材料先進成形方法

1、材料先進成形方法課件第1頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念半固態(tài)成形是一種新興的金屬成形技術，它與固態(tài)成形、液態(tài)成形同屬金屬成形領域。在合金狀態(tài)圖上，半固態(tài)成形是指合金處于液相線溫度和固相線溫度之間時對金屬漿料進行的加工成形，利用了金屬從液態(tài)向固態(tài)或固態(tài)向液態(tài)過渡（即固液共存）時的特性，填補了液相線和固相線之間沒有加工成形方法的空白。半固態(tài)成形在各種傳統(tǒng)成形方法中按成形溫度的排序如圖 所示。 第2頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念 半固態(tài)加工的起源 20世紀70年代初的美國麻省理工學院 Da

2、vid Spencer Merton Fleming第3頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念半固態(tài)加工技術(Semi-Solid Metal forming)，簡稱SSM，就是金屬在凝固過程中，進行劇烈攪拌，或控制固一液態(tài)溫度區(qū)間，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，即半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品，采用這種即非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，就稱為半固態(tài)金屬加工技術。第4頁，共53頁，2022年，5月20日，3點

3、51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念 半固態(tài)成形技術與傳統(tǒng)加工成形技術的區(qū)別 合金在半固態(tài)狀態(tài)下呈現(xiàn)出類似液體可以流動的、帶有粘性的特性，即流變性。第5頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念經(jīng)研究，之所以出現(xiàn)上述情況，是因為基體中存在奇特的球狀微粒結構，這種結構不會形成交錯的樹枝狀結晶組織，而是球狀微粒懸浮在液態(tài)的金屬母液中。球化了的固體質點對金屬漿液的粘度影響很大，這種組織比樹枝狀質點漿液的粘度要低得多。對于有球狀微粒結構的半固態(tài)合金組織，由于固體質點始終保持被金屬母液(即液態(tài)基體)分隔的狀態(tài)，因此，即使當固相體積分數(shù)高達60%時，這些

4、質點也不會形成互相連結的網(wǎng)狀結晶組織，這就是半固態(tài)合金粘度降低并具有流動性的原因。第6頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的出現(xiàn)和概念枝晶 半固態(tài)第7頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)組織的形成機理 (a) 凝固初期 （b）網(wǎng)狀枝節(jié)常規(guī)鑄造方法凝固示意圖 第8頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)組織的形成機理枝晶斷裂機制 在合金的凝固過程中，當結晶開始時晶核是以枝晶方式生長的。在較低溫度下結晶時，經(jīng)攪拌的作用，晶粒之間將產(chǎn)生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打斷，這些被打斷的枝晶臂將促進形核，形成許多細

5、小的晶粒。隨著溫度的降低，這些小晶粒從薔薇形結構將逐漸演化成更簡單的球形結構 。(a)未變形枝晶 (b)枝晶彎曲 (c)晶界形成 (d) 晶界被潤濕第9頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)組織的形成機理(b) 枝晶熔斷機制在劇烈的攪拌下，晶粒被卷入高溫區(qū)后，較長的枝晶臂容易被熱流熔斷，這是由于枝晶臂根部的直徑要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶質含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔點要低一些，所以攪拌引起的熱擾動容易使枝晶臂根部發(fā)生熔斷。枝晶碎片在對流作用下，被帶入熔體內(nèi)部，作為新的長大核心而保存下來，晶粒逐漸轉變?yōu)榻蛐巍５?0頁，共53頁，2022年

6、，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)組織的形成機理 (c) 晶粒漂移、混合抑制機制 在攪拌的作用下，熔體內(nèi)將產(chǎn)生強烈的混合對流，凝固過程是就在激烈運動的條件下進行，因而是一種動態(tài)的凝固過程。結晶過程是晶體的形核與長大的過程，強烈的對流使熔體溫度均勻，在較短的時間內(nèi)大部分熔體溫度都降到凝固溫度，再由于成分過冷，熔體中存有大量的有效形核質點，在適宜條件下能以非均勻形核的方式形成大量晶核，而混合對流引起的晶粒漂移又極大的增大了形核率。然而在長大過程中，強烈的混合對流則極大的改善了熔體中的傳熱和傳質過程，對晶體的生長起到了強烈的抑制作用。 由于混合對流作用，使得熔體的溫度和成分相對均勻。所謂的混合抑

