yh第四章半固态成型全解
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半固态金属成型
刘幼滨
半固态成形应用
1.在铝合金制备中的应用 目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在 铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低 和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区 的合金体系。在铝合金工业中，包括Al-Cu合金、Al-Si 合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特别值得一提的是半 固态金属成形技术已开始应用于制备铝合金制品。图 所示是半固态成形的铝合金零件。目前，半固态成形 的铝合金零件重量可达7kg以上。。由于切变力的作用，枝晶臂在 根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施 加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。 （2）枝晶根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过 程中，由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根 部产生有助于熔化的应力，有利于熔断。同时在根部固体中 较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。 （3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发 生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度， 位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差 超过20°，晶粒晶界能超过固－液界面能的两倍时，液体将 润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。
2.在其它材料中的应用 对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经 取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。 3.应用于复合材料的制备 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较 容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌 工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度。 非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如图所示。 非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前， 在金属基复合材料中应用SSM成形方法也是一个研究热点。
半固态成形应用
1.在铝合金制备中的应用 目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在 铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低 和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区 的合金体系。在铝合金工业中，包括Al-Cu合金、Al-Si 合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特别值得一提的是半 固态金属成形技术已开始应用于制备铝合金制品。图 所示是半固态成形的铝合金零件。目前，半固态成形 的铝合金零件重量可达7kg以上。。由于切变力的作用，枝晶臂在 根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施 加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。 （2）枝晶根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过 程中，由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根 部产生有助于熔化的应力，有利于熔断。同时在根部固体中 较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。 （3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发 生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度， 位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差 超过20°，晶粒晶界能超过固－液界面能的两倍时，液体将 润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。
2.在其它材料中的应用 对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经 取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。 3.应用于复合材料的制备 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较 容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌 工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度。 非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如图所示。 非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前， 在金属基复合材料中应用SSM成形方法也是一个研究热点。
2.2 半固态成型
1．半固态合金的制备方法 机械搅拌法：搅拌棒法、 1) 机械搅拌法：搅拌棒法、旋 转简法 电磁搅拌法：感应线圈法、 2) 电磁搅拌法：感应线圈法、 旋转永磁体法 紊流效应法。 3) 紊流效应法。特制多流装置 产生紊流效应打碎枝晶 应变激活工艺： 4) 应变激活工艺：常规铸锭预 变形（20%）， ），然后加热到半 变形（20%），然后加热到半 固态并适当保温得之。 固态并适当保温得之。
