汽車輕量化材料技術(shù)

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1、 汽車輕量化材料技術(shù) 當(dāng)前，節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的總趨勢，尤其是節(jié)能和環(huán) 保更是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，降低燃耗、減少向大氣排出co和有害氣體 2 及顆粒已成為汽車工程界主攻的方向。人們現(xiàn)已熟知的美國PNGV計劃，預(yù)計到2004年或 2005年，美國轎車將達(dá)到每升汽油可行駛約34km（3倍燃料效率）。 PNGV計劃要求轎 21世紀(jì)的汽車將發(fā)生巨大的 減小汽車自重是汽車降低燃耗及減少排放的最有效措施之一。美國的 車自身質(zhì)量減小40％。 1材料技術(shù)在輕量化汽車中的作用 福特汽車公司負(fù)責(zé)人在一次國際材料學(xué)會議上強(qiáng)調(diào)指出， 變化

2、，而材料技術(shù)是推動汽車技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，輕量化是今后汽車發(fā)展的關(guān)鍵。 RNGV:計劃中明確提出選用新材料（包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂、鈦合金、塑料及復(fù)合材料 等）來實(shí)現(xiàn)減小汽車自身質(zhì)量的目的，并把先進(jìn)的輕質(zhì)材料作為急需開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。 鋁、鎂合金的優(yōu)越性與競爭力迫使鋼鐵企業(yè)迅速發(fā)展高強(qiáng)度材料， 于是引發(fā)了一場“金 屬材料之戰(zhàn)”。鋼鐵業(yè)、鋁業(yè)、鎂業(yè)都紛紛制定出為汽車減小質(zhì)量的計劃。國 際鋼鐵協(xié)會 UltraLight 18個國家的35家國際 目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、 （InternationalIronandsteelInstitute）首先開展了超輕鋼汽車車身（ SteelAut

3、oBody）項(xiàng)目，簡稱UISAB。參加該項(xiàng)目的有來自5大洲 著名鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994年啟動，1998年結(jié)束。該項(xiàng)目的主要提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。 與UISAB相關(guān)的項(xiàng)目還有UISACDUltraLightSteelAutoClosures）和UISASDUltra LightSteelAutoSuspension）兩項(xiàng)目，前者是將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，后一項(xiàng)目是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板、鋼管、棒材以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量、 廉價和性能良好的懸架系統(tǒng)。其目標(biāo)是通過采用新的鋼材及設(shè)計，將懸架質(zhì)量減小20%，不 增加成本，達(dá)到鋁材的減小

4、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而成本與鋁相比下降20％。 與此同時，世界各大鋁業(yè)公司也結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟（ 中包括鋁協(xié)的汽車及輕卡集團(tuán)、美國汽車材料合作伙伴（ Partnership，簡稱USAMP）。 2輕量化汽車材料技術(shù)的發(fā)展趨勢 AutoAluminumAlliance），其 USAutomotiveMaterials UISAB計劃后，鋼鐵企業(yè)又于 1998年3月開始在全球?qū)嵤? UISABDAVC計劃，即先進(jìn)的 汽車概念項(xiàng)目（Advanced VehicleConcept）。該項(xiàng)目是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料 汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、 懸架系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)

5、、 安全相關(guān)的部件） ，于2004 年可研制出概念車并滿足 2004年汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求， 明顯改善燃油效率， 材料可回收， 排放減少并能降低成本，可大批量生產(chǎn)。 在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的。但高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，如汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上，將有較大增長。 鋁鎂合金在汽車上的用量將明顯增加。 工程塑料、復(fù)合材料所占比例將有明顯增長。 德國 Paderbom大學(xué) O. Habn等人提到“多材料輕 量化結(jié)構(gòu)”(Lightweight Constructionbymultimaterial）及“合適的材料用在合適的部