7、制機制正是指這種環(huán)境不利于擇優(yōu)生長，或者說這種生長方式受到了強烈地抑制，而只能選擇各個方向長大，于是獲得了球狀的非枝晶組織。第11頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)組織的形成機理(d) 枝晶彎曲機制： Vogel和Doherty 等人認為枝晶臂在流動應力作用下會發(fā)生彎曲，并且位錯的產(chǎn)生將導致塑性變形的產(chǎn)生。在固相線以上溫度時，位錯間發(fā)生攀移并且互相結合形成晶界，當相鄰晶粒的取相差超過20，晶粒晶界能超過固-液界面能的兩倍，液體就將潤濕晶界并沿著晶界迅速滲透，從而使枝晶臂與主干分離，其機制如圖所示。(a)初始枝晶碎片 (b)枝晶生長 (c)薔薇形晶粒 (d)長大了的薔

8、薇形晶粒 (e) 球形晶粒第12頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的優(yōu)點第13頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)金屬加工技術的優(yōu)點第14頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術 實現(xiàn)半固態(tài)加工的前提是半固態(tài)漿料的制備。半固態(tài)漿料制備的目標就是提供含有細小均布的非枝晶(或球晶)初生相組織漿料。綜合可分為以下幾種制備技術。第15頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術攪拌制備技術 1)機械攪拌法 機械攪拌法起源于MIT，是最早發(fā)展起來的半固態(tài)加工方法。它基本上分為

9、兩種類型:一種是類似粘度測量的雙筒旋轉法，其在制備半固態(tài)漿料同時可測量一些與漿料流變特性相關的參數(shù);另一種是在熔融金屬中插入攪拌棒進行攪動。機械攪拌法的特點是設各簡單，容易獲得較高剪切速率;攪拌是在金屬表面下進行的，卷氣量小;冷卻速度快，可獲得細小組織，所獲固相組織為近似玫瑰花狀和球狀。第16頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術第17頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術機械攪拌法的特點 可以獲得很高的剪切速率，有利于形成細小的球形微觀結構。 裝置比較笨重、操作困難、生產(chǎn)率低、固相率只能限制在30%-60%的范圍內(nèi)。第1

10、8頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術(2)電磁攪拌法 電磁攪拌是借助電磁力強化鑄坯內(nèi)未凝固金屬熔液的運動，從而改變凝固過程的流動、傳熱和傳質，達到細化晶粒、改善鑄坯質量的目的。第19頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術非攪拌制備技術SIMA (Strain Induced Melt Activation)技術SIMA技術最早由Young等人發(fā)明，即把常規(guī)鑄錠經(jīng)過20%左右的預形變，然后加熱到半固態(tài)，在加熱過程中，首先發(fā)生再結晶，然后部分熔化，使固相晶粒彌散分布在液相基體中，進而得到半固態(tài)成形所需原材料。第20頁，共5

11、3頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術2)液相線鑄造 液相線鑄造是最近發(fā)展起來的一種半固態(tài)漿料制備替代技術。在液相線鑄造中，將合金熔體控制在液相線溫度并直接澆鑄到模具中，所得微觀組織通常是細小的非枝晶組織。一旦將其再加熱，液相線鑄造組織會迅速球化并形成適合后續(xù)成形的組織。第21頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術3)噴射鑄造法 噴射鑄造(Osprey)是另外一種非攪拌坯料制備技術。先用高壓氣體將液態(tài)金屬流霧化成微米級液滴，其中一些大微滴在霧化過程仍然保持液態(tài)，而一些小微滴在霧化過程中發(fā)生快速凝固。在移動基底上收集這些微滴的過程中

