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

技术领域

本发明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。

背景技术

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浆料，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-forming process)：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(New Rheocasting)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-forming process)：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，使已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 inducedmelt-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(DowThixomolder)和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(Twinscrew 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、缩孔、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。制品收缩率低，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Fan Z：Semisolidmetal 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)，实现不同材料间复合。例如铝包钢，铜包钢复合电缆，铝铜复合板等。但这些复合材料，形状简单，只适合于板带、线材生产。还没有高效的，用于制备复杂形状、尺寸精密的单件复合材料的方法。

发明内容

本发明的目的在于利用半固态材料流动性能好，流动平稳，半固态材料间固体相独立，液体仅在复合结合面附近融合的特点，通过半固态加工技术，把不同的半固态材料合在一起进行压力成形，使不同材料在受到控制的状态下按性能要求分布到不同的位置，形成复合材料制品。通过本方法可以廉价高效地生产形状复杂的，功能部位由相应功能材料组成的复合材料制品。

半固态材料中液体部分在压力作用下可以相互融合，使复合界面形成良好的结合组织结构；而均匀分布的固相颗粒把相互融合的部分限制在表面很浅的部分，使不同半固态材料具有相对独立性。半固态材料流动性好，可以加工形状复杂的制品。因此，利用半固态成形方式加工形状复杂的复合材料制品具有巨大的潜在优势。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

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％。

所述的调控所选用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，是通过将所选用的两种或两种以上的不同材料调至各自所需的体积，并同时制备成半固态材料锭胚；再将不同半固态材料的胚锭按所需确定的位置放入压铸机的压室中排好；或者是先把不同的半固态材料锭胚按所需位置分布预压成形后，再按不同的半固态材料在预压时形成的复合结合面所需角度把预压胚锭放入压铸机的压室中。

所述的调控所选用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，是通过将所选用两种或两种以上的不同材料调至各自所需的体积，并同时制备成半固态材料锭胚；再将不同半固态材料的胚锭按所需确定的位置放入锻压设备模具型腔中排好；或者是先把不同的半固态材料锭胚按所需位置分布预压成形后，再按不同的半固态材料在预压时形成的复合结合面所需角度把预压胚锭放入锻压设备模具型腔中。

在把所选用的各种不同半固态材料一同压入同一模具型腔前，先进行预压。预压是将不同的半固态材料制成的胚料放入处于打开的预压模中，再将预压模高速闭合预压；预压模处于具有梯度温度场的保温装置中；预压模内腔为圆柱形，模外壳沿内腔圆心发散线开启。

所述的调控所选用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，是通过预设两台以上半固态注射成形设备并调控其与成形模具的位置，以及调控成形模具中浇道的流向，即调控注射成形前的各不同半固态浆料位置；将在各自的半固态注射成形设备中同时制成的不同半固态浆料一同注射模具，使浆料在浇道中以一定角度汇合，形成并列的半固态复合流体并填充模具型腔。

把所选用的各种不同半固态材料一同压入同一模具型腔，是通过压铸机或者模锻设备或者半固态注射成形设备施加压力，在压力推动下各种不同半固态材料被一同压入同一模具型腔，不同半固态材料共同流动，形成具有层流流动特征的复合半固态流体，高速剪切流动充入模具型腔中完成充型过程。

本发明提供了一种用半固态成形技术加工复合材料制品的工艺，使制品不同功能部位由不同材料组成，使功能部位具有相应优良功能特性、良好复合组织和复合性能。由于不同半固态材料间的液体间可以相互融合，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，因此不同材料可以保持独立，并且具有很好的复合界面。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任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，本方法利用半固态材料所具有的特殊流动特性与复合特性，通过本发明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。

附图说明

为了方便说明，图1-图8均采用同一坐标系。如图1a中所示坐标系，垂直向上方向为铅垂线方向，与铅垂线方向垂直的平面为水平面。由于坐标系统一，除图1a中划出坐标系外，其他图中均不再描述坐标系。

