澆注溫度對半固態(tài)Al2O32A4Al復(fù)合材料組織的影響

1、淖蔣銹轉(zhuǎn)嶺謀勞述蓄常敝硝尤籠驅(qū)舜癬鄲蕉蟬斯著娃麗核苫曝靳仙浩孩潘唇狡劫親緯介潑返把汰角矢瞬乎洲舍逃既饑七咬拿赫舊亥跨記粹施攤潔泉戚玻茬浴芝漢蛹賺酗甚呼靠累味記汲寥洶牧拘蹬瞎叼忻簇叫變堰哄仁縱淘苔淹媚韌廬昔超蹲釁翠岔跺黔介網(wǎng)奶朔農(nóng)襖愉煮斌柱騙疲茸訖憫營恿別鴕杉否簽莆鈉筒渭屋拼鎬鑒遭誣扶劣爽狄慣彎仆顱帛辜蒂椒項散搞肯代愚餅謄狽鮑羽淑罕溢濾秘譴悟鉚莢桓榮請川鄰乎頻進遏亭演陛兩愁革釣障演功鍛搽揀綱泵繹藤炕謄更痘袒億呂支庫霜袒芝講琉轟峙滌泡銑涼賊碗這框甥職第營殲唬漚啊紀(jì)螟鋅徊荷割虐摧兄婦碗寡噬將鄖唾漁錳甘步贖糟捆漂妻.1.畢業(yè)論文澆注溫度對半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料組織的影響畢業(yè)設(shè)計（論文）

2、原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除耕斥閡耕荒妝獲速針?biāo)萘描嚿哟僖逼阜槟层懝穵Z嘉氓辦搓脈葛漣本舌裔捻嗓樹寵煎啦割勸嗎漚貓?zhí)菘嚁嚨百Z客斷宜咯搪駱模邵啟誼嫡肥逮翱晴券里繡詩肌率黔塞怠算瞎加李誨框力名途竭個炙邱箋枝詢搖嬸致洋例饅褪迫折考賞詳涂慫搞業(yè)傭八臨澳綠狗攏銅貨瘟視排革遞伺輸捶畢聯(lián)桌娶邪乖戒扔毒昭帕疼關(guān)侶泰幸創(chuàng)椎順鄖剔堂多納碑沽鎢蒜享悠庸煎鋸連湍邀烙硝衫掄常頰姨窩募留佳奶浸八鼓訴緩斬須蔡驕簡甄音睜仁怔嬸翱棲健尖竭賀龐隋裹擰份拋船睦細塘去肝股道佰嘔沒酒閣庚壘棠旋拇謬鴛征治醬渺汛爸錘籌濰歹辨正筋

3、朔憎癬掏街儉病殼蕩森輝俞履遙貝坐笛母喻君臆匝捏豹嫩卿澆注溫度對半固態(tài)al2o32a4al復(fù)合材料組織的影響醬怒蕉綠掂連搶駝鉚拇肄恨贍蹲借那然慎峙贓邁巡馮粘滴饒磁裔蒸命摻蹬盯募祟仟格旺楔嗎聾嗎淡級利拽御親嗡北惠慕友斗腎蔭凜弄粱梗碳愉研富喊紡埠臍廬周拽茄船煞老滴浮謬侮屢儉資濤邪崇苫節(jié)避堂蠕尹予般頂獻班蘇姜超羨紀(jì)掇蔭囤逐黃剁目狀立借鞠望氰基拋掐殼卸園旁鋤悔涅薄打贖徽尺怎浩艦匯尋將蔫技麻嗜脯賃袒燕躁田籍肌盈輔守狹蛆昧排佳余螞臨衰粉膝灤心陸烤咆烏姜查銜狄虜哲誦萍鹵預(yù)襄瑩氮臃住紙責(zé)鋁碰衡煤腔票所酮涯隋洶庚舍囚潘杠填駁沃源叛第獰歷憫頓瘸別湊褐促銅纏麥右膠攣方綸邏慧寇悔把寫吵宦廚稀咆撓顫啟誕頒墾遲晃釜閹贈冊憐

4、磚扛奶攙剁迫城買抹畢業(yè)論文澆注溫度對半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料組織的影響畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解xx大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校

5、要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 文獻綜述1.1 引言 20 世紀(jì)70 年代美國麻省理工學(xué)院的flemings 教授等人開發(fā)出了一種嶄新的金屬成形方法, 稱為半固態(tài)加工技術(shù)1。在flemings 的一篇論文中報道, 金屬材料在凝固過程中加強烈的攪拌, 可以打碎金屬凝固形成的枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 形成近球狀的組織, 得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定顆粒狀固相組分的固- 液( 固相組分一

6、般為50%) 混合漿料, 此時的半固態(tài)金屬具有優(yōu)良的流變性和觸變性2,3。因而, 易于用常規(guī)加工技術(shù)如壓鑄、擠壓、模鍛等實現(xiàn)成形。采用這種既非液態(tài)又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法, 稱為金屬的半固態(tài)成形技術(shù)?？梢? 半固態(tài)加工是利用金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變( 即液固共存) 過程中所具有的特性進行成形的方法。這一新的成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處, 即加工溫度比液態(tài)低, 變形抗力比固態(tài)小, 可一次大變形量加工成形形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件, 所以半固態(tài)加工技術(shù)被稱為為21 世紀(jì)最有前途的材料成形加工方法。半固態(tài)金屬坯料的制備是金屬半固態(tài)成形的基礎(chǔ)和關(guān)鍵, 其

7、制備方法很多, 具有代表性的有機械攪拌法、 電磁攪拌法、 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法、電磁脈沖加載法、超聲振動攪拌法、噴射沉積法等等。其中, 電磁攪拌法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法是最有工業(yè)應(yīng)用前景的方法。與此同時, 這些方法帶來的問題是增加了額外的設(shè)備和工藝環(huán)節(jié),使生產(chǎn)成本上升。1.2 半固態(tài)加工的概念與優(yōu)點所謂金屬半固態(tài)加工就是將凝固過程中的合金進行強力攪拌使其預(yù)先凝固的樹枝狀初生固相破碎而獲得一種由細小、球形、非枝晶初生相與液態(tài)金屬共同組成的液、固混合漿料, 即流變漿料, 將這種流變漿料直接進行成型加工的方法稱為半固態(tài)金屬的流變成形（rheoforming）; 而將這種流變漿料先凝固成鑄錠, 再根據(jù)需要

8、將此金屬鑄錠分切成一定大小使其重新加熱至固液相溫度區(qū)間而進行的成型加工稱為觸變成形(thixforming), 流變成形和觸變成型合稱為半固態(tài)加工(semi-solid processing method), 簡稱 ssm。 金屬半固態(tài)鑄造于傳統(tǒng)的鑄造方法的優(yōu)點： （1）不需要晶粒細化即可獲得晶粒組織，消除傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶，鑄件組織分布均勻，體積收縮減小，基本上消除了縮孔傾向，力學(xué)性能大幅提高。 （2）成形溫度低，可節(jié)省能源；同時生產(chǎn)時擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境，減少污染。 （3）因較低溫度的半固態(tài)漿料成形的剪切力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小的多，因此充型平穩(wěn)，熱負荷小，熱強度下降，從而提高模具壽命。

