一种连续挤压单质混合粉末制备合金半固态触变坯料的方法

本发明涉及一种连续挤压单质混合粉末制备合金半固态触变坯料的方法，特别是一种高效、连续的制备合金半固态坯料，同时降低合金半固态触变成形温度的方法，属于材料加工技术领域。

背景技术：

半固态成形技术，简称ssm，于20世纪70年代初由美国麻省理工学院的m.c.flemings教授首创以来，得到广泛的关注和深入的研究。半固态成形技术与传统铸造相比，其液相中含有一定体积分数的固相，结晶潜热小，凝固收缩小。所以其成形的零件组织致密，力学性能高，尺寸精度高能实现近终成形，对模具热冲击小，可以提高模具使用寿命。与传统锻造相比，其含有一定量的液相，变形抗力小，成形力低，可降低成形对设备及模具的要求，所以可成形复杂零件。正是由于半固态成形具有以上一系列优点，其研究和应用引起了世界的广泛关注和高度重视。

工程应用合金如铝、铜、镍、铁、钛基合金复杂构件的近净成形技术主要围绕精密铸造开展，特别是其薄壁零件加工设备复杂、昂贵，模具材料特殊且加工成本高，工艺参数控制严格，成品率低，导致成本较高；而其锻件的加工难以一次成形复杂结构，需要进行车、铣等多道工序的加工，流程长且成本依然较高；半固态触变成形能够一次获得复杂结构零件，且性能接近锻件，但合金的半固态触变成形温度多接近合金液相线，变形温度高，高温保温难度大，对模具热冲击大，需要特殊材质模具等要求。甚至部分合金无固液区间，无法进行半固态加工。因此，无论从工模具材料高温性能要求和操作可行性，均限制了合金的半固态触变成形技术的推广和发展；因此需要提出一种高效、连续的制备合金半固态坯料以及能够降低合金触变成形温度的方法，缩短合金半固态制坯流程，降低半固态触变成形工艺窗口，减少工模具材料成本，并提高模具使用寿命。同时，要保证较短和易于操作的工艺流程。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效、连续的合金半固态制坯技术，并能够降低合金（铝锌合金、铜铝合金、钛铝合金等）半固态触变成形温度的方法，本发明的技术方案为：

一种连续挤压单质混合粉末制备合金半固态触变坯料的方法，具体包括以下步骤：

（1）将两种或以上高熔点和低熔点的单质混合粉末在混粉机中混合均匀，输送进入连续挤压轮凹槽内，在轧辊旋转运动中，将混合粉末带入挤压凹模靴槽；随后在摩擦力的作用下，凹模内粉末发生破碎、摩擦、挤压与焊合，通过凹模后，形成块体材料（如棒状、杆状），

（2）将截取的块状材料在加热炉中进行二次重熔，加热至低熔点的金属熔化，高熔点金属再结晶，形成高熔点等轴晶作为骨架，晶粒间分布着熔化液相的半固态坯料；其中，所述高熔点和低熔点的单质应满足高熔点金属的再结晶温≤低熔点金属熔点（例如铝粉与锌粉的混合粉末，纯铝再结晶温度约为350℃，锌熔点约为420℃；铜粉与铝粉的混合粉末，纯铜的再结晶约为450℃，铝熔点约为660℃）。

优选的，本发明所述单质混合混合粉末中：以高熔点金属粉末为基材，低熔点金属粉末为次主金属，高熔点金属粉末的质量百分比为80-95%，低熔点金属粉末的质量百分比为5-20%。

优选的，本发明所述二次重熔的条件为：（1）达到低熔点金属粉末融化点，并保温10-30分钟，确保半固态坯料中至少存在体积分数5%以上的液相；（2）高熔点金属粉末焊合基体在再结晶温度以上发生再结晶转变，确保高温固相再结晶变为等轴晶。

优选的，本发明所述步骤（1）中金属粉末在混粉机中混合过程在30分钟以上，挤压辊转速为4-7rpm。

优选的，本发明所述二次重熔的条件为：（1）达到低熔点金属粉末融化点，确保半固态坯料中至少存在体积分数5%以上的液相；（2）高熔点金属粉末焊合基体在再结晶温度以上发生再结晶转变，确保高温固相再结晶变为等轴晶。

优选的，本发明所述金属粉末在混粉机中混合过程至少30分钟以上，保证不同质金属粉均匀混合，挤压辊转速控制在4-7rpm；较低的转速目的是控制混合金属粉末在模腔内经历旋转、破碎、焊合几个过程，实现高温金属粉末互相焊合成为块状材料，其中低温熔点粉末与高温粉末界面焊合反应，高温金属原子由界面至低温金属粉末内部浓度呈梯度分布。

本发明所述的连续挤压道次可以进行单次或多次进行，目的是为成形块料累计不同能量的畸变能，由于高温金属、低温金属的变形能力错配，两者之间累计的畸变能亦存在差异，因此可通过改变形变道次调控高、低温金属的再结晶和熔化温度点。