6、位”（intherightplace）兩概念。認(rèn)為多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。通過對多材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，既能改進(jìn)汽車性能，又能顯著減小質(zhì)量。當(dāng)前材料的以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。要實(shí)現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在合適的部位”。 Therightmaterial 組合仍 必須強(qiáng)調(diào)“合適的材料用 1高強(qiáng)度鋼板 1）ULSAB項(xiàng)目 ULSAB項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)如下： 高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用大于 90％；車身50％采用激光拼焊板；使 用液壓板成型技術(shù)；使用復(fù)合夾層鋼板；車身組裝廣泛采用激光焊接。 與ULSAB相關(guān)性的ULSAC的創(chuàng)新成果有如下

7、3個方面： 采用無框架車門結(jié)構(gòu)； 采用高強(qiáng)度鋼制造車門外板，其厚度 0.6mm、0.7mm。鋼種有烘烤硬化鋼口 BH：210MPa、 260MPa)； 用超高強(qiáng)度鋼制造車門桿件，其厚度 1.0mm，采用雙相皿 DP：650、840MPa)。 260MPa）、雙相鋼（DP：500MPa、600MPa）、含磷皿260MPa）、各向同性皿 2) ULSABDAVC項(xiàng)目 ULSABDAVC項(xiàng)目的目標(biāo)如下： ——安全：滿足2004年汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求； ——減重：明顯改善燃油效率，降低油耗； ——環(huán)保：減少排放，改善材料的回收再利用； ——經(jīng)濟(jì)

8、：降低成本，便于大批量生產(chǎn)。 3）高強(qiáng)度鋼板的定義與分類 ULSABDAVC聯(lián)合會認(rèn)為對鋼種分類的規(guī)范化非常重要。按習(xí)慣定義屈服強(qiáng)度（ 抗拉強(qiáng)度（UTS）。將鋼種標(biāo)記為XXaaa/bbb,XX為鋼種類型、 bbb為最低抗拉強(qiáng)度（MPa）。鋼種的標(biāo)志符號統(tǒng)一如下： aaa為最低屈服強(qiáng)度（ YS）和 MPa）、 傳統(tǒng)鋼種：低碳鋼、無間隙原子鋼（IF—— Interstitial-free)、各向同性鋼 （IS——Isotropic）、烘烤硬化鋼（ （HSLA）。 BH——Bakehardenable）、碳D錳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼 先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）鋼種：雙相鋼（ D

9、P——DualPhase）、復(fù)相鋼（或多相鋼） (CP——ComplexPhase)、相 變誘發(fā)塑性鋼（TRIP—— Transformation-induced Plasticity）、馬氏體鋼（ Mart——Martensite)。 210-550MPa的鋼定義為高強(qiáng)度皿HSS），屈 （UHSSD；而先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSSD的屈服強(qiáng)度覆 按照ULSAB所采用的術(shù)語，將屈服強(qiáng)度為 服強(qiáng)度超過550MPa的鋼定義為超高強(qiáng)度鋼 蓋于HSS和UHSS之間的強(qiáng)度范圍。 2其它輕量化材料 鋁具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。鑄、鍛、沖壓工藝均適合于

10、其零件制造，在汽車上的用量將明顯增加。 鎂的密度為鋁的2/3、鋼的1/4。鎂具有較高的比強(qiáng)度和比彈性模量、良好的剛性和抗 電磁干擾屏蔽性、高的阻尼性能和減震抗沖擊能力，其切削加工性和尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于鋁。鎂 合金易于回收利用，其應(yīng)用極為廣泛，也是汽車工業(yè)中最有發(fā)展前景的輕金屬結(jié)構(gòu)材料。 中國鋼鐵新聞網(wǎng)為了達(dá)到進(jìn)一步減小質(zhì)量及降低成本的目的，除了開發(fā)高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂 輕合金材料外，近年來還將一系列新工藝應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼和輕質(zhì)材料的開發(fā)，如激光拼焊、液壓成形、半固態(tài)金屬成形、注射成形和噴射成形技術(shù)等。 下面將簡單介紹半固態(tài)金屬成形技術(shù)和噴射成形技術(shù)。 1半固態(tài)成形技術(shù) 1）半固態(tài)金屬成形

