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轻金属半固态成形技术概念详解及其应用发展(中)

浏览:340 发表时间:2020-05-06 16:43:07

(二)半固态成形技术的工艺路线与制浆方法

发展至今,半固态成形工艺路线主要分为两条:一条是金属从液态降温到半固态温度,在冷却过程中通常进行强烈搅拌等方式,促使其非枝晶化,然后对所得到的半固态浆料直接成形,被称为流变成形;另一条是金属从固态升温到半固态温度,为了保证同样获得球形固相被液相包围的非枝晶组织,通常是把通过搅拌等方式得到的半固态合金先冷却保存,得到可室温搬运的大块坯料,然后在成形前,预先按产品重量将坯料定量分割,再送入加热设备中重熔至半固态状态,最后把坯料置于成形设备中加工成形,被称为触变成形。在实际应用中工艺往往有所延伸和变化,人们对两条工艺路线有时辨别不清,实际上,区别两者的一个简单方法是看零件成形前的温度控制,流变成形是降温过程,触变成形是升温加热过程。

8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形,由于把浆料制备和加工成形相承接,具有生产效率高、整体流程短的特点,近年来发展十分迅速,不过浆料的保存和输送难度大,设备自动化控制复杂,成本相对高。对于触变成形,浆料的制备和最终成形可分开进行,成形厂方甚至可以不用参与熔炼制浆,只需提供二次加热,工业污染小,而且半固态坯料输送方便,易于实现自动化,因而在国外较早得到了广泛应用,不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热的过程,能源消耗有所增加。流变成形和触变成形这两个基本路线哪个具有长期更好的意义,目前尚未清楚,但对于不同产品需求与材料特性,其应用选择有不同侧重。

不论哪种工艺路线,半固态成形过程中的核心环节都是半固态合金浆料(坯料)的制备,并且浆料制备的稳定性决定了产品质量的稳定性。经过多年发展,已提出数十种半固态浆料制备方法,传统上一般按照搅拌法与非搅拌法进行分类,但其实也可以按照对温度的控制进行分类,可分为降温固化法和升温液化法,以下分别列举几种典型的制浆方法。

(1)降温固化法,即是通过使处于液态的合金发生冷却,通常采用边搅拌边冷却的方式,使坯料形成非枝晶化的组织,其关键在于控制凝固过程。发展比较成熟的几种方法主要包括机械搅拌法、电磁搅拌法、剪切-冷却-滚动法和斜坡冷却法等。

  • 机械搅拌法

最初的半固态合金浆料制备研究基本都是采用机械搅拌法。该方法利用搅拌棒或者叶片在熔体中进行机械运动,从而改变熔体中的晶体形核和生长演化方式,在冷却过程中便能够使半固态浆料中含有球状或近球状的初生固相。一般机械搅拌法可分为间歇式和连续式两种类型,如图9所示。该方法可以获得很高的剪切速率,同时结构简单、成本低。但熔体内往往存在搅拌不到的死区,虽然有研究改进搅拌器结构以改善搅拌效果,不过生产效率低,而且金属浆料易受污染,发展至今工业生产上已较少使用。

9 机械搅拌制备半固态浆料

  • 电磁搅拌法

电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆方法,它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流,从而产生变换旋转的磁场,而金属液中便有感应电流产生,洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈运动,使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势,从而获得含有球形固相的半固态浆料。如图10所示,按熔体被搅拌力驱动的流动方式,一般分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行搅动,对合金污染极大降低,且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就能实现搅拌效果的控制,可以连续高效地制备坯料,适用于工业化的生产应用。但由于电磁搅拌的集肤效应,通常认为,直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法。

10 电磁搅拌制备半固态浆料

  • 剪切-冷却-滚动法

剪切-冷却-滚动法由日本学者开发,在1996年申请了美国专利。该装置的组成部分主要包括:旋转冷却辊、固定的弯曲固定板和剥离器。如图11所示,当合金熔液由顶部注入间隙中,随即被旋转的轧辊卷入间隙内部,在与轧辊及固定板接触过程中,部分熔体发生冷却凝固,但随即又被旋转轧辊和固定曲板所冲刷,剪切力使已凝固部分碎化成细小颗粒分散在液相里,从而使从间隙中流出的半固态浆料中含有近球形的固相。该工艺方法生产效率高,装置结构简单,其中旋转辊进而固定板的温度及间隙距离可以调整,易与铸轧等连续成形方法相结合,适合应用于批量生产大尺寸制品。

11 剪切-冷却-滚动法

  • 斜坡冷却法

斜坡冷却法是由日本青年学者提出并开展广泛研究,它的原理是:先把合金熔液温度降至接近液相线温度,然后以一定速率倾倒于冷却斜板上,斜板内部具有水冷装置,产生的激冷作用使接触熔体出现细小的晶粒形核,随后在自重作用和合金熔体流动的冲击下,晶粒发生脱离斜板并转动,落入可控温度的容器中缓慢冷却,从而形成近球形组织的浆料。这种方法得到的半固态坯料固相分数一般不超过10%。

