1、半固态成形一、概述 一切金属材料在进行其它成形（轧制、锻造）之前都要经历液固相变的凝固过程。凝固过程研究与凝固技术的进展在冶金过程、材质控制中发挥着越来越大的作用，同时引发了各种新型材料及其加工工艺的诞生和发展。金属成形一直是在固态区或者液态区进行的，而人们对许多合金的凝固过程中的半固态区，尤其是金属动态凝固过程中的半固态区并没有给予足够的重视，直至半固态成形技术的发明。1.1 金属半固态成形（金属半固态成形（SSM）的定义）的定义 金属半固态成形（Semi-Solid Metal Forming/Processing）是指利用金属从固态向液态或者从液态向固态两相转变过程中的半固态区的金属具有
2、良好的流变特性而进行的金属成形。金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或者控制固液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮一定固相组分的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，也就是半固态金属加工技术。半固态成形的技术核心是使固液混合浆料或者坯料获得非枝晶组织，固相必须球化或者细化，合金组织一般含有10-100um的球形晶、近球形晶或者等轴晶。有的学者将金属半固态成形分成广义和狭义两个概念。狭义上的半固体成形是指首先通过外场或者内部物理化学作用制备半固态金属浆料或者非枝
3、晶坯料，然后将预先制备好的金属浆料或者非枝晶坯料冷却或者加热到半固态区进行成形；广义上的半固体成形是将常规铸造得到的固态金属坯料直接加热到半固态区所进行的成形，严格意义上应称为半熔融成型。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。优缺点：输送方便易于实现自动化半固态成形技术的三个关键环节 半固态金属材料的制备 二次加热 半
4、固态成形1.2 SSM的优缺点1.投资小，能耗小。由于半固态成形方便简捷，省去了熔化输送、浇注以及附加控制污染的设备，加工设备可小型化，因此高效社能，并且易于实现自动控制。这不仅减少了设备投资，而且改善了车间劳动条件。半固态成形时材料的变形抗力低，可以用较小的力成形较大的零件。试验证明，半固态轧制的轧制力仅是传统热轧的40%。半固态铸造铝合金比传统铸造铝合金可以节能35%。2.成形性能好，可实现短流程生产。半固态材料流动性能与变形性能良好，经过强烈搅拌的固相分数为40%-60%的半固态金属的表观黏度在0.1-10Pa.s之间，与黄油(0.1 Pa.s)、甘油(l Pa.s)及蜂蜜(10 Pa.
5、s)的表观黏度相当，仅比水或者液态金属的黏度高出2-4个数量级，表现出很好的流动性。与固态成形相比，半固态金属中存在液相组元，塑性变形机理不同于固态塑性成形。塑性变形主要是由于晶粒之间的旋转和相对滑移引起的，液相起到“润滑”作用，金属流动阻力显著降低，复杂的零件也可用很少的工步成形。由于半固态合金材料具有特殊的流变性能，易于加工成形，半固态铸造直接可以生产出精度较高的产品。与传统生产方法相比，半固态成形可实现近终形生产，提高了生产率、节约了原材料。与常规金属模铸造相比，半固态成形汽车零件生产率与成材率高的特点尤为突出。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
6、械加工相比，也具有生产率与成材率高的特点。3.产品性能好。金属半固态成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。A356与A&357合金半
7、固态压铸件与永久模铸件力学性能比较。可见，两种铸件的强度性能指标相当，而半固态压铸件的塑性指标远远高于永久模铸件。4.提高成形工具寿命。半固态合金的温度比全液态合金温压低，而且由于部分凝固已经释放，部分结品潜热，成形工具的工作温度低，因此，提高了成形工具的使用寿命，降低了生产成本。对大部分铝合金而言，半同态铸造温度比传统铸造生产时的铸造温度至少低70，铸模的使用寿命可提高25%铝合金半固态铸造温度比传统铸造温度最大可以降低1200 ，大大减轻了对模具的热冲击，模具使用寿命得到大幅度提高。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
