半固態(tài)金屬成形技術的研究進展*

羅曉強，李正陽，燕青芝

(1.北京科技大學，北京 100083；2.中國科學院 力學所，北京 100190)

半固態(tài)金屬成形技術的研究進展*

羅曉強1，2，李正陽2，燕青芝1

(1.北京科技大學，北京 100083；2.中國科學院 力學所，北京 100190)

半固態(tài)金屬漿料成形是通過控制金屬材料在固—液共存狀態(tài)下所特有的流變特性而進行成形的一種金屬制備技術。半固態(tài)漿料中的固態(tài)初生晶粒有優(yōu)良的流動性，可以采用擠壓、壓鑄和模鍛等加工方法制備產品，半固態(tài)漿料成形技術是一種節(jié)能、高效的生產加工技術，應用前景廣闊。綜述了半固態(tài)漿料制備技術出現以來的研究成果，包括半固態(tài)漿料的成形機理、半固態(tài)成形的條件和晶粒細化控制機理等，并對半固態(tài)漿料制備技術進行了展望。

半固態(tài)；漿料；制備技術

半固態(tài)金屬成形技術(Semi-solid Metal Processing)[1]，是指當金屬處在相圖中的固—液相線之間溫度時，采用攪拌、加入晶粒細化劑等辦法改變金屬的熱狀態(tài)和固相的形核及長大過程，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的混合漿料，利用混合漿料進行加工成形的工藝技術[2-4]。半固態(tài)金屬漿料中的固態(tài)初生晶粒通常以細小、近球狀的非枝晶組織形式懸浮在液相中，漿料在加工過程中表現出良好的流變性和觸變性，通常采用壓鑄、擠壓和模鍛等方法進行加工成形[5-6]。

1971年，麻省理工學院D.B.Spencer博士和其導師M.C. Flemings教授用部分凝固的Sn-15%Pb合金熔體研究鑄造過程時，發(fā)現熔體結構的初生固相呈球狀，由此開創(chuàng)了半固態(tài)金屬成形技術和理論[7]。美國的Alumax公司于1978年率先用電磁攪拌技術生產半固態(tài)鑄錠，建設了世界上第1條觸變成型生產線；瑞士Buehler公司于1993年用半固態(tài)壓鑄設備進行汽車零件加工；德國的EFU、法國的Pechiney SA和意大利的Fiat等公司也先后采用了半固態(tài)加工技術[8-9]。

半固態(tài)漿料的制備主要在固體與液體兩相之間進行，在生產中較寬的固—液溫度區(qū)間利于加工，如鋁合金、銅合金、鋅合金、鎂合金以及鐵合金等[10-12]，合金在兩相間成形兼具了凝固組織和塑性變形的優(yōu)點，其力學性能明顯得到提升。合金成功地應用到商業(yè)領域，如用半固態(tài)鋁合金制備泵體、掛架、壓縮機活塞、氣缸頭和輪轂等[13-14]。

半固態(tài)漿料成形方法有流變成形和觸變成形2種：流變成形是半固態(tài)漿料直接成形；觸變成形是將半固態(tài)漿料凝固成坯體，再加熱后加工成形。流變成形由于工藝流程短，生產效率高，可以制造尺寸精確、形狀復雜和沒有內部孔隙的高可靠性零件[15]，因此，受到研究和應用領域的普遍關注。美國康乃爾大學提出的單螺旋機械攪拌式流變成形技術[16]，英國Brunel大學開發(fā)的雙螺旋機械攪拌式流變成形技術[17]和日本Hitachi金屬有限公司的Shibata等提出的射室制成形技術[18]，這些技術工藝流程短，生產效率高，可以制造尺寸精確、形狀復雜和沒有內部孔隙的高性能零件。與流變成形相比，觸變成形過程中半固態(tài)坯料的加熱和輸送工藝較為方便，易于實現自動化操作，解決了半固態(tài)金屬漿料制備與成形的銜接問題，半固態(tài)金屬的觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變擠壓等[19]已經進入應用階段。

