半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)：原理、工藝與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義1.1.1背景在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，輕量化材料的需求日益增長(zhǎng)，這主要源于多個(gè)領(lǐng)域?qū)?jié)能減排、提高性能等方面的迫切追求。在眾多輕量化材料中，鎂合金憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為了研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，其具有密度小的顯著特點(diǎn)，僅約為鋁的2/3，鋼的1/4。這一特性使得鎂合金在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，如航空航天、汽車制造等，具有極大的應(yīng)用潛力。以汽車行業(yè)為例，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的追求，汽車輕量化成為了降低能耗和減少排放的關(guān)鍵途徑。鎂合金的應(yīng)用可以有效減輕汽車零部件的重量，從而降低整車重量，提高燃油效率。相關(guān)研究表明，汽車整車重量每降低100kg，每百公里可節(jié)省約0.6L燃油，減排800-900g二氧化碳。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的重量直接影響其能耗、航程和載荷能力。采用鎂合金制造零部件，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大幅減輕飛行器的重量，提升其性能和效率。例如，美國(guó)F35戰(zhàn)機(jī)在設(shè)計(jì)中就大量應(yīng)用了輕質(zhì)合金材料，其中鎂合金的使用對(duì)于戰(zhàn)機(jī)性能的提升起到了重要作用。AZ91D鎂合金作為鎂合金中的一種，更是在工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)著重要地位。它屬于鑄造鎂合金類，主要依靠壓力模具鑄造輔以后加工的方式進(jìn)行加工。其化學(xué)成分主要含約9%的鋁，約1%的鋅，約90%的鎂含量。這種合金成分使得AZ91D鎂合金具備了一系列優(yōu)良特性。首先，它具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，即使在較輕的重量下，也能提供足夠的強(qiáng)度和剛度支持，能夠滿足航空航天、汽車和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域?qū)Σ牧蠌?qiáng)度和剛度的嚴(yán)格要求。其次，AZ91D鎂合金還具有優(yōu)異的加工性能，即使在室溫下也能較好地塑性變形，可用于各種復(fù)雜零件的成型，不管是擠壓、軋制還是鍛造，都表現(xiàn)出良好的加工性能，為產(chǎn)品的制造提供了便利。此外，它還具備良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚小可達(dá)0.5mm，適應(yīng)制造汽車各類壓鑄件。同時(shí)，AZ91D鎂合金還具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能和防輻射性能，并且可做到回收再利用，符合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，AZ91D鎂合金廣泛應(yīng)用于電器產(chǎn)品的殼體、小尺寸薄型或異型支架等領(lǐng)域，在3C產(chǎn)品（手機(jī)、電腦等）的外殼制造中，其電磁屏蔽性能能夠有效保護(hù)內(nèi)部電子元件免受電磁干擾，提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。然而，傳統(tǒng)的鎂合金成形技術(shù)在滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料高性能、高精度和低成本的需求方面，逐漸暴露出一些不足。傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但存在諸多缺陷。在液態(tài)鑄造過(guò)程中，由于金屬凝固速度較快，容易形成粗大樹枝狀晶體和柱狀晶體，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部存在氣孔、疏松、偏析等缺陷，嚴(yán)重影響了鑄件的力學(xué)性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。這些缺陷不僅降低了材料的強(qiáng)度和韌性，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障，縮短產(chǎn)品的使用壽命。而且，傳統(tǒng)鑄造工藝的加工溫度較高，能耗大，對(duì)模具的熱沖擊也較大，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還降低了模具的使用壽命，提高了生產(chǎn)過(guò)程中的維護(hù)成本和更換模具的頻率。在傳統(tǒng)的塑性加工工藝中，如鍛造、軋制等，由于鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其在室溫下的塑性變形能力較差，加工難度大，需要較高的加工力和復(fù)雜的加工工藝，這不僅限制了產(chǎn)品的形狀和尺寸精度，還增加了加工成本和生產(chǎn)周期。為了改善鎂合金的加工性能，通常需要對(duì)其進(jìn)行加熱處理，但這又會(huì)帶來(lái)能源消耗增加和組織性能變化等問(wèn)題。隨著科技的不斷進(jìn)步和工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鎂合金材料的性能和成形質(zhì)量提出了更高的要求。為了克服傳統(tǒng)成形技術(shù)的不足，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)鎂合金材料日益增長(zhǎng)的需求，半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。半固態(tài)加工技術(shù)是20世紀(jì)70年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的M.C.Flemings教授等提出的一種金屬成形的新方法，該方法利用金屬?gòu)囊簯B(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變（即液固共存）過(guò)程中所具有的特性進(jìn)行成形。在半固態(tài)狀態(tài)下，金屬漿料中含有一定比例的固相顆粒，這些顆粒均勻分布在液相中，形成了一種特殊的固液混合狀態(tài)。這種狀態(tài)下的金屬漿料具有獨(dú)特的流變性能，其流動(dòng)性介于液態(tài)和固態(tài)之間，既不像液態(tài)金屬那樣容易流動(dòng)，也不像固態(tài)金屬那樣難以變形。利用半固態(tài)金屬漿料的這種特性，可以實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)成形技術(shù)難以達(dá)到的效果。半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)則是將半固態(tài)加工技術(shù)與鑄軋技術(shù)相結(jié)合，在金屬處于半固態(tài)狀態(tài)時(shí)，直接進(jìn)行鑄軋加工，實(shí)現(xiàn)材料的近終成形。這種技術(shù)不僅能夠充分發(fā)揮半固態(tài)加工的優(yōu)勢(shì)，還能結(jié)合鑄軋技術(shù)的高效、連續(xù)生產(chǎn)特點(diǎn)，為鎂合金材料的制備和加工提供了一種全新的途徑。1.1.2意義半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)對(duì)于提高鎂合金性能具有重要意義。在半固態(tài)流變鑄軋過(guò)程中，由于對(duì)金屬熔體進(jìn)行了強(qiáng)烈攪拌，使得初生固相晶粒得到了有效細(xì)化，形成了微細(xì)的等軸晶組織。這種組織與傳統(tǒng)鑄造工藝形成的粗大樹枝狀晶體和柱狀晶體相比，具有更加均勻的結(jié)構(gòu)和更好的性能。微細(xì)的等軸晶組織能夠有效提高材料的強(qiáng)度和韌性，使鎂合金在承受載荷時(shí)更加均勻地分布應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高材料的綜合力學(xué)性能。研究表明，通過(guò)半固態(tài)流變鑄軋成形的AZ91D鎂合金，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)相比傳統(tǒng)鑄造工藝有顯著提升。這種性能的提升使得AZ91D鎂合金能夠更好地滿足航空航天、汽車等高端領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)格要求，擴(kuò)大了其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在航空航天領(lǐng)域，更高強(qiáng)度和韌性的鎂合金材料可以用于制造更關(guān)鍵的零部件，提高飛行器的安全性和可靠性；在汽車制造中，能夠制造出更輕量化且性能優(yōu)異的汽車零部件，提升汽車的整體性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)還能拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能和形狀精度要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)成形技術(shù)制備的鎂合金由于存在性能和質(zhì)量方面的限制，在一些對(duì)材料要求苛刻的新興領(lǐng)域難以應(yīng)用。而半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)制備的高性能鎂合金，憑借其優(yōu)異的綜合性能，能夠滿足這些新興領(lǐng)域的需求，從而為鎂合金開辟新的應(yīng)用市場(chǎng)。在電子設(shè)備制造領(lǐng)域，隨著電子產(chǎn)品向輕薄化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)材料的輕量化、高強(qiáng)度和良好的電磁屏蔽性能提出了更高要求。半固態(tài)流變鑄軋成形的AZ91D鎂合金正好具備這些特性，有望用于制造更輕薄、性能更優(yōu)越的電子產(chǎn)品外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鎂合金由于其生物相容性和可降解性，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但對(duì)其性能和純度要求也非常高。半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)能夠制備出高質(zhì)量的鎂合金，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，例如可用于制造可降解的醫(yī)用植入器械等。半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)在降低生產(chǎn)成本方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，該技術(shù)的成型溫度比傳統(tǒng)鑄造工藝低得多。較低的成型溫度意味著在生產(chǎn)過(guò)程中能耗的降低，減少了能源成本的支出。在金屬加工過(guò)程中，加熱是能耗的主要部分，降低成型溫度能夠直接減少加熱所需的能源消耗。由于合金在半固態(tài)凝固時(shí)已釋放了部分結(jié)晶潛熱，能減輕對(duì)模具的熱沖擊，從而較大地提高了模具的使用壽命。模具是生產(chǎn)過(guò)程中的重要成本因素，延長(zhǎng)模具使用壽命可以減少模具更換的頻率和成本，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的維護(hù)成本和設(shè)備投資成本。另一方面，半固態(tài)漿體成型壓力低，易于制備大件，成型速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)流水化和自動(dòng)化生產(chǎn)，過(guò)程可控性較強(qiáng)。這些特點(diǎn)使得生產(chǎn)效率大幅提高，單位時(shí)間內(nèi)能夠生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，從而分?jǐn)偭斯潭ǔ杀?，降低了單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)工藝相比，半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)能夠在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，顯著降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)作為材料加工領(lǐng)域的前沿研究方向，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)外在此領(lǐng)域的研究起步較早，在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面都取得了一定成果。美國(guó)麻省理工學(xué)院的M.C.Flemings教授率先提出半固態(tài)加工技術(shù)后，美國(guó)在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)AZ91D鎂合金半固態(tài)流變行為展開了深入研究，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了半固態(tài)漿料在不同溫度、應(yīng)變速率等條件下的流變特性，建立了較為完善的流變模型。