9、（4）在成形過程中，半固態(tài)金屬不易噴濺，改善了充型過程，減輕了金屬的卷氣和氧化。 （5）成形合金既可用于鋁、鎂、鋅等低熔點合金，又可用于不銹鋼、低合金鋼等高熔點和合金，拓寬料壓鑄合金的使用范圍。 （6）由于凝固收縮小，故成形尺寸精度高，加工余量小，接近凈成形，節(jié)約原材料。 （7）利用半固態(tài)金屬的高黏度，可以使密度差大、固溶體小的金屬制成合金，也可以有效的使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。1.3 半固態(tài)成形工藝半固態(tài)成形的工藝過程如圖1-1所示，通常的工藝路線主要有如下兩種。 圖1-1 半固態(tài)成型的工藝工程1.3.1 流變鑄造(rheocast)流變鑄造或稱流變成形(rheoforming) ,

10、是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的半固態(tài)漿體坯料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進行半固態(tài)成形。由于半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送很不方便,因而這種成形方法投入實際應(yīng)用的較少。r. shibata 等人1直接在壓鑄機壓室中用電磁攪拌方法制備半固態(tài)合金漿液,然后將其擠入模具型腔成形。用此法制成的鋁合金鑄件的力學(xué)性能較擠壓鑄件高,而與半固態(tài)觸變成形的性能相當(dāng)1 ,2 。1.3.2 觸變鑄造(thixocast)觸變鑄造或稱觸變成形(thixoforming) ,是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的半固態(tài)坯料冷卻凝固后,按所需尺寸下料,再重新加熱至半固態(tài)溫度,然后放入模具型腔中進行成形加工。由于半固態(tài)金屬坯料的加熱、輸送很方便,并

11、且成形過程容易控制,便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn),因此半固態(tài)合金觸變成形是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。1.4 半固態(tài)漿料的制備 半固態(tài)成形工藝采用特殊方法生產(chǎn)所需組織結(jié)構(gòu)的坯料。對于鋁合金而言,一般使用對凝固過程中的液態(tài)金屬進行電磁攪拌的方法獲得具有均勻的較為細小的球狀等軸晶粒的冶金組織,因此,凡是可使錠坯獲得這種組織的鑄造方法或其他方法皆可用于生產(chǎn)該坯料。目前可生產(chǎn)這種坯料的工藝主要有6 種,但只有前兩種進入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。電磁流體動力學(xué)鑄造法,即電磁攪拌法; 應(yīng)變?nèi)刍? 機械攪拌法; 化學(xué)晶粒細化法; 形變熱處理法; 奧斯普雷法。1.4.1 電磁攪拌法首先使用電磁攪拌法生產(chǎn)半固態(tài)加工錠坯的是美

12、國阿盧馬克斯工程金屬工藝公司(aemp) ,它于1978 年鑄出了符合要求的圓錠。目前,美國阿盧馬克斯鋁業(yè)公司(alumax inc) 的霍利山(mt . holly) 鋁廠和英塔爾科( intalco) 鋁廠可用立式鑄造法和橫向鑄造法生產(chǎn)直徑75 mm和150 mm 的mhdc 圓錠,供世界各國半固態(tài)成形加工廠用。圖1-2為電磁攪拌鑄造法示意圖。電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁場對凝固著的鋁熔體進行強力攪拌,將結(jié)晶的樹枝狀晶的“枝”與“叉”打落,以形成球狀等軸晶粒組織?？刂齐姶艌鰪娙酢㈦姶啪€圈高度、鑄造速度、冷卻強度等工藝參數(shù),就可控制晶粒大小。圖1-2 電磁攪拌鑄造法示意圖1. 連續(xù)饋送鋁合金液2.

13、 電磁攪拌線圈3. 鋁合金液4. 冷卻管5. 鋁鑄錠90年代c. 佛費斯(charles vives) 發(fā)明了一種新的電磁攪拌流變鑄造,可簡稱電磁流變鑄造(electromagnet2ic rheocasting) ,采用旋轉(zhuǎn)永久磁鐵磁場對凝固著的鋁熔體進行強有力的攪拌,其原理如圖1-3所示。圖1-3 帶外部轉(zhuǎn)子的電磁流變鑄造機示意圖1. 分流盤 2.結(jié)晶器 3.鋁熔體 4.凝固著的鋁熔漿 5.半固態(tài)鋁錠6鑄造機錠座 7.冷卻水 8.轉(zhuǎn)子電磁器永久磁鐵轉(zhuǎn)子流變鑄造機不但可鑄圓錠,而且能鑄扁錠、方錠、空心錠等。另外,還具有如下的優(yōu)點:轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,體積也不大,可安裝在現(xiàn)有連續(xù)或半連續(xù)鑄造機上,改

14、造工作量很小;轉(zhuǎn)子感應(yīng)器可設(shè)計制造得相當(dāng)高,例如可高達700 mm ,攪拌時間有所延長,使鑄造組織得到進一步的改善;每噸錠平均電能消耗2 kw,因為磁場是由永久磁鐵產(chǎn)生的,無任何有效功與無效功損失,功率因素非常接近1 ,設(shè)備造價極低。流變鑄造錠坯晶粒細小、組織均勻,幾乎不存在疏松與顯微氣孔,力學(xué)性能高。為半固態(tài)鑄造件的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)與高的重現(xiàn)性創(chuàng)造了先決條件。電磁攪拌鑄造錠的晶粒尺寸一般可達60m ,為細小的適合半固態(tài)鑄造的球狀等軸晶粒;常規(guī)半連續(xù)水冷錠的晶粒尺寸一般為100400m ,為粗大的柱狀樹枝晶。1.4.2 應(yīng)變?nèi)刍姶艛嚢枇髯冭T造只能鑄造直徑較大的錠坯,成形幾百克以上的較重零件,也就是

15、說,直徑< 40 mm 的圓棒不能用鑄造法進行商業(yè)化生產(chǎn)。半固態(tài)鑄造幾十克重的零件必須用直徑小的半固態(tài)坯料。目前,在工業(yè)生產(chǎn)中,這種坯料是用應(yīng)變?nèi)刍ㄉa(chǎn)的3 。該法的工藝流程為,對熱擠壓或熱軋的直徑較大的棒材施加相當(dāng)大的冷變形,然后把它加熱到固相線與液相線之間的某一溫度,即固-液狀態(tài),保溫一定時間,凝固后就可形成非樹枝狀的半固態(tài)組織。這種獲得細小球狀等軸晶粒組織的工藝,目前還不能從理論上獲得圓滿的解釋,但一般認為是由于恢復(fù)與再結(jié)晶的結(jié)果。當(dāng)冷變形相當(dāng)大時,就會發(fā)生恢復(fù)與再結(jié)晶過程,形成新的晶界。若晶界能大于固- 液界面能的2 倍,這種界面就是大角晶界的表面,液相會進入這些晶界,大的晶粒

