專利名稱：一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用半固態(tài)成形工藝制備復合材料制品的加工方法。屬于材料加工工藝 領(lǐng)域。
技術(shù)背景半固態(tài)成形技術(shù)(Semisolid metal forming process)是基于Flemings MC等與1970年代 先后發(fā)表的美國專利3,948,650、美國專利3,951,651和美國專利3,954,455。這些專利指出 把熔化的金屬或基體被熔化的顆粒增強金屬基復合材料攪拌冷卻到固液相線之間的溫度 時，液相與均勻分布的非枝晶的顆粒狀固相組成固液共存的復合狀態(tài)材料。當材料中固相 體積百分比為20%~65%時，這種固液共存的材料在高剪切應變速率下變形時，表觀粘度低， 流動性好，可用于鑄造。由于半固態(tài)成形技術(shù)具有很多優(yōu)點，很快便發(fā)展成為一門材料成 形新工藝。Winter J在美國專利4,229,210和美國專利4,434,837中提出了帶電磁攪拌的半 連續(xù)鑄造結(jié)合二次加熱過程生產(chǎn)具有觸變性能的半固態(tài)材料的方法，并發(fā)展出了觸變成形 的方法。Bradley NL在美國專利5,040,589中提出了單螺桿攪拌觸變成形注射裝置，F(xiàn)an Z 在英國專利9,922,696.3中提出雙螺桿攪拌流變鑄造注射裝置。UBE Industries分別在美國 專利6,165,411和在歐洲專利0,745,694發(fā)布的新流變鑄造技術(shù)(New Rheocasting)進一步 利用人為增加形核率的方法使材料在無攪拌凝固過程中直接形成可流變成形的半固態(tài)槳 料，降低了半固態(tài)成形工藝的生產(chǎn)成本。上面列舉了半固態(tài)成形技術(shù)中一些具有代表性的加工方法。基于不同的半固態(tài)材料制 備過程，本文將半固態(tài)成形方式分為三類。一、流變成形(Rheo-formingprocess):材料熔煉后，通過對處于固液共存的半固態(tài)狀 態(tài)材料進行攪拌，使材料中固相組織演化成非枝晶的顆粒狀初晶。這種狀態(tài)的半固態(tài)材料 在高速剪切作用下，表觀粘度小，流動性好。把這種未經(jīng)凝固的半固態(tài)材料直接進行壓鑄 或鍛造，稱為流變成形。UBE Industries分別在美國專利6,165,411和在歐洲專利0,745,694 發(fā)布的新流變鑄造技術(shù)(NewRheocasting)中，是通過添加晶粒細化劑、增大過冷度來增加晶核數(shù)量，然后通過半固態(tài)狀態(tài)保溫使固相組織熟化(Rippening)，形成均勻分布在液 體中的、具有非枝晶的顆粒狀的初晶固相組織。這樣形成的半固態(tài)漿料在高速剪切作用下 也具有良好的流動性，可用于壓鑄與模鍛。由于其制備半固態(tài)漿料的方法與傳統(tǒng)的攪拌凝 固有所不同，因此被稱為新流變成形。下文中可流變成形的狀態(tài)是指當材料冷卻到固液兩 相區(qū)后，固液相共存，固相組織呈非枝晶的顆粒狀并均勻分布在液相中，固相率在20%~80% 之間，在高速剪切變形時表觀粘度小，流動性好的，未經(jīng)凝固的半固態(tài)材料狀態(tài)。二、 觸變成形(Thixo-formingprocess):材料熔煉后，經(jīng)晶粒細化處理的連續(xù)或半連續(xù) 鑄造形成鑄造晶粒尺寸小的固態(tài)鑄錠，然后把鑄錠切成一定尺寸規(guī)格的胚錠，進行二次加 熱，使材料處于固液共存的半固態(tài)狀態(tài)。在半固態(tài)狀態(tài)下保溫一段時間可以使樹枝狀初晶 演化成非枝晶的顆粒狀初晶，使巳經(jīng)是非枝晶狀的初晶顆粒更加圓整，即熟化過程(Rippening)。經(jīng)過二次加熱、熟化的半固態(tài)合金胚錠具有觸變性能(Thixotropic)，在低速 剪切變形下表觀粘度很高，可用機械臂夾持進行裝料；在高速剪切變形下表觀粘度迅速變 小，具有很好的流動性。因此可以用壓鑄機壓鑄，也可以用模鍛設(shè)備進行模鍛。熔煉、鑄 錠、切割、二次加熱、熟化、壓力成形整個過程稱為觸變成形。如果，用塑性壓力加工的 棒材代替鑄錠，在二次加熱過程中熟化速度快，固液共存材料中固體相組織細小。因此， Young KP在美國專利4,415,374中提出了應變誘發(fā)熔體激活觸變成形(Strain induced melt-activated processes),也歸于觸變成形類。下文中可觸變成形狀態(tài)是指經(jīng)二次加熱和熟 化后，固液相共存，固相組織呈非枝晶的顆粒狀并均勻分布在液相中，固相率在20%~85% 之間，在高速剪切變形時表觀粘度小，流動性好的，具有觸變性能的材料狀態(tài)。三、 半固態(tài)注射成形上文觸變成形與流變成形中，半固態(tài)材料制備裝置與壓力成形 裝置都是分開的，半固態(tài)材料在制備好后再以胚錠的形式喂入壓鑄機或模鍛裝置中。而在 Bradley NL在美國專利5,040,589中提出的單螺桿攪拌觸變成形注射裝置(Dow Thixomolder)和FanZ在英國專利9,922,696.3中提出雙螺桿攪拌流變鑄造注射裝置(Twin screw rheomoulder)中，其半固態(tài)材料的攪拌凝固與注射過程都是在同一裝置中完成。也 有攪拌凝固容器與注射容器分開的注射裝置，如Kono在美國專利6,135,196中描述的注射 裝置。半固態(tài)材料注射設(shè)備共同點是半固態(tài)漿料制備后即由注射設(shè)備直接注入壓鑄模型腔 中。根據(jù)本文需要，這類成形方式在本文被統(tǒng)稱為半固態(tài)材料注射成型。如果填料是固態(tài) 顆粒，則稱為觸變成形注射裝置；如果填料是液體，則稱為流變成形注射裝置。半固態(tài)成形技術(shù)具有液態(tài)壓鑄，液態(tài)模鍛等工藝所不具備的優(yōu)勢。在該技術(shù)中，半固 態(tài)材料胚錠在低剪切變形速率下表觀粘度很高，能基本保持胚錠形狀，可被方便地傳送， 適用于機械化、自動化操作。半固態(tài)材料在高剪切變形率條件下表觀粘度迅速降低，具有 良好的流動性，同時材料表觀粘度的大小能使充型過程以層流流動為主，因而半固態(tài)成形 工藝具有非常好的填充性能，鑄件氣孔、縮孔、夾雜少。均勻分布的非樹枝狀的顆粒狀固 相使制品各部分性能均勻。半固態(tài)材料的結(jié)晶潛熱低，對模具熱沖擊小，模具壽命長。制 品收縮率低，尺寸精度高。生產(chǎn)過程中無金屬蒸汽污染，生產(chǎn)過程環(huán)保清潔。由于半固態(tài) 成型技術(shù)的優(yōu)點突出，被廣泛應用于發(fā)動機氣缸、密封件、車轂等高端產(chǎn)品的生產(chǎn)。目前所有的半固態(tài)成形技術(shù)都只限于加工單一的半固態(tài)合金材料，如美國牌號A356 鋁合金，美國牌號AZ91鎂合金，美國牌號M2工具鋼，顆粒增強鋁合金，等等。半固態(tài) 成形制品中的成分，組織分布均勻一致，制品各部分性能相同。還沒有文獻或?qū)＠岢鲇?