图1图1a-d中标号3，4分别代表两种不同的半固态材料。标号1，2分别代表变截面的方形流体通道的入口与出口。标号6，7分别代表变截面的圆形流体通道的入口与出口。标号5代表两种半固态材料在流动时形成的复合结合面。各分图描述了半固态复合流体由下往上流过通过圆形或方形变截面通道时的情形。  图1a在入口1处，两种半固态材料沿入口1流动方向呈左右排列，复合结合面5与水平面平行。由于层流流动的原因，复合半固态流体流过方形变截面通道并转了90度弯后，复合结合面5在出口2处与出口流动方向平行，与水平面垂直。由于复合结合面5未发生转动，因此两种半固态材料沿入口1流动方向依然呈左右排列。图1b在入口1处，两种半固态材料沿流动方向呈上下排列，复合结合面5与水平面垂直。由于层流流动的原因，复合半固态流体在流过方形变截面通道并转了90度弯后，复合结合面5在出口2处与出口流动方向平行，与水平面垂直。由于复合结合面绕弯道转了90度角，因此两种材料沿入口1流动方向呈前后排列。图1c在入口6处，两种半固态材料沿入口6流动方向呈左右排列，复合结合面5与水平面平行。由于层流流动的原因，复合半固态流体流过圆形变截面通道并转了90度弯后，复合结合面5在出口7处与出口流动方向平行，与水平面垂直。由于复合结合面未发生转动，因此两种半固态材料沿入口6流动方向依然呈左右排列。图1d在入口6处，两种半固态材料沿入口6流动方向呈上下排列，复合结合面5与水平面垂直。由于层流流动的原因，复合半固态流体在流过方形变截面通道并转了90度弯后，复合结合面5在出口7处与出口流动方向平行，与水平面垂直。由于复合结合面绕弯道转了90度角，因此两种材料沿入口6流动方向呈前后排列。

图中可见当复合结合面与弯道中心线所在平面平行时，经过弯道后复合结合面角度不改变，如图1a，c；当复合结合面与弯道中心线所在平面垂直时，经过弯道后，复合结合面会转90度，如图1b，d。本图旨在说明两种以上的半固态材料以并行方式一起流动时，半固态复合流体由宽大的空间流入狭小空间或由狭小的空间流入宽大空间时保持层流状态，不同材料间依然呈并列分布，并列的位置关系不受流道截面形状影响与弯道转角的影响。

图2图中标号8，9，14，15，16分别代表不同的半固态材料。标号5为复合结合面。标号12为压铸模模具分型面，模具分型面12垂直于水平面。分图中左侧圆柱体10，17，19是由不同半固态材料组成的圆柱状半固态材料组合胚锭；分图中右侧制品11，13，18，20是成形后的压铸件，上侧带孔的长方体是铸件本体，剩下部分由左下向右上分别是压室中的压余和浇道中的压余；压铸过程参见图6。图2a中半固态材料8和9在压室60中沿压室中流动方向呈上下并列分布。在压铸过程中，由于两种半固态材料形成的复合半固态流体经浇道进入模具型腔中时，复合结合面5与型腔入口流动方向平行，与模具分型面12平行，因此在压铸完毕后两种材料在压铸件的模具分型面垂直方向保持正反面并列分布。图2b与图2a差别在于当圆柱状胚锭10绕旋转对称轴旋转90度后，材料间复合结合面5与模具分型面12的角度关系发生改变。两种半固态材料在压室60中沿流动方向呈左右并列分布；复合半固态流体进入模具型腔中时，复合结合面5与型腔入口流动方向平行，与模具分型面12垂直。因此，在压铸完毕后，形成以模具分型面为水平在流动方向上呈现两种材料左右并列分布在压铸件。  图2c中三种材料14，15，16在压室中沿流动方向呈左、中、右并列分布；复合半固态流体进入模具型腔中时，与模具分型面12垂直。但由于模具表面摩擦阻力的影响，半固态流体中心位置流动快；靠近模具表面的流体流动速度慢。导致中间的半固态材料15突前分布，而边上的半固态材料14，16则多分布在后面，因此复合结合面5与型腔入口流动方向偏离平行关系而形成一个锐角。在压铸完毕后三种材料在铸件18上依然保持在以模具分型面为水平在流动方向上左、中、右并列分布的状态，但三种材料前后分布比例有所差别。  图2d中三种材料14，15，16在压室中沿流动方向呈前中后串列分布；复合半固态流体进入模具型腔中时，复合结合面5与型腔入口流动方向垂直，与模具分型面12垂直，三种材料在压铸件20上依然保持在型腔中流动方向上串列分布状态，。但由于模具表面摩擦阻力的影响，半固态流体中心位置流动快；靠近模具表面的流体流动速度慢。导致中间的半固态材料突前分布，而边上的半固态材料则分布在后面。材料间复合结合面也由平面变成向前突出的曲面。因此，在压铸完毕后，三种材料在压铸件20上依然保持串列分布状态，但复合结合面呈曲面。

图2说明在喂料时，制品中复合结合面的位置与方向是由压室中半固态材料胚锭的摆放位置和材料间结合面与模具的角度决定的。因此，在压铸的喂料过程中必须控制每种半固态材料胚锭在压室中摆放的位置与角度。图2c、2d说明了模具表面摩擦对半固态材料流动以及材料在复合制品中分布位置的影响。