8、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。半固态成形的主要缺点：(1)金属半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用范围，适合于半固态成形的合金需要具有足够大的半固态区间，并且固相率随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程的控制
9、。因此，液固相线区间范围小的金属不适合于进行半固态成形。例如？纯金属，共晶合金。(2)高熔点半固态材料的半固态成形工艺难以控制。由于高熔点金属对模具的热冲击作用强烈，模具的使用寿命低。另外，高熔点半固态浆料的制备与输送都比较困难。如利用机械搅拌制备钢的半固态材料时，搅拌棒容易损耗；而电磁搅拌制备钢的半固态坯料时，由于钢的密度大、熔点高、搅拌强度相对较小，而且导热性能不如铝合金，因此，制备半固态浆料需要的功率大，要求严格控制，目前对高熔点金属的半固态材料制备与成形技术的研究还不十分成熟。(3)工艺参数控制严格，不利于实现工业生产。由于半固态成形对固相率控制严格，这就要求温度及冷却条件等因素控制在
10、较小的波动范围内，这样对于工业生产的实现提出了更高的要求。同时，利用机械搅拌制备高固相率的半固态材料比较困难。另外，二次（重熔）加热技术是半固态成形技术中一个重要的技术环节，在二次加热过程中要求加热速度较快才能达到理想的效果，这样就对设备提出了更高的要求。因此，在工业生产中某个参数稍有波动，或者操作工人的疏忽等，都会对成形工艺有重大影响。因此，不但技术条件要求严格，而且对操作者的素质提出了更高的要求对操作者的素质一套严格的控制系统，并对工人的素质进行提高，才能较好地实现工业化生产。20世纪70年代，美国麻省理工学院D.B.Spencer等研究人员在测量Sn-15%Pb合金高温粘度时，发现金属在
11、凝固过程中特殊的力学行为。金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。1.3 SSM的发展历程 追溯金属半固态成形技术的发展历史，人们对它的认识经历了一 个从模糊到清晰的过程。实际上，早在1956年，日本北海道大学荻原和高桥两位教授就提出了铸模旋转浇注法。该方法使铸模以1OOr/min的速度转动，而在金属液中插入一根固定棒，通过流体的旋转提供的剪切力使生长在固定棒上的树枝品尖端破碎，从而使晶粒细化，改善组织，减少了
12、Al-Cu合金在凝固过程中枝晶偏析”。实际上这种获得细小非枝品组织的手段就是半固态成形技术中关键技术核心。虽然此后人们对合金组织细化时产品性能的影响有越来越高的重视，但是人们仍然局限于传统的金属成形模式，始终没有对金属在半固态条件下的特点与行为进行更多深入的研究。直到20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings与Spenrer等人发现了金属凝固过程中的特殊力学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变学性质，成功用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形，称之为流变铸造(Rheocasting)，他们首次明确提出了金属半固态成形的构想。继而M.Molenaar等人对半固态合金的流变与触
13、变行为进行了系统深入的研究并取得了大量的研究成果，使人们对半固态金属的特点与行为有了越来越深入的认识。Flemings等人的研究为金属半固态成形技术奠定了理论基础。在1978年，美国Alunmx公司的分部率先将半固态成形技术转化为生产力，建成了世界上第一条汽车零部件的触变生产线。20世纪80年代初，Cheng等人进行了用镍基超舍金IN-100的流变铸造法制造涡轮盘的研究。1985年，Alumax公司将有关半固态成形的专利技术向欧洲转让，生产Volvo、BMW和Audi等小轿车的铝台金零件。1988 1998年间，Alumax公司为Bendix轿车公司生产了200万件铝合金汽缸，为Ford汽车公
14、司生产J了1500万件铝台金压缩机活塞，成品率几乎为100%。近20年来，半周态成形技术得到了快速发展，1990-2004年先后召开了8届国际半固态成形学术会议。在发达国家半固态成形技术工业化应用已经比较成熟。日本在20世纪80年代后期就组成了半固志成形公司，Speed Star Wheel公司已应用半固态成形技术牛产铝台金轮毂。Rheotech公司包括了14个钢铁企业和4个有色金属公司，从1988年到1994年共投资30亿日元进行开发研究半固态成形技术。日本制钢所已批量生产镁合金半固态触变铸造机，可以铸造壁厚为0.5mm的零件，据报道该公司已为全球制造了100台。另外，日本宇部公司设计制造的