11、技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 20世紀(jì)70年代初．以Flemings教授為首的美國麻省理工學(xué)院的研究小組偶然發(fā)現(xiàn)了 機(jī)械攪拌下的半固態(tài)金屬組織和流變性特點(diǎn)。隨后，F(xiàn)lemings教授及其助手在此方面進(jìn)行 了深入、系統(tǒng)的基礎(chǔ)和技術(shù)研究，提出了半固態(tài)金屬成形或加工技術(shù)（Semi-SolidForming orProcessingofMetals，簡稱SSF或SSP）的概念，開創(chuàng)了金屬材料成形加工技術(shù)的新 領(lǐng)域。 與過熱液態(tài)金屬鑄造相比，半固態(tài)金屬( Semi-solidmetal)含有一定體積分?jǐn)?shù)的球狀 初生固相，半固態(tài)金屬成形零件致密性好、力學(xué)性能高、機(jī)加工量少、模具壽命長；與固態(tài)金屬鍛造相

12、比，半固態(tài)金屬含有一定體積分?jǐn)?shù)的液相，半固態(tài)金屬成形零件形狀復(fù)雜、易 于近終成形、變形抗力低，因此，半固態(tài)金屬成形技術(shù)研究及應(yīng)用引起世界各國的高度重視。 2)半固態(tài)金屬成形技術(shù)及其分類 對其施加以劇烈的攪拌或 生固相的形 將這種固—液混合漿料完全 所謂金屬半固態(tài)成形或半固態(tài)加工，就是在金屬凝固過程中， 擾動、或改變金屬的熱狀態(tài)、或加入晶粒細(xì)化劑、或進(jìn)行快速凝固，即改變初 核和長大過程，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻的懸浮一定體積分?jǐn)?shù)的類球狀初生固相的固— 液混合漿料，利用這種固—液混合漿料直接進(jìn)行成形加工，或 凝固成坯，根據(jù)需要將坯料切分， 坯料進(jìn)行成形加工，這兩種方法均稱之

13、為金屬 若不對其施以強(qiáng)烈的攪拌或擾動， 變阻力很大，在半固態(tài)下加壓 再將切分的坯料重新加熱至固液兩相區(qū)，利用這種半固態(tài) 的半固態(tài)加工。相反，在金屬凝固過程中， 此時析出的初生固相將是樹枝狀晶體，它們互相搭接， 成形時固液相容易分離，造成嚴(yán)重的宏觀偏析，成形件也容 易開裂。 目前，半固態(tài)金屬成形技術(shù)主要分為兩類：流變成形和觸變成形。 成形，這種 半固態(tài)金屬又可分為流變壓鑄、 將該半固態(tài)金屬漿料 固態(tài)坯料重 類，半固態(tài)金屬又可分為觸變 半固態(tài)金屑的流變成形。利用劇烈攪拌等方法制備出預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)金屬漿料，井對半固態(tài)金屬漿料進(jìn)行保溫，將該半漿料直接送往成形設(shè)備進(jìn)行鑄

14、造或鍛造成形過程稱為半固態(tài)金屬的流變成形。根據(jù)成形設(shè)備的種類， 流變鍛造、流變軋制、流變擠壓等。 半固態(tài)金屬的觸變成形。利用劇烈攪拌等方法制備出球狀晶漿料， 進(jìn)一步凝固成錠或坯料；再按要求將金屬坯料切分成一定大小，把這種切分的新加熱到兩相區(qū)，然后利用機(jī)械搬運(yùn)將該半固態(tài)坯料送往成形設(shè)備進(jìn)行鑄造或鍛造成形， 種成形過程稱為半固態(tài)金屬的觸變成形。根據(jù)成形設(shè)備的種壓鑄、觸變鍛造、觸變軋制、觸變擠壓等。 3) 金屬半固態(tài)非枝晶組織形成機(jī)理 金屬凝固過程中結(jié)晶體的形貌取決于晶體的長大方式，以及固液界面前沿溫度梯度、 質(zhì)濃度梯度、熱流方向和散熱強(qiáng)度等。如果固液界面前沿溫度梯度為負(fù)，且傳熱無方向

