半固态合金流变成型工艺理论--第1部分流变充型理论

半固态合金熔体直接浇入储料腔后，在压力作用下依靠自身特有的流变性，依次通过直浇道、横浇道和内浇道，逐步充填工件型腔的过程称为半固态合金熔体流变充型。流变充型的微观过程包括其中液相的主动流变和固相的被动流变，可能出现均匀流变充型和分离流变充型两种形式，当型腔压力Pm大于粘滞力τ时，将出现分离流变。理论分析了流变充型阻力的来源和定量计算公式，发现最大充型长度取决于模具（或铸型）的冷却能力、半固态熔体自身的微观结构和流变特性，以及成型工艺参数，给出了螺旋线型腔最大充型长度的估算公式。     

半固态低合金钢金属型加压流变充型能力研究

采用近液相线保温的半固态熔体制备技术,制备了C级钢半固态熔体,对该半固态熔体在金属型加压条件下的流变充型能力进行了研究。结果表明,充型压力和模具预热温度越高,半固态低合金钢的流变充型能力越好,其中模具预热温度对低合金钢半固态合金熔体流变充型能力的影响大于充型压力的影响;浇注量的增大将提高低合金钢半固态合金熔体的充型能力;在模具设计过程中,压室的体积和浇道长度的优化设计是关键所在。     

成形工艺参数对沿程流动初生固相演变的影响

采用倾斜冷却剪切流变法制备具有不同微观初始组织特征的半固态合金熔体,以半固态挤压铸造螺旋线试样为研究对象,用定量金相技术分析了初始组织、成形的螺旋线试样不同长度上的初生固相微观组织特征参数,研究了充型压力、充型速度对半固态合金熔体充型过程中初生固相组织演变的影响。结果表明,半固态合金熔体在充型压力为20～120MPa、充型速度为0.2～1.2m/s范围内流变充型螺旋线试样时,沿程流动的初生固相率、初生固相晶粒尺寸和形状因子沿充型长度呈现波浪形变化,但变化幅度较小,波峰和波谷出现的位置与充型长度没有明确的关系。     

半固态A356合金流变充型的极限长度

通过对半固态合金流变充型机理分析,推导出可以定量计算半固态A356铝合金在圆管内流变充型极限长度的数学模型,该模型包括了工艺参数和半固态A356合金的自身特性。采用间接挤压铸造阿基米德螺旋线试样的方法对该数学模型进行了实验验证,实验结果表明:理论计算值与实验测定值之间的最大偏差小于8%;该数学模型可以定量分析和估算工艺因素对充型能力的影响,并可预测充型极限长度,这对半固态合金流变成形工艺设计和模具设计都有参考价值。实验和理论计算还表明,充型压力和充型速度是影响半固态合金充型能力的两个主要因素,提高充型压力、一定充型压力下适当减小充型速度都可以提高充型能力。     

初始组织特征对充型过程中初生相演变的影响

采用电磁搅拌法制备具有不同微观初始组织特征的半固态合金熔体,利用半固态挤压铸造法铸造螺旋线试样,使用定量金相技术分析试样的初始组织、成形的螺旋线试样不同长度上的初生相微观组织特征参数(固相率、晶粒尺寸和形状因子),研究半固态合金熔体充型过程中初生相组织的演变规律.结果表明:初生固相率在充型的沿程流动过程中变化较小;初生相的晶粒尺寸、形状因子沿充型长度呈现波浪形变化,波峰和波谷出现的位置与充型长度没有明确的关系;充型后初生相晶粒尺寸的变化幅度与充型前半固态合金熔体初生相晶粒尺寸的大小有对应关系.     

半固态合金流变充型的临界条件

通过对半固态合金流变充型过程的物理分析,结合半固态合金包含圣维南体和假塑性体的流变特性,根据充型驱动力大于或等于充型阻力,阻流通道内不可流动层厚度小于阻流截面最小厚度的1/2这两个充型临界条件,运用不可压缩粘性流体流动理论,建立半固态合金充满型腔获得完整零件的两个临界条件的数学表达式。为了验证其准确性,对钩舌、轴箱体零件进行了流变成形实验,实验结果证实该临界条件数学表达式的正确性。该式包含设备参数、工艺参数、材料参数和模具参数,可用来指导半固态流变成形工艺设计、设备选型,并能进行缺陷预测和充型过程控制。     

