半固态成形
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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。
金属半固态成形
金属半固态成形一、引言金属半固态成形是一种新兴的金属成形技术，它是在半固态状态下对金属进行成形加工，具有高效、高精度、高质量等优点。
近年来，随着科技的不断进步和人们对产品质量的要求越来越高，金属半固态成形技术得到了广泛的应用和研究。
二、什么是金属半固态成形1.定义金属半固态成形是指在合适温度下，将金属材料加工到一定程度时，使其呈现出部分晶粒熔化和部分晶粒未熔化的状态。
这种状态被称为半固态状态。
在这个状态下进行成型加工可以得到具有优异性能的零件。
2.特点（1）高效：相比传统的铸造和锻造工艺，金属半固态成形具有更快的生产速度。
（2）高精度：由于采用了先进的数控技术和模具制造技术，使得加工精度更高。
（3）高质量：由于采用了先进的材料处理方法和模具制造技术，使得产品质量更高。
三、金属半固态成形的工艺流程1.原材料制备：将金属材料经过特殊处理，使其呈现出半固态状态。
2.模具设计：根据产品的形状和尺寸，设计出合适的模具。
3.加热处理：将金属材料加热到合适的温度，使其呈现出半固态状态。
4.成型加工：将半固态金属材料放入模具中进行成型加工。
5.冷却处理：将成型后的零件进行冷却处理，使其达到稳定状态。
6.后续加工：根据需要对零件进行后续加工和表面处理。
四、金属半固态成形的应用领域1.航空航天领域：由于航空航天领域对于零件质量和性能要求非常高，因此金属半固态成形技术在该领域得到了广泛应用。
例如飞机发动机叶片、涡轮叶片等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
2.汽车制造业：汽车制造业是金属半固态成形技术的另一个重要应用领域。
例如汽车发动机缸体、曲轴等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
3.医疗器械领域：金属半固态成形技术在医疗器械领域的应用也越来越广泛。
例如人工关节、牙科种植体等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
五、金属半固态成形的未来发展趋势1.智能化：随着科技的不断进步，金属半固态成形技术将更加智能化，通过计算机控制和自动化设备，使得生产效率更高、产品质量更稳定。
精确成型技术 第十三讲 半固态成形技术
合金制备方法 紊流效应法
紊流效应法和粉末法 研究开发之中，应用少。
半固态成形方法
➢流变成形 ➢触变成形
✓铸造成形 ✓锻造成形 ✓挤压成形 ✓轧制成形
流变触变成形工艺过程
成形方法
流变成形:利用经搅拌等工艺获得的近球 状晶半固态浆料，在保持其处于固液两 相区温度时直接进行成形。
➢ 流变压铸
➢ 流变锻造 ➢ 流变轧制
应变诱发熔化激活法
合金制备方法
合金制备方法
变形诱导熔化激活法 金属坯料纯净度高，生产效率较高。增 加了预变形工序，生产成本提高，且坯 料直径受到限制。是在实际备方法
倾斜体冷却法
合金制备方法
倾斜冷却体法 是一种从球形晶核形核和长大的热力学 和动力学条件着手（晶粒游离理论）的 浆料制备方法，装置简单，成本低、效 率高，占地面积小。搅拌和剪切作用弱。 特别适合于高熔点铁合金的半固态浆料 的制备。
《材料精确成形技术》 第十三讲
半固态成形技术
➢原理与工艺特点 ➢半固态合金制备方法 ➢半固态成形方法
技术的起源
1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer 和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造 (stir cast)新工艺，用旋转双桶机械搅拌 法制备出Sn-15%Pb流变浆料。
工艺原理
工艺特点
➢ 生产成本低。成形温度低，近净成形节省能 源和节约金属；充型平稳、热负荷小，热疲 劳强度下降使模具寿命延长。
➢ 有利于制造金属基复合材料。利用半固态金 属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属 制成合金，可有效地使不同材料混合，制成 新的复合材料。
工艺特点
半固态合金制备方法
➢机械搅拌法 ➢电磁搅拌法 ➢应变诱发熔化激活法(SIMA) ➢喷射沉积法(Ospray)
金属材料成型_6.2_半固态成形技术路线
图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。
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。
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。
AZ91D镁合金半固态成型
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枝晶臂发生熔断示意图
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3、枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。 在两相区，位错间发生攀移并结成晶界，当相邻晶 粒的倾角超过20°时，界面能超过固液界面能的两 倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶臂从 主干分离。
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镁合金半固态流变行为：
等温稳态流变行为： 流体组织随剪切历程、时间变化 较小时的流变规律即为半固态合 金的稳态流变性能。 动态流变行为：冷却速率、固相分数和剪切速率
二、半固态成形技术
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半固态（semi-solid）成形技术： 金属在凝固过程中，对其进行剧烈搅拌， 或控制固-液态的温度区间，得到一种母液中 均匀地悬浮着一定固相成分的固-液混合浆料， 这种半固态金属浆料具有流变特性，即具有 很好的流动性，易于通过普通加工方法制成 产品。
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半固态浆料（semi-solid Slurry）的制备技术： （1）机械搅拌法
镁合金半固态成形工艺路线及示意图
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（枝晶）
（固相）
半固态合金中形成的常规枝晶
经搅拌法得到的半固态合金触变结构
三、镁合金半固态理论
半固态金属组织形成机制
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1、枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂 在根部断裂
（a）
（b）
（c）
（d）
枝晶断裂机制示意图
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2、枝晶臂根部熔断机制： 晶体长大过程中，表面积逐渐减小，由于受到 流体的快速扩散、温度涨落引起的热振动及在根部 产生的应力的作用，有利于枝晶臂熔断，同时由于 固相中根部溶质含量较高，这也降低了熔点，促进 了该机制的作用。
有两个带齿的同心圆筒组成，其中内筒保持静止， 浆料放置内外筒之间，搅拌通过外筒旋转进行。 直接将搅拌棒插入熔 融的金属中进行搅拌 连续搅拌 非连续搅拌
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模
铸
112
232
13
(2) 触变压铸(Thixo-casting)
瑞士 BÜHLER 公司推出的触变压铸设备
与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形温度低，凝固时间短， 成形周期短，部件质量好，微观组织均匀，高度自动化等优点。
半固态触变成形件样品
(3) 触变锻造(Thixo-forging) 触变锻造是将半固态金属坯料移入锻压模具内，然后模具的一部分向另 一部分运动并加压成形，其原理如图12所示。
图3 半固态金属和
强化粒子(纤维)的搅拌混合
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 也容易形成很好的结合，如图4所示； ⑥ 含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材 图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合 料也可通过半熔融状态在低加工力 下进行成形加工； ⑦ 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。 ⑧ 液相先行流动的现象在固相分数很 高、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。
