半固态镁合金材料组织及本构关系研究.pdf

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1、分类号：_ 密 级：_：_ 单位代码：_ 北京科技大学 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目：半固态镁合金材料组织及本构关系研究 学 号：_ 作 者：_ 专 业 名 称：_ 2004 年 03 月 08 日 李亚琳 材料加工工程 S20010290 TG111 公开 北京科技大学硕士学位论文北京科技大学硕士学位论文*论文题目：论文题目：作者：作者：_ 指指 导导 教教 师：师：单位：单位：协助指导教师：协助指导教师：单位：单位：单位：单位：论文提交日期：论文提交日期：2004 年 03 月 08 日 学位授予单位：北学位授予单位：北 京京 科科 技技 大大 学学 韩静涛 教授北京科技大学 谢水生

2、 教授北京有色金属研究总院半固态镁合金材料组织及本构关系研究 李亚琳 刘 靖 副教授北京科技大学*本论文为国家自然科学基金资助项目（编号本论文为国家自然科学基金资助项目（编号 50175006）半固态镁合金材料组织及本构关系研究 The Study on Microstructure and Model of Semi-solid Magnesium Alloy 研究生姓名：李亚琳 指导教师姓名：韩静涛 北京科技大学材料科学与工程学院 北京100083，中国 Candidate：Li Yalin Supervisor：Han Jingtao School of Materials Scienc

3、e and Engineering University of Science and Technology Beijing 30 Xueyuan Road，Haidian District Beijing 100083，P.R.CHINA 北京科技大学硕士学位论文(1)独 创 性 说 明独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了

4、明确的说明并表示了谢意。签名：李亚琳 日期：04 年 03 月 08 日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名：李亚琳 导师签名：_ 日期：_ 北京科技大学硕士学位论文(2)摘 要摘 要 半固态金属加工在西方发达国家作为一种新的金属加工技术已经得到了商业化应用，但在我国还处在实验室研究和小型生产实验阶段。本文通过对具有代表性的常用

5、合金AZ91D 半固态合金不同制备方法所得的坯料进行金相显微分析实验、透射电镜分析实验和单向压缩试验，系统研究了半固态镁合金的触变性能，建立了描述触变性能的本构关系式。采用应变诱发熔化激活法和液相线铸造法制备的具有非枝晶组织的半固态镁合金坯料，在光学显微镜下观察表明：应变诱发熔化激活法热压缩制备的镁合金坯料晶粒尺寸最为粗大，液相线铸造法制备的半固态镁合金具有最细小的晶粒，应变诱发熔化激活法冷压缩的半固态镁合金坯料位于两者之间，从晶粒尺寸和显微组织状态的两方面因素综合考虑，与所参考文献中关于冷压缩坯料具有最优良的组织性能，如比强度和比刚度较高，减震性能好，能承受较大的冲击震动负荷等的叙述相符合，

6、后续单向压缩实验结果表明：液相线铸造坯料的组织性能较差，热压缩坯料的组织性能介于二者之间。采用萃取复型的方法，对坯料的析出相进行了观察，结果表明：冷压缩坯料的析出相颗粒细小均匀，形状规矩，分布弥散，对基体有最好的析出强化效果，而液相线铸造坯料由于其铸态组织缺陷的综合影响，使其的析出强化效果最差。通过对半固态 AZ91D 合金的单向压缩实验，研究了不同工艺参数对半固态镁合金的压缩流变应力的影响。流变应力不仅是变形量和变形温度的函数，而且是应变速率的函数，由此采用回归分析法建立了能综合反映热力参数对流变应力影响的半固态AZ91D 合金的粘塑性本构方程，为半固态触变成形的数值模拟奠定了理论基础。影响

7、金属流变应力的因素众多，本文考虑了应变、应变速率和变形温度三个主要因素，其范围分别为变形温度 490570，应变速率 0.220s-1，变形范围 060%。根据实验结果，回归出了非枝晶组织半固态镁合金 AZ91D 的变形本构方程：应变冷压缩：TTTTe0002.016.2402.0108.51051.0105.25585.30=应变热压缩：TTTTe0006.089.170155.0101.22906.0100.25519.22=液相线铸造：TTTTe0007.089.90241.0102.11006.0102.15519.10=北京科技大学硕士学位论文(3)式中，为流变应力（MPa）；T为变