15、新型流变铸造机既可以进行半固态模锻，又可以进行触变铸造与流变铸造，该机已出售给奥地利，在2000年投产。我国在20世纪80年代初陆续开展了半固态成形技术的研究，大部分都是利用机械搅拌的方法进行流变铸造与触变铸造的研究。在90年代，钢铁材料的半固态成形被列为国家基金重大项目，对电磁拌半固态成形技术进行了卓有成效的开发。由于国内对半固态成形技术的研究起步较晚，与国外的先进水平相比还存在一定的差距。工业应用成功的报道不多。目前，我国对电磁搅拌铝合金半固态连铸坯技术研究还不十分成熟。为了推动铝合金半固态成形技术在我国的应用，除了加强半固态成形技术的理论研究外，重要任务是加快其工业应用进程。1.4 SS
16、M的地位二、二、SSM的理论研究理论研究2.1 半固态金属的流变学行为 通常铸造条件下，合金固相分数为通常铸造条件下，合金固相分数为2030%时，其宏观流动性已基本消失。但对时，其宏观流动性已基本消失。但对经受搅拌的部分凝固合金，即使固相分数高经受搅拌的部分凝固合金，即使固相分数高达达5060%，固相呈分散粒状，仍具有一定流，固相呈分散粒状，仍具有一定流动性。动性。2.1.1 表观粘度表观粘度 半固态金属的流变学性质一般通过测半固态金属的流变学性质一般通过测定合金的表观粘度来研究。定合金的表观粘度来研究。普通铸造过程浇铸温度高于液相线，普通铸造过程浇铸温度高于液相线，合金以全液态形式浇入铸型，
17、全液态金属合金以全液态形式浇入铸型，全液态金属属于牛顿液体，粘度是一常数。不随切变属于牛顿液体，粘度是一常数。不随切变速率速率变化。部分凝固合金属于非牛顿流体，属于部分凝固合金属于非牛顿流体，属于伪塑性体，粘度不是常数，随切变速率的伪塑性体，粘度不是常数，随切变速率的变化而改变。用表观粘度的概念表征非牛变化而改变。用表观粘度的概念表征非牛顿流体。顿流体。表观粘度为：表观粘度为：a=/a为表观粘度，为表观粘度，Pas；为切变速度，为切变速度，s-1；为切应力，为切应力，Pa2.1.2 影响流变性的因素影响流变性的因素 部分凝固合金虽然具有流动性，但其表部分凝固合金虽然具有流动性，但其表观粘度远远
18、高于全液态合金，这种高粘度观粘度远远高于全液态合金，这种高粘度固固液两相流体的铸造是困难的。液两相流体的铸造是困难的。表观粘度构成了凝固合金流变性的主要表观粘度构成了凝固合金流变性的主要方面，为使流变铸造顺利完成，对部分凝固方面，为使流变铸造顺利完成，对部分凝固合金表观粘度的控制至关重要。合金表观粘度的控制至关重要。（1）固相体积分数对表观粘度的影响）固相体积分数对表观粘度的影响不同搅拌转速下的不同搅拌转速下的afs曲线曲线（2）剪切速率对表观粘度的影响）剪切速率对表观粘度的影响 在相同固相体积在相同固相体积分数下，表观粘度随分数下，表观粘度随剪切速率的上升而下剪切速率的上升而下降，满足降，满
19、足Power定律：定律：=kn-1 式中式中为表观粘度，为表观粘度，为剪切速率，为剪切速率，k为反为反映稠密度的常数，映稠密度的常数，n为常数。为常数。剪切速率对表观粘度的影响剪切速率对表观粘度的影响 表观粘度与剪切速率的关系反映的是表观粘度与剪切速率的关系反映的是粘性浆料的粘性浆料的“伪塑性伪塑性”(Pseudoplasticity)。在固相分数不变时，表观粘度随转速的在固相分数不变时，表观粘度随转速的增加而降低。对高粘度的部分凝固合金的增加而降低。对高粘度的部分凝固合金的铸造特别有利。铸造特别有利。铸造在不断搅动条件下进行。要求在流铸造在不断搅动条件下进行。要求在流变铸造时保持一定的搅拌速
20、度，使部分凝变铸造时保持一定的搅拌速度，使部分凝固合金的表观粘度不致过高而无法进行铸固合金的表观粘度不致过高而无法进行铸造。造。（3）冷却速度对表观粘度的影响）冷却速度对表观粘度的影响不同冷却速度下不同冷却速度下afs曲线曲线（4）合金成分对表观粘度的影响）合金成分对表观粘度的影响不同合金成分的不同合金成分的afs曲线曲线2.2半固态金属的微观组织结构与特性 细小均匀的流变组织不但有利于改善半固细小均匀的流变组织不但有利于改善半固态合金的流变性，消除了普通铸锭中存在的态合金的流变性，消除了普通铸锭中存在的粗大树枝状晶，获得流变组织是半固态成形粗大树枝状晶，获得流变组织是半固态成形的关键之一。的