成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟， 3. 成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形 thixmolding)技术应用于镁合金 (injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点， 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点，因 而是未来成形技术的发展方向。 而是未来成形技术的发展方向。 计算机技术在工艺中得到广泛应用， 4. 计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值 模拟及软件。 模拟及软件。 半固态合金的流变性能研究， 5. 半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性 能的影响。 能的影响。
2．2 半固态成型 （Semi-solid processing） ． ） 2.2.1 概述 2.2.2 半固态下合金流动性能 1. 半固态合金的制备方法 2. 半固态合金凝固过程的组织演化与合金组织 3. 半固态合金的流变性能表达 2.2.3 半固态成形方法 1. 2. 3. 4. 流变成形（ 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 触变成形 （Thixocasting） ） 铸锻成形 复合铸造
液态模锻 液态挤压 连续铸挤 液态轧制
成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟， 3. 成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形 thixmolding)技术应用于镁合金 (injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点， 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点，因 而是未来成形技术的发展方向。 而是未来成形技术的发展方向。 计算机技术在工艺中得到广泛应用， 4. 计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值 模拟及软件。 模拟及软件。 半固态合金的流变性能研究， 5. 半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性 能的影响。 能的影响。
2．2 半固态成型 （Semi-solid processing） ． ） 2.2.1 概述 2.2.2 半固态下合金流动性能 1. 半固态合金的制备方法 2. 半固态合金凝固过程的组织演化与合金组织 3. 半固态合金的流变性能表达 2.2.3 半固态成形方法 1. 2. 3. 4. 流变成形（ 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 触变成形 （Thixocasting） ） 铸锻成形 复合铸造
液态模锻 液态挤压 连续铸挤 液态轧制
2.2 半固态成型
2．2 半固态成型 （Semi-solid processing） ． ） 2.2.1 概述 2.2.2 半固态下合金流动性能 1. 半固态合金的制备方法 2. 半固态合金凝固过程的组织演化与合金组织 3. 半固态合金的流变性能表达 2.2.3 半固态成形方法 1. 2. 3. 4. 流变成形（ 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 触变成形 （Thixocasting） ） 铸锻成形 复合铸造
2．2．2 半固态下合金流动性能 1．半固态合金的制备方法 机械搅拌法：搅拌棒法、 1) 机械搅拌法：搅拌棒法、旋 转简法 电磁搅拌法：感应线圈法、 2) 电磁搅拌法：感应线圈法、 旋转永磁体法 紊流效应法。 3) 紊流效应法。特制多流装置 产生紊流效应打碎枝晶 应变激活工艺： 4) 应变激活工艺：常规铸锭预 变形（20%）， ），然后加热到半 变形（20%），然后加热到半 固态并适当保温得之。 固态并适当保温得之。
2．半固态合金搅拌过程的组织演化与合金凝固组织
普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。
3．半固态合金的流变性能表达 （1）合金在熔融态和凝固过程中的流变性 ） ① 熔融合金在一般过热时是牛顿流体 τ=ηγ γ
（3）半固态合金的变形特性 ）
用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4 18所示。 18所示 用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4—18所示。
合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形的过程
2．2．3 半固态成形方法 ． ． 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形（ 1. 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 利用半固态金属制备器批量 利用半固态金属制备器批量 制备、或连续制备糊状浆料， 制备、或连续制备糊状浆料，并 糊状浆料 直接加工成形（铸造、挤压、轧 直接加工成形（铸造、挤压、 制、模锻等）的方法。 模锻等）的方法。
2．2．2 半固态下合金流动性能 1．半固态合金的制备方法 机械搅拌法：搅拌棒法、 1) 机械搅拌法：搅拌棒法、旋 转简法 电磁搅拌法：感应线圈法、 2) 电磁搅拌法：感应线圈法、 旋转永磁体法 紊流效应法。 3) 紊流效应法。特制多流装置 产生紊流效应打碎枝晶 应变激活工艺： 4) 应变激活工艺：常规铸锭预 变形（20%）， ），然后加热到半 变形（20%），然后加热到半 固态并适当保温得之。 固态并适当保温得之。
2．半固态合金搅拌过程的组织演化与合金凝固组织
普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。
3．半固态合金的流变性能表达 （1）合金在熔融态和凝固过程中的流变性 ） ① 熔融合金在一般过热时是牛顿流体 τ=ηγ γ
（3）半固态合金的变形特性 ）
用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4 18所示。 18所示 用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4—18所示。
合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形的过程