8、形温度（K）；&为应变速率（s-1）；为真应变。方差分析结果表明，该模型具有较高的精度。关键词：半固态，镁合金，组织，流变应力，本构关系关键词：半固态，镁合金，组织，流变应力，本构关系 北京科技大学硕士学位论文(4)The Study on Microstructure and Model Of Semi-solid Magnesium Alloy Abstract Semi-solid metal processing was applied commercially in western developed countries as a new metal processing techn

9、ology.But in our country,this technology was still in the stage of laboratory research or small-scale production test.In this dissertation,the thixoforming properties and flow rule of semi-solid AZ91D alloy,which was commonly used cast alloy,has been systematically studied through single compression

10、 test and thixoforming test.The microstructures of semi-solid slurries was investigated by using optical microscopy and TEM,The constitutive equation of thixoforming property has been established.And a finite element calculation has been applied to simulate the thixoforming process.The SIMA process

11、and Liquid Casting could also produce the semi-solid materials of AZ91D magnesium alloy,which had non-branch microstructure.The experimental results showed that the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the SIMA warm compression condition had the biggest grain size,the Liquid Casting semi-solid AZ9

12、1D magnesium alloy slurry had the smallest grain size and the grain size of semi-sold AZ91D magnesium alloy under the SIMA cold compression condition between them.On the basis of the general effect of the grain size and microstructure,the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the SIMA cold compress

13、ion condition had the excellent performance such as the higher intensity and rigidity,the better damping,it could endure great concussion and so on,which according to the referenced literature.The following single compression test showed that the Liquid Casting semi-solid AZ91D magnesium alloy had t

14、he baddish performance and the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the SIMA warm compression condition had a structure quality between them.The carbon films used to the TEM were prepared by duplicated extraction.The experimental results showed that the precipitate separated out of the semi-solid

15、AZ91D magnesium alloy under the SIMA cold compression condition had the smaller symmetrical grain size,regular figure,dispersed distribution,and so that the precipitate had the most remarkable strengthen effect for the structure.But the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the Liquid Casting condi

16、tion had the worst consolidated effect for the structure because of its casting structure limitation.北京科技大学硕士学位论文(5)In this paper,the influence of different processing parameters on the compressive flow stress of semi-solid AZ91D alloy had been investigated through the single compression test(therma

17、l simulation test).It was found that the flow stress was not only the function of strain and temperature,but also the function of strain rate.A viscidity-plastic deformation constitutive equation had been established by regression method,which would become the base of a finite element simulation.The

18、re were many factors affecting the flow stress.The major factors including deformation temperature,strain and strain rate were investigated in this paper.The ranges of these parameters were selected as follows:deformation temperature being 490570,strain being 060%and strain rate being 0.220s-1.Then

19、the deformation constitutive equations of semi-solid AZ91D alloy were derived from the experimental data.For the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the cold working condition in SIMA process:TTTTe0002.016.2402.0108.51051.0105.25585.30=For the semi-solid AZ91D magnesium alloy under the warm worki

20、ng condition in SIMA process:TTTTe0006.089.170155.0101.22906.0100.25519.22=For the semi-solid AZ91D magnesium alloy in Liquid Casting:TTTTe0007.089.90241.0102.11006.0102.15519.10=where denotes flow stress（MPa）;T denotes deformation temperature（K）;&denotes strain rate（s-1）;denotes strain(true strain)

21、.The analysis results of variance indicate that the equations have satisfying fitting accuracy.Key Words：Semi-solid，Magnesium alloy，Microstructure，Flow stress，Constitutiveequation 北京科技大学硕士学位论文(1)目 录目 录 摘 要.1 Abstract.4 引 言.1 1 文献综述.3 1.1 半固态金属加工的概念和特点.3 1.1.1 半固态金属加工技术的发展历程.4 1.1.2 半固态金属坯料的制备方法.4 1.

