半固态成形技术及应用.doc

天津理工大学2013材料成型及控制工程《材料成型研究与创新前沿》作业
半固态成形技术及应用

摘要
介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜
坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。

关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟

0引言
20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们一直沿用至今。
半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：①半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③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，完成复合材料制备和成形；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺[2]，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。
半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提高生产率和降低成本的目的。
半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。半固态金属成形制品的主要市场是汽车工业，如空压机、制动器、发动机、燃料供给装置、悬挂装置及汽车轮毂等。由于制品质量优异，大量用于安全性能要求较高的地方。另外，在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛的用途。而我国的半固态金属加工技术起步较晚，开始于20世纪70年代末。直到90年代以后，随着国内轿车工业的发展，先后有以下高校和科研机构开展了这方面的研究：兰州理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、上海交通大学、清华大学、东北大学以及华中科技大学等[3]，并取得了可喜的进步。
1半固态成形的科学含义
1.1科学含义
半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态转变时固液共存的特性，在成形中降低了加工温度，例如铝合金，与铸造相比，加工温度可降低120℃ ；变形抗力小，可一次加工形状复杂、精度要求高的零件。这些特性，为零件近净成形实现，提供了一条新途径。
半固态加工应该是一个温度概念，即从合金相图上所看出的，该加工是在固一液温度区间内完成并未涉及合金在固一液温度区间内完成，并没有涉及金属在半固态区间处何种组织状态和持某种特性，即所谓流变性和触变性。由半固态加工的名称起源可知，半固态加工，不仅是温度的函数，而且是组织的函数，更确切说是性能函数[4]。
1.2半固态在相图中的位置
图1是二元系共晶合金状态图的一部分，化学组成为A的合金在液相线温度TL以下，在固相线温度(这里指共晶温度)TS以上的温度区域里，固相与液相共存，即处于半固态[5]。在这个范围中的温度T下，合金为保持平衡状态，由成分为A'的固相和成分为A"的液相以a:b之比共存，这就是合金的半固态区。

图1 合金的半固态区
2半固态浆料制备
半固态坯料的制备就是采用一定手段使半固态浆料中的固相以球状或椭球状颗粒分布于液相中，目前采用的方法有以下几种:
2.1 机械搅拌法[6]
机械搅拌时搅拌叶片与金属熔体直接接触，设备构造简单、工艺参数容易控制。机械搅拌过程中可以获得很高的剪切速率，利于形成细小的近球形微观结构，但是搅拌槽内部往往存在搅拌到的死区，影响浆料的均匀性，搅拌叶片的腐蚀以及它对半固态金属浆料的污染，都会对坯料质量带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态金属浆料固相颗粒尺寸在50一1001μm之间。
2.2 电磁搅拌法[7]
电磁搅拌属于非接触式搅拌技术，利用电磁感应力将初生的枝晶破碎，工作原理如图2所示，其特点是金属液纯净，适用于高熔点合金和大批量生产。但由于感应电磁力从熔池边界到熔体中心逐渐衰减，当熔融金属四周有凝固外壳形成时，搅拌效果大大减弱，因此不适合制备大尺寸的半固态金属锭料。同时，电能消耗大，能源供给和搅拌器定子等装置体积大。电磁搅拌与连铸设备相结合可以为后续触变成形连续生产锭料。

图2 电磁搅拌法

2.3 应变诱导熔化激活技术[8]
应变诱导熔体活化法(strain induced meltactivation, SIMA)的工艺过程是，首先制备铸锭，然后对铸锭进行大的挤压变形，以获得晶粒细小的SIMA原料，再将铸锭加热到固液两相区，进行半固态成形。SIMA的关键是如何对铸锭进行大的挤压变形，以获得细小晶粒组织的铸锭。
2.4 冷却斜坡法[9]
冷却斜坡法的工作原理如下:熔体首先流过冷却斜坡，产生局部降温、强烈滚动和翻转，再注人铸型，产生强烈的搅拌;然后通过控制铸型温度，使金属液冷却到半固态温度后保温;当达到要求的固相体积分数时，再进行流变成形或触变成形。
2.5 双螺旋流变注射成形法[10]
双螺旋流变注射成形法工作原理如图3所示，双螺旋挤压器本身就是半固态浆料制备器，液态金属在双螺旋挤压器制备成半固态浆料，进入压室后通过活塞形成一定的挤压力和挤压速度，挤入模具中使半固态浆料成形。