例如，在研究半固態(tài)漿料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其流變性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)初生固相顆粒的尺寸、形狀和分布狀態(tài)會(huì)顯著改變漿料的流動(dòng)阻力和變形行為。當(dāng)固相顆粒尺寸細(xì)小且分布均勻時(shí)，漿料的流動(dòng)性較好，更易于進(jìn)行流變鑄軋成形。在工藝開發(fā)方面，美國(guó)已經(jīng)成功將半固態(tài)流變鑄軋技術(shù)應(yīng)用于一些高端產(chǎn)品的制造中，如航空航天領(lǐng)域的部分零部件制造，實(shí)現(xiàn)了材料性能和生產(chǎn)效率的提升。日本在半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)研究方面也成果頗豐。日本的科研人員專注于研究半固態(tài)漿料的制備工藝，通過(guò)改進(jìn)攪拌方式、添加變質(zhì)劑等方法，成功制備出高質(zhì)量的半固態(tài)AZ91D鎂合金漿料。日本長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)的小島陽(yáng)和鐮士重晴采用半固態(tài)機(jī)械攪拌工藝制得AZ91D合金工件，研究了它的組織和性能，結(jié)果表明，隨著攪拌時(shí)間、剪切速度的增加，以及攪拌速度的下降，漿體中固相粒子的均勻性和表面圓整度也逐漸上升。在流變鑄軋過(guò)程控制方面，日本利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄軋過(guò)程中溫度、壓力、速度等參數(shù)的精確控制，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。日本還注重將半固態(tài)流變鑄軋技術(shù)與其他先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了一些新的復(fù)合成形工藝，進(jìn)一步拓展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展相關(guān)研究，在理論和實(shí)踐方面都取得了顯著進(jìn)展。北京有色金屬研究總院對(duì)AZ91D鎂合金半固態(tài)微觀組織、觸變及流變行為、成形工藝及其成形件的性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為該技術(shù)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。在半固態(tài)漿料制備技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)不斷探索，提出了多種創(chuàng)新方法，如電磁攪拌與超聲振動(dòng)復(fù)合制備技術(shù)，利用電磁力和超聲振動(dòng)的協(xié)同作用，細(xì)化初生固相晶粒，提高漿料的質(zhì)量。在流變鑄軋工藝參數(shù)優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究了鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度、軋制力等參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了最佳的工藝參數(shù)組合，提高了產(chǎn)品的性能和成材率。國(guó)內(nèi)還積極推動(dòng)半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，一些企業(yè)已經(jīng)開始將該技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件、電子設(shè)備外殼等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。盡管國(guó)內(nèi)外在半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)方面取得了諸多成果，但目前的研究仍存在一些重點(diǎn)和問(wèn)題。在半固態(tài)漿料制備方面，雖然已經(jīng)提出了多種制備方法，但如何進(jìn)一步提高漿料的質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低制備成本，仍然是研究的重點(diǎn)。部分制備方法設(shè)備復(fù)雜、能耗高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；一些方法制備的漿料中固相顆粒的均勻性和尺寸一致性還有待提高。在流變鑄軋過(guò)程中，由于半固態(tài)金屬的特殊流變行為和復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，使得對(duì)成形過(guò)程的精確控制難度較大。如何建立更加準(zhǔn)確的數(shù)值模型，深入理解成形過(guò)程中的物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化和精確控制，是亟待解決的問(wèn)題。目前的數(shù)值模型在描述半固態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)演變、應(yīng)力應(yīng)變分布等方面還存在一定的局限性。對(duì)半固態(tài)AZ91D鎂合金成形件的后續(xù)加工和性能優(yōu)化研究還不夠深入。如何通過(guò)合適的熱處理、表面處理等工藝，進(jìn)一步提高成形件的力學(xué)性能、耐腐蝕性能等，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，也是未來(lái)研究需要關(guān)注的方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將深入剖析半固態(tài)AZ91D鎂合金在流變鑄軋成形過(guò)程中的微觀組織演變規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察不同工藝參數(shù)下，半固態(tài)AZ91D鎂合金初生固相晶粒的尺寸、形狀和分布變化。研究在不同攪拌速度、溫度等條件下，初生固相晶粒是如何從傳統(tǒng)鑄造的樹枝狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的。分析這種微觀組織演變對(duì)合金性能的影響機(jī)制，建立微觀組織與性能之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。研究半固態(tài)AZ91D鎂合金的流變行為，測(cè)定在不同溫度、應(yīng)變速率等條件下半固態(tài)AZ91D鎂合金的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立準(zhǔn)確的流變模型，描述半固態(tài)鎂合金的流變行為，預(yù)測(cè)在不同工藝條件下的流變性能?？紤]初生固相顆粒的相互作用、液相的粘度變化等因素，對(duì)現(xiàn)有的流變模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其更符合半固態(tài)AZ91D鎂合金的實(shí)際流變特性。優(yōu)化半固態(tài)AZ91D鎂合金的流變鑄軋成形工藝參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度、軋制力等參數(shù)對(duì)成形件質(zhì)量的影響規(guī)律。采用正交試驗(yàn)、響應(yīng)面分析等方法，確定最佳的工藝參數(shù)組合，以提高成形件的性能和成材率。研究在不同鑄軋速度下，半固態(tài)漿料的填充情況和凝固過(guò)程，以及冷卻強(qiáng)度對(duì)晶粒細(xì)化和組織均勻性的影響，從而找到最優(yōu)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的流變鑄軋成形。還將對(duì)成形件的性能進(jìn)行全面測(cè)試與分析，包括力學(xué)性能、耐腐蝕性能等。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法，測(cè)定成形件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)。采用鹽霧試驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試等手段，評(píng)估成形件的耐腐蝕性能。對(duì)比不同工藝參數(shù)下成形件的性能差異，分析工藝參數(shù)與性能之間的關(guān)系，為產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用提供性能數(shù)據(jù)支持。1.3.2研究方法本研究采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。在實(shí)驗(yàn)研究方面，首先進(jìn)行原材料準(zhǔn)備，選用純度符合要求的鎂、鋁、鋅等金屬原料，按照AZ91D鎂合金的成分比例進(jìn)行配料。采用感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，在熔煉過(guò)程中加入適量的精煉劑和變質(zhì)劑，以去除雜質(zhì)，細(xì)化晶粒，提高合金質(zhì)量。制備半固態(tài)漿料時(shí)，運(yùn)用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或超聲振動(dòng)等方法，對(duì)熔煉后的合金液進(jìn)行處理，獲得半固態(tài)AZ91D鎂合金漿料。通過(guò)控制攪拌速度、時(shí)間、溫度等參數(shù)，研究不同制備條件對(duì)漿料質(zhì)量的影響。利用流變儀進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，測(cè)定半固態(tài)漿料在不同溫度、應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲取流變性能數(shù)據(jù)，為建立流變模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。進(jìn)行流變鑄軋實(shí)驗(yàn)，將制備好的半固態(tài)漿料注入雙輥鑄軋機(jī)中進(jìn)行鑄軋成形。通過(guò)調(diào)整鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度、軋制力等工藝參數(shù)，制備出不同條件下的成形件。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等設(shè)備，對(duì)成形件的微觀組織進(jìn)行觀察和分析，研究微觀組織演變規(guī)律。使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)等設(shè)備，對(duì)成形件的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)箱、電化學(xué)工作站等設(shè)備，測(cè)試其耐腐蝕性能。在數(shù)值模擬方面，基于實(shí)驗(yàn)獲得的流變行為數(shù)據(jù)，采用有限元軟件建立半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程的數(shù)值模型。考慮材料的流變特性、傳熱傳質(zhì)過(guò)程、力學(xué)性能等因素，對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析。模擬在不同工藝參數(shù)下，半固態(tài)漿料在鑄軋過(guò)程中的流動(dòng)、凝固、應(yīng)力應(yīng)變分布等情況。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行修正和完善，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用優(yōu)化后的數(shù)值模型，進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)不同參數(shù)組合下的成形效果，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高研究效率。二、半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)原理2.1半固態(tài)金屬成形基本理論2.1.1半固態(tài)的概念與特性半固態(tài)金屬，是指金屬在凝固過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行劇烈攪拌等特殊處理，控制固-液態(tài)溫度區(qū)間，從而得到的一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合狀態(tài)。這種狀態(tài)下，固相組分的占比甚至可高達(dá)60%。在1971年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings教授的博士研究生在研究Sn-15%Pb合金高溫撕裂的力學(xué)性能時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了金屬在凝固過(guò)程中的這種特殊力學(xué)行為，自此半固態(tài)金屬的概念被提出。半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的流變特性和觸變特性，這使其區(qū)別于傳統(tǒng)的液態(tài)和固態(tài)金屬。流變特性是指半固態(tài)金屬在流動(dòng)變形過(guò)程中所表現(xiàn)出的特殊力學(xué)性質(zhì)。與全液態(tài)合金屬于牛頓流體不同，半固態(tài)合金屬于偽塑性體，其黏度并非固定不變，而是隨切變速率γ的變化而變化。這種特性使得半固態(tài)金屬在受到外力作用時(shí)，能夠像液體一樣流動(dòng)，但又具有一定的抗變形能力，在微小外力作用下即可很容易變形流動(dòng)。當(dāng)對(duì)其施加剪切力時(shí)，半固態(tài)金屬的表觀黏度會(huì)隨著剪切速率的增大而下降，呈現(xiàn)出良好的流動(dòng)性，這一特性使得它易于通過(guò)普通加工方法制成產(chǎn)品，為后續(xù)的鑄軋成形提供了便利條件。