半固態(tài)技術(shù)加工不同組織非均勻分布的復合材料制品。詳細的介紹可參閱FanZ: Semisolid metal processing, International Materials Review, 2002, vol. 47, p85.材料在使用時通常需要同時滿足多種的使用要求，如力學性能，包括強度、韌性、硬 度、塑性、耐磨性；化學性能，如耐腐蝕性，物理性能，如電性能、熱性能，及經(jīng)濟性等。 一種材料只能在部分性能上表現(xiàn)優(yōu)異，而在其它性能上會存在不足。工程上通常采用的解 決辦法有使用價格較昂貴、綜合性能較好的材料滿足性能指標；加大部件尺寸滿足性能 指標；或者用多個部件，使用不同材料的組合滿足性能指標。使用高價材料，增大材料尺 寸會增加材料的成本。使用組合件更使加工工序繁瑣。因此，材料復合成形是一種很有前 途的加工方法。目前，大多數(shù)復合材料是固體與固體通過壓力加工，形成類似摩擦焊接， 使兩種材料復合在一起；或者固體和液體連鑄復合，固液界面發(fā)生化學反應(浸潤)，實 現(xiàn)不同材料間復合。例如鋁包鋼，銅包鋼復合電纜，鋁銅復合板等。但這些復合材料，形 狀簡單，只適合于板帶、線材生產(chǎn)。還沒有高效的，用于制備復雜形狀、尺寸精密的單件 復合材料的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于利用半固態(tài)材料流動性能好，流動平穩(wěn)，半固態(tài)材料間固體相獨立，液體僅在復合結(jié)合面附近融合的特點，通過半固態(tài)加工技術(shù)，把不同的半固態(tài)材料合在一起進行壓力成形，使不同材料在受到控制的狀態(tài)下按性能要求分布到不同的位置，形成復 合材料制品。通過本方法可以廉價高效地生產(chǎn)形狀復雜的，功能部位由相應功能材料組成 的復合材料制品。半固態(tài)材料中液體部分在壓力作用下可以相互融合，使復合界面形成良好的結(jié)合組織 結(jié)構(gòu)；而均勻分布的固相顆粒把相互融合的部分限制在表面很淺的部分，使不同半固態(tài)材 料具有相對獨立性。半固態(tài)材料流動性好，可以加工形狀復雜的制品。因此，利用半固態(tài)成形方式加工形狀復雜的復合材料制品具有巨大的潛在優(yōu)勢。 本發(fā)明的目的是通過下述方式實現(xiàn)的通過調(diào)控所選用的兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、體積比 例，控制不同半固態(tài)材料之間的復合結(jié)合面與流動方向的角度以及在進入模具型腔時與模 具分型面形成的角度，實現(xiàn)不同的半固態(tài)材料在填充完模具型腔后位置設(shè)置，最終達到不 同材料在制成的復合材料制品中不同的位置分布；把所選用的各種不同半固態(tài)材料一同壓 入同一模具型腔，通過壓鑄或鍛壓或注射成形，凝固后制得復合材料制品；所述的半固態(tài) 材料是指材料處于固液相線之間的溫度狀態(tài)，具備顆粒狀固相均勻分布在液相中形成固液 共存的復合狀態(tài)，材料中固相體積占整個材料中的體積比例為25%~85%。所述的調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、體積比 例，是通過將所選用的兩種或兩種以上的不同材料調(diào)至各自所需的體積，并同時制備成半 固態(tài)材料錠胚；再將不同半固態(tài)材料的胚錠按所需確定的位置放入壓鑄機的壓室中排好； 或者是先把不同的半固態(tài)材料錠胚按所需位置分布預壓成形后，再按不同的半固態(tài)材料在 預壓時形成的復合結(jié)合面所需角度把預壓胚錠放入壓鑄機的壓室中。所述的調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、體積比 例，是通過將所選用兩種或兩種以上的不同材料調(diào)至各自所需的體積，并同時制備成半固 態(tài)材料錠胚；再將不同半固態(tài)材料的胚錠按所需確定的位置放入鍛壓設(shè)備模具型腔中排 好；或者是先把不同的半固態(tài)材料錠胚按所需位置分布預壓成形后，再按不同的半固態(tài)材 料在預壓時形成的復合結(jié)合面所需角度把預壓胚錠放入鍛壓設(shè)備模具型腔中。在把所選用的各種不同半固態(tài)材料一同壓入同一模具型腔前，先進行預壓。預壓是將 不同的半固態(tài)材料制成的胚料放入處于打開的預壓模中，再將預壓模高速閉合預壓；預壓 模處于具有梯度溫度場的保溫裝置中；預壓模內(nèi)腔為圓柱形，模外殼沿內(nèi)腔圓心發(fā)散線開啟。所述的調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、體積比 例，是通過預設(shè)兩臺以上半固態(tài)注射成形設(shè)備并調(diào)控其與成形模具的位置，以及調(diào)控成形 模具中澆道的流向，即調(diào)控注射成形前的各不同半固態(tài)漿料位置；將在各自的半固態(tài)注射 成形設(shè)備中同時制成的不同半固態(tài)漿料一同注射模具，使?jié){料在澆道中以一定角度匯合， 形成并列的半固態(tài)復合流體并填充模具型腔。把所選用的各種不同半固態(tài)材料一同壓入同一模具型腔，是通過壓鑄機或者模鍛設(shè)備 或者半固態(tài)注射成形設(shè)備施加壓力，在壓力推動下各種不同半固態(tài)材料被一同壓入同一模 具型腔，不同半固態(tài)材料共同流動，形成具有層流流動特征的復合半固態(tài)流體，高速剪切 流動充入模具型腔中完成充型過程。本發(fā)明提供了一種用半固態(tài)成形技術(shù)加工復合材料制品的工藝，使制品不同功能部位 由不同材料組成，使功能部位具有相應優(yōu)良功能特性、良好復合組織和復合性能。由于不 同半固態(tài)材料間的液體間可以相互融合，但融合過程又被均勻分布的固體顆粒限制在復合 結(jié)合面下很淺的一層，因此不同材料可以保持獨立，并且具有很好的復合界面。由于半固 態(tài)材料在高速剪切流動時具有層流特征，不同半固態(tài)材料在充型過程中及充型完畢仍任能 保持充型前所處的相對位置，即使狹窄的、具有彎道的澆道也不會使不同半固態(tài)材料絞在 一起。因此，本方法利用半固態(tài)材料所具有的特殊流動特性與復合特性，通過本發(fā)明半固 態(tài)成形的方法把兩種以上半固態(tài)材料同時壓力填充入模具型腔中，實現(xiàn)不同材料的復合。 成形后制品具有加工形狀復雜、功能部位具有相應功能要求的材料、復合組織與性能的良 好的特征。