2．2．3 半固态成形方法 ． ． 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形（ 1. 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 利用半固态金属制备器批量 利用半固态金属制备器批量 制备、或连续制备糊状浆料， 制备、或连续制备糊状浆料，并 糊状浆料 直接加工成形（铸造、挤压、轧 直接加工成形（铸造、挤压、 制、模锻等）的方法。 模锻等）的方法。
铝合金半固态压铸成形过程的模拟讲解
缺陷分析
慢压式
快压式
凸台内组织分布
慢压式
快压式
力学性能的对比
模具的 不同
原模具
压铸方式 抗拉强度
MPa
快压
207
慢压
221
延伸率 %
4.43
7.99
快压
238
7.65
优化后的
模具
慢压
265
10.3
备注 平均值
汽车零件的研制 (后桥支撑座)
• A severe demand for desk frame fatigue experiment (all samples>450000 cycles)
50μm
Combination photo with low magnification Distribution image
defects analysis
模拟与实验的对比
X-ray inspection Simulated cross-section
充型过程的Short shot实验 (慢压式)
• 通过测试并验证压铸过程的位移曲线较为准确地 推测压铸速度,有益于提高模拟的精度;通过型内 充型轨迹实测和模拟的对比以及引入独特的Short shot实验法为模拟提供了有力的支持和旁证手段。
结 论（二）
• 试样铸造缺陷的分析与模拟以及Short shot结果 的反复对比表明，流场与缺陷形成有紧密的相关 性,通过流场的模拟可以预测可能产生缺陷的位置 和程度,从而提出改进的方向。
Rear bridge support (typeⅡ)
计算条件
(模拟软件: ADSTEFAN)
Physical properties of Aluminum alloy A356
半固态成型介绍
半固态成形1.引言材料的微观结构是材料科学和工程的核心内容,是材料加工和材料行为之间的关键纽带。
因此对材料在成形过程中微观结构的有效控制成为材料工作者孜孜追求的目标。
对于大多数材料来说,尤其是金属材料,凝固是最重要的成形途径。
在过去数十年中,凝固过程中微观结构形成这一领域的基础科学理论和实践均取得了重大进展.材料微观组织特征形貌的形成依赖于生长前沿液固相界面的形状和条件,以及在固态冷却时的相变过程。
在熔体中固相生长前沿是一个自由边界层问题,因此液固界面形状在凝固过程中的演化十分复杂.科研工作者们对于在凝固过程中外在因素,诸如微重力场、电磁场、超声场等对于微观组织的影响进行了广泛深入的研究。
其中由外场引起的强制对流对凝固组织的影响成为材料科学的基础研究领域之一,而强制对流在金属熔体凝固过程中对微观组织及其流变性能的影响同时促进了一门新兴加工技术的发展一一半固态金属加工工艺( SSM﹣Semi﹣solidmetal processing)。
由于半固态金属成形具有许多独特的优点,如近(净)终成形、产品高质量和高性能、工艺节能等,被誉为21世纪最具前途的金属材料加工技术之一。
20世70年代初，美国麻省理工大学的Flemings教授等提出了一种金属成形的新办法。
即半固态铸造技术。
由于半固态金属成形具有许多独特的优点，因此，近年来。
在理论和技术研究以及应用上引起各国的高度重视。
自1990年至今，国际上召开了多次半固态铸造专题的学术会议。
在美国、日本和意大利等国，采用半固态铸造技术生产铝合金、镁合金成形件的企业发展迅速。
半固态铸造金属部件产品在汽车、通信、电器、航空航天和医疗器械等领域得到应用。
国外有的学者将其称为追求省能、省资源、产品高质量化、高性能化的21世纪最有前途的技术材料加工技术之一。
由于半固态铸造工艺采用了非枝晶半固态浆液料，打破了传统的枝晶凝固模式，所以半固态金属与过热的液态金属相比，含有一定体积比率的球状初生固相，与固态金属相比，又含有一定比率的液相。
谢水生教授的半固态成形技术概述讲解
模具的热冲击小 • SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，
缺陷少，晶粒细小 • 力学性能高，可接近或达到锻件的性能 • SSM铸件凝固收缩小，尺寸精度高，能近净成形 • 节约能源。 • SSM凝固时间缩短，也有利于提高生产率
几种加工方法性能和特点的比较
零件毛坯的加工成本
重力铸造 压力铸造
半固态
很快意识到---这一特征具有潜在的利用价值
半固态加工技术、压力铸造和 液态模锻的比较
目的---共同的 获得高质量、高強度、高精度金属零件毛坯
方法---有差异 压力铸造--- 凝固过程中施加压力 液态模锻--- 提高模锻温度，充形性好 半固态加工----金属在凝固过程中， 进行剧烈搅拌或控制凝固过程。 將凝固过程中形成的枝晶打碎 或完全抑制枝晶的生长 然后直接進行流变铸造或制备半固态坯锭
制备半固态金属浆料的方法
• 械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 近液相线铸造法 • 应变诱发熔化激活法 • 溅射沉积法 • 紊流效应法 •等
目前工业中应用最多的是电磁搅拌法
几种制备半固态金属浆料方法
械搅拌法
不同的电磁搅拌方式示意图
（a）垂直式
(b)水平式
SCR法—单辊剪切制备法
几种流变成形的方法 (Rheoforming)
不同加工方法下的材料力学性能
合金及状态
6061 铝合金（T6 态） 流变铸造锭 触变成形（模温 450C） 触变成形（模温 500C） 压力铸造
2024 铝合金 触变成形 压力铸造 锻造
屈服应力（MPa） 抗拉强度（MPa）
207
165
214
152
252
172
252
200
464
347
缺陷少，晶粒细小 • 力学性能高，可接近或达到锻件的性能 • SSM铸件凝固收缩小，尺寸精度高，能近净成形 • 节约能源。 • SSM凝固时间缩短，也有利于提高生产率
几种加工方法性能和特点的比较
零件毛坯的加工成本
重力铸造 压力铸造
半固态
很快意识到---这一特征具有潜在的利用价值
半固态加工技术、压力铸造和 液态模锻的比较
目的---共同的 获得高质量、高強度、高精度金属零件毛坯
方法---有差异 压力铸造--- 凝固过程中施加压力 液态模锻--- 提高模锻温度，充形性好 半固态加工----金属在凝固过程中， 进行剧烈搅拌或控制凝固过程。 將凝固过程中形成的枝晶打碎 或完全抑制枝晶的生长 然后直接進行流变铸造或制备半固态坯锭
制备半固态金属浆料的方法
• 械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 近液相线铸造法 • 应变诱发熔化激活法 • 溅射沉积法 • 紊流效应法 •等
目前工业中应用最多的是电磁搅拌法
几种制备半固态金属浆料方法
械搅拌法