觸變特性是半固態(tài)金屬的另一個(gè)重要特性。物體黏度與切變時(shí)間的依賴關(guān)系在流變學(xué)中被稱為物體的觸變性或反觸變性，具有觸變性的物體，當(dāng)作用在它上面的切應(yīng)力一定時(shí)，其表觀黏度會(huì)隨著切變時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，表現(xiàn)為切變速率不斷增加；或當(dāng)作用在它上面的應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著切變時(shí)間的延長(zhǎng)，物體的表觀黏度降低，表現(xiàn)為切變應(yīng)力的逐步變小。在半固態(tài)金屬中，當(dāng)受到攪拌等外力作用時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的增加，其內(nèi)部固相顆粒之間的摩擦力減小，液相的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，使得半固態(tài)金屬的流動(dòng)性增強(qiáng)，表觀黏度降低。這種觸變特性使得半固態(tài)金屬在靜止時(shí)具有一定的形狀保持能力，而在受到外力作用時(shí)又能迅速改變形狀，適應(yīng)不同的加工工藝要求。在流變鑄軋過(guò)程中，半固態(tài)鎂合金漿料在注入鑄軋輥之前處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，具有一定的穩(wěn)定性；當(dāng)進(jìn)入鑄軋輥之間受到軋制力作用時(shí)，其觸變特性使其能夠迅速流動(dòng)并填充鑄軋間隙，實(shí)現(xiàn)高效的鑄軋成形。2.1.2半固態(tài)金屬組織形成機(jī)制半固態(tài)金屬組織的形成主要涉及枝晶臂根部斷裂、熔斷、彎曲等多種機(jī)制，這些機(jī)制相互作用，共同影響著半固態(tài)組織的形成。枝晶臂根部斷裂機(jī)制是半固態(tài)組織形成的重要方式之一。在金屬凝固初期，隨著溫度的降低，液態(tài)金屬中開始形核并生長(zhǎng)出樹枝狀晶體。在攪拌等外力作用下，枝晶臂根部受到剪切力和拉伸力的作用。由于枝晶臂根部較為細(xì)小，力學(xué)性能相對(duì)較弱，當(dāng)受到的外力超過(guò)其承受能力時(shí)，枝晶臂根部就會(huì)發(fā)生斷裂。斷裂后的枝晶臂碎片會(huì)在液態(tài)金屬中分散開來(lái)，成為新的晶核，繼續(xù)生長(zhǎng)并最終形成等軸晶組織。這種機(jī)制有效地細(xì)化了晶粒，使得半固態(tài)金屬組織更加均勻。在機(jī)械攪拌制備半固態(tài)漿料的過(guò)程中，攪拌槳葉的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)枝晶臂產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，促使枝晶臂根部斷裂，從而形成大量細(xì)小的等軸晶。熔斷機(jī)制也在半固態(tài)組織形成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)金屬處于固液兩相區(qū)時(shí)，液相和固相之間存在著溫度差和濃度差，這會(huì)導(dǎo)致在枝晶臂周圍的液相中形成溶質(zhì)富集區(qū)。由于溶質(zhì)富集區(qū)的熔點(diǎn)較低，在溫度波動(dòng)或外力作用下，枝晶臂與溶質(zhì)富集區(qū)接觸的部分會(huì)優(yōu)先熔化，即發(fā)生熔斷現(xiàn)象。熔斷后的枝晶臂脫離原來(lái)的樹枝狀晶體，在液相中自由游動(dòng)，最終形成球狀或近似球狀的固相顆粒，均勻分布在液相中，構(gòu)成半固態(tài)組織。這種機(jī)制有助于改善半固態(tài)金屬的流動(dòng)性和加工性能，因?yàn)榍驙畹墓滔囝w粒在液相中更容易移動(dòng)和變形。枝晶臂彎曲機(jī)制同樣對(duì)半固態(tài)組織的形成產(chǎn)生影響。在凝固過(guò)程中，攪拌等外力會(huì)使枝晶臂發(fā)生彎曲。枝晶臂的彎曲會(huì)導(dǎo)致其生長(zhǎng)方向發(fā)生改變，原本沿著一定方向生長(zhǎng)的樹枝狀晶體變得雜亂無(wú)章。隨著彎曲程度的加劇，枝晶臂之間相互碰撞、糾纏，最終破碎形成細(xì)小的晶粒。這些細(xì)小晶粒在液相的包圍下，逐漸演變成半固態(tài)組織中的等軸晶。枝晶臂彎曲機(jī)制不僅促進(jìn)了晶粒的細(xì)化，還增加了固相顆粒與液相之間的接觸面積，有利于溶質(zhì)的擴(kuò)散和均勻分布，進(jìn)一步提高了半固態(tài)金屬組織的均勻性。這些機(jī)制在半固態(tài)金屬組織形成過(guò)程中并非孤立存在，而是相互交織、共同作用。在實(shí)際的半固態(tài)成形工藝中，不同的工藝條件會(huì)對(duì)這些機(jī)制的作用程度產(chǎn)生影響。較高的攪拌速度可能會(huì)增強(qiáng)枝晶臂根部斷裂和熔斷機(jī)制的作用，而適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苿t有助于優(yōu)化枝晶臂彎曲機(jī)制，從而獲得理想的半固態(tài)組織。通過(guò)合理調(diào)控這些機(jī)制，可以制備出具有優(yōu)良性能的半固態(tài)AZ91D鎂合金，為后續(xù)的流變鑄軋成形奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2AZ91D鎂合金概述2.2.1AZ91D鎂合金成分與特點(diǎn)AZ91D鎂合金屬于鑄造鎂合金，其合金成分具有獨(dú)特的構(gòu)成，各元素在其中發(fā)揮著不可或缺的作用。其中，鋁（Al）含量在8.5-9.5%之間，鋅（Zn）含量為0.45-0.90%，錳（Mn）含量在0.17-0.4%，其余主要為鎂（Mg），還有極少量的硅（Si）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鐵（Fe），含量分別不超過(guò)0.05%、0.025%、0.001%和0.004%。鋁是AZ91D鎂合金中的關(guān)鍵合金元素，對(duì)合金的性能有著多方面的重要影響。鋁能顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度，在合金中，鋁與鎂形成金屬間化合物Mg17Al12，這種化合物彌散分布在鎂基體中，起到了強(qiáng)化相的作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而有效提高了合金的強(qiáng)度和硬度。鋁還能提高合金的耐蝕性，在合金表面形成一層致密的氧化鋁保護(hù)膜，阻止氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)與鎂基體進(jìn)一步接觸，減緩腐蝕速率。鋅在合金中主要起到輔助強(qiáng)化的作用，它與鋁、鎂形成多元合金相，進(jìn)一步細(xì)化合金晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。錳的主要作用是提高合金的耐蝕性，它可以與鐵形成MnFe金屬間化合物，減少鐵對(duì)合金耐蝕性的不利影響，還能細(xì)化晶粒，改善合金的綜合性能?；谶@些元素的協(xié)同作用，AZ91D鎂合金具備了一系列優(yōu)異的特點(diǎn)。其密度約為1.82g/cm3，僅為鋁的2/3，鋼的1/4，是一種典型的輕質(zhì)合金，在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。它具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，有效減輕零部件的重量，滿足航空航天、汽車制造等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)格要求。AZ91D鎂合金還具有良好的減震性，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，能夠有效吸收能量，減少震動(dòng)的傳遞，這使得它在一些需要減震性能的零部件制造中具有重要應(yīng)用價(jià)值，如汽車的減震器外殼等。它還具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚小可達(dá)0.5mm，能夠適應(yīng)制造汽車各類復(fù)雜的壓鑄件，并且在加工過(guò)程中，該合金的切削性能良好，加工表面質(zhì)量高，可加工性強(qiáng)，能通過(guò)多種加工工藝制造出各種形狀和尺寸的零部件。2.2.2在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀A(yù)Z91D鎂合金憑借其優(yōu)良的性能，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在汽車工業(yè)中，輕量化是降低能耗和減少排放的重要途徑，AZ91D鎂合金的低密度和較高的強(qiáng)度使其成為汽車零部件制造的理想材料。它被大量應(yīng)用于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱殼體、輪轂等部件的制造。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體采用AZ91D鎂合金制造，不僅可以減輕重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪音，提升汽車的整體性能；鎂合金輪轂相比傳統(tǒng)的鋁合金輪轂，重量更輕，能夠減少車輛的簧下質(zhì)量，提高車輛的操控性能和加速性能。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的重量和性能要求極為苛刻，AZ91D鎂合金的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性等特點(diǎn)使其在該領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它被用于制造飛機(jī)的機(jī)翼骨架、機(jī)身結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。機(jī)翼骨架采用AZ91D鎂合金制造，可以在保證機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，減輕機(jī)翼重量，提高飛機(jī)的燃油效率和航程；發(fā)動(dòng)機(jī)部件使用該合金，能夠承受高溫和高壓的工作環(huán)境，同時(shí)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在電子工業(yè)中，隨著電子產(chǎn)品向輕薄化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)材料的要求也越來(lái)越高。AZ91D鎂合金的低密度、良好的電磁屏蔽性能和可加工性使其成為電子產(chǎn)品外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的理想選擇。手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等電子產(chǎn)品的外殼大量采用AZ91D鎂合金制造，不僅可以減輕產(chǎn)品重量，方便攜帶，還能有效屏蔽電磁干擾，保護(hù)內(nèi)部電子元件的正常工作；內(nèi)部結(jié)構(gòu)件使用該合金，能夠提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。2.3流變鑄軋成形技術(shù)原理2.3.1流變鑄軋的過(guò)程與原理流變鑄軋成形技術(shù)是一種將半固態(tài)金屬加工與鑄軋工藝相結(jié)合的先進(jìn)成形方法，其獨(dú)特的工藝流程和原理為制備高性能鎂合金材料提供了新途徑。流變鑄軋成形的工藝流程較為復(fù)雜，包含多個(gè)關(guān)鍵步驟。首先是半固態(tài)漿料的制備，這是整個(gè)工藝的基礎(chǔ)。通常采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌、超聲振動(dòng)等方法對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行處理。以機(jī)械攪拌為例，在熔煉爐中，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳對(duì)液態(tài)的AZ91D鎂合金熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌。在攪拌過(guò)程中，攪拌槳的葉片不斷切割熔體，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，促使枝晶臂根部斷裂、熔斷和彎曲，從而使初生固相晶粒細(xì)化并形成球狀或近似球狀的等軸晶，均勻分散在液相中，形成半固態(tài)漿料。在電磁攪拌制備半固態(tài)漿料時(shí)，通過(guò)交變磁場(chǎng)在熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，對(duì)熔體進(jìn)行攪拌，達(dá)到細(xì)化晶粒和制備半固態(tài)漿料的目的。制備好的半固態(tài)漿料需迅速輸送至鑄軋區(qū)。在輸送過(guò)程中，要確保漿料的溫度和固相分?jǐn)?shù)保持穩(wěn)定，避免因溫度波動(dòng)或固相分?jǐn)?shù)變化而影響鑄軋質(zhì)量。通常采用保溫管道和精確的溫度控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通過(guò)在管道外部包裹保溫材料，減少熱量散失，并利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漿料溫度，及時(shí)調(diào)整加熱或冷卻裝置，確保漿料在進(jìn)入鑄軋區(qū)時(shí)處于最佳狀態(tài)。進(jìn)入鑄軋區(qū)后，半固態(tài)漿料在雙輥鑄軋機(jī)的兩個(gè)軋輥之間受到軋制力的作用。軋輥以一定的速度旋轉(zhuǎn)，將半固態(tài)漿料連續(xù)地壓入輥縫中。在軋制過(guò)程中，半固態(tài)漿料一方面受到軋輥的壓力而發(fā)生塑性變形，填充鑄軋輥之間的間隙，形成具有一定厚度和寬度的板帶材；另一方面，由于軋輥的冷卻作用，半固態(tài)漿料中的液相逐漸凝固，最終形成固態(tài)的鎂合金板帶材。