金属半固态浆料非枝晶微观组织形成机制与表征

半固态技术自20世纪70年代由麻省理工学院开发以来,因其独特的优势而在全球范围内得到了广泛的研究。非枝晶组织的形成机理是半固态成形技术的基石,它决定了在特定条件下应采用哪些工艺来获得优质的半固态组织,对开发新工艺具有重要的指导作用。经过近半个世纪的发展,半固态浆料制备过程中非枝晶结构的形成机理已经发展出许多不同的观点。由此衍生了丰富的半固态浆料制备技术,大大促进了半固态领域的发展。为了进一步理解凝固过程中球晶的形成机制,对各种非枝晶组织的形成机制进行了梳理,基于制备原理将半固态制浆技术分为搅拌制备技术类和低过热度制备技术类,并对常见的几种技术的原理和应用进行了总结。半固态产品的性能在很大程度上取决于其微观组织结构,但半固态形态复杂,传统的二维表征手段对材料内部空间结构的理解可能存在误差。对半固态浆料的二维微观组织和三维显微组织表征技术进行总结分析,为理解金属半固态浆料的微观结构演变和微观组织与性能之间的关系提供了理论基础。

超声场中金属半固态浆料组织的演化

采用亚共晶ZL101铝合金,研究了不同超声波导入条件下半固态浆料组织演化过程.结果表明,导入超声波时的温度对浆料初生晶粒的形貌影响明显.从640℃开始导入超声波,初生晶粒保持以近球状形式生长;熔体降温至610℃(固相率达0.1后)再导入超声波,初生晶粒逐渐由枝晶向非枝晶转化,120S后初生晶粒粒状化;冷却至600℃(固相率近0.25后)再导入超声波,最终组织为粒状晶和枝晶混合组织.最后对超声场中半固态浆料组织演化机理进行了分析讨论.

阻尼冷却管法制备A356铝合金半固态浆料的研究

介绍了阻尼冷却管法制备半固态浆料工艺的实验装置及其原理,采用A356铝合金进行了不同浇注温度的系列实验。铸件微观结构中晶粒尺寸和形状因子测算分析结果表明:由于阻尼冷凝管的冷却和搅拌作用,熔体浇注温度越低,在两相温度区间内生成的游离晶核就越多,浇铸的铸件晶粒尺寸和形状因子数值就越小,晶粒球化程度越高。阻尼冷凝管法制备的合金浆料或铸坯能够应用于下一步半固态成形加工。

电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场、流场和温度场的数值模拟

建立了铝合金半固态浆料电磁搅拌过程宏观传输物理量耦合的数学模型,采用有限元和有限差分相结合的方法实现电磁搅拌条件下电磁场、流场和温度场的耦合模拟分析,研究电磁搅拌工艺参数对流场和温度场的影响规律,并进行实验验证。结果表明:水平旋转的电磁力场在铝合金熔体内均匀分布,其方向与交变电磁场的旋转方向一致,大小则因集肤效应从边部到中心递减;熔体内速度场分布与电磁力相似,但随着搅拌时间的延长,熔体温度降低,速度不断降低;电磁搅拌条件下熔体凝固速度加快,熔体心部和边部的温度梯度变小;搅拌电流强度和频率对电磁场、速度场和温度场分布的影响非常明显。

浇注温度对自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态浆料的影响(Ⅰ)

采用新型的自孕育法制备AM60镁合金半固态浆料,研究浇注温度对自孕育法制备AM60镁合金半固态浆料的影响。结果表明:随着浇注温度的降低,组织中发达和粗大的树枝晶逐渐减少;在接近液相线温度时出现小块状或蔷薇状晶粒,晶粒的尺寸逐渐减小;分布逐渐趋向正态分布,且存在一个合适的温度加工区间,即630～680℃,对应的晶粒尺寸为58.4～63.1μm。加入的孕育剂在熔体中起到内冷铁作用,加快熔体的冷却速率,使熔体快速到达半固态区间。采用自孕育法制浆时,合金熔体中晶核主要来源于熔体中的高熔点质点(Al8Mn5)、孕育形核和晶粒游离与增殖。

超声振动对过共晶Al-Si合金半固态浆料凝固组织的影响

研究超声振动制备过共晶Al—Si合金半固态浆料中工艺参数对半固态浆料组织的影响规律。利用A390铝合金熔体，超声振动至液固相线温度区内制浆，研究超声振动时间、振动后保温及空振比等不同条件下半固态浆料的组织变化。结果表明：超声振动后初晶Si可细化到20pm左右；浆料在保温过程中，初晶Si粒以8ixm／min的平均速度快速长大，2min内初生Si晶粒仍保持较好的圆整度：2min后初生Si晶粒慢慢恶化；在1℃／min的冷却速度下，在0．5～10min的振动时间范围内，初生Si以小于2．5um／min的速度缓慢长大；当超声振动的空振比为0．5时，初生晶粒的细化效果最好。