不同的电磁搅拌方式示意图
（a）垂直式
(b)水平式
SCR法—单辊剪切制备法
几种流变成形的方法 (Rheoforming)
不同加工方法下的材料力学性能
合金及状态
6061 铝合金（T6 态） 流变铸造锭 触变成形（模温 450C） 触变成形（模温 500C） 压力铸造
2024 铝合金 触变成形 压力铸造 锻造
屈服应力（MPa） 抗拉强度（MPa）
207
165
214
152
252
172
252
200
464
347
021100849翁丽玉半固态成形
半固态成形优点
• 与传统的金属液态成形和塑性成形相比，半固态成形 具有许多优势： • (1)半固态材料流动性能与变形性能好，提高了生产率， 可 实现短流程生产； • (2)能够实现材料的近净成形生产，节约了原材料； • (3)半固态成形产品具有良好的内部组织和整体性能， 内部 气孔、偏析等缺陷少．组织细小，塑性和力学性 能都有提高； • (4)半固态成形温度比全液态成形温度低，对模具的热 冲击小，提高了成形模具的使用寿命； • (5)半固态浆料有较高的黏度，有利于提高材料的均匀 性，可以生产其他工艺所不能生产的复合材料和新型 合金。
半固态锻造
• 是将加热到50% 左右体积液相的半固态的坯 料在锻模中进行以压缩变形为主的模锻来获得 所需的形状和性能的制品的加工方法
半固态挤压
• 半固态挤压是用加热炉将坯料加热到半固态, 然后放入挤压模腔, 用凸模施加压力,通过凹模 口挤出所需制品。
半固态轧制
• 半固态轧制是在轧机的入口处设置加热炉, 将 具有球状晶的金属合金材料加热到半固态后, 送入轧辊间轧制的方法。半固态轧制的对象主 要是板材的轧制成形。
参考文献
• [1] 谭建波，李迅．李立新，等．半固态金属成形技术 的发展及应用现状[J]．河北科技大学学报。 2003．24(4)：24—28 • [ 2] 陈体军, 郝 远 .金属的半固态成形技术与应用[ J] . 铸造, 2001, 50( 11) : 645- 6491 • [ 3] 吴炳尧.半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前 景[ J].铸造, 1999, ( 3) : 45- 481 • [ 4] 闫淑芳, 扬卵生. 半固态金属浆科制备工艺的研究 进展[ J] . 铸造技术, 2005, 26( 2) : 155- 158.
轻金属半固态成形技术-第4章
❖ 所以，在研究开发触变射铸技术的同时，美国康乃尔大 学提出了流变射铸技术，并于1993年制造了100kN的 立式流变射铸原型机。随后，在1994年6月，康乃尔研 究基金公司将该流变射铸技术申报了美国专利，并在 1996年3月获得专利授权。
立式流变射铸的工艺如图5-12。
❖ 流变射铸使用过热的液态合金；
❖ 而过热液态905铜合金的 压铸件中则出现许多气孔， 如图所示，浅色区域为气 孔。
4.2 压射室制备浆料式流变成形
为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本Hitachi金属 有限公司Shibata等人提出在立式压铸机的压射室中制备半 固态合金浆料，然后直接压射成形，如图5-5所示。
对浇入压射室中的AlSi7Mg铝合金进行电磁搅拌，铝合金熔体在搅 拌中不断冷却；到铝合金熔体冷却到适当的温度，就制备出了具有 触变性的半固态浆料。
❖ 然而，早期通过强烈机械搅拌获得的半固态金属浆 料的保存和输送很不方便，因而，半固态金属流变 成形技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。
❖ 但是，半固态金属流变成形的最大优势是工艺流程 短、生产成本低。因此，近年来，半固态金属流变 成形技术的研究越来越受到重视，一些新的流变成 形方法正在取得突破性的进展。
❖ 液态合金从浇注漏斗中流入搅拌 桶和螺旋杆的缝隙中，以氩气保 护浇注漏斗，防止合金的氧化；
❖ 合金熔体在向下流动过程中，不 断被搅拌剪切和冷却，当合金熔 体到达出口时，半固态合金浆料 达到预定的固相分数，初，螺旋杆先后退一定 的距离，使螺旋杆前端积聚足 量的半固态合金浆料，然后螺 旋杆以一定的轴向速度将其前 端的半固态合金浆料压入模具 型腔；
第四章 半固态流变成形技术
1 传统机械搅拌式
2 压射室制备浆料式
立式流变射铸的工艺如图5-12。
❖ 流变射铸使用过热的液态合金；
❖ 而过热液态905铜合金的 压铸件中则出现许多气孔， 如图所示，浅色区域为气 孔。
4.2 压射室制备浆料式流变成形
为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本Hitachi金属 有限公司Shibata等人提出在立式压铸机的压射室中制备半 固态合金浆料，然后直接压射成形，如图5-5所示。
对浇入压射室中的AlSi7Mg铝合金进行电磁搅拌，铝合金熔体在搅 拌中不断冷却；到铝合金熔体冷却到适当的温度，就制备出了具有 触变性的半固态浆料。
❖ 然而，早期通过强烈机械搅拌获得的半固态金属浆 料的保存和输送很不方便，因而，半固态金属流变 成形技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。
❖ 但是，半固态金属流变成形的最大优势是工艺流程 短、生产成本低。因此，近年来，半固态金属流变 成形技术的研究越来越受到重视，一些新的流变成 形方法正在取得突破性的进展。
❖ 液态合金从浇注漏斗中流入搅拌 桶和螺旋杆的缝隙中，以氩气保 护浇注漏斗，防止合金的氧化；
❖ 合金熔体在向下流动过程中，不 断被搅拌剪切和冷却，当合金熔 体到达出口时，半固态合金浆料 达到预定的固相分数，初，螺旋杆先后退一定 的距离，使螺旋杆前端积聚足 量的半固态合金浆料，然后螺 旋杆以一定的轴向速度将其前 端的半固态合金浆料压入模具 型腔；
第四章 半固态流变成形技术
1 传统机械搅拌式
2 压射室制备浆料式
材料加工新技术与新工艺-4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
● 流变注射成形
美国Concell大 学Wang K.K.等将 半固态金属流变铸
造同塑料注射成形
结合起来，形成了
一种称为流变注射
成形的半固态金属
成形新工艺，流变
注射成形机结构如
图1-3 Wang K.K.的流变注射成形机结构
图1-3所示。
1.金属液输入管 2.保温炉 3.螺杆 4.筒体 5.冷却管 6.加热 线圈 8.半固态金属累积区 9.绝热层 10.注射嘴 11.加热线
● 定义 半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal Forming ,
简称SSM）是指将金属凝固过程中形成的树枝晶组织变为 球形晶粒，或者完全抑制枝晶生长，然后直接进行流变成形， 或者在制备得到半固态坯料后局部重熔和触变成形。
● 方法 ①流变成形(rheoforming)
