铝合金半固态组织及形成机理研究(2)
1.1 前言
铸造成型技术是大多数金属材料及相关零件制备的主要方法。但是传统的铸造成型技术存在仍需改进的问题，如合金组织粗大、成分偏析严重、成分不均匀等。而随着社会的不断进步，金属产品的性能要求越来越高。为获更高性能的材料，人们一直在寻找更为有效的材料制备与加工方法。其中，围绕细化晶粒来提高材料力学性能的方法层出不穷，并发展出了一系列通过细化晶粒提升性能的方法。对于铸造金属材料而言，半固态加工技术以及固液混合铸造技术就是两种代表性的方法[1]。
1.2 半固态加工技术
1.2.1 半固态加工技术的概述
金属半固态加工技术(Semi-Solid Metal Forming Processes，简称SSM或Semi-Solid Processing，简称SSP)的概念最早是由美国麻省理工学院的Flemings教授在上世纪70年代提出的。Flemings 教授领导的研究小组发现，金属材料在凝固过程中经强力搅拌后,枝晶网络骨架被打碎,成为近球状组织。此时得到的半固态金属具有成形时所需要的优异性能[2]。金属的半固态加工技术指的是在金属凝固过程中，对其进行强烈搅拌或控制凝固条件，从而抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，以此形成具有等轴、均匀、细小的初生相，该相呈均匀状分布于液相中的悬浮半固态浆料。这种非全液态，又非全固态的金属浆料加工成形的方法叫做半固态金属加工技术[3]。
1.2.2 半固态加工技术的特点
半固态成形工艺相较于传统成型工艺的优点主要有[4-5]:
1）半固态浆料的黏度高于液态金属。该特点一方面使得半固态工艺能实现平稳充型，没有湍流以及喷溅现象，并且卷气少，形成的铸件组织致密、气孔和缺陷较少；另一方面，浆料可以方便地添加增强材料（颗粒或纤文）来制备金属基复合材料，同时减少增强材料的飘浮和偏析缺陷，为金属基复合材料的廉价生产开辟新的途径。
2）半固态浆料的流变性和触变性使其在成形加工时变形抗力小，可成形复杂件。
3）由于成形组织为非枝晶结构，偏析缺陷少，因此零件的力学性能够接近甚至达到锻压件的水平。
4）半固态成形温度低，有利于减少充型过程中熔体对模具的热冲击，从而提高模具的使用寿命；另一方面，成形温度低使得半固态浆料存在已有固相，因而凝固收缩率小，成形件尺寸精度高，表面质量好，并可降低切削加工，实现近终成形。
尽管同压力铸造和锻造工艺相比，半固态合金成形工艺存在许多优点，但是该工艺也有着不足之处：
1）对于高熔点的金属材料还没有有效的半固态加工工艺。高熔点金属对模具具有强烈的热冲击作用，会显著降低模具的使用寿命，不仅如此，高熔点半固态浆料的制备和输送都存在困难。
2）半固态加工的实现，对金属的合金成分有一定的依赖。即合金的半固态区间必须足够大，以便于监控半固态加工过程中合金的固相率变化。并且固相率随温度的变化要比较缓慢。
3）工艺参数控制严格。由于半固态加工对固相率的控制严格，这就间接提高了对于温度、冷却条件的控制标准，不利于工业化生产。
4）触变成形的流程较长。半固态触变成形与比传统的固态加工方法相比，流程变短，但仍比液态成形的流程要长。
总体来说，工艺的难控制和最佳参数的难确定是半固态合金成形技术工业应用的最大障碍。且成形过程出现的液相偏析,经常使得该技术不成功。但是，尽管半固态合金成形工艺还存在着不足之处,但它拥有足够多吸引人的优点,因此有理由相信其在未来会大发异彩[6]。
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