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半固态加工技术最新进展
半固态加工技术的最新发展及应用
摘要:
金属半固态加工技术是21世纪前沿性金属加工技术,具有高效、节能、近终型生产和成型件性能高等许多优点。
本文着重概述了半固态金属制浆(坯)工艺的研究新进展,并展示了半固态成形技术在高合金化铝合金控制凝固与成型方面的应用与进展。
关键词:
半固态加工;均匀凝固;发展趋势;应用
1金属半固态加工技术简介
20世纪70年代初,美国麻省理工学院(MIT)的Flemings等研究者们提出了一种金属成型新方法,即半固态加工技术(Semi-SolidMetalorSemiSolidForming,简称SSM或SSF)。
所谓半固态加工是指金属在凝固过程中,对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用,得到一种液态金属母液,其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料(也称流变浆料),对这种浆料进行的加工成型的方法。
半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类,前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型,如压铸成型(称为半固态流变压铸成型);后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态,然后进行成型,如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。
半固态成型方法打破了传统的枝晶凝固模式,开辟了强制均匀凝固的先河,与以往的金属成型方法相比,半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。
制浆的目的是为了控制凝固过程中的晶体形核与长大形态,以获得细小均匀的显微组织,从而提高材料的综合性能。
但是目前大多数的制浆方法在实际应用方面都还存在不同程度上的局限性,制约了这项技术的工业化推广应用。
因此,近年来半固态浆料制备方法仍在不断的努力探索,推进着半固态加工技术的向前发展。
目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。
研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。
铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等;而镁合金半固态成型的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术[2]。
半固态成型技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业生产阶段,主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。
2半固态金属浆(坯)料制备新工艺
2.1液相线铸造法
液相线铸造法是东北大学路贵民等开发的一种新型制浆技术[4,5]。
该技术的原理是在合金液相线温度下保温形核后,进行浇注获得均一细小的非枝晶组织,以适合半固态成形。
对7075铝合金液相线铸造时,合理的工艺参数是在液相线附近(638℃)保温后进行半连续铸造,获得的锭坯中心和边部组织是均匀、细小的近球形组织。
同时和常规铸造以及接近液相线铸造进行对比,合金熔体在常规铸造温度(720℃)下获得的坯料边缘部位为粗大的树枝晶,中心部位组织极不均匀;在接近液相线温度(642℃)保温30min后的铸造组织较好,中心部位和边缘部位的差异较小。
同时王娜[3]等对Al-Mg-Si-Cu合金近液相线半连续铸造速度进行了研究,结果表明,660℃保温后浇注,铸造速度为150mm/min时可获得平均晶粒尺寸为36.5μm的均匀细小的近球形组织。