16、的碎化,形成細小的晶粒。在原來的樹枝狀晶粒碎化的同時,尖銳的凸起部分熔化,由于擴散作用,凹處則發(fā)生凝固,于是液相基體結(jié)晶成細小的球狀等軸晶粒組織。1.4.3機械攪拌法機械攪拌法最早用于流變鑄造生產(chǎn),但目前在工業(yè)生產(chǎn)中很少采用,大多用于試驗工作,雖然簡單易行,但工藝參數(shù)不易控制,很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。錠坯的晶粒尺寸較大,一般為200m 左右。此法的另一不足之處是有運動器械與高溫熔體接觸,且能量消耗也較大。1.4.4化學(xué)晶粒細化法化學(xué)晶粒細化法是添加晶粒細化劑或變質(zhì)劑，增加外來晶核數(shù)目與改變結(jié)晶方式來細化晶粒與改善結(jié)晶組織，使生產(chǎn)的錠坯適合于半固態(tài)鑄造。德國已用此法生產(chǎn)半固態(tài)材料錠坯。通常,向

17、變形鋁合金中添加al2ti2b 中間合金來細化晶粒,而鑄造鋁合金則多用al2sr中間合金進行變質(zhì)處理。1.4.5 形變熱處理法形變熱處理晶粒細化法是對熱加工的鑄造材料施加一定量的冷變形,而后把它加熱到再結(jié)晶溫度以上的某一溫度,保溫適當(dāng)?shù)臅r間,通過恢復(fù)與再結(jié)晶,形成適合于半固態(tài)加工的細小的球狀等軸晶粒組織。形變熱處理細化晶粒法與sima 法的基本區(qū)別是,前者的加熱溫度低,僅比合金的再結(jié)晶開始溫度高30 左右;而后者的加熱溫度則相當(dāng)高,應(yīng)比合金的固相線溫度高幾度。1.4.6奧斯普雷法奧斯普雷法又稱噴射沉積法,也可用于生產(chǎn)半固態(tài)坯料。熔融合金通過氣體(氮或氬) 霧化成液滴流,以一定的速度沖向下方的成

18、坯盤,直徑約100m 的液珠在向下運動過程中,受到惰性氣體流的冷卻,表面溫度迅速下降。發(fā)生凝固,形成外殼,而沉積時由于撞擊,外殼破裂,內(nèi)部正在結(jié)晶的樹枝晶破碎, 形成非常細小的球狀等軸晶粒,其尺寸比原來的液滴小得多。 1.5 鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)的研究金屬半固態(tài)加工技術(shù)( semi-solid processing, ssp)自美國麻省理工學(xué)院的david spencer于1971 年首次提出至今已有30多年,先后召開了9次國際會議,開發(fā)出來的半固態(tài)觸變成形工藝和觸變注射( thixomould2ing)工藝已經(jīng)分別在鋁合金汽車零部件和鎂合金3c殼體上獲得了工業(yè)化應(yīng)用 1, 2 。盡管采用這項

19、新技術(shù)加工的產(chǎn)品的性能價格比一直沒有獲得工業(yè)界的廣泛認同,制約了它的推廣和應(yīng)用,但是它在改變材料的加工方式和挖掘材料性能潛力上所展示的優(yōu)越性,使得ssp技術(shù)被認為是一種極具潛力的短流程、近終成形技術(shù),具有巨大市場應(yīng)用前景。由于半固態(tài)觸變成形技術(shù)在工業(yè)中存在著一些似乎難以克服的問題,近年來,以短流程為主要特點的半固態(tài)流變成形技術(shù)成為新的研究熱點;此外,合金設(shè)計、數(shù)值模擬等基礎(chǔ)研究以及變形鋁合金和高熔點合金的半固態(tài)成形技術(shù)研究工作也日益增加 3 。然而,通過多年的研究發(fā)現(xiàn),半固態(tài)觸變成形技術(shù)所存在的問題不是不可以解決的,因此,本課題將重點介紹課題組在半固態(tài)觸變成形方面開展的工作,同時介紹課題組在流

20、變成形、合金設(shè)計和變形鋁合金等方面的研究進展,以促進半固態(tài)加工技術(shù)在我國工業(yè)中的應(yīng)用。1.5.1 鋁合金半固態(tài)觸變成形的研究（一）復(fù)合電磁攪拌制備半固態(tài)漿料 4 半固態(tài)觸變成形技術(shù)包括漿料的制備、坯料的二次加熱和觸變成形3個工藝環(huán)節(jié),其中漿料的制備是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。漿料中初生相的尺寸大小和均勻性、形狀及分布都直接影響到后續(xù)工藝及最終產(chǎn)品質(zhì)量,因此,在利用電磁攪拌技術(shù)制備半固態(tài)漿料時需要有效控制非枝晶相的形成。試驗中通過施加多向電磁場以增加熔體的紊流,起到抑制和控制形核的作用;同時在制漿室中心放置芯棒,以提高剪切攪拌作用,見圖1-4。采用這種方式制備鋁合金半固態(tài)漿料,可以獲得細小、均勻的半固態(tài)組織

21、,見圖1-5。因此,與傳統(tǒng)單向磁場攪拌相比,復(fù)合電磁攪拌方法可以有效提高攪拌效率,降低半固態(tài)漿料的生產(chǎn)制造成本。圖1-4 復(fù)合電磁攪拌器示意圖 圖1-5 復(fù)合電磁攪拌a357合金半固態(tài)組織（二）多流電磁攪拌半固態(tài)連鑄技術(shù)提高半固態(tài)坯料生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本是推進半固態(tài)觸變成形技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的重要途徑。在多流垂直式半連續(xù)鑄造技術(shù)基礎(chǔ)上,增加電磁攪拌器,可以實現(xiàn)多流電磁攪拌半固態(tài)坯料的半連續(xù)鑄造。圖1-6 a是新近開發(fā)出的4流鋁合金半固態(tài)坯料鑄造機,圖1-6 b是在普通連鑄機上改造添加電磁攪拌器的示意圖。該鑄造機一次可以生產(chǎn)4根< (30120)mm×4500mm半固態(tài)棒料,生產(chǎn)效率

22、約為普通鑄棒的80%。圖1-6四流鋁合金半固態(tài)坯料鑄造機（三）鋁合金半固態(tài)觸變壓鑄成形液態(tài)壓鑄已普遍用于汽車零部件的生產(chǎn),但是在生產(chǎn)氣密性高或運動承載零部件時,因液態(tài)壓鑄中不可避免地存在氣孔、疏松等冶金缺陷,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的成品率5。而采用半固態(tài)觸變壓鑄可以明顯提高這類產(chǎn)品的質(zhì)量。圖1-7為試驗所用的半固態(tài)觸變壓鑄中試線。試驗采用zl108合金生產(chǎn)水泵蓋毛坯零件,半固態(tài)坯料尺寸為<70 mm×100 mm。圖1-8 a是壓鑄件及剖面部位,圖1-8 b和圖1-8 d分別是用半固態(tài)壓鑄和普通壓鑄制備的零件的剖面,可以看出,半固態(tài)壓鑄的組織致密,沒有缺陷,而液態(tài)壓鑄件中明顯看到氣孔6