21、关键之一。2.2.1 常规铸造枝晶组织的微观结构常规铸造枝晶组织的微观结构 常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组织。织。枝晶网形成示意图及枝晶网形成示意图及Al-6.6%Si常规铸造组织常规铸造组织2.2.2 SSM微观组织的形成与演化微观组织的形成与演化 利用流变铸造方法生产的半固态金属具利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近球形的显微结构。有独特的非枝晶、近球形的显微结构。Sn-15%Pb合金的球形晶粒合金的球形晶粒 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，晶核以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的晶核以枝晶生长方
22、式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切及液作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形演化，随温度下降，最终演化称为简单的演化，随温度下降，最终演化称为简单的球形结构。球形结构。一旦球形的结构生成。只要在液固区，一旦球形的结构生成。只要在液固区，无论怎样升降合金的温度（不能让合金熔无论怎样升降合金的温度（不能让合金熔化），也不会变成枝晶。化），也不会变成枝晶。球形微粒的演化过程球形微粒的演化过程 固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相关，固相微粒尺寸大
23、小与冷却速度密切相关，冷却速度越高，固相微粒尺寸越小，冷却冷却速度越高，固相微粒尺寸越小，冷却速度越低，固相微粒尺寸越大。速度越低，固相微粒尺寸越大。2.2.3半固态组织形成机理探讨半固态组织形成机理探讨 晶粒长大的初期，固相颗粒非常细小，晶粒长大的初期，固相颗粒非常细小，由于对熔体剧烈的搅拌，固相颗粒分散在由于对熔体剧烈的搅拌，固相颗粒分散在液相中，熔体以粥状形态存在，此时固相液相中，熔体以粥状形态存在，此时固相颗粒基本是枝晶状的。颗粒基本是枝晶状的。在流变铸造中，金属液被强制对流，对在流变铸造中，金属液被强制对流，对流强度非常大，因此当晶粒长大到一定尺流强度非常大，因此当晶粒长大到一定尺寸
24、时，较长的枝晶臂在流动液体的冲刷和寸时，较长的枝晶臂在流动液体的冲刷和其它晶粒碰撞下，会发生弯曲。在枝晶的其它晶粒碰撞下，会发生弯曲。在枝晶的勃颈处产生很大的弯曲应力。勃颈处产生很大的弯曲应力。晶体在接近熔点时，强度很低，枝晶臂晶体在接近熔点时，强度很低，枝晶臂发生断裂。发生断裂。剧烈搅拌导致合金熔体中热流梯度小，剧烈搅拌导致合金熔体中热流梯度小，而且固相颗粒的转动使各个方向热流梯度而且固相颗粒的转动使各个方向热流梯度趋向一致，因此单个结晶颗粒是等轴生长趋向一致，因此单个结晶颗粒是等轴生长的。的。无论枝晶臂弯曲融合，或是熔断，或无论枝晶臂弯曲融合，或是熔断，或是机械断裂，都阻止初始形成的小枝晶
25、相是机械断裂，都阻止初始形成的小枝晶相粗大的形式发展，同时晶体的等轴生长和粗大的形式发展，同时晶体的等轴生长和合并生长也促使合金初生相向球形或椭圆合并生长也促使合金初生相向球形或椭圆形发展。形发展。2.2.4半固态合金的金相组织半固态合金的金相组织镁合金的半固态组织镁合金的半固态组织 铜合金的半固态组织铜合金的半固态组织M2工具钢的半固态组织工具钢的半固态组织高熔点合金的半固态组织高熔点合金的半固态组织(a)Cu-10Sn-2Zn (b)AlS1304不锈钢(c)HS31钴基合金2.3流变性与组织的关系 半固态金属材料的性质（如表观粘度）半固态金属材料的性质（如表观粘度）必然受到材料内部微观组
26、织状态的影响。必然受到材料内部微观组织状态的影响。部分凝固合金的内部组织状态由它的固部分凝固合金的内部组织状态由它的固相组织状态决定。固相的数量、大小、形状相组织状态决定。固相的数量、大小、形状和分布等参数决定了表观粘度的高低。和分布等参数决定了表观粘度的高低。2.3.1 固相分数固相分数 固相分数越高，部分凝固合金液相量固相分数越高，部分凝固合金液相量越少，流动性越差。表观粘度随固相分数越少，流动性越差。表观粘度随固相分数增加而上升。增加而上升。2.3.2 搅拌强度对半固态组织的影响搅拌强度对半固态组织的影响 电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度，电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度，电磁搅拌造成电