在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破 碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮 着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50 ％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加 工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)；
圈 12.单向阀
流变注射成形的工作原理是：液态金属依靠重力从熔 化及保温炉中进入搅拌筒体，然后在螺旋的搅拌作用下冷 却至半固态，半固态金属液中注射装置注射成形，所有过 程在保护气氛下进行。
在流变注射成形过程中，温度控制精度很高，可高达 ±（0.5~1）℃，半固态金属固相分数fs为0.3~0.5。
该注射设备选用的材料性能要求较高，如高温耐磨、 耐蚀性能等，因此设备生产困难，此外，单螺旋杆搅拌产 生的剪切效率不高。
③ 应用范围广：
凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适 用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可 进行材料的复合及成形。
● 流变注射成形
美国Concell大 学Wang K.K.等将 半固态金属流变铸
造同塑料注射成形
结合起来，形成了
一种称为流变注射
成形的半固态金属
成形新工艺，流变
注射成形机结构如
图1-3 Wang K.K.的流变注射成形机结构
图1-3所示。
1.金属液输入管 2.保温炉 3.螺杆 4.筒体 5.冷却管 6.加热 线圈 8.半固态金属累积区 9.绝热层 10.注射嘴 11.加热线
● 定义 半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal Forming ,
简称SSM）是指将金属凝固过程中形成的树枝晶组织变为 球形晶粒，或者完全抑制枝晶生长，然后直接进行流变成形， 或者在制备得到半固态坯料后局部重熔和触变成形。
● 方法 ①流变成形(rheoforming)
在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破 碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮 着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50 ％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加 工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)；
圈 12.单向阀
流变注射成形的工作原理是：液态金属依靠重力从熔 化及保温炉中进入搅拌筒体，然后在螺旋的搅拌作用下冷 却至半固态，半固态金属液中注射装置注射成形，所有过 程在保护气氛下进行。
在流变注射成形过程中，温度控制精度很高，可高达 ±（0.5~1）℃，半固态金属固相分数fs为0.3~0.5。
该注射设备选用的材料性能要求较高，如高温耐磨、 耐蚀性能等，因此设备生产困难，此外，单螺旋杆搅拌产 生的剪切效率不高。
③ 应用范围广：
凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适 用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可 进行材料的复合及成形。
材料加工原理之半固态铸造成形PPT(32张)
半固态铸造成形
铸造
• 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失 模铸造、石膏型铸造等
• 重力铸造、低压铸造、挤压铸造
利用凝固结晶过程来控制组织的变化
金属液温度在液相线以上进行成形
铸造、 液态模锻
半固态成形
锻造、 挤压
• 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力 学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变 学性质．成功用搅拌方法制备出了半固态金属并 进行了铸造成形，称之为流变铸造 (Rheocasting)。
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
• 凝固时间短，有利于提高生产效率。
• 主要缺点： 半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用
范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率 随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的 固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程 的控制。
液一固相线区间范围小的合金不适合。 如纯金属、共晶合金
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
铸造
• 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失 模铸造、石膏型铸造等
• 重力铸造、低压铸造、挤压铸造
利用凝固结晶过程来控制组织的变化
金属液温度在液相线以上进行成形
铸造、 液态模锻
半固态成形
锻造、 挤压
• 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力 学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变 学性质．成功用搅拌方法制备出了半固态金属并 进行了铸造成形，称之为流变铸造 (Rheocasting)。
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
• 凝固时间短，有利于提高生产效率。
• 主要缺点： 半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用
范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率 随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的 固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程 的控制。
液一固相线区间范围小的合金不适合。 如纯金属、共晶合金
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
yh第四章半固态成型.
二、半固态下合金的流动性能