1 半固態(tài)漿料組織的形成機理

半固態(tài)組織的成形過程伴隨復雜的物理化學作用，在形核長大過程中，包括枝晶的破碎、磨合、熔斷和黏合等過程。

1.1 枝晶機械斷裂機理

在20世紀70年代，在Flemings等用攪拌法對半固態(tài)組織的研究中，提出了枝晶機械斷裂機理。枝晶在長大過程中受到攪拌剪切力的作用和熔體的劇烈沖刷，枝晶臂受力斷裂脫落，形成了新的核心，枝晶本身在液體的沖刷下向薔薇狀轉化，最終形成近球形組織。演化過程如圖1所示。邢書明等[20]觀察到類似的試驗現象，Young等[21]通過計算機模擬發(fā)現，攪拌引起的流動液體使枝晶臂反復扭折和發(fā)生塑性變形會引起枝晶臂根部產生應力集中，因而枝晶臂容易發(fā)生機械斷裂破碎，枝晶的演化一般是沿枝晶到玫瑰晶再到球狀晶的路線進行。

圖1 強烈攪拌條件下晶粒演化示意圖

1.2 枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷機理

Vogel等[22]提出枝晶臂彎曲機理。金屬凝固初期，晶體以枝晶形式存在，枝晶在高溫下較軟，容易變彎而不易斷裂。晶界的熔化會使彎曲的枝晶臂從枝晶主干上脫落下來，形成非枝晶態(tài)。Ji等[23]也對Vogel的試驗進行了研究，認定枝晶臂的彎曲是可能的。Apaydin等[24]也提出了在后續(xù)的再結晶過程中，被液體潤濕而斷裂是由于枝晶臂彎曲形成大量位錯的非枝晶組織，枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷演化是沿未變形枝晶、枝晶彎曲、晶界變形和新的晶界形成到晶界被潤濕的路線。枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷機理示意圖如圖2所示。

圖2 枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷機理示意圖

1.3 枝晶臂根部熔斷機理

Hellawellt等[25]提出了枝晶熔斷機制。攪拌使熔體發(fā)生紊流，加速了溫度在固—液兩相界面的波動，枝晶進入高溫區(qū)后，局部就有可能發(fā)生重熔而與枝晶脫離。采用電磁攪拌法制備半固態(tài)金屬漿料中，能觀察到大量薔薇晶二次臂根部出現頸縮現象，通常采用枝晶臂根部熔斷機理解釋枝晶斷裂的原理。枝晶臂根部熔斷沿枝晶臂部熔斷、成核到晶核的近球形生長。枝晶臂熔斷機理示意圖如圖3所示。

圖3 枝晶臂熔斷機理示意圖

1.4 晶粒再結晶機理

鑄態(tài)合金受力會使合金內部儲存一定的變形能，當變形的合金受熱時，熱能會使合金組織發(fā)生回復和再結晶。隨著溫度不斷升高，形成的亞晶粒會合并和長大，當溫度超過共晶溫度的下限后，在晶界和亞晶界之間會出現液相溫度持續(xù)升高而導致液相量不斷增加，晶粒之間和亞晶粒之間會相互分離，獨立形成顆粒。溫度的升高和保溫時間的延長將使顆粒的尖角部分逐漸熔化，顆粒變?yōu)橐?guī)則圓整，形成規(guī)則的半固態(tài)組織。晶粒再結晶演化沿晶粒變形、亞晶粒、液相潤濕到再結晶。

2 半固態(tài)成形技術的特點

半固態(tài)成形金屬在固—液兩相共存的半固態(tài)溫度區(qū)間實現金屬成形，凡是有固液兩相區(qū)的共晶合金都能形成兩相區(qū)間。半固態(tài)加工可以結合傳統(tǒng)的鑄造、鍛壓、擠壓和鑄軋工藝來實現生產的規(guī)?；?，半固態(tài)成形件的優(yōu)異性能帶動了金屬半固態(tài)成形技術在汽車行業(yè)的快速發(fā)展，近年來半固態(tài)金屬零件在汽車領域已經替代了大量的鑄造和鍛造零件。

