一种利用半固态成形技术制备复合材料制品的材料成形方法技术

本发明专利技术涉及用半固态成形技术制备复合材料制品的方法，属于材料加工领域。由于不同半固态材料间的液体在压力作用下可相互融合，但融合过程又被均匀分布的固体颗粒限制在复合结合面下很浅的一层，因此半固态成形时不同材料可以保持独立，并且形成很好的复合界面。由于半固态材料在高速剪切流动时具有层流特征，不同半固态材料在充型过程中及充型完毕仍然能保持充型前所处的相对位置，即使狭窄的、具有弯道的浇道也不会使不同半固态材料绞在一起。因此，通过用半固态成形的方法把两种以上半固态材料同时压力填充入模具型腔中，实现不同材料的复合。成形后制品具有加工形状复杂、功能部位具有相应功能要求的材料、复合组织与性能的良好的特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用半固态成形工艺制备复合材料制品的加工方法。属于材料加工工艺 领域。技术背景半固态成形技术(Semisolid metal forming process)是基于Flemings MC等与1970年代 先后发表的美国专利3,948,650、美国专利3,951,651和美国专利3,954,455。这些专利指出 把熔化的金属或基体被熔化的颗粒增强金属基复合材料搅拌冷却到固液相线之间的温度 时，液相与均匀分布的非枝晶的颗粒状固相组成固液共存的复合状态材料。当材料中固相 体积百分比为20%~65%时，这种固液共存的材料在高剪切应变速率下变形时，表观粘度低， 流动性好，可用于铸造。由于半固态成形技术具有很多优点，很快便发展成为一门材料成 形新工艺。Winter J在美国专利4,229,210和美国专利4,434,837中提出了带电磁搅拌的半 连续铸造结合二次加热过程生产具有触变性能的半固态材料的方法，并发展出了触变成形 的方法。Bradley NL在美国专利5,040,589中提出了单螺杆搅拌触变成形注射装置，Fan Z 在英国专利9,922,696.3中提出双螺杆搅拌流变铸造注射装置。UBE Industries分别在美国 专利6,165,411和在欧洲专利0,745,694发布的新流变铸造技术(New Rheocasting)进一步 利用人为增加形核率的方法使材料在无搅拌凝固过程中直接形成可流变成形的半固态桨 料，降低了半固态成形工艺的生产成本。上面列举了半固态成形技术中一些具有代表性的加工方法。基于不同的半固态材料制 备过程，本文将半固态成形方式分为三类。一、流变成形(Rheo-formingprocess):材料熔炼后，通过对处于固液共存的半固态状 态材料进行搅拌，使材料中固相组织演化成非枝晶的颗粒状初晶。这种状态的半固态材料 在高速剪切作用下，表观粘度小，流动性好。把这种未经凝固的半固态材料直接进行压铸 或锻造，称为流变成形。UBE Industries分别在美国专利6,165,411和在欧洲专利0,745,694 发布的新流变铸造技术(NewRheocasting)中，是通过添加晶粒细化剂、增大过冷度来增加晶核数量，然后通过半固态状态保温使固相组织熟化(Rippening)，形成均匀分布在液 体中的、具有非枝晶的颗粒状的初晶固相组织。这样形成的半固态浆料在高速剪切作用下 也具有良好的流动性，可用于压铸与模锻。由于其制备半固态浆料的方法与传统的搅拌凝 固有所不同，因此被称为新流变成形。下文中可流变成形的状态是指当材料冷却到固液两 相区后，固液相共存，固相组织呈非枝晶的颗粒状并均匀分布在液相中，固相率在20%~80% 之间，在高速剪切变形时表观粘度小，流动性好的，未经凝固的半固态材料状态。二、 触变成形(Thixo-formingprocess):材料熔炼后，经晶粒细化处理的连续或半连续 铸造形成铸造晶粒尺寸小的固态铸锭，然后把铸锭切成一定尺寸规格的胚锭，进行二次加 热，使材料处于固液共存的半固态状态。在半固态状态下保温一段时间可以使树枝状初晶 演化成非枝晶的颗粒状初晶，使巳经是非枝晶状的初晶颗粒更加圆整，即熟化过程(Rippening)。经过二次加热、熟化的半固态合金胚锭具有触变性能(Thixotropic)，在低速 剪切变形下表观粘度很高，可用机械臂夹持进行装料；在高速剪切变形下表观粘度迅速变 小，具有很好的流动性。因此可以用压铸机压铸，也可以用模锻设备进行模锻。熔炼、铸 锭、切割、二次加热、熟化、压力成形整个过程称为触变成形。