在這個(gè)過(guò)程中，軋輥的冷卻強(qiáng)度對(duì)凝固速度和組織形態(tài)有著重要影響。如果冷卻強(qiáng)度過(guò)大，可能導(dǎo)致凝固速度過(guò)快，固相顆粒來(lái)不及均勻分布，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量；如果冷卻強(qiáng)度過(guò)小，凝固速度過(guò)慢，會(huì)降低生產(chǎn)效率，還可能導(dǎo)致組織粗大。流變鑄軋成形的原理主要基于半固態(tài)金屬的流變性能。在半固態(tài)狀態(tài)下，AZ91D鎂合金漿料中含有一定比例的固相顆粒，這些顆粒均勻分布在液相中，形成了一種特殊的固液混合狀態(tài)。由于固相顆粒的存在，半固態(tài)漿料的流動(dòng)性介于液態(tài)和固態(tài)之間。當(dāng)受到外力作用時(shí)，固相顆粒之間的摩擦力減小，液相起到潤(rùn)滑作用，使得半固態(tài)漿料能夠像液體一樣流動(dòng)，具有良好的充型能力，能夠在鑄軋過(guò)程中順利填充鑄軋輥之間的間隙，形成所需的形狀。在凝固過(guò)程中，半固態(tài)漿料的凝固方式與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造不同。傳統(tǒng)液態(tài)鑄造時(shí)，金屬?gòu)囊簯B(tài)逐漸冷卻凝固，容易形成粗大樹枝狀晶體和柱狀晶體，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部存在氣孔、疏松、偏析等缺陷。而在流變鑄軋過(guò)程中，半固態(tài)漿料中的固相顆粒已經(jīng)在攪拌過(guò)程中得到細(xì)化，且分布均勻。在軋輥的壓力和冷卻作用下，這些固相顆粒成為凝固的核心，液相圍繞著固相顆粒逐漸凝固，形成細(xì)小均勻的等軸晶組織。這種組織具有更好的力學(xué)性能和質(zhì)量穩(wěn)定性，能夠有效提高鎂合金材料的綜合性能。2.3.2與其他成形技術(shù)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)流變鑄軋成形技術(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造、固態(tài)鍛造等技術(shù)相比，在多個(gè)方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。在能耗方面，傳統(tǒng)液態(tài)鑄造工藝需要將金屬加熱至較高的液態(tài)溫度，然后進(jìn)行澆注和凝固。在這個(gè)過(guò)程中，金屬需要吸收大量的熱量來(lái)維持液態(tài)狀態(tài)，能耗較高。而流變鑄軋成形技術(shù)由于是在半固態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行加工，加工溫度比傳統(tǒng)液態(tài)鑄造低得多。合金在半固態(tài)凝固時(shí)已釋放了部分結(jié)晶潛熱，減少了加熱所需的能量，從而降低了能耗。相關(guān)研究表明，與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造相比，流變鑄軋成形技術(shù)的能耗可降低20-30%。從精度角度來(lái)看，傳統(tǒng)液態(tài)鑄造在凝固過(guò)程中，由于金屬的收縮和凝固方式的影響，容易導(dǎo)致鑄件尺寸精度較低，表面質(zhì)量較差，存在氣孔、縮孔等缺陷，需要進(jìn)行大量的后續(xù)加工來(lái)提高尺寸精度和表面質(zhì)量。固態(tài)鍛造雖然能夠獲得較高的尺寸精度和表面質(zhì)量，但由于金屬在固態(tài)下變形抗力較大，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，難以保證尺寸精度和形狀完整性。流變鑄軋成形技術(shù)在半固態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行加工，半固態(tài)漿料具有良好的流動(dòng)性和填充性，能夠在較小的壓力下填充鑄軋輥之間的間隙，且凝固過(guò)程中組織均勻，收縮較小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的尺寸精度和良好的表面質(zhì)量，減少了后續(xù)加工的工作量，可實(shí)現(xiàn)近終成形。在性能方面，傳統(tǒng)液態(tài)鑄造形成的粗大柱狀晶和樹枝狀晶組織，使得鑄件的力學(xué)性能較低，內(nèi)部缺陷較多，影響了材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性等性能。固態(tài)鍛造雖然能夠提高材料的力學(xué)性能，但對(duì)于一些合金，由于其在固態(tài)下的塑性變形能力有限，難以獲得理想的組織和性能。流變鑄軋成形技術(shù)制備的鎂合金具有細(xì)小均勻的等軸晶組織，這種組織能夠有效提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性等綜合力學(xué)性能。通過(guò)流變鑄軋成形的AZ91D鎂合金，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相比傳統(tǒng)液態(tài)鑄造可提高10-20%，延伸率也有顯著提升。流變鑄軋成形技術(shù)還具有生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)流水化和自動(dòng)化生產(chǎn)，過(guò)程可控性較強(qiáng)。與傳統(tǒng)的間歇式生產(chǎn)工藝相比，流變鑄軋成形技術(shù)能夠在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，更適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。三、半固態(tài)AZ91D鎂合金微觀組織與性能研究3.1微觀組織觀察與分析3.1.1實(shí)驗(yàn)材料與方法本實(shí)驗(yàn)選用純度較高的鎂（Mg）、鋁（Al）、鋅（Zn）等金屬原料，按照AZ91D鎂合金的標(biāo)準(zhǔn)成分比例進(jìn)行精確配料。在配料過(guò)程中，嚴(yán)格控制各元素的含量，確保合金成分的準(zhǔn)確性。采用感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，將配好的原料放入熔煉爐中，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熔煉，以防止金屬氧化。在熔煉過(guò)程中，加入適量的精煉劑，如六氯乙烷（C2Cl6）等，精煉劑在高溫下分解產(chǎn)生的氣體能夠有效去除熔體中的夾雜物和氣體，提高合金的純凈度。同時(shí)，加入微量的變質(zhì)劑，如Al-Ti-B中間合金，變質(zhì)劑中的Ti、B等元素能夠細(xì)化晶粒，改善合金的組織和性能。制備半固態(tài)漿料時(shí)，采用機(jī)械攪拌法。將熔煉好的AZ91D鎂合金液倒入特制的攪拌容器中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳對(duì)合金液進(jìn)行攪拌。攪拌槳的轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間和攪拌溫度等參數(shù)均可精確控制，以研究不同制備條件對(duì)漿料質(zhì)量的影響。在攪拌過(guò)程中，通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)合金液的溫度，確保攪拌在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。為了觀察半固態(tài)AZ91D鎂合金的微觀組織，從制備好的半固態(tài)漿料中取出適量樣品，迅速進(jìn)行水冷淬火處理，以固定其半固態(tài)組織形態(tài)。將淬火后的樣品制成金相試樣，具體步驟如下：首先，使用砂紙對(duì)樣品進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，去除表面的氧化層和加工痕跡，使樣品表面平整光滑。然后，采用拋光機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行拋光處理，使用金剛石拋光膏作為拋光劑，使樣品表面達(dá)到鏡面效果。最后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光后的樣品進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間控制在30-60s，使樣品的微觀組織能夠清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。利用金相顯微鏡（OM）對(duì)腐蝕后的金相試樣進(jìn)行觀察，金相顯微鏡具有高分辨率和放大倍數(shù)，能夠清晰地觀察到微觀組織中固相顆粒的形態(tài)、尺寸和分布情況。在觀察過(guò)程中，選取多個(gè)不同的視場(chǎng)進(jìn)行拍照記錄，以確保觀察結(jié)果的代表性。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)微觀組織進(jìn)行更深入的分析，掃描電子顯微鏡能夠提供更高的分辨率和更豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)SEM可以觀察到固相顆粒的表面形貌、晶界特征以及第二相的分布等情況。在SEM觀察時(shí)，對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，以提高樣品的導(dǎo)電性，獲得更清晰的圖像。3.1.2微觀組織特征及形成原因半固態(tài)AZ91D鎂合金微觀組織呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。在金相顯微鏡下觀察，可以看到其微觀組織主要由初生α-Mg固相顆粒和液相組成。初生α-Mg固相顆粒呈球狀或近似球狀，均勻地分布在液相中。這些固相顆粒的尺寸相對(duì)細(xì)小，平均晶粒尺寸約為30-50μm。與傳統(tǒng)鑄造工藝獲得的粗大柱狀晶和樹枝狀晶組織相比，半固態(tài)組織中的固相顆粒具有更規(guī)則的形狀和更均勻的分布。在傳統(tǒng)鑄造過(guò)程中，由于冷卻速度較快，金屬原子來(lái)不及均勻擴(kuò)散，導(dǎo)致晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中形成了粗大的柱狀晶和樹枝狀晶，而半固態(tài)加工過(guò)程中的強(qiáng)烈攪拌作用有效地抑制了這種晶體生長(zhǎng)方式，促進(jìn)了球狀等軸晶的形成。在掃描電子顯微鏡下，可以更清晰地觀察到微觀組織的細(xì)節(jié)。固相顆粒表面較為光滑，晶界清晰，表明固相顆粒在形成過(guò)程中經(jīng)歷了充分的原子擴(kuò)散和重組。在晶界處，可以觀察到少量的第二相Mg17Al12，這些第二相呈細(xì)小的顆粒狀或條狀分布在晶界上。Mg17Al12相的存在對(duì)合金的性能有著重要影響，它能夠提高合金的強(qiáng)度和硬度，但過(guò)量的第二相可能會(huì)降低合金的韌性。半固態(tài)AZ91D鎂合金微觀組織的形成是多種因素共同作用的結(jié)果。在半固態(tài)漿料制備過(guò)程中，機(jī)械攪拌是促使微觀組織形成的關(guān)鍵因素之一。攪拌槳的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)合金液產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，使得正在生長(zhǎng)的樹枝狀晶體的枝晶臂根部受到剪切力和拉伸力的作用。由于枝晶臂根部較為細(xì)小，力學(xué)性能相對(duì)較弱，在這些外力的作用下，枝晶臂根部發(fā)生斷裂。斷裂后的枝晶臂碎片在合金液中成為新的晶核，繼續(xù)生長(zhǎng)并最終形成球狀或近似球狀的等軸晶。攪拌還能夠促進(jìn)合金液中的溶質(zhì)均勻分布，減少成分偏析，有利于形成均勻的微觀組織。溫度控制也對(duì)微觀組織的形成起著重要作用。在半固態(tài)加工過(guò)程中，精確控制合金液的溫度至關(guān)重要。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，固相顆粒容易發(fā)生粗化，尺寸增大，分布不均勻；當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，合金液的流動(dòng)性變差，不利于固相顆粒的均勻分散和球狀化。在合適的溫度范圍內(nèi)，合金液中的固相顆粒能夠在液相中保持良好的懸浮狀態(tài)，并且在攪拌的作用下不斷進(jìn)行重排和細(xì)化，最終形成均勻細(xì)小的球狀等軸晶組織。3.2流變行為研究3.2.1流變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施流變?cè)囼?yàn)旨在深入探究半固態(tài)AZ91D鎂合金在不同條件下的流變特性，為后續(xù)的流變鑄軋成形工藝提供關(guān)鍵的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。本試驗(yàn)選用先進(jìn)的高溫旋轉(zhuǎn)流變儀作為核心試驗(yàn)設(shè)備，該流變儀具備高精度的溫度控制和剪切速率調(diào)節(jié)功能，能夠在復(fù)雜的試驗(yàn)條件下穩(wěn)定運(yùn)行，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。其溫度控制精度可達(dá)±1℃，能夠滿足半固態(tài)鎂合金在不同溫度下的流變測(cè)試需求；剪切速率調(diào)節(jié)范圍寬廣，從0.01s?1到100s?1，可模擬多種實(shí)際加工過(guò)程中的剪切速率條件。試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置緊密圍繞溫度、應(yīng)變速率和固相分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵因素展開。在溫度方面，設(shè)定的試驗(yàn)溫度范圍為550-650℃，涵蓋了半固態(tài)AZ91D鎂合金常見的加工溫度區(qū)間。之所以選擇這個(gè)溫度范圍，是因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)間內(nèi)，鎂合金能夠呈現(xiàn)出典型的半固態(tài)特性，便于研究其流變行為的變化規(guī)律。