图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
(2) 半固态金属的特点
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
(3) 半固态加工的基本工艺方法
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
2、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为
(1) 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。球形组织的形成过 程？
PM
CDF40
2
9
——
——
注：SSM为半固态加工；PM为金属型加工；CDF为闭模锻造
几种铸造方法铸件性能比较
3、金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆 料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。 (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。 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
(2) 半固态金属的力学行为
表1为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能，从表中可以看出， 半固态金属加工技术的优越性。如触变成形并在T6状态下的性能较金属型 铸造所获得的合金有更好的力学性能，并与锻件的性能相近。
合金 加工方法 热处理状态 屈服应力/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度/HB SSM SSM A356 (Al7Si0.3Mg) SSM SSM PM 铸态 T4 T5 T6 T6 110 130 180 240 186 220 250 255 320 262 14 20 5~10 12 5 60 70 80 105 80
图9 枝晶臂发生熔断示意图
③枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错间发生 攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超过固液界面 能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使直接臂从主干分离。
注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生恢复和再结晶或如何迁移、固液 浆料的温度起伏还缺乏必要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很多基本 理论及技术问题需要解决。
材料加工新技术与新工艺
绪论 快速凝固
连续铸轧、连续挤压、连续铸挤
金属等温成形、半固态成形 粉末冶金新技术 先进连接技术
(二)、金属半固态加工的主要内容：
1. 概述 2. 半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为 3. 半固态的制备方法 4. 半固态金属触变成形 5. 半固态金属的流变成形
(1) 定义
1、概述
半固态成形原理 利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals，简称SSM)独有的 流变性和搅熔性来控制铸件的质量。 流变成形 rheoforming 半固态 成形方法
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。
图5 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； 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。
图12 触变锻造原理
半固态锻造成形的优点： 扩大了复杂成形件的范围，可实现近终成形(如薄壁件、底切槽件、孔 形件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环节，加工成本低，切削量少，材 料利用率高。
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，溶质元素的举办 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； 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；
(7) 倾斜冷却板制备法 原理：如图10所示，金属液通过坩埚倾倒在内部具有水冷却装置的冷却 板上，金属液冷却后达到半固态。，流入模具中制备成半固态坯料。
图10 倾斜冷却板制备半固态坯料的工艺及设备图
4、半固态金属触变成形
(1) 触变成形工艺及设备 触变成形(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入 并完成成形机的研制开发。图11为Thixomolding工艺的简图，其设备由原 料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。 设备特点： ① 原料进入料斗后边加热边剪切 搅拌，最后形成半固态的状态 再射入模具中； ② 半固态浆料的固相分数可控性 强，成形件质量高、性能稳定 ③ 螺旋机内密闭性好，在成形过 程中不需要严格的保护性气氛 进行保护，仅在投料口处用少 量的Ar气保护即可。
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度(不能让合金完全熔化)，它也不会变成枝晶。
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
有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种： ①枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。 最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自由浮动 的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强力搅拌，在剪 切力作用下从根部折断。 ②枝晶臂根部熔断机制。 晶体在表面积减小的正常长大过程中， 枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度 涨落引起的热震动及在根部产生应力的 作用，有利于熔断，同时固相中根部溶 质含量较高，也降低熔点，促进此机制 的作用，机理如图9所示。
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。
(3) 应变诱导熔化激活法
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。
将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量 的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。 再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的 组织中储存部分变形能力。
机械搅拌示意图
按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并 适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。
图11 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
表2 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 铸 铸 Thixomolding Thixomolding 屈服强度/MPa 180 160 147 114 139 抗拉强度/MPa 299 230 278 239 269 伸长率/% 10 3 18.8 11.6 20