半固态成形技术研究

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半固态成形分析

5.易于生产复合材料与新型合金。
金属半固态成形工艺可改善复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与基体金属不浸润的技术难题，为复合材料的制备与成形提供了有利条件。控制固态合金黏度，可以均一地掺入非金属材料与密度差大的金属材料，生产金属基复合材料与新成分合金。利用半固态合金的高黏性，在搅拌剪切的过程中加入密度差大的金属或非金属材料，可以生产其他工艺所不能生产的复合材料。在生产粒子强化、纤维强化的复合材料方面，半固态成形有着独特的优越性。半固态成形对复合材料的成形起到很大的推动作用。
关键区别在于？
半固态成形的基本工艺路线
半固态金属浆料具有流变与触变性能，因此有两条线路，流变成形和触变成形。
流变成形
半固态浆料直接在压力作用下流变成形。
优缺点：短流程
节能、节材
储存运输困难
触变成形
半固态浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要下料，经过二次加热（也叫重熔加热）后，在半固态温度下压力加工成形，成为触变成形。
• 美国已利用半固态成形生产出许多电器连接元件。半固态成形电器连接元件与传统的机械加工相比，也具形的特殊成形机理决定了成形产品的良好的内部组织与整体性能。由于在半固态材料的制备过程中，对合金施加剪切搅拌作用，可以消除多种缺陷。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。同时，半固态铸造时有一个平滑的液态充模界面，减轻了气体包裹与气泡的产生，也减轻了成分偏析，提高了材料的致密度、强度以及材料性能的均匀性。实践证明，半固态铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，组织细小，力学性能提高，或者力学性能相当，但塑性大大提高。
1.1 金属半固态成形（SSM）的定义

铝合金半固态挤压成形工艺及理论研究

最后，对实验结果进行分析，并基于实验结果进行了理论研究，包括半固态挤压成形工艺的理论基础、工艺优化方法和挤压力计算等。本次演示的研究成果表明，铝合金半固态挤压成形工艺具有诸多优点，相比传统液态挤压成形工艺，半固态挤压成形工艺可以获得更高的制品质量、更优的力学性能和更好的表面完整性。因此，本次演示的研究为铝合金半固态挤压成形工艺的应用和推广提供了理论支持和实践指导。
半固态铝合金的制备工艺
半固态铝合金的制备工艺主要包括熔炼、球磨、热处理等步骤。其中，熔炼是制备半固态铝合金的关键步骤，需要将铝、铜、镁等合金元素熔化在一起，并控制好熔炼温度和时间，以保证合金的成分和组织稳定性。球磨是制备半固态铝合金的另一个关键步骤，通过将合金粉末进行球磨处理，可以细化合金的晶粒尺寸，提高合金的力学性能。热处理则是为了进一步优化合金的组织和性能，使合金达到最佳的使用效果。
(1)制品质量更稳定：由于半固态浆料具有较好的流动性和稳定性，使得模具内的材料更加均匀，减少了流体流动和不稳定性对制品质量的影响。
(2)力学性能更优：半固态挤压成形过程中，材料在模具内可以迅速达到高密度，同时由于半固态材料的特性，使得制品内部晶粒更细小，力学性能更优。
(3)表面完整性更好：由于半固态挤压成形过程中模具内的材料分布更加均匀，减少了模具表面的摩擦和划痕，使得制品表面更加完整。
铝合金半固态挤压成形工艺及理论研究
摘要
本次演示主要介绍了铝合金半固态挤压成形工艺及其相关理论研究。首先，简要介绍了铝合金半固态挤压成形工艺的研究背景和现状，阐明了本次演示研究的重要性和意义。其次，详细阐述了铝合金半固态挤压成形工艺的基本原理和流程，包括铝合金半固态制备、挤压成形工艺及其原理。接着，介绍了实验方法，包括实验材料、实验设备和实验过程。

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)