為了方便說明，圖1-圖8均采用同一坐標系。如圖la中所示坐標系，垂直向上方向 為鉛垂線方向，與鉛垂線方向垂直的平面為水平面。由于坐標系統(tǒng)一，除圖la中劃出坐標 系外，其他圖中均不再描述坐標系。圖1圖la-d中標號3， 4分別代表兩種不同的半固態(tài)材料。標號1， 2分別代表變截面的方形流體通道的入口與出口。標號6， 7分別代表變截面的圓形流體通道的入口與出口。標號5代表兩種半固態(tài)材料在流動時形成的復合結(jié)合面。各分圖描述了半固態(tài)復合流體由下往上流過通過圓形或方形變截面通道時的情形。圖la在入口 1處，兩種半固態(tài)材料沿入口l流動方向呈左右排列，復合結(jié)合面5與水平面平行。由于層流流動的原因， 復合半固態(tài)流體流過方形變截面通道并轉(zhuǎn)了 90度彎后，復合結(jié)合面5在出口2處與出口 流動方向平行，與水平面垂直。由于復合結(jié)合面5未發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此兩種半固態(tài)材料沿入 口 1流動方向依然呈左右排列。 圖lb在入口 1處，兩種半固態(tài)材料沿流動方向呈上下 排列，復合結(jié)合面5與水平面垂直。由于層流流動的原因，復合半固態(tài)流體在流過方形變 截面通道并轉(zhuǎn)了 90度彎后，復合結(jié)合面5在出口 2處與出口流動方向平行，與水平面垂 直。由于復合結(jié)合面繞彎道轉(zhuǎn)了 90度角，因此兩種材料沿入口 l流動方向呈前后排列。圖 lc在入口 6處，兩種半固態(tài)材料沿入口 6流動方向呈左右排列，復合結(jié)合面5與水平面平 行。由于層流流動的原因，復合半固態(tài)流體流過圓形變截面通道并轉(zhuǎn)了 90度彎后，復合 結(jié)合面5在出口7處與出口流動方向平行，與水平面垂直。由于復合結(jié)合面未發(fā)生轉(zhuǎn)動， 因此兩種半固態(tài)材料沿入口 6流動方向依然呈左右排列。 圖ld在入口6處，兩種半固 態(tài)材料沿入口6流動方向呈上下排列，復合結(jié)合面5與水平面垂直。由于層流流動的原因， 復合半固態(tài)流體在流過方形變截面通道并轉(zhuǎn)了 90度彎后，復合結(jié)合面5在出口 7處與出 口流動方向平行，與水平面垂直。由于復合結(jié)合面繞彎道轉(zhuǎn)了卯度角，因此兩種材料沿 入口6流動方向呈前后排列。圖中可見當復合結(jié)合面與彎道中心線所在平面平行時，經(jīng)過彎道后復合結(jié)合面角度不 改變，如圖la， c;當復合結(jié)合面與彎道中心線所在平面垂直時，經(jīng)過彎道后，復合結(jié)合 面會轉(zhuǎn)90度，如圖lb， d。本圖旨在說明兩種以上的半固態(tài)材料以并行方式一起流動時， 半固態(tài)復合流體由寬大的空間流入狹小空間或由狹小的空間流入寬大空間時保持層流狀 態(tài)，不同材料間依然呈并列分布，并列的位置關(guān)系不受流道截面形狀影響與彎道轉(zhuǎn)角的影 響。圖2圖中標號8， 9， 14， 15， 16分別代表不同的半固態(tài)材料。標號5為復合結(jié)合面。標號12為壓鑄模模具分型面，模具分型面12垂直于水平面。分圖中左側(cè)圓柱體IO，17, 19是由不同半固態(tài)材料組成的圓柱狀半固態(tài)材料組合胚錠；分圖中右側(cè)制品ll， 13，18， 20是成形后的壓鑄件，上側(cè)帶孔的長方體是鑄件本體，剩下部分由左下向右上分別是壓室中的壓余和澆道中的壓余；壓鑄過程參見圖6。 圖2a中半固態(tài)材料8和9在壓室60中沿壓室中流動方向呈上下并列分布。在壓鑄過程中，由于兩種半固態(tài)材料形成的復合半固態(tài)流體經(jīng)澆道進入模具型腔中時，復合結(jié)合面5與型腔入口流動方向平行，與模具分型面12平行，因此在壓鑄完畢后兩種材料在壓鑄件的模具分型面垂直方向保持正反面并列 分布。圖2b與圖2a差別在于當圓柱狀胚錠10繞旋轉(zhuǎn)對稱軸旋轉(zhuǎn)90度后，材料間復合 結(jié)合面5與模具分型面12的角度關(guān)系發(fā)生改變。兩種半固態(tài)材料在壓室60中沿流動方向 呈左右并列分布；復合半固態(tài)流體進入模具型腔中時，復合結(jié)合面5與型腔入口流動方向 平行，與模具分型面12垂直。因此，在壓鑄完畢后，形成以模具分型面為水平在流動方 向上呈現(xiàn)兩種材料左右并列分布在壓鑄件。圖2c中三種材料14， 15， 16在壓室中沿流 動方向呈左、中、右并列分布；復合半固態(tài)流體進入模具型腔中時，與模具分型面12垂 直。但由于模具表面摩擦阻力的影響，半固態(tài)流體中心位置流動快；靠近模具表面的流體 流動速度慢。導致中間的半固態(tài)材料15突前分布，而邊上的半固態(tài)材料14， 16則多分布 在后面，因此復合結(jié)合面5與型腔入口流動方向偏離平行關(guān)系而形成一個銳角。在壓鑄完 畢后三種材料在鑄件18上依然保持在以模具分型面為水平在流動方向上左、中、右并列 分布的狀態(tài)，但三種材料前后分布比例有所差別。圖2d中三種材料14， 15， 16在壓室 中沿流動方向呈前中后串列分布；復合半固態(tài)流體進入模具型腔中時，復合結(jié)合面5與型 腔入口流動方向垂直，與模具分型面12垂直，三種材料在壓鑄件20上依然保持在型腔中 流動方向上串列分布狀態(tài)，。但由于模具表面摩擦阻力的影響，半固態(tài)流體中心位置流動 快；靠近模具表面的流體流動速度慢。導致中間的半固態(tài)材料突前分布，而邊上的半固態(tài) 材料則分布在后面。材料間復合結(jié)合面也由平面變成向前突出的曲面。因此，在壓鑄完畢 后，三種材料在壓鑄件20上依然保持串列分布狀態(tài)，但復合結(jié)合面呈曲面。圖2說明在喂料時，制品中復合結(jié)合面的位置與方向是由壓室中半固態(tài)材料胚錠的擺 放位置和材料間結(jié)合面與模具的角度決定的。因此，在壓鑄的喂料過程中必須控制每種半 固態(tài)材料胚錠在壓室中擺放的位置與角度。圖2c、 2d說明了模具表面摩擦對半固態(tài)材料 流動以及材料在復合制品中分布位置的影響。圖3圖中標號21， 22分別代表兩種半固態(tài)材料。標號5為復合結(jié)合面。標號23為鍛壓模模具分型面，模具分型面23與水平面平行。分圖中上側(cè)圓柱體25， 27代表由兩種半固態(tài)材料上下或者左右并列分布構(gòu)成的一個圓柱形半固態(tài)材料復合胚錠；分圖中下側(cè)半固態(tài)鍛件24， 26， 28是通過上模往下運動，使模具閉合，同時向下向外擠壓半固態(tài)材料胚錠形成的輪轂狀制品，過程參見圖7。 圖3a中鍛壓過程前，由于兩種半固態(tài)材料在鍛壓模型腔中處于上下并列狀態(tài)，鍛壓過程中復合半固態(tài)流體在模具型腔中流動時，復合結(jié)合面5與水平的模具分型面23平行，也與模具型腔中流動方向平行。因此在鍛壓完畢后 兩種材料在鍛件的模具分型面上下方向依然保持并列分布，復合結(jié)合面5與水平面平行。 圖3b中在鍛壓過程前，由于兩種半固態(tài)材料在鍛壓模型腔中處于前后并列分布，復合半 固態(tài)流體在模具型腔中流動時，復合結(jié)合面5與水平的模具分型面23垂直，且過胚錠27 的旋轉(zhuǎn)對稱軸。因此在鍛壓完畢后兩種材料在鍛件的前后方向依然保持并列狀態(tài)，鍛件中 復合結(jié)合面5與水平面垂直，且過胚錠27的旋轉(zhuǎn)對稱軸。圖3c與圖3b相類似，不同之 處在于圓柱形復合胚錠27繞模具分型面的法線旋轉(zhuǎn)了 90度。因此，不同材料在鍛件28 中的分布的復合結(jié)合面也旋轉(zhuǎn)了 90度，兩種材料呈左右并列分布。