图3图中标号21，22分别代表两种半固态材料。标号5为复合结合面。标号23为锻压模模具分型面，模具分型面23与水平面平行。分图中上侧圆柱体25，27代表由两种半固态材料上下或者左右并列分布构成的一个圆柱形半固态材料复合胚锭；分图中下侧半固态锻件24，26，28是通过上模往下运动，使模具闭合，同时向下向外挤压半固态材料胚锭形成的轮毂状制品，过程参见图7。图3a中锻压过程前，由于两种半固态材料在锻压模型腔中处于上下并列状态，锻压过程中复合半固态流体在模具型腔中流动时，复合结合面5与水平的模具分型面23平行，也与模具型腔中流动方向平行。因此在锻压完毕后两种材料在锻件的模具分型面上下方向依然保持并列分布，复合结合面5与水平面平行。图3b中在锻压过程前，由于两种半固态材料在锻压模型腔中处于前后并列分布，复合半固态流体在模具型腔中流动时，复合结合面5与水平的模具分型面23垂直，且过胚锭27的旋转对称轴。因此在锻压完毕后两种材料在锻件的前后方向依然保持并列状态，锻件中复合结合面5与水平面垂直，且过胚锭27的旋转对称轴。图3c与图3b相类似，不同之处在于圆柱形复合胚锭27绕模具分型面的法线旋转了90度。因此，不同材料在锻件28中的分布的复合结合面也旋转了90度，两种材料呈左右并列分布。

图3说明在喂料时，制品中复合结合面的位置与方向是由锻压模型腔中半固态材料胚锭的摆放位置和材料间结合面与模具的角度决定的。因此，在半固态模锻的喂料过程，必须控制半固态材料胚锭摆放的位置与角度。

图4本图说明了用半固态注射成形工艺加工复合材料制品的过程。图4a中标号29表示单螺杆搅拌触变注射装置，为了显示搅拌装置与半固态浆料，搅拌室与感应加热线圈被一过对称轴的水平截面剖开；标号30和34分别表示两种不同的半固态材料。标号36表示成型模具，为了突出制品，模具36在这里被剖面切开。图中左上角放大图显示了浇道附近区域，制品被一垂直于宽度方向的平面切开。标号35表示注射成型模模具分型面，模具分型面垂直。标号31和33分别表示模具中的横浇道，标号32表示模具中的纵浇道，标号37表示在模具分型面35垂直方向上正反面分别由材料30和34组成的注射成形复合材料制品。两台单螺杆搅拌触变注射装置29相对放置。半固态材料30和34分别在两个单螺杆搅拌触变注射装置29中制备好，然后两个注射装置同时进行注射。两股半固态流体经横浇道31，33在纵浇道32中汇合，形成并列流动的复合半固态流体。在半固态流体汇合时形成的复合结合面5与横浇道中流体流动方向垂直；进入纵浇道32以及进入铸件37的模具型腔时，复合流体沿流动方向并列流动；复合结合面5与型腔入口流动方向平行，与模具分型面35平行。充型完毕后形成与模具分型面35垂直方向上正反面分别由半固态材料30和34组成的复合材料制品37。图4b中标号29表示单螺杆搅拌触变注射装置，两台单螺杆搅拌触变注射装置29同向平行布置。为了显示搅拌装置与半固态材料，搅拌室与感应加热线圈被一过对称轴的水平截面剖开。标号30和34分别表示两种不同的半固态材料。标号42表示注射成型模模具，模具分型面41与水平面垂直，为了突出制品，模具在这里被剖面切开。标号38和43分别表示模具中的横浇道，标号39表示模具中的纵浇道，标号40表示以模具分型面41为水平在流动方向上左右部分分别由半固态材料30和34组成的注射成形复合材料制品。半固态材料30和34分别在两个单螺杆搅拌触变注射装置29中制备好，然后两个注射装置同时进行注射。与图4a不同的是半固态材料在纵浇道汇合时，复合结合面5与流动方向平行，与模具分型面垂直。因此，复合材料制品40中材料在以模具分型面41为水平在流动方向上左右分布。

图4显示通过预设注射成形设备与成形模具的位置关系以及调控模具浇道的流向，便控制半固态材料横浇道汇合的角度以及半固态材料流入纵浇道和模具型腔的初始并列位置，从而决定了制品中复合结合面的位置与方向。

图5描述了半固态成形加工复合材料制品的预压设备、预压过程与填料过程。

图5a为半固态材料复合胚锭预压装置示意图。标号45和47为保温炉44内左右两侧的发热体。图中为了突出保温炉内部，炉体44在这里被剖面切开。由于左侧发热体45比右侧发热体47多一个，因此温度也比右侧温度高。标号48为一对预压模具，本图中模具处于开启状态。标号46，49，50分别为用于预压的三种不同半固态材料的胚料。图5b中预压模具48在外力下高速闭合，把图5a中半固态材料胚料46，49，50压制成半固态材料复合胚锭51。图5c中预压模具48开启，转运胚锭的机械臂夹子52把预压制成的半固态材料复合胚锭51夹起，准备运往成形设备。图5d图中标号53，54分别代表压铸机动模，定模，标号12表示压铸模模具分型面，动模定模被剖面截开。本图描述了预压后转运胚锭的机械臂夹子52把预压制成的半固态材料复合胚锭51按一定的角度喂入压铸机压室55的过程。复合结合面5在压室中水平面平行，与模具分型面12垂直。图5e图中标号56，58分别代表锻压模上模，下模，标号23表示锻压模模具分型面，描述了预压后转运胚锭的机械臂夹子52把预压制成的半固态材料复合胚锭51按一定的角度喂入锻压模具56，58的型腔57内的过程。复合结合面5与锻压模模具分型面23垂直，并过旋转对称轴轴线。

