半固态金属触变成形技术(上)

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　　“半固态金属触变成形技术已经基本成熟，而流变成形技术的发展较为缓慢，没有太多的突破性技术进展。因此，更多的研究人员会转向金属的半固态流变成形理论和应用方面的研究，以降低半固态产品成本，节约能源。同时也会注重已经成熟的触变成形技术在工业中的应用，推动我国汽车工业的发展。”

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　　20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发出了一种崭新的金属成形方法，称为半固态加工技术。在Flemings的一篇论文中报道，金属材料在凝固过程中加强烈的搅拌，可以打碎金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固-液(固相组分一般为50%)混合浆料，此时的半固态金属具有优良的流变性和触变性。因而，易于用常规加工技术如压铸、挤压、模锻等实现成形。采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态成形技术。可见，半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程种所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件，所以半固态加工技术被称为为21世纪最有前途的材料成形加工方法。

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　　1.半固态金属的形成机理

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　　金属熔液开始结晶时，伴随着强烈的搅拌，晶核快速形成并长大。随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式生长，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，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐相蔷薇形演化。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1所示。

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　　关于半固态金属非枝晶球化机制，目前还没有定论。Flemings等人认为，初始球状颗粒的形成与以下枝晶断裂机制有关：

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　　(1)枝晶臂根部断裂机制。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。

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　　需要说明的是，在凝固开始时，对液体进行强烈搅拌，从较大的树枝晶脱离下来的并不是球状的枝晶臂，每一个枝晶臂继续长大。但是，随着凝固过程中切变的继续和时间的增加，由于长大及与其他晶粒发生剪切、磨损作用，枝状晶变成蔷薇状，并在进一步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深，直至足够的过冷和高的剪切速度下，颗粒变成球状。随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低，晶粒由枝晶形状转变成球形的趋势增加。

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　　2.半固态金属的制备方法

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　　制备方法的改进和发展，主要是金属液在凝固过程中提供搅拌力的方式的改进和发展。上世纪70年代以来，国内外研究人员对铝合金、镁合金、铜合金等的半固态加工方法进行了较为充分的研究，相继开发出了多种各有特色的半固态制备方法。

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　　2.1机械搅拌法

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　　此法是最早使用的方法，由美国麻省理工学院Flemings等人在70年代初期开发的。其工作原理为：在搅拌室内的金属液凝固过程中，利用搅拌棒进行强烈的搅拌，充分打碎已经凝固的树枝状晶体，进而形成颗粒状固相均匀分布在液相中的非枝晶半固态浆料。该方法的装置结构复杂、造价较高、产量不大，所以此法只适用于实验室研究中。

　　2.2电磁搅拌法

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　　电磁搅拌法是利用交流电磁感应力使搅拌室内正在凝固的金属产生剧烈的流动，不断导致凝固析出的枝晶充分破碎并球化，从而形成颗粒状固相均匀分布在液相中的非枝晶半固态浆料。该方法不易卷入气体、不污染金属液，金属浆料纯净，可连续生产半固态浆料，产量可以很大，是目前生产铝合金浆料的主要方法之一。

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　　2.3应变激活法

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　　变激活法是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭，再将金属锭挤压变形，而且变形量要足够大，最后按需要将变形的金属锭切成一定大小，再加热到固液区，在加热过程中发生回复和再结晶，使晶粒细化，进而部分晶界熔化，得到固液两相共存的半固态金属浆料。该方法生产的金属铸锭纯净，产量大，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高。同时该法只能用于生产小零件，应用范围有限。

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　　2.4电磁机械复合搅拌法

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　　作者所在课题组新近开发了电磁机械复合搅拌技术，其搅拌装置如图3所示。图中的特制搅拌器是我们设计的电磁搅拌时改变半固态浆料在搅拌室内流动的装置，它可以在搅拌室内沿垂直方向进行上下移动，这样可以使整个搅拌室的半固态浆料进行大范围流动，特制机械搅拌器的上下移动是由电机控制的。电磁搅拌是由三对相对放置的N极和S极对半固态浆料产生的周向电磁力来实现的。石墨坩埚上的冷却孔和加热孔是用于放置冷却管和加热管的，这些器件作用是为了精确控制半固态浆料的温度，以便得到固相率稳定的半固态浆料。在整个搅拌过程中实施氩气保护，以免半固态浆料发生氧化，影响半固态浆料的质量。

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　　这种改造后的电磁搅拌技术明显优于传统的电磁搅拌技术，它一方面能够有效的避免合金成分在搅拌时偏析，另一方面还能够确保初生固相颗粒均匀分布。该方法在制备半固态复合材料浆料方面具有明显的优势和应用前景。

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