關于半固態成形技術第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日半固態成形半固態成形概述半固態金屬的組織特性、形成機理與力學行為半固態金屬的制備方法半固態金屬觸變成形半固態金屬流變成形第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日

金屬材料在液態、固態和半固態三個階段均呈現出明顯不同的物理特性，利用這些特性，產生了凝固加工、塑性加工和半固態加工等多種金屬熱加工成形方法。圖1表示金屬在高溫下三態成形加工方法的相互關系。圖1金屬在高溫下三態成形加工方法的相互關系液態加工（鑄造成形）半固態加工(流變/觸變成形)固態加工（塑性成形）重力鑄造精密鑄造壓力鑄造液態模鍛液態鑄軋連續鑄擠半固態軋制半固態擠壓半固態壓鑄半固態鍛造軋制鍛壓擠壓超塑成形特種固體成形流變鑄造高速連續鑄造連續帶液芯壓下連鑄輕壓下1、概述第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日半固態成形原理利用非枝晶半固態金屬(Semi-SolidMetals，簡稱SSM)獨有的流變性和攪熔性來控制鑄件的質量。半固態成形方法流變成形rheoforming觸變成形thixoforming在金屬凝固過程中，對其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50%左右)，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進行成形加工的方法稱之為半固態金屬的流變成形。如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此金屬錠切成一定大小，然后重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態溫度區(金屬錠稱為半固態金屬坯料)。利用金屬的半固態坯料進行成形加工的方法為觸變成形(1)半固態成形技術定義第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(2)半固態金屬的特點圖2半固態金屬的內部結構：(a)高固相分數，(b)低固相分數

半固態金屬(合金)的內部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體，根據固相分數不同，其狀態不同，圖2為半固態金屬內部結構示意圖?？梢姡吖滔喾謹禃r，液相成分僅限于部分晶界；低固相分數時，固相顆粒游離在液相成分之中。第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日半固態金屬的金屬學和力學主要有以下幾個特點：由于固液共存，在兩者界面不斷發生熔化、凝固，產生活躍的擴散現象，因此，溶質元素的局部濃度不斷變化；由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分，固相粒子間幾乎沒有結合力，因此，其宏觀流動變形抗力很低；隨著固相分數的降低，呈現黏性流體特性，在微小外力作用下即可很容易變形流動；當固相分數在極限值(約75%)以下時，漿料可以進行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖3所示；圖3半固態金屬和強化粒子(纖維)的攪拌混合第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日由于固相粒子間幾何無結合力，在特定部位雖然容易分離；但由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態金屬間的結合，而且于一般固態金屬材料也容易形成很好的結合，如圖4所示；含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料也可通過半熔融狀態在低加工力下進行成形加工；當施加外力時，液相成分和固相成分存在分別流動的情況，如圖5所示，一般來說，存在液相成分先行流動的傾向。液相先行流動的現象在固相分數很高、很低或加工速度特別高的情況下很難發生，主要是在中間固相分數范圍或低加工速度下比較顯著。圖4半固態金屬的(a)分離，(b)結合圖5半固態金屬變形時液相成分和固相成分的流動第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日與普通加工方法相比，半固態金屬加工的優點：黏度比液態金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進行更高速的部件成形，改善表面光潔度，容易實現自動化和形成新加工工藝；流動應力比固態金屬低：半固態漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進行復雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節能節材，并可進行連續形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；應用范圍廣：凡具有固液兩相區的合金均可實現半固態加工、可適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進行材料的復合及成形。第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(3)半固態成形的基本工藝方法半固態坯料制備二次加熱觸變成形合金原料設計、配制加熱、熔煉攪拌(機械或電磁等)半固態漿料流變壓鑄成形其他流變成形部件毛坯

經加熱熔煉的合金原料液體通過機械攪拌、電磁攪拌或其他復合攪拌，在結晶凝固過程中形成半固態漿料。流變成形觸變成形第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(3)半固態成形的基本工藝方法流變成形(流變鑄造)圖6半固態金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖觸變成形(觸變鑄造)第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(4)半固態成形的研究及進展

最早于20世紀70年代初期，由美國麻省理工學院的M.C.Flemings教授和DavidSpencer博士提出。

根據所研究的材料，可分為有色金屬及其合金的低熔點材料半固態加工和鋼鐵材料等高熔點黑色金屬材料半固態加工。第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日①有色金屬及其合金的低熔點材料半固態成形研究鋁、鎂、鉛、銅研究重點在成形工藝的開發鋁合金半固態加工技術（觸變成形）已經成熟并進入規模生產，主要應用于汽車、電器、航空航天領域。②高熔點黑色金屬的半固態成形研究D2、HS6-5-2高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、AISI304不銹鋼、C80工具鋼、鑄鐵等第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日高熔點黑色金屬半固態加工進展緩慢

