半固态合金熔体制备研究*(3)

4 结语

半固态合金熔体非枝晶组织形成机制虽然不同，但外界对其凝固过程的干预，即非枝晶组织熔体的不同制备方法及其工艺参数均明显影响非枝晶形成机理，进而会影响半合金熔体的组织特征及成形后的产品质量。故在制备铝合金半固态熔体的时候，需要对制备工艺参数进行严格的控制，从而有效地提升熔体的质量。除此之外，还要熟悉掌握半固态合金熔体制备的方法，了解每一种方法的具体操作和优缺点，在实际的工业生产中，根据实际的需求、工程成本以及成形件的形状等选择最合适的半固态熔体制备方法，从而在保证产品质量的基础上，最大限度地提高工作效率，提高企业的经济效益。

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半固态合金熔体的制备是半固态成形技术的第一步，熔体的质量直接关系到半固态合金熔体后序工序及产品的质量。半固态合金熔体的发现是在20世纪70年代初，由美国麻省理工学院M. C. Flemings等发现的[1]。半固态合金熔体的制备方法最早多采用机械搅拌法[2-5]。历经近半个世纪，国内外学者根据半固态组织形成机理，由机械搅拌法演变出许多其他的制备方法，比如电磁搅拌法[6-8]、液相线铸造法[9]和斜坡法[10]、超声波处理法[11]等。1 半固态成形技术有别于传统的成形方式，如液态成形(铸造)和固态成形(锻压)，半固态成形主要是通过对凝固中的合金液施加外力，强迫其发生对流或者对其等温处理等措施，在液固温度期间促进形核，科学化地改变熔体内部晶粒呈树枝晶的生长方式，使其变为接近球状的晶体形态，制得半固态熔体，再采用常规的成形方式如压铸、挤压等成形成铸件或制成坯料供后期触变成形。不同成形方式特征对比见表1。表1不同成形方式特征对比成形方式成形温度成形压力充填型腔状态成形后组织液态成形液相线以上低 液态流动,充填时易发生紊流,带来卷气等树枝晶固态成形固相线以下高 塑性流动破碎的树枝晶半固态成形液固温度区间中 半固态流变,充填平稳非枝晶,近球状半固态成形的温度要求达到固液两相共存的状态，在半固态熔体制备过程中，约一半的结晶潜热散失，成型的温度较低，对模具的热冲击小，大大提高了模具的使用寿命。半固态合金熔体固相分数的变化范围是0.20～0.90，充填过程由于固相占了一定比例，仅熔体液相部分发生凝固，凝固产生的热收缩减小，有效减小了成形后的缩松缺陷。很多研究表明，充填过程中熔体的表观粘度和固相分数呈指数关系[12]：式中，ηapp为熔体的表观粘度；fs为固相分数；为剪切速率；系数a、b随材料不同而变化。可以看出，半固态固相的存在使得半固态熔体的粘度较大，成形时可以避免紊流带入的空气，避免了气孔、夹杂等缺陷，提高了成形件的力学性能。此外，由于半固态合金熔体的表观粘度较高，可方便加入增强材料(颗粒或纤维)，为复合材料的廉价生产提供了一条新路径。半固态成形加工出来的零件尺度精度较高，是一种近净成形加工方法，故半固态成形具有广阔的发展前景。而作为半固态成形的基础，半固态熔体制备工艺更成为国内外学者争相研究的热点。2 半固态组织形成机理研究现阶段对于半固态非枝晶组织的形成机理有多种认识，归根到底总结为增加晶核数量从而达到晶粒细化，由树枝晶细化为非枝晶组织近球状晶。非枝晶组织形成机理具有代表性的有树枝晶破碎断裂机制、树枝晶根部熔断机制以及晶粒游离、对流混合抑制机 树枝晶破碎断裂机制早期解释非枝晶组织形成机理多为树枝破碎断裂机制，该机制认为，在半固态熔体制备过程中，在液固温度凝固时，树枝晶形成并长大，枝晶在长大过程中由于受到搅拌力的作用、液相间的冲刷以及固相颗粒间的碰撞和摩擦，枝晶臂从枝晶上断裂，形成新的晶核，即枝晶→枝晶长大→枝晶破碎、晶核形成→晶核长大→非枝状晶形成的过程。但该形成机制目前多不被认可，更多研究认为，因树枝晶体积小，大多数枝晶会随同液相一起运动，搅拌力对树枝晶施加的剪切力不足以打断枝晶臂，搅拌流动所造成的温度与浓度扰动才是半固态非枝晶组织形成的主要原因。Y. H. Ryoo等[13]分析了过共晶Al-Si合金半固态铸造时初生固相形状的变化，认为晶粒间的摩擦、破碎与粗化使初生固相由尖角状、杆状变为球?