12、，具有高液相分數(shù)的液態(tài)和半固態(tài)微滴與具有高固相分數(shù)的固態(tài)和半固態(tài)微滴相互沖擊，經(jīng)歷重熔和再凝固，可獲得具有球狀組織的半固態(tài)漿料。第22頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術4)粉末壓制法 由英國Surrey大學T. W. Clyne等人發(fā)明的基于粉末的粉末壓制法 (Consolidation of Mixed Powders as Synthetic Slurry)是將兩種具有不同熔點的粉末混合并沖壓成一定形狀，然后快速加熱至低熔點合金熔點以上，低熔點粉末熔化而高熔點粉末仍然以顆粒狀保留在液相基體中，由此得到半固態(tài)組織。第23頁，共53頁，2022年，5月2

13、0日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術5)超聲波處理法 對正在凝固的熔體施加高能量的超聲波振動(或超聲波處理)以達到鑄件組織細化的技術可追溯到70年代中期。在過去幾年中，研究者又對這項技術應用于半固態(tài)漿料制備產(chǎn)生了興趣。實驗發(fā)現(xiàn)，當冷卻熔體的溫度恰好處于液相線以上一定溫度時應用超聲波處理可產(chǎn)生非常細小的非枝晶組織，并適合于隨后的再加熱和半固態(tài)加工。第24頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)漿料制備技術6)化學晶粒細化法 現(xiàn)在化學晶粒細化在鋁合金連續(xù)鑄造中是一種很普遍的方法。目前，這項技術也被考慮用于半固態(tài)漿料生產(chǎn)。它通過提高非均質形核率和抑制枝晶生長，可獲得細小等

14、軸晶組織。在適當?shù)木Я＜毣襟E下，這樣的組織可用于隨后的再加熱和半固態(tài)成形。第25頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術 半固態(tài)零件成形技術通?？煞譃閮深?流變加工技術和觸變加工技術。 熔煉、合金配制制 漿半固態(tài)坯料制備下 料二 次 加 熱觸變成形流變鑄造零件毛坯第26頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術 流變加工技術主要是在合金凝固過程中施加剪切制備半固態(tài)漿料并將所獲漿料直接轉移到模具中成形零件； 觸變加工技術則分為兩步:首先制備具有觸變特性的坯料，再通過二次加熱將坯料加熱至半固態(tài)溫度進行零件成形。第27頁，共53頁，2022

15、年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術流變鑄造 流變鑄造也被稱為攪動鑄造，但至今它還沒有得到廣泛商業(yè)化應用。其中一個重要原因可能是由于漿料的質量問題。原始的機械攪拌所獲組織為直徑為幾百微米或接近毫米級的玫瑰花狀晶粒，使得漿料觸變特性較差，無法較好地進行鑄造或鍛造成形;而電磁攪拌所獲組織為退化的等軸枝晶，需將其在半固態(tài)溫度下保溫足夠長時間，否則不適合直接成形零件。另外可能的原因是由于該過程不易控制和技術最初方案本身所存在的低生產(chǎn)率問題。但是，半固態(tài)漿料直接成形零件具有非常大的優(yōu)勢，如節(jié)約能源，生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，使它很具有吸引力最近，工業(yè)公司就發(fā)展了一種新流變鑄造(NRC)方法。利用與前面所述

16、液相線鑄造相似的方法通過控制冷卻來形成半固態(tài)漿料。至今，NRC法己用于鋁合金，鍛造鋁合金和鎂合金生產(chǎn)。它所允許采用的合金范圍很寬，特別是對鎂合金而言，比觸變成形和擠壓具有很大成本優(yōu)勢。第28頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術觸變成形 二次加熱 半固態(tài)錠坯在觸變成形之前，必須先進行二次加熱，即把錠坯加熱到液固兩相區(qū)，使組織局部重熔。其目的一方面是為了獲得觸變工藝所需要的含有一定固相體積分數(shù)的半固態(tài)錠坯，另一方面是為了使處于液固兩相區(qū)間的半固態(tài)坯料中的非枝晶組織逐漸長大，并轉化為球狀結構，為觸變成形創(chuàng)造有利條件 。第29頁，共53頁，2022年，5月20日，3點