如果，用塑性压力加工的 棒材代替铸锭，在二次加热过程中熟化速度快，固液共存材料中固体相组织细小。因此， Young KP在美国专利4,415,374中提出了应变诱发熔体激活触变成形(Strain induced melt-activated processes),也归于触变成形类。下文中可触变成形状态是指经二次加热和熟 化后，固液相共存，固相组织呈非枝晶的颗粒状并均匀分布在液相中，固相率在20%~85% 之间，在高速剪切变形时表观粘度小，流动性好的，具有触变性能的材料状态。三、 半固态注射成形上文触变成形与流变成形中，半固态材料制备装置与压力成形 装置都是分开的，半固态材料在制备好后再以胚锭的形式喂入压铸机或模锻装置中。而在 Bradley NL在美国专利5,040,589中提出的单螺杆搅拌触变成形注射装置(Dow Thixomolder)和FanZ在英国专利9,922,696.3中提出双螺杆搅拌流变铸造注射装置(Twin screw rheomoulder)中，其半固态材料的搅拌凝固与注射过程都是在同一装置中完成。也 有搅拌凝固容器与注射容器分开的注射装置，如Kono在美国专利6,135,196中描述的注射 装置。半固态材料注射设备共同点是半固态浆料制备后即由注射设备直接注入压铸模型腔 中。根据本文需要，这类成形方式在本文被统称为半固态材料注射成型。如果填料是固态 颗粒，则称为触变成形注射装置；如果填料是液体，则称为流变成形注射装置。半固态成形技术具有液态压铸，液态模锻等工艺所不具备的优势。在该技术中，半固 态材料胚锭在低剪切变形速率下表观粘度很高，能基本保持胚锭形状，可被方便地传送， 适用于机械化、自动化操作。半固态材料在高剪切变形率条件下表观粘度迅速降低，具有 良好的流动性，同时材料表观粘度的大小能使充型过程以层流流动为主，因而半固态成形 工艺具有非常好的填充性能，铸件气孔、縮孔、夹杂少。均匀分布的非树枝状的颗粒状固 相使制品各部分性能均匀。半固态材料的结晶潜热低，对模具热冲击小，模具寿命长。制 品收縮率低，尺寸精度高。生产过程中无金属蒸汽污染，生产过程环保清洁。由于半固态 成型技术的优点突出，被广泛应用于发动机气缸、密封件、车毂等高端产品的生产。目前所有的半固态成形技术都只限于加工单一的半固态合金材料，如美国牌号A356 铝合金，美国牌号AZ91镁合金，美国牌号M2工具钢，颗粒增强铝合金，等等。半固态 成形制品中的成分，组织分布均匀一致，制品各部分性能相同。还没有文献或专利提出用 半固态技术加工不同组织非均匀分布的复合材料制品。详细的介绍可参阅FanZ: Semisolid metal processing, International Materials Review, 2002, vol. 47, p85.材料在使用时通常需要同时满足多种的使用要求，如力学性能，包括强度、韧性、硬 度、塑性、耐磨性；化学性能，如耐腐蚀性，物理性能，如电性能、热性能，及经济性等。 一种材料只能在部分性能上表现优异，而在其它性能上会存在不足。工程上通常采用的解 决办法有使用价格较昂贵、综合性能较好的材料满足性能指标；加大部件尺寸满足性能 指标；或者用多个部件，使用不同材料的组合满足性能指标。使用高价材料，增大材料尺 寸会增加材料的成本。使用组合件更使加工工序繁琐。因此，材料复合成形是一种很有前 途的加工方法。目前，大多数复合材料是固体与固体通过压力加工，形成类似摩擦焊接， 使两种材料复合在一起；或者固体和液体连铸复合，固液界面发生化学反应(浸润)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用半固态成形技术制备复合材料制品的材料成形方法，其特征在于，通过调控所选用的两种或两种以上的不同半固态材料在成形前的初始位置、体积比例，控制不同半固态材料之间的复合结合面与流动方向的角度以及在进入模具型腔时与模具分型面形成的角度，实现不同的半固态材料在填充完模具型腔后位置设置，最终达到不同材料在制成的复合材料制品中不同的位置分布；把所选用的各种不同半固态材料一同压入同一模具型腔，通过压铸或锻压或注射成形，凝固后制得复合材料制品；所述的半固态材料是指材料处于固液相线之间的温度状态，具备颗粒状固相均匀分布在液相中形成固液共存的复合状态，材料中固相体积占整个材料中的体积比例为２５％～８５％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]