27、磁搅拌造成“晶粒倍增晶粒倍增”。不同搅拌强度下不同搅拌强度下Al-6.6%Si合金组织合金组织 在电磁搅拌作用下，铝液的湍流对流在电磁搅拌作用下，铝液的湍流对流不断将热脉冲带到液固界面，加速枝晶臂不断将热脉冲带到液固界面，加速枝晶臂的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到稍的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到稍微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶粒倍增。粒倍增。搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒越细小。晶粒越细小。搅拌速度越高，固相颗粒比较分散，搅拌速度越高，固相颗粒比较分散，而低搅速下固相颗粒聚集现象明显。而低搅速下固相颗粒聚
28、集现象明显。Al-10%Cu在不同搅拌速度下的流变组织在不同搅拌速度下的流变组织(a)n=2.38r/s (b)n=7.16r/s2.3.3 冷却速度冷却速度 固相分数一定时，低冷却速度的固相固相分数一定时，低冷却速度的固相颗粒平均尺寸较大。原因是达到同样固相颗粒平均尺寸较大。原因是达到同样固相分数所需的时间较长，颗粒生长的时间长；分数所需的时间较长，颗粒生长的时间长；高冷却速度，达到同样固相分数所需时间高冷却速度，达到同样固相分数所需时间较短，颗粒长大受到限制，颗粒较小。较短，颗粒长大受到限制，颗粒较小。2.3.4 合金成分合金成分 合金浓度越高，越有利于产生成分过冷，合金浓度越高，越有利于
29、产生成分过冷，使固液界面不稳定，结果使界面不光滑，使固液界面不稳定，结果使界面不光滑，颗粒包裹的液相多，表观粘度增加。颗粒包裹的液相多，表观粘度增加。Al-Cu合金流变组织合金流变组织(fs=46%)(a)Al-5%Cu合金合金 (b)Al-10%Cu合金合金三、SSM的力学性能不同加工方法获得的铝合金力学性能比较不同加工方法获得的铝合金力学性能比较 不同加工方法获得的不同加工方法获得的AZ91D镁合金力学性能镁合金力学性能不同加工方法获得的钛合金力学性能不同加工方法获得的钛合金力学性能某些高熔点合金不同条件下力学性能比较某些高熔点合金不同条件下力学性能比较四、SSM的制备及形成机制 半固态加
30、工技术中一个关键问题是如何半固态加工技术中一个关键问题是如何制备优质的半固态合金坯料或浆料，制备工制备优质的半固态合金坯料或浆料，制备工艺直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。艺直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。半固态材料的制备方法大致有液态法、半固态材料的制备方法大致有液态法、控制凝固法和固态法三种。控制凝固法和固态法三种。4.1 液态法 液态法是指对正在凝固的液态金属进液态法是指对正在凝固的液态金属进行机械、电磁或振动处理，使枝晶破碎，行机械、电磁或振动处理，使枝晶破碎，逐步球化成非枝晶组织。逐步球化成非枝晶组织。4.1.1 机械搅拌法机械搅拌法 是最早采用的方法，设备构造简单，是最早采用
31、的方法，设备构造简单，通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎成为颗等工艺参数，使初生树枝状晶破碎成为颗粒结构。粒结构。几种机械搅拌装置示意图几种机械搅拌装置示意图(a)棒式棒式 (b)螺旋式螺旋式 (c)底浇式底浇式 (d)倾转式倾转式4.2.2 电磁搅拌法电磁搅拌法 电磁搅拌有两种形式，一是水平式，电磁搅拌有两种形式，一是水平式，二是垂直式。二是垂直式。不同电磁搅拌方式示意图不同电磁搅拌方式示意图4.2 控制凝固法 控制金属液凝固速度，或加入某种添控制金属液凝固速度，或加入某种添加剂抑制枝晶生成，形成细小非枝晶组织。加剂抑制枝晶
