轻金属半固态成形技术-第2章
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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。
半固态制坯方法及成形工艺
2013-8-13
变形诱变激活法
图1-10 等径道角挤压前后的微观组织形貌
新SIMA法制备AZ91D 镁合金半固态坯的微观组织晶粒 十分细小，平均晶粒尺寸在20-50mm 之间，晶粒更加 细小，球化程度高。
2013-8-13
变形诱变激活法
该方法制备半固态金属坯料纯净、生 产效率较高，是目前实际商业应用的方法 之一,但工艺比较复杂，需要增加一道挤压 变形工序，而且由于该方法需要很大的挤 压变形量，只能制备小直径的金属半固态 坯料。 变形诱变法不仅能制备铸造铝合金的 坯料，还能制造变形 铝合金的半固态坯料， 也能制备铜合金、黑色合金的半固态坯料。 目前美国的阿卢马克斯工程金属工艺公司 利用这种专有技术生产一种军用航天器中 的小型电器零件[2]
图1-3 垂直连续电磁搅拌连铸示意图
2013-8-13
电磁搅拌法
1
不存在类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒， 不会污染半固态合金浆料 通过专门技术处理，避免铝合金熔体电磁 搅拌过程中的气体卷入
参数控制灵活方便，便于控制半固态铝合 金浆料的生产 但电磁搅拌设备复杂、能耗大、生产成本 高，最大的缺点是不能生产尺寸大的铸锭。 设备昂贵，另外工艺也比较复杂
该装置中，合金11放入融化 坩埚9中，坩埚9再放置在炉 体10中，通过电阻炉控制合 金的融化、降温和凝固；搅 拌器为反向转动的一对叶片7， 通过电动机2带动；坩埚9还 可以通过另一个电动机15带 动，强化合金熔体的搅拌作 用。
图1-5 非连续机械搅拌示意图 1-炉温控制器 2、15-电动机 3、4、12、14轴承 5-齿轮 6-浇勺 7-叶片8-热电偶 9-坩埚 10-炉体11-合金液13-传动轮
喷射沉积工艺制备的半固态坯 料质量好，便于半固态重熔加 热和触变成形，但坯料的制备 价格比较昂贵，只适合制备高 级或难熔合金坯料和成形高级 零件毛坯，尚不能大规模应用。
变形诱变激活法
图1-10 等径道角挤压前后的微观组织形貌
新SIMA法制备AZ91D 镁合金半固态坯的微观组织晶粒 十分细小，平均晶粒尺寸在20-50mm 之间，晶粒更加 细小，球化程度高。
2013-8-13
变形诱变激活法
该方法制备半固态金属坯料纯净、生 产效率较高，是目前实际商业应用的方法 之一,但工艺比较复杂，需要增加一道挤压 变形工序，而且由于该方法需要很大的挤 压变形量，只能制备小直径的金属半固态 坯料。 变形诱变法不仅能制备铸造铝合金的 坯料，还能制造变形 铝合金的半固态坯料， 也能制备铜合金、黑色合金的半固态坯料。 目前美国的阿卢马克斯工程金属工艺公司 利用这种专有技术生产一种军用航天器中 的小型电器零件[2]
图1-3 垂直连续电磁搅拌连铸示意图
2013-8-13
电磁搅拌法
1
不存在类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒， 不会污染半固态合金浆料 通过专门技术处理，避免铝合金熔体电磁 搅拌过程中的气体卷入
参数控制灵活方便，便于控制半固态铝合 金浆料的生产 但电磁搅拌设备复杂、能耗大、生产成本 高，最大的缺点是不能生产尺寸大的铸锭。 设备昂贵，另外工艺也比较复杂
该装置中，合金11放入融化 坩埚9中，坩埚9再放置在炉 体10中，通过电阻炉控制合 金的融化、降温和凝固；搅 拌器为反向转动的一对叶片7， 通过电动机2带动；坩埚9还 可以通过另一个电动机15带 动，强化合金熔体的搅拌作 用。
图1-5 非连续机械搅拌示意图 1-炉温控制器 2、15-电动机 3、4、12、14轴承 5-齿轮 6-浇勺 7-叶片8-热电偶 9-坩埚 10-炉体11-合金液13-传动轮
喷射沉积工艺制备的半固态坯 料质量好，便于半固态重熔加 热和触变成形，但坯料的制备 价格比较昂贵，只适合制备高 级或难熔合金坯料和成形高级 零件毛坯，尚不能大规模应用。
半固态金属成形技术
半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造 其工艺路线有两条： 一是将半固态金属浆料冷却凝固后下料, 再将此半固态金属坯料重新加热到半固态 温度进行成形, 通常称为触变成形。 另一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持 其半固态温度条件下, 直接成形, 称为流 变铸造。
五、半固态金属加工的适用范围
合金
铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液-固 共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁 最为适用, 因此, 目前铝合金及镁合金利用半固 态加工技术, 大批量生产其零部件并已获得广泛 应用。
