半固态合金熔体制备研究*

半固态合金熔体的制备是半固态成形技术的第一步，熔体的质量直接关系到半固态合金熔体后序工序及产品的质量。半固态合金熔体的发现是在20世纪70年代初，由美国麻省理工学院M. C. Flemings等发现的[1]。半固态合金熔体的制备方法最早多采用机械搅拌法[2-5]。历经近半个世纪，国内外学者根据半固态组织形成机理，由机械搅拌法演变出许多其他的制备方法，比如电磁搅拌法[6-8]、液相线铸造法[9]和斜坡法[10]、超声波处理法[11]等。

1 半固态成形技术

有别于传统的成形方式，如液态成形(铸造)和固态成形(锻压)，半固态成形主要是通过对凝固中的合金液施加外力，强迫其发生对流或者对其等温处理等措施，在液固温度期间促进形核，科学化地改变熔体内部晶粒呈树枝晶的生长方式，使其变为接近球状的晶体形态，制得半固态熔体，再采用常规的成形方式如压铸、挤压等成形成铸件或制成坯料供后期触变成形。不同成形方式特征对比见表1。

表1不同成形方式特征对比成形方式成形温度成形压力充填型腔状态成形后组织液态成形液相线以上低 液态流动,充填时易发生紊流,带来卷气等树枝晶固态成形固相线以下高 塑性流动破碎的树枝晶半固态成形液固温度区间中 半固态流变,充填平稳非枝晶,近球状

半固态成形的温度要求达到固液两相共存的状态，在半固态熔体制备过程中，约一半的结晶潜热散失，成型的温度较低，对模具的热冲击小，大大提高了模具的使用寿命。半固态合金熔体固相分数的变化范围是0.20～0.90，充填过程由于固相占了一定比例，仅熔体液相部分发生凝固，凝固产生的热收缩减小，有效减小了成形后的缩松缺陷。很多研究表明，充填过程中熔体的表观粘度和固相分数呈指数关系[12]：

式中，ηapp为熔体的表观粘度；fs为固相分数；为剪切速率；系数a、b随材料不同而变化。可以看出，半固态固相的存在使得半固态熔体的粘度较大，成形时可以避免紊流带入的空气，避免了气孔、夹杂等缺陷，提高了成形件的力学性能。此外，由于半固态合金熔体的表观粘度较高，可方便加入增强材料(颗粒或纤维)，为复合材料的廉价生产提供了一条新路径。半固态成形加工出来的零件尺度精度较高，是一种近净成形加工方法，故半固态成形具有广阔的发展前景。而作为半固态成形的基础，半固态熔体制备工艺更成为国内外学者争相研究的热点。

2 半固态组织形成机理研究

现阶段对于半固态非枝晶组织的形成机理有多种认识，归根到底总结为增加晶核数量从而达到晶粒细化，由树枝晶细化为非枝晶组织近球状晶。非枝晶组织形成机理具有代表性的有树枝晶破碎断裂机制、树枝晶根部熔断机制以及晶粒游离、对流混合抑制机制等。

2.1 树枝晶破碎断裂机制

早期解释非枝晶组织形成机理多为树枝破碎断裂机制，该机制认为，在半固态熔体制备过程中，在液固温度凝固时，树枝晶形成并长大，枝晶在长大过程中由于受到搅拌力的作用、液相间的冲刷以及固相颗粒间的碰撞和摩擦，枝晶臂从枝晶上断裂，形成新的晶核，即枝晶→枝晶长大→枝晶破碎、晶核形成→晶核长大→非枝状晶形成的过程。但该形成机制目前多不被认可，更多研究认为，因树枝晶体积小，大多数枝晶会随同液相一起运动，搅拌力对树枝晶施加的剪切力不足以打断枝晶臂，搅拌流动所造成的温度与浓度扰动才是半固态非枝晶组织形成的主要原因。Y. H. Ryoo等[13]分析了过共晶Al-Si合金半固态铸造时初生固相形状的变化，认为晶粒间的摩擦、破碎与粗化使初生固相由尖角状、杆状变为球状。

2.2 树枝晶根部熔断机制

树枝晶根部熔断机制主要认为搅拌产生的剪切力不足以折断枝晶臂，但是搅拌会促使树枝晶带到高温的液相区局部发生重熔，枝晶臂因熟化与枝晶脱离。熟化的枝晶臂逐渐转变为蔷薇状，熟化继续进行，蔷薇状晶粒在较高的剪切速率和冷却速率下生成为近球状晶。树枝晶根部熔断机制示意图如图1所示。

图1树枝晶根部熔断示意图

2.3 晶粒游离、对流混合抑制机制

晶粒游离、对流混合抑制机制认为熔体对流是形成半固态熔体非枝晶组织的必要条件，但不是充分条件。仅搅拌力促使熔体对流不足以使半固态熔体形成非枝晶组织，对流只是使熔体内部的温度场、溶质场更加均匀，对流引起的凝固生成的晶粒游离、或者自孕育处理增加的晶核使得非均质形核率增加，才是细化晶粒、促使形成非枝晶组织的关键所在。晶粒游离、对流混合抑制机制使得晶粒在各个方向上的传热和传质条件趋向一致，从而改变晶粒的生长状态，使其生长成为圆整的晶粒。

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