图3双螺旋流变注射成形法
2.6 其他方法
Flemings等提出的新MIT工艺。在快速热释放的同时对合金进行搅拌，使合金在半固态区进行短时间缓慢冷却或处于绝热状态，最后将合金冷却到指定的温度进行成形。获得半固态金属浆料的方法还有剪切冷却法、晶粒细化热处理法、喷射沉积法、超声振动法、粉末冶金法等，但这些方法目前还处于实验研究阶段，尚不能投入工业化生产应用。
3 金属半固态成形工艺
当前，金属半固态成形的基本工艺方法可分为流变成形和触变成形。流变成形是利用流变浆料直接进行成形。而触变成形是将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热至金属的半固态温度区， 这时的金属锭称为半固态金属坯料，再利用金属的半固态坯料进行成形加工。
3.1 半固态金属的触变成形
3.1.1触变注射成形
触变注射成形工艺（ 图 4）是由美国Dow Chemical公司开发的技术,1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发,现在是半固态加工领域中最成功、应用最广的技术之一。触变注射成形技术采用了一种所谓 “一体化”的成形方式,将压铸和注塑工艺合二为一,其中模具和成形材料与压铸工艺相似，而工艺过程接近于注塑成形。此外，该方法集半固态金属浆料的制备、输送和成形过程于一体，较好解决了半固态浆料的保存和输送难题，提高了生产效率。

图4 触变注射成形

该设备由原料料斗、预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等组成。触变注射成形过程首先将碎化的颗粒状原料，由料斗送入高速螺旋注射机进行加热、搅拌到半固态状态，在靠近喷嘴端处，将半固态浆料温度控制在固相线温度以上，最后通过喷嘴将半固态浆料高速注射到压铸模具中，凝固成形得到成形件。
3.1.2 触变挤压
仿照 Thixomolding 模型产生了触变挤压成形工艺[11]（ 图 5）。触变挤压成形是注塑和挤压成形过程的结合。半固态浆料的二次加热类似于注塑成形，而模具则为挤压成形模具。

图5 触变挤压成形

这种成形方法为许多难于铸造和塑性加工的特殊材料，如金属基复合材料、脆性材料和易偏析材料。该工艺是将半固态坯料由料口进入二次加热室，经过加热处理，使半固态坯料变成浆状， 然后流入搅拌器，搅拌后，在液态金属中均匀悬浮着一定固相组分的固液混合体，最后通过模具型口得到理想形状的材料。
3.1.3 触变锻造
1994年，斯图加特大学的成形技术学院（IFU)开始了对铝、黄铜等金属的触变锻造研究，将半固态金属坯料移入锻压模具内，利用感应加热器进行二次加热，使半固态坯料处于具有成分确定且均匀的液态和固态之间，然后模具的一部分向另一部分运动并加压成形，其成形原理及半固态金属向模具型腔流动的情况如图6所示。

图6 触变锻造
半固态锻造成形的优点是扩大了复杂成形件的范围，因半固态金属的流动性好，又易于控制，可准确称量，所以锻造耗能低，切削量少，材料利用率较高。
3.2 半固态金属的流变成形
3.2.1 螺旋式半固态流变成形
美国 Cornell大学 Wang KUO K等人应用注射成形原理研制了流变射铸成形技术
（ 图 7）,将高温液态合金通过进料口注入到搅拌室，液态合金在重力和螺旋杆的搅拌作用下，缓慢冷却，形成半固态浆料， 当在注射口堆积一定体积时，由注射装置注射成形[11}。