17、51分，星期四半固態(tài)成形技術觸變成形工藝是將已制備好的半固態(tài)金屬漿料快速冷卻，凝固成錠坯后，根據(jù)產(chǎn)品所需尺寸下料，經(jīng)二次加熱重新加熱到固液兩相區(qū)溫度區(qū)域進行非枝晶處理，利用它的觸變性能進行成形的技術。按成形的方式可以分為： (a)半固態(tài)模鍛 (b)半固態(tài)擠壓(c)半固態(tài)壓鑄(d)半固態(tài)軋制第30頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術半固態(tài)壓鑄半固態(tài)壓鑄是以流變性半固態(tài)金屬或觸變性半固態(tài)金屬加入壓室進行壓鑄，是本世紀近20年來壓鑄發(fā)展的重要標志之一。其工藝流程有兩種，一種是流變壓鑄，另一種是觸變壓鑄。鋁合金觸變鑄造是將常溫下已制好的半固態(tài)漿料重新加熱到固液兩相區(qū)，

18、獲得約 50%甚至更高固相組分的漿料，然后將半固態(tài)漿料送入模腔，在很小的壓力作用下，它就會象液體一樣在模腔內(nèi)流動，能夠將形狀十分復雜的模腔充滿。與普通的壓力鑄造相比，它是以層流方式進行的，可以避免普通壓力鑄造因紊流造成的氣體卷入。第31頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術 目前，就按現(xiàn)有的半固態(tài)壓鑄技術來說，與常規(guī)壓鑄和擠壓鑄造相比，有三個主要的區(qū)別。(1 )具有較高的粘度，不但可以生產(chǎn)出高致密、高強度、可熱處理和可焊接的零件，而且還能壓鑄出比擠壓鑄造件更薄的零件。(2 )鑄件凝固時，散發(fā)的凝固熱比液態(tài)壓鑄小得多，說明熱焓較低，從而提高生產(chǎn)率，并延長模具壽命。

19、(3 )凝固收縮量較小，補縮問題并不重要，即使鑄件厚薄不均勻，也能獲得具有致密、均勻和精細的內(nèi)部組織，從而在相應的冷卻速率條件下，保證獲得優(yōu)良的力學性能。第32頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術(b) 半固態(tài)擠壓半固態(tài)擠壓是用加熱爐將坯料加熱到半固態(tài)，然后放入擠壓模腔，施加壓力，通過凹模?？跀D出所需形狀和性能的制品。在擠壓中由于液相的存在，合金形變抗力大大降低，減小了擠壓抗力，又因其工作溫度處于固液兩相區(qū)，與全液態(tài)成形工藝相比降低了所需溫度，在適宜的工藝條件下可獲得機械性能和內(nèi)部組織良好的擠壓產(chǎn)品，因而備受矚目。半固態(tài)擠壓研究得最多的是鋁合金和銅合金的棒、線

20、、管、型材的加工。由于加工制品的性能好，容易操作，應用前景廣闊。是難加工材料、顆粒強化復合材料、纖維強化復合材料加工不可缺少的加工技術。第33頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術(c) 半固態(tài)軋制 處于半固態(tài)狀態(tài)的具有球形晶的金屬材料，僅有保持其固體形狀不被破壞的強度，變形抗力很低，這種性質對軋制成形有利，現(xiàn)在開發(fā)的半固態(tài)軋制工藝是在軋機的入口處設置加熱裝置，將被軋制材料加熱到所要求的半固態(tài)后，送入軋輥間軋制的方法，主要是用于板材的軋制成形。第34頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四半固態(tài)成形技術半固態(tài)模鍛即是指將半固態(tài)金屬漿料模鍛成形的新

21、方法，就是將坯料加熱到有50左右體積液相的半固態(tài)狀態(tài)的材料，然后在具有略高預熱溫度的模具型腔內(nèi)進行半固態(tài)成形，獲得所需的接近成品尺寸零件經(jīng)濟的工藝。第35頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形第36頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四發(fā)展背景快速凝固技術(RSP) 快速凝固一粉末冶金技術(RS-PM)第37頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形概念噴射成形 (Spray forming)，也稱為噴射沉積（Spray deposition）、霧化鑄造 (Spray casting)、奧斯普瑞工藝(Osprey process