15、性， 晶粒一般生長為等軸樹枝晶。如果對其施加強(qiáng)烈攪拌，傳統(tǒng)的樹枝狀初生晶粒最終會轉(zhuǎn)變?yōu)? 花瓣?duì)?、橢球狀甚至球狀。許多學(xué)者提出了描述這種轉(zhuǎn)化機(jī)制的假設(shè)，但尚未得出統(tǒng)一確 定的理論。 正常熟化引起的枝晶根部熔斷假說認(rèn)為，正常熟化引起枝晶臂根部熔化，而攪動引起的 流變改變或促使了熟化時溶質(zhì)的擴(kuò)散，并帶離熔斷的枝晶，而這些熔斷的初生枝晶臂進(jìn)一 和自 步枝晶化，并隨著持續(xù)的攪拌剪切，熔斷的初生枝晶臂之間以及液相間的摩擦和沖刷， 剪切速率較高而冷卻速率較 身的熟化，熔斷的枝晶臂漸變?yōu)樗N薇狀，并逐漸密實(shí)，當(dāng)攪拌 低，初生枝晶臂就會轉(zhuǎn)化為橢球狀或球狀。 出現(xiàn)晶 枝晶臂機(jī)械折斷假

16、說認(rèn)為機(jī)械攪拌引起的流體粘性力使金屬熔體的枝晶臂折斷，粒細(xì)化和增值，因此需要強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌。 枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤假說假設(shè)初生枝晶臂具有一定的塑性，使其在攪拌的紊流中 只產(chǎn)生塑性彎曲，當(dāng)彎曲角度達(dá)到一定程度，彎曲部位的附加位錯經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶形成晶 界，由于大角晶界能高于固液界面能，彎曲枝晶臂的這種大角晶界終會被液相薄膜完全浸潤 而逐步剝離。 電磁攪拌下的枝晶循環(huán)熔斷 此外，現(xiàn)有的假說還有電磁攪拌下的枝晶臂根部熔斷機(jī)制、機(jī)制、高剪切速率下的球狀晶形成機(jī)制和重結(jié)晶機(jī)制等。 4) 半固態(tài)金屬漿料或坯料的制備技術(shù) 電磁攪拌制備技術(shù)在連鑄過程中利用單相或多相線圈繞組通過交流電流產(chǎn)生

17、的感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電磁場攪拌金屬液，加速液相流動，可以改善雜質(zhì)分布，從而得到具有圓整性較好的固 相顆粒的半固態(tài)金屬漿料。根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生，電磁攪拌可分為交流感應(yīng)電磁攪拌、交流 感應(yīng)行波電磁攪拌、交流無芯感應(yīng)器法攪拌和永久磁鐵旋轉(zhuǎn)法攪拌。在目前的半固態(tài)金屬 漿料或坯料制備技術(shù)中，電磁攪拌是最成功的一種，在實(shí)際應(yīng)用中也占主導(dǎo)地位。 分為連續(xù)攪拌和非連續(xù)攪拌，其中非連續(xù)機(jī)械攪拌是最早應(yīng)用于半固態(tài)金屬漿料制備的 方法，利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片、攪拌棒等改變凝固中金屬初生晶粒的生長，獲得球狀或類球 狀的初生晶粒的半固態(tài)漿料。該方法設(shè)備簡單、造價低、操作方便，但產(chǎn)量小，漿料易被攪 拌裝置污染，例如鋁合金

18、漿料的制備就不能用鐵質(zhì)的攪拌棒或葉片。 變形誘導(dǎo)激活方法，即Strain-inducedMeltActivationProcess,DOSIMA,利用 傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連鑄出晶粒細(xì)小的金屬坯料，將坯料在回復(fù)再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形 量的擠壓變形,破碎鑄態(tài)組織,而后再對坯料進(jìn)行小量的冷變形,最后按照需要將坯料切 成一定大小,快速加熱到固液兩相區(qū)并適當(dāng)保溫,即可獲得具有觸變性的半固態(tài)坯料。且坯 料純凈,生產(chǎn)效率高。除了制備鑄造鋁合金外,還可制備變形鋁合金、銅合金以及黑色金 屬的半固態(tài)坯料。 利用超聲機(jī)械振動波擾動金屬的凝固過程, 細(xì)化金屬晶粒,獲得球狀初生晶粒的半固態(tài)