22、1.3 半固态金属加工工艺.7 1.2 半固态金属加工技术的应用现状.9 1.3 半固态镁合金材料触变成形的本构关系理论基础.11 1.3.1 材料的变形过程.11 1.3.2 材料的弹塑性本构模型.13 2 半固态镁合金AZ91D 坯料的金相组织观察.19 2.1 实验材料.19 2.2 半固态镁合金坯料的准备.20 2.2.1 应变诱发熔化激活法的主要实验参数.20 2.2.2 液相线铸造法的主要实验参数.20 2.3 金相试样的制备.21 2.4 实验结果及分析.22 2.4.1 晶粒大小的测量.22 2.4.2 实验结果分析.23 3 半固态镁合金AZ91D 坯料的析出相实验分析.28

23、 3.1 析出实验的准备.28 3.1.1 金相试样的制备.28 3.1.2 萃取复型.29 北京科技大学硕士学位论文(2)3.2 实验结果及分析.30 3.2.1 应变诱发熔化激活法冷压缩坯料的析出物实验.30 3.2.2 应变诱发熔化激活法热压缩坯料的析出物实验.34 3.2.3 液相线铸造法坯料的析出物实验.36 3.3 析出相尺寸的测量.38 4 半固态镁合金AZ91D 变形行为的研究分析.40 4.1 热模拟实验.40 4.1.1 实验设计.40 4.1.2 主要实验参数.40 4.1.3 实验数据的分析处理.42 4.2 半固态镁合金AZ91D 应变诱发冷压缩试样的触变成形.44

24、4.2.1 压缩变形的不均匀性.44 4.2.2 变形温度的影响.44 4.2.3 应变速率的影响.48 4.2.4 应变的影响.50 4.2.5 回归模型的确定.51 4.2.6 回归结果及误差分析.51 4.3 半固态镁合金AZ91D 应变诱发热压缩试样的触变成形.54 4.3.1 压缩变形的不均匀性.54 4.3.2 变形温度的影响.54 4.3.3 应变速率的影响.58 4.3.4 应变的影响.59 4.3.5 回归模型的确定.60 4.3.6 回归结果及误差分析.60 4.4 半固态镁合金AZ91D 液相线铸造法试样的触变成形.62 4.4.1 压缩变形的不均匀性.62 4.4.2

25、变形温度的影响.63 4.4.3 应变速率的影响.66 北京科技大学硕士学位论文(3)4.4.4 应变的影响.68 4.4.5 回归模型的确定.68 4.4.6 回归结果及误差分析.69 4.5 触变成形实验对比情况.71 结 论.73 参 考 文 献.75 在学期间发表的论文.80 致 谢.81 北京科技大学硕士学位论文-1-引 言引 言 本课题为国家自然科学基金项目半固态镁合金流变特性及连续射铸成形的研究的子课题的一部分。本论文主要研究半固态镁合金的变形行为。1）研究背景 金属材料半固态加工问题已经引起人们的广泛关注，进行了大量的研究。现行实验研究中，金属材料半固态加工大都集中于铝合金方面

26、，镁合金密度低，有较高的比强度，弹性模量小，有良好的消震性和抛光性能，此外还有良好的导电、导热和磁屏蔽性，因此在航空工业、汽车工业和电子工业中正在得到日益广泛的应用，预计镁合金将成为二十一世纪最重要的商用轻质材料。但是世界上对半固态镁合金触变性的基础研究普遍不足，国内则很少，由于工艺参数不易确定，限制了镁合金半固态成形进入工业应用和形成规模。半固态镁合金本构关系的研究一直是近来国际力学界、工程界十分感兴趣的研究领域之一，航空、航天、核电、化工等高技术产业的迅速发展是其主要动力。提高性能、延长使用寿命、避免服役时破坏是镁合金半固态高温环境下结构设计的主要目标。但是，许多高温部件受到复杂加载和温度

27、变化的迭加作用，其变形和应力响应十分复杂，经典的本构理论难以精确地描述这些半固态状态下的复杂行为，现有某些本构模型限于对等温条件下的循环变形行为进行描述，然而这些模型都不能较好地反映温度和变形速率的历史依赖性。2）研究内容 半固态镁合金的组织性能直接影响着半固态镁合金的变形行为，为此，采用应变诱发熔化激活法和液相线铸造法制备的半固态镁合金坯料分别进行实验研究，对三种坯料的金相组织及析出相进行观察，分析晶粒和析出相的大小、形貌及分布对坯料组织性能的影响，结合组织性能之间的差异来研究镁合金在不同液固共存温度下、在不同变形速率下的应力应变关系，即通过热模拟实验研究热力参数（应变、应变速率、变形温度）