圖3說明在喂料時，制品中復合結(jié)合面的位置與方向是由鍛壓模型腔中半固態(tài)材料胚 錠的擺放位置和材料間結(jié)合面與模具的角度決定的。因此，在半固態(tài)模鍛的喂料過程，必 須控制半固態(tài)材料胚錠擺放的位置與角度。
圖4本圖說明了用半固態(tài)注射成形工藝加工復合材料制品的過程。圖4a中標號29
表示單螺桿攪拌觸變注射裝置，為了顯示攪拌裝置與半固態(tài)槳料，攪拌室與感應加熱線圈
被一過對稱軸的水平截面剖開；標號30和34分別表示兩種不同的半固態(tài)材料。標號36
表示成型模具，為了突出制品，模具36在這里被剖面切開。圖中左上角放大圖顯示了澆
道附近區(qū)域，制品被一垂直于寬度方向的平面切開。標號35表示注射成型模模具分型面，
模具分型面垂直。標號31和33分別表示模具中的橫澆道，標號32表示模具中的縱澆道，
標號37表示在模具分型面35垂直方向上正反面分別由材料30和34組成的注射成形復合
材料制品。兩臺單螺桿攪拌觸變注射裝置29相對放置。半固態(tài)材料30和34分別在兩個
單螺桿攪拌觸變注射裝置29中制備好，然后兩個注射裝置同時進行注射。兩股半固態(tài)流
體經(jīng)橫澆道31， 33在縱澆道32中匯合，形成并列流動的復合半固態(tài)流體。在半固態(tài)流體
匯合時形成的復合結(jié)合面5與橫澆道中流體流動方向垂直；進入縱澆道32以及進入鑄件
37的模具型腔時，復合流體沿流動方向并列流動；復合結(jié)合面5與型腔入口流動方向平行，
與模具分型面35平行。充型完畢后形成與模具分型面35垂直方向上正反面分別由半固態(tài)
材料30和34組成的復合材料制品37。 圖4b中標號29表示單螺桿攪拌觸變注射裝置，
兩臺單螺桿攪拌觸變注射裝置29同向平行布置。為了顯示攪拌裝置與半固態(tài)材料，攪拌
室與感應加熱線圈被一過對稱軸的水平截面剖開。標號30和34分別表示兩種不同的半固
態(tài)材料。標號42表示注射成型模模具，模具分型面41與水平面垂直，為了突出制品，模具在這里被剖面切開。標號38和43分別表示模具中的橫澆道，標號39表示模具中的縱 澆道，標號40表示以模具分型面41為水平在流動方向上左右部分分別由半固態(tài)材料30 和34組成的注射成形復合材料制品。半固態(tài)材料30和34分別在兩個單螺桿攪拌觸變注 射裝置29中制備好，然后兩個注射裝置同時進行注射。與圖4a不同的是半固態(tài)材料在縱 澆道匯合時，復合結(jié)合面5與流動方向平行，與模具分型面垂直。因此，復合材料制品40 中材料在以模具分型面41為水平在流動方向上左右分布。
圖4顯示通過預設(shè)注射成形設(shè)備與成形模具的位置關(guān)系以及調(diào)控模具澆道的流向，便 控制半固態(tài)材料橫澆道匯合的角度以及半固態(tài)材料流入縱澆道和模具型腔的初始并列位 置，從而決定了制品中復合結(jié)合面的位置與方向。
圖5描述了半固態(tài)成形加工復合材料制品的預壓設(shè)備、預壓過程與填料過程。
圖5a為半固態(tài)材料復合胚錠預壓裝置示意圖。標號45和47為保溫爐44內(nèi)左右兩側(cè) 的發(fā)熱體。圖中為了突出保溫爐內(nèi)部，爐體44在這里被剖面切開。由于左側(cè)發(fā)熱體45比 右側(cè)發(fā)熱體47多一個，因此溫度也比右側(cè)溫度高。標號48為一對預壓模具，本圖中模具 處于開啟狀態(tài)。標號46， 49， 50分別為用于預壓的三種不同半固態(tài)材料的胚料。圖5b 中預壓模具48在外力下高速閉合，把圖5a中半固態(tài)材料胚料46， 49， 50壓制成半固態(tài)材 料復合胚錠51。 圖5c中預壓模具48開啟，轉(zhuǎn)運胚錠的機械臂夾子52把預壓制成的半 固態(tài)材料復合胚錠51夾起，準備運往成形設(shè)備。圖5d圖中標號53， 54分別代表壓鑄 機動模，定模，標號12表示壓鑄模模具分型面，動模定模被剖面截開。本圖描述了預壓 后轉(zhuǎn)運胚錠的機械臂夾子52把預壓制成的半固態(tài)材料復合胚錠51按一定的角度喂入壓鑄 機壓室55的過程。復合結(jié)合面5在壓室中水平面平行，與模具分型面12垂直。圖5e 圖中標號56， 58分別代表鍛壓模上模，下模，標號23表示鍛壓模模具分型面，描述了預 壓后轉(zhuǎn)運胚錠的機械臂夾子52把預壓制成的半固態(tài)材料復合胚錠51按一定的角度喂入鍛 壓模具56， 58的型腔57內(nèi)的過程。復合結(jié)合面5與鍛壓模模具分型面23垂直，并過旋 轉(zhuǎn)對稱軸軸線。
圖6描述了半固態(tài)壓鑄過程。
圖6a是一個壓鑄機系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)由沖頭59，壓室60，活動滑塊62，澆道63，模
具型腔64，溢流槽65，動模66，定模67組成，其中模具型腔64的形狀為長寬厚分別為
200mm-100mm-20mm的中心帶圓孔的長方形制品形狀。標號12代表壓鑄模模具分型面，模具分型面與水平面垂直。標號61和標號69分別代表兩種不同半固態(tài)材料(在實例說明 1中為A356鋁合金和6061/SiC-20。/。顆粒增強鋁合金基復合材料)。標號68是半固態(tài)材料 胚料61、 69組成的圓柱狀復合胚錠。本圖描述了喂料時，系統(tǒng)各部件所位置。圖6b描 述壓鑄機充型過程。沖頭59高速把半固態(tài)材料61與69推入模具型腔中，形成具有在模 具分型面12垂直方向上正反面分別由61與69兩種材料組成的復合材料制品。圖6c描 述了壓鑄機開模取出制品的過程。圖中半固態(tài)材料61和69在壓室60中沿流動方向呈上下并列分布，此時復合結(jié)合面5 水平，與模具分型面12垂直。在壓鑄過程中，復合半固態(tài)流體流過澆道63并轉(zhuǎn)了 90度 彎進入模具型腔64中時，復合結(jié)合面5轉(zhuǎn)動卯度。進入模具型腔時復合結(jié)合面5與模具 分型面12平行，與型腔入口流動方向平行。因此在壓鑄完畢后兩種材料在壓鑄件的與模 具分型面垂直的方向保持正反并列分布。圖7描述了半固態(tài)鍛造過程。圖7a是一個模鍛設(shè)備系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)由下模71,上模76,模具型腔72組成，其中 模具型腔72的形狀是直徑為750mm的輪轂狀制品形狀。標號73和標號74分別是兩種不 同半固態(tài)材料(在實例說明2中為304不銹鋼和M2工具鋼)。標號75是半固態(tài)材料胚料 73， 74組成的復合胚錠。標號23是鍛壓模模具分型面，模具分型面與水平面平行。本圖 模鍛設(shè)備處于喂料開模階段。圖7b描述了模鍛設(shè)備鍛壓過程。上模76高速把半固態(tài)胚 料73與74壓入模具型腔72中，形成具有在模具分型23面垂直方向上正反兩側(cè)分別由73 與74兩種材料組成的復合材料制品77。 圖7c本圖描述了鍛壓設(shè)備開模取出復合材料 制品77的過程。