图7 流变射铸成形

3.2.2 锥桶式半固态流变成形
北京科技大学的孙建林等人利用金属浆料通过旋转的斜锥形内外筒之间的缝隙时， 受到剧烈剪切应力场作用的原理，成功地研制开发了一种新型的具有独特结构的半固态金属浆料制备与直接流变成形装置——锥桶式半固态流变成形装置[12](图8)。

图8 锥桶式半固态流变成形装置

半固态浆料制备与流变成形装置主要由送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置和气体保护系统构成。 剪切机构由内、外两个同心圆锥筒构成，其内筒由电机带动转动，外筒固定，通过调整内筒转速和升降内筒高度 （ 即调整内、外筒之间的缝隙），使半固态金属浆料在内、 外筒缝隙之间受到剧烈剪切作用，从而制备出晶粒细小、组织均匀的半固态金属浆料，可进行后续的压铸、挤压、压轧或锻造加工。

3.2.3 流变铸轧[11]
半固态镁合金板带连续铸扎是比较典型的触变铸轧成形工艺（图9）。触变铸轧是对半固态金属进行铸轧成形，是将铸造和热轧两种工艺合为一体，让铸轧辊把熔融浆料的大量热能带走，使浆料在很短时间内完成铸造结晶过程，同时，又对已形成铸造组织的镁板进行了压力加工。

图9 流变铸轧

通常，流变铸轧包括3个工序，首先先将合金原料加入到电阻坩埚中加热熔化，进行质变处理。其次，在室温下，待温度降至固液两相区温度时，对熔体进行机械搅拌，生成半固态浆料。最后，在固相线温度以上，将半固态浆料导入铸轧辊进行铸扎成形。

3.2.4 低过热度倾斜板浇注式流变铸造[11]
非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术,是一种全新的流变铸造工艺(图9)，与机械搅拌和电磁搅拌依靠外力来打碎枝晶,而获得球形非枝晶不同，它是直接从球形晶粒形核、长大的热力学和动力学条
件着手，获得球形晶粒。

图9 低过热度倾斜板浇注式流变铸造

其工艺过程首先是降低浇注合金的过热度，将合金熔体流入收集坩埚，再向坩埚中吹气，让金属液慢慢冷却凝固，这时候在金属液中产生球状的初生固相，均匀的分布在低熔点的残余液相中，最后对收集坩埚中的合金浆料进行温度调整和翻转，使获得尽可能均匀的温度场和固相分数，最后，可进行后续的压铸、挤压或锻造加工。
从整个工艺流程，这种新型制备方式简单，且便于控制，是金属半固态成形的新思路。
3.3 注射成形
注射成形是直接把熔化的金属液冷却至适宜的温度，并辅以一定的工艺条件压射入型腔成形，该方法类似于塑料的注射成形法。其工作原理是
由普通铸锭利用专用的装置以机械的方式切成3一6mm的粒状，在室温下通过料斗送入高温螺旋混合机，当金属加热到半固态后进入定量触变浆
料收集器，通过喷嘴高速射入压铸模内，凝固后得
到制品，目前应用最成功的是AZ91D。
3.4流变成形与触变成形的对比[13]
经过研究者30多年的研究，半固态成形技术经历从流变成形到触变成形然后再到流变成形这样的发展历程。以前。半固态合金浆料的制备技术得到限制，并且浆料的保存、输送极为不便，流变成形技术发展速度相对很慢。而触变成形技术中半固态浆料的输送以及半固态坯料的加热是极为便利的，而且极易实现自动化．所以半固态金属触变成形技术是当时半固态成形技术中最广泛应用的工艺手段．如被用于铝合金的触变压铸、锻造和镁合金的触变射铸。伴随着触变成形技术的工业化实际应用，使用者也发现了很多缺陷。
(1)触变成形技术主要利用电磁搅拌法生产半固态坯料，以前的电磁搅拌功率大、能耗高、效率低、装置设备投资大，生产成本高，并且电磁搅拌制备的半固态浆料成分与微观组织不均匀。
(2)电磁感应加热半固态浆料损耗能源大，浆料表面极易被氧化。影响使用性能。
(3)坯料的切分和二次加热过程中的会有材料的流失．浇注系统以及废品也不能马上回收再利用，必须经过重新处理之后才可以进行二次利用．这样势必增加生产成本。
性价比是使用性能和成本之间的比例，也是决定半固态成形技术在工业生产上的决定性因素。因此工艺流程较长和生产成本较高的触变成形技术并不足以充分体现半固态成形技术的诸多优点．所以触变成形技术并不一定有着远大的发展前途。因此，工艺流程长．生产成本高的半固态触变成形技术已不能完全体现出半固态金属加工成形的诸多优点。因此，流变成形技术具有环保、节能、工艺流程短、回炉料可以马上使用等优点．所以半固态铝合金流变成形技术已经成为加工半固态金属技术的研究主题。目前对于镁合金，成熟的半固态金属成形技术只有流程长、成本高的触变成形．因此研究工艺流程更短、更经济的流变成形技术并进行工业推广具有重要的经济意义。