浅谈金属半固态成形技术

江苏理工学院JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY材料先进制备与成形加工技术课程论文学院名称：材料工程学院专业：机械工程2013年04 月浅谈金属半固态成形技术摘要本文综述了半固态成形技术，介绍了半固态成形技术的定义及其成形工艺，研究现状及发展应用，半固态浆料的制备方式及浆料的特点，最后对半固态技术进行了展望。

关键词半固态成形触变成形流变成形1.半固态成形技术定义金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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；如果将流变浆料凝固成锭，接需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。

利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形。

半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形技术。

如下图一所示。

图一半固态成形技术2、半固态加工的成形工艺目前，金属半固态成形的工艺路线主要有两种：一种是触变成形，把制浆与成形结合在一起；另一种是流变成形，将制坯和成形结合在一起。

2．1 触变成形触变成形的工艺路线是将半固态合金浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要进行下料，经二次加热后，在半固态温度下进行压力加工成形。

由于半固态坯料的加热、输送工艺较为方便，并易于实现自动化操作，因而触变成形工艺在得到了广泛应用。

如半固态金属触变压铸、触变锻造、触变挤压工艺目前都已成熟，并进入实际应用。

随着触变成形工艺的推广和应用，生产实践中发现触变成形工艺也存在一些不足，如成本高，坯料损耗过多，坯料重熔时固相率难以精确控制。

工艺图如图二所示。

2．2 流变成形流变成形是将制备的半固态合金熔体直接转移到成形设备进行成形的工艺方法。

第9章半固态成形技术

液态加工（铸造成形）
半固态加工 (流变/触变成形)
固态加工（塑性成形）
重力铸造精密铸造压力铸造
高流速变连铸续造
铸造
液态模锻液态铸轧连续铸挤半固态轧制半固态挤压半固态压铸半固态锻造
连连续铸带轻液压芯下压下
轧制锻压挤压超塑成形特种固体成形
图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
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。
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
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
半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响，半固态浆料的温度、固相分数和剪切速率是三个基本因素。
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。
(1)半固态成形技术定义
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。
半固态成形方法
流变成形 rheoforming
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。

