#铝合金近液相线挤压铸造综述.doc

半固态金属加工过程一般由半固态锭坯制备(制浆) 、二次重熔和半固态成形三个技术环节组成,其中制浆是整个过程的基础和关键,其目的是获得类球形半固态结晶组织,这种组织具有触变性,是半固态成形所必须的。获得这种组织的办法很多,如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发法、喷射沉积法、紊流效应法和粉末冶金法等[1 ] 。目前电磁搅拌法与机械搅拌法比较成熟,国外已开始工业化生产。机械搅拌法设备较复杂,制备的浆料性能不稳定,组织不均匀,不适合于大批量工业生产。电磁搅拌法是现在半固态加工中应用最广泛的,但存在设备复杂、造价高、制备浆料的成本较高等缺点。其他方法目前均未实现工业应用。基于以上原因,东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作开发的一种新型制浆技术———近液相线半连续铸造法[ 2 ] ,与常规铸造相比,组织为均匀的细小枝晶及较粗大的蔷薇状组织。该技术克服了搅拌法设备复杂、庞大、投资高、熔体易吸气、夹渣的缺点,同时可以大大提高生产率,进一步扩大生产规模。 1 　近液相线铸造法的研究 1. 1 　近液相线铸造法制浆形核机理 液相线浇注法不是对浆料做功的过程,它是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一定时间形核后,进行浇注,获得具有均一、细小的非枝晶组织。该方法的主要控制参数有: 浇注温度、保温时间、冷却速率等。由液态金属结构理论可知[ 3 ] ,在液相线温度附近的熔体内存在大量尺寸不等的近程有序排列的准固相原子集团。这些准固相原子集团与晶核有相似的空间点阵结构,在物理性质上接近于固态晶体,当低于液相线温度时这些准固相原子集团可以作为异质形核的固相基底。在近液相线保温法制浆过程中,均匀、细小的半固态组织有两个晶核来源:一是在液相线温度附近保温而形成的爆发式晶坯源。Stefanescu Duru M 等人[4 ]提出了瞬态形核理论,认为晶核的来源是在略低于液相线温度的小过冷度下瞬间内生成的,并进行了热力学计算,其结果与实验相符;二是熔体在液相线温度以上存在某些高温固相化合物和氧化物,降温到液相线温度附近,少量晶坯可以依附于其上而形成晶核,同时坩埚壁和液面附近有少量晶核脱落、游离。 1. 2 　近液相线铸造时组织的演化机理 熔液过冷度越大,稳定形核的临界功就越小,形核的临界半径也越小,形核就越容易,形核的数量也相应提高。在温度高于液相线温度的熔液中,由于存在各 种随机的能量起伏,熔液中可能存在一些不稳定的瞬态近程有序的原子团或晶坯。晶坯很小时,产生其表面所需要的额外能量相对比较大,这些能量趋向于破 坏能量平衡而使晶坯消失,并且晶坯的这种不稳定趋势还将持续到液相线以下的某一温度,只有在过冷的液相中尺寸较大的相起伏才有可能结晶转变成晶核。降低了晶核的临界半径和临界形核功。晶坯形成晶核的概率提高,晶核数量增加,浇注凝固时晶粒细化。弭光宝等人[5 ] 对AlSi9Mg 合金枝晶组织的演变发现,在近液相线温度下,保温过程中合金的组织演变是遵循一定规律的,即在不同浇注温度下,随着保温时间的延长,整个组织基本上以树枝晶→蔷薇状→颗粒状→颗粒均匀化→颗粒长大、粗化这样的规律进行转变。李辉等人[6 ] 对ZL111 铝合金的铸态组织进行了研究,实验结果表明,随着保温时间的延长,固相组织逐渐从最初的树枝晶经蔷薇状向颗粒状晶粒转变,在605 ℃保温40 min 时,可以得到满足半固态加工要求的细小、均匀的团粒状非枝晶组织。 1. 3 　各种参数对近液相线法制备的微观组织特征的影响 1. 3. 1 　浇注温度对浆料微观组织的影响 根据合金凝固时的结构起伏与能量起伏理论可知,熔体内存在大量的尺寸不等的近程有序排列的准固相原子集团,这些原子集团处于瞬息万变状态。在不同的温度下,这些准固相原子集团的最大尺寸存在一个极限值,这个极值的大小与温度的高低有关,温度越高,该极限值越小;温度越低,该极限值越大。根据合金结晶热力学条件可以判断,只有在一定的过冷度下,合金熔体中的准固相原子集团达到临界尺寸时才有可能稳定存在而成为形核的核心。当合金熔体的温度高于液相线温度时,由于不存在过冷度,在保温阶段,合金熔体中只存在均匀的结构起伏,无稳定的结晶核心形成。当合金熔体在低于液相线温度时,由于存在较大的过冷度,熔体内均匀的准固相原子团簇发展成为大量的粒状初晶相游离晶,形核后的游离晶一直处于不规则的热运动状态中。激冷后的组织均匀、细小,单位体积的晶粒数较多。 1. 3. 2 　冷却速率对微观组织的影响 由于在浇注前过冷度的存在,熔液中已经有很大数量的形核颗粒游离在熔液中,进行浇注时,当铸型冷却速率较低(如石墨模) 时,这些随熔液进入铸模的结晶颗粒当中,较为细小的颗粒在液体凝固释放出来的潜热及显热的作用下发生重熔,减少了晶粒数量。同时较粗大的晶粒在冷却过程中有所长大,提高浇注冷 却速度(如水冷铁模) ,冷却释放