28、与流动应力的数值关系，并且通过其真应力真应变曲线，建立符合实际情况的描述半固态镁合金材料触变成形过程的本构模型，为成功实现半固态镁合金直接射铸成形新工艺提供理论基础和科学依据。3）技术路线 本研究采用了如图a 所示的技术路线。北京科技大学硕士学位论文-2-图图 a 研究技术路线研究技术路线 对于数据分析处理部分，由本论文前面所述可以知道，确定材料的流变应力模型的方法主要有两种。一种是不涉及变形的微观机制，直接确定流变应力、应变、应变速率和变形温度等宏观变量之间的关系。二是涉及热激活、位错运动等微观机制的统计模型。本文采用第一种方法结合流变应力曲线图和相关的实验基础确定流变应力的回归模型，再用

29、SAS 软件对其进行回归处理，确定模型系数。建立模型的方法如图 b 所示。图图 b 建立回归模型的流程图建立回归模型的流程图 计算机记录热模拟数据 计算真应力真应变值 根据变形温度和流变应力的关系曲线，确定函数关系式 根据应变速率和流变应力的关系曲线，确定函数关系式根据应变和流变应力的关系曲线，确定函数关系式 综合考虑变形温度、应变和应变速率对流变应力的影响，确定回归模型 原料的准备及成分分析 半固态镁合金 AZ91D 坯料的金相组织观察 半固态镁合金坯料的析出物分析 热模拟试样的制备热模拟实验 数据分析处理 北京科技大学硕士学位论文-3-1 文献综述文献综述 1.1 半固态金属加工的概念和特

30、点 20 世纪 70 年代，美国麻省理工学院(MIT)博士生 D.B.Spencer 等研究人员在自制的高温粘度计中测量 Sn-15%Pb 合金热裂的实验中，发现金属在凝固过程中的特殊力学行为，如金属在凝固过程中加以强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固态金属的剪切抗力仍比无搅拌时的剪切抗力低 103量级。而这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状微粒结构。D.B.Spencer 的导师 M.C.Flemings 教授很快意识到金属凝固的这一特征具有许多潜在的利用价值，随即开展了广泛深入的研究，并发展成半固态金属（Semi-Solid Metal，简称 SSM）加工技术1，2。所谓半固态金属加

31、工技术，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固-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良好的流变特性，易于通过普通成形方法制成产品。采用这种既非完全液态、又非完全固态的金属浆料进行加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术3。半固态合金浆料具有流变性和触变性。所谓流变性，就是在搅拌过程中，固体成分不断增加（甚至达到 60%），固态金属浆料的粘性提高但仍能保持流动的特性。用这种半固态金属直接成形为锭坯的方法称为流变成形。所谓触变性，是指流变铸造的锭坯在重新加热到液固相区温度后，其粘度随着剪切速率的增加而

32、降低的特性。将加热到具有触变性的锭坯送入压射室压铸，在压射冲头的压力作用下，锭坯粘度降低并像流体一样充型4，5。与液态金属压铸相比，半固态压铸成形能大大改善模具、压射室、压射冲头的受热条件。因半固态金属中有 50%左右的结晶潜热已散失，这就从根本上减轻了液态金属对压铸模具、压射室和冲头的热侵蚀，延长其使用寿命。半固态金属加工技术的早期研究阶段的目的正是期望用这种技术解决黑色金属压铸中的工模具寿命问题6。此外，半固态金属具有一定粘性，因此压铸时充型平稳，无湍流和喷溅，卷入空气少，减少了疏松、气孔等缺陷，组织均匀致密，铸件能进行热处理，铸件力学性能高，可接近锻件的力学性能。由于成形温度较液态金属压