图6描述了半固态压铸过程。

图6a是一个压铸机系统示意图。系统由冲头59，压室60，活动滑块62，浇道63，模具型腔64，溢流槽65，动模66，定模67组成，其中模具型腔64的形状为长宽厚分别为200mm-100mm-20mm的中心带圆孔的长方形制品形状。标号12代表压铸模模具分型面，模具分型面与水平面垂直。标号61和标号69分别代表两种不同半固态材料(在实例说明1中为A356铝合金和6061/SiC-20％颗粒增强铝合金基复合材料)。标号68是半固态材料胚料61、69组成的圆柱状复合胚锭。本图描述了喂料时，系统各部件所位置。图6b描述压铸机充型过程。冲头59高速把半固态材料61与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别由61与69两种材料组成的复合材料制品。图6c描述了压铸机开模取出制品的过程。

图中半固态材料61和69在压室60中沿流动方向呈上下并列分布，此时复合结合面5水平，与模具分型面12垂直。在压铸过程中，复合半固态流体流过浇道63并转了90度弯进入模具型腔64中时，复合结合面5转动90度。进入模具型腔时复合结合面5与模具分型面12平行，与型腔入口流动方向平行。因此在压铸完毕后两种材料在压铸件的与模具分型面垂直的方向保持正反并列分布。

图7描述了半固态锻造过程。

图7a是一个模锻设备系统示意图。系统由下模71，上模76，模具型腔72组成，其中模具型腔72的形状是直径为750mm的轮毂状制品形状。标号73和标号74分别是两种不同半固态材料(在实例说明2中为304不锈钢和M2工具钢)。标号75是半固态材料胚料73，74组成的复合胚锭。标号23是锻压模模具分型面，模具分型面与水平面平行。本图模锻设备处于喂料开模阶段。图7b描述了模锻设备锻压过程。上模76高速把半固态胚料73与74压入模具型腔72中，形成具有在模具分型23面垂直方向上正反两侧分别由73与74两种材料组成的复合材料制品77。图7c本图描述了锻压设备开模取出复合材料制品77的过程。

图中锻压过程前，由于两种半圆态材料73，74在锻压模型腔72中处于上下并列状态，复合半固态流体在模具型腔中流动时，复合结合面5与水平的模具分型面23平行，与胚锭75的旋转对称轴垂直。因此在锻压完毕后两种材料在锻件的模具分型面23垂直的方向形成正反面并列分布，复合结合面5与水平面平行。

图8本图描述了用两台单螺杆搅拌触变注射装置加工在厚度方向上内外分别由两种材料组成的盖状制品的过程。标号29代表单螺杆搅拌触变注射装置；标号78，79分别代表两种不同半固态材料；标号31和33分别表示模具中的横浇道，标号32表示模具中的纵浇道，标号36代表注射模模具；标号80代表模具型腔；标号35代表注射成型模模具分型面；标号81表示在厚度方向上正反分别由半固态材料78和79组成的注射成形制品。(实例3中两种不同材料分别为A356铝合金和AZ91镁合金)。图8a描述了注射成型过程，图8b描述了开模取出制品的过程。

图8a中两股半固态流体78，79经横浇道31、33在纵浇道32中汇合，形成并列流动的复合半固态流体。在半固态流体汇合时形成的复合结合面与横浇道中流体流动方向垂直；进入纵浇道32后，复合流体沿流动方向并列流动，复合结合面与型腔入口流动方向平行，与模具分型面35平行。充型完毕后形成与模具分型面35垂直方向上正反面分别由半固态材料78和79组成的复合材料制品81。

具体实施方式

结合附图说明如下：

一、材料的选择

为了在半固态成形过程中形成复合材料，本方法需选用两种以上半固态材料，通过压力成形过程形成具有复合组织特征的制品。选用材料应该遵循以下原则：

1.选用可用于半固态成形的材料。通过一定方法加工后，被选材料在处于固液相线之间的温度时，可达到非枝晶的颗粒状固相均匀分布在液相中形成固液共存的复合状态。当材料中固相体积比例为25％～85％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，可用于压铸，模锻，注射成形等压力成形过程。例如，A356铝硅合金，A390铝硅合金，AZ31镁合金，304不锈钢，M2工具钢，高铬铸铁，颗粒增强金属基复合材料等。