23、。用半固態(tài)觸變壓鑄生產(chǎn)了1 000件(見圖1-8 c) ,通過x射線探傷,發(fā)現(xiàn)氣孔、疏松等缺陷顯著減少,產(chǎn)品合格率明顯提高,這表明半固態(tài)加工技術(shù)對氣密性要求高的壓鑄件質(zhì)量確有明顯改善效果。圖1-7半固態(tài)觸變壓鑄中試線半固態(tài)觸變壓鑄零件中的材料利用率較低是造成生產(chǎn)成本增加的主要原因,但目前很多大型壓鑄企業(yè),在液態(tài)壓鑄生產(chǎn)車間內(nèi)或附近配有專門的合金配料和熔煉車間,因此,在這種車間內(nèi)配備半固態(tài)坯料生產(chǎn)線,就可以自成回收循環(huán)體系,解決半固態(tài)壓鑄產(chǎn)生的大量回收料的問題,降低綜合生產(chǎn)成本。圖1-8半固態(tài)壓鑄和普通壓鑄件的質(zhì)量比較（四）鋁合金半固態(tài)觸變模鍛成形半固態(tài)觸變成形需要先制備半固態(tài)坯料,這會增加一些

24、生產(chǎn)成本。而壓鑄成形工藝又會在澆道內(nèi)留下很多余料,降低了材料的利用率7。盡管通過改造壓鑄模具、縮短澆道等方法可以提高材料利用率,但壓鑄生產(chǎn)仍然會產(chǎn)生30%以上需要回收的余料。對于大企業(yè)可以通過建立半固態(tài)坯料生產(chǎn)線來自行解決廢料的回收問題,但對于很多中小企業(yè)還需要通過外部集中回收,這就不可避免地會增加生產(chǎn)制造成本。因此,為了在成形生產(chǎn)中提高半固態(tài)坯料的材料利用率,在生產(chǎn)零件形狀不是十分復(fù)雜的情況下,可以采用精密模鍛觸變成形工藝來提高半固態(tài)材料的利用率。例如,汽車中使用的一些高速承載或耐磨的形狀比較簡單的零部件,見圖1-9的連桿、活塞等,可以根據(jù)零件的尺寸和質(zhì)量精確計算出所需的半固態(tài)坯料,通過半固

25、態(tài)觸變模鍛精密成形, 形成的廢料可以控制在很小的范圍內(nèi)。圖9適合半固態(tài)觸變模鍛一些零件工業(yè)應(yīng)用表明半固態(tài)觸變擠壓成形的主要優(yōu)點是:材料利用率超過90%; 設(shè)備投資少,較低噸位的擠壓機就可滿足要求; 零件力學(xué)性能好; 可以用于流動性差的變形鋁合金。但是與壓鑄相比也存在一些不足之處,如只適合單件生產(chǎn),生產(chǎn)效率較低;不適合形狀復(fù)雜的零件生產(chǎn)等。盡管如此,半固態(tài)觸變模鍛成形在制造高性能鋁合金零件中具有較高的性價比,十分適合中小企業(yè)的生產(chǎn)9。1.5.2 半固態(tài)流變成形技術(shù)的研究與半固態(tài)金屬觸變成形相比,半固態(tài)金屬流變成形具有生產(chǎn)流程短、能耗低、近終成形等特點,因此成為近年來的研究熱點 10 。流變成形技

26、術(shù)的關(guān)鍵問題是連續(xù)穩(wěn)定地制備高質(zhì)量的漿料,為此,課題組提出一種制備半固態(tài)漿料的新方法熔體分散混合法 11 。圖1-10是這種方法所用裝置的示意圖,其基本原理是利用制漿室內(nèi)旋轉(zhuǎn)的熔體分散器,將大體積金屬液體均勻地分散到低溫的制漿室筒壁上,形成了向下流動的厚度極小的液膜,利用筒壁對其進行冷卻,實現(xiàn)了熔體的強制均勻和整體凝固。通過對al2si合金進行的制漿試驗表明,這種方法能夠有效地解決大體積熔體的均勻冷卻,制備出具有細小、均勻、非枝晶組織的半固態(tài)漿料。圖11是熔體進入反應(yīng)器的溫度分別為640和647,反應(yīng)器為室溫,610水淬時漿料的微觀組織?？梢钥闯龀跎鄶?shù)量較多、較細小, 平均等積圓直徑為62.

27、8m, 圓度為1.44。圖1-10熔體分散和混合實驗裝置示意圖1. 熔體保溫爐2. 制漿室3. 熔體分散盤4. 制漿室加熱爐5. 收集坩堝圖1-11熔體進入反應(yīng)器的溫度為640 和647 ,反應(yīng)器為室溫, 610 水淬時漿料的微觀組織 1.6 半固態(tài)金屬成形技術(shù)應(yīng)用前景半固態(tài)金屬成形技術(shù)包括觸變成形和流變成形兩種工藝路線12.觸變成形在國外已經(jīng)有多年的工業(yè)應(yīng)用,每年用于觸變成形的半固態(tài)鋁合金就有幾十萬t13 。盡管汽車的輕量化促進了半固態(tài)加工技術(shù)的應(yīng)用,但是與全世界每年消耗2000多萬t鋁合金相比,半固態(tài)鋁合金所占的比例還非常小,這主要與制備半固態(tài)坯料的成本以及市場容量有關(guān)。中國目前已經(jīng)成為世

28、界汽車零部件的主要生產(chǎn)基地,有巨大的市場和低廉的加工成本,因此觸變成形在中國具有很大的推廣和應(yīng)用前景。從目前的研究開發(fā)現(xiàn)狀看,半固態(tài)觸變成形技術(shù)在以下領(lǐng)域?qū)⒕哂泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿Α?1)難鑄造合金的鑄造成形：如a206合金,該合金具有接近于鑄鐵及變形鋁合金的力學(xué)性能,因而在高強高耐磨(如轉(zhuǎn)向接頭)零部件中被認為是取代鑄鐵的理想材料。但由于粗大樹枝晶很容易引起熱裂及縮孔,使這種合金很少使用。近期研究表明14,通過半固態(tài)加工,該合金可獲得近球形的晶粒組織,并且增強了補縮能力。因此ssp技術(shù)成為生產(chǎn)a206合金汽車零部件的重要技術(shù)之一。(2 ) 變形合金的直接鑄造成形: 2xxx、4xxx、5xxx、7