非枝晶的形成与演化
图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织
液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的 初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小 的球形晶，图 7 未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用 流变铸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。
Thixomolding工艺简图
Thixomolding成形件的特点： ① 表面质量和内部质量改善； ② 成形件尺寸精度提高； ③ 力学性能提高； ④ 耐蚀性提高； ⑤ 可精密成形薄壁件
三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较 材料 AZ91D AM60B ZM50A 成形方法 Thixomolding 模 模 模 铸 铸 铸 屈服强度/MPa 180 160 抗拉强度/MPa 299 230 伸长率/% 10 3
• 1960年美国加州理工学院的 P Duwez等采用一种
独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于
10 7 K/s 的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界
的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的
广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程
的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经
典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，
法和应变激活工艺。
连续式机械搅拌
间歇式机械搅拌
(1) 电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向
的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产
生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半 固态浆料或坯料的制备。
优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以 连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量可以很大。
材料加工原理之半固态铸造成形(ppt 32页)
a 铜合金 b 不锈钢 c 低合金钢
铝合金 铝基复合材料
SIMA加工过程组织变化
a 原始组织 b 挤压预变形后 C 挤压预变形后再加热 至半固态
ZL101A合金不同成型方式显微组织对比
半固态铸造
重力铸造
液态成形
半固态成形
ZL101A合金力学性能对比
合金
ZL101 A
状态 抗拉强度（MPa）
下直接送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属 的流变成形(Rheoforming) 触变成形是将半固态金属浆料进一步凝固成坯料后，再按 需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料重 新加热到半固态温度，然后将半固态坯料送往成形设备进 行成形加工 (Thixoforming)
高温合金半固态组织
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
加热过程组织变化：
首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散 在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材 料。
着剪切速率的增加而降低的特性。
非常小的流动阻力和良好的成形性能。
技术核心： 固－液混合浆料获得非枝晶组织，固
相必须球化和细化，
近球形晶或等轴晶
枝晶
球形晶或 等轴晶
工艺如何实现？
半固态金属坯料制备方式
1、机械搅拌法： 是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。
一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静 止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅 拌棒进行搅动。 存在问题：
半固态成形定义？
利用金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过 程中的半固态区的金属具有良好的流变特性而进行的金 属成形。
铝合金 铝基复合材料
SIMA加工过程组织变化
a 原始组织 b 挤压预变形后 C 挤压预变形后再加热 至半固态
ZL101A合金不同成型方式显微组织对比
半固态铸造
重力铸造
液态成形
半固态成形
ZL101A合金力学性能对比
合金
ZL101 A
状态 抗拉强度（MPa）
下直接送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属 的流变成形(Rheoforming) 触变成形是将半固态金属浆料进一步凝固成坯料后，再按 需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料重 新加热到半固态温度，然后将半固态坯料送往成形设备进 行成形加工 (Thixoforming)
高温合金半固态组织
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
加热过程组织变化：
首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散 在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材 料。
着剪切速率的增加而降低的特性。
非常小的流动阻力和良好的成形性能。
技术核心： 固－液混合浆料获得非枝晶组织，固
相必须球化和细化，
近球形晶或等轴晶
枝晶
球形晶或 等轴晶
工艺如何实现？
半固态金属坯料制备方式
1、机械搅拌法： 是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。
一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静 止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅 拌棒进行搅动。 存在问题：