半固态铝合金熔体流变充型能力的研究

用斜坡法制备了A356铝合金半固态熔体,采用阿基米德螺旋线试验模具,对该半固态熔体在金属型加压作用条件下的流变充型能力进行了试验研究。结果表明,随着充型压力和浇注温度的增大,半固态铝合金熔体金属型加压流变充型能力增大,浇注温度是影响半固态铝合金熔体流变充型能力的最主要因素;半固态铝合金熔体的流变充型能力在充型速度为142～427mm/s范围内,随着充型速度的增大而增大;充型压力与半固态铝合金熔体金属型加压流变充型能力的关系可看作线性增函数关系。     

流变凝固理论与随流半固态成形技术(SSMF)

基于半固态流变铸造过程中流变与凝固强耦合的特点，提出了流变碰撞形核和流变合并长大的流变凝固理论。理论认为，在强烈流动条件下，经典的结构起伏形核理论不再适用，液态金属中原子团簇(晶胚)间的碰撞合并形核成为主要形核机制，流变形核率是经典结构起伏形核率和流变碰撞形核率之和；在强烈流变条件下，初生固相之间接触碰撞，进而合并粗化长大是流变成形过程初生相长大与演变的主要机制。基于该流变凝固理论，提出了随流半固态铸造技术(SSMF)。该技术包括半固态熔体的流变制备、流变充型和流变凝固成形3个基本步骤。液态金属在流变充型的过程中随流形核和长大，并在随后的半固态成形过程发生演变和剩余液相的凝固。实现了浆料制备与工件的半固态成形制造无缝连接，能够从根本上解决半固态浆料制备、输送与充型过程的氧化、吸气等问题，是材料制备与成形一体化的零件成形新技术。     

立式离心铸造过程中熔体横截面的变化规律

对Ti合金立式离心铸件的充填和凝固过程进行研究。结果发现,在离心场下,柯氏力对熔体运动方向的改变影响非常大,熔体沿着与旋转方向相对的型壁进行正向加速充填,当达到最远端后反向充填。在正向充填过程中,对没有内浇道的铸型,熔体在横浇道内的截面面积随充填长度的增加而逐渐减小,当横浇道侧壁存在内浇道时,熔体通过内浇道进入型腔,导致熔体在内浇道入口处产生速度降,熔体横截面面积在该处有所回升,然后随充填长度的增加而减少。同时,旋转方向对有内浇道铸型的充填顺序影响非常大。     

半固态流变成形通用性能试样模具设计

针对半固态流变成形中存在在液相偏析、显微疏松、充型不完整及夹渣等常见缺陷，详细研究并优化了压室尺寸与结构、料饼、浇道及其集渣、排气系统，并据此设计了一套材料性能试样半固态流变成形通用模具。该模具可用于各种常用合金的拉伸、冲击、疲劳、断裂韧性、摩擦磨损等多种性能试样的半固态流变成形。试验结果表明，经该模具挤铸出的试件，成品率达98％以上，加工余量小于3mm，尺寸公差等级可达IT9，表面粗糙度Ra≤6.3μm。说明用该模具加工的试样真实反映了材料的半固态流变成形产品的特性。     

半固态合金流变成形工艺理论--第二部分流变补缩理论

半固态合金熔体的体收缩是其中液相与固相温度降低带来的体收缩与凝固相变体收缩三部分之和,其大小主要受各相的收缩系数和固相率控制.半固态熔体的缩孔形成机理是液相被固相包围封闭,收缩得不到补充,形成分散孤立的小缩孔,一般不形成集中缩孔.半固态成形的补缩机理是整体流变补缩,其中直接加压成形中的补缩机理是压缩流变补缩,而间接加压成形的补缩机理是胀形流变补缩.实现补缩要求所加压力大于整体流变抗力的同时,还要求加压时间大于全部凝固时间以及加压流变速度大于体收缩速度.给出了补缩条件的数学计算公式.     

Rheologic behavior and PIM processing of WC-TiC-Co powder feedstock

An improved wax-based binder was developed for the powder injection molding (PIM) of WC-TiC-Co cemented carbides. The critical powder loading and the rheologic behavior of the feedstock were determined. It was found that the critical powder loading could achieve up to 62.5% (volume fraction) and the feedstock exhibited a pseudo-plastic flow behavior. The injection molding, debinding and sintering processes were studied. The dimension deviation of the sintered samples could be controlled in the range of ±0.2% with the optimized processing parameters and the mechanical properties were better than or equivalent to those of the same alloy made by conventional press-sintering process.     