32、生成，形成细小非枝晶组织。4.1.3 固相法 应变诱发熔化激活技术应变诱发熔化激活技术(Strain-Induced Melt Activation),即即SIMA法。将合金原材料法。将合金原材料进行足够冷变形，然后加热到半固态，加进行足够冷变形，然后加热到半固态，加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化。热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化。成功应用于不锈钢、铜合金等高熔点合金。成功应用于不锈钢、铜合金等高熔点合金。金属熔化成液态金属后，雾金属熔化成液态金属后，雾化成溶滴颗粒，在喷射气体化成溶滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集板上，每个溶滴沉积在收集板
33、上，每个溶滴的冲击能够产生足够剪切力的冲击能够产生足够剪切力打碎滴内形成枝晶，凝固后打碎滴内形成枝晶，凝固后成为颗粒状组织，加热到局成为颗粒状组织，加热到局部熔化，获得具有球形颗粒部熔化，获得具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。固相的半固态金属浆料。4.1.4 喷射成形法喷射成形法喷射沉积法示意图喷射沉积法示意图4.2 半固态坯料重熔加热 合金坯料的半固态重熔加热是一个重要合金坯料的半固态重熔加热是一个重要过程，要求坯料的加热温控精度很高，即使过程，要求坯料的加热温控精度很高，即使12K的误差就会显著影响坯料的组织和搬运的误差就会显著影响坯料的组织和搬运性，同时要求坯料的重熔加热有一定的速度。性
34、，同时要求坯料的重熔加热有一定的速度。为保证坯料的重熔加热精度和加热速度，为保证坯料的重熔加热精度和加热速度，生产中一般采用连续式电磁感应加热工艺。生产中一般采用连续式电磁感应加热工艺。但电磁感应加热能源效率低。但电磁感应加热能源效率低。此外，半固态合金坯料的重熔加热可此外，半固态合金坯料的重熔加热可以采用电阻炉或盐浴炉，加热温度控制精以采用电阻炉或盐浴炉，加热温度控制精确，坯料不易坍塌，但加热时间长，坯料确，坯料不易坍塌，但加热时间长，坯料表面氧化加重。表面氧化加重。4.3 半固态成形技术 半固态金属成形工艺主要分为流变成半固态金属成形工艺主要分为流变成形和触变成形。形和触变成形。将经过搅拌
35、获得的半固态金属浆料保将经过搅拌获得的半固态金属浆料保持在其半固态温度条件下直接进行半固态持在其半固态温度条件下直接进行半固态加工，称为流变铸造（加工，称为流变铸造（Rheocasting）。）。将半固态浆料冷却凝固成坯料后，再将半固态浆料冷却凝固成坯料后，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，称为触变成形（工，称为触变成形（Thixoforming）。）。4.3.1 射铸技术(Thixomolding)射铸技术主要应用于镁合金的流变压铸，射铸技术主要应用于镁合金的流变压铸，成形件为汽车、计算机和照相机零件毛坯。成形件为汽车、计算机和照相机零件毛坯。射铸
36、技术是唯一实际应用的流变成形技射铸技术是唯一实际应用的流变成形技术，与触变成形技术比较，更节约能源、术，与触变成形技术比较，更节约能源、流程更短，设备更简单。流程更短，设备更简单。流变成形技术是半固态金属成形技术的流变成形技术是半固态金属成形技术的重要发展方向。重要发展方向。射铸成形示意图射铸成形示意图4.3.2 触变锻造(Thixoforging)是当今金属半固态成形主要工艺。成形是当今金属半固态成形主要工艺。成形设备主要是压铸机、压力机并配有机器人设备主要是压铸机、压力机并配有机器人搬运坯料。搬运坯料。触变锻造分两个过程，一是半固态坯料触变锻造分两个过程，一是半固态坯料在剪切力作用下粘度降
37、低，以较小能耗完在剪切力作用下粘度降低，以较小能耗完成流动充填；二是密实过程。前者是成形成流动充填；二是密实过程。前者是成形的需要，后者是产品质量的需要。的需要，后者是产品质量的需要。半固态触变成形示意图半固态触变成形示意图五 SSM研究应用现状和前景 半固态金属加工技术工业应用已取得很半固态金属加工技术工业应用已取得很大进展。大进展。半固态金属成形技术源于美国，目前美半固态金属成形技术源于美国，目前美国的半固态成形技术处于全球领先地位。国的半固态成形技术处于全球领先地位。Alumax公司适用电磁搅拌技术生产出触变公司适用电磁搅拌技术生产出触变成形用圆锭，建成世界上第一条高容量和成形用圆锭，建成世界上第一条高容量和高自动化触变成形生产线。高自动化触变成形生产线。半固态成形产品半固态流变铸造成形的铝合金汽车零件半固态流变铸造成形的铝合金汽车零件SSM法生产的轮毂精密零件法生产的轮毂精密零件半固态加工成形的涡型轮半固态加工成形的涡型轮汽车转向节汽车转向节汽车齿轮盘、发动机支架汽车齿轮盘、发动机支架