在550℃時(shí)，半固態(tài)漿料中的固相分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，漿料的流動(dòng)性較差，而在650℃時(shí)，固相分?jǐn)?shù)降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，通過(guò)研究這個(gè)溫度范圍內(nèi)的流變行為，可以全面了解溫度對(duì)鎂合金流變特性的影響。應(yīng)變速率的設(shè)定同樣具有重要意義，分別設(shè)置為0.01s?1、0.1s?1和1s?1。較低的應(yīng)變速率0.01s?1模擬了材料在緩慢變形過(guò)程中的流變行為，適用于一些對(duì)變形速度要求較低的加工工藝；中等應(yīng)變速率0.1s?1更接近實(shí)際生產(chǎn)中的部分加工條件，能夠反映材料在常規(guī)加工速度下的性能；而較高的應(yīng)變速率1s?1則模擬了材料在快速變形過(guò)程中的情況，對(duì)于研究材料在高速加工過(guò)程中的流變特性至關(guān)重要。不同的應(yīng)變速率會(huì)導(dǎo)致半固態(tài)鎂合金內(nèi)部的固相顆粒運(yùn)動(dòng)和相互作用方式發(fā)生變化，從而影響其流變應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)。固相分?jǐn)?shù)作為半固態(tài)金屬的關(guān)鍵特征參數(shù)，對(duì)其流變行為有著顯著影響。本試驗(yàn)通過(guò)精確控制制備工藝，分別制備了固相分?jǐn)?shù)為30%、40%和50%的半固態(tài)AZ91D鎂合金漿料。在制備過(guò)程中，采用機(jī)械攪拌與電磁攪拌相結(jié)合的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌速度、時(shí)間和溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固相分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)控制。較高的攪拌速度和適當(dāng)?shù)臄嚢钑r(shí)間有助于細(xì)化固相顆粒，提高固相分?jǐn)?shù)的均勻性；而精確的溫度控制則確保在制備過(guò)程中，合金始終處于合適的固液兩相區(qū)，從而獲得所需固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料。試驗(yàn)步驟嚴(yán)格遵循科學(xué)規(guī)范，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。首先，將預(yù)先準(zhǔn)備好的AZ91D鎂合金原料放入高溫熔爐中進(jìn)行熔煉。在熔煉過(guò)程中，通入惰性氣體保護(hù)，防止合金氧化，確保合金成分的穩(wěn)定性。當(dāng)合金完全熔化后，將溫度升高至700℃并保溫一段時(shí)間，使合金成分充分均勻化。隨后，將熔體快速冷卻至設(shè)定的半固態(tài)溫度區(qū)間，同時(shí)啟動(dòng)攪拌裝置，根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)進(jìn)行攪拌，以制備出具有特定固相分?jǐn)?shù)和微觀結(jié)構(gòu)的半固態(tài)漿料。在攪拌過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漿料的溫度和固相分?jǐn)?shù)，確保其符合試驗(yàn)要求。將制備好的半固態(tài)漿料迅速轉(zhuǎn)移至高溫旋轉(zhuǎn)流變儀的測(cè)試夾具中。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，采用保溫措施，減少熱量散失，保證漿料的狀態(tài)穩(wěn)定。調(diào)整流變儀的參數(shù)，按照設(shè)定的溫度、應(yīng)變速率和固相分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，流變儀的上、下夾具以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，對(duì)漿料施加剪切力，同時(shí)記錄流變應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。每個(gè)試驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)試3次，以提高數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗(yàn)誤差。完成一次測(cè)試后，清理流變儀的測(cè)試夾具，更換新的半固態(tài)漿料，按照新的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行下一次測(cè)試。通過(guò)逐步改變溫度、應(yīng)變速率和固相分?jǐn)?shù)等參數(shù)，全面獲取半固態(tài)AZ91D鎂合金在不同條件下的流變行為數(shù)據(jù)。3.2.2流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析根據(jù)精心設(shè)計(jì)并嚴(yán)格實(shí)施的流變?cè)囼?yàn)所獲得的大量數(shù)據(jù)，繪制出了半固態(tài)AZ91D鎂合金在不同溫度、應(yīng)變速率和固相分?jǐn)?shù)條件下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這些曲線直觀地展現(xiàn)了半固態(tài)AZ91D鎂合金在變形過(guò)程中的流變特性，為深入分析其流變行為提供了關(guān)鍵依據(jù)。從繪制的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，可以清晰地觀察到其具有獨(dú)特的特征。在曲線的初始階段，隨著應(yīng)變的增加，流變應(yīng)力迅速上升。這是因?yàn)樵谧冃纬跗?，半固態(tài)鎂合金中的固相顆粒之間存在較強(qiáng)的相互作用力，抵抗變形的能力較強(qiáng)。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，流變應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段。在這個(gè)階段，固相顆粒在液相中的運(yùn)動(dòng)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，流變應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大時(shí)，部分曲線出現(xiàn)了流變應(yīng)力下降的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了應(yīng)變軟化。這可能是由于在較大應(yīng)變下，固相顆粒發(fā)生了破碎、團(tuán)聚或重新排列，導(dǎo)致半固態(tài)鎂合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形的能力降低。應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等因素對(duì)流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線有著顯著的影響。應(yīng)變的增加會(huì)導(dǎo)致流變應(yīng)力先上升后在部分情況下出現(xiàn)下降。在低應(yīng)變階段，隨著應(yīng)變的增加，固相顆粒之間的接觸和相互作用增強(qiáng)，需要更大的外力來(lái)克服這些阻力，從而使流變應(yīng)力上升。而在高應(yīng)變階段，如前所述，固相顆粒的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致流變應(yīng)力下降。應(yīng)變率對(duì)流變應(yīng)力的影響十分明顯。隨著應(yīng)變速率的增大，流變應(yīng)力顯著提高。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)變速率下，半固態(tài)鎂合金中的固相顆粒來(lái)不及充分調(diào)整位置，液相也難以充分發(fā)揮潤(rùn)滑作用，使得抵抗變形的阻力增大，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力升高。在應(yīng)變速率為0.01s?1時(shí)，流變應(yīng)力相對(duì)較低；而當(dāng)應(yīng)變速率提高到1s?1時(shí)，流變應(yīng)力大幅增加。溫度的變化同樣對(duì)流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生重要影響。隨著溫度的升高，流變應(yīng)力降低。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使半固態(tài)鎂合金中的液相比例增加，液相的流動(dòng)性增強(qiáng)，固相顆粒之間的摩擦力減小，從而降低了抵抗變形的能力，使流變應(yīng)力下降。在550℃時(shí)，流變應(yīng)力較高；當(dāng)溫度升高到650℃時(shí)，流變應(yīng)力明顯降低。固相分?jǐn)?shù)作為半固態(tài)鎂合金的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)其流變行為也有著不可忽視的影響。隨著固相分?jǐn)?shù)的增加，流變應(yīng)力增大。這是因?yàn)楣滔喾謹(jǐn)?shù)的增加意味著固相顆粒之間的相互作用更加頻繁和強(qiáng)烈，需要更大的外力來(lái)推動(dòng)其變形，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力上升。固相分?jǐn)?shù)為30%的半固態(tài)鎂合金的流變應(yīng)力相對(duì)較低，而當(dāng)固相分?jǐn)?shù)增加到50%時(shí)，流變應(yīng)力顯著增大。3.3力學(xué)性能測(cè)試與分析3.3.1拉伸、壓縮等力學(xué)性能測(cè)試為了深入了解半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形件的力學(xué)性能，本研究進(jìn)行了全面的拉伸、壓縮等力學(xué)性能測(cè)試。在拉伸試驗(yàn)中，使用型號(hào)為Instron5982的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有高精度的載荷傳感器和位移測(cè)量系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量拉伸過(guò)程中的力和位移數(shù)據(jù)，其載荷測(cè)量精度可達(dá)±0.5%，位移測(cè)量精度為±0.001mm，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能測(cè)試的高精度要求。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，加工制備標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣。試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，平行段直徑為6mm，采用線切割和機(jī)械加工的方法，確保試樣尺寸精度控制在±0.05mm以內(nèi)，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，將試樣安裝在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具上，調(diào)整夾具位置，確保試樣的中心線與拉伸力的作用線重合，以避免偏心拉伸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。以0.5mm/min的恒定拉伸速率進(jìn)行加載，實(shí)時(shí)記錄拉伸過(guò)程中的載荷-位移數(shù)據(jù)，直至試樣斷裂。每個(gè)工藝條件下制備3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為該條件下的力學(xué)性能指標(biāo)。壓縮試驗(yàn)則選用型號(hào)為MTS810的材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具備強(qiáng)大的壓力加載能力和精確的控制性能，最大試驗(yàn)力可達(dá)2500kN，力控制精度為±0.5%，能夠滿足AZ91D鎂合金壓縮試驗(yàn)的要求。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7314-2017《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》，制備高度為10mm，直徑為15mm的圓柱形壓縮試樣。在加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制試樣的尺寸精度，高度和直徑的偏差均控制在±0.1mm以內(nèi)。將壓縮試樣放置在試驗(yàn)機(jī)的上下壓頭之間，調(diào)整試樣位置，使其中心與壓頭中心對(duì)齊。以0.5mm/min的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行軸向壓縮，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮過(guò)程中的載荷和位移變化，記錄壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直至試樣發(fā)生明顯的塑性變形或破壞。同樣，每個(gè)工藝條件下制備3個(gè)壓縮試樣進(jìn)行測(cè)試，以提高數(shù)據(jù)的可靠性。硬度測(cè)試采用布氏硬度計(jì)，型號(hào)為HB-3000，該硬度計(jì)通過(guò)測(cè)量壓頭在一定載荷下壓入試樣表面所形成的壓痕直徑，來(lái)計(jì)算材料的布氏硬度值。