選擇的材料液固線溫度區間較小；高溫半固態漿料難以連續穩定地制備；熔體的溫度、固相的比率和分布難以準確控制；漿料在高溫下輸送和保溫困難；成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等。第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2、半固態金屬的組織特性、形成機理與力學行為(1)非枝晶的形成與演化圖7Al-20Cu合金未攪拌和機械攪拌(流變鑄造)狀態的凝固組織

液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷，其結晶造成固體顆粒的初始形貌呈樹枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會破碎，形成小的球形晶，圖7未常規鑄造和半固態鑄造的組織對比，可見利用流變鑄造方法生產的半固態金屬具有獨特的非枝晶、近似球形的顯微結構。球形組織的形成過程？第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日球形結構的演化過程：結晶開始時，攪拌促進了晶核的產生，此時晶核是以枝晶生長方式進行的；隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式進行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細小晶粒，其自身結構也逐漸向薔薇形演化；隨著溫度的繼續下降，最終使得這種薔薇形結構演化成更簡單的球形結構，演化過程如圖8所示。

球形結構的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時這是一個不可逆的結構演化過程，即一旦球形的結構生成了，只要在液固區，無論怎樣升降合金的溫度(不能讓合金完全熔化)，它也不會變成枝晶。圖8球形微粒固態金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日有色金屬半固態組織的演變機制主要有以下三種：枝晶臂根部斷裂機制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部斷裂。最初形成的樹枝晶是無位錯和切口的理想晶體，很難依靠沿著自由浮動的枝晶臂的速度梯度方向產生的力來折斷。因此，必須加強力攪拌，在剪切力作用下從根部折斷。枝晶臂根部熔斷機制。晶體在表面積減小的正常長大過程中，枝晶臂由于受到流體的快速擴散、溫度漲落引起的熱震動及在根部產生應力的作用，有利于熔斷，同時固相中根部溶質含量較高，也降低熔點，促進此機制的作用，機理如圖9所示。圖9枝晶臂發生熔斷示意圖半固態漿料攪動時的組織演變受很多因素影響，半固態漿料的溫度、固相分數和剪切速率是三個基本因素。第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日枝晶臂彎曲機制。此機制認為，位錯的產生并積累導致塑性變形。在兩相區，位錯間發生攀移并結合成晶界，當相鄰晶粒的傾角超過20°時，界面能超過固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而使枝晶臂從主干分離。注：以上三種機制都有一定的依據，但附加位錯如何發生恢復和再結晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必要的試驗依據，因此，金屬半固態組織的演變機制還有很多基本理論及技術問題需要解決。第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(2)半固態金屬的力學行為

下表為用不同加工方法獲得的A356鋁合金的力學性能，從表中可以看出，半固態金屬加工技術的優越性。如觸變成形并在T6狀態下的性能較金屬型鑄造所獲得的合金有更好的力學性能，并與鍛件的性能相近。合金加工方法熱處理狀態屈服應力/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%硬度/HBA356(Al7Si0.3Mg)SSM鑄態1102201460SSMT41302502070SSMT51802555~1080SSMT624032012105PMT6186262580PMT511381862——CDFT62803409——注：SSM為半固態加工；PM為金屬型鑄造；CDF為閉模鍛造第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日幾種鑄造方法鑄件性能比較第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日3、金屬半固態的制備方法

金屬半固態漿料或坯料的制備是半固態成形加工的基礎，目前半固態漿料或坯料的制備方法很多，常用的方法是有電磁攪拌法和機械攪拌法。(1)電磁攪拌法電磁攪拌法是利用感應線圈產生的平行于或者垂直于鑄型方向的強磁場對處于液-固相線之間的金屬液形成強烈的攪拌作用，產生劇烈的流動，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進行半固態漿料或坯料的制備。

優點：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以連續生產流變漿料或連續鑄錠坯，產量可以很大。

缺點：直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法生產。影響因素：攪拌功率，攪拌時間，冷卻速度，金屬液溫度，澆注速度電磁攪拌示意圖？第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日電磁攪拌電磁攪拌垂直半連續鑄造示意圖1.中間包底口2.結晶器引流口3.水室隔墻4.冷卻水室5.結晶器陶瓷內襯6.結晶器外壁7.坯料的固液前沿8.攪拌器9.坯料10.引錠底托11.引錠桿12.引錠機13.引錠絲杠

電磁攪拌是工業制備鋁合金半固態坯料的主要工藝方法，與連鑄相結合進行高效率坯料連續制備。第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日電磁攪拌水平電磁攪拌連續鑄造示意圖1.拉撥機構2.坯料3.攪拌繞組4.冷卻水閥5.攪拌控制器6.流量控制器7.澆口盆8.中間包9.熔化爐10.導流管11.陶瓷環12.冷卻水箱13.結晶器第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(2)機械攪拌法該方法利用機械旋轉的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態金屬流變漿料。