33、铸低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高，可以做到少或无切削加工。同时由于凝固时间缩短，生产效率也可得到提高7，8。应用半固态加工工艺还可以在一定程度上帮助解决制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件9，10。北京科技大学硕士学位论文-4-1.1.1 半固态金属加工技术的发展历程 金属成形的常规工艺有两种方法：一种采用完全液态金属的成形方法，如重力铸造、低压铸造、压力铸造、液态模锻等；另一种采用完全固态的成形方法，如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、粉末冶金等。自从 20 世纪 70 年代初美国麻省理工学院的M.C.Flemings 教

34、授等人发明了半固态金属加工这种新的金属加工方法以后，以美国为首的西方发达国家开始对这项技术进行了深入的研究，逐渐形成了一种突破传统的新的金属加工方法。在大约 30 年的时间内，半固态加工技术由于具有独特的技术优势和广阔的应用前景倍受人们的关注，其发展经历了大致三个阶段11：从七十年代初期到八十年代中期，主要是实验研究阶段。这一阶段的研究主要集中在探索具有流变性和触变性的有色合金半固态试样的组织特征与制备方法上。主要成果有12，14：揭示流变性和触变性坯料的组织特征；提出了常规枝晶组织向半固态非枝晶组织转变的物理机制模型；研究了非枝晶组织合金的触变与流变机制；揭示了搅拌速度、强度以及温度等工艺参

35、数对非枝晶化过程的影响规律；初步探讨了半固态微观组织与流变性能的关系；测试半固态合金流变性能，建立相关的数学模型。从八十年代中期到九十年代中期，主要为应用研究阶段。这一时期合金品种从早期的有色合金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。此时人们开发与研制包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备；利用计算机模拟技术揭示半固态合金充型过程；并对成形工艺对产品组织性能影响的规律进行细致的研究。这一阶段的研究工作已经遍及世界许多国家，特别是美国、意大利、瑞士、法国、德国、英国、日本、中国都前后投入大量人力、物力进行广泛深入的研究，并取得了丰富的研究成果，为工业化应用奠定了基础15，18。从九十

36、年代中期到现在，为工业化应用阶段。目前半固态加工技术在国外已经获得了广泛应用，一些国家不仅生产合格的半固态坯料和零件，而且能制造半固态金属加工专用机械。1.1.2 半固态金属坯料的制备方法 要实现半固态成形，首先应制备具有流变性和触变性的非枝晶（non-dendritic）组织合金。非枝晶组织合金的制备方法有很多，综述如下。北京科技大学硕士学位论文-5-1.1.2.1 机械搅拌法1921 机械搅拌法是最早使用的方法，由于其设备结构简单，迄今为止还有不少实验室在使用。一般分为连续式和间歇式两种类型。连续铸造的方式包括棒式和螺旋式。棒式装置具有金属液不易氧化、固相分数易控制、能连续生产的特点；其缺

37、点是出料速度较慢。螺旋式装置由于具有向下挤压流体的作用，使出料速度加快。间歇铸造的方式包括底浇式和倾转式。底浇式装置的最大特点是结构简单，但是它的底部密封塞影响铸型的设置。倾转式装置的坩埚可以倾转，能够将部分凝固合金倒入铸型，这有利于浇注过程的实现。但是在坩埚倾转前需将搅拌棒从合金中提出，金属的表观粘度会因为停止搅拌而上升。根据实验研究结果表明，采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观结构，但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会带来不利的影响。1.1.2.2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转

38、电磁场在金属液中产生感应电流，感应电流产生的洛伦兹力驱动金属液运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前有两种方法产生旋转磁场，一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是 1993 年由法国 Vives 提出的旋转永磁体法22，其优点是电磁感应器由高性能永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，从而提高了搅动效果。从搅拌金属液的流动方式来分，电磁搅拌有两种形式，一是水平式，即感应线圈平行于铸型的轴线方向；另一种是垂直式，即感应线圈与铸型的轴线方向垂直23，24。一般地，影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。由于

39、电磁感应的局限性，通常认为，直径大于 152mm 的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。电磁搅拌法在国外已广泛应用于工业化连续生产半固态金属铸锭，并有一些公司能够进行商品化生产，譬如美国 Alumax 公司、瑞士 Alusuisse-Lonza 公司、德国的 EFU公司和法国Pechiney 公司。1.1.2.3 应变诱发熔化激活技术（SIMA）25 应变诱发熔化激活技术（strain-induced melt activation，简称 SIMA），就是先将合金原材料进行足够冷变形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态金属材料。该方法已成功地应