圖中鍛壓過程前，由于兩種半固態(tài)材料73， 74在鍛壓模型腔72中處于上下并列狀態(tài)， 復合半固態(tài)流體在模具型腔中流動時，復合結(jié)合面5與水平的模具分型面23平行，與胚 錠75的旋轉(zhuǎn)對稱軸垂直。因此在鍛壓完畢后兩種材料在鍛件的模具分型面23垂直的方向 形成正反面并列分布，復合結(jié)合面5與水平面平行。圖8本圖描述了用兩臺單螺桿攪拌觸變注射裝置加工在厚度方向上內(nèi)外分別由兩種材料組成的蓋狀制品的過程。標號29代表單螺桿攪拌觸變注射裝置；標號78， 79分別代表兩種不同半固態(tài)材料；標號31和33分別表示模具中的橫澆道，標號32表示模具中的縱澆道，標號36代表注射模模具；標號80代表模具型腔；標號35代表注射成型模模具分型面；標號81表示在厚度方向上正反分別由半固態(tài)材料78和79組成的注射成形制品。 (實例3中兩種不同材料分別為A356鋁合金和AZ91鎂合金)。圖8a描述了注射成型過 程，圖8b描述了開模取出制品的過程。圖8a中兩股半固態(tài)流體78， 79經(jīng)橫澆道31、 33在縱澆道32中匯合，形成并列流動 的復合半固態(tài)流體。在半固態(tài)流體匯合時形成的復合結(jié)合面與橫澆道中流體流動方向垂 直；進入縱澆道32后，復合流體沿流動方向并列流動，復合結(jié)合面與型腔入口流動方向 平行，與模具分型面35平行。充型完畢后形成與模具分型面35垂直方向上正反面分別由 半固態(tài)材料78和79組成的復合材料制品81。
具體實施方式
結(jié)合

如下一、 材料的選擇為了在半固態(tài)成形過程中形成復合材料，本方法需選用兩種以上半固態(tài)材料，通過壓 力成形過程形成具有復合組織特征的制品。選用材料應該遵循以下原則1. 選用可用于半固態(tài)成形的材料。通過一定方法加工后，被選材料在處于固液相線之間 的溫度時，可達到非枝晶的顆粒狀固相均勻分布在液相中形成固液共存的復合狀態(tài)。當材料中固相體積比例為25%~85%時，這種固液共存的材料在高剪切應變速率下變形時表觀粘度低，流動性好，可用于壓鑄，模鍛，注射成形等壓力成形過程。例如，A356鋁硅合金,A390鋁硅合金，AZ31鎂合金，304不銹鋼，M2工具鋼，高鉻鑄鐵， 顆粒增強金屬基復合材料等。2. 選用兩種以上材料，材料的性能應該具有互補性。例如A356與鋁基SiC顆粒增強復 合材料，其中一個韌性好，經(jīng)濟性好； 一個耐磨性好，綜合力學性能好。兩者復合， A356鋁合金綜合性能好，成本低；6061/SiC-20。/。鋁基顆粒增強復合材料耐磨，彈性 模量高，但成本很高。又如304不銹鋼與M2工具鋼復合，M2可增加磨損部分的耐 磨性；304不銹鋼可增加非耐磨部分的韌性。3. 材料間的半固態(tài)狀態(tài)所處溫度相差不能太大。在半固態(tài)成形后，不能出現(xiàn)一種材料的 熱量使另一種材料完全熔化，導致成形失敗。二、 半固態(tài)材料的制備半固態(tài)材料加工方法按照初晶組織細化過程可分為三種。第一種是攪拌凝固促進初晶 相演變成非枝晶狀細小顆粒。攪拌包括機械攪拌、電磁攪拌、超聲波震動、強制液體產(chǎn)生 紊流等方法。當半固態(tài)材料形成后，可未經(jīng)凝固直接進行流變成形，也可凝固成鑄錠后二 次加熱、熟化后進行觸變成形。代表性的方法有美國專利3,948,650和美國專利4,229,210。第二種是通過促進形核，使初晶組織演化成細小等軸的枝晶，然后通過熟化過程使枝 晶演化成非枝晶狀顆粒。促進形核的方法有深過冷凝固，添加晶粒細化劑，快速凝固，通 過多階段凝固增加晶核。代表性的方法有噴射鑄造(Spraycast)形成固態(tài)顆粒結(jié)合觸變成 形或者螺桿觸變注射成形，新流變成形。代表性的文獻有；美國專利4,681,787;美國專利 5,040,589;美國專利6,165,411;禾卩Materials Science and Engineering A 367(2004)261-271。第三種是通過塑性變形，使材料呈現(xiàn)加工狀組織。由于加工狀組織晶粒細小，儲能高， 經(jīng)加熱、熟化后，可得到具有細小的顆粒狀固體的半固態(tài)材料。代表性的方法是應力誘發(fā) 熔體激活觸變成形，如美國專利4,415374。如上文所述，按照半固態(tài)材料的工藝過程，可分為流變成形半固態(tài)材料和觸變成形半 固態(tài)材料。區(qū)別在于流變成形是由液態(tài)凝固而成的半固態(tài)材料直接加工成形，而觸變成形 是由固態(tài)胚錠二次加熱、熟化后形成的半固態(tài)材料加工成形。應該強調(diào)的是各種半固態(tài)材料必須同時達到可進行半固態(tài)壓力加工的狀態(tài)，以便各種 半固態(tài)材料同時進行半固態(tài)壓力成形。由于每種材料的最佳半固態(tài)成形溫度不同，因此， 應該分別把半固態(tài)材料加熱到其最佳半固態(tài)成形溫度，然后再實施半固態(tài)成形加工。 三、半固態(tài)材料填充模具過程及流動特征半固態(tài)材料相對于液體材料具有很高的表觀粘度，在高速剪切變形下能保持層流的流 動特征。兩種以上的半固態(tài)材料以并行方式或串行方式一起流動時，當流體由寬大的空間 流入狹小空間或由狹小的空間流入寬大空間時，由于流體呈層流狀態(tài)，不同材料間依然保 持并列分布或串列分布(參見圖l)，不會產(chǎn)生材料間纏繞。因此，本發(fā)明把若干種半固態(tài)材料同時用壓力注入同一模具型腔，通過控制各種半固態(tài)材料在加工前的初始位置、所占體積比例，控制材料流入模具澆道或型腔時復合結(jié)合面與澆道或模具型腔的位置與角度關(guān)系，實現(xiàn)控制不同半固態(tài)材料在填充完型腔后所在位置，達到控制材料在復合材料制品中位置分布于體積比例的效果。把兩種以上半固態(tài)材料同時用壓力注入同一模具型腔的方法包括半固態(tài)壓鑄，如圖2;半固態(tài)模鍛，如圖3;半固態(tài)注射過程，如圖4;等。
半固態(tài)材料流動過程與模具間存在很大的摩擦阻力。半固態(tài)流體在澆道、型腔中流動 時，流體中心流動快，與模具接觸的表面流動慢。在串列的半固態(tài)材料復合胚錠壓鑄充型 過程中，平直的材料間復合結(jié)合面的中心會突出，形成弧面，如圖2d所示。對于多層半 固態(tài)材料復合，位于中間的半固態(tài)材料由于受到的阻力小，在制品中相應會突前，如圖2c 所示。因此，在控制材料在制品中分布位置時，要通過帶中心凹槽的沖頭形狀促使模具表 面上的半固態(tài)材料加速流動，使不均勻流動現(xiàn)象弱化。
對于不同的半固態(tài)材料在流動時常具有不同的表觀粘度。表觀粘度高的半固態(tài)材料流 動慢，與模具間摩擦大；表觀粘度低的半固態(tài)材料流動快，與模具間摩擦小。兩種表觀粘 度不同的半固態(tài)材料一起流動時，表觀粘度低的半固態(tài)材料會在流體流動前部分布多些，
而在流動后部分布少些。在這種情況下，圖2a， b，圖3a， b， c及圖4a， b中的復合結(jié)合 面會偏離對稱面，向材料表觀粘度大的一方偏轉(zhuǎn)。因此，要通過模具型腔設(shè)計，擴大表觀 粘度高的半固態(tài)材料流動通路的截面面積，促使表觀粘度高的半固態(tài)材料加快流動，使整 個制品充型均勻。 四、預壓過程