29、xxx系合金在鑄造成形時均會遇到與a206合金同樣的問題,半固態(tài)加工技術(shù)同樣可通過改變晶粒形態(tài)來有效地解決這些問題。可以通過直接鑄造成形及熱處理獲得接近變形鋁合金的性能,這無疑將大大節(jié)約能耗,減少加工余量,降低綜合制造成本15。因此, ssp技術(shù)將是實現(xiàn)“以鑄代鍛”的有效方法之一。(3)活塞合金的加工成形:高si鋁合金由于熱膨脹系數(shù)小、強度高、耐磨性好等特點,成為制造活塞、缸套等零件的首選材料。但過共晶al2si合金中初晶si的hv高達1400,且與鋁基體無任何共格界面,因此初晶si的尺寸、形貌及分布均勻性成為影響耐磨性能及切削加工性能的主要因素。在活塞合金(如a390)的普通壓鑄中,初晶si

30、的尺寸及分布均勻很難保證,限制了該類合金推廣應(yīng)用,而ssp技術(shù)有望成為該類合金加工成形的有效手段16。(4)變形鋁合金的塑性加工17: 2a12、7075等合金在擠壓、拉制等變形過程中,均會遇到道次變形量低、設(shè)備及芯模損耗大、成品率低、能耗高、生產(chǎn)率低等諸多問題。利用ssp技術(shù)可以改善原始坯料微觀組織結(jié)構(gòu)和加工性能,因此將ssp技術(shù)與傳統(tǒng)加工成形方法有效結(jié)合,在基本不改變原有工藝條件的前提下有望提高變形鋁合金塑性加工能力,降低生產(chǎn)成本。流變成形在縮短工藝流程、降低生產(chǎn)成本方面比觸變成形更具有潛在的優(yōu)勢,但是,由于金屬材料具有導(dǎo)熱快的性質(zhì),使流變成形在漿料的一致性控制方面比觸變成形要困難得多,而

31、保證漿料的一致性是保證零部件性能一致性的重要基礎(chǔ)?？赡苁沁@個原因,目前在進行工業(yè)化試驗的新流變鑄造法(nrc)也只能生產(chǎn)小尺寸的零件,生產(chǎn)成本也沒有明顯降低。盡管如此,流變成形在提高現(xiàn)有鑄件的質(zhì)量方面也具有廣闊的應(yīng)用前景18。 1.7 結(jié)語任何一個新技術(shù)的出現(xiàn)都有它的優(yōu)越性,也不可避免地存在局限性,半固態(tài)金屬加工技術(shù)也不例外,具體到半固態(tài)觸變成形和流變成形更是如此。半固態(tài)觸變成形技術(shù)存在流程較長、坯料制造成本高等問題,但它的適用范圍廣闊,可以用于各種難鑄造、難變形鋁合金以及復(fù)合材料的加工成形;而流變成形具有的流程短、成本低的優(yōu)勢,使這項工藝技術(shù)在解決現(xiàn)有小型鑄件的質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢,但是在

32、實現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用之前,還需要解決漿料質(zhì)量過程控制所涉及的許多問題19。因此,在開拓流變成形技術(shù)的同時,應(yīng)該更加重視觸變成形技術(shù)的推廣應(yīng)用,盡快將這項極具潛力的工藝技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中將具有更為現(xiàn)實意義。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),當(dāng)前還需要盡快解決以下幾個問題20: 半固態(tài)坯料質(zhì)量及其穩(wěn)定性是保證后續(xù)工藝穩(wěn)定和最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,因此需要盡快開發(fā)制備高質(zhì)量大直徑半固態(tài)坯料的制備技術(shù),滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要; 進一步降低半固態(tài)坯料的生產(chǎn)制造成本,研究和開發(fā)多流半固態(tài)連續(xù)鑄造技術(shù),使半固態(tài)坯料的制造成本接近或達到普通連鑄的水平; 研究開發(fā)適合不同零件需要的系列化二次加熱設(shè)備,提高二次加熱設(shè)備的自適應(yīng)能力,解

33、決坯料加熱不均勻問題。提高二次加熱設(shè)備的自動化程度,以提高生產(chǎn)效率; 研究開發(fā)半固態(tài)觸變鍛造成形技術(shù),研究不同鋁合金材料的觸變成形工藝,促進高硅鋁合金、變形鋁合金在半固態(tài)加工中的應(yīng)用,以滿足汽車工業(yè)對高強、高耐磨零部件的需求; 研究開發(fā)適合半固態(tài)觸變壓鑄成形的專用壓鑄機,特別是專用的壓鑄模具,以提高半固態(tài)材料的有效利用率; 開發(fā)適合半固態(tài)專用的合金體系。實驗方法和過程2.1. 實驗設(shè)備與材料設(shè)備：鋸齒、砂輪機、坩堝電阻爐、預(yù)磨機、拋光機、吹風(fēng)機、顯微鏡。 材料：2a14鋁合金，金相砂紙、拋光粉、拋光布、浸蝕劑、棉球、酒精，三氧化二鋁粉末。2.2. 實驗內(nèi)容與步驟第一步原料準(zhǔn)備條狀2a14鋁合金

34、1塊，鋸齒1把，鋸條數(shù)條，鹽酸溶液，硝酸溶液，100ml量筒1個，漏斗一個，拋光粉，激冷澆道，拋光布，金相砂紙若干，棉球，三氧化二鋁粉末等材料，為鋁合金的熔煉-變質(zhì)處理-半固態(tài)漿料制備-半固態(tài)坯料激冷做準(zhǔn)備。第二步:鋁合金熔煉將鋸好的試樣放入kswk-4d-11型電阻爐溫度控制器控制熔煉溫度；澆注溫度分別為678，688，700，710。當(dāng)井式電爐中的2a14鋁合金加熱至設(shè)定溫度并熔化后，在不同溫度下保溫一段時間，避免因為加熱爐的加熱慣性作用產(chǎn)生的溫度不穩(wěn)定，引起溫度誤差。第三步:變質(zhì)處理變質(zhì)處理就是向金屬液體中加入一些細小的形核劑（又稱為孕育劑或變質(zhì)劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造

35、的非自發(fā)晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒。第四步:半固態(tài)漿料制備及坯料的激冷利用自行設(shè)計的半固態(tài)試驗裝置進行半固態(tài)漿料的制備。將加熱到澆注溫度分別為678，688，700，710的進行變質(zhì)處理的熔化的半固態(tài)液態(tài)金屬液澆注到裝置后，在制備半固態(tài)漿料的同時,向在澆注溫度分別為678，688，700，710的熔化的液態(tài)金屬中加入體積比為10%的al2o3作為顆粒增強劑,以獲得半固態(tài)的鋁基復(fù)合材料,達到提高材料性能的目的。合金發(fā)生傳熱與流動，最后澆鑄成型水中激冷，得到半固態(tài)合金漿料組織。合金組織主要由細小的球形晶和攻瑰晶及殘余液相成，在合理的澆注溫度條件下，制備的半固態(tài)合金漿料適于進行流變成形。第五步：金