半固态成形定义？
利用金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过 程中的半固态区的金属具有良好的流变特性而进行的金 属成形。
材料工程基础课件-第四章 半固态成形(2节)
原理：利用双螺旋的旋转，使液态金属产生剧烈的紊 流，增加切变率来达到细化晶粒，均匀成分的目的。
优缺点
优点： 设备的剪切速率高，半固态颗粒细小均匀， 可生产薄壁、断面复杂的零件。
缺点： 双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿 命短等问题，不适用大型零件生产。
2、触变成形
• 指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料 铸成一定形状的铸锭，可以搬运、切块、 储藏，（或等轴细晶的预铸锭），使用时 重新加热到半固态温度范围，装入成型机 进行成形（铸造、挤压、轧制、模锻）的 成形方法。
流变成形与触变成形
流变成形 (流变铸造) 触变成形 (触变铸造)
图6 半固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图
1、流变成形
流变成形在金属凝固过程中，对其施以 剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生 固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬 浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固 相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利 用这种流变浆料直接进行成形加工的方法 称之为半固态金属的流变成形。
第二节 半固态成形
一 、 概述 二 、半固态下合金流动性能 三 、半固态成形方法
一、概述
传统的金属成形主要分为两类： • 一类是金属的液态成形，如铸造、液态模
锻、液态轧制、连铸等； • 另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、
挤压、锻造、冲压等。 在 20 世 纪 70 年 代 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新 方法，即半固态加工技术。
• 机械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 应变激活法
机械搅拌法
机械搅拌法是利 用机械旋转的叶片 或搅拌棒改变凝固 中金属初晶的生长 与演化，以获得球 状或类球状的初生 固相的半固态金属 流变浆料。
优缺点
优点： 设备的剪切速率高，半固态颗粒细小均匀， 可生产薄壁、断面复杂的零件。
缺点： 双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿 命短等问题，不适用大型零件生产。
2、触变成形
• 指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料 铸成一定形状的铸锭，可以搬运、切块、 储藏，（或等轴细晶的预铸锭），使用时 重新加热到半固态温度范围，装入成型机 进行成形（铸造、挤压、轧制、模锻）的 成形方法。
流变成形与触变成形
流变成形 (流变铸造) 触变成形 (触变铸造)
图6 半固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图
1、流变成形
流变成形在金属凝固过程中，对其施以 剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生 固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬 浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固 相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利 用这种流变浆料直接进行成形加工的方法 称之为半固态金属的流变成形。
第二节 半固态成形
一 、 概述 二 、半固态下合金流动性能 三 、半固态成形方法
一、概述
传统的金属成形主要分为两类： • 一类是金属的液态成形，如铸造、液态模
锻、液态轧制、连铸等； • 另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、
挤压、锻造、冲压等。 在 20 世 纪 70 年 代 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新 方法，即半固态加工技术。
• 机械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 应变激活法
机械搅拌法
机械搅拌法是利 用机械旋转的叶片 或搅拌棒改变凝固 中金属初晶的生长 与演化，以获得球 状或类球状的初生 固相的半固态金属 流变浆料。
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二、半固态下合金的流动性能
非枝晶的形成与演化
图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织
液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的 初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小 的球形晶，图 7 未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用 流变铸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。
实验室的小规模试验研究工作。
影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。
机械搅拌示意图
(3) 应变激活工艺
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。
图8 球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图
球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足
够高的剪切速率，同时这是一个不可逆的结构演
化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固
区，无论怎样升降合金的温枝晶。
半固态合金的制备方法
• 半固态合金的制备常用机械搅拌法、电磁搅拌
法和应变激活工艺。
连续式机械搅拌