本发明所述混合的单质金属粉末经过大塑性变形，粉末颗粒之间产生冶金结合；异种颗粒固溶程度有限，除冶金结合的界面外，粉末颗粒其余仍未单质金属。

本发明的优点和技术效果：

（1）本发明通过将粉末连续挤压和应变诱发熔化激活法结合起来，既有粉末冶金成分灵活调控，又能直接进行粉末成形和大塑性变形，较传统半固态坯料制备过程中的所需要的熔铸-冷却-加热-锻造-坯料工序更短、耗能更低，降低了合金半固态坯料的生产成本与周期。

（2）本发明通过对高、低熔点金属混合粉末搭配连续挤压，高温金属凭借连续挤压大塑性变形积累的畸变能，在重熔过程中进行再结晶，低温金属熔化形成液相触变剂，获得了高质量的合金半固态触变坯料，降低了合金半固态触变成形温度，降低了重熔过程所需的能耗，削弱了高温下合金半固态坯料成形过程中对模具的热冲击，降低了模具用料要求，提高了模具寿命，促进了合金半固态触变成形的可行性。

附图说明

图1为本发明所述方法的工艺流程示意图；

图2为本发明所述混合粉末挤压-焊合演变示意图；

图3为连续挤压合金半固态坯料重熔过程微观组织演变示意图；

图4为al-8wt%zn合金半固态坯料微观组织图；

图5为连续挤压al-8wt%zn合金微观组织及其差热分析图谱。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

本发明实施例所述方法包括两种及以上单质粉末混合均匀，通过漏斗输送至连续挤压机辊槽中，随着挤压辊的转动，混合粉末进入并堆积在挤压靴前，堆积粉末在挤压辊的摩擦力作用下通过模具成形为棒、杆状坯料；根据目标零件等体积下料，将坯料加热至一定温度、并保温，即获得高温合金半固态坯料，后续对其进行挤压或压铸工序成形目标零件。

实施例1

本实验制得的半固态坯料为铜铝半固态坯料（cu-10wt%al），所用的二元合金粉末分别为纯度为99.7%的铝粉（粒度为200目）、纯度为99.8%的铜粉（粒度为200目）

（1）将铜粉和铝粉以9：1的质量比在v型粉末混合机上充分混合，混合时间为30分钟。

（2）对conform连续挤压机的模具进行预热，预热温度为400℃，保温时间为30分钟。

（3）将混合粉末倒入conform粉末连续挤压机的挤压轮槽，挤压轮转速为4rpm，混合粉末在不断的送料至模具型腔堆积，挤压轮继续转动，在摩擦力的作用下，粉末破碎、焊合，由模具口成形棒料。

（4）将棒料切断，取适当体积的棒料放入坩埚，并将坩埚放入电阻炉，加热温度为660℃，保温时间为15分钟。

根据铜铝相图，其该成分下的二元合金无明显固液区间，无法进行半固态近净成形；通过上述方法成功制备了铜铝合金半固态触变坯料，和常规铸造方法相比，实现了铜铝合金的半固态成型的可能性，半固态触变成形温度为660℃。

图3是连续挤压合金半固态坯料重熔过程微观组织演变示意图，由图可以看出经过大塑性变形的粉末发生再结晶，转变为等轴晶，而低温金属粉末熔化为液相，作为触变剂分布在等轴晶粒骨架间隙。

实施例2

本实验制得的半固态坯料为钛铝半固态坯料（al-8wt%zn），所用的二元合金粉末分别为纯度为99.5%的铝粉（粒度为200目）、纯度为99.5%的锌粉（粒度为200目）。

（1）将铝粉和锌粉以9.2：0.8的质量比在v型粉末混合机上充分混合，混合时间为60分钟。

（2）对conform粉末连续挤压机的模具进行预热，预热温度为400℃，保温时间为30分钟。

（3）将混合粉末倒入conform粉末连续挤压机的挤压轮槽，挤压轮转速为7rpm，混合粉末在不断的送料至模具型腔堆积，挤压轮继续转动，在摩擦力的作用下，粉末破碎、焊合，由模具口成形棒料。

（4）将棒料切断，取适当体积的棒料放入坩埚，并将坩埚放入电阻炉，加热温度为420℃，保温时间为15分钟。

根据铝锌相图，其该成分下的二元合金固液区间约为640~650℃；通过上述方法成功制备了铝锌合金半固态坯料，和常规方法相比，大幅降低了铝锌合金的半固态成形温度，半固态触变成形温度为410~425℃。

图4是连续挤压铝、锌单质粉末制备的al-8wt%zn合金半固态坯料微观组织图，由图可以看出经过大塑性变形的粉末铝基体致密，冶金结合充分，破碎的铝粉和锌粉分布其间。图5为连续挤压制备的al-8wt%zn合金差热分析曲线，可以看到410~425℃区间存在较为明显的半固态区间，降低了该合金的传统半固态加工窗口温度。