动和翻转，再注人铸型，产生强烈的搅拌;然后通过控制铸型温度，使金属液冷却到半固态温度后保温;当达到要求的固相体积分数时，再进行流变成形或触变成形。2.5 双螺旋流变注射成形法10 双螺
9、旋流变注射成形法工作原理如图3所示，双螺旋挤压器本身就是半固态浆料制备器，液态金属在双螺旋挤压器制备成半固态浆料，进入压室后通过活塞形成一定的挤压力和挤压速度，挤入模具中使半固态浆料成形。图3双螺旋流变注射成形法2.6 其他方法Flemings等提出的新MIT工艺。在快速热释放的同时对合金进行搅拌，使合金在半固态区进行短时间缓慢冷却或处于绝热状态，最后将合金冷却到指定的温度进行成形。获得半固态金属浆料的方法还有剪切冷却法、晶粒细化热处理法、喷射沉积法、超声振动法、粉末冶金法等，但这些方法目前还处于实验研究阶段，尚不能投入工业化生产应用。3 金属半固态成形工艺 当前，金属半固态成形的基本工艺方法
10、可分为流变成形和触变成形。流变成形是利用流变浆料直接进行成形。而触变成形是将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热至金属的半固态温度区， 这时的金属锭称为半固态金属坯料，再利用金属的半固态坯料进行成形加工。3.1 半固态金属的触变成形3.1.1触变注射成形 触变注射成形工艺（ 图 4）是由美国Dow Chemical公司开发的技术,1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发,现在是半固态加工领域中最成功、应用最广的技术之一。触变注射成形技术采用了一种所谓 “一体化”的成形方式,将压铸和注塑工艺合二为一,其中模具和成形材料与压铸工艺相似，而工艺过程接近于注塑成形。此外
11、，该方法集半固态金属浆料的制备、输送和成形过程于一体，较好解决了半固态浆料的保存和输送难题，提高了生产效率。图4 触变注射成形 该设备由原料料斗、预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等组成。触变注射成形过程首先将碎化的颗粒状原料，由料斗送入高速螺旋注射机进行加热、搅拌到半固态状态，在靠近喷嘴端处，将半固态浆料温度控制在固相线温度以上，最后通过喷嘴将半固态浆料高速注射到压铸模具中，凝固成形得到成形件。3.1.2 触变挤压 仿照 Thixomolding 模型产生了触变挤压成形工艺11（ 图 5）。触变挤压成形是注塑和挤压成形过程的结合。半固态浆料的二次加热类似于注塑成形，而模具则为挤压成形模
12、具。图5 触变挤压成形 这种成形方法为许多难于铸造和塑性加工的特殊材料，如金属基复合材料、脆性材料和易偏析材料。该工艺是将半固态坯料由料口进入二次加热室，经过加热处理，使半固态坯料变成浆状， 然后流入搅拌器，搅拌后，在液态金属中均匀悬浮着一定固相组分的固液混合体，最后通过模具型口得到理想形状的材料。3.1.3 触变锻造 1994年，斯图加特大学的成形技术学院（IFU)开始了对铝、黄铜等金属的触变锻造研究，将半固态金属坯料移入锻压模具内，利用感应加热器进行二次加热，使半固态坯料处于具有成分确定且均匀的液态和固态之间，然后模具的一部分向另一部分运动并加压成形，其成形原理及半固态金属向模具型腔流动的
13、情况如图6所示。图6 触变锻造 半固态锻造成形的优点是扩大了复杂成形件的范围，因半固态金属的流动性好，又易于控制，可准确称量，所以锻造耗能低，切削量少，材料利用率较高。3.2 半固态金属的流变成形3.2.1 螺旋式半固态流变成形美国 Cornell大学 Wang KUO K等人应用注射成形原理研制了流变射铸成形技术（ 图 7）,将高温液态合金通过进料口注入到搅拌室，液态合金在重力和螺旋杆的搅拌作用下，缓慢冷却，形成半固态浆料， 当在注射口堆积一定体积时，由注射装置注射成形11。图7 流变射铸成形3.2.2 锥桶式半固态流变成形 北京科技大学的孙建林等人利用金属浆料通过旋转的斜锥形内外筒之间的缝
14、隙时， 受到剧烈剪切应力场作用的原理，成功地研制开发了一种新型的具有独特结构的半固态金属浆料制备与直接流变成形装置锥桶式半固态流变成形装置12(图8)。图8 锥桶式半固态流变成形装置 半固态浆料制备与流变成形装置主要由送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置和气体保护系统构成。 剪切机构由内、外两个同心圆锥筒构成，其内筒由电机带动转动，外筒固定，通过调整内筒转速和升降内筒高度 （ 即调整内、外筒之间的缝隙），使半固态金属浆料在内、 外筒缝隙之间受到剧烈剪切作用，从而制备出晶粒细小、组织均匀的半固态金属浆料，可进行后续的压铸、挤压、压轧或锻造加工。3.2.3 流变铸轧11 半固态镁合金板带连续
15、铸扎是比较典型的触变铸轧成形工艺（图9）。触变铸轧是对半固态金属进行铸轧成形，是将铸造和热轧两种工艺合为一体，让铸轧辊把熔融浆料的大量热能带走，使浆料在很短时间内完成铸造结晶过程，同时，又对已形成铸造组织的镁板进行了压力加工。图9 流变铸轧 通常，流变铸轧包括3个工序，首先先将合金原料加入到电阻坩埚中加热熔化，进行质变处理。其次，在室温下，待温度降至固液两相区温度时，对熔体进行机械搅拌，生成半固态浆料。最后，在固相线温度以上，将半固态浆料导入铸轧辊进行铸扎成形。3.2.4 低过热度倾斜板浇注式流变铸造11 非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术,是一种全新的流变铸造工艺(图9)，与机械搅拌和电磁搅拌依靠外力来打碎枝晶,而获得球形非枝晶不同，它是直接从球形晶粒形核、长大的热力学和动力学条件着手，获得球形晶粒。图9 低过热度倾斜板浇注式流变铸造 其工艺过程首先是降低浇注合金的过热度，将合金熔体流入收集坩埚，再向坩埚中吹气，让金属液慢慢冷却凝固，这时候在金属液中产生球状的初生固相，均匀的分布在低熔点的残余液相中，最后对收集坩埚中的合金浆料进行温度调整和翻转，使获得尽可能均匀的温度场