树枝晶根部熔断机制树枝晶根部熔断机制主要认为搅拌产生的剪切力不足以折断枝晶臂，但是搅拌会促使树枝晶带到高温的液相区局部发生重熔，枝晶臂因熟化与枝晶脱离。熟化的枝晶臂逐渐转变为蔷薇状，熟化继续进行，蔷薇状晶粒在较高的剪切速率和冷却速率下生成为近球状晶。树枝晶根部熔断机制示意图如图1所示。图1树枝晶根部熔断示意图2.3 晶粒游离、对流混合抑制机制晶粒游离、对流混合抑制机制认为熔体对流是形成半固态熔体非枝晶组织的必要条件，但不是充分条件。仅搅拌力促使熔体对流不足以使半固态熔体形成非枝晶组织，对流只是使熔体内部的温度场、溶质场更加均匀，对流引起的凝固生成的晶粒游离、或者自孕育处理增加的晶核使得非均质形核率增加，才是细化晶粒、促使形成非枝晶组织的关键所在。晶粒游离、对流混合抑制机制使得晶粒在各个方向上的传热和传质条件趋向一致，从而改变晶粒的生长状态，使其生长成为圆整的晶粒。上述半固态合金非枝晶组织形成内在机制虽然不同，但可以看出，外界的干预会影响非枝晶的形成机理，故寻找更好的干预树枝晶形成、促使形成近球状的非枝晶组织方法即半固态熔体制备方法是外在突破思路。3 半固态合金熔体制备方法半固态合金熔体的制备方法很多，本质上都是控制熔体凝固，使其形成的固相不是自然凝固形成的树枝晶，而是非枝晶组织。从凝固控制的原理来看，主要是强化对流、外加物理场、晶核游?机械搅拌法机械搅拌法是制备半固态合金熔体最早、采用最成熟的方法，其原理是在装有熔融合金液的容器中，使用搅拌棒对凝固中的熔体进行强烈的机械搅拌，熔体在搅拌力下产生强化对流，凝固过程中生成的树枝晶被打碎成为非枝晶颗固相组织，悬浮于未凝固的液相中，形成固液共存的半固态合金熔体。周岐等采用变温机械搅拌方法制备AlSi7Mg合金半固态熔体时发现：增加搅拌中的剪切速率对半固态熔体组织形貌影响不大，冷却速度是影响其组织形貌的重要因素，但大的剪切速率可以保证合金熔体内的温度场和熔质场更均匀，减少凝固的初生固相发生团聚现象，在温度场、熔质场均匀的前提下，调整合适的冷却速度，可以制备近球状晶组织的合格半固态合金熔体。其他研究也表明，搅拌时间和搅拌温度也是影响半固态熔体组织形貌的因素。故机械搅拌中，控制工艺参数是制备半固态合金熔体的关键，在实际的搅拌过程当中，许多工艺参数的控制难度较大，在控制的过程中，很容易发生卷气等缺陷。同时，搅拌棒与容器因直接接触会对熔体造成污染，且二者之间存在着搅拌死角，对半固态熔体的质量会有一定的影?电磁搅拌法电磁搅拌法是半固态合金熔体制备技术中占主导地位的一种方法，其利用的是外加物理场旋转磁场，在合金液内产生感应电流，在电磁力的作用下合金熔体发生强制对流，达到等同于机械搅拌的目的，制得半固态合金熔体。电磁搅拌法最大的优势在于对铝合金半固态熔体不会造成污染，熔体纯净，并且卷入的空气量较少，熔体不会受到太大的氧化效果。电磁搅拌法还可以实现连铸，有效地提高了工业生产效率，故电磁搅拌制备半固态熔体在半固态成形应用中应用最广。电磁搅拌法也存在一定的缺陷，电磁感应具有“集肤”效应，表层感应电流大，中心感应电流几乎为零，使得铝合金半固态熔体受到的电磁搅拌力表层大、内部小，制备的半固态熔体组织分布不均且形状不一。为了克服这一缺点，罗庆来等发展了环缝式电磁搅拌方法，成功制备了晶粒细小、形貌圆整均匀的A357铝合金半固态熔体；张磊等利用低压脉冲磁场成功制备了初生α-Al相为细小的球状或近球状的ZL101A半固态铝合?液相线铸造法和斜坡法液相线铸造法是一种工艺简单、生产效率高的制备半固态合金熔体方法。该方法不需外加的搅拌装置，只需要精密的温度控制，在浇铸前控制熔体温度在稍高于液相线温度范围内保温一定时间并形成游离的晶核，浇铸时采用一定的冷却速度进行浇铸，大量游离晶核同时在熔体中均匀产生，成形的铸件具有细小的非枝晶的半固态合金熔体组织。斜坡法同样是一种无搅拌制备半固态合金熔体方法。该方法是熔体在成形前，流经一个具有冷却作用的斜坡，因斜坡的冷却作用，增加熔体凝固中的形核数量，起到晶粒细化的作用。在此方法引导下，又陆续发展出了转动斜管法、蛇形通道浇注法、波浪型倾斜板浇注法和阻尼冷却管 超声波处理法超声波处理法是一种新兴的半固态合金熔体制备方法。超声波处理法利用了超声波的声流空化效应和热效应的三大效应机理制备半固态合金熔体。