19、 金屬漿料。該方法一般有兩種：一是振動器直接作用于金屬熔體；二是振動器先作用在鑄 型上,通過鑄型再作用到金屬熔體上。超聲振動方法簡單,易于實(shí)施,成本低,但在金屬熔 體中,其衰竭過強(qiáng),作用距離有限。 破碎,并與剩余 利用一個機(jī)械旋轉(zhuǎn)的輥輪把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長的初晶不斷碾下、液相混和,形成流變金屬漿料。 晶粒細(xì)化及半固態(tài)重熔方法技術(shù)思路是：首先利用化學(xué)晶粒細(xì)化劑制備晶粒細(xì)小的金屬 坯料,再將該坯料重新加熱到固液兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)時間的保溫處理,即可獲得非 枝晶的流變組織。其關(guān)鍵是晶粒細(xì)化劑的適當(dāng)選擇。 噴射沉積方法首先運(yùn)用噴射沉積工藝將金屬液霧化、 噴射沉積到基板上,

20、 制成組織非常 細(xì)小的棒狀固態(tài)坯料，而后將坯料重新加熱到金屬的半固態(tài)區(qū)域，得到半固態(tài)觸變坯料。該方法制備的半固態(tài)坯料質(zhì)量好，但成本過高，只適用于制備高級或難熔合金坯料和成形高級 零件毛坯。 粉末冶金方法首先制備金屬粉末，而后將不同種類的金屬粉末混合，并進(jìn)行粉末預(yù)成形，再將預(yù)成形坯料重新加熱到半固態(tài)區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得半固態(tài)金屬坯料。 低過熱度澆注方法通過控制合金澆注溫度和凝固冷卻速度來制備半固態(tài)金屬漿料或坯 料，一般不采用任何攪拌，制備工藝簡單。 紊流效應(yīng)方法(Turbulentmethod),也稱為被動攪拌法(Passivestirring),迫使過 熱金屬通過一個特制

21、的冷卻裝置，該裝置有許多迂回曲折的通道，或是裝滿耐火材料小球的 鋼管,當(dāng)該金屬通過此裝置時,不斷受到激烈剪切作用或處于激烈的紊流終,使凝固析出 的初生相呈球形,從而得到半固態(tài)金屬漿料或坯料。 金屬熔體混合方法(Meltmixingapproach)將一定溫度下的兩種相同或不同種類的合 金熔體相互混合,當(dāng)混合后的合金熔體凝固時就可以制備出等軸晶或非枝晶的半固態(tài)合金漿 料或坯料。 5) 半固態(tài)金屬成形技術(shù)的特點(diǎn) 半固態(tài)金屬漿料或坯料預(yù)傳統(tǒng)過熱的液態(tài)金屬相比,具有一半左右體積分?jǐn)?shù)的初生固 相,而與固態(tài)金屬相比,又有約一半體積分?jǐn)?shù)的液相,且固相為非枝晶態(tài),因而,金屬半固 態(tài)成形技術(shù)具

22、有一系列的優(yōu)點(diǎn)： ——重熔加熱后的半固態(tài)金屬坯料的粘度很高,可以方便地機(jī)械搬運(yùn),也便于實(shí)現(xiàn)自動 化操作；在高速剪切作用下,半固態(tài)金屬坯料的粘度又可迅速降低,便于成形。 ——半固態(tài)成形時,金屬在充型過程中, 高了鑄件的致密性。因此．可以通過熱處理來進(jìn)一步提高鑄件的力學(xué)性能。 ——金屬漿料或坯料在充型前已析出一半左右的初生固相,更少的收縮孔洞。 ——半固態(tài)金屬漿料或坯料不存在宏觀偏析,其性能更均勻。 ——半固態(tài)金屬漿料或坯料的固相分?jǐn)?shù)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整,料或坯料的表觀粘度,以適應(yīng)不同鑄件的成形要求。 ——利用半固態(tài)金屬可以進(jìn)行機(jī)械零件的近終化成形,工量,降低生產(chǎn)成本。 不易發(fā)生

