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第四章半固态成型详解演示文稿第一页，共三十六页优选第四章半固态成型第二页，共三十六页半固半固态态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线线温度以下，温度以下，对对合合金金进进行行搅搅拌拌，在，在搅搅拌力的作用下，合金析出的拌力的作用下，合金析出的树树枝状晶被破坏，并枝状晶被破坏，并在周在周围围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块块形成形成卵球卵球状的状的颗颗粒，分布在整个液粒，分布在整个液态态金属中该该合金即使固合金即使固态组态组分达分达40%-60%，仍然像糊状，仍然像糊状悬悬浮液，具有一定的流浮液，具有一定的流动动性而在剪切性而在剪切力力较较小或小或为为零零时时，它又具有固体性，它又具有固体性质质，可以搬运，可以搬运储储藏利用半固体合金独特的性利用半固体合金独特的性质实现浇质实现浇注或注或压压注成形的方法，称注成形的方法，称为为半固半固态态成形成形第三页，共三十六页第四页，共三十六页2、半固、半固态态成形的特点成形的特点半半固固态态金金属属(合合金金)的的内内部部特特征征是是固固液液相相混混合合共共存存，在在晶晶粒粒边边界界存存在在金金属属液液体体，根根据据固固相相分分数数不不同同，其其状状态态不不同同，图图2为为半半固固态态金属内部金属内部结结构示意构示意图图。

可可见见，高固相分数，高固相分数图图2 半固半固态态金属的内部金属的内部结结构：构： (a) 高固相分数，高固相分数， (b) 低固相分数低固相分数时时，液相成分，液相成分仅仅限限于部分晶界；低固于部分晶界；低固相分数相分数时时，固相，固相颗颗粒游离在液相成分粒游离在液相成分之中第五页，共三十六页半半固固态态金金属属的的金金属属学学和和力力学学主主要要有以下几个特点：有以下几个特点：由由于于固固液液共共存存，在在两两者者界界面面不不断断发发生生熔熔化化、凝凝固固，产产生生活活跃跃的的扩扩散散现现象象，因因此此，溶溶质质元元素的素的浓浓度不断度不断变变化；化；由由于于晶晶粒粒间间或或固固相相粒粒子子间间夹夹有有液液相相成成分分，固固相相粒粒子子间间几几乎乎没没有有结结合合力力，因因此，其宏此，其宏观观流流动变动变形抗力很低；形抗力很低；随随着着固固相相分分数数的的降降低低，呈呈现现黏黏性性流流体体特特性性，在微小外力作用下即可很容易在微小外力作用下即可很容易变变形流形流动动；图图3 半固半固态态金属和金属和强强化粒子化粒子(纤维纤维)的的搅搅拌混合拌混合第六页，共三十六页当当固固相相分分数数在在极极限限值值(约约75%)以以下下时时，浆浆料料可可以以进进行行搅搅拌拌，并并可可很很容容易易混混入异种材料的粉末、入异种材料的粉末、纤维纤维等，如等，如图图3所示；所示；由由于于固固相相粒粒子子间间几几何何无无结结合合力力，在在特特定定部部位位虽虽然然容容易易分分离离；但但由由于于液液相相成分的存在，又很容易地将分离的部位成分的存在，又很容易地将分离的部位连连接形成一体接形成一体图图4 半固半固态态金属的金属的 (a) 分离，分离， (b) 结结合合化，特化，特别别是液相成分很活是液相成分很活跃跃，不，不仅仅半固半固态态金属金属间间的的结结合，而且于一般合，而且于一般固固态态金属材料也容易形成很好的金属材料也容易形成很好的结结合，如合，如图图4所示；所示；第七页，共三十六页。