间歇式机械搅拌
(1) 电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向
的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产
生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半 固态浆料或坯料的制备。
优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以 连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量可以很大。
第四章
金属的液态成形与半固态成形 4.1 液态成形 4.2 半固态成形 4.3 快速凝固成形
一、概述
1、定义： • 半固态形成利用金属材料在固液共存状态下所特有的流
变特性进行成形的技术。首先要制造含有一定体积比例
的非枝晶固相的固液混合浆料
• 半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下，
对合金进行搅拌，在搅拌力的作用下，合金析出的树枝状 晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破
图3 半固态金属和 强化粒子(纤维)的搅拌混合
④ 当固相分数在极限值 ( 约 75%) 以下时，浆料可以进行搅拌，并
可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图3所示；
⑤ 由于固相粒子间几何无结合力，在特定部位虽然容易分离；但 由于液相成分的存在，又很容易地将分离的部位连接形成一体 化，特别是液相成分很活跃，不 仅半固态金属间的结合，而且于 一般固态金属材料也容易形成很
② 流动应力比固态金属低：半固态浆料具有流变性和触变性，变形
抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形， 缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连 续形状的高速成形(如挤压)，加工成本低；
③ 应用范围广：凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工、可
适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行 材料的复合及成形。
球形结构的演化过程： ① 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长 方式进行的； ② 随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由 于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒 剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒，其自 身结构也逐渐向蔷薇形演化； ③ 随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单 的球形结构，演化过程如图8所示。
粒边界存在金属液体，根据固相分数不同，其状态不同，
图2为半固态金属内部结构示意图。可见，高固相分数 时，液相成分仅限
于部分晶界；低固
相分数时，固相颗
粒游离在液相成分
之中。
图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数
半固态金属的金属学和力学主 要有以下几个特点：
① 由于固液共存，在两者界面不断发 生熔化、凝固，产生活跃的扩散现 象，因此，溶质元素的浓度不断变 化； ② 由于晶粒间或固相粒子间夹有液相 成分，固相粒子间几乎没有结合力， 因此，其宏观流动变形抗力很低； ③ 随着固相分数的降低，呈现黏性流 体特性，在微小外力作用下即可很 容易变形流动；
好的结合，如图4所示；
图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合
⑤ 含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料
也可通过半熔融状态在低加工力下进 行成形加工； ⑥ 当施加外力时，液相成分和固相成分 存在分别流动的情况，如图 5 所示， 一般来说，存在液相成分先行流动的 倾向。
⑦ 液相先行流动的现象在固相分数很高、 图5
• 3、半固态成形的发展
• 20世纪70年代初，美国MIT的博士研究生DB Spencer在
研究Sn-15%wt Pb合金的高温特性时，偶然发现金属的
半固态力学行为和组织特点。这些发现引起了MIT的M C Flemings 教授的特别重视，投入大量人力、物力，进 行了深入、广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。 • 半固态流变铸造（rheocasting） 金属液 搅拌、凝固半固态浆料 输送 成形
碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，分布在整个液态金属中。 该合金即使固态组分达40%-60%，仍然像糊状悬浮液， 具有一定的流动性。而在剪切力较小或为零时，它又具有 固体性质，可以搬运储藏。 • 利用半固体合金独特的性质实现浇注或压注成形的方法， 称为半固态成形。
2、半固态成形的特点 • 半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶
很低或加工速度特别高的情况下很难 发生，主要是在中间固相分数范围或 低加工速度下比较显著。
半固态金属变形时液相 成分和固相成分的流动
与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点：
① 黏度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减少氧化、
改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的部件成形，改善表
面光洁度，容易实现自动化和形成新加工工艺；
缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。
影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度，
金属液温度，浇注速度
电磁搅拌示意图
(2) 机械搅拌法 该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶 的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金
属流变浆料。
优点：搅拌装置结构简单、造价低、操作方便。 缺点：生产的半固态浆料的产量小，只适用于