影响因素对结构影响的具体分析
1、板长固定，不同板角下的组织形貌
20度
5度
7.5度
不同斜板角度下固态颗粒的长宽比
最佳角度为7.5度
2、不同加热时间和保温时间
最佳再加热时间为13min
15min后样品的液态分数达到了本质上的稳定状态
3、不同条件下再加热球墨铸铁样品的微观结构
1160℃下不同保温时间下的组织形貌
交通运输行业
特别是汽车行业,许多零部件用半固态成形 技术来生产十分理想、性能好、成本低又可轻 量化。所以交通运输业将是21世纪采用这一新 技术的最热点。
总的来说，该技术适用于低熔点的铝镁及其 合金。
国外利用该新技术已大批量的生产汽车、 家用电器等铝镁合金的零部件,近年来,SSM技术 的工业化应用进展迅速，美国、意大利、瑞士、 法国、英国、日本等国家处于领先地位,已进入 应用阶段，但在我国还未产业化。
影响因素和最佳工艺参数
斜板法中，板的长度和倾斜度对铸件 结构有比较大的影响 最佳的石墨球形化和固态颗粒球形化 的条件为:冷却速率为67 K·s−1,倾斜板 的倾斜角度为7.5度,倾斜板的长度为 560mm。结果还显示,当全部的加工时间很 短的时候,倾斜板很容易阻止变质剂失效。
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
半固态成形
1)半固态金属成形( SMP ) 于20 世纪70 年代初研究开发的新一代金属加工技术[ 1] ,这种对半固态金属浆料进行成形的加工工艺称为半固态成形技术.这一技术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形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件。
2) 非枝晶半固态金属浆料的制备是半固态成形技术的关键环节之一, 关系到成形件的质量和成本。
半固态金属浆料的制备技术分为2 类: 液相过程和固相过程。
目前普遍采用的技术是在金属凝固过程中进行强烈搅拌, 破碎枝晶, 得到一种液态金属母液中均匀悬浮着近似球形微观结构的非枝晶半固态金属( Sem-i solid Metal, 简称SSM) , 在SSM 的液相基体中, 固相颗粒之间很容易产生相互移动, 从而使SSM 浆料具有一定流动能力, 以利于充型。
半固态金属浆料制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔体激活法、粉末冶金法.液相线铸造法,超声处理法等。
机械搅拌法是最早用于半固态浆料制备的方法。
其原理是在合金凝固过程中, 使用搅拌器对合金熔体进行强烈的机械搅拌, 树枝晶由于剪切力的作用而断裂成为颗粒状结构。
机械搅拌分间歇式和连续式两种.搅拌时产生的剪切速率一般为100~ 300/s。
剪切速率受搅拌器结构、材料耐腐蚀、耐高温磨损性能的制约。
浆料的质量主要由搅拌温度、搅拌速度以及冷却速度这3 个参数控制。
然而, 由于这些工艺参数不易控制, 容易发生卷气等缺陷; 搅拌器和合金熔体是直接接触的, 因而容易造成污染; 另外搅拌器与容器间存在搅拌死角, 影响浆料的质量。
机械搅拌法在工业生产中应用较少。
电磁搅拌法是应用最为广泛的一种方法。
它利用旋转磁场使金属液内部产生感应电流, 并在洛伦兹力的作用下发生强迫对流, 从而达到搅拌的目的。
产生旋转磁场的方法有两种, 一种是在感应线圈中通入交变电流, 另一种则采用旋转永磁体的方法。
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。
金属材料半固态凝固及成形技术进展
景 作 了 简单 的 总 结 和 展 望 。
关 键 词 ：金属材 料 ；半 固态 ；凝固 ；成形
中 图分 类 号 ：Ｔ ２４ ３；Ｔ ２ ９ ２ Ｇ ４ ． Ｇ ４ ．
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１７ ６ ４—３ ６ （ ０ ０ ０ ０ ２ ０ ９ ２ ２ １ ） ７— ０ ７— ７
ＫＡＮＧ ｎ ｌｎ， Ｓ Ｙｏ ｇ ｉ ＯＮＧ ｎ ｏ， ＹＡＮＧ ｉ ｑ ｎ Ｒｅ ｂ Ｌ ｕ ｉ ｇ， ＺＨＡＮＧ ａ Ｆｎ
（ ｔｔ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔｌ ａ ｄＭａｅ ａｓ ｃ ｏｌｏ ｔｒａｓＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ＳａｅＫｅ ａ ｏａｏ ｆｒＡｄ ａ ｃ ｄ Ｍｅａｓ ｎ ｔｒ ｌ，Ｓ ｈ ｏ ｆＭａｅ ｌ ｃｅ ｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｇ． ｙ ｉ ｉ ｉ
