謝水生教授的半固態(tài)成形技術(shù)概述課件

1、 得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固 相組分的固液混合漿料(固相組分甚至可高達60%) 這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，即具有很 好的流動性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品。 20世紀70年代初 美國麻省理工學院D.B.Spencer等 測量Sn-15%Pb合金高溫粘度計中，發(fā)現(xiàn) 了金屬在凝固過程中的特殊力學行為時 金屬在凝固過程中進行強烈攪拌，即使 在較高固相體積分數(shù)時，半固態(tài)金屬仍只有 相當?shù)偷募羟袘?yīng)力，這種特殊性能是由于基 體中存在奇特的球狀微粒結(jié)構(gòu)。 獲得高質(zhì)量、高強度、高精度金屬零件毛坯 壓力鑄造- 凝固過程中施加壓力 液態(tài)模鍛- 提高模鍛溫度，充形性好 半固態(tài)加工-金屬在凝固過

2、程中， 然后直接進行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠 如：鋁合金、鎂合金、鋅合金、鎳合金、 銅合金以及鋼鐵合金 其中鋁合金、鎂合金因其熔點低， 已得到廣泛應(yīng)用 制備復(fù)合材料 提純材料等 零件毛坯的加工成本 壓力鑄造重力鑄造鍛 造 微觀組織結(jié)構(gòu) 壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛 造 成形的形狀精確度 壓力鑄造 重力鑄造半固態(tài)鍛 造 最終零件的加工成本 壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛 造 機械特性 壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛 造 高 半固態(tài) 壓力鑄造 流變成形(Rheoforming) 觸變成形(Thixoforming) 流變鑄造(Rheocasting)- 局部重熔（二次加熱）(Reheating)- -觸變成形(T

3、hixoforming) 漿料的 械攪拌法 電磁攪拌法 近液相線鑄造法 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法 濺射沉積法 紊流效應(yīng)法 等 械 攪 拌 法 （a）垂直式 (b)水平式 不同的電磁攪拌方式示意圖 (Rheoforming) 幾種流變成形的方法(Rheoforming) 幾種流變成形的方法(Rheoforming) 幾種流變成形的方法(Rheoforming) 幾種流變成形的方法(Rheoforming) 流變鑄造(Rheocasting) 局部重熔（二次加熱）(Reheating) 觸變成形(Thixoforming) 電阻加熱 感應(yīng)加熱 二次加熱裝置溫控原理圖 EFU公司的半固態(tài)金屬坯錠的加熱設(shè)備

4、 加熱坯錠最大直徑可達100mm，坯錠最大高度可達250mm。 加熱電流的頻率可調(diào)，可從300HZ至550HZ。 如連續(xù)加熱直徑3英寸，長度180mm的AlSi7Mg坯錠，加熱速率 為25 個錠/小時，耗電量為110KW Al A357 普通鑄造的組織 半固態(tài)加工的組織 50 m50 m 3D Characterisation of Particles - LS 2618 2D Sections 3D shapes 610 C 2 min 60 min 20 min a）銅合金Cu-10Sn-2Zn b) 不銹鋼A1S1304 c) 鈷基高溫合金HS31 應(yīng)力 應(yīng)變 Increasingly

5、dendritic Increasing particle size Decreasing temperature Increasing strain rate 流變鑄造過程的模擬 二次加熱過程的模擬 觸變成形過程模擬 半固態(tài)鈦合金 觸變成形閥體 時金屬流動前 沿位置和流線 利用固體力學的理論進行數(shù)值模擬 考慮為粘塑性本構(gòu)關(guān)系 利用流體力學的理論進行數(shù)值模擬 提出新的理論進行數(shù)值模擬 如：認為液態(tài)產(chǎn)生靜水壓 固態(tài)為多孔材料 通過壓縮實驗獲得粘塑性本構(gòu)關(guān)系 實驗GLEEBLE 1500熱模擬機上進行 不同應(yīng)變速率時半固 態(tài)Al-6.6%Si合金在液 固兩相區(qū)壓縮變形的 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線 合 金

6、加 工 方 法 熱 處 理 狀 態(tài) 屈 服 應(yīng) 力 (MNm -2) 抗 拉 強 度 (MNm -2) 延 伸 率 (%) 硬 度 （ HB） 鑄 造 合 金 A356 (Al7Si0.3Mg) A357 (Al7Si0.6Mg) SSM SSM SSM SSM SSM PM PM CDF SSM SSM SSM SSM SSM PM PM 鑄 造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 T6 鑄 造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 110 130 180 240 260 186 138 280 115 150 200 260 290 296 145 220 250 255 320 310

7、 262 186 340 220 275 285 330 330 359 200 14 20 5-10 12 9 5 2 9 7 15 5-10 9 7 5 4 60 70 80 105 100 80 - - 75 85 90 115 110 100 - 鍛 造 合 金 2017 (Al4CuMg) 2024 (Al4Cu1Mg) 2219 (Al6Cu) 6061 (Al1MgSi) 7075 (Al6ZnMgCu) SSM W SSM CDF W W SSM W SSM W SSM CDF W T4 T4 T6 T6 T6 T4 T8 T6 T6 T6 T6 T6 T6 276 275 2