40、用于不锈北京科技大学硕士学位论文-6-钢、铜合金等较高熔点合金，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高，而且仅适用于生产小直径坯料。1.1.2.4 液相线铸造法 潘冶等人研究了控制浇注温度法30，该方法的特点是不需要加入合金元素并且不需要搅拌。最近又发展了新的方法液相线铸造法34，这种方法是将合金熔体冷却至接近液相线温度，保温一定时间后进行浇注，可以直接获得细小、均匀、等轴的非枝晶组织。这种方法不需要电磁搅拌，因而不会增加额外成本，已引起广泛重视。1.1.2.5 喷射成形法 一些独特的凝固工艺也被用作生产半固态金属坯料的方法，如 Osprey 喷射成形法26。在此方法中，金属熔化成液态金属后，

41、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。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎在熔滴内部形成的枝晶，凝固后成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时，也可得到具有球形固相颗粒的半固态金属浆料。目前用这种方法已对铝合金、黑色金属以及金属基复合材料进行了成功的试验。与其他方法相比，该方法成本较高，只适用于制备特殊要求的大尺寸坯料。1.1.2.6 其它方法 除以上方法以外，在实验室中还曾发明过紊流效应法、粉末法、等温处理法等很多方法。紊流效应法27是将金属液通过特制的多流装置，使金属液的流动产生紊流效应，打碎形成的枝晶，因而可获得具有流变特性的金属浆料。粉末法28先将金属粉末混

42、合、压块，再加热使一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相，形成固液混合金属浆料。譬如，用该方法制备 Ti-20%Co 金属浆料，冷却后，再加热可以触变成形。等温处理法是我国东南大学的苏华钦等人首创的29，其方法是将添加有微量元素Zr 的 ZA12 合金常规铸锭重新加热到固液两相区进行等温处理，可以获得理想的半固态触变组织。Dobatkin 等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声波处理以获得半固态铸锭的方法，可称之为超声波处理法31。Kiuchi 等人提出 SCR(Shearing-Cooling-Rolling)法32，或称之为“剪切冷却轧制”法，研制了试验装置，进行了

43、一系列实验，制备了铝合金及灰铸铁半固态铸锭。Hirt 等人报道，挪威 Norsk Hydro 公司33曾用化学晶粒细化法与特殊的凝固条件结合制备了半固态镁合金 AZ91 的细晶粒铸锭。北京科技大学硕士学位论文-7-1.1.3 半固态金属加工工艺 半固态加工的工艺路线主要有两条，如图 1.1 所示。其中一条工艺路线是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造（Rheocasting）。另一条工艺路线是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行压铸或锻造成形加工，通常被称为触变成形（Thixoforming）2。根据成形

44、设备的不同，半固态金属触变成形（Thixoforming）又分为半固态触变铸造（Thixocasting）和半固态触变锻压（Thixoforging）等。它们分别是指将预先特制的具有非枝晶组织的金属，重新加热到半固态状态，置于压铸机（半固态触变压铸）或压力机（半固态触变锻压）内加压成形。这是目前运用最广泛的半固态加工方法。图图 1.1 半固态金属加工的两种工艺路线半固态金属加工的两种工艺路线 1.1.3.1 流变成形 由于直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便，流变成形工艺发展缓慢，成熟的应用技术有限。目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称之为射铸技术（Injection Mould

45、ing or Thixomoulding）。射铸技术目前只应用于镁合金的半固态加工，成形件主要为笔记本计算机、照相机和摄像机等的外壳。由美国 Thixomat 公司制造的半固态金属触变注射成形机（他们称之为Thixomoulder）35,采用了塑料注射成形的方法和原理，其结构如图 1.2 所示。其成形过程为：预先被制成粒料或细块料的镁合金原料从料斗中加入；在螺旋的作用下，粒状镁合金材料被向前推进并加热至半固态；一定量的半固态金属液在螺旋的前端累积；最后在注射缸的作用下，半固态金属液被注射入模具内成形。该成形方法的主要优点是：成北京科技大学硕士学位论文-8-形温度低（比液态镁合金压铸温度低约 1