6061铝合金半固态本构方程的研究_唐小玲

6061铝合金半固态本构方程的研究_唐小玲铝合金半固态成形技术已经成为许多铝合金制造业的重要组成部分。

在半固态成形过程中，铝合金的半固态本构方程对于模拟和预测材料行为至关重要。

本文将研究6061铝合金的半固态本构方程，旨在改善材料性能和加工效率。

在研究6061铝合金半固态本构方程之前，首先需要了解该合金的力学性能和变形行为。

6061铝合金具有较高的流变应力曲线，即塑性应变增加为一定速率。

与其他材料相比，6061铝合金的变形行为受温度和应变速率的影响较小。

在半固态成形过程中，6061铝合金的变形机制主要包括固溶处理和相分解。

半固态本构方程的研究需要借助实验测试和数值模拟方法。

实验测试可以通过拉伸试验、压缩试验和扭转试验等方法获得材料的力学性能数据。

同时，利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等设备可以观察材料的微观结构和相变行为。

数值模拟方法可以使用有限元方法和统计学方法等进行。

有限元方法可以建立材料的物理模型，并对其进行力学行为分析。

统计学方法可以通过拟合实验数据来得到合适的半固态本构方程。

研究人员可以根据所得到的力学性能数据和变形行为，选择适当的数学模型，并基于实验数据进行参数拟合。

通过研究6061铝合金的半固态本构方程，可以为半固态成形过程的预测和优化提供理论依据。

在工程实践中，该本构方程可以用于模拟和预测不同加工条件下铝合金的变形行为，从而优化成形过程，并提高材料的力学性能。

总之，研究6061铝合金的半固态本构方程对于改善铝合金的力学性能和加工效率非常重要。

通过实验测试和数值模拟方法的结合，可以获得可靠的半固态本构方程，为半固态成形技术的发展提供有力支持。

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。

第5章半固态流变成形技术

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流变射铸技术的特点和发展现状：
与触变射铸相比，单螺旋流变射铸工艺的最大优点：工艺流程短，生产成本低；废品和铸件余料回收方便；流变射铸件气孔率低。
目前，单螺旋流变射铸工艺尚未达到实际应用水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。
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5. 4
双螺旋机械搅伴式流变成形
1999 年, 英国 Brunel 大学的ZY Fan，提出了双螺旋机械搅拌流变射铸工艺。其原理如下：
双螺旋机械搅拌流变射铸设备主要包括液态合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。液态合金进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌桶强烈地搅拌，一边被快速冷却到预期的固相分数；当半固态合金浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态合金浆料进入成形压射室，被压入压铸型型腔，成型零件。在双螺旋搅拌机构中设置了许多的加热和冷却通道，可以准确的控制合金桨料的温度，控温精度可达土 1 ℃ 。
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Any Questions ？
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a
b
c
d
e
f
g
a—连续制备半固态浆料 b—制备半固态锭坯 c—定量分割坯锭 d— 重新加热至半固态 e— 送至压射室 f — 成形过程 g—成品
4
主要介绍的流变成形工艺：
1. 传统机械扰拌式流变成形 2. 压射室制备浆料式流变成形 3. 单螺旋机械搅拌式流变成形 4. 双螺旋机械搅拌式流变成形 5. 低过热度倾斜板浇注式流变成形 6. 低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形 7. 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形 8. 流变轧制成形
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半固态成形技术研究
发表时间：2014-09-11T16:11:59.530Z 来源：《科学与技术》2014年第4期下供稿作者：胡绵凯[导读] 我国的技术水平稍显落后，发展速度也较慢。

但多年来的研究也让我们国家在该领域取得了不少的研究成果。

西南交通大学材料科学与工程学院胡绵凯摘要：如今随着中国的科研技术、制造技术还有工业生产理念的不断发展与创新，我国逐渐对各产业的生产技术有了更高的要求和标准，并逐渐呈现出轻量化和环保化的趋势。

无论是汽车新能源的开发还是高速列车的提速和安全问题，我国都渴望寻求新的突破。

除了技术的开发和设备的引进，材料的选择是一个重要的突破口，而且如今材料业拥有一个良好的发展前景。

从学术角度来看，不管是对传统材
料的改进还是新型材料的开发，都具有广阔的研究空间和无限的可能性。

而材料的发展离不开制坯技术的革新，半固态制坯这种新技术正在逐渐进入人们的视野。

21 世纪以来，半固态制坯技术已经开始慢慢被了解和使用，对于任何一种材料，在具有独特的性能优势的同时，也必定存在其固有的缺陷。

而半固态制坯技术对材料的组织改善可以起到积极的作用，也许可以在保证材料具有自身优点的同时，大幅度地改善在性能上的不足。

关键词：半固态；制坯技术；成形方法1.半固态技术1.1 半固态原理及优势半固态技术是指将材料利用加热到半固态状态下，形成一种固相与液相均匀混合的半固态组织，通过调整加热温度和时间来控制其固相率，在该状态下进行加工成型的方法。

经半固态处理后的组织有着良好晶粒形貌，在控制过程中对技术的要求不高，金属不易发生烧毁，同时能耗低，大大提高了合金的利用率。

1.2 半固态特点半固态合金具有流变性和触变性的特点流变性是指合金在加热到半固态的状态下外力作用下发生流动和变形。

对于所有的流体，当其内部发生相对运动的时候，会产生摩擦力，阻碍形变的进行。

摩擦力的大小取决于速度变化率。

牛顿曾对两者的关系进行过分析，随着速度变化率的增大，摩擦力也相应的提高，但不是所有的情况下两者均成正比关系，若温度发生改变，则材料的粘度会随之变化，那么两者呈现出的关系则是非线性的。