该技术有工艺简单、适用范围广、生产效率高等优点,尤其对变形铝合金半固态浆料的制备具有十分重要的意义[6]。
2.2倾斜板法
低过热度倾斜板浇注式(Newrheocastingprocess,简称NRC)浆料制备技术最先是由日本的UBE公司提出的。
该技术的工艺原理是:
将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜板上,利用倾斜板的激冷、合金熔体的冲击和自重作用,细化晶粒,获得理想半固态合金的方法[7-12]。
在此基础上,管仁国等[7]提出了新型倾斜板技术制备半固态浆料和坯料,采用波浪形倾斜板,在斜板冷却条件下制备了组织和触变性能优良的半固态合金坯料。
在斜板加热条件下,制备了组织优良的半固态合金浆料。
重要工艺参数有:
浇注温度、冷却强度、斜板表面材质和倾斜板角度等。
浇注温度的高低影响到合金的固相率和合金在倾斜板表面的半固态区间长度,进而影响到合金的剪切作用强度和剪切作用时间,最终影响到合金的组织;冷却强度直接影响到合金在斜板表面的温度场分布,斜板表面材质决定了其导热性能,从而影响到合金冷却强度。
另外,倾斜板角度的大小会引起倾斜板对熔体的冷却剪切强度的强弱,从而影响合金的组织。
在制备AlSi6Mg2合金半固态坯料时,合理的工艺条件为:
浇注温度660~680℃、斜板预热温度300℃,合金浇注温度680℃时,可得到理想的半固态坯料[7]。
为了进一步降低成本,提高成品率,管仁国等采用改进的倾斜板,即在波浪形倾斜板上施加熔动,研究了斜板倾角、长度、振幅等对Al-6Si-2Mg合金组织的影响[8,9]。
当浇注温度为660~690℃、振动频率为50~60Hz,可得到平均晶粒直径为40μm,晶粒平均圆度值为2.5的半固态铝合金组织。
对AZ91D镁合金波浪形倾斜板振动技术触变成形研究表明,倾斜板倾角45°,振幅1.45mm,浇注温度为630~650℃的条件下,可制备出组织优良的半固态AZ91D镁合金坯料,并在575℃、保温30~60min的条件下理想球化,通过触变锻压,在模具预热温度为400~450℃时,可制备出表面光洁、组织优良的成品制件。
2.3熔体分散混合法
熔体分散混合法(meltspreading-mixingtechnique简称MSMT法)制备半固态金属浆料是北京有色金属总院的张志峰等提出的基于强制均匀凝固技术的一种新的制备半固态浆料的方法[13-15]。
该技术的工艺流程是将一定过热度的合金液浇注到旋转的盘体上,同时并被甩到浆料内壁上形成薄的流层,流层沿壁面向斜下方流动。
当浇注温度与盘体转速控制在一定范围时,流层很薄,可以认为该流层内温度是均匀的。
在流动过程中,熔体通过与外界热交换,使流层内温度均匀降低,并达到形核所需要的过冷度,同时在流层内均匀形核。
熔体到达制浆室底部时,被分散冷却的熔体汇集在一起,形成含有大量晶核的大体积浆料。
这种浆料被收集到保温坩埚内缓慢冷却,让晶核在均匀的温度场内生长,最终达到所需要的固相分数。
合金浆料制备过程如图1。
在MSMT法制浆过程中,重要的工艺参数有:
熔体温度、分散器转速、制浆室温度、熔体流量等。
对Al-6.56Si合金的实验研究结果表明,当熔体流量为0.2kg/s、制浆室内经过约6s的处理,使熔体温度下降20~50℃,过冷度达2~15℃,可制备出初生α-Al形状因子为1.5左右,有效直径为33~70μm的半固态浆料。
1-液态合金;2-导流管;3-分散盘;4-制浆室;
5-制浆室温控器;6-收集坩埚
图1溶体分散混合工艺示意图
2.4低过热度浇注和弱(行波)电磁搅拌技术制备工艺
低过热度浇注和弱电磁搅拌(Lowsuperheatpouringandweakelectromagneticstirringprocess,简称LSPWES)制备工艺是由毛卫民等[17]提出的。
该技术的工艺路线是将一定过热度的合金液浇入坩埚,同时对坩埚中的合金熔体进行短时低功率电磁搅拌,可获得优良的球状初生晶组织,再进行适当的后续空位冷却或均热,即可得到需要的半固态铝合金浆料,随后进行流变压铸或流变锻造成形[16,17]。
在制备半固态A356铝合金浆料时,合理的工艺参数是:
浇注温度630~650℃、旋转电磁搅拌功率在0.54kW左右、搅拌时间2~8s,可制备出理想的球状半固态铝合金浆料。
该金属浆料制备技术的优点主要有:
浇注温度较高,易进行浇注操作;电磁搅拌功率低且搅拌时间短,均热功率低,降低能源消耗;浆料不易氧化,浆料质量高;浇注系统、废件易于就地回炉;工艺流程短,浆料生产成本低。
目前,该浆料制备技术正在进行工业化试生产和应用[18]。
在该工艺的基础上,毛卫民等人又提出了低过热度浇注和弱行波电磁搅拌技术,该工艺克服了低过热度浇注和弱电磁搅拌技术中的旋转电磁场搅拌,传热条件不同的坩埚使其中的半固态合金浆料温度场不均匀,特别是轴向温度梯度偏大的缺陷。
同时研究了浇注温度和搅拌功率等复合工艺参数对A356铝合金半固态浆料的影响。
合理的工艺参数是:
浇注温度630℃、浇注功率1.2kW,可制备出球状α-Al晶粒的A356铝合金半固态浆料[16]。
2.5熔体处理+双向电磁搅拌技术制备工艺
“熔体处理+双向电磁搅拌”(Melttreatmentandreversibleelectromagneticstirringprocess,简称MTRES)工艺是清华大学的康靖林等提出的复合制浆技术。
该技术的基本原理是将熔体细化处理技术和双向电磁搅拌技术相结合在线制备铝合金浆料,再将铝合金浆料送入压铸机,进行流变压铸成形[19,20]。
在线制备A356.2铝合金浆料时,合理的工艺参数是:
0.03%Ti(以Al-5Ti-B方式加入)和0.04%Sr(以Al-10Sr方式加入)、正反无间歇双向搅拌、浇注温度640℃、搅拌频率25~30Hz、输出电压220V、单向搅拌时间5s、搅拌时间67s,最后可获得形状系数大于0.8,初生晶粒尺寸在80~90μm的半固态铝合金浆料。
在获得Al-5Ti-B微细粉末熔体处理+双向电磁搅拌复合制备制备A356铝合金浆料时,合理的工艺参数是:
在合适的温度(粗粉采用高温,细粉采用低温,即粉末粒度<100μm:
665℃;100~200μm:
680℃;200~250μm:
700~720℃;250~500μm:
720℃)下,与Al-10Sr合金间隔10min加入0.15%~0.20%Ti的微米级的Al-5Ti-B合金粉末、正反无间歇双向电磁搅拌、单向旋转时间3s、电源频率27~30Hz、浇注温度615~620℃,可在20~25s内制备出形状因子为0.85,初生晶粒空冷尺寸为70~80μm的铝合金半固态浆料。
该工艺具有较高的在线制备效率,可实现铝合金浆料的在线制备。
2.6自孕育铸造法
自孕育铸造法(Self-InoculationMethod,简称SIM法)是兰州理工大学李元东等提出的浆(坯)料制备方法。
该技术的制备原理是将两个一定成分、质量、温度的合金母液-固相(或液相)混合,再经过一定角度的导流器,利用两个合金液(体)的不同性质,如温度、表面张力、组织等,在混合后使得合金液中瞬间形成大量形核(一次孕育),同时通过导流器产生紊流,促进晶粒增殖、加强自孕育效果(二次孕育)、抑制晶粒长大,获得具有非枝晶初生固相的固-液浆料,然后再进行后继的热加工[21-23](如图2)。
在制备AM60镁合金半固态坯料时,合理的工艺参数是:
浇注温度650~680℃,孕育剂加入量11%,导流器倾斜角度30°~45°,导流器长度500mm,可制备出初生α-Mg球化理想的半固态坯料[22,23]。
在制备AZ91D镁合金半固态浆料,同时进行自孕育流变压铸时,合理的工艺参数是:
浇注温度680℃,孕育剂加入量5%,导流器角度45°,导流器长度500mm,可制备出初生α-Mg内部没有液相夹裹,平均晶粒尺寸为70.4μm的固相颗粒。
压铸机增压压力180MPa,压射充型速度在2~5m/s内,在585℃保温10min,可制备出理想的半固态浆料并顺利进行流变压铸,所得铸件性能良好[24]。
图2自孕育流变成形工艺示意图
3半固态加工技术在高强铝合金中的应用
超高强铝合金一般指屈服强度500MPa以上的铝合金。
超高强铝合金主要是以Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu为基础的铝合金,具有密度低、比强度高、热加工性能好等优点。