23、噴濺,減輕了合金的氧化和裹氣,提 減少了凝固收縮,鑄件具有 借此改變半固態(tài)金屬漿 可大幅度減少零件毛坯的機(jī)械加 ——半固態(tài)金屬漿料或坯料的充型溫度低,減輕了模具的熱沖擊,提高了模具的壽命。 尤其是壓鑄高熔點(diǎn)合金。 ——半固態(tài)金屬成形車間不需處理液態(tài)金屬，工藝操作更安全，工作環(huán)境更優(yōu)良。 ——半固態(tài)金屬的粘度較高，可以方便地加入增強(qiáng)材料（顆粒或纖維），為復(fù)合材料的廉價生產(chǎn)開辟了一條新途徑。 ——半固態(tài)金屬的成形應(yīng)力顯著降低，因此半固態(tài)金屬可以成形復(fù)雜的零件毛坯，降低成本，且鑄件性能與固態(tài)金屬鍛件相當(dāng)。 6）半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展趨

24、勢 汽車的輕量化發(fā)展，會采用越來越多的輕質(zhì)合金材料，如鋁合金、鎂合金等，但要求這些零件必須具有很高的內(nèi)在質(zhì)量，才能保證行車安全。汽車的用材趨勢必然會促進(jìn)半固態(tài) 金屬成形技術(shù)在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用。因?yàn)榘牍虘B(tài)金屬成形技術(shù)非常適合制造高質(zhì)量的輕合 金零件，在電子信息產(chǎn)品及消費(fèi)類電子消費(fèi)品、航空飛行器等零件制造上的應(yīng)用也逐漸增 多。 目前，我國的經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展階段，汽車、電子等工業(yè)均是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，對我 國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。為了提高我國汽車、電子信息等行業(yè)的技術(shù)水平，提 高我國汽車、電子儀器等在國際市場上的競爭能力，應(yīng)該推動半固態(tài)金屬成形技術(shù)的應(yīng)用， 所以，我國半固態(tài)

25、金屬成形技術(shù)的應(yīng)用前景是比較廣闊的。 但是，現(xiàn)有的半固態(tài)金屬成形技術(shù)主要以觸變?yōu)橹鳎? 且存在著一些問題，比如：傳統(tǒng)電 加熱能耗高， 磁攪拌功串大、效率低、能耗高，因此，半金坯料成本高；傳統(tǒng)電磁感應(yīng)重熔 坯料表面氧化嚴(yán)重；坯料的液相分?jǐn)?shù)不能太高，成形復(fù)雜零件毛坯困難；鋸屑等廢品不能馬 上回用；牛固態(tài)觸變成形的合金種類少，比較常見的主要是A356、A357、6262鍛造鋁合金， 377、642銅合金，AZ91D等鎂合金，還有少量高熔點(diǎn)合金。 為了更好地促進(jìn)和推動半固態(tài)合金成形技術(shù)的推廣應(yīng)用，還需要重點(diǎn)解決以下幾個方面 的問題： （1）繼續(xù)探索半固態(tài)合金球狀組織的形成

26、機(jī)理，加深對半固態(tài)合金成形技術(shù)的認(rèn)識。 （2）努力降低半固態(tài)合金坯料的制備成本，發(fā)明新的低成本坯料制備技術(shù)或降低現(xiàn)有 坯料制備技術(shù)的專利使用費(fèi)，從而從根本上降低半固態(tài)合金觸變成形件的生產(chǎn)成本，擴(kuò)大其 應(yīng)用領(lǐng)域。 （3）開發(fā)和擴(kuò)大適合半固態(tài)成形的合金種類，提高半固態(tài)合金成形件的性價比，才可能靈活地選用材料以成形合適的零件，也可降低生產(chǎn)成本。 （4）縮短半固態(tài)合金成形技術(shù)的工藝流程，即采用流變成術(shù)，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，將會有利地促進(jìn)半固態(tài)合金成形的應(yīng)用。 （5）繼續(xù)開展半固態(tài)金屬流變性能的研究和建立更準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，以便更科學(xué)地掌 握和模擬半固態(tài)金屬的成形過程，為生產(chǎn)高質(zhì)量的零件