涂料在半固态钢挤压成形中的应用

在半固态钢挤压铸造成形过程中,主要由模具型腔表面涂层承受高温半固态钢浆料的热冲击,从而降低了浆料对模具的热损伤,提高了模具使用寿命。根据半固态钢挤压铸造涂料的工作环境和特点,通过大量试验对涂料配方、配比、制备工艺、涂敷工艺进行分析研究,确定了诸因素在半固态钢挤压铸造过程中的影响。     

模料的流变性能及本构方程

在试验的基础上 ,利用幂律粘度模型 ,建立了模料流动的本构方程 ,绘制出了模料的流变曲线     

Rheologic behaviors of A356 aluminum alloy billet produced by semisolid continuous casting process

The experiments for rheologic behaviors of semisolid continuous casting billets of A356 alloy in semisolid state had been carried out with a multifunctional rheometer. The results show that the deformation rate increases with loading time, the maximum strain reaches to 120％ (which is one time larger than that of traditional mold casting billet) and the strain can be rapidly eliminated to 10％ after unloading. Moreover, there is a critic stress for billet deformation even in semisolid state, which is named as critic shear stress. This stress increases with the decreasing of heating time. The theologic behaviors can be expressed by five elements mechanical model (H_2- [N_1|H_2]-[N_2|S]) and can be modified with the increasing of heating time.     

316L不锈钢粗粉注射成形喂料的流变行为

制备了平均粒度为30μm的316L不锈钢粗粉注射成形喂料,研究了剪切速率、温度对喂料流变行为的影响,应用毛细管粘度计测量了3种喂料在不同温度下的粘度值,比较了3种不同成分喂料的应变敏感性因子的大小。结果表明:粉末装载量为58%、粘结剂成分为65%PW+30%LDPE+5%SA的喂料应变敏感性因子较小,较适合316L不锈钢粗粉的注射成形。     

可注射磷酸钙骨水泥凝固过程的动态流变学研究

利用高级扩展流变仪测试了a-TCP/DCPD/TECP系骨水泥浆料凝固过程中,弹性贮能模量(G′)、粘性耗散模量(G″)和复粘度(η)等流变参数随凝固时间的变化,研究了不同固液比、固化温度、固化液浓度和pH值对浆体动态流变学参数的影响.通过对浆体凝固过程中应变扫描谱,频率谱和动态时间谱的变化,分析了浆体固化过程中微观结构的变化规律.结果表明,浆体凝固过程中弹性贮能模量(G′)、粘性耗散模量(G″)和复粘度(η)均随固化时间延长而增加,固液比增加,固化温度升高,固化液浓度增大时,浆体凝结速度加快,固化时间缩短.浆体凝固过程中流变学参数的变化反映了其由流态到固态的变化过程.     

测速齿轮流变挤压成形缺陷的形成机理及改进措施

在测速齿轮生产中,流变挤压成形工艺参数选择不合理时,铸件易出现表面冷隔、皮下气孔、热裂纹等缺陷.由于合金浆料粘度大,流动性差,分别从成形压力、拔模斜度、涂料、模具预热温度和保压时间几个方面对铸件质量的影响进行分析,通过与试验结果相对比,得出正确的成形工艺参数,即模具预热温度为180~220℃,冲头拔模斜度为1°,成形比压为69.1MPa,保压时间为5 s.通过试验验证,挤压出了内、外质量良好的测速齿轮挤压件.     

A356铝合金半固态连铸坯兰固态剪切变形特性研究

利用多功能流变仪对A356铝合金半固态连铸坯在半固态温度下进行了静态剪切变的试验,结果表明,在恒定载荷作用,变形速度随加载时间延长而增长,其最大变形量可达120％以上,比普通连铸坯料提高一倍以上,卸载后变形可以迅速恢复,残余变形量只有10％左右。此外,这种坯料在半固态温度下存在一个发生变形的临界切应力,其数值随保温时间的延长而减小,半固态连铸坯的流变特性可以用H1－[N1│H2]-[N2│S]五元件机械模型来描述,并随保温时间的延长而改善。