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(shì)，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(wèn)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(guó)PNGV計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2004年或 2005年，美國(guó)轎車將達(dá)到每升汽油可行駛約34km（3倍燃料效率）。 PNGV計(jì)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(guó)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(guó)際材料學(xué)會(huì)議上強(qiáng)調(diào)指出， 變化

2、，而材料技術(shù)是推動(dòng)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(jì)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(lái)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(kāi)發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。 鋁、鎂合金的優(yōu)越性與競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)“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(jì)劃。國(guó) 際鋼鐵協(xié)會(huì) UltraLight 18個(gè)國(guó)家的35家國(guó)際 目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、 （InternationalIronandsteelInstitute）首先開(kāi)展了超輕鋼汽車車身（ SteelAut

3、oBody）項(xiàng)目，簡(jiǎn)稱UISAB。參加該項(xiàng)目的有來(lái)自5大洲 著名鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994年啟動(dòng)，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(jiǎn)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(lái)生產(chǎn)輕量、 廉價(jià)和性能良好的懸架系統(tǒng)。其目標(biāo)是通過(guò)采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，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(shí)，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(guó)汽車材料合作伙伴（ Partnership，簡(jiǎn)稱USAMP）。 2輕量化汽車材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) AutoAluminumAlliance），其 USAutomotiveMaterials UISAB計(jì)劃后，鋼鐵企業(yè)又于 1998年3月開(kāi)始在全球?qū)嵤? UISABDAVC計(jì)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(kāi)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)。 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(zhǎng)。 德國(guó) 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(jì)代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)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(jì)，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(gè)方面： 采用無(wú)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(huì)認(rèn)為對(duì)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(hào)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(wú)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(yǔ)，將屈服強(qiáng)度為 服強(qiáng)度超過(guò)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(guó)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(kāi)發(fā)高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂 輕合金材料外，近年來(lái)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(kāi)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(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)稱SSF或SSP）的概念，開(kāi)創(chuàng)了金屬材料成形加工技術(shù)的新 領(lǐng)域。 與過(guò)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(zhǎng)；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(guó)的高度重視。 2)半固態(tài)金屬成形技術(shù)及其分類 對(duì)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(guò)程中， 擾動(dòng)、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(zhǎng)大過(guò)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(duì)其施以強(qiáng)烈的攪拌或擾動(dòng)， 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(guò)程中， 此時(shí)析出的初生固相將是樹(shù)枝狀晶體，它們互相搭接， 成形時(shí)固液相容易分離，造成嚴(yán)重的宏觀偏析，成形件也容 易開(kāi)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程中結(jié)晶體的形貌取決于晶體的長(zhǎng)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(wú)方向

15、性， 晶粒一般生長(zhǎng)為等軸樹(shù)枝晶。如果對(duì)其施加強(qiáng)烈攪拌，傳統(tǒng)的樹(shù)枝狀初生晶粒最終會(huì)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(shuō)認(rèn)為，正常熟化引起枝晶臂根部熔化，而攪動(dòng)引起的 流變改變或促使了熟化時(shí)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(huì)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(shuō)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(rùn)假說(shuō)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(cuò)經(jīng)過(guò)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(huì)被液相薄膜完全浸潤(rùn) 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(shuō)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(guò)程中利用單相或多相線圈繞組通過(guò)交流電流產(chǎn)生