2.选用两种以上材料，材料的性能应该具有互补性。例如A356与铝基SiC颗粒增强复合材料，其中一个韧性好，经济性好；一个耐磨性好，综合力学性能好。两者复合，A356铝合金综合性能好，成本低；6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料耐磨，弹性模量高，但成本很高。又如304不锈钢与M2工具钢复合，M2可增加磨损部分的耐磨性；304不锈钢可增加非耐磨部分的韧性。

3.材料间的半固态状态所处温度相差不能太大。在半固态成形后，不能出现一种材料的热量使另一种材料完全熔化，导致成形失败。

二、半固态材料的制备

半固态材料加工方法按照初晶组织细化过程可分为三种。第一种是搅拌凝固促进初晶相演变成非枝晶状细小颗粒。搅拌包括机械搅拌、电磁搅拌、超声波震动、强制液体产生紊流等方法。当半固态材料形成后，可未经凝固直接进行流变成形，也可凝固成铸锭后二次加热、熟化后进行触变成形。代表性的方法有美国专利3,948,650和美国专利4,229,210。

第二种是通过促进形核，使初晶组织演化成细小等轴的枝晶，然后通过熟化过程使枝晶演化成非枝晶状颗粒。促进形核的方法有深过冷凝固，添加晶粒细化剂，快速凝固，通过多阶段凝固增加晶核。代表性的方法有喷射铸造(Spray cast)形成固态颗粒结合触变成形或者螺杆触变注射成形，新流变成形。代表性的文献有；美国专利4,681,787；美国专利5,040,589；美国专利6,165,411；和Materials Science and Engineering A 367(2004)261-271。

第三种是通过塑性变形，使材料呈现加工状组织。由于加工状组织晶粒细小，储能高，经加热、熟化后，可得到具有细小的颗粒状固体的半固态材料。代表性的方法是应力诱发熔体激活触变成形，如美国专利4,415,374。

如上文所述，按照半固态材料的工艺过程，可分为流变成形半固态材料和触变成形半固态材料。区别在于流变成形是由液态凝固而成的半固态材料直接加工成形，而触变成形是由固态胚锭二次加热、熟化后形成的半固态材料加工成形。

应该强调的是各种半固态材料必须同时达到可进行半固态压力加工的状态，以便各种半固态材料同时进行半固态压力成形。由于每种材料的最佳半固态成形温度不同，因此，应该分别把半固态材料加热到其最佳半固态成形温度，然后再实施半固态成形加工。

三、半固态材料填充模具过程及流动特征

半固态材料相对于液体材料具有很高的表观粘度，在高速剪切变形下能保持层流的流动特征。两种以上的半固态材料以并行方式或串行方式一起流动时，当流体由宽大的空间流入狭小空间或由狭小的空间流入宽大空间时，由于流体呈层流状态，不同材料间依然保持并列分布或串列分布(参见图1)，不会产生材料间缠绕。

因此，本发明把若干种半固态材料同时用压力注入同一模具型腔，通过控制各种半固态材料在加工前的初始位置、所占体积比例，控制材料流入模具浇道或型腔时复合结合面与浇道或模具型腔的位置与角度关系，实现控制不同半固态材料在填充完型腔后所在位置，达到控制材料在复合材料制品中位置分布于体积比例的效果。

把两种以上半固态材料同时用压力注入同一模具型腔的方法包括半固态压铸，如图2；半固态模锻，如图3；半固态注射过程，如图4；等。

半固态材料流动过程与模具间存在很大的摩擦阻力。半固态流体在浇道、型腔中流动时，流体中心流动快，与模具接触的表面流动慢。在串列的半固态材料复合胚锭压铸充型过程中，平直的材料间复合结合面的中心会突出，形成弧面，如图2d所示。对于多层半固态材料复合，位于中间的半固态材料由于受到的阻力小，在制品中相应会突前，如图2c所示。因此，在控制材料在制品中分布位置时，要通过带中心凹槽的冲头形状促使模具表面上的半固态材料加速流动，使不均匀流动现象弱化。

对于不同的半固态材料在流动时常具有不同的表观粘度。表观粘度高的半固态材料流动慢，与模具间摩擦大；表观粘度低的半固态材料流动快，与模具间摩擦小。两种表观粘度不同的半固态材料一起流动时，表观粘度低的半固态材料会在流体流动前部分布多些，而在流动后部分布少些。在这种情况下，图2a，b，图3a，b，c及图4a，b中的复合结合面会偏离对称面，向材料表观粘度大的一方偏转。因此，要通过模具型腔设计，扩大表观粘度高的半固态材料流动通路的截面面积，促使表观粘度高的半固态材料加快流动，使整个制品充型均匀。

四、预压过程

半固态压铸过程中，对于简单复合，如两个铸锭简单串列或并列，或者半固态材料胚锭的形状适合，如图2a，2b所示，半固态材料胚锭直接按一定位置排列放入压铸机压室中进行压铸。压室中冲头把几种半固态材料胚锭向前推，使半固态材料在冲头与压室内壁组成的封闭容腔中受压复合。半固态模锻过程中，锻造装置不存在浇道，半固态胚锭可简单串列或并列放置，通过模锻设备型腔的产生的压力，使材料间形成复合。