半固態(tài)壓鑄過程中，對于簡單復合，如兩個鑄錠簡單串列或并列，或者半固態(tài)材料胚 錠的形狀適合，如圖2a， 2b所示，半固態(tài)材料胚錠直接按一定位置排列放入壓鑄機壓室中 進行壓鑄。壓室中沖頭把幾種半固態(tài)材料胚錠向前推，使半固態(tài)材料在沖頭與壓室內(nèi)壁組 成的封閉容腔中受壓復合。半固態(tài)模鍛過程中，鍛造裝置不存在澆道，半固態(tài)胚錠可簡單 串列或并列放置，通過模鍛設(shè)備型腔的產(chǎn)生的壓力，使材料間形成復合。
然而，對于復合所需材料種數(shù)多，復合材料所處位置不規(guī)則，不能簡單通過壓鑄機或 模鍛機構(gòu)擠壓完成半固態(tài)材料在成形前定位的，則可以在胚錠放入半固態(tài)成形設(shè)備前，對 半固態(tài)材料胚錠進行預壓，形成便與機械臂夾持的半固態(tài)材料復合胚錠，然后再把半固態(tài) 材料復合胚錠放入壓力成形設(shè)備中。因此，預壓過程是一個使不同半固態(tài)材料在復合胚錠 上定位的過程。通過控制每種材料在半固態(tài)材料復合胚錠上的體積比例、位置，經(jīng)過流動 成形過程將材料分布到制品中預定的位置，實現(xiàn)復合的目的與要求。具體過程參見圖5。
半固態(tài)材料預壓復合裝置應具有以下結(jié)構(gòu)與功能1、預壓后半固態(tài)材料復合胚錠的
尺寸與壓鑄機壓室、模鍛機型腔的尺寸相符。2、因為不同半固態(tài)材料理想加工溫度是不同的，因此復合前的溫度也不同。為了防止半固態(tài)材料溫度在預壓過程中變化，可對預壓 前的半固態(tài)材料胚錠采取適當?shù)谋卮胧?、預壓過程剪切速率要高，使材料表觀粘度 降低，便于預壓成形。4、應盡量縮短預壓后復合胚錠喂入成形裝置過程的時間，以保證 半固態(tài)材料在預壓后溫度不發(fā)生明顯變化。
示意圖5中描述了簡單的預壓設(shè)備。包括保溫設(shè)備44，預壓模48，和半固態(tài)材料復 合胚錠轉(zhuǎn)運機械臂夾持設(shè)備52。為了使不同半固態(tài)材料胚錠46， 49， 50能從容堆放，本 發(fā)明采用保溫設(shè)備對材料進行保溫。保溫設(shè)備44中，溫度場具有一定梯度，高溫端略高 于成形溫度高的半固態(tài)材料的成形溫度，低溫端略低于成形溫度低的半固態(tài)材料的成形溫 度。具有較高成形溫度的半固態(tài)材料胚錠放在高溫側(cè)，具有較低成形溫度的半固態(tài)材料胚 錠放在低溫側(cè)。這樣可使半固態(tài)材料保持最佳成形溫度，使預壓過程具有較長的準備時間 和操作時間。
預壓裝置是由一組開合模48組成。閉合時模具內(nèi)腔成圓柱形，開合時模具沿圓心的 發(fā)散線移動的。打開模具48把半固態(tài)材料胚錠46, 49， 50堆放好，然后迅速閉合模具48， 高速剪切使半固態(tài)材料變形，半固態(tài)材料胚錠46， 49, 50在壓力作用下形成為一個圓柱 體。圓柱上表面會出現(xiàn)的褶皺，通常不會影響壓力成形過程。在壓鑄過程中，還可通過把 褶皺所在面對著沖頭填料來消除。預壓形成半固態(tài)材料復合胚錠51后開模。用機械臂52 把復合胚錠51按角度夾入壓鑄機壓室55，或模鍛型腔57中。由于半固態(tài)材料的加工溫度 不同，預壓過程必須在較短的時間內(nèi)完成，以防止不同材料之間相互熱傳導，導致加工溫 度低的材料溫度增高，而溫度高的材料溫度降低。必要時，可讓最佳加工溫度低的半固態(tài) 材料加熱溫度偏低一些，而讓最佳加工溫度高的半固態(tài)材料加熱溫度偏高一些。形成復合 胚錠51時通過熱量傳導，使每種材料恰好達到最佳加工溫度。
對于材料分布要求很高的半固態(tài)材料復合胚錠，可把材料在固態(tài)或者半固態(tài)時切削成 半圓柱，分別加熱，然后在半固態(tài)狀態(tài)下進行預壓復合。對于材料分布要求不高的半固態(tài) 材料復合胚錠，可把圓柱狀材料直接加工到半固態(tài)狀態(tài)，熟化，然后在半固態(tài)狀態(tài)下把幾 個圓柱狀半固態(tài)材料胚錠直接預壓成一個半固態(tài)材料復合胚錠。
五、 半固態(tài)成形工藝
常用的半固態(tài)成形工藝設(shè)備有各種壓鑄機，各種模鍛設(shè)備，各種注射設(shè)備，等等。
六、 復合材料間復合結(jié)合面的特征由于半固態(tài)材料的液體間可以相互融合，但融合過程又被均勻分布得固體顆粒限制在 復合結(jié)合面下很淺的一層，因此不同材料可以保持獨立，并且具有很好地復合界面。
原始的半固態(tài)胚錠表面存在氧化物，但是半固態(tài)胚錠的比表面積比較小。在預壓過程 中帶入的氧化物很少。這些氧化物分布在材料間復合結(jié)合面上。半固態(tài)成形過程中，材料 復合結(jié)合面會在剪切過程中被拉長，拉寬。復合結(jié)合面上的氧化物會被破碎成顆粒狀，彌 散在復合結(jié)合面上，對復合界面的力學性能影響不大。
如果通過使用保護性氣體減少氧化；合理設(shè)計溢流槽的數(shù)量和分布，使部分含氧化物 的界面材料通過溢流槽溢出基體，氧化物的影響將更小。
七、 材料凝固成形過程
當兩種半固態(tài)材料接觸時，兩者間的溫度是不同的。但是，半固態(tài)成形時間很短，各 種半固態(tài)材料溫度差別不是很大。因此，材料間傳熱基本可忽略不計。留模階段，由于模 具吸收了大量的熱，兩種半固態(tài)材料接觸面附近存在熱傳導不會導致低溫半固態(tài)材料大比 例熔化，不會對材料的復合過程產(chǎn)生不利影響。
八、 成形工藝
半固態(tài)材料制備方法有流變成形、觸變成形、半固態(tài)材料注射成形三類。加工方式有 壓鑄，模鍛，注射成形。為了實現(xiàn)用半固態(tài)成形工藝制備復合材料制品可以采用以下三種 流程
流程一
第一步選定材料，制備半固態(tài)材料胚錠。半固態(tài)材料胚錠應該同時具備可流變成形 狀態(tài)或可觸變成形狀態(tài)。
第二步把兩種以上半固態(tài)材料胚錠按照一定的排列方式放入壓鑄機壓室中。如果難 以直接把半固態(tài)材料按一定的排列方式放入壓室的情形，可采用預壓制備半固態(tài)材料復合 胚錠，再按一定角度把復合胚錠放入壓室中。
第三步通過用壓鑄機沖頭半固態(tài)材料組成的復合胚錠壓鑄成形。
第四步待制品完全凝固后，取出制品。
流程二
第一步制備半固態(tài)材料形胚錠。具體步驟與流程一中方法相同。