含含有有陶陶瓷瓷颗颗粒粒、纤纤维维等等难难加加工工性性材材料料也也可可通通过过半半熔熔融融状状态态在在低低加加工工力力下下进进行行成成形加工；形加工；当当施施加加外外力力时时，液液相相成成分分和和固固相相成成分分存存在在分分别别流流动动的的情情况况，如如图图5所所示示，一一般来般来说说，存在液相成分先行流，存在液相成分先行流动动的的倾倾向液液相相先先行行流流动动的的现现象象在在固固相相分分数数很很高高、很很低低或或加加工工速速度度特特别别高高的的情情况况下下很很难难发发生生，主主要要是是在在中中间间固固相相分分数数范范围围或或低低加加工速度下比工速度下比较显较显著图图5 半固半固态态金属金属变变形形时时液相成分和液相成分和固相成分的流固相成分的流动动第八页，共三十六页与普通加工方法相比，半固与普通加工方法相比，半固态态金属加工的金属加工的优优点：点：黏黏度度比比液液态态金金属属高高，容容易易控控制制：模模具具夹夹带带的的气气体体少少，减减少少氧氧化化、改改善善加加工工性性，减减少少模模具具粘粘接接，可可进进行行更更高高速速的的部部件件成成形形，改改善善表表面面光光洁洁度度，容易容易实现实现自自动动化和形成新加工工化和形成新加工工艺艺；流流动动应应力力比比固固态态金金属属低低：半半固固态态浆浆料料具具有有流流变变性性和和触触变变性性，变变形形抗抗力力非非常常小小，可可以以更更高高的的速速度度成成形形部部件件，而而且且可可进进行行复复杂杂件件成成形形，缩缩短短加加工工周周期期，提提高高材材料料利利用用率率，有有利利于于节节能能节节材材，并并可可进进行行连连续续形形状状的的高高速成形速成形(如如挤压挤压)，加工成本低；，加工成本低；应应用用范范围围广广：凡凡具具有有固固液液两两相相区区的的合合金金均均可可实实现现半半固固态态加加工工、可可适适用用于于多多种种加加工工工工艺艺，如如铸铸造造、轧轧制制、挤挤压压和和锻锻压压等等，并并可可进进行行材材料料的的复复合合及成形。

及成形第九页，共三十六页3、半固、半固态态成形的成形的发发展展20世世纪纪70年代初，美国年代初，美国MIT的博士研究生的博士研究生DB Spencer在研究在研究Sn-15%wt Pb合金的高温特性合金的高温特性时时，偶然，偶然发现发现金属的半固金属的半固态态力学行力学行为为和和组织组织特点这这些些发现发现引起了引起了MIT的的M C Flemings 教授的特教授的特别别重重视视，投入大量人力、物力，投入大量人力、物力，进进行了深入、广泛的研究，行了深入、广泛的研究，创创立了金属半固立了金属半固态铸态铸造技造技术术半固半固态态流流变铸变铸造（造（rheocasting） 金属液金属液 搅搅拌、凝固拌、凝固半固半固态浆态浆料料 输输送送 成形成形 第十页，共三十六页二、半固态下合金的流动性能二、半固态下合金的流动性能非枝晶的形成与演化非枝晶的形成与演化图图7 Al-20Cu合金未合金未搅搅拌和机械拌和机械搅搅拌拌(流流变铸变铸造造)状状态态的凝固的凝固组织组织 液液体体金金属属在在凝凝固固过过程程中中搅搅拌拌且且激激冷冷，其其结结晶晶造造成成固固体体颗颗粒粒的的初初始始形形貌貌呈呈树树枝枝状状，然然后后在在剪剪切切力力作作用用下下，枝枝晶晶会会破破碎碎，形形成成小小的的球球形形晶晶，图图7 7未未常常规规铸铸造造和和半半固固态态铸铸造造的的组组织织对对比比，可可见见利利用用流流变变铸铸造造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。

方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构第十一页，共三十六页球形球形结结构的演化构的演化过过程：程：结结晶晶开开始始时时，搅搅拌拌促促进进了了晶晶核核的的产产生生，此此时时晶晶核核是是以以枝枝晶晶生生长长方方式式进进行的；行的；随随着着温温度度的的下下降降，虽虽然然晶晶粒粒仍仍然然是是以以枝枝晶晶生生长长方方式式进进行行，但但由由于于搅搅拌拌的的作作用用，造造成成晶晶粒粒之之间间互互相相磨磨损损、剪剪切切以以及及液液体体对对晶晶粒粒剧剧烈烈冲冲刷刷，这这样样，枝枝晶晶臂被打断，形成了更多臂被打断，形成了更多细细小晶粒，其自身小晶粒，其自身结结构也逐构也逐渐渐向向蔷蔷薇形演化；薇形演化；随随着着温温度度的的继继续续下下降降，最最终终使使得得这这种种蔷蔷薇薇形形结结构构演演化化成成更更简简单单的的球球形形结结构，演化构，演化过过程如程如图图8所示图图8 球形微粒固球形微粒固态态金属加工两种方法金属加工两种方法(流流变变成形和触成形和触变变成形成形)的工的工艺艺流程流程图图第十二页，共三十六页 球球形形结结构构的的最最终终形形成成要要靠靠足足够够的的冷冷却却速速度度和和足足够够高高的的剪剪切切速速率率，同同时时这这是是一一个个不不可可逆逆的的结结构构演演化化过过程程，即即一一旦旦球球形形的的结结构构生生成成了了，只只要要在在液液固固区区，无无论论怎怎样样升升降降合合金金的的温温度度(不不能能让让合合金金完完全全熔熔化化)，它它也也不不会会变变成枝晶。

