半固態(tài)加工技術(shù)的最新進(jìn)展

摘要：在綜合第十二屆合金與復(fù)合材料半固態(tài)成形國際會議和2012年中國壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)加工學(xué)術(shù)年會基礎(chǔ)上，著重介紹了CSIR流變法、氣體誘發(fā)半固態(tài)法、超聲法、RheoMetal法、雙軸電磁攪拌、平板振動法等幾種新的半固態(tài)制漿方法；并且展示了半固態(tài)成形技術(shù)在高合金化鋁合金控制凝固與成型方面的應(yīng)用與進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：半固態(tài)加工；均勻凝固；高強(qiáng)鋁合金

中圖分類號：TG249.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）02-0001-06

從上世紀(jì)70年代美國MIT學(xué)者提出半固態(tài)加工技術(shù)概念以來，半固態(tài)制漿方法和技術(shù)一直是研究和開發(fā)的重點(diǎn)，制漿的目的是為了控制凝固過程中的晶體形核與長大形態(tài)，以獲得細(xì)小均勻的顯微組織，從而提高材料的綜合性能，但是目前大多數(shù)的制漿方法在實(shí)際應(yīng)用方面都還存在不同程度上的局限性，制約了這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化推廣應(yīng)用，因此，近年來半固態(tài)漿料制備方法仍在不斷的努力探索，推進(jìn)著半固態(tài)加工技術(shù)的向前發(fā)展，第十二屆合金與復(fù)合材料半固態(tài)成形國際會議（$2P2012）和2012年中國壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)加工學(xué)術(shù)年會先后于2012年10月和11月召開，從國內(nèi)外召開的這兩次會議可以看出，一方面仍然涌現(xiàn)出許多新的半固態(tài)制漿工藝，另一方面半固態(tài)加工技術(shù)開始向超高強(qiáng)鋁合金的控制凝固與控制成型方向發(fā)展。

1、新的半固態(tài)制漿方法

半固態(tài)制漿方法是半固態(tài)加工技術(shù)的核心所在，因此研究新的制漿方法仍然是關(guān)注的熱點(diǎn)，被認(rèn)為有工業(yè)應(yīng)用前景的國外制漿方法如表1所示，這里主要介紹第十二屆合金與復(fù)合材料半固態(tài)成形國際會議上公開的幾種新的半固態(tài)制漿方法，供業(yè)內(nèi)人士參考。

1.1 CSIR-Rheocasting System（CSIR—RCS）

CSIR-Rheocasting System（CSIR-RCS）是由南非科學(xué)與工業(yè)研究委員會（CSIR）（council forscientific and industrial research）開發(fā)的流變高壓鑄造系統(tǒng)，由熔化爐、制漿罐、機(jī)械手及冷室壓鑄機(jī)組成，如圖1所示，該委員會擁有130T和630T兩套系統(tǒng)，主要用于鋁合金及鎂合金成型，開發(fā)了制動鉗和發(fā)動機(jī)連桿等零件，如圖2所示，在Al-si-Mg合金、Al-zn-Mg-cu合金和純Al等材料體系上進(jìn)行了應(yīng)用研究，CSIRR—HPDC工藝制備的鑄態(tài)組織，如圖3所示。

1.2 The Gas Induced Semi-solid（GISS）

氣體誘發(fā)半固態(tài)法（GISS）由泰國GISSCO公司開發(fā)和商業(yè)化，該技術(shù)通過石墨透氣體向熔體中注入大量細(xì)小的惰性氣體泡，熔體溫度由之前的液相線以上幾度降低至液相線以下幾度，攪拌時間取決于想要獲得的固相率，如圖4所示，這些氣泡主要有兩個作用，一是產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，二是達(dá)到了快速散熱的目的，該技術(shù)制備的半固態(tài)漿料適合與壓鑄等近終成形工藝對接，目前GISSCO公司利用該技術(shù)正在開發(fā)假肢關(guān)節(jié)等生物醫(yī)用零件，如圖5所示。

1.3 超聲法

西班牙加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)輕合金及其表面處理設(shè)計（CDAL）（light alloys and surface treatmentsdesign centre）中心研究了超聲對A357鋁合金組織的細(xì)化和球化作用，結(jié)果表明球化效果取決于超聲強(qiáng)度，超聲衰減較明顯，僅震動頭附近熔體球化效果明顯，該超聲發(fā)生裝置功率達(dá)2.5kW，頻率為20kHz，使用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為壓電轉(zhuǎn)換器，震動頭使用Ti-6Al-4V鈦合金，如圖6所示。

1.4 The RheoMetal process

RheoMetal方法也叫RSF（rapid slurry forming）方法，由瑞典Jonkoping University開發(fā)，其基本原理是用熵交換材料（enthalpy exchange material，EEM）作為冷卻劑來吸收熱量，從而制備出漿料，如圖7所示，控制該方法制備漿料質(zhì)量的關(guān)鍵因素包括合金成分、攪拌速度、EEM比例、EEM溫度、EEM組織特性和熔體過熱度。