热效应主要为熔体凝固提供大的能量起伏，促进形核；声流空化效应会产生周期性的应力和声压变化，从而在局部产生周期性的高温高压效应，使得熔体产生空化和搅动，破坏熔体的机构完整性，形成空化泡，随着超声功率的增加，熔体中形成的越来越多的空化泡发生崩碎，崩碎时产生的冲击波促使熔体等效过冷度提高，从而促进形核；熔体的搅动也会使得生成的枝晶臂断裂，成为新的形核核心，进一步抑制树枝晶的长大，获得细小的晶粒组织。但超声波处理法工艺较为复杂，设备的成本高，因此在工业生产中没有得到广泛应用。4 结语半固态合金熔体非枝晶组织形成机制虽然不同，但外界对其凝固过程的干预，即非枝晶组织熔体的不同制备方法及其工艺参数均明显影响非枝晶形成机理，进而会影响半合金熔体的组织特征及成形后的产品质量。故在制备铝合金半固态熔体的时候，需要对制备工艺参数进行严格的控制，从而有效地提升熔体的质量。除此之外，还要熟悉掌握半固态合金熔体制备的方法，了解每一种方法的具体操作和优缺点，在实际的工业生产中，根据实际的需求、工程成本以及成形件的形状等选择最合适的半固态熔体制备方法，从而在保证产品质量的基础上，最大限度地提高工作效率，提高企业的经济效益。参考文献[1] Flemings M C. Behavior of metal-alloys in the semisolid state[J]. Metallurgical Transactions A, 1991, 22(5):957-981.[2] 李亚庚，毛卫民，朱文志，等. 机械搅拌对半固态7075铝合金浆料组织的影响[J]. 特种铸造及有色合金，2017, 35(7):717-719.[3] 肖冠菲，姜巨福，王迎，等. 2024铝合金筒形件流变挤压铸造研究[J]. 精密成形工程，2020, 12(3):95-103.[4] 周岐，伍复发，王红，等. 变温搅拌制备AlSi7Mg合金半固态浆料的研究[J]. 热加工工艺，2015, 44(21):43-46.[5] 高军，陈永禄，王连登，等. 气流搅拌法制备半固态铝硅合金浆料的工艺研究[J]. 热加工工艺，2013, 42(5):14-17.[6] 罗庆来，赵君文，戴光泽，等. 环缝式电磁搅拌时间对7A04铝合金半固态浆料组织的影响[J]. 热加工工艺，2016, 45(23):77-80.[7] 朱艳丽，赵君文，李微，等. 电磁搅拌对7A04铝合金大体积半固态浆料组织的影响[J].中国有色金属学报, 2014, 24(11):2735-2742.[8] 张磊，周全. 低压脉冲磁场下制备ZL101A铝合金半固态浆料[J]. 特种铸造及有色合金, 2013, 33(10):925-927.[9] 闫洪，贺儒，李正华，等. 近液相线铸造法制备稀土铝合金半固态浆料的研究[J]. 热加工工艺，2013, 42(13):1-4.[10] 王明，刘旭波，郭洪民，等. 螺旋线槽制备A356铝合金半固态浆料[J]. 特种铸造及有色合金，2015，35(9):941-943.[11] 王家宣，姜丽红，方敏，等. 超声波作用下半固态A356合金的制备与理论研究[J]. 特种铸造及有色合金，2010, 30(4):323-325.[12] Kumar P, Martin C L, Brown S. Shear rate thickening flow behavior of semisolid slurries[J]. Metallurgical Transactions A, 1993, 24(5):1107-1116.[13] Ryoo Y H, Kim I J, Kim D H. Microstructural characteristics of semi-solid state processed hyper eutectic Al-Si alloys[C]// The 4th Int. Conf. on Semi-solid Processing of Alloys and Composites. England, 1996:60-65.

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