27、服務(wù)。 (6)摸具壽命短是限制高熔點(diǎn)半固態(tài)合金成形應(yīng)用的瓶頸，必須設(shè)法研究出適合高熔 點(diǎn)半固態(tài)合金成形的模具材料，才可能顯著降低高熔點(diǎn)半固態(tài)合金成形的成本，這對于鐵合金的高質(zhì)量近終成形尤其重要。 2噴射沉積成形技術(shù) 1)噴射沉積快速凝固技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 噴射沉積(SprayAtomizationandDeposition)也稱為霧化成形(SprayForming)、霧 化鑄造(SprayCasting)、奧斯普瑞工藝(OspreyProcess)和液體動壓緊實(shí)(LiquidDynamics Compaction)。噴射沉積的概念最早是由英國Swansea大學(xué)的A.R.E.Sing

28、er教授等人于 1967年提出的，他們在改進(jìn)Reynolds金屬公司離心霧化和熱軋生產(chǎn)鋁板工藝的研究中，提 出用氣體將鋁液霧化成液滴，直接沉積到冷卻基體板上后熱軋成鋁板的設(shè)想。后來他們的 研究生創(chuàng)立了應(yīng)用此工藝的Osprey金屬公司，并成功地將該技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中，噴射沉積 也稱為OspreyODD隨后英國的Brooks、Leatham和Combs等人對噴射沉積進(jìn)行了大量的 研究和開發(fā)工作，并且首次將注意力轉(zhuǎn)向了快速凝固毛坯的成型性方面。 發(fā)展了 1980年英國Aurora鋼鐵公司又將噴射沉積原理應(yīng)用到高合金工具鋼和高速鋼， 一種受控噴射沉積( ControlledSprayD

29、eposition)0D,它是以 Osprey工藝為基礎(chǔ)，采 用較大霧滴，液滴直徑為 0.5-1.5毫米，由于撞擊作用，仍可以獲得 103K/s的冷速。 美國麻省理工學(xué)院的 N.J.Grant等將該技術(shù)發(fā)展為液體動壓緊實(shí)技術(shù) 霧化氣體，得到細(xì)小、快速淬冷的液滴。 1988年，美國加州大學(xué) 等在噴射沉積技術(shù)基 礎(chǔ)上開發(fā)出制備金屬基復(fù)合材料的 Co-Deposition)”，隨后 Lawley等率先提出了“反應(yīng)霧化成形技術(shù)( Forming)”，該技術(shù)將霧化成形工藝和化學(xué)反應(yīng)法制備復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合在一起，產(chǎn)性能更好的金屬基自生復(fù)合材料。 LDC,應(yīng)用高壓 Irrine

30、分校的Lavernia 霧化共沉積技術(shù)(Spray ReactiveSpray 用以生 進(jìn)入90年代，噴射沉積技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，制備的新材料的性能不斷提高，成本進(jìn)一步降低，吸引了國際上越來越多知名企業(yè)的注意力，受到工業(yè)界的廣泛重視，并由實(shí)驗(yàn)室研 究階段邁向工業(yè)應(yīng)用階段，在世界范圍內(nèi)，已有幾十條Osprey生產(chǎn)線，其產(chǎn)品有管、環(huán)、 板材、棒材等。 九十年代初我國開展噴射沉積的研究工作，列入國家863高新技術(shù)研究計劃和自然基金重 大研究項(xiàng)目。北京科技大學(xué)、北京航空材料研究院、北京有色金屬研究總院、中科院金屬研 究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和上海鋼鐵研究所等單