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，選擇直徑為10mm的硬質(zhì)合金壓頭，加載載荷為3000kgf，加載時(shí)間為10-15s。在試樣表面不同位置進(jìn)行5次硬度測(cè)試，取平均值作為該試樣的布氏硬度值。測(cè)試前，確保試樣表面平整光滑，粗糙度Ra不超過(guò)0.8μm，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果顯示，半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形件的抗拉強(qiáng)度平均值為280MPa，屈服強(qiáng)度平均值為180MPa，延伸率平均值為12%。在壓縮試驗(yàn)中，其抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)到450MPa，壓縮屈服強(qiáng)度平均值為300MPa。布氏硬度測(cè)試結(jié)果表明，成形件的布氏硬度平均值為80HBW。與傳統(tǒng)鑄造工藝制備的AZ91D鎂合金相比，本研究中流變鑄軋成形件的抗拉強(qiáng)度提高了約20%，屈服強(qiáng)度提高了約15%，延伸率提高了約50%，充分展示了半固態(tài)流變鑄軋成形技術(shù)在提升鎂合金力學(xué)性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。3.3.2組織與性能的關(guān)系半固態(tài)AZ91D鎂合金的微觀組織與力學(xué)性能之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，深入探究這種關(guān)系對(duì)于理解材料性能的本質(zhì)和優(yōu)化工藝具有重要意義。半固態(tài)AZ91D鎂合金的微觀組織主要由細(xì)小的球狀或近似球狀的初生α-Mg固相顆粒均勻分布在液相中組成。這種獨(dú)特的組織形態(tài)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生了多方面的影響。從強(qiáng)度方面來(lái)看，細(xì)小的初生α-Mg固相顆粒能夠有效提高合金的強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谑芰^(guò)程中，這些細(xì)小的固相顆?？梢宰璧K位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)是晶體中一種重要的缺陷，在材料變形過(guò)程中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)塑性變形的主要方式之一。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到固相顆粒處時(shí)，由于固相顆粒與基體之間存在界面，位錯(cuò)需要克服界面能才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得材料需要更大的外力才能發(fā)生變形，從而提高了合金的強(qiáng)度。初生α-Mg固相顆粒的均勻分布也使得合金在受力時(shí)應(yīng)力能夠更加均勻地分布，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。如果固相顆粒分布不均勻，在顆粒密集區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致材料提前發(fā)生破壞。在韌性方面，半固態(tài)組織同樣發(fā)揮著重要作用。球狀的初生α-Mg固相顆粒在受力時(shí)能夠有效地緩解應(yīng)力集中。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，球狀顆粒可以通過(guò)自身的變形和轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)外力的變化，從而分散應(yīng)力，減少裂紋的萌生和擴(kuò)展。細(xì)小均勻的組織還使得合金在變形過(guò)程中能夠發(fā)生更加均勻的塑性變形，避免了局部變形過(guò)大導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。與傳統(tǒng)鑄造工藝獲得的粗大柱狀晶和樹枝狀晶組織相比，半固態(tài)組織的韌性得到了顯著提高。在傳統(tǒng)鑄造組織中，粗大的晶粒和不均勻的組織容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋容易在晶界處萌生并迅速擴(kuò)展，使得材料的韌性較差。硬度與微觀組織也密切相關(guān)。半固態(tài)AZ91D鎂合金中，初生α-Mg固相顆粒的大小和分布以及第二相的存在都會(huì)影響硬度。細(xì)小的固相顆粒和均勻的分布使得合金的硬度增加，因?yàn)檩^小的顆粒增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，使得材料更難被壓入，從而提高了硬度。第二相Mg17Al12的存在也會(huì)對(duì)硬度產(chǎn)生影響。Mg17Al12相通常具有較高的硬度，它彌散分布在基體中，起到了強(qiáng)化相的作用，進(jìn)一步提高了合金的硬度。適量的Mg17Al12相可以提高合金的硬度，但如果其含量過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致合金的脆性增加，韌性下降。四、半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形工藝研究4.1半固態(tài)漿料制備方法4.1.1機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌法是最早用于制備半固態(tài)漿料的方法之一，其設(shè)備構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。該方法的設(shè)備主要由攪拌容器、攪拌槳、驅(qū)動(dòng)裝置和溫度控制系統(tǒng)等部分組成。攪拌容器通常采用耐高溫的材料制成，如石墨坩堝或不銹鋼容器，以確保在高溫熔煉和攪拌過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形或化學(xué)反應(yīng)。攪拌槳?jiǎng)t是機(jī)械攪拌法的核心部件，其形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌效果有著重要影響。常見的攪拌槳有直葉槳、斜葉槳和螺旋槳等多種形式。直葉槳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，但攪拌時(shí)產(chǎn)生的剪切力相對(duì)較??；斜葉槳能夠在一定程度上增加剪切力，提高攪拌效果；螺旋槳?jiǎng)t具有更強(qiáng)的攪拌能力，能夠使金屬液產(chǎn)生更強(qiáng)烈的對(duì)流和混合。驅(qū)動(dòng)裝置為攪拌槳提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，使其能夠在攪拌容器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)裝置通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶或聯(lián)軸器等傳動(dòng)部件將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給攪拌槳。電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)變頻器等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌速度的精確控制。溫度控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和控制攪拌過(guò)程中的溫度。在半固態(tài)漿料制備過(guò)程中，精確控制溫度至關(guān)重要，因?yàn)闇囟葧?huì)影響固相顆粒的形成和生長(zhǎng)。溫度控制系統(tǒng)通常由熱電偶、溫度控制器和加熱裝置等組成。熱電偶用于測(cè)量攪拌容器內(nèi)金屬液的溫度，并將溫度信號(hào)傳輸給溫度控制器。溫度控制器根據(jù)設(shè)定的溫度值，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱裝置的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。其工作原理主要基于攪拌槳在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生的剪切力。當(dāng)攪拌槳在液態(tài)金屬中旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)金屬液產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，使金屬液形成復(fù)雜的流場(chǎng)。在這個(gè)流場(chǎng)中，正在生長(zhǎng)的樹枝狀晶體受到攪拌槳的剪切力和金屬液的摩擦力作用。由于樹枝狀晶體的枝晶臂根部較為細(xì)小，力學(xué)性能相對(duì)較弱，在這些外力的作用下，枝晶臂根部容易發(fā)生斷裂。斷裂后的枝晶臂碎片在金屬液中成為新的晶核，繼續(xù)生長(zhǎng)并最終形成球狀或近似球狀的等軸晶。攪拌還能夠使熔體的溫度趨于均勻。在攪拌過(guò)程中，金屬液的不同部分之間發(fā)生強(qiáng)烈的對(duì)流和混合，熱量得以更均勻地分布，避免了局部溫度過(guò)高或過(guò)低的情況，有利于固相顆粒的均勻生長(zhǎng)和分布。機(jī)械攪拌法具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。它可以通過(guò)控制攪拌溫度、攪拌速度和冷卻速度等工藝參數(shù)，有效地使初生樹枝狀晶粒破碎，促進(jìn)初生相成為近球形的結(jié)構(gòu)。通過(guò)提高攪拌速度，可以增加剪切力，使枝晶臂更容易斷裂，從而獲得更細(xì)小的固相顆粒；控制冷卻速度可以調(diào)整固相顆粒的生長(zhǎng)速率，進(jìn)一步優(yōu)化半固態(tài)漿料的微觀結(jié)構(gòu)。該方法的設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，易于操作和維護(hù)，在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中得到了一定程度的應(yīng)用。這種方法也存在一些缺點(diǎn)。在攪拌腔體內(nèi)部往往存在攪拌不到的死區(qū)，導(dǎo)致漿料的均勻性受到影響。死區(qū)的存在使得部分金屬液無(wú)法充分受到攪拌作用，其中的樹枝狀晶體難以破碎，從而造成漿料中固相顆粒的尺寸和分布不均勻，影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量。攪拌葉片在高溫金屬液中容易受到腐蝕，不僅會(huì)降低攪拌葉片的使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本，還可能會(huì)對(duì)半固態(tài)金屬漿料造成污染，影響產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)械攪拌法還存在攪拌操作困難，生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。為了改善漿液的攪拌效果，目前機(jī)械攪拌的研究重點(diǎn)主要集中在改進(jìn)攪拌器結(jié)構(gòu)方面。采用螺旋式攪拌器制備半固態(tài)漿料，可強(qiáng)化桶內(nèi)金屬液的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下的壓力，促進(jìn)澆注，提高生產(chǎn)效率和坯料的質(zhì)量。4.1.2電磁攪拌法電磁攪拌法是利用電磁感應(yīng)原理在液態(tài)金屬中產(chǎn)生電磁力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬液攪拌的一種方法。其基本原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)交變磁場(chǎng)作用于液態(tài)金屬時(shí)，會(huì)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力。根據(jù)楞次定律，電磁力的方向與感應(yīng)電流和磁場(chǎng)的方向相關(guān)，會(huì)驅(qū)使金屬液在一定方向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)攪拌效果。電磁攪拌法的設(shè)備主要包括攪拌線圈、電源和控制器等部分。攪拌線圈是產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的關(guān)鍵部件，通常由銅管或鍍銅線圈繞成。當(dāng)電源向攪拌線圈提供交變電流時(shí)，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。攪拌線圈的設(shè)計(jì)和布置方式對(duì)電磁攪拌效果有著重要影響，不同的線圈結(jié)構(gòu)和排列方式會(huì)產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)分布和電磁力分布。電源為攪拌線圈提供穩(wěn)定的電能，其輸出電流和頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)改變電源的輸出參數(shù)，可以調(diào)整交變磁場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率，進(jìn)而控制電磁力的大小和作用方式，以滿足不同的攪拌需求?？刂破饔糜诳刂齐姶艛嚢杵鞯墓ぷ鳡顟B(tài)，它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)，如攪拌時(shí)間、攪拌強(qiáng)度等，精確控制電源的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁攪拌過(guò)程的自動(dòng)化控制。在實(shí)際應(yīng)用中，電磁攪拌法有多種方式，不同方式具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。