触变性宏观上表现为流体合金在流动过程中剪切力对流体粘稠度的影响，受力时流体的粘稠度大于不受力时的粘稠度。

流体在某一特定温度下有两种状态：凝胶状态和溶胶状态。

归根到底，触变性即是在两种状态之间彼此的变换，这是一个可逆过程。

转换过程的演变取决于时间和机械强度。

2.半固态形变理论2.1 树枝晶搅拌断裂理论半固态制坯的核心在于生成非树枝晶的等轴晶，在材料处于半固态的状态下对其进行搅拌处理，搅拌过程中，搅拌力度和速度越大，晶粒所承受的剪切力和来自液体的冲击也会越大，当力大于晶粒的强度极限时，晶粒就会发生断裂，断裂后的部分将作为核心重新形核，从而形成均匀的等轴晶组织。

2.2 树枝晶熔断理论在搅拌过程中，液体、搅拌工具、晶粒之间存在相对运动并产生摩擦，摩擦过程会有热量的产生。

当搅拌过于剧烈时，由于热量来不及扩散，固液组织中可能会产生局部过热的现象，使树枝状的晶粒局部融化脱落，形成新的晶核而导致等轴晶的形成。

2.3 晶粒漂移和混合抑制理论当合金在电磁作用下进行搅拌时，晶粒由于机械作用而断裂的几率不大，晶粒断裂并不是改变晶粒形核状况的主要原因。

在强烈的搅拌作用下，合金的晶粒将发生大规模的移动和晶粒间的混合，这种现象的出现促使非均匀形核的产生，使固液相混合组织内部出现较多的新生晶核，降低了晶粒尺寸，抑制了晶粒的各向异性，使生成的晶粒具有较高的圆整度。

3.半固态制坯方法3.1 电磁搅拌法电磁搅拌法利用了电磁感应现象。

在金属溶液外部附加了旋转磁场，使金属液发生切割磁感线运动产生感应电流，由于电流磁效应使金属液发生剧烈的搅拌而促使非树枝晶的形成。

液体的搅拌速度可通过外加磁场的磁场强度和磁场的旋转速度共同控制。

而旋转磁场的产生有两种方法：感应线圈两端通入交流电和永磁体在电机的配合下旋转。

电磁搅拌法的优势在于搅拌过程不需要使用搅拌工具（叶片或棒），可提高合金金属的纯度。

另外被处理的金属可在密闭的容器中进行，避免了气体的融入可减小成型过程中气孔的产生，减小坯料的缺陷。

同时操作性强可控程度高，搅拌的速度可通过磁场强度和旋转速度控制，控制精确，范围广。

但是不足之处在于能耗大，制成的坯料造价高，不利于生产大规格构件。

3.2 机械搅拌法机械搅拌法是最古老且简单的搅拌方法，它区别于电磁搅拌法的是利用叶片旋转或搅拌棒来实现搅拌功能，形成非树枝晶的原理与电磁搅拌法类似，。

合金的固相率的控制需要通过改变合金周围的环境温度来实现。

剪切速度的大小则取决于搅拌工具的转动速度。

机械搅拌法的好处在于搅拌所需的装置比较简单，成本低、操作性强且容易控制。

同样缺点也很明显，搅拌速度有限导致生产效率不高，搅拌环境难以密封，容易混入杂质和气体。

4.应用推广如今世界上半固态技术已得到认可和应用。

美国最早着手研究该技术，是世界上水平最高的国家。

在美国半固态技术主要用于汽车零件的生产，比如发动机的泵体。

紧随其后的是欧洲国家，Stampal-Saa 公司曾为福特公司生产齿轮箱的箱盖和传动的摇臂。

而日本则在钢铁行业、有色金属和重工业方面大力推广半固态成形技术，并不断与欧美国家展开交流和合作。

比之下，我国的技术水平稍显落后，发展速度也较慢。