4半固态成形计算机模拟技术[10]
4.1模拟技术进展
半固态金属在压力作用下具有良好的流变性和填充性，但变形过程非常复杂，目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元或有限差分软件平台上进行。Zavaliangos在商业软件FLOW一3D上应用简化的数学模型，采用有限元法对Sn一15%Pb半固态材料的流变行为进行模拟，导出了固相和液相的连续性方程。
Kapranos利用FLOW一3D软件分别对半固态铝合金挤压成形进行了模拟，并与实测压力一时间曲线进行了比较，揭示了粘度、应变速率和时间相互之间的密切关系。
4.2 模拟方法
半固态成形的充型过程模拟主要有以下几种方法:
(1) SIMPLE法SIMPLE法又称压力连续方程的半隐式方法，该方法由Patankar提出，可以用来计算非定域、不稳定速度场。
(2) MAC与SMAC方法MAC ( marker afvd cell)方法由美国Los Alamos国家实验室提出，基于有限差分网格，将动量守恒方程和连续性方程进行离散，并将二者合并成一个与压力有关的泊松方程，通过动量守恒方程和泊松方程的迭代，求解出流动的速度场和压力场。
(3) SOLA一VOF法SO LA一VOF(solution algorithm一volume of fluid)法由Los Alamo s科学实验室提出，求解速度场及压力场时，每个计算单元的校正压力直接由连续性方程计算出的速度求出，然后校正速度场。
(4)SOLA一MAC法SOLA一MAC法在求解流动问题时，利用SOLA方法计算速度场和压力场，利用MAC方法中的标识粒子显示流动范围的变化，跟踪自由表面的位置。该方法可以得到速度分布图、流线图、环流的位置、对铸型材料的冲击和剧烈流动的范围等结果。
此外，还有数值计算方法和有限体积法、Fan法(flow analysis network method)、格子气流体动力学法等。20世纪90年代后还开发了连续统
一模型，适用于凝固区、固液两相区和液相区。
由于半固态合金触变性能的特殊性，目前还没有找到符合实际情况的真实物理模型和数学模型，借助铸造过程仿真软件进行研究的结果尚不能完全解释变形过程中的一些现象，还需要深入研究，需要把粘度模型、模具内的热交换及凝固等复杂过程加以综合考虑。
5工业应用现状[14]
在过去的二十年，随着航空、航天、船舰、现代交通、机械制造业快速发展，轻合金材料需求量越来越大，性能要求越来越高，并利用半固态成形技术工艺来近净成形轻合金制件。哈尔工业大学罗守靖教授总结了我国半固态成形的发展现状。半固态加工方法能够生产形状复杂的零部件，半固态加工在镁合金产品的商业性生产主要是Thixomolding(触变射铸)工艺，在铝合金生产方面，进行生产的主要集中在半固态触变成形。北京有色金属研究总院已建成国内第一条年产300吨的铝合金半固态材料制备生产线，可批量生产A356、A390、7075、6061等多种合金牌号的半固态坯料，同时还可以进行半固态坯料制备、流变制浆机、二次加热专用加热设备等半固态加工成套设备的生产。北京交通大学n71利用半固态流变挤压技术成功地制造碳钢ZG230—450基座和低合金钢齿轮和箱体。南昌大学利用流变压铸技术实现了传统压铸专用合金如ADCl0的压铸。
在国外，英国康明斯公司利用半固态技术进行高品质零部件的生产，如增压涡轮发动机叶轮、自动变速器齿轮变速杆、引擎座，控制臂上、悬挂、发动机支架、柴油发动机泵体等。意大利Annalisa Pola采用半固态技术生产铅锑合金生产车用电池上的金属零件，以提高其机械性能和抗腐蚀能力[49|。泰国J．Wan—nasin气泡诱导半固态流变压铸工艺生产了转子盖、修复管接、修复脚适配器等零部件。
6总结
随着机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法的不断发展，数字化模拟技术的完善，半固态加工以广泛用于工业化生产。目前，金属半固态加工技术的发展方向主要是进一步简化工艺流程、降低加工成本和拓宽半固态加工技术的应用范围。作为 “ 21世纪的新一代金属成形技术”，相信半固态成形技术将会在21世纪的金属成形技术中占重要地位。