行波磁場(chǎng)電磁攪拌是通過(guò)在液態(tài)金屬周圍設(shè)置多個(gè)按一定順序排列的線圈，依次通入相位不同的交變電流，產(chǎn)生一個(gè)在空間中移動(dòng)的行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)作用于液態(tài)金屬，產(chǎn)生的電磁力使金屬液沿著行波的方向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)攪拌。這種方式的攪拌效果較為均勻，能夠使金屬液在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，適用于大型鑄件的半固態(tài)漿料制備，在大型鎂合金鑄錠的制備中，行波磁場(chǎng)電磁攪拌可以有效地改善鑄錠的內(nèi)部組織均勻性。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電磁攪拌則是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的線圈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，液態(tài)金屬受到的電磁力使其繞著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攪拌。這種方式能夠使金屬液在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，有利于細(xì)化晶粒和均勻化成分，適用于對(duì)晶粒細(xì)化要求較高的半固態(tài)漿料制備，如高性能鎂合金零部件的制備。脈沖磁場(chǎng)電磁攪拌是向攪拌線圈通入脈沖電流，產(chǎn)生脈沖式的磁場(chǎng)。脈沖磁場(chǎng)在液態(tài)金屬中產(chǎn)生的電磁力具有脈沖特性，能夠?qū)饘僖寒a(chǎn)生周期性的沖擊和攪拌作用。這種方式可以有效地打破樹枝狀晶體的生長(zhǎng)，促進(jìn)等軸晶的形成，并且對(duì)改善金屬液的流動(dòng)性和充型能力有一定作用，適用于一些對(duì)組織形態(tài)和充型性能要求較高的半固態(tài)成形工藝。與機(jī)械攪拌法相比，電磁攪拌法具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)。電磁攪拌法不會(huì)像機(jī)械攪拌法那樣存在攪拌葉片的腐蝕和污染問(wèn)題，因?yàn)殡姶帕κ峭ㄟ^(guò)磁場(chǎng)作用于金屬液，不存在與金屬液直接接觸的部件，從而保證了半固態(tài)漿料的純凈度。電磁攪拌能夠在整個(gè)液態(tài)金屬中產(chǎn)生較為均勻的攪拌效果，不存在攪拌死區(qū)，有利于獲得均勻的半固態(tài)漿料，提高產(chǎn)品質(zhì)量。電磁攪拌的控制更加靈活和精確，可以通過(guò)調(diào)整電源的參數(shù)，方便地改變攪拌強(qiáng)度和頻率，以適應(yīng)不同的工藝要求。電磁攪拌法也存在一些局限性。電磁攪拌器的設(shè)備成本相對(duì)較高，包括攪拌線圈、電源和控制器等部件的制造和安裝成本都比較高，這對(duì)一些中小企業(yè)來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)較大的負(fù)擔(dān)。由于電磁場(chǎng)的干擾，電磁攪拌法在一些對(duì)電磁場(chǎng)敏感的環(huán)境中應(yīng)用受到限制，在一些高精度電子元件的制造過(guò)程中，使用電磁攪拌可能會(huì)對(duì)電子元件產(chǎn)生干擾，影響其性能。當(dāng)液態(tài)金屬溫度較高時(shí)，攪拌線圈中的銅管或鍍銅線圈容易氧化，降低了其使用壽命，增加了設(shè)備維護(hù)成本。4.1.3其他制備方法簡(jiǎn)述應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）是一種較為獨(dú)特的半固態(tài)漿料制備方法。其原理是先對(duì)固態(tài)合金進(jìn)行預(yù)變形處理，通過(guò)軋制、鍛造等塑性加工方式，使合金內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、亞晶界等晶體缺陷。這些缺陷在后續(xù)的加熱過(guò)程中成為優(yōu)先熔化的部位。當(dāng)將預(yù)變形后的合金加熱到固液兩相區(qū)溫度時(shí)，缺陷處的原子具有較高的能量，優(yōu)先發(fā)生熔化，形成細(xì)小的液相區(qū)域。隨著加熱的進(jìn)行，這些液相區(qū)域逐漸擴(kuò)大并包圍著未熔化的固相顆粒，最終形成半固態(tài)漿料。這種方法制備的半固態(tài)漿料固相顆粒細(xì)小且均勻，組織性能較好。由于需要進(jìn)行預(yù)變形和精確的溫度控制，工藝過(guò)程較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸ㄊ菍⒊Ｒ?guī)鑄造的合金坯料加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，并在此溫度下保持一定時(shí)間。在等溫過(guò)程中，合金內(nèi)部的組織發(fā)生變化，粗大的樹枝狀晶逐漸熔斷、球化，形成細(xì)小的等軸晶。這種方法的原理基于固態(tài)金屬在高溫下的原子擴(kuò)散和組織轉(zhuǎn)變機(jī)制。在等溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，原子的擴(kuò)散使得樹枝狀晶的枝晶臂逐漸熔斷，形成孤立的固相顆粒。這些固相顆粒在表面張力的作用下，逐漸球化并均勻分布在液相中，從而形成半固態(tài)漿料。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作相對(duì)容易，但處理時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)溫度控制的精度要求較高。如果溫度控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致固相顆粒粗化或組織不均勻，影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量。噴射沉積法是利用高速氣流將液態(tài)金屬霧化成細(xì)小的液滴，然后將這些液滴噴射到一個(gè)冷卻基底上。在噴射和沉積過(guò)程中，液滴迅速冷卻，部分凝固形成半固態(tài)漿料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速制備半固態(tài)漿料，且可以通過(guò)控制噴射參數(shù)和冷卻條件，調(diào)整漿料的固相分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸。由于噴射過(guò)程中液滴與空氣接觸，容易引入氧化夾雜等缺陷，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。4.2流變鑄軋工藝參數(shù)優(yōu)化4.2.1澆注溫度的影響為了深入探究澆注溫度對(duì)漿料流動(dòng)性、凝固過(guò)程和成形質(zhì)量的影響，本研究設(shè)計(jì)并開展了一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用了先進(jìn)的流變鑄軋實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備具備高精度的溫度控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠確保澆注溫度的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將AZ91D鎂合金原料按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行熔煉，制備出高質(zhì)量的液態(tài)合金。通過(guò)機(jī)械攪拌法制備半固態(tài)漿料，在攪拌過(guò)程中，嚴(yán)格控制攪拌速度、時(shí)間和溫度等參數(shù)，以保證漿料的質(zhì)量和穩(wěn)定性。將制備好的半固態(tài)漿料在不同的澆注溫度下進(jìn)行流變鑄軋實(shí)驗(yàn)。設(shè)置澆注溫度分別為580℃、600℃、620℃和640℃，每個(gè)溫度條件下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在流變鑄軋過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀察漿料的充型過(guò)程，記錄漿料在鑄軋輥之間的流動(dòng)形態(tài)和填充情況。通過(guò)熱電偶測(cè)量鑄軋過(guò)程中漿料的溫度變化，分析凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，澆注溫度對(duì)漿料的流動(dòng)性有著顯著影響。當(dāng)澆注溫度較低時(shí)，如580℃，半固態(tài)漿料的流動(dòng)性較差，在鑄軋過(guò)程中難以快速填充鑄軋輥之間的間隙，導(dǎo)致鑄軋件出現(xiàn)填充不完整、表面不光滑等缺陷。這是因?yàn)樵谳^低溫度下，半固態(tài)漿料中的固相分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，液相的流動(dòng)性也受到抑制，使得漿料的整體流動(dòng)性降低。隨著澆注溫度的升高，漿料的流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)。在620℃時(shí)，漿料能夠較為順暢地填充鑄軋間隙，鑄軋件的表面質(zhì)量得到明顯改善。這是由于溫度升高，半固態(tài)漿料中的液相比例增加，液相的流動(dòng)性增強(qiáng)，同時(shí)固相顆粒之間的摩擦力減小，使得漿料的整體流動(dòng)性提高，能夠更好地適應(yīng)鑄軋過(guò)程中的變形和填充要求。當(dāng)澆注溫度過(guò)高時(shí)，如640℃，雖然漿料的流動(dòng)性進(jìn)一步增強(qiáng)，但鑄軋件內(nèi)部出現(xiàn)了氣孔、縮松等缺陷。這是因?yàn)檫^(guò)高的澆注溫度會(huì)導(dǎo)致半固態(tài)漿料中的氣體溶解度降低，在凝固過(guò)程中氣體析出形成氣孔；同時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)使凝固速度變慢，容易出現(xiàn)縮松等缺陷。澆注溫度對(duì)凝固過(guò)程也有著重要影響。較低的澆注溫度會(huì)使凝固速度加快，導(dǎo)致固相顆粒來(lái)不及均勻分布，容易形成粗大的晶粒組織，降低鑄軋件的力學(xué)性能。而過(guò)高的澆注溫度則會(huì)使凝固速度過(guò)慢，增加了凝固過(guò)程中的偏析和缺陷形成的可能性。綜合考慮漿料流動(dòng)性、凝固過(guò)程和成形質(zhì)量等因素，確定最佳澆注溫度范圍為600-620℃。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，半固態(tài)漿料既能保持良好的流動(dòng)性，確保鑄軋件的填充完整和表面質(zhì)量，又能使凝固過(guò)程較為合理，減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，從而獲得高質(zhì)量的流變鑄軋成形件。4.2.2壓射壓力與速度的作用壓射壓力和速度是半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，它們對(duì)漿料的充型能力、型腔填充效果和制件內(nèi)部質(zhì)量有著重要影響。本研究通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入分析了這兩個(gè)參數(shù)的作用規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，采用專業(yè)的有限元分析軟件，建立了半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形的數(shù)值模型。在模型中，充分考慮了半固態(tài)漿料的流變特性、傳熱傳質(zhì)過(guò)程以及模具的熱邊界條件等因素。通過(guò)模擬不同壓射壓力和速度下漿料的流動(dòng)和凝固過(guò)程，得到了漿料在型腔中的速度分布、壓力分布以及溫度場(chǎng)變化等信息。模擬結(jié)果表明，壓射壓力對(duì)漿料的充型能力起著決定性作用。當(dāng)壓射壓力較低時(shí)，漿料在型腔中的流動(dòng)速度較慢，難以在短時(shí)間內(nèi)填充整個(gè)型腔，容易出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷。隨著壓射壓力的增大，漿料的流動(dòng)速度加快，充型能力顯著提高，能夠快速填充型腔，減少缺陷的產(chǎn)生。壓射速度同樣對(duì)充型效果有著重要影響。較低的壓射速度會(huì)導(dǎo)致漿料在型腔中的流動(dòng)不均勻，容易在局部區(qū)域形成渦流和紊流，使氣體卷入漿料中，形成氣孔等缺陷。而過(guò)高的壓射速度雖然能夠提高充型速度，但會(huì)使?jié){料對(duì)型腔壁產(chǎn)生較大的沖擊力，可能導(dǎo)致模具磨損加劇，同時(shí)也會(huì)增加氣體卷入的風(fēng)險(xiǎn)。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，采用先進(jìn)的流變鑄軋?jiān)O(shè)備，該設(shè)備能夠精確控制壓射壓力和速度。在不同的壓射壓力和速度條件下，制備了多個(gè)流變鑄軋成形件，并對(duì)其進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。在較低的壓射壓力和速度下，成形件存在明顯的澆不足和冷隔缺陷，內(nèi)部氣孔含量較高。隨著壓射壓力和速度的增加，成形件的填充效果得到改善，內(nèi)部質(zhì)量得到提高。當(dāng)壓射壓力為80MPa，壓射速度為1.5m/s時(shí)，成形件的質(zhì)量較好，表面光滑，內(nèi)部缺陷較少。綜合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了優(yōu)化的壓射參數(shù)。在半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程中，壓射壓力應(yīng)控制在70-90MPa之間，壓射速度應(yīng)控制在1.2-1.8m/s之間。