22、)和液體動壓緊實（Liquid dynamics compaction） ，是二十世紀七十年代初工業(yè)發(fā)達國家在傳統(tǒng)快速凝固/粉末冶金(RS/PM)工藝基礎上發(fā)展起來的一項材料先進制備新技術。第38頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形原理 噴射沉積的原理: 在惰性氣體的保護下，熔融金屬被破碎形成細小金屬熔滴，熔體的破碎方式可以是高壓氣體霧化也可以是機械破碎，如離心霧化。霧化熔滴在飛行過程中通過對流等熱傳遞方式與周圍介質發(fā)生熱交換而迅速冷卻。在熔滴完全凝固之前，熔滴與收集器(基體)碰撞后沉積固結形成沉積坯。沉積坯可以從基體上剝離進行后續(xù)的冷/熱加工處理獲得所需的噴射沉積

23、產(chǎn)品。其中氣體霧化的噴射沉積原理如圖1-1所示。第39頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形原理第40頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形原理 在熔滴與基體的碰撞過程中，通過采用不同形狀的基底，控制熔滴噴射流與基體間的相對運動方式可以獲得諸如管、棒、板、帶等多種形狀的沉積坯，如圖1-2所示。第41頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射成形原理第42頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 噴射沉積的概念和原理最早是由英國Swansea大學A.Singer教授1968年提出，1970年首次

24、公開報道的。噴射沉積技術原理與其它工藝技術相結合，演變出了多種噴射沉積工藝方式，如噴射軋制、噴射鍛造、離心噴射沉積和噴射共沉積等。這些工藝的裝置和特點分別如下:第43頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 (1)噴射軋制 噴射軋制技術是1970年Singer教授提出的，該技術綜合了噴射沉積技術、單輥快速凝固技術和軋制技術，其工藝原理如圖1-3所示。第44頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 (2)噴射鍛造 1974年R.Brooks等人成功地將Singer等人提出的噴射沉積原理應用到鍛造毛坯的生產(chǎn)，發(fā)展了世界著名的Ospre

25、y工藝，開發(fā)了適合于噴射沉積的一系列合金，并獲得了兩項專利，第45頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 (3)離心噴射沉積 離心噴射沉積是1976年Singer和Kisakurek等人提出的，其裝置的示意圖如圖1-5所示。該工藝中，熔融金屬被離心霧化，霧化液滴沉積在冷卻襯底上，制備具有軸對稱中心孔的產(chǎn)品。第46頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 噴射共沉積 是將噴射沉積原理與復合材料制備技術相結合的一種新型噴射沉積工藝，最早是由Singer教授開始進行的研究。該工藝是指在噴射沉積過程中，把具有一定動量的顆粒增強相強制噴到

26、霧化流中，熔融金屬和顆粒增強相共同沉積在冷基底上，形成顆粒增強金屬基復合材料。第47頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展在噴射共沉積過程中，增強相的加人方式主要有三種(如圖1-6)：一種是顆粒直接從霧化氣體管道中加入，一種是直接把增強相引人到熔體流出口處，另一種則直接將增強相強制噴人金屬熔滴霧化錐內(nèi)。第48頁，共53頁，2022年，5月20日，3點51分，星期四噴射沉積工藝發(fā)展 80年代中后期噴射沉積技術已從純實驗研究走向商業(yè)化和應用，在美國、日本和歐洲已有三十多家企業(yè)和研究機構從事商業(yè)生產(chǎn)和開發(fā)研究。其中包括瑞典的Sandvik公司，英國的Cospray公司(Alcan分支機構)、Osprey公司、Rolls-Royce公司，德國的Mannesman Demag和Peak公司，法國的Rechiney公司及日本的住友重工，美國的Howmet公司、GE(通用電氣)公司和荷蘭、瑞士、芬蘭的一些公司，以及美國麻省理工學院(MIT)、Drexel大學、美國海軍，英國Swanse大學，Sheffield大學等研究機構。研究和生產(chǎn)產(chǎn)品的合金品種有不銹鋼、高速鋼、工具鋼、高溫合金、高強鋁合金、銅合