半固态成型技术

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，于是获得了球状的非枝晶组织。

2.1.4 枝晶弯曲机制V ogel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；5)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。

4.1.2 电磁搅拌法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，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。

4.2非搅拌法非搅拌制备技术主要包括:应变诱导熔体活化法、喷射沉积法、粉末冶金法、冷却斜槽法、低过热度浇注法等。

这些工艺各具特色，其中某些技术已成功应用于工业化生产中。

4.2.1 应变诱发熔化激活技术(SIMA)应变诱发熔化激活技术(SIMA)是先将合金原材料进行冷变形，然后加热到固液两相区间，在加热过程中，原料先发生再结晶，然后部分融化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态材料。

该方法已成功应用于制备不锈钢、铜合金等较高熔点合金中，但由于增加了预变形工序使生产成本提高，与电磁搅拌法相比，它仅仅用于生产小直径坯料。

4.2.2 喷射沉积法喷射沉积法的原理是先将固态金属融化成液态金属，然后雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上。

当每个熔滴所受的剪切力能打碎熔滴内部形成的枝晶时，熔滴凝固后便成为颗粒状。

当加热使其局部融化时，就会得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。

目前，采用该法对铝合金、黑色金属及金属基复合材料进行了试验并取得成功。

该方法与其他方法相比成本较高，只适用于制备有特殊要求的大尺寸坯料。

4.2.3 低过热度浇注法低过热度浇注法的原理是降低浇注温度，使合金组织逐渐得到细化，当浇注温度接近合金的液相线温度时，可以获得半固态组织。

该法工艺简单，如果得到应用，将会进一步降低半固态成形件的价格，扩大半固态金属的应用范围。

综上所述，制坯方法较多且各具特点，但从生产效率、简便、可靠以及经济原则考虑，在目前乃至今后较长一段时间内，半固态浆料制备方法主要采用电磁搅拌连铸工艺。

5半固态成形工艺半固态合金成形方法很多，但是，其中的流变成形、触变成形和注射成形是三种主要成形方式。

5.1流变加工在凝固期间，对合金施加搅拌，使浆料中形非枝晶固相，然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称为流变加工。

由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而目前实际成熟应用的流变成形技术只有一种，即射铸技术。

5.2触变加工触变成形工艺是将已制备好的半固态金属浆料快速冷却，凝固成锭坯后，根据产品所需尺寸下料，经二次加热重新加热到固液两相区温度区域进行非枝晶处理，利用它的触变性能进行成形的技术。

该方法是当今半固态成形的主要工艺方法，按成形的方式可以分为：半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等类型。

5.2.1 半固态锻造半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。

半固态锻造可以成形变形抗力较大的高固相率的半固态材料，并达到一般锻造难以达到的复杂形状。

而且，可以用于制造用普通锻造难以成形的许多超合金，有可能用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。

5.2.2 半固态挤压半固态挤压的加工工步和热挤压加工的情况基本相同，即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。

半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态，流动变形的自由度低，内部的固相成分、液相成分不易单独流动，除挤压开始时若干液相成分有先行流出的倾向外，在进入正常挤压状态后，两者一起从模口挤出，在长度方向上得到稳定均一的制品。

半固态挤压和其它半固态成形方法相比，研究得最多的是各种铝合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。

制品的内部组织及机械性能容易制造均一，也容易操作，今后应用的前景十分广阔，是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维强化金属基复合材料成形加工的不可缺少的技术。

5.2.3 半固态轧制具有球状晶的金属合金材料加热到处于半固态时，仅有保持其固体形状不被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利，现在开发的一种半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所要求的半固态后，送入轧辊间轧制的方法。

对象主要是板材的轧制成形。

5.2.4 半固态压铸半固态压铸主要有两种工艺，分别被称为流变铸造和触变铸造。

流变铸造是在金属凝固过程中施以搅拌，对具有球状晶的半凝固金属进行压铸加工。

触变铸造是指将经搅拌凝固的具有球状晶的材料凝固后，切割成所需长度，在压铸前再加热到半熔化状态，然后进行加工的方法。

普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射出时空气卷进制品中形成气泡，在半固态压铸时，通过控制半固态金属的粘度和固相率，进行调整，可以抑制气泡的产生，因此可以加工容易产生气泡，普通压铸工艺难以成形的制品，并可以经热处理提高性能，从而有可能应用到重要零件上，并可以制造锻造难以形成的复杂形状的制品。

5.3注射成形注射成形是直接把熔化的金属液冷却至适宜的温度，并辅以一定的工艺条件压射入型腔成形，该方法类似于塑料的注射成形法。

6工业生产中的应用6.1在铝合金制备中的应用目前半固态最成功和最广泛的应用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。

为此，成为人们首先深入研究的对象，特别值得一提的是半固态成形技术已开始应用于制备铝合金制品。

半固态成形技术的主要市场是汽车工业，成形工艺以铝合金的触变成形为主。

目前，用半固态成形技术生产的汽车零件包括刹车制动筒、转向系统零件、摇臂、发动机活塞、轮毂、传动系统零件、燃油系统以及汽车空调零件等，已经应用于一些名牌轿车上，取得良好的经济效益。

随着对汽车精密化、轻量化、高速、节能等整体功能要求的提高，半固态铝镁合金件的需求量将进一步增多。