17、的感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)攪拌金屬液，加速液相流動(dòng)，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(chǎng)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(wú)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(zhǎng)，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(jiǎn)單、造價(jià)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(duì)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(dòng)波擾動(dòng)金屬的凝固過(guò)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(dòng)器直接作用于金屬熔體；二是振動(dòng)器先作用在鑄 型上,通過(guò)鑄型再作用到金屬熔體上。超聲振動(dòng)方法簡(jiǎn)單,易于實(shí)施,成本低,但在金屬熔 體中,其衰竭過(guò)強(qiáng),作用距離有限。 破碎,并與剩余 利用一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)的輥輪把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長(zhǎng)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(shí)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(guò)高，只適用于制備高級(jí)或難熔合金坯料和成形高級(jí) 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(guò)熱度澆注方法通過(guò)控制合金澆注溫度和凝固冷卻速度來(lái)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(jiǎn)單。 紊流效應(yīng)方法(Turbulentmethod),也稱為被動(dòng)攪拌法(Passivestirring),迫使過(guò) 熱金屬通過(guò)一個(gè)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(guò)此裝置時(shí),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(shí)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(guò)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(dòng) 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(shí),金屬在充型過(guò)程中, 高了鑄件的致密性。因此．可以通過(guò)熱處理來(lái)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(jià)生產(chǎn)開(kāi)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(shì) 汽車的輕量化發(fā)展，會(huì)采用越來(lái)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(shì)必然會(huì)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(guó)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(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)我 國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。為了提高我國(guó)汽車、電子信息等行業(yè)的技術(shù)水平，提 高我國(guó)汽車、電子儀器等在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，應(yīng)該推動(dòng)半固態(tài)金屬成形技術(shù)的應(yīng)用， 所以，我國(guó)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(wèn)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(jiàn)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(dòng)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(gè)方面 的問(wèn)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(duì)半固態(tài)合金成形技術(shù)的認(rèn)識(shí)。 （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(kāi)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(jià)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(huì)有利地促進(jìn)半固態(tài)合金成形的應(yīng)用。 （5）繼續(xù)開(kāi)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(guò)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(duì)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(dòng)壓緊實(shí)(LiquidDynamics Compaction)。噴射沉積的概念最早是由英國(guó)Swansea大學(xué)的A.R.E.Sing

28、er教授等人于 1967年提出的，他們?cè)诟倪M(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(lái)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(guó)的Brooks、Leatham和Combs等人對(duì)噴射沉積進(jìn)行了大量的 研究和開(kāi)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(guó)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(guó)麻省理工學(xué)院的 N.J.Grant等將該技術(shù)發(fā)展為液體動(dòng)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(guó)加州大學(xué) 等在噴射沉積技術(shù)基 礎(chǔ)上開(kāi)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(guó)際上越來(lái)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(guó)開(kāi)展噴射沉積的研究工作，列入國(guó)家863高新技術(shù)研究計(jì)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(kāi)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(duì)流換熱而使噴 射沉積材料凝固時(shí)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(dòng)量交換，霧滴獲得很高的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果表明其速度為50－ 100m/s,在沉積時(shí)刻霧滴具有較高的動(dòng)能，在霧滴高速撞擊基板或沉積體表面時(shí)，其沖擊動(dòng) 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(lái)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(jiǎn)化了 ——工序簡(jiǎn)單，成本低：噴射沉積將熔體的霧化和沉積成形兩個(gè)過(guò)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(guò)制粉、儲(chǔ)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(guò)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(guò)程是在惰性氣氛中瞬時(shí)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(chǔ)存、 運(yùn)輸?shù)裙ば驇?lái)的氧化， 減輕了 材料的受污染程度。 無(wú)需做任何改動(dòng)。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 無(wú)需做任何改動(dòng)。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(dòng)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(zhǎng)度都可以很大； 沉積坯的尺寸 ——過(guò)程復(fù)雜，工藝參數(shù)多： 噴射沉積過(guò)程是一個(gè)眾多參數(shù)共同作用的復(fù)雜過(guò)程， 噴射 沉積的可控參數(shù)有近十個(gè)，過(guò)程參數(shù)有數(shù)十個(gè)，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(lái)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(wèn)題。 3）噴射沉積成形技術(shù)的進(jìn)展 無(wú)需做任何改動(dòng)。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(wú)需做任何改動(dòng)。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(wú)需做任何改動(dòng)。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。 該技 粒損失問(wèn)題，材料制備成本降 功地開(kāi)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(wú)需做任何改動(dòng)。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(wú)需做任何改動(dòng)。并已成功制備出TiC/Al-20Si-5Fe復(fù)合材料。