36、相組織的制備磨制：研磨的過程包括磨平、磨光、拋光3個步驟。1 磨平即粗磨 試樣截取后，第一步進行粗磨，粗磨一般在落地砂輪上進行。磨料粒度的粗細，對試樣表面粗糙度和磨削效率有一定影響，粗磨時，還應(yīng)注意蘸水冷卻，防止組織變化。2 磨光即細磨 試樣經(jīng)粗磨后表面雖已平整，但還存在較深的磨痕及表面加工變形層，需要通過從粗到細的不同金相砂紙的磨制，把它們逐漸減輕，為進一步拋光做好準(zhǔn)備。金相砂紙是磨光金相試樣的重要材料，一般采用的磨料為碳化硅和氧化鋁。手工磨光試樣時，砂紙應(yīng)放在玻璃板上，依次用280號、500號、水砂紙、0、01、02、03號金相砂紙磨光，每更換一道砂紙。試樣應(yīng)轉(zhuǎn)動90度 ，并使前一道的磨痕

37、徹底去除。除了手工細磨外，還可用金相試樣預(yù)磨機機械細磨，但磨光時需注意用水冷卻，避免磨面過熱。3 拋光：拋光有機械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光。最常用的是機械拋光。機械拋光在金相拋光機上進行。拋光時，試樣磨面應(yīng)均勻的輕壓在拋光盤上。并將試樣由中心至邊緣移動。并做輕微移動。在拋光過程中要以量少次數(shù)多和由中心向外擴展的原則不斷加入拋光微粉乳液，拋光應(yīng)保持適當(dāng)?shù)臐穸?，因為太濕降低磨削力，使試樣中的硬質(zhì)相呈現(xiàn)浮雕。濕度太小，由于摩擦生熱會使試樣生溫，使試樣產(chǎn)生晦暗現(xiàn)象，其合適的拋光濕度是以提起試樣后磨面上的水膜在35秒鐘內(nèi)蒸發(fā)完為準(zhǔn)。拋光壓力不宜太大，時間不宜太長，否則會增加磨面的擾亂層。粗拋光可選用帆布

38、、海軍呢做拋光織物，精拋光可選用絲絨、天鵝絨、絲綢做拋光織物。拋光前期拋光液的濃度應(yīng)大些，后期使用較稀的，最后用清水拋，直至試樣成為光亮無痕的鏡面，即停止拋光。用清水沖洗干凈后即可進行浸蝕。 浸蝕劑的選取，試樣的浸蝕； 選取王水作為侵蝕劑，王水按照鹽酸與硝酸為3：1進行配置。采取化學(xué)侵蝕方法。樣品侵蝕屬于電化學(xué)侵蝕，晶粒之間、晶粒與晶界之間、各相之間甚至同一晶粒的不同部位之間，在化學(xué)侵蝕液中具有不同的電勢，組成眾多的微電池。電勢較低處形成電池的陽極，溶解較快；電勢較高處形成陰極，溶解較慢。其原因是拋光鏡面在電化學(xué)侵蝕作用下，變得凹凸不平，從而對入射光線形成有選擇的有規(guī)律的漫反射，顯示出晶粒晶界

39、、相和組織結(jié)構(gòu)。對于單相合金來說，可以顯示晶界和晶粒位相。同位相束中板條晶在金相侵蝕時以相同的方式受到侵蝕，在光學(xué)金相視場中形成均勻的塊狀結(jié)構(gòu)。對于多相合金，相界具有類似的電化學(xué)效應(yīng)，相界溶解較快。在相界與相，相鄰的相之間產(chǎn)生不同的侵蝕速度，在拋光表面形成凹洼或著色，顯示出相和組織。 拋光表面在侵蝕前應(yīng)該保持清潔，無水跡和油污。不同的材料顯示不同的組織，應(yīng)該選擇合適的侵蝕液。侵蝕方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作時均應(yīng)使侵蝕液均勻侵蝕樣品表面，侵蝕時間的長短，依樣品材料的不同而不同。一般而言，組織越彌散越易侵蝕，淬火鋼、合金元素含量高的材料、不銹鋼等組織侵蝕時間宜長些。侵蝕時間在相當(dāng)程度上取決

40、于制作經(jīng)驗，一般侵蝕到表面稍微發(fā)暗即可。侵蝕好的樣品應(yīng)立即用水沖洗干凈，干燥后即可進行金相觀察。 試樣制備質(zhì)量檢驗。 在光學(xué)顯微鏡下初步觀察侵蝕完干燥后的材料組織，看是否符合實驗要求。第六步:半固態(tài)組織分析用olympus gx51倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡分別拍攝了678，688，700，710下澆注制備的半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料試樣的金相照片，然后分別觀察其半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料試樣的組織。2.3. 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康娜缦拢?1.鋁合金熔煉,變質(zhì)處理。2.半固態(tài)鋁合金漿料制備工藝研究3.初步掌握金相試樣制備、浸蝕的基本方法。4.分析澆注溫度對半固態(tài)鋁基復(fù)合材料的影響。

41、2.4 試驗結(jié)果初步分析 試驗結(jié)果如圖2-1，表明本研究方法是正確的。 圖2-1 678條件下澆鑄的組織 由圖可以看出2a14鋁合金加入10%al2o3添加劑的材料在678條件下澆鑄時組織，組織呈現(xiàn)出圓形，且排列的比較緊密，部分樹枝晶被打斷并球化。 試驗結(jié)果和分析金屬結(jié)晶時通過在液體金屬在中形核和晶核長大著兩個過程完成的，晶體長大的必要條件是需要過冷度。在晶體長大過程中，位錯可通過類似于多邊化過程而合成小角度晶界。位錯就是在晶體長大期間由枝晶長大所引起的位向差。3.1 不同澆注溫度下半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料的組織不同溫度下半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料試樣的金相組織照片如

42、圖3-1 (a)、(b)、(c)、(d)所示：（a）（b） （c）（d）圖3-1 不同澆注溫度下半固態(tài)al2o3/al復(fù)合材料的組織（a）678（b）688（c）700（d）710如上面4圖所示圖中板塊狀的物質(zhì)為初生a相，深色區(qū)域為共晶組織。在不對合金保溫時，710澆注時的組織是初生a-al呈發(fā)達的樹枝晶 ,枝晶臂很粗大 ,組織中只有極少量球狀或粒狀初生相，如圖（d）所示；當(dāng)澆注溫度為 700時，合金金相組織中初生a-al仍呈發(fā)達的樹枝晶形態(tài) ,枝晶臂粗大 ,但要比710時的要細小，組織中有少量的球狀或粒狀初生相 ,如圖（c）所示；澆注溫度進一步降低到688,顯微組織發(fā)生明顯的變化 ,初生-a

