镁合金半固态成形原材料的制备方法

半固态成形过程一般包括非枝晶组织坯料的制备和半固态成形两个阶段。制备具有非枝晶组织的优质坯料是半固态成形的前提。无论从经济角度还是从过程稳定性角度看，半固态金属及合金坯料的制备都处于非常重要的地位。

1.半固态组织的特征

合金熔体在普通铸造过程中一般容易形成树枝状晶体、柱状晶体或粗大的等轴状晶体，这种组织会大幅度提高熔体的黏度，降低其流动性。若在凝固过程中对熔体施以强烈搅拌，在剪切力作用下，上述树枝状组织被破碎，并随着搅拌时间的延长而形成等轴状的固相，这种熔体的黏度和流动性较好。典型的半固态组织是由细小等轴的初始固相颗粒和残余的液相组成。这种无枝晶组织的半固态浆料具有独特的流变学特性，即触变性和伪塑性，可用表观黏度来表征流变性的好坏。影响表观黏度的因素很多，主要有浆料中固相颗粒的体积分数、固相颗粒的形状大小及粒度分布、颗粒间的相互作用及聚集状态、浆料的剪切速率和冷却速度等。

搅拌方式、剪切速率、熔体温度、冷却速度和搅拌时间等都影响半固态合金组织。合金熔体在强烈搅拌作用下，结晶形成的枝晶被破碎，枝晶碎片在流动熔体的作用下逐渐球化，形成等轴状固相颗粒，其球化速率取决于抗剪强度和搅拌速率。

2.非枝晶组织半固态浆料的制备

根据原材料所处状态的不同，可将具有非枝晶组织半固态浆料的制备方法分为：液相法、固相法和其他方法。

（1）液相法 该方法是采用外场如机械搅拌、电磁场和超声波等对熔体进行处理，破碎初生的固相枝晶组织，并形成球状颗粒。(www.xing528.com)

1）机械搅拌法是最早采用的一种半固态浆料制备方法，分为间歇式和连续式两种。机械搅拌法的工艺参数（搅拌温度、搅拌速度、冷却速度等）难以控制，容易卷入气体，搅拌器与熔体接触容易造成污染，工艺重复性差，难以保证产品质量的一致性，并且坯料中固相颗粒的尺寸较大，一般为200μm。此外，机械搅拌法生产率低、固相体积分数只能限制在30%～60%。由于镁合金比较活泼，搅拌时容易产生严重的氧化、燃烧问题，因此，搅拌设备在设计方面要考虑这些因素。目前，该方法还未应用于镁合金的生产中，只有一些研究性的试验报道。

日本学者在镁合金的半固态搅拌及成形工艺方面进行了系统研究，重点研究了AZ91D合金在半固态加工过程中的组织演变规律，并开发出相关的镁合金半固态成形设备。长冈技术科学大学研究了AZ91D合金在半固态搅拌、凝固过程中材料的组织和性能特点，设计了一种半固态搅拌装置，在搅拌镁合金时，为了防止氧化、燃烧，装置内通入了SF₆和CO₂混合气体（比例1∶100），熔体温度通过热电偶测量和控制。搅拌在钢制坩埚内进行，搅拌结束后，将坩埚放入水槽中冷却，通过改变搅拌杆的臂长来控制搅拌强度。

2）电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛仑兹力作用下产生运动，实现搅拌。这是一种非接触式的搅拌方法，它可以克服机械搅拌法所存在的不足之处而成为一种主要的搅拌方式。从搅拌时金属液的流动方式来分有水平式和垂直式两种；从旋转磁场产生的方式可分为交变电磁场和永磁场两种。主要工艺参数有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。电磁搅拌能使金属液产生三维流动，增加搅拌效果，所制备的铸锭晶粒尺寸一般可达60μm，为球状等轴晶组织。电磁搅拌法克服了机械搅拌的大部分缺点，不污染金属浆料，不会卷入气体，可实现连铸，生产率高，且电磁参数控制方便灵活，是目前工业化生产中应用最为广泛的方法。但是设备投资大，工艺复杂，成本高。另外，这种搅拌方法仅限于小直径（150mm以下的）锭坯的制备，锭坯内外组织不均匀。

（2）固相法 固相法的原理是采用粉末冶金法和喷射沉积法制备出的具有等轴晶粒组织的合金锭坯，将其加热到半固态温度区间，以获得具有球状固相悬浮于液相中的半固态浆料；或是采用挤压、拉拔、轧制、锻造或扭转等方法将普通铸造合金锭坯强烈地塑性变形，破坏锭坯中的枝晶组织，然后将其加热到再结晶温度以上使之再结晶，获得细小的晶粒组织，然后将坯料加热到固-液两相线之间的温度形成半固态浆料，该方法又被称为应变诱发激活法（strain-induced melt activation，SIMA）。与其他方法相比，它增加了一道变形工序，且只适合于制备直径小于60mm的坯料。

（3）其他方法 通过控制合金熔体的凝固速度，或加入变质元素，抑制枝晶组织的形成，形成含有等轴颗粒的细晶组织，再加热到固-液两相区也可以获得半固态浆料。主要工艺参数有变质元素种类、加入量、熔体温度和保温时间等。

近年来，又开发出了一些新的非枝晶组织制备方法，如控制浇注温度法、超声波处理法、剪切-冷却-滚动法等。