半固態(tài)成形技術特點如下：1)半固態(tài)漿料相比液態(tài)金屬黏度更高，流動成形時能夠實現無湍流平穩(wěn)充型，不發(fā)生噴濺，卷入的氣體少，鑄件組織致密氣孔少；2)半固態(tài)漿料的流變性和觸變性較好，進行加工時變形抗力較小，可以在低消耗下生產結構復雜的構件，偏析缺陷少，制品的力學性能顯著提升，易形成合金結構，達到金屬鍛壓構件的力學要求；3)成形件的溫度低，不但減輕了充型過程對模具的熱沖擊力，延長了模具壽命，而且由于半固態(tài)漿料中的部分固相存在，降低了凝固收縮率，提高了成形件表面質量和尺寸精度；4)半固態(tài)漿料凝固時間相比液態(tài)金屬熔體較短，便于生產效率的提高。

3 半固態(tài)成形技術在材料制備中的應用

半固態(tài)材料制備的成形工藝主要有流變鑄造、觸變鑄造、觸變鍛造、半固態(tài)軋制和射鑄成形，觸變鑄造應用最廣，觸變鑄造包括非枝晶錠料的制備、再次加熱和擠壓成形3個步驟。

市場的需求是商品生產和技術發(fā)展的源動力，在軍事、航空、電子以及消費品領域，鋁鎂合金的半固態(tài)壓鑄、模鍛及注射成型得到了快速的發(fā)展。利用半固態(tài)金屬加工方法能夠生產形狀復雜的零部件,像汽車用制動缸體、空調設備部件、轉向與傳動系統(tǒng)零件、活塞、機器人的手臂,以及航空航天上使用的電子器件的連接部件等，這種半固態(tài)鍛鑄件包括許多鍵、銷和定位裝置,其公差精度等同機械加工精度。

4 結語

半固態(tài)金屬成形技術是工業(yè)發(fā)展的一個新領域，尤其是航天航空、軍工和汽車工業(yè)等行業(yè)向著輕量、節(jié)能、優(yōu)質、安全的方向發(fā)展，給半固態(tài)金屬成形技術帶來了廣闊的市場。福建瑞奧麥特輕金屬公司已成功地把半固態(tài)成形技術運用在汽車部件及電子等領域。發(fā)揮半固態(tài)成形技術的優(yōu)點，加強半固態(tài)成形技術的基礎理論和工藝控制的研究，是未來半固態(tài)成形技術的發(fā)展方向。

[1] Flemings M C．Behavior of metal and alloys in the semi-solid state[J]．Metallurgical Transaction, 1991, 22A(6):975-981.

[2] Rice C S, Mendez P F, Brown S B, et al. Metal solid freeform fabrication using semi-solid slurries[J]. JOM, 2000, 52(12):31-33.

[3] Wu S S, Xie L Z, Zhao J W, et al. Formation of non-dendritic microstructure of semi-solid aluminum alloy under vibration[J]. Scripta Materialia, 2008, 58(7):556-559.

[4] Flemings M C. Behavior of metal alloys in the semi-solid state[J]. Metallurgical Transactions B, 1991, 22(3):269-293.

[5] Chao Y P, Qi L H, Xiao Y, et al. Manufacturing of micro thin-walled metal parts by micro-droplet deposition[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(2):484-491.

[6] Flemings M C, Mehrabian R. Casting semi-solid metals[J]. AFS Tram, 1973, 81:81-88.

[7] Fan Z. Semisolid metal processing[J]. International Materials Reviews, 2002, 47(2):49-85.

[8] Flemings M C, Riekrg Youngkp. Rheocasting[J]. Materials Science and Engineering, 1976, 25:103-117.

[9] Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Rheological behaviour of Sn-15%Pb in the crystallization range[J]. Metallurgical Transactions, 1972, 3(7):1925-1932.