来越广泛的关 注 ，对半 固态凝 固成形 技术 的研究 已成为 近 年 国内外金属材料领域竞相开展 的一个方 向。 从 １９ ９ ０年至 ２０ ０ ８年 ，国际上先 后 召开 了 １ ０届合 金 及 复合 材料 半 固态加 工学 术研 讨会 ，２ １ ０ ０年 ９月 将在 北
Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｃ ｎ ｅａｄＴ ｃｎｌｇ ｅ ｉｇ ｅ ｉｇ１ ０ ８ ，Ｃ ｉａ ｎｖ ｓｙｏ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈｏｏｙＢ ｉｎ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｈｎ ） ｅ ｔ Ｓｅ ｊ ｊ
Ａｂ ｔ ｃ ：Ｔ ｅ ｈｓ ｒ ａ ｄ ｃ ｒ ｎ ｉ ａ ｏ ０ ｓｍｉ ｏ ｄ ｓｌ ｉｃ ｔ ｎ ａ ｄ ｆｒ ｉｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｅｅｇ ｎ ｒ ｌ ｉ ｒ． ｓ ｒ ｔ ｈ ｉ ｏｙ ｎ ｕｒ ｔ ｔ ｔ ｎ ｆｒ ｅ — ｌ ｏ ｄｆ ａ ｏ ｎ ｍ ｎ ｅ ｈ ｏ ｙ ｗ ｒ ｅ ｅａ ｙ ｎ ｏ ａ ｔ ｅ ｓｕ ｉ ｓｉ ｉｉ ｉ ｏ ｏ ｌ ｔ
关 键 词 ：金属材 料 ；半 固态 ；凝固 ；成形
中 图分 类 号 ：Ｔ ２４ ３；Ｔ ２ ９ ２ Ｇ ４ ． Ｇ ４ ．
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１７ ６ ４—３ ６ （ ０ ０ ０ ０ ２ ０ ９ ２ ２ １ ） ７— ０ ７— ７
ＫＡＮＧ ｎ ｌｎ， Ｓ Ｙｏ ｇ ｉ ＯＮＧ ｎ ｏ， ＹＡＮＧ ｉ ｑ ｎ Ｒｅ ｂ Ｌ ｕ ｉ ｇ， ＺＨＡＮＧ ａ Ｆｎ
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来越广泛的关 注 ，对半 固态凝 固成形 技术 的研究 已成为 近 年 国内外金属材料领域竞相开展 的一个方 向。 从 １９ ９ ０年至 ２０ ０ ８年 ，国际上先 后 召开 了 １ ０届合 金 及 复合 材料 半 固态加 工学 术研 讨会 ，２ １ ０ ０年 ９月 将在 北
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半固态金属加工成形
半固态金属加工成形第一篇：半固态金属加工成形半固态金属加工成形s2*******材料国重摘要:半固态金属成形技术是现代工业发展的一个新领域。
本文主要对半固态金属成形技术进行了简单的分析、归纳和论述。
然后根据半固态金属加工成形技术的特点展望半固态金属加工的发展趋势及应用前景。
关键词：半固态成形，加工技术，趋势及前景1．前言半固态成形工艺，泛指对温度处于固相线温度与液相线温度之间的半固态金属坯料进行的成形工艺。
该工艺的基本理念及工艺于20世纪70年代由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他的科研团队所提出和创立。
其工艺特征是对正在凝固的金属进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，制备具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。
此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60%。
仍具有较好的触变流动性，可以利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺进行加工成形。
目前，大部分金属构件的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺，然而，在全球倡导“节能减排”、“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重标准的考量下，都显示出了一定的局限性。
2.半固态金属加工的特点2.1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。
在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；在低固相分数时，固相颗粒游离在液相成分之中。
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，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。
因此溶质元素的局部浓度不断变化（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，呈现黏性流体特征，在微笑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（5）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也很容易形成很好的结合。