第二步把兩種以上半固態(tài)材料胚錠按照一定的排列方式放入模鍛設(shè)備模具中。如果難以直接把半固態(tài)材料按一定的排列方式放入模鍛設(shè)備模具型腔的情形，可采用預壓制備 半固態(tài)材料復合胚錠，再按一定角度把復合胚錠放入模鍛設(shè)備模具中。第三步模鍛設(shè)備把半固態(tài)材料復合胚錠鍛壓成形。第四步待制品完全凝固后，取出制品。流程三第一步用半固態(tài)注射設(shè)備同時制備半固態(tài)漿料。第二步半固態(tài)注射設(shè)備同時注射半固態(tài)漿料，漿料在澆道中匯合，形成并列流動的 復合半固態(tài)流體。第三步復合半固態(tài)流體被注射到型腔中，充滿型腔。 第四步待制品完全凝固后，從模具中取出制品。以上三種流程中的共同點是兩種以上半固態(tài)材料被同時壓力注入同一模具型腔中并 最終填充型腔成形，半固態(tài)材料在壓力作用下形成復合狀態(tài)。不同在于材料形成復合狀態(tài) 的時間。對于半固態(tài)壓鑄過程，半固態(tài)材料復合過程可以在半固態(tài)材料胚錠制備過程中完 成，也可以是半固態(tài)材料在壓室中通過沖頭與壓室腔形成的壓力下完成；對于半固態(tài)鍛造 過程，半固態(tài)材料復合過程可以在半固態(tài)材料胚錠制備過程中完成，也可以是半固態(tài)材料 在鍛模型腔閉合形成的壓力下完成；對于半固態(tài)注射成型過程，半固態(tài)材料復合過程則是 在半固態(tài)流體匯合的澆道中完成。 實施例1觸變壓力鑄造成形技術(shù)(Thixo-diecasting)加工長寬厚分別為200-100-20的長方形制 品，制品中間有個圓形孔，沿與模具分型面垂直的方向上正反面分別由A356鋁合金與 6061/SiC-20M鋁基顆粒增強復合材料構(gòu)成(如圖2， 6所示)。A356鋁合金綜合性能好，成 本低；6061/SiC-20e/。鋁基顆粒增強復合材料耐磨，彈性模量高，但成本很高。步驟一選定材料。A356鋁合金與6061/SiC-20。/。鋁基顆粒增強復合材料都是適合于 半固態(tài)成形的材料。A356鋁合金的最佳半固態(tài)成形溫度是575-590攝氏度，而 6061/SiC-20y。鋁基顆粒增強復合材料的最佳半固態(tài)成形溫度為640-655攝氏度。步驟二制備半固態(tài)材料。通過用電磁攪拌半連續(xù)鑄造制備A356鋁合金的鑄錠。鑄 錠直徑為76mm。由于凝固過程中有強烈的攪拌，A356鋁合金鑄錠中的初晶組織為細小等軸的樹枝晶。通過用噴射成形(Spray casting)加工6061/SiC-20。/。鋁基顆粒增強復合材料鑄錠。鑄錠直徑為76mm。由于SiC分散注入液體顆粒中，同時合金快速凝固，因此材料 具有細小的鋁合金初晶組織和均勻分布的SiC顆粒。步驟三從A356鑄錠中切下150mm長的胚料，把胚料劈成兩個半圓柱狀胚錠，并用 感應加熱把胚錠61加熱到575攝氏度并熟化；從6061/SiC-20y。鋁基顆粒增強復合材料鑄 錠切下150mm長的胚料，把胚料劈成兩個半圓柱狀胚錠，并用感應加熱把胚錠69加熱到 655攝氏度并熟化。兩個加熱過程同時進行。步驟四由于兩個半圓柱的半固態(tài)胚錠可以合成一個圓柱68，因此在加熱完成后直接 把兩個半圓柱的半固態(tài)胚錠放入800噸級壓鑄機壓室內(nèi)。以圖6中所示的壓鑄機的壓鑄系 統(tǒng)為例為了確保制品中兩種材料在厚度方向上正反兩面有不同的材料組成，兩種半固態(tài) 材料胚錠61， 69按上下放入壓室60中。由于A356鋁合金半固態(tài)胚錠的溫度比從 6061/SiC-20。/。鋁基顆粒增強復合材料半固態(tài)胚錠的溫度低。因此在兩種半固態(tài)胚錠在一起 時，A356半固態(tài)材料胚錠會升溫，而從6061/SiC-20。/。鋁基顆粒增強復合材料半固態(tài)胚錠 會降溫。由于加熱時A356鋁合金半固態(tài)材料胚錠溫度取最佳加工溫度下限而6061/SiC -20%鋁基顆粒增強復合材料半固態(tài)胚錠溫度取最佳加工溫度上限，通過熱交換后，兩種材 料都接近最佳加工溫度。步驟五用壓鑄機沖頭59以200mm/s到3000mm/s的速度，把兩種半固態(tài)材料61 ， 69同時壓入模具型腔64成形。兩種半固態(tài)材料在沖頭壓力作用下會在壓室60中結(jié)合在一 起，并形成具有復合結(jié)合面5的半固態(tài)材料復合流體。在沖頭59的繼續(xù)擠壓下，復合半 固態(tài)流體并行通過澆道63進入型腔64，并完全填滿型腔65。半固態(tài)材料61和69在壓室 60中沿流動方向呈上下并列分布，此時復合結(jié)合面水平。在壓鑄過程中，復合半固態(tài)流體 流過澆道63并轉(zhuǎn)了90度彎進入模具型腔64中時，復合結(jié)合面5也轉(zhuǎn)了90度，與壓鑄模 模具分型面12平行，與型腔入口流動方向平行。因此在壓禱完畢后兩種材料在壓鑄件的 與模具分型面12垂直的方向上保持正反并列分布。步驟六待制品69完全凝固后，取出制品。切去壓余。得到厚度方向正反面分別 由A356鋁合金與6061/SiC-20y。鋁基顆粒增強復合材料組成的復合材料制品。實施例2觸變鍛造成形技術(shù)(Thixo-forging)加工輪轂狀制品。制品直徑為750mm，形狀如圖3所示。沿與模具分型面垂直方向正反面分別由美國牌號M2工具鋼和日本牌號304不銹鋼構(gòu)成(如圖7所示)。M2工具鋼高硬度，高強度，但塑性差，不耐蝕，成本高；304不 銹鋼塑性好，耐蝕，但強度低。步驟一選定材料。M2工具鋼和304不銹鋼都是適合于半固態(tài)成形的材料。M2工 具鋼的最佳半固態(tài)成形溫度是1330-1375攝氏度，而304不銹鋼的最佳半固態(tài)成形溫度為 1395-1420攝氏度。步驟二制備半固態(tài)材料胚錠。通過用電磁攪拌半連續(xù)鑄造分別制備M2工具鋼和304 不銹鋼的鑄錠。鑄錠直徑均為220mm。由于凝固過程中有強烈的攪拌，鑄錠中的初晶組織 為細小等軸的樹枝晶。步驟三從M2工具鋼鑄錠中切下300mm長的胚錠，并用感應加熱把胚錠73加熱到 1340攝氏度并熟化；從304不銹鋼鑄錠切下300mm長的胚錠，并用感應加熱把胚錠74加 熱到1420攝氏度并熟化。兩個加熱與熟化過程同時進行。步驟四在加熱完成后直接把兩個圓柱形半固態(tài)胚錠73， 74上下位置依次放入鍛模 型腔72內(nèi)。根據(jù)制品的需要兩種半固態(tài)材料的結(jié)合面與模具分型面平行。由于304不銹 鋼半固態(tài)材料胚錠74的溫度比M2工具鋼半固態(tài)胚錠73的溫度低。因此在兩種半固態(tài)胚 錠在一起時，304不銹鋼半固態(tài)材料胚錠74會升溫，而M2工具鋼半固態(tài)胚錠73會降溫。 由于加熱時304不銹鋼半固態(tài)材料胚錠溫度取最佳加工溫度下限而M12工具鋼半固態(tài)胚錠 溫度取最佳加工溫度上限，通過熱交換后，兩種材料都接近最佳加工溫度。步驟五上模以20mm/s到3000mm/s的速度壓下，把兩種半固態(tài)材料胚錠73， 74 鍛壓復合成形。兩種半固態(tài)材料在鍛模76閉合時的壓力作用下會在鍛模型腔中復合在一 起，并完全填滿型腔72。由于鍛壓過程前，由于兩種半固態(tài)材料73， 74在鍛壓模型腔72 中處于上下并列狀態(tài)，復合半固態(tài)流體在模具型腔中流動時，復合結(jié)合面5與水平的模具 分型面23平行，復合結(jié)合面5與型腔旋轉(zhuǎn)對稱軸垂直。因此在鍛壓完畢后兩種材料在與 模具分型面23垂直的方向上正反面依然保持并列分布。步驟六待制品77完全凝固后，取出制品。切去飛邊。得到正反面分別由M2工具 鋼和304不銹鋼構(gòu)成的輪轂狀制品。