电磁搅拌对7A04铝合金大体积半固态浆料组织的影响

利用可控温电磁搅拌器对7A04变形铝合金进行了大体积(制浆室dmm一次制浆量5 kg以上)半固态流变浆料制备试验,研究电磁搅拌参数对7A04变形铝合金半固态浆料组织及其径向均匀性的影响。结果表明:在本试验条件下,制浆室0.5处的浆料组织优于制浆室中心和边缘的,随着搅拌频率的增加,制浆室中半固态浆料的组织均匀性降低;较高的搅拌电压和浆料温度下初生αAl)组织较细。搅拌电压为230 V、熔体温度为638℃、搅拌频率为5 Hz时,7A04铝合金大体积半固态浆料组织总体质量最佳,平均等效直径为112μm。

导流器对自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态浆料的影响(Ⅲ)

采用自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态坯料,研究导流器参数对半固态组织的影响规律及组织形成机理。结果表明:导流器能有效促进合金组织由树枝晶向等轴晶及颗粒状晶的转变;熔体处理温度和孕育剂加入量一定时,导流器的相关参数,如角度、长度、温度、混合段的凹槽宽度,均影响合金的传热及流动,进而影响其凝固组织;在导流器角度为30°～45°、长度为500 mm、混合段凹槽宽度为50 mm、且通水冷却时可以获得细小颗粒状或蔷薇状的半固态坯料,初生α-Mg的平均晶粒尺寸为37.5μm;减小导流器出口宽度有利于增强液体紊流,促进晶粒均匀分布;导流器促进了熔体非均质形核及激冷晶的形成,增强了晶粒增殖;熔体对流使合金的温度场和浓度场更均匀,晶粒生长以颗粒状生长、蔷薇晶根部颈缩熔断和磨圆熟化机制为主。

熔体处理温度对自孕育法制备2024变形铝合金半固态浆料的影响

采用一种新的自孕育法制备2024变形铝合金半固态浆料，研究了熔体处理温度对2024变形铝合金水淬组织和铸态组织的影响。结果表明，熔体处理温度过低和过高时，组织平均晶粒尺寸较大。在700～730℃范围内时，晶粒平均尺寸较小，约为27．1～32．2μm。从浇注过程的温度变化曲线上可以看出，随着熔体处理温度的增加，孕育剂和冷却槽对熔体的冷却效果增强。合金熔体在孕育剂的激冷作用下，瞬间产生大量晶核，并在流经多流股混合冷却槽时，发生晶粒的游离和增殖，最终细化组织。

超声振动制备5052合金半固态浆料的研究

研究了超声振动制备5052合金半固态浆料中各工艺参数对半固态浆料组织的影响。对665℃的铝合金熔体进行了超声振动试验。结果表明,合金熔体在超声场中作用90s左右,可得到晶粒尺寸约为110μm的非枝晶半固态浆料;随着超声作用时间的延长,晶粒越来越圆整,但90s后变化不大。启振温度是影响浆料组织的重要因素,在675℃时导入超声对熔体处理90s后,浆料的平均晶粒尺寸约为95μm,且呈球状。浆料在保温2min的过程中晶粒增长缓慢,4min时晶粒已开始大量融合。

间接超声振动制备A356铝合金半固态浆料的机理

采用间接超声振动方法制备出晶粒尺寸细小、形貌圆整的铝合金半固态浆料,并结合可视化的示踪粒子水模拟实验对其制浆机理进行探讨。结果表明:在容器底部对A356铝合金熔体进行间接超声振动处理20 s即可获得明显的非枝晶初晶颗粒;作用40 s后可获得晶粒形状系数为0.6、平均晶粒直径为70μm的半固态浆料;在制浆过程中,有明显的超声波作用的特征,即透过容器底部在熔体内部有明显的声流效应、空化效应以及热效应;同时具有高频机械振动的特征,液面搅动较大,凝结于杯壁的固相颗粒剥落,使晶核数量增加;因此,间接超声振动作用于金属熔体时,并不是单纯的机械振动作用效果,而是超声波和高频机械振动的共同作用。

熔体分散混合法制备半固态浆料

提出一种采用强制均匀凝固技术制备半固态浆料的新方法——熔体分散混合法。该方法通过制浆室内旋转的熔体分散器，将大体积金属液体均匀分散到低温的制浆室筒壁上，形成向下流动的厚度极小的液膜，利用筒壁对其进行冷却，实现熔体的强制均匀凝固。以Al-Si（6．56％Si，质量分数）合金为模型合金，进行浆料制备实验。结果表明：在强制熔体分散条件下，整个熔体中发生异质形核，这些晶核在均匀的温度场中以球状方式生长；经过熔体分散混合法处理，可以将温度为680-630℃、流量为0．2kg／s的熔体均匀过冷到液相线下2～15℃；制备的半固态浆料具有均匀、细小、非枝晶状微观组织，其初生相α（Al）的形状因子1．5左右，等效直径在33～70μm。