成枝晶第十三页，共三十六页半固半固态态合金的制合金的制备备方法方法半固半固态态合金的制合金的制备备常用常用机械机械搅搅拌法拌法、电电磁磁搅搅拌法拌法和和应变应变激活工激活工艺艺间间歇式机械歇式机械搅搅拌拌连续连续式机械式机械搅搅拌拌第十四页，共三十六页1) 电电磁磁搅搅拌法拌法 电电磁磁搅搅拌拌法法是是利利用用感感应应线线圈圈产产生生的的平平行行于于或或者者垂垂直直于于铸铸型型方方向向的的强强磁磁场场对对处处于于液液-固固相相线线之之间间的的金金属属液液形形成成强强烈烈的的搅搅拌拌作作用用，产产生生剧剧烈烈的的流流动动，使使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进进行半固行半固态浆态浆料或坯料的制料或坯料的制备备 优优点：不点：不污污染金属液，金属染金属液，金属浆浆料料纯净纯净，不卷入气体，可以，不卷入气体，可以 连续连续生生产产流流变浆变浆料或料或连续铸锭连续铸锭坯，坯，产产量可以很大量可以很大 缺点：直径大于缺点：直径大于150mm的的铸铸坯不宜采用坯不宜采用电电磁磁搅搅拌法生拌法生产产 影响因素：影响因素：搅搅拌功率，拌功率，搅搅拌拌时间时间，冷却速度，冷却速度， 金属液温度，金属液温度，浇浇注速度注速度电磁搅拌示意图第十五页，共三十六页。

2) 机械机械搅搅拌法拌法 该该方方法法利利用用机机械械旋旋转转的的叶叶片片或或搅搅拌拌棒棒改改变变凝凝固固中中金金属属初初晶晶的的生生长长与与演化，以演化，以获获得球状或得球状或类类球状的初生固相的半固球状的初生固相的半固态态金属流金属流变浆变浆料机械机械搅搅拌示意拌示意图图优优点：点：搅搅拌装置拌装置结结构构简单简单、造价低、操作方便造价低、操作方便缺点：生缺点：生产产的半固的半固态浆态浆料的料的产产量小，只适用于量小，只适用于 实验实验室的小室的小规规模模试验试验研究工作研究工作影响因素：影响因素：搅搅拌室的温度，拌室的温度，搅搅拌叶片或棒的拌叶片或棒的转转速 第十六页，共三十六页3) 应变应变激活工激活工艺艺再再对对热热态态挤挤压压变变形形过过的的坯坯料料加加以以少少量量的的冷冷变变形形，在在坯坯料料的的组组织织中中储储存部分存部分变变形能力按按需需要要将将经经过过变变形形的的金金属属锭锭坯坯切切成成一一定定大大小小，迅迅速速将将其其加加热热到到固固液两相区并适当保温，即可液两相区并适当保温，即可获获得具有触得具有触变变性的球状半固性的球状半固态态坯料将将该该金金属属锭锭坯坯在在回回复复再再结结晶晶的的温温度度范范围围内内进进行行大大变变形形量量的的热热态挤压变态挤压变形，通形，通过变过变形破碎形破碎铸态组织铸态组织。

利用利用传统连铸传统连铸方法方法预预先先连续铸连续铸造出晶粒造出晶粒细细小的金属小的金属锭锭坯第十七页，共三十六页三、半固态成形方法三、半固态成形方法半固半固态态成形方法成形方法流流变变成形成形rheoforming触触变变成形成形thixoforming在在金金属属凝凝固固过过程程中中，对对其其施施以以剧剧烈烈的的搅搅拌拌作作用用，充充分分破破碎碎树树枝枝状状的的初初生生固固相相，得得到到一一种种液液态态金金属属母母液液中中均均匀匀地地悬悬浮浮着着一一定定球球状状初初生生固固相相的的固固-液液混混合合。