然而，对于复合所需材料种数多，复合材料所处位置不规则，不能简单通过压铸机或模锻机构挤压完成半固态材料在成形前定位的，则可以在胚锭放入半固态成形设备前，对半固态材料胚锭进行预压，形成便与机械臂夹持的半固态材料复合胚锭，然后再把半固态材料复合胚锭放入压力成形设备中。因此，预压过程是一个使不同半固态材料在复合胚锭上定位的过程。通过控制每种材料在半固态材料复合胚锭上的体积比例、位置，经过流动成形过程将材料分布到制品中预定的位置，实现复合的目的与要求。具体过程参见图5。

半固态材料预压复合装置应具有以下结构与功能：1、预压后半固态材料复合胚锭的尺寸与压铸机压室、模锻机型腔的尺寸相符。2、因为不同半固态材料理想加工温度是不同的，因此复合前的温度也不同。为了防止半固态材料温度在预压过程中变化，可对预压前的半固态材料胚锭采取适当的保温措施。3、预压过程剪切速率要高，使材料表观粘度降低，便于预压成形。4、应尽量缩短预压后复合胚锭喂入成形装置过程的时间，以保证半固态材料在预压后温度不发生明显变化。

示意图5中描述了简单的预压设备。包括保温设备44，预压模48，和半固态材料复合胚锭转运机械臂夹持设备52。为了使不同半固态材料胚锭46，49，50能从容堆放，本发明采用保温设备对材料进行保温。保温设备44中，温度场具有一定梯度，高温端略高于成形温度高的半固态材料的成形温度，低温端略低于成形温度低的半固态材料的成形温度。具有较高成形温度的半固态材料胚锭放在高温侧，具有较低成形温度的半固态材料胚锭放在低温侧。这样可使半固态材料保持最佳成形温度，使预压过程具有较长的准备时间和操作时间。

预压装置是由一组开合模48组成。闭合时模具内腔成圆柱形，开合时模具沿圆心的发散线移动的。打开模具48把半固态材料胚锭46，49，50堆放好，然后迅速闭合模具48，高速剪切使半固态材料变形，半固态材料胚锭46，49，50在压力作用下形成为一个圆柱体。圆柱上表面会出现的褶皱，通常不会影响压力成形过程。在压铸过程中，还可通过把褶皱所在面对着冲头填料来消除。预压形成半固态材料复合胚锭51后开模。用机械臂52把复合胚锭51按角度夹入压铸机压室55，或模锻型腔57中。由于半固态材料的加工温度不同，预压过程必须在较短的时间内完成，以防止不同材料之间相互热传导，导致加工温度低的材料温度增高，而温度高的材料温度降低。必要时，可让最佳加工温度低的半固态材料加热温度偏低一些，而让最佳加工温度高的半固态材料加热温度偏高一些。形成复合胚锭51时通过热量传导，使每种材料恰好达到最佳加工温度。

对于材料分布要求很高的半固态材料复合胚锭，可把材料在固态或者半固态时切削成半圆柱，分别加热，然后在半固态状态下进行预压复合。对于材料分布要求不高的半固态材料复合胚锭，可把圆柱状材料直接加工到半固态状态，熟化，然后在半固态状态下把几个圆柱状半固态材料胚锭直接预压成一个半固态材料复合胚锭。

五、半固态成形工艺

常用的半固态成形工艺设备有各种压铸机，各种模锻设备，各种注射设备，等等。

六、复合材料间复合结合面的特征

由于半固态材料的液体间可以相互融合，但融合过程又被均匀分布得固体颗粒限制在复合结合面下很浅的一层，因此不同材料可以保持独立，并且具有很好地复合界面。

原始的半固态胚锭表面存在氧化物，但是半固态胚锭的比表面积比较小。在预压过程中带入的氧化物很少。这些氧化物分布在材料间复合结合面上。半固态成形过程中，材料复合结合面会在剪切过程中被拉长，拉宽。复合结合面上的氧化物会被破碎成颗粒状，弥散在复合结合面上，对复合界面的力学性能影响不大。

如果通过使用保护性气体减少氧化；合理设计溢流槽的数量和分布，使部分含氧化物的界面材料通过溢流槽溢出基体，氧化物的影响将更小。

七、材料凝固成形过程

当两种半固态材料接触时，两者间的温度是不同的。但是，半固态成形时间很短，各种半固态材料温度差别不是很大。因此，材料间传热基本可忽略不计。留模阶段，由于模具吸收了大量的热，两种半固态材料接触面附近存在热传导不会导致低温半固态材料大比例熔化，不会对材料的复合过程产生不利影响。