近年来超高强铝合金在航天、航空和现代化交通运输轻量化方面得到广泛应用,然而在开发多元铝合金大型铸锭及大型构件方面还存在宏观偏析严重和铸锭热裂纹倾向大等问题,很难实现大型铸件的近终成形。
而半固态加工技术的核心是利用各种熔体处理方法实现对浆料中固相形貌、大小和分布情况的控制,因此通过半固态技术来控制凝固过程中的合金成分和组织的均匀性,将有望解决超高强铝合金现存的问题,这对半固态技术和超高强铝合金的推广应用都具有重要意义。
从新近召开的两次国际和国内半固态会议上已经体现出用半固态技术研究超高强铝合金成形的这种发展趋势[25,26]。
南非采用CSIR-RCS法制备的7017铝合金样品,如图3所示,并与传统加工方法的性能进行了比较,如表2所示。
图3CSIR-RCS法制备的7017铝合金样品
表1不同工艺制备7017-T6的机械性能
材料状态
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
延伸率/%
Extrusions
340
390
10
Plate
360
425
10
450℃-5h,150℃-12h
300
359
6.9
470℃-5h,120℃-24h
361
409
7.1
伊朗科技大学采用冷却斜坡法研究了Al-18Si-1Cu-1Mg(LM28)合金不同处理方法对Si颗粒的影响[27],如图4所示。
(a)初生硅颗粒数
(b)初生硅平均长度
图4不同工艺对LM28合金初生硅的影响
国内北京有色金属研究总院采用环缝式电磁搅拌强制均匀凝固流变成形技术装备如图5所示,铸造出直径200mm、长度4500mm的成分组织较均匀的7075铝合金坯料,如图6所示。
其显微组织主要由蔷薇状组织和细小的圆形组织组成,初生相晶粒平均尺寸为62.3μm。
对连铸坯心部、中间和边部的试样进行了宏观成分测试,测得三种试样中Zn、Mg、Cu的分布分别如图7所示[29]。
图中横坐标位置1表示铸坯心部,位置2表示铸坯中间,位置3表示铸坯边部。
由此可见,经过环缝式电磁搅拌处理的试样中各合金元素分布均匀。
图5环缝式电磁搅拌流变连续铸造装备
图6环缝式电磁搅拌流变铸造7075铸坯
图7环缝式电磁搅拌流变铸造7075铸坯中合金元素分布
将环缝式电磁搅拌强制均匀凝固制浆技术与挤压铸造工艺相对接,开展了高合金化7075R铝合金流变挤压铸造技术研究[28],如图8所示.
1-浇包;2-中间包;3-制浆室盖;4-坩埚;5-水冷管;
6-电磁线圈;7-冷却气体;8-热电偶;9-石墨棒;10-挤压铸造冲头;11-模具
图8流变挤压铸造装备及7075R零件图
挤压铸造采用LYF-400SA型液压机,最大压力为400T.采用直接挤压铸造成型方式。
合金浇入模具型腔后,分别在50T、100T、150T压力下成型,保压30s后拔模,留模2min后出模。
挤压铸造制件采用如下热处理制度:
固溶:
460℃/24h+470℃/8h+485℃/2h+水淬;时效:
120℃/24h。
热处理后的力学性能如图9所示。
图9力学性能测试结果
4金属半固态加工技术的发展前景
半固态金属成型具有原有加工技术所没有的各种特点和优点,被专家们称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。
半固态成型应用市场将是铝、镁轻合金和少数轻合金基的复合材料,开发的产品将是高档轿车制件和电子制件。
当前研究工作的重点:
1)基础理论研究:
触变成型技术已基本成熟,应加强对流变技术理论的研究,为工业生产提供理论依据;2)原材料的生产:
目前国外市场上只有铝合金半固态成型原材料,国内还没有厂家生产半固态坯料,亟需加快发展有足够质优价廉的原料才能确保工业生产应用;3)计算机的应用:
信息时代已经来临,任何行业都深受其影响,半固态金属成型过程的数值模拟、工业生产中的自动控制、虚拟工厂的实现都要依赖于计算机的应用;4)扩大应用领域:
目前只有少部分材料的应用技术已经成熟,还有许多材料需要艰苦的研究开发工作;5)开发专用的成型设备,以适应大规模的工业化生产的需要。
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