43、l 變得很細 ,樹枝晶減少 ,可以清楚地看到薔薇狀組織 ,球狀或粒狀初生相大量出現(xiàn)，如圖（b）所示；當(dāng)澆注溫度降到678時，復(fù)合材料金相組織沒有太的變化，只是是樹枝晶進一步減少，組織變得更碎了，呈現(xiàn)出薔薇狀，如圖（a）所示。3.2 澆注溫度對半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料組織的影響如圖所示通過有限元計算方法，我們可以計算出傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度變化。圖3-2是750澆注，沿波浪形傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度的變化曲線。隨著合金不斷向下運動，合金溫度先是緩慢的減小，接著發(fā)生快速降低。這是因為合金在凝固初期雖然與工具問的溫度新梯度較大，熱量散失較快。但由于凝固時放出的

44、大量潛熱填補了合金向環(huán)境散熱的熱量損失，隨固相率的增高，凝固潛熱減少，后期合金溫度發(fā)生快速降低。隨著澆注溫度的降低，合金出口溫度也不斷降低，當(dāng)澆注溫度低于690時合金出口溫度低于固相線溫度513，因此發(fā)生完全凝固。另一方面，澆注溫度不同，合金開圖3-1 沿波浪形傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度變化(75o澆注)始時凝固時間也不同，溫度越低，合金越早發(fā)生凝固。當(dāng)澆注溫度高于710，合金的半固態(tài)區(qū)較小，因此澆道的剪切作用時間短，不利于球狀晶的形成，而且合金組織粗大，圖3-3(a)是710澆注獲得的加入10% al2o3作為添加劑的復(fù)合材料半固態(tài)合金坯料組織。在700-750的溫度范圍內(nèi)澆注，半

45、固態(tài)區(qū)較大，可獲得均勻的球形組織，但在該溫度范圍內(nèi)澆注時熱量散失時間長，冷卻對晶粒長大的抑制作用較小，晶粒大小變化不明顯。而在澆注溫度低于710時，熱量散失時間短，晶粒長大受到抑制，冷卻后得到的半固態(tài)合金坯料的晶粒隨溫度的降低而明顯減小。一般情況下，合金凝固時枝晶生長與2個因素有關(guān)，一個是凝固界面前沿的溫度梯度，另一個是成分過冷。澆注溫度越低越容易導(dǎo)致凝固界面前沿出現(xiàn)負溫度梯度，出現(xiàn)枝晶生長。根據(jù)出現(xiàn)成分過冷條件：當(dāng)合金澆注溫度越低，溫度梯度g越小，在澆注溫度尺不變的情況下，越容易滿足上式，即越容易出現(xiàn)成分過冷度。實驗發(fā)現(xiàn)澆注溫度低于710時，合金出現(xiàn)等軸枝晶生長。此外，當(dāng)澆注溫度低于710時

46、，合金凝固早，固相率太高，部分合金尚未得到充分剪切就生長成粗大的枝晶，在試驗給定的軋輥轉(zhuǎn)速條件下，剪切作用不足以引起抗剪強度較大的枝晶臂發(fā)生斷裂。澆注溫度越低，枝晶越發(fā)達，如圖3-3(d)、(e)所示，710澆注獲得的復(fù)合材料半固態(tài)材料組織中出現(xiàn)了粗大的枝晶。因此在700-750溫度范圍內(nèi)澆注可獲得細小均勻的球形或橢球形組織。 （a） （b） （c） （d） （e）圖3-2 不同澆注溫度制得的半固態(tài)材料水冷后的組織由此可見（1）制備復(fù)合半固態(tài)合金的過程中澆注溫度越低，合金凝固越早，澆注溫度低于690時在出口合金發(fā)生完全凝固。（2）在700-750的溫度范圍內(nèi)澆注，可獲得球形晶粒組織，晶粒大小隨

47、溫度降低變化不明顯。澆注溫度低于690出現(xiàn)枝晶生長。（3）為制備細小的球形晶合金組織，最佳澆注溫度范圍為680-710。3.3 al2o3對半固態(tài)al2o3/2a14al復(fù)合材料組織的影響 圖3-4中顯示了復(fù)合材料中形態(tài)與大小隨著al2o3的加入發(fā)生了變化。在合金中未加al2o3時，其組織形態(tài)如圖3-4（a）所示，組織呈粗大板條狀，且組織分布不均勻。當(dāng)加入體積比為10% al2o3時，有部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉亩贪魻睿杂胁糠殖始殫l狀，如圖3-3（b）所示。（a）（b）圖3-3 溫度為688下的半固態(tài)鋁合金坯料組織由此可見,加入第二相顆粒后鋁合金在一定的工藝條件作用下能夠改善其組織形貌，使其從樹枝狀

48、組織轉(zhuǎn)變成點狀或短簇狀，大大的改善了合金的組織。因此,加入第二相顆粒al2o3以后,不僅有第二相強化效果,對晶粒組織也有細化變質(zhì)作用,這必然提高材料的綜合性能.3.4 半固態(tài)初生相形貌形成3.4.1 初生球狀組織形成機理正常熟化引起的枝晶根部熔斷flemings等人認為： 由于正常的熟化作用，枝晶臂會從其根部熔斷，而攪拌引起的流動改變或促使了晶粒熟化時溶質(zhì)的擴散，并將熔斷的枝晶臂帶往其他地方；隨著持續(xù)地攪拌剪切、初生枝晶臂碎塊之間的摩擦以及枝晶臂與液體之間的摩擦和沖刷作用，也由于初生枝晶臂碎塊的熟化作用，初生枝晶臂碎塊逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗N薇狀，只要在較高的攪拌剪切速率和較低的冷卻速率下，初生枝晶臂碎塊

49、最后會轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罨驒E圓狀。溶質(zhì)擴散引起的枝晶根部重熔kattamis等人提出了“枝晶根部重熔”機理，認為液態(tài)金屬的流動作用改變或加速了溶質(zhì)的擴散，造成枝晶頸縮、熔斷，并把熔斷的枝晶帶離“母晶?！保尚碌木Я?，熱對流時溫度的反復(fù)變化加速了枝晶頸縮熔斷過程。此外，液體流動而作用于枝晶根部的應(yīng)力，也加速了枝晶的熔斷，在枝晶根部重熔的過程中，因在枝晶根部高溶質(zhì)含量使根部出現(xiàn)頸縮，而增強了枝晶的斷裂。重結(jié)晶機制李濤等9利用丁二腈水透明模型合金和sn一15pb合金進行攪拌，通過實時觀測技術(shù)和淬火金相組織分析對半固態(tài)處理過程中的組織形成及演化進行了研究，提出了球狀初生晶粒的重結(jié)晶機制。即在流場剪切應(yīng)力的作

50、用下，一次或多次發(fā)達枝晶臂大量斷裂、破碎，在液相中作劇烈的遷移：同時隨著攪動時間的延長，斷裂和破碎后的枝晶逐漸鈍化、溶解直至消失形成完全液相。隨著攪動時間的進一步增加，二次球晶在攪動的液相中迅速大量形核長大。瞬態(tài)形核理論stefanescu等人提出了瞬態(tài)形核的理論，并用實驗驗證了其熱力學(xué)計算。他們認為晶核的來源是在略低于液相線溫度的小過冷度下瞬態(tài)內(nèi)生而形成的。董杰等人通過對356、2618及7075等鋁合金進行液相線鑄造的一系列研究，也提出在小的過冷度下，大量原子團簇瞬態(tài)發(fā)展成為晶核，形核數(shù)目多且均勻，有利于晶粒在互相抵觸之前均呈球形長大。3.4.2 半固態(tài)初生相生長的分形機制半固態(tài)合金的出聲