46、00）、制件的气孔率较低（可低于 0.1%）、尺寸精度高、重复性好。此方法是目前国外唯一成功地用于实际生产的流变铸造工艺。该方法的主要缺点是：所用原材料为粒料或细块料，通常要预加工，原材料的成本高；机器内螺杆及内衬等构件与固体粒料直接接触，材料的磨损严重，使用寿命短，加之半固态金属的工作温度较高，故在较高工作温度下筒体和螺杆等构件材料的耐磨性、耐蚀性需要进一步研究提高。图图 1.2 Thixomat 公司的触变注射成形机示意图公司的触变注射成形机示意图 1.模架模架 2.型腔型腔 3.半固态镁合金累积室半固态镁合金累积室 4.加热元件加热元件 5.料斗料斗 6.给料器给料器 7.旋转驱动及注射

47、系统旋转驱动及注射系统 8.螺旋推进器螺旋推进器 9.筒体筒体 10.单向阀单向阀 11.喷嘴喷嘴 虽然金属半固态流变成形技术应用很少，但是与触变成形相比，流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑，因此流变成形技术仍然是未来金属半固态加工技术的一个重要发展方向。1.1.3.2 触变成形 相对于流变成形，触变成形中的半固态金属坯料经加热后仍能保持固体形状，夹持、输送都很方便，易于实现自动化操作，因此半固态金属触变压铸（Thixocasting）和触变锻造（Thixoforging）是当今半固态金属加工中主要的成形方法，成形设备分别是压铸机和压力机。相应的工业化大生产成套设备一般配有机器人，用来抓

48、取和搬运毛坯。整套设备同时由计算机系统进行实时控制。半固态触变压铸是将已经获得的具有非枝晶组织特征的金属坯料加热到所要求的半固态温度后放入压铸机压射容器内，用压射活塞通过喷嘴高速压入模具内填充凝固得到制品的方法。半固态金属加热后因处于静止状态而具有较大的粘性，能够保持其固体形北京科技大学硕士学位论文-9-状，可以用夹钳搬运，放入容器内被活塞施加剪切力后，其粘度会大大降低，流动性得到恢复，可以很容易地在模具内填充成形。常规的液态金属压铸工艺中由于液态金属高速通过喷嘴后会产生溅射，导致卷入空气在制品中间形成气泡，因而制品机械性能不好，制品也不能进行热处理。半固态金属压铸时金属虽然也是高速通过喷嘴，

49、但由于半固态金属浆料具有较大的粘性，不会产生喷溅，而是以层流的方式流动，所以不会卷入空气在制品中间，获得的制品机械性能好，并且制品还能通过后续的热处理进一步提高性能。半固态触变锻造是将加热到半固态的金属坯料放入锻模中进行以压缩变形为主的小飞边模锻以获得所需形状、性能的制品的加工方法。与传统的固态金属锻造相比，半固态锻造所需的成形力大大降低，因而可以成形传统固态锻造难以成形的变形抗力较大的材料。半固态锻造技术还有可能用来制造特殊的耐热零件。到目前为止，利用半固态锻造技术已经进行了多种铝合金、铜合金、铸铁、高碳钢、甚至高速钢等材料的锻造加工试验。在半固态锻造加工的开始阶段，坯料表面多为自由表面，随

50、着加工力的施加，坯料内部的部分液相会从表面溢出，流出的液相成分集中在坯料表面和坯料一起变形流动充满模腔，冷却凝固后成为制品的一部分。因此，半固态锻造产品的内部组织容易产生不均匀性，通常，表层多为液相成分凝固而形成的组织。这种内部组织的不均匀性有时对零件是不利的，但有时是可以加以利用的。例如，可以利用这一特性制造一种表层到内部机械性能不同的制品。在半固态锻造球墨铸铁零件时，零件中心部分为韧性好的母材，表层部分为硬度高的白口铸铁，有可能获得耐磨性和韧性兼而有之的机械零件。另外，利用半固态金属所具有的良好结合性，半固态锻造两种以上的组合材料，成形和结合同时进行，可以制造各种复合制品。半固态锻造技术的