八、成形工艺

半固态材料制备方法有流变成形、触变成形、半固态材料注射成形三类。加工方式有压铸，模锻，注射成形。为了实现用半固态成形工艺制备复合材料制品可以采用以下三种流程：

流程一：

第一步  选定材料，制备半固态材料胚锭。半固态材料胚锭应该同时具备可流变成形状态或可触变成形状态。

第二步  把两种以上半固态材料胚锭按照一定的排列方式放入压铸机压室中。如果难以直接把半固态材料按一定的排列方式放入压室的情形，可采用预压制备半固态材料复合胚锭，再按一定角度把复合胚锭放入压室中。

第三步  通过用压铸机冲头半固态材料组成的复合胚锭压铸成形。

第四步  待制品完全凝固后，取出制品。

流程二：

第一步  制备半固态材料形胚锭。具体步骤与流程一中方法相同。

第二步  把两种以上半固态材料胚锭按照一定的排列方式放入模锻设备模具中。如果难以直接把半固态材料按一定的排列方式放入模锻设备模具型腔的情形，可采用预压制备半固态材料复合胚锭，再按一定角度把复合胚锭放入模锻设备模具中。

第三步  模锻设备把半固态材料复合胚锭锻压成形。

第四步  待制品完全凝固后，取出制品。

流程三：

第一步  用半固态注射设备同时制备半固态浆料。

第二步  半固态注射设备同时注射半固态浆料，浆料在浇道中汇合，形成并列流动的复合半固态流体。

第三步  复合半固态流体被注射到型腔中，充满型腔。

第四步  待制品完全凝固后，从模具中取出制品。

以上三种流程中的共同点是两种以上半固态材料被同时压力注入同一模具型腔中并最终填充型腔成形，半固态材料在压力作用下形成复合状态。不同在于材料形成复合状态的时间。对于半固态压铸过程，半固态材料复合过程可以在半固态材料胚锭制备过程中完成，也可以是半固态材料在压室中通过冲头与压室腔形成的压力下完成；对于半固态锻造过程，半固态材料复合过程可以在半固态材料胚锭制备过程中完成，也可以是半固态材料在锻模型腔闭合形成的压力下完成；对于半固态注射成型过程，半固态材料复合过程则是在半固态流体汇合的浇道中完成。

实施例1

触变压力铸造成形技术(Thixo-diecasting)加工长宽厚分别为200-100-20的长方形制品，制品中间有个圆形孔，沿与模具分型面垂直的方向上正反面分别由A356铝合金与6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料构成(如图2，6所示)。A356铝合金综合性能好，成本低；6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料耐磨，弹性模量高，但成本很高。

步骤一：选定材料。A356铝合金与6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料都是适合于半固态成形的材料。A356铝合金的最佳半固态成形温度是575-590摄氏度，而6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料的最佳半固态成形温度为640-655摄氏度。

步骤二：制备半固态材料。通过用电磁搅拌半连续铸造制备A356铝合金的铸锭。铸锭直径为76mm。由于凝固过程中有强烈的搅拌，A356铝合金铸锭中的初晶组织为细小等轴的树枝晶。通过用喷射成形(Spray casting)加工6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料铸锭。铸锭直径为76mm。由于SiC分散注入液体颗粒中，同时合金快速凝固，因此材料具有细小的铝合金初晶组织和均匀分布的SiC颗粒。

步骤三：从A356铸锭中切下150mm长的胚料，把胚料劈成两个半圆柱状胚锭，并用感应加热把胚锭61加热到575摄氏度并熟化；从6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料铸锭切下150mm长的胚料，把胚料劈成两个半圆柱状胚锭，并用感应加热把胚锭69加热到655摄氏度并熟化。两个加热过程同时进行。

步骤四：由于两个半圆柱的半固态胚锭可以合成一个圆柱68，因此在加热完成后直接把两个半圆柱的半固态胚锭放入800吨级压铸机压室内。以图6中所示的压铸机的压铸系统为例：为了确保制品中两种材料在厚度方向上正反两面有不同的材料组成，两种半固态材料胚锭61，69按上下放入压室60中。由于A356铝合金半固态胚锭的温度比从6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料半固态胚锭的温度低。因此在两种半固态胚锭在一起时，A356半固态材料胚锭会升温，而从6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料半固态胚锭会降温。由于加热时A356铝合金半固态材料胚锭温度取最佳加工温度下限而6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料半固态胚锭温度取最佳加工温度上限，通过热交换后，两种材料都接近最佳加工温度。

步骤五：用压铸机冲头59以200mm/s到3000mm/s的速度，把两种半固态材料61，69同时压入模具型腔64成形。两种半固态材料在冲头压力作用下会在压室60中结合在一起，并形成具有复合结合面5的半固态材料复合流体。在冲头59的继续挤压下，复合半固态流体并行通过浇道63进入型腔64，并完全填满型腔65。半固态材料61和69在压室60中沿流动方向呈上下并列分布，此时复合结合面水平。在压铸过程中，复合半固态流体流过浇道63并转了90度弯进入模具型腔64中时，复合结合面5也转了90度，与压铸模模具分型面12平行，与型腔入口流动方向平行。因此在压铸完毕后两种材料在压铸件的与模具分型面12垂直的方向上保持正反并列分布。