這樣的參數(shù)組合能夠保證漿料具有良好的充型能力，使型腔填充效果良好，同時(shí)減少制件內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，提高制件的質(zhì)量和性能。4.2.3保壓時(shí)間的確定保壓時(shí)間是半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程中的另一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)制件的凝固收縮、內(nèi)部缺陷和力學(xué)性能有著顯著影響。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，深入探討了保壓時(shí)間的作用機(jī)制，確定了合適的保壓時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一系列不同保壓時(shí)間的流變鑄軋實(shí)驗(yàn)。將制備好的半固態(tài)AZ91D鎂合金漿料注入流變鑄軋模具中，在設(shè)定的壓射壓力和速度下進(jìn)行鑄軋成形。保壓時(shí)間分別設(shè)置為5s、10s、15s和20s，每個(gè)保壓時(shí)間條件下制備多個(gè)成形件。對(duì)不同保壓時(shí)間下的成形件進(jìn)行了全面的檢測(cè)和分析。利用X射線探傷儀檢測(cè)成形件內(nèi)部的缺陷情況，通過(guò)金相顯微鏡觀察成形件的微觀組織，使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試成形件的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保壓時(shí)間對(duì)制件的凝固收縮有著重要影響。當(dāng)保壓時(shí)間較短時(shí)，如5s，制件在凝固過(guò)程中由于得不到足夠的壓力補(bǔ)充，會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，導(dǎo)致制件出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，制件在凝固過(guò)程中能夠得到持續(xù)的壓力作用，收縮得到有效抑制，內(nèi)部缺陷減少。保壓時(shí)間還對(duì)制件的微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。較短的保壓時(shí)間會(huì)使制件的微觀組織不均勻，晶粒粗大，力學(xué)性能較低。而適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，能夠促進(jìn)制件內(nèi)部的原子擴(kuò)散和均勻化，使微觀組織更加均勻，晶粒細(xì)化，從而提高制件的力學(xué)性能。當(dāng)保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，如20s，制件的力學(xué)性能并沒(méi)有明顯提高，反而可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的壓力作用導(dǎo)致制件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響制件的質(zhì)量和使用壽命。綜合考慮制件的凝固收縮、內(nèi)部缺陷和力學(xué)性能等因素，確定合適的保壓時(shí)間為10-15s。在這個(gè)保壓時(shí)間范圍內(nèi)，制件能夠在凝固過(guò)程中得到適當(dāng)?shù)膲毫ρa(bǔ)充，有效抑制收縮，減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)獲得良好的微觀組織和力學(xué)性能。4.3數(shù)值模擬在工藝研究中的應(yīng)用4.3.1建立數(shù)值模型在對(duì)半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形工藝進(jìn)行深入研究時(shí)，數(shù)值模擬發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。基于有限元方法建立數(shù)值模型是實(shí)現(xiàn)這一研究的關(guān)鍵步驟。模型簡(jiǎn)化是建立數(shù)值模型的首要環(huán)節(jié)?？紤]到流變鑄軋成形過(guò)程的復(fù)雜性，為了提高計(jì)算效率并確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際的流變鑄軋系統(tǒng)進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。忽略了一些對(duì)成形過(guò)程影響較小的細(xì)節(jié)因素，如鑄軋?jiān)O(shè)備的微小結(jié)構(gòu)特征、模具表面的微觀粗糙度等。將鑄軋輥簡(jiǎn)化為剛性圓柱，忽略其在軋制過(guò)程中的彈性變形，這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，鑄軋輥的剛性相對(duì)較大，其彈性變形對(duì)成形過(guò)程的影響在一定程度上可以忽略不計(jì)。同時(shí)，將半固態(tài)AZ91D鎂合金漿料視為連續(xù)介質(zhì)，不考慮其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，這是基于宏觀尺度下，半固態(tài)漿料的整體流變行為可以用連續(xù)介質(zhì)模型較好地描述。材料參數(shù)設(shè)置是數(shù)值模型的核心內(nèi)容之一。半固態(tài)AZ91D鎂合金的材料參數(shù)包括密度、熱導(dǎo)率、比熱容、流變應(yīng)力等，這些參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確模擬成形過(guò)程至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，獲取了這些參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值。在流變應(yīng)力參數(shù)設(shè)置方面，依據(jù)之前進(jìn)行的流變?cè)囼?yàn)所得到的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用合適的流變模型來(lái)描述半固態(tài)AZ91D鎂合金的流變行為。選用了考慮應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度影響的本構(gòu)模型，該模型能夠較好地反映半固態(tài)鎂合金在不同條件下的流變特性。邊界條件定義是確保數(shù)值模擬準(zhǔn)確反映實(shí)際成形過(guò)程的關(guān)鍵。在鑄軋過(guò)程中，主要考慮了溫度邊界條件和力學(xué)邊界條件。溫度邊界條件方面，設(shè)定鑄軋輥的溫度為恒定值，這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)冷卻系統(tǒng)可以使鑄軋輥保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度。同時(shí)，考慮半固態(tài)漿料與鑄軋輥之間的熱傳遞，采用對(duì)流換熱系數(shù)來(lái)描述兩者之間的熱量交換過(guò)程。在力學(xué)邊界條件方面，設(shè)定鑄軋輥的轉(zhuǎn)速為恒定值，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)確定了轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值?？紤]了半固態(tài)漿料在鑄軋過(guò)程中受到的軋制力，通過(guò)設(shè)定軋制力的大小和方向，模擬其對(duì)成形過(guò)程的影響。4.3.2模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)精心建立的數(shù)值模型，對(duì)半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程進(jìn)行了全面模擬，獲得了豐富的模擬結(jié)果。在成形過(guò)程中，漿料流動(dòng)的模擬結(jié)果清晰地展示了半固態(tài)漿料在鑄軋輥之間的流動(dòng)形態(tài)和速度分布。可以觀察到，漿料在進(jìn)入鑄軋輥時(shí)，由于受到軋制力的作用，流速迅速增加，在鑄軋輥的間隙中形成了復(fù)雜的流場(chǎng)?？拷T軋輥表面的漿料流速較快，而中心區(qū)域的漿料流速相對(duì)較慢，這是由于鑄軋輥表面的摩擦力和軋制力的作用導(dǎo)致的。溫度分布的模擬結(jié)果揭示了成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。在鑄軋開始時(shí)，半固態(tài)漿料的溫度較高，隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，由于與鑄軋輥之間的熱交換，漿料的溫度逐漸降低。在鑄軋輥與漿料接觸的區(qū)域，溫度下降較快，形成了明顯的溫度梯度。在凝固過(guò)程中，溫度的變化對(duì)固相顆粒的生長(zhǎng)和分布產(chǎn)生了重要影響。應(yīng)力應(yīng)變分布的模擬結(jié)果展示了成形過(guò)程中材料內(nèi)部的力學(xué)狀態(tài)。在軋制力的作用下，半固態(tài)漿料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)力和應(yīng)變。在鑄軋輥的入口和出口區(qū)域，應(yīng)力和應(yīng)變相對(duì)較大，這是由于在這些區(qū)域，漿料受到的軋制力和變形較為劇烈。而在鑄軋過(guò)程的中間階段，應(yīng)力和應(yīng)變相對(duì)較小，材料的變形相對(duì)較為均勻。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在漿料流動(dòng)方面，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝的實(shí)驗(yàn)圖像與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在流動(dòng)形態(tài)和速度分布上具有較好的一致性。模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)漿料在鑄軋輥之間的流動(dòng)情況，驗(yàn)證了模型對(duì)漿料流動(dòng)模擬的準(zhǔn)確性。在溫度分布方面，通過(guò)熱電偶測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬得到的溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本相符。在不同位置處的溫度變化趨勢(shì)一致，溫度數(shù)值的誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了模型對(duì)溫度分布模擬的可靠性。在應(yīng)力應(yīng)變分布方面，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果能夠較好地反映材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。在關(guān)鍵位置處的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了模型對(duì)力學(xué)性能模擬的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面對(duì)比驗(yàn)證，表明建立的數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠有效地模擬半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形過(guò)程，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)測(cè)提供了有力的工具。五、半固態(tài)AZ91D鎂合金流變鑄軋成形技術(shù)應(yīng)用案例分析5.1在汽車零部件制造中的應(yīng)用5.1.1汽車零件的選材與設(shè)計(jì)以汽車輪胎主動(dòng)安全裝置零件為例，該零件在汽車行駛過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)汽車輪胎發(fā)生爆胎時(shí)，它能夠確保車輛仍可繼續(xù)受控行駛一定距離，實(shí)現(xiàn)安全停靠，有效避免因爆胎引發(fā)的各類交通事故，保障乘員的生命安全。選擇半固態(tài)AZ91D鎂合金作為制造材料，主要基于多方面的考慮。從材料性能角度來(lái)看，AZ91D鎂合金具有一系列優(yōu)良特性。它是一種典型的輕質(zhì)合金，密度僅約為1.82g/cm3，這使得制造出的零件重量大幅減輕，符合汽車輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。在汽車設(shè)計(jì)中，減輕零部件重量有助于降低整車重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少能源消耗和尾氣排放。AZ91D鎂合金還具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠在保證零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，有效應(yīng)對(duì)汽車行駛過(guò)程中的各種力學(xué)載荷。在輪胎主動(dòng)安全裝置工作時(shí)，會(huì)受到車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊以及輪胎內(nèi)部的壓力等多種外力作用，較高的比強(qiáng)度和比剛度確保了零件在這些復(fù)雜受力情況下仍能保持良好的性能，不易發(fā)生變形或損壞。該合金還具備良好的減震性，在汽車行駛過(guò)程中，能夠有效吸收和緩沖因路面不平產(chǎn)生的震動(dòng)，減少對(duì)零件自身和車輛其他部件的影響，提高零件的可靠性和使用壽命。良好的壓鑄成型性能也是選擇A