除以上几种被广泛研究和应用的浆料制备方法外,还有许多新方法被提出,包括化学晶粒细化法、蛇形通道法、转动输送管法、分流汇合浇道法、热平衡法(Seed)、快速制浆法(RSF)等,都是在传统方法基础上进行改善和创新。降温固化法的关键在于对熔体进行扰动,控制其焓变,根据MIT新的研究表明,如若控制得当,对熔体进行几秒钟的扰动便可以获得良好的半固态浆料。整体上制浆方法呈现复合化发展的趋势,研究人员期望结合不同方法的优势,在获得良好半固态浆料组织的同时,实现制备工艺过程稳定、坯料质量高和经济性高,以满足生产应用的需要。

12 半固态浆料的一些其他制备方法

(2)升温液化法,即是通过加热升温使原本的固态合金组织中出现液相,最终形成液相均匀包围球形固相的非枝晶组织。升温液化法无需熔炼过程,制备浆料过程简单,设备投入成本低,安全性更高,浆料加热到所需的组织状态后,直接进行触变成形。

  • 应变诱导熔体激活法

应变诱导熔体激活法(Strain Induced Melt Activation,SIMA)的具体工艺流程为:将常规合金铸锭首先在固相线以下、再结晶温度以上的温度区间内进行较大变形量的热加工变形,使原始的铸态组织发生碎化或变形,然后在室温下再对合金施加一定的冷变形,使合金组织中进一步储存变形能,为再结晶提供准备条件,然后对合金进行半固态温度下的等温热处理,便能够获得具有非枝晶组织的半固态坯料。具体而言,在加热过程中,合金首先发生回复和再结晶过程,畸变晶粒逐渐被新的等轴晶替代,随后晶界处低熔点物质熔化,液相沿晶界逐渐增多时,就导致被液相包围的固相发生球化,从而获得具有一定液相率及固相晶粒尺寸和圆度的半固态坯料。SIMA法具有明显优点,其工艺过程简单,不需要搅拌过程从而对坯料零污染,且不需要采用复杂高成本的设备就能稳定获得均匀的非枝晶组织坯料,对于生产小尺寸铝合金产品很具竞争力。

13 SIMA法工艺路线图

SIMA法的关键,在于对合金引入一定临界的应变能,使铸态组织破碎。所以SIMA法可以被简化,也可以不进行冷变形,只进行大变形量的热变形,变形温度也可以在再结晶温度以下,然后将合金进行半固态重熔加热,就可以得到球状的半固态组织。后来有学者提出再结晶重熔法(RAP)、锻态铝合金半固态等温热处理法(WASSIT)等方法,实际上都是SIMA法的简化与发展,期望使合金内部引入应变能的方式更简单,这是因为,如果按照最初的SIMA法制备坯料所需要的塑性变形工序,将使得SIMA法生产坯料的成本较电磁搅拌法的高3~5倍。

  • 粉末法

粉末法即是基于传统的粉末冶金法,通过将金属粉末混合、压块,然后再进行快速感应加热,使一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金,区别在于加热时间要比通常烧结延长,使颗粒界面发生部分熔化,从而得到半固态金属浆料。这个过程中颗粒聚集的机会很小,进而可以得到颗粒尺寸均匀细小(<50μm)的非枝晶组织,同时由于这种方法以工业粉体为原料,将制坯与成形融为一体,过程控制方便,生产率高。粉体的形状、尺寸决定了半固态组织的情况,因此该方法对粉体制备的技术水平要求较高,在工业化应用上受到限制。

  • 注射成型法

与塑料注塑类似,如图14所示,注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型,尺寸为几毫米的合金粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进,通过螺旋强制对流的搅拌作用,得到细小均匀球状晶的半固态浆料组织(图15),然后以高速(注塑十倍速度)注入模腔里。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料,在整个浆料制备和成型工艺中可以不使用保护气体和防氧化剂,不需要配备熔化炉,而且不会产生浮渣、炉渣等,兼顾安全性和环保。

14 镁合金触变注射成型装备参考图

15 镁合金触变注射成型微观组织原理

多种多样的制浆工艺方法层出不穷,目的都是为了获得良好的半固态浆料组织及成型,实现满足特定的性能需求。在实际生产应用中,半固态金属浆料可以大致分为两大类:一是“类液浆料”,浆料中包含着分散的固相颗粒,在外力作用下的流动表现与液体类似。另一类是“类固浆料”,浆料中固相颗粒相互连接,整体上显示固态行为,具有明确的屈服强度。这也就是生产中常说的低固相与高固相,低固相成形更接近铸造,适合于复杂形状零件;高固相成形更接近锻造,适合力学性能要求高的零件。

16 高固相与低固相


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