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初生固相晶粒的大小主要与凝固时的冷却速率有关，冷却速 率越高，初生固相晶粒就越小；但当剪切速率大于某一数值 时，初生固相晶粒也随剪切速率的增加而减小。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.3 枝晶臂塑形弯曲和晶界浸润熔断机制 —— Vogel 等人的观点
★ 假设在接近熔点温度下，初生的α-Al枝晶具有一定的 韧性；虽然此温度下的α-Al枝晶较脆弱，但这种假定 的韧性使得α-Al枝晶在搅拌的紊流之中只发生弯曲而 不至于断裂。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.4 电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制 —— 毛卫民、Hellawell 等人的观点
在电磁搅拌下，合金熔体组织中出现许多细小的蔷薇 状初生固相，这些蔷薇状初生固相的二次枝晶臂几乎 不发生弯曲；
搅拌使熔体产生强烈的温度起伏，使得二次枝晶臂根 部熔断；
熔断的二次臂不断与合金熔体及固相之间发生摩擦与 熟化，从而逐渐球化。
随着初生枝晶臂碎块熟化的进行，初生枝晶臂碎块逐渐转变为更加密 实的蔷薇状，如图（d）所示；
只要在较高的搅拌剪切速率和较低的冷却速率下，初生枝晶臂碎块最 后会转变为球状或椭球状，如图（e）所示。
枝晶根部熔断的根本原因：外场作用下引起流体的流动导致 溶质扩散加快、产生流动应力、促使溶质偏聚等作用。
演化过程从（a）到（e），随着剪切速率的提高和冷却速率 的降低而加快。
搅拌
树枝晶
枝晶断裂，晶体 变圆、变小
圆形或半圆形的初晶 表观粘度减低
AlSi7Mg合金显微组织
(a) 传统凝固的枝晶组织 (b) 电磁搅拌的半固态组织
半固态Sn-15wt%Pb合金流变组织
固相分数0.45，剪切速率230s-1 搅拌时间：(a)730s，(b) 2400s
2.1 组织形成与演化机制
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界 (d) 晶界能大于两倍的固液界面能，晶界被液相浸润，枝晶臂被熔断
★由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，此 外大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大两倍 以上，如Al的晶界界面能量约为0.6Jm-2，而Al的固液 界面能量约为0.09Jm-2，那么这种晶界完全会被液体薄 膜所浸润。最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作 用而从枝晶主干上脱落下来。
由于正常的熟化作用，枝晶臂会从根部熔断，而搅拌引起的流动促使 晶粒熟化时溶质扩散，并将熔断的枝晶臂带往其他地方，如图（a）；
这些熔断的初生枝晶臂在早期的生长时会继续枝晶化，如图（b）；
随着持续地搅拌剪切、初生枝晶臂碎块之间的摩擦以及枝晶臂与液体 之间的摩擦和冲刷作用，也由于初生枝晶臂碎块的熟化作用，初生枝晶 臂碎块逐渐转变为蔷薇状，如图（c）所示；
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界
★ 在搅拌过程中，如果一个α-Al枝晶臂相对于枝晶主干 弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错，这 些位错将会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶 界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。
(b)
电磁搅拌时形成的细小蔷薇状晶粒
(a) 614℃淬火，搅拌5s (b) 595 ℃淬火，搅拌964s
机制依据
① 电磁搅拌使熔体中的温度场和溶质场变得很均匀， 整个合金熔体几乎在同一时刻被冷却到相同或很相近 的形核和生长温度，整个断面的熔体几乎获得相同的 形核速率，即初生固相晶粒几乎在整个断面处处形核， 抑制了初生固相晶体的择优生长，消除了一次臂很长 的树枝晶，而是形成细小的蔷薇状初生固相，细化了 晶粒，而尺寸细小的晶粒便于随熔体一起运动将有利 于二次臂根部的熔断。
2.1.1 枝晶臂机械剪切断裂机制 —— Flemings 等人的观点
搅拌作用会在凝固过程的合金中引起应力应变 场，搅拌引起的黏性流体流动带来的剪切力使 得金属或合金熔体中的枝晶臂断裂。破碎的枝 晶臂可能游离成为新的晶核，从而出现晶粒细 化和增殖。