[10] Camacho M A, Kapranos P, Atkinson H V. Proceedings of the 7thInternational Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites[C].Japan：Tsukuba，2002.

[11] Han Q Y, Viswanathan S. The use of thermodynamic simulation for the selection of hypoeutectic aluminium-silicon alloys for semi-solid metal processing[J]. Materials Science and Engineering, 2004, A364:48-54.

[12] Tzimas E, Zavaliangos A. Materials selection for semisolid processing[J]. Mater. Manuf. Process, 1999, 14(2):217-230.

[13] Liu Y Q, Fan Z, Patel J. Proceedings of the 7thInternational Conference on Semi. Solid Processing of Alloys and Composites[C]. Japan：Tsukuba, 2002.

[14] Ji S, Fan Z, Bevis M J. Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomolding process[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 299A: 210-217.

[15] Shibata&Kaneuchi T，Soda T，et al．Kirkwood D H， KapranosP, Proc of the 4th Int Conf on Semi-solid Processing of Alloys and Composites[C]. University of Sheffield,England, 1996.

[16] Kaumfann H，Mundi A，Uggowizetr P J．An update on the new rheocasting development work for AI-Mg alloys[J]. Die Casting Engineer, 2002(4): 16-19.

[17] Yurko J A，Martinez R A，Flemings M C．Tsutsui Y Kiuchi M，Ichikawa K，Proc of the 7th Int Conf on Semi-solid Processing of Alloys and Composites[C]. Japan:Tsukuba, 2002.

[18] Decker R F, Carnaban R D, Vining R, et al. Progress in thixomolding[C]//Proceedings of the 4thInternational Conference on Semi-solid Processing of Alloys and Composites. Sheffield:England, 1996:221-224.

[19] Witulski T, Winkelmann A, Hirt G. Thixoforming of aluminum components for light weight structures[C]//Proceedings of the 4th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Sheffield:England, 1996: 242-247.

[20] Tzimas E, Zavaliangos A. Evaluation of volume fraction of solid in alloys formed by semisolid processing[J]. Journal of Materials Science, 2000, 35: 5319-5329.

[21] Yang Z, Zhang H E, Wang A M, et a1. The effect of hydrostatic stress gradient and the variation of shear strain on the segregation of liquid phase[J]. Materials Science & Technology, 2003, 19: 209-212.

[22] Vogel A, Doherty R D, Cantor B. Proceedings of International Conference on Solidification[C]. London:University of Sheffield, London, 1979.

[23] Ji S. The fragmentation of primary dendrites during shearing in semisolid processing[J]. Journal of 163 Materials Science, 2003, 38: 1559-1564.

[24] Apaydin N, Prabhakar K V, Doherty R D. Special grain boundaries in rheocast AI-Mg[J]. Mater Sci Eng, 1980, 46(2): 145-150.

[25] Hellawell A. Procof the 4th Int. Conf. on Semi-solid Processing of Alloys and Composites[C]. London:University of Sheffield, 1996.

*國家自然科學基金資助項目(51341009)

責任編輯鄭練

TheResearchProgressofSemi-solidMetalFormingTechnology

LUO Xiaoqiang1,2, LI Zhengyang2,YAN Qingzhi1

(1.University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190, China)

The semi-solid metal slurry forming is a kind of metal preparation technology which by controlling the solid-liquid coexistence of rheological properties and forming in the process of the metal solidification. The solid primary grain of the semi-solid slurry has good mobility, can preparation products through the processing methods of extrusion, die casting, die forging, Semi-solid slurry forming technology is a kind of energy-saving and efficient production and processing technology and have broad prospects. The research achievements of semi-solid slurry preparation technology is reviewed, including forming mechanism of semi-solid slurry, semi-solid formation conditions and mechanism of grain refinement control and so on, and commented the semisolid slurry preparation technology.

semi-solid, slurry, preparation technology

TG 441.8

：A

羅曉強(1976-)，男，博士，主要從事半固態(tài)材料加工技術等方面的研究。

燕青芝

2015-01-13