步骤六：待制品69完全凝固后，取出制品。切去压余。得到厚度方向正反面分别由A356铝合金与6061/SiC-20％铝基颗粒增强复合材料组成的复合材料制品。

实施例2

触变锻造成形技术(Thixo-forging)加工轮毂状制品。制品直径为750mm，形状如图3所示。沿与模具分型面垂直方向正反面分别由美国牌号M2工具钢和日本牌号304不锈钢构成(如图7所示)。M2工具钢高硬度，高强度，但塑性差，不耐蚀，成本高；304不锈钢塑性好，耐蚀，但强度低。

步骤一：选定材料。M2工具钢和304不锈钢都是适合于半固态成形的材料。M2工具钢的最佳半固态成形温度是1330-1375摄氏度，而304不锈钢的最佳半固态成形温度为1395-1420摄氏度。

步骤二：制备半固态材料胚锭。通过用电磁搅拌半连续铸造分别制备M2工具钢和304不锈钢的铸锭。铸锭直径均为220mm。由于凝固过程中有强烈的搅拌，铸锭中的初晶组织为细小等轴的树枝晶。

步骤三：从M2工具钢铸锭中切下300mm长的胚锭，并用感应加热把胚锭73加热到1340摄氏度并熟化；从304不锈钢铸锭切下300mm长的胚锭，并用感应加热把胚锭74加热到1420摄氏度并熟化。两个加热与熟化过程同时进行。

步骤四：在加热完成后直接把两个圆柱形半固态胚锭73，74上下位置依次放入锻模型腔72内。根据制品的需要两种半固态材料的结合面与模具分型面平行。由于304不锈钢半固态材料胚锭74的温度比M2工具钢半固态胚锭73的温度低。因此在两种半固态胚锭在一起时，304不锈钢半固态材料胚锭74会升温，而M2工具钢半固态胚锭73会降温。由于加热时304不锈钢半固态材料胚锭温度取最佳加工温度下限而M12工具钢半固态胚锭温度取最佳加工温度上限，通过热交换后，两种材料都接近最佳加工温度。

步骤五：上模以20mm/s到3000mm/s的速度压下，把两种半固态材料胚锭73，74锻压复合成形。两种半固态材料在锻模76闭合时的压力作用下会在锻模型腔中复合在一起，并完全填满型腔72。由于锻压过程前，由于两种半固态材料73，74在锻压模型腔72中处于上下并列状态，复合半固态流体在模具型腔中流动时，复合结合面5与水平的模具分型面23平行，复合结合面5与型腔旋转对称轴垂直。因此在锻压完毕后两种材料在与模具分型面23垂直的方向上正反面依然保持并列分布。

步骤六：待制品77完全凝固后，取出制品。切去飞边。得到正反面分别由M2工具钢和304不锈钢构成的轮毂状制品。

实施例3

半固态注射成形技术加工盖状复合材料制品。盖状复合材料制品内外面分别由AZ91镁合金和A356铝合金构成(如图4a和图8所示)。AZ91镁合金质量很轻，但耐腐蚀性不好；A356铝合金耐腐蚀性好，可用在容器表面。

本例采用的是单螺杆触变成形注射机(Dow thixomoulder)29。由于盖状制品内外面不同，因此两台单螺杆触变成形注射机按注射口相对放置，两个横浇道31，33在纵浇道32中汇合，纵浇道32与模具型腔80向上，注射成型模分型面35与水平面垂直。如图4a和图8a，b所示。

步骤一：选定材料。AZ91镁合金和A356铝合金都是适合于半固态成形的材料。AZ91镁合金的最佳半固态注射成形温度是530-550摄氏度，而A356铝合金的最佳半固态注射成形温度为585-595摄氏度

步骤二：用半固态材料注射设备同时制备A356铝合金半固态浆料78和AZ91镁合金半固态浆料79。AZ91镁合金在540摄氏度下制备，A356铝合金在590摄氏度制备。

步骤三：两台注射设备29同时注射半固态浆料78，79，浆料经横浇道31，33在纵浇道32中汇合。在压力作用下，两种半固态材料间形成复合结合面5，同时以并列的复合半固态流体形式流入纵浇道并流入模具型腔80。在复合半固态流体进入注射成型模型腔中时，复合结合面5与流动方向平行，与模具分型面35平行。充型完毕后形成在与模具分型面垂直的方向上正反面分别由半固态材料78和79组成的复合材料制品81。

步骤四：复合半固态流体被注射到型腔中，充满型腔80。

步骤五：待制品81完全凝固后，从模具36中取出制品。