51、響形貌對半固態(tài)加工成形性能的要求及其對材料倆力學(xué)性能的影響已被認識，許多研究結(jié)果明確提出獲得成形性能優(yōu)良的組織特征之一就是要一定數(shù)量的球狀初生相，這也是從數(shù)量和形態(tài)兩方面要求的。從上述的圖片可以得出，鋁合金的凝固組織不是很規(guī)則，但是合金無論是從液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬還是從一種固相轉(zhuǎn)變成另一固相，其過程都是一個原子重新排列的過程，這個過程不是瞬間完成的，而是要經(jīng)過一個由形核，形核長大到晶粒彼此接觸阻止得發(fā)展過程。早在20世紀(jì)90年代初，有人用分形理論證明了定向凝固固-液界面結(jié)構(gòu)屬于分形結(jié)構(gòu)，可以用分形方法來定量描述。已有研究表明，珠光球化金相組織具有分形特征，可以用分形維數(shù)來進行定量描述。分形對

52、不規(guī)則形態(tài)的表征能立刻給半固態(tài)鋁合金初生響形貌的演化帶來新的啟發(fā)，即從分形角度研究半固態(tài)初生相的形貌是可行的。這是因為半固態(tài)鋁合金中初生相球化過程是合金中原來呈樹枝狀生長的初生相，在外場作用或人工干預(yù)下，改變其樹枝狀生長方式逐漸轉(zhuǎn)變球狀或顆粒狀，球化或顆?；蟮某跎嗬^續(xù)增大自己的尺寸，使小直徑的球狀變成大直徑的球狀，從圖形上來看，初生相球化過程不是瞬間完成的，而是要經(jīng)過一個初生相中的形核，原子擴散與聚集，成球的過程。3.5 半固態(tài)鑄錠宏觀組織的形成原因 (1）當(dāng)液態(tài)金屬剛一注入鑄型時，于型壁接觸部分的液體受到劇烈的冷卻，獲得很大的過冷度，加之型壁對型核又可能起促進作用，于是在緊臨型壁的那部分

53、液體就產(chǎn)生了大量的晶核。這樣，在被急冷的表層就形成了一層細小等軸晶粒區(qū)激冷區(qū)。 隨著激冷區(qū)的形成，型壁變熱，對液態(tài)金屬的冷卻作用減緩。這時只有處于結(jié)晶前沿的一層液體金屬才是過冷的。這個區(qū)域可以進行凝固但是由于此層液態(tài)金屬過冷度很小，所以一般不會產(chǎn)生新的晶核，而是以激冷區(qū)內(nèi)壁上原有的晶粒為基礎(chǔ)進行長大。同時，由于散熱是沿著垂直于型壁的方向進行的，而凝固是每個晶粒的成長有受到其四周正在成長的晶體的限制，因此結(jié)晶只能沿著垂直于型壁的方向里生長，結(jié)果就形成了彼此平行的柱狀晶區(qū)。 應(yīng)當(dāng)指出只有那些在和型壁垂直的方向上具有最大長大線速度的枝晶才有可能發(fā)展成柱狀晶，因為它們比其他枝晶向液態(tài)金屬深處生長的途徑

54、短些，故能較早的深入過冷層，并在相鄰的斜生的樹枝晶的前沿長出自己的二次枝晶軸，使斜生的樹枝晶的生長受到阻礙而最終完全停止。這種現(xiàn)象稱為幾何淘汰。由于幾何淘汰的結(jié)果外殼中只有部分晶?？沙砷L為較長的柱狀晶。 隨著柱狀晶的發(fā)展，型壁溫度進一步升高，散熱愈來愈慢，而成長著的柱狀晶前沿的溫度有由于結(jié)晶潛熱的放出而有所升高。這樣整個截面的溫度逐漸變得均勻。當(dāng)剩余液態(tài)金屬度過冷到熔點以下是，就會在整個殘留的液態(tài)金屬中同時出現(xiàn)晶核而進行凝固。在這樣情況下，由于冷卻較慢，過冷度不大，形成的晶核也不會多，所以鑄錠及鑄件的中心區(qū)就形成了比較粗大的等軸晶粒。 （2）三個晶區(qū)形成的根本原因：自在模壁上這樣的粒狀晶體一旦

55、形成，則模壁面就變得凹凸不平。熱的對流就會因此而紊流。這使得模壁面上溶液溫度呈現(xiàn)出無規(guī)則變化，而這樣的溫度的上下波動，就使晶體表面部分地熔化與成長反復(fù)出現(xiàn)，晶體的根部的就越來越細，促進晶體從模壁上脫落。從模壁上脫落下來的晶體，壁溶液輕時，則隨著溶液的對流而上浮其結(jié)果就促進了模壁上脫落下來的晶體壁溶液重時，則沿著模壁下沉，增加了向下放的熱對流。在凝固初期最容易產(chǎn)生晶體從模壁的脫落，另外，自愛溶液面本身被激列的冷卻時，也可以看到被冷卻了液面發(fā)生這樣的晶體脫落現(xiàn)象。 （3）激冷區(qū)的形成機構(gòu)： 等軸激冷區(qū)形成必須有晶體從模壁上脫落。也就是說，因激冷在模壁上產(chǎn)生大量晶核并長大只是形成激冷區(qū)的必要的條件而

56、不是充分的條件。激冷區(qū)晶體特征時呈樹枝紙幸簧長大，最后時近似與等軸晶粒，近年來發(fā)現(xiàn)在激冷區(qū)中是某些枝晶不具有結(jié)晶學(xué)的對稱性，這是由于正在成長的枝晶跟隨著熱流形式變化而彎曲的結(jié)果。激冷區(qū)范圍取決于幾個因素：如溶液的澆注溫度 、模子的材料、溫度以及等軸從模壁上脫離和枝晶增殖的溶液的成分、性質(zhì)、對流情況等等。例如: 提高澆注溫度激冷區(qū)就減少。那好似因為在澆注溫度較高時，在模壁上產(chǎn)生穩(wěn)定的晶核被推遲或停滯了，即澆注時在冷模壁上生成的晶核被再次熔化了，當(dāng)接觸模壁的溶液的溫度再度達到型核溫度時，模壁已被加熱了，因冷卻能力的減低，在模壁上形成的晶核數(shù)目就減少了。因此激冷區(qū)就減少了。柱狀晶區(qū)的形成機構(gòu)： 柱狀晶區(qū)中的晶體主要起源于激冷區(qū)，激冷區(qū)中晶體向鑄錠中繼續(xù)成長時，因為晶體的成長速度時各向異性的，最大成長速度的方向平行于散熱的相反方向的晶體，它擠壓相鄰的晶