但金属或合金熔体析出的树枝晶的晶体结构几 乎完整无缺，内部不存在位错和缺陷，枝晶臂 的简单断裂似乎很困难，该假说也缺乏可靠的 实验依据，难以被广泛地接受。
（4）在搅拌后的初生晶粒中发现了两种晶界，一种晶界 附近的合金成分没有连续性，出现成分峰值；另一种 晶界附近的合金成分具有连续性，表明这是再结品晶 界。因此，意味着搅拌过程中存在晶界；
（5）在二次加热后的合金组织中能直接观察到液相沿着 晶界的浸润与渗透现象。
A2017合金铸坯在580度加 热时液相沿晶界的渗透
Vogel 等人提出的凝固模型的试验证据在于：
（1）经常可以观察到弯曲的枝晶臂，尤其对于那些凝固 已经开始后才进行搅拌的金属更是如此，如4-5图；
（2）在搅拌条件下，析出的初生α-Al的晶界中经常出现 晶界浸润现象；
Al-Cu合金搅拌下的晶界浸润
（3）搅拌的半固态金属浆料组织中的大部分晶界都是小 角度晶界（<15o），其余少数大角度晶界中的大部分 都接近共格取向，晶界能较低；
未电磁搅拌下的熔体温度场
电磁搅拌下的熔体温度场
搅拌条件：50Hz，4116W
② 电磁搅拌引起蔷薇状初生-Al枝晶出现强烈的温度起伏。 搅拌室内最外层的合金熔体的温度总要略低于心都的温度， 再由下图可知，合金熔体存在的附加流动，将使细小的初生 -Al晶体时而进入搅拌室的边缘区域，时而又进入搅拌室的中 心区域，使初生-Al小枝晶处于强烈和附加的温度起伏之中， 最终造成了初生-Al小枝晶的二次臂根部的大量熔断。
轻合金半固态成形技术
第二章 半固态成形的基本理论
半固态金属组织形成与演化机制 半固态金属的流变行为 半固态金属的触变行为
半固态金属
若在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作 用，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定 量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混 合浆料（也称流变浆料），称为半固态金属
2.1 组织形成与演化机制
2.1.2 生长熟化引起的枝晶根部熔断机制 —— Flemings 的观点
在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用， 也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发 生碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转 变为玫瑰花状，最后转变为球状，如图所示。
（a）折断的枝晶碎块；（b）枝晶碎块长大； （c）枝晶臂弯曲变形；（d）枝晶臂进一步弯曲、熟化； （e）接近密实的球状固相。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.3 枝晶臂塑形弯曲和晶界浸润熔断机制 —— Vogel 等人的观点
★ 假设在接近熔点温度下，初生的α-Al枝晶具有一定的 韧性；虽然此温度下的α-Al枝晶较脆弱，但这种假定 的韧性使得α-Al枝晶在搅拌的紊流之中只发生弯曲而 不至于断裂。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.4 电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制 —— 毛卫民、Hellawell 等人的观点
在电磁搅拌下，合金熔体组织中出现许多细小的蔷薇 状初生固相，这些蔷薇状初生固相的二次枝晶臂几乎 不发生弯曲；
搅拌使熔体产生强烈的温度起伏，使得二次枝晶臂根 部熔断；
熔断的二次臂不断与合金熔体及固相之间发生摩擦与 熟化，从而逐渐球化。
随着初生枝晶臂碎块熟化的进行，初生枝晶臂碎块逐渐转变为更加密 实的蔷薇状，如图（d）所示；
只要在较高的搅拌剪切速率和较低的冷却速率下，初生枝晶臂碎块最 后会转变为球状或椭球状，如图（e）所示。
枝晶根部熔断的根本原因：外场作用下引起流体的流动导致 溶质扩散加快、产生流动应力、促使溶质偏聚等作用。
演化过程从（a）到（e），随着剪切速率的提高和冷却速率 的降低而加快。
搅拌
树枝晶
枝晶断裂，晶体 变圆、变小
圆形或半圆形的初晶 表观粘度减低
AlSi7Mg合金显微组织
(a) 传统凝固的枝晶组织 (b) 电磁搅拌的半固态组织
半固态Sn-15wt%Pb合金流变组织
固相分数0.45，剪切速率230s-1 搅拌时间：(a)730s，(b) 2400s
2.1 组织形成与演化机制
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界 (d) 晶界能大于两倍的固液界面能，晶界被液相浸润，枝晶臂被熔断