阻尼冷却管法制备A356铝合金半固态浆料的研究

介绍了阻尼冷却管法制备A356铝合金半固态浆料工艺的试验装置及其工艺流程,在不同浇注温度下进行了系列试验,并与冷却斜槽法进行了对比分析。结果表明,浇注温度越低,浇注的铸件晶粒尺寸和形状因子数值就越小,晶粒球化程度越高。与冷却斜槽法相比,同一工艺参数下阻尼冷却管法制备的铸件晶粒更为细小和圆整。

采用蛇形管通道浇注法制备半固态浆料

采用蛇形管浇注法制备了半固态A356铝合金浆料。结果表明：当浇注温度为660-680℃时，采用蛇形管可以制备出半固态A356铝合金组织，且管道内没有出现凝固壳：蛇形管通道的直管段长度对半固态浆料组织有较大影响，即直管段长度变短后，浆料组织变差，且制备合适半固态浆料组织的浇注温度也降低；沿径向浆料组织的形貌分布不同，由心部的球状初生α相向过渡区域的球状和蔷薇状初生α相的混合组织转变，边缘部位为蔷薇状的初生α相组织。

熔体处理在制备Mg-9Zn-2Al镁合金半固态浆料中的作用

采用自孕育法制备新型Mg-9Zn-2Al高锌镁合金半固态浆料,研究孕育剂加入量为5%（质量分数）、导流器角度为45°时熔体处理温度对Mg-9Zn-2Al镁合金组织的影响。对孕育剂加入熔体后的熔化状况进行分析,并从原子团簇角度探讨熔体处理温度对一次孕育的作用机理。结果表明：熔体处理温度过高或过低时,组织平均晶粒尺寸较大;在695-710℃范围内,晶粒平均尺寸较小,约为47.5-48.8μm。根据所推导出的孕育剂在导流器入口处的温度表达式,可以确定自孕育法铸造的最佳熔体处理温度,提出用固相率fS描述自孕育剂的熔化状况。

铝、镁合金半固态浆料的制备与流变成形新工艺

介绍了阻尼冷却管法制备A356铝合金半固态浆料工艺的实验装置及其原理,并进行不同浇注温度的系列实验。结果表明:由于阻尼冷凝管的冷却和搅拌作用,熔体浇注温度越低,在两相温度区间内生成的游离晶核就越多,制备得到半固态铸件的晶粒尺寸就越小,且球化程度越高。在此实验原理及结果分析的基础上,设计真空吸铸-阻尼冷却装置,近液相线温度的AZ91D镁合金液在冷却、剪切的作用下,由液态转变为半固态浆料,然后进入模具完成充型,实现镁合金半固态浆料的制备与铸件流变成形一体化;半固态镁合金熔体具有触变性及更高的黏度,以平稳、层流的充型方式完成充型,能够有效地改善成形件的质量。

半固态浆料制备过程的电磁热流体数值模拟

为了优化半固态浆料制备工艺,针对低频电磁搅拌半固态浆料制备系统,建立了电磁热流体数学模型,并在给定的定解条件下,利用ANSYS软件进行了电磁场、流场以及温度场的耦合数值模拟.结果表明,磁感应强度的径向分量大于切向分量,因此,电磁力的切向分量远大于径向分量,并且电磁力随励磁电流强度和频率的增加而增大;浆料速度的切向分量远大于径向分量,边界无滑移使得浆料切向速度近似呈抛物线分布;电磁搅拌使得浆料外半径处的温度梯度加大,而内半径附近出现了等温区,并据此给出了电磁搅拌有助于制备等轴细晶半固态组织的一个物理解释.

半固态浆料制备技术发展现状

半固态成形技术与传统成形技术相比,以其诸多的优点日益受到越来越多研究者的关注。在半固态成形技术的研究中,制备具有非枝晶组织的理想半固态浆料(坯料)是关键。将半固态浆料制备工艺分为两大类:液态金属半固态浆料制备和固态金属半固态坯料制备,并分别介绍了两类工艺中常用的几种工艺方法。电磁搅拌法和应变诱化激活法已有工业化应用;双螺旋搅拌法和半固态等温热处理法等比较有发展潜力;其他多种方法各有特点,可用于特定合金或者特定工作条件下的研究开发。

镁合金半固态浆料制备与成形技术研究进展

介绍应变诱导法、机械搅拌法和电磁搅拌法等镁合金半固态浆料制备方法和半固态流变成形与触变成形技术的研究和应用现状,展望镁合金半固态成形技术研究发展前景。

阻尼冷管法制备半固态浆料过程的数值模拟与参数优化

介绍了一种制备半固态浆料的新工艺———阻尼冷管法(DCT),利用流体分析软件FLOW3D对AZ91D镁合金在阻尼冷管中的制备过程进行三维数值模拟,获得了制备半固态浆料过程中金属的流动规律,并得出了压头高度、楔形形状及缝隙大小对合金熔体流动及制备出的半固态浆料均匀程度的影响规律,从而为DCT模具的设计及工艺参数的优化提供有效的理论指导。