31、位都已開展了 這方面的研究。 2)噴射沉積技術(shù)特點(diǎn) ——具有細(xì)小的等軸晶組織：噴射沉積材料的組織是細(xì)小的等軸晶，其晶粒大小一般在 10D1OOpm。這種組織的形成，一方面是由于高壓高速氣流與熔體強(qiáng)烈的對流換熱而使噴 射沉積材料凝固時獲得很高的冷卻速度，一般冷速為103D104K/s,另一方面由于霧滴與霧 化氣體的動量交換，霧滴獲得很高的運(yùn)動速度，根據(jù)模擬計算結(jié)果表明其速度為50－ 100m/s,在沉積時刻霧滴具有較高的動能，在霧滴高速撞擊基板或沉積體表面時，其沖擊動 能產(chǎn)生足夠大的剪切應(yīng)力和剪切速度，將已經(jīng)結(jié)晶出來的固相打碎，形成非枝晶的組織。 材料，難 沉積工藝大

32、幅度地簡化了 ——工序簡單，成本低：噴射沉積將熔體的霧化和沉積成形兩個過程合為一體，可直接由液體金屬制取快速凝固預(yù)成形的毛坯，而一般的快速凝固工藝制取的粉末狀以直接加工成產(chǎn)品，通常需經(jīng)粉末冶金工藝成型，必須經(jīng)過制粉、儲存、運(yùn)輸、篩分、壓制燒結(jié)，甚至軋制、鍛造等工序，與其它快速凝固工藝相比，噴射快凝材料的加工制備工序，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。 ——高密度：噴射沉積工藝過程中， 沉積層良好地結(jié)合在一起，直接沉積后的密度可以達(dá)到理論的可達(dá)到99％，經(jīng)冷加工或熱加工很容易達(dá)到完全致密化。 半固態(tài)金屬霧滴高速撞擊到沉積表面半固態(tài)層， 95％，如果工藝控制合理則 —

33、—氧化程度?。? 噴射沉積過程是在惰性氣氛中瞬時完成， 金屬氧化程度較小， 而且由 于液體金屬一次成形， 避免了一般粉末冶金工藝中因儲存、 運(yùn)輸?shù)裙ば驇淼难趸? 減輕了 材料的受污染程度。 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 多層噴射沉積技術(shù)。 與傳統(tǒng)噴射沉積技術(shù)的區(qū)別在于： 沉積坯為多次合成構(gòu)成， 因此其 冷凝速度高于傳統(tǒng)噴射沉積坯；沉積坯為金屬噴嘴多次往返移動噴射沉積而 成，因此管坯 尺寸可以做得很厚且冷卻

34、速度不受影響， 而且板坯的寬度和長度都可以很大； 沉積坯的尺寸 ——過程復(fù)雜，工藝參數(shù)多： 噴射沉積過程是一個眾多參數(shù)共同作用的復(fù)雜過程， 噴射 沉積的可控參數(shù)有近十個，過程參數(shù)有數(shù)十個，而且各參數(shù)之間相互制約， 相互影響， 給工 藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化帶來一定的困難。 如何準(zhǔn)確地選擇合適的工藝參數(shù)是目前該工藝所必須 解決的問題。 3）噴射沉積成形技術(shù)的進(jìn)展 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 精度高；制備的復(fù)合材料均勻性非常好。 利用多層噴射沉積技術(shù)已經(jīng)制備出了耐磨鋁合金材料、 耐

35、熱鋁合金材料、 顆粒增強(qiáng)型鋁 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 基復(fù)合材料，高強(qiáng)鋁合金材料、自蔓延鋁基復(fù)合材料以及雙金屬材料等。 原位反應(yīng)霧化噴射沉積成形技術(shù)。 有研究者提出將增強(qiáng)相的生成置于熔化室合金熔體中 完成（而不是現(xiàn)行通常的在霧化室中進(jìn)行 ），然后再進(jìn)行后續(xù)的霧化噴射沉積 成形步驟。成 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 該技 粒損失問題，材料制備成本降 功地開發(fā)出了一種熔鑄—原位反應(yīng)噴射沉積成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備新技術(shù)，術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：顆粒在熔體內(nèi)部原位反應(yīng)生成，不存在顆 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 低；顆粒在基體中分布均勻； 可沿用現(xiàn)行噴射沉積成形制備金屬材料的各項(xiàng)工藝參數(shù)， 設(shè)備 無需做任何改動。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。