優點：攪拌裝置結構簡單、操作方便。

缺點：攪拌棒材質要求嚴格，易造成合金污染。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉速。機械攪拌示意圖(3)應變誘導熔化激活法（SIMA）再對熱態擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲存部分變形能力。按需要將經過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區并適當保溫，即可獲得具有觸變性的球狀半固態坯料。將該金屬錠坯在回復再結晶的溫度范圍內進行大變形量的熱態擠壓變形，通過變形破碎鑄態組織。利用傳統連鑄方法預先連續鑄造出晶粒細小的金屬錠坯。第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(4)液態異步軋擠法原理：利用一個極限旋轉的輥輪把靜止的弧狀結晶壁上生長的初晶不斷碾下、破碎，并與剩余的液體一起混合，形成流變金屬漿料，是一種高效制備半固態坯料的方法。(5)超聲振動法原理：利用超聲機械振動波擾動金屬的凝固過程，細化金屬晶粒，獲得球狀初晶的金屬漿料。(6)粉末冶金法原理：首先制備金屬粉末，然后進行不同種類金屬粉末的混合，再進行粉末預成形，并將預成形坯料重新加熱至半固態區，進行適當保溫，即可獲得半固態金屬坯料。要求粉末的粒度十分細?。〉诙屙?，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(7)傾斜冷卻板制備法原理：如圖10所示，金屬液通過坩堝傾倒在內部具有水冷卻裝置的冷卻板上，金屬液冷卻后達到半固態。，流入模具中制備成半固態坯料。圖10傾斜冷卻板制備半固態坯料的工藝及設備圖第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日4、半固態金屬觸變成形(1)觸變射鑄工藝及設備

觸變射鑄(Thixomolding)由美國的Dow公司開發的，1992年由日本引入并完成成形機的研制開發。圖11為Thixomolding工藝的簡圖，其設備由原料入料與預熱裝置、螺旋注射機、加熱裝置以及壓鑄機等部分組成。圖11Thixomolding工藝簡圖設備特點：原料進入料斗后邊加熱邊剪切攪拌，最后形成半固態的狀態再射入模具中；半固態漿料的固相分數可控性強，成形件質量高、性能穩定螺旋機內密閉性好，在成形過程中不需要嚴格的保護性氣氛進行保護，僅在投料口處用少量的Ar氣保護即可。第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日Thixomolding成形件的特點：表面質量和內部質量改善；成形件尺寸精度提高；力學性能提高；耐蝕性提高；可精密成形薄壁件表2三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件的力學性能比較材料成形方法屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%AZ91DThixomolding18029910模鑄1602303AM60BThixomolding14727818.8模鑄11423911.6ZM50AThixomolding13926920模鑄11223213第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(2)觸變壓鑄(Thixo-casting)瑞士BüHLER公司推出的觸變壓鑄設備

與普通壓鑄成形工藝相比，半固態壓鑄具有成形溫度低，凝固時間短，成形周期短，部件質量好，微觀組織均勻，高度自動化等優點。第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日半固態觸變壓鑄成形件第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(3)觸變鍛造(Thixo-forging)

觸變鍛造是將半固態金屬坯料移入鍛壓模具內，然后模具的一部分向另一部分運動并加壓成形，其原理如圖12所示。圖12觸變鍛造原理半固態鍛造成形的優點：

顯著降低鍛造過程中的變形抗力，擴大了復雜成形件的范圍，可實現近終成形(如薄壁件、底切槽件、孔形件和刃形輻射件等)，顯著減少工藝環節，加工成本低，切削量少，材料利用率高。第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日半固態鍛壓成形件第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(4)觸變擠壓(Thixo-extrusion)

觸變擠壓是將半固態金屬坯料移入擠壓腔內，然后通過模具孔擠出成形，其原理如圖13所示。觸變擠壓成形的優點：

顯著降低變形抗力，擴大了復雜件成形件的范圍，改善了產品的成形性，Al、Mg輕質高強合金、MMC以及鋼等都可以擠壓成形。圖13觸變擠壓原理圖第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日(5)觸變軋制(Thixo-rolling)

觸變軋制是將半固態金屬坯料送入軋輥輥縫中進行軋制成形的方法，其原理如圖14所示。觸變擠壓成形的特點：在半固態金屬坯料的固相分數很高時(如80%以上)，其變形與熱軋時的情況基本相同，板坯內的固相和液相變形均勻，可得到沿板厚方向固相顆粒均勻的產品。但當固相分數較低時(如70%以下)，則變形時會出現固液相偏析。圖14觸變軋制成形原理示意圖第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日5、半固態