★由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，此 外大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大两倍 以上，如Al的晶界界面能量约为0.6Jm-2，而Al的固液 界面能量约为0.09Jm-2，那么这种晶界完全会被液体薄 膜所浸润。最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作 用而从枝晶主干上脱落下来。
由于正常的熟化作用，枝晶臂会从根部熔断，而搅拌引起的流动促使 晶粒熟化时溶质扩散，并将熔断的枝晶臂带往其他地方，如图（a）；
这些熔断的初生枝晶臂在早期的生长时会继续枝晶化，如图（b）；
随着持续地搅拌剪切、初生枝晶臂碎块之间的摩擦以及枝晶臂与液体 之间的摩擦和冲刷作用，也由于初生枝晶臂碎块的熟化作用，初生枝晶 臂碎块逐渐转变为蔷薇状，如图（c）所示；
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界
★ 在搅拌过程中，如果一个α-Al枝晶臂相对于枝晶主干 弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错，这 些位错将会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶 界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。
(b)
电磁搅拌时形成的细小蔷薇状晶粒
(a) 614℃淬火，搅拌5s (b) 595 ℃淬火，搅拌964s
机制依据
① 电磁搅拌使熔体中的温度场和溶质场变得很均匀， 整个合金熔体几乎在同一时刻被冷却到相同或很相近 的形核和生长温度，整个断面的熔体几乎获得相同的 形核速率，即初生固相晶粒几乎在整个断面处处形核， 抑制了初生固相晶体的择优生长，消除了一次臂很长 的树枝晶，而是形成细小的蔷薇状初生固相，细化了 晶粒，而尺寸细小的晶粒便于随熔体一起运动将有利 于二次臂根部的熔断。
2.1.1 枝晶臂机械剪切断裂机制 —— Flemings 等人的观点
搅拌作用会在凝固过程的合金中引起应力应变 场，搅拌引起的黏性流体流动带来的剪切力使 得金属或合金熔体中的枝晶臂断裂。破碎的枝 晶臂可能游离成为新的晶核，从而出现晶粒细 化和增殖。
但金属或合金熔体析出的树枝晶的晶体结构几 乎完整无缺，内部不存在位错和缺陷，枝晶臂 的简单断裂似乎很困难，该假说也缺乏可靠的 实验依据，难以被广泛地接受。
（4）在搅拌后的初生晶粒中发现了两种晶界，一种晶界 附近的合金成分没有连续性，出现成分峰值；另一种 晶界附近的合金成分具有连续性，表明这是再结品晶 界。因此，意味着搅拌过程中存在晶界；
（5）在二次加热后的合金组织中能直接观察到液相沿着 晶界的浸润与渗透现象。
A2017合金铸坯在580度加 热时液相沿晶界的渗透
Vogel 等人提出的凝固模型的试验证据在于：
（1）经常可以观察到弯曲的枝晶臂，尤其对于那些凝固 已经开始后才进行搅拌的金属更是如此，如4-5图；
（2）在搅拌条件下，析出的初生α-Al的晶界中经常出现 晶界浸润现象；
Al-Cu合金搅拌下的晶界浸润
（3）搅拌的半固态金属浆料组织中的大部分晶界都是小 角度晶界（<15o），其余少数大角度晶界中的大部分 都接近共格取向，晶界能较低；
未电磁搅拌下的熔体温度场
电磁搅拌下的熔体温度场
搅拌条件：50Hz，4116W
② 电磁搅拌引起蔷薇状初生-Al枝晶出现强烈的温度起伏。 搅拌室内最外层的合金熔体的温度总要略低于心都的温度， 再由下图可知，合金熔体存在的附加流动，将使细小的初生 -Al晶体时而进入搅拌室的边缘区域，时而又进入搅拌室的中 心区域，使初生-Al小枝晶处于强烈和附加的温度起伏之中， 最终造成了初生-Al小枝晶的二次臂根部的大量熔断。
轻合金半固态成形技术
第二章 半固态成形的基本理论
半固态金属组织形成与演化机制 半固态金属的流变行为 半固态金属的触变行为
半固态金属
若在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作 用，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定 量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混 合浆料（也称流变浆料），称为半固态金属
2.1 组织形成与演化机制
2.1.2 生长熟化引起的枝晶根部熔断机制 —— Flemings 的观点
在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用， 也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发 生碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转 变为玫瑰花状，最后转变为球状，如图所示。
（a）折断的枝晶碎块；（b）枝晶碎块长大； （c）枝晶臂弯曲变形；（d）枝晶臂进一步弯曲、熟化； （e）接近密实的球状固相。