1.5 雙軸電磁攪拌

日本東北大學(xué)以Al-si合金為例，認(rèn)為用于流變鑄造的高質(zhì)量小體積漿料的關(guān)鍵是具有均勻的溫度場分布，小的晶粒尺寸和均勻分布的固液相，在此基礎(chǔ)上他們提出了雙軸電磁攪拌法，包括旋轉(zhuǎn)電磁場（rotating magnetic field，RMF）和行波電磁場（lin-ear traveling magnetic field，LTMF），如圖8所示，該方法與復(fù)合電磁攪拌、螺旋電磁攪拌類似，克服了單一攪拌方式的缺點(diǎn)，攪拌更加均勻。

1.6 平板振動法

日本東北大學(xué)此前提出了一種叫Cup-cast的方法制備小體積漿料，但該方法需要精確控制溫度，只能制備少量漿料且均勻性不夠好，在此基礎(chǔ)上增加一個振動的平板，如圖9所示，與Cup-cast相比不但能夠制備較大體積的漿料，而且不再需要精確控制溫度，漿料也更加均勻，熔杯和平板均采用SUS304不銹鋼制造，一個焊接有偏心配重的直流電動機(jī)作為振動器固定在平板頂端，整個平板用彈簧固定在熔杯上。

從以上幾種新的制漿方法看，簡化制漿過程實(shí)現(xiàn)大體積熔體漿料制備是當(dāng)前半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2、半固態(tài)加工技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金中的應(yīng)用

超高強(qiáng)鋁合金一般指屈服強(qiáng)度500MPa以上的鋁合金，超高強(qiáng)鋁合金主要是以Al-zn-Mg和al-Zn-Mg-Cu為基礎(chǔ)的鋁合金，具有密度低、比強(qiáng)度高、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來超高強(qiáng)鋁合金在航天、航空和現(xiàn)代化交通運(yùn)輸輕量化方面得到廣泛應(yīng)用，然而在開發(fā)多元鋁合金大型鑄錠及大型構(gòu)件方面還存在宏觀偏析嚴(yán)重和鑄錠熱裂紋傾向大等問題，很難實(shí)現(xiàn)大型鑄件的近終成形，而半固態(tài)加工技術(shù)的核心是利用各種熔體處理方法實(shí)現(xiàn)對漿料中固相形貌、大小和分布情況的控制，因此通過半固態(tài)技術(shù)來控制凝固過程中的合金成分和組織的均勻性，將有望解決超高強(qiáng)鋁合金現(xiàn)存的問題，這對半固態(tài)技術(shù)和超高強(qiáng)鋁合金的推廣應(yīng)用都具有重要意義，從新近召開的兩次國際和國內(nèi)半固態(tài)會議上已經(jīng)體現(xiàn)出用半固態(tài)技術(shù)研究超高強(qiáng)鋁合金成形的這種發(fā)展趨勢。

南非采用CSIR-RCS法制備的7017鋁合金樣品，如圖10所示，并與傳統(tǒng)加工方法的性能進(jìn)行了比較，如表2所示。

國內(nèi)北京有色金屬研究總院采用環(huán)縫式電磁攪拌強(qiáng)制均勻凝固流變成形技術(shù)裝備如圖12所示，鑄造出直徑200 mm、長度4 500 mm的成分組織較均勻的7075鋁合金坯料，如圖13所示，其顯微組織主要由薔薇狀組織和細(xì)小的圓形組織組成，初生相晶，粒平均尺寸為62.3 μm，對連鑄坯心部、中間和邊部的試樣進(jìn)行了宏觀成分測試，測得三種試樣中zn、Mg、Cu的分布分別如圖14所示，圖中橫坐標(biāo)位置1表示鑄坯心部，位置2表示鑄坯中間，位置3表示鑄坯邊部，由此可見，經(jīng)過環(huán)縫式電磁攪拌處理的試樣中各合金元素分布均勻，

將環(huán)縫式電磁攪拌強(qiáng)制均勻凝固制漿技術(shù)與擠壓鑄造工藝相對接，開展了高合金化7075R鋁合金流變擠壓鑄造技術(shù)研究，如圖15所示，

擠壓鑄造采用LYF一400SA型液壓機(jī)，最大壓力為400 T，采用直接擠壓鑄造成型方式。合金澆入模具型腔后，分別在50 T、100 T、150 T壓力下成型，保壓30 s后拔模，留模2 min后出模，擠壓鑄造制件采用如下熱處理制度：固溶：460℃/24 h+470℃/8 h+485℃/2 h+水淬；時效：120℃/24 h，熱處理后的力學(xué)性能如圖16所示。

3、結(jié)語

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，盡管半固態(tài)加工技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面還不盡人意，但半固態(tài)加工技術(shù)依然保持著發(fā)展活力，這主要體現(xiàn)在半固態(tài)成形技術(shù)在改善組織和性能、實(shí)現(xiàn)近終成形方面存在著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑥陌牍虘B(tài)自身發(fā)展看，研究不同制漿方法下的形核和長大機(jī)理、制漿過程的精確控制以及發(fā)展適合半固態(tài)成形的新型合金是該技術(shù)的主要發(fā)展方向；從拓展半固態(tài)研究領(lǐng)域看，在近液相附近實(shí)現(xiàn)成分場和溫度場的精確控制，將推動該項(xiàng)技術(shù)向高合金化金屬的近終成形以及純金屬的晶粒細(xì)化的研究與應(yīng)用方向發(fā)展。