8、77 230 393 324 310 260 290 275 361 420 505 386 427 366 420 476 469 352 400 330 310 405 560 570 8.8 22 9.2 8 10 19 5 8 8.2 12 6.6 6 11 89 105 - - - 120 89 - 104 95 - - 150 合金及狀態(tài)屈服應(yīng)力（MPa）抗拉強度（MPa）延伸率（%） 6061 鋁合金（T6 態(tài)） 流變鑄造錠 觸變成形（模溫 450C） 觸變成形（模溫 500C） 壓力鑄造 207 214 252 252 165 152 172 200 4 7 185 9 202

9、4 鋁合金 觸變成形 壓力鑄造 鍛造 464 483 485 347 362 400 112 134 10 合金及狀態(tài)屈服應(yīng)力（MPa）抗拉強度（MPa）延伸率（%） AZ91D SSM 鑄造合金（鑄態(tài)） AZ91D SSM 鑄造合金（T4 熱處理） 120.85.1 87 231.413.4 239 6.20.9 11 AZ91D 模鑄 AZ91C 砂型鑄造（鑄態(tài)） AZ91C 砂型鑄造(T4 熱處理) AZ91C 砂型鑄造(T6 熱處理) AZ91C 金屬模鑄造(T4 熱處理) AZ91D 金屬鑄造(T6 熱處理) 1542 95 85 130 70 100 25312 165 275 2

10、75 175 175 70.8 2 12 5 1.8 0.8 不同加工方法下的材料力學性能 一些 高熔 點合 金在 不同 條件 下機 械特 性的 比較 屈服應(yīng)力（MPa）抗拉強度（MPa）延伸率（%） 銅CDA905 流變鑄造狀 流變鑄造+均勻化 觸變成形 砂型鑄造 131 155 155 152 324 305 281 310 30 23 7 25 不銹鋼AlSl304 觸變鑄造 蠟?zāi)ｈT造 不銹鋼AlSl304L 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活 鍛件 276 274 660 516 596 483 19 30 30 57 不銹鋼440C 流變鑄造狀 流變鑄造+均勻化 鍛件 1030 1650 1860 壓

11、縮實驗 壓縮實驗 M2 工具鋼（回火） 觸變鑄造 鍛件（軸向） （橫向） 2370 2440 1230 彎曲實驗 彎曲實驗 鈷合金 鎢鉻鈷合金21 觸變成形 標準值 觸變成形 鍛件 鑄造 X-40 流變鑄造 蠟?zāi)ｈT造 531 524 2050 2400 924 1550 700 662 745 彎曲實驗 彎曲實驗 8 28 6 3 7 鈦合金 Ti-20Co 流變鑄造 模鑄 Ti-2-Cu 流變鑄造 模鑄 Ti-17Cu-8Cu 流變鑄造 模鑄 168 139 126 121 212 183 486 454 170 162 388 367 7.4 1.4 9.5 1.9 8.8 1.2 AlS

12、i7Mg鑄造鋁合金在觸變成形和熱 處理后不同位置的機械性能 AlMgSi1鍛造鋁合金在觸變成形和熱 處理后不同位置的機械性能 許多國家都進行研究、開發(fā)、應(yīng)用， 應(yīng)用日益廣泛、已工業(yè)化應(yīng)用 目前處于領(lǐng)先地位國家目前處于領(lǐng)先地位國家 美國、意大利、瑞士、法國、英國、 德國、日本等 Alumax在 Jackson工廠的半固態(tài)加工車間 瑞士Buhler工廠的半固態(tài)金屬成形機 （630T） 半固態(tài)成形的鋁合金另件 半固態(tài)成形的鎂合金零件 半固態(tài)流變鑄造成型的鋁合金汽車零件 汽車的轉(zhuǎn)向節(jié) 車的齒輪盤 發(fā)動機支架 半固態(tài)加工成 形汽車零件 半固態(tài)加工成形的渦型輪 Motor Bracket (Mercury

13、 Marine, Inc., Fond du Lac, WI Left Photo: Profiles SSF produced master cylinder, Right Photo shows completed fuel rails manufactured by AEMP A-Mold Corporation, a subsidiary of UBE Industries, Ube City, Japan Ann Arbor, MI-based Thixomat Light weight notebook computer Digital video camera Various s

14、mall metal components produced by Formcast, Inc. Variety of metal components produced by THT presses A view of THT s manufacturing area UBE Machinery, Inc., Ann Arbor, MI Isuzu truck transbeam Porsche Boxter engine block 名 稱鐵零件 (Kg) 鋁零件 (Kg) 質(zhì)量減少 (Kg) （%） 上控制臂：前端0.73710.255150.4819565% 上控制臂：后端0.79380.311850.4819561% 懸臂1.842750.708751.13462% 駕駛控制桿2.0