参考文献
[1] Flemings. M C. Behavior of Metal Alloys in the Semi-solid State. Met. Trans.
1991,22(B):269一293.
[2] 杨妮,葛正浩,任威，等．金属半固态成形工艺概述[J]．铸造技术,
2007，28(1)：142—145．
[3] 黄晓锋,梁艳,王韬,谢锐,曹喜娟,朱凯,田载友.金属半固态成形技术的研究进展[J]. 造装备与技术,2009,2(3): 6-8.
[4] 罗守靖,田文彤,李金平. 21世纪最具发展前景的近净成形技术—半固态加工[J]. 特种铸造及有色合金,
2001,1(64): 175-180.
[5] 蒋鹏,贺小毛.半固态成形的工艺概况与模具材料选用.模具技术,1998,(2):54-60.
[6] 康永林，毛卫民，胡壮麒，等.金属材料半固态加工理论与技术[M]. 北京: 科学出版社，2004.
[7] 张大辉，李志强，胡泽，等.半固态加工成形技术及其发展现状[J]. 航空制造技术，2002,11(3):28-31.
[8] 江海涛，李森泉.半固态金属材料的制备技术及应用[J]. 重型机械，2002，2 (1): 12-15.
[9] 王益志.半固态成形中的某些关键技术[J].特种铸造及有色合金，2001,9(增):192-194.
[10] 王羽,胡建华,龙安.半固态成形技术及其应用[J]. 中国机械工程,2006,10(17): 223-226.
[11] 杨妮，葛正浩，任威，李晓芳. 金属半固态成形工艺概述[J].铸造技术，2007，01(28):142-148.
[12] 孙建林，康永林，肖邦国，等.镁合金半固态材料成形与浆料制备工艺研究[J]. 稀有金属，
2004,(2): 104.
[13] 张毅，杨宇.半固态流变成形技术的应用与发展[J]. 铸造技术,2012,4(33): 456-459.
[14] 杨湘杰.半固态成形技术最新进展——第11届合金与复合材料半固态成形国际会议技术报告综述[A].特种铸造及有色合金 ,2010,10（30）：918-920.

15