實施例3半固態(tài)注射成形技術(shù)加工蓋狀復合材料制品。蓋狀復合材料制品內(nèi)外面分別由AZ91鎂合金和A356鋁合金構(gòu)成(如圖4a和圖8所示)。AZ91鎂合金質(zhì)量很輕，但耐腐蝕性不好；A356鋁合金耐腐蝕性好，可用在容器表面。本例采用的是單螺桿觸變成形注射機(Dowthixomoulder) 29。由于蓋狀制品內(nèi)外面不 同，因此兩臺單螺桿觸變成形注射機按注射口相對放置，兩個橫澆道31， 33在縱澆道32 中匯合，縱澆道32與模具型腔80向上，注射成型模分型面35與水平面垂直。如圖4a和 圖8a， b所示。步驟一選定材料。AZ91鎂合金和A356鋁合金都是適合于半固態(tài)成形的材料。AZ91 鎂合金的最佳半固態(tài)注射成形溫度是530-550攝氏度，而A356鋁合金的最佳半固態(tài)注射 成形溫度為585-595攝氏度步驟二用半固態(tài)材料注射設(shè)備同時制備A356鋁合金半固態(tài)漿料78和AZ91鎂合金 半固態(tài)漿料79。 AZ91鎂合金在540攝氏度下制備，A356鋁合金在590攝氏度制備。步驟三兩臺注射設(shè)備29同時注射半固態(tài)漿料78， 79，漿料經(jīng)橫澆道31， 33在縱澆 道32中匯合。在壓力作用下，兩種半固態(tài)材料間形成復合結(jié)合面5，同時以并列的復合半 固態(tài)流體形式流入縱澆道并流入模具型腔80。在復合半固態(tài)流體進入注射成型模型腔中 時，復合結(jié)合面5與流動方向平行，與模具分型面35平行。充型完畢后形成在與模具分 型面垂直的方向上正反面分別由半固態(tài)材料78和79組成的復合材料制品81。步驟四復合半固態(tài)流體被注射到型腔中，充滿型腔80。步驟五待制品81完全凝固后，從模具36中取出制品。
權(quán)利要求
1、一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方法，其特征在于，通過調(diào)控所選用的兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、體積比例，控制不同半固態(tài)材料之間的復合結(jié)合面與流動方向的角度以及在進入模具型腔時與模具分型面形成的角度，實現(xiàn)不同的半固態(tài)材料在填充完模具型腔后位置設(shè)置，最終達到不同材料在制成的復合材料制品中不同的位置分布；把所選用的各種不同半固態(tài)材料一同壓入同一模具型腔，通過壓鑄或鍛壓或注射成形，凝固后制得復合材料制品；所述的半固態(tài)材料是指材料處于固液相線之間的溫度狀態(tài)，具備顆粒狀固相均勻分布在液相中形成固液共存的復合狀態(tài)，材料中固相體積占整個材料中的體積比例為25％～85％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方 法，其特征在于，所述的調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位 置、體積比例，是通過以下步驟實現(xiàn)的將所述的兩種或兩種以上的不同材料調(diào)至各自所需的體積，并同時制備成半固態(tài)材料 錠胚；再將不同半固態(tài)材料的胚錠按所需確定的位置放入壓鑄機的壓室中排好；或者是先 把不同的半固態(tài)材料錠胚按所需位置分布預壓成形后，再按不同的半固態(tài)材料在預壓時形 成的復合結(jié)合面所需角度把預壓胚錠放入壓鑄機的壓室中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方 法，其特征在于，所述的調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位 置、體積比例，是通過以下步驟實現(xiàn)的將所述的兩種或兩種以上的不同材料調(diào)至各自所需的體積，并同時制備成半固態(tài)材料 錠胚；再將不同半固態(tài)材料的胚錠按所需確定的位置放入鍛壓設(shè)備模具型腔中排好；或者 是先把不同的半固態(tài)材料錠胚按所需位置分布預壓成形后，再按不同的半固態(tài)材料在預壓 時形成的復合結(jié)合面所需角度把預壓胚錠放入鍛壓設(shè)備模具型腔中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成 形方法，其特征在于，所述的預壓是將不同的半固態(tài)材料制成的胚料，放入處于打開的預 壓模中，再將預壓模高速閉合預壓；預壓模處于具有梯度溫度場的保溫裝置中；預壓模內(nèi) 腔為圓柱形，模外殼沿內(nèi)腔圓心發(fā)散線開啟。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方 法，其特征在于，調(diào)控所選用兩種或兩種以上的不同半固態(tài)材料在成形前的初始位置、-體 積比例，是通過以下步驟實現(xiàn)的通過預設(shè)兩臺以上半固態(tài)注射成形設(shè)備并調(diào)控其與成形模具的位置，以及調(diào)控成形模 具中澆道的流向，即調(diào)控注射成形前的各不同半固態(tài)槳料位置；將在各自的半固態(tài)注射成 形設(shè)備中同時制成的不同半固態(tài)漿料一同注射模具，使?jié){料在澆道中以一定角度匯合，形 成并列的半固態(tài)復合流體并填充模具型腔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的材料成形方 法，其特征在于，把所選用的各種不同半固態(tài)材料一同壓入同一模具型腔，是通過以下步 驟實現(xiàn)的通過壓鑄機或者模鍛設(shè)備或者半固態(tài)注射成形設(shè)備施加壓力，在壓力推動下各種不同 半固態(tài)材料被一同壓入同一模具型腔，不同半固態(tài)材料共同流動，形成具有層流流動特征 的復合半固態(tài)流體，高速剪切流動充入模具型腔中完成充型過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及用半固態(tài)成形技術(shù)制備復合材料制品的方法，屬于材料加工領(lǐng)域。由于不同半固態(tài)材料間的液體在壓力作用下可相互融合，但融合過程又被均勻分布的固體顆粒限制在復合結(jié)合面下很淺的一層，因此半固態(tài)成形時不同材料可以保持獨立，并且形成很好的復合界面。由于半固態(tài)材料在高速剪切流動時具有層流特征，不同半固態(tài)材料在充型過程中及充型完畢仍然能保持充型前所處的相對位置，即使狹窄的、具有彎道的澆道也不會使不同半固態(tài)材料絞在一起。因此，通過用半固態(tài)成形的方法把兩種以上半固態(tài)材料同時壓力填充入模具型腔中，實現(xiàn)不同材料的復合。成形后制品具有加工形狀復雜、功能部位具有相應功能要求的材料、復合組織與性能的良好的特征。
文檔編號B22D17/30GK101406941SQ20081014370
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者昭 楊 申請人:中南大學