CN118497507A - 一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半固态金属成形技术领域，具体涉及一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，包括以下步骤：步骤100，测定金属坯料的半固态温度区间及液相率‑温度的对应关系；步骤200，将金属坯料放入超声重熔模具中；步骤300，将超声重熔模具放入感应线圈中心；步骤400，对金属坯料进行半固态重熔处理；步骤500，在超声重熔模具上施加超声振动；步骤600，半固态重熔结束后从超声重熔模具中取出即得到半固态坯料。本申请中的制备半固态坯料的方法中，超声振动形成的高能超声场与感应加热形成的均匀温度场对半固态组织产生协同优化作用，实现具有尺寸细小且均匀分布的球晶组织的半固态坯料的短流程快速制备。
Description
技术领域
本申请涉及半固态金属成形技术领域，具体涉及一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法。
背景技术
半固态成形工艺是采用温度处于固相线温度和液相线温度之间的半固态金属坯料进行的成形工艺，半固态成形按照工艺流程分为流变成形和触变成形，与流变成形相比，触变成形所用的原料为固态金属坯料，在半固态坯料制备过程中不易引入杂质；制备的半固态坯料具有较高的固相分数，成形过程中不易产生固液偏析缺陷，且固相晶粒更容易产生塑性变形，因此触变成形构件具有更高的综合力学性能。
其中，半固态触变成形的关键在于制备出的半固态坯料具有尺寸细小且均匀分布的半固态球晶组织。目前广泛采用的传统半固态坯料制备方法包括应变诱导熔化激活法和再结晶重熔法等，在将坯料加热到半固态温度之前，都需要先进行大变形量的热塑性变形或温塑性变形，以及变形组织再结晶等工艺步骤，存在工艺过程繁琐、能耗高的问题。对于镁合金、高强铝合金或其他塑性较差的金属材料，采用传统的半固态坯料制备方法难以产生充分的塑性变形，为了获得足够的变形储能，需要进行更加复杂的塑性变形工艺，从而消耗更多的资源。若塑性变形不充分，会导致变形组织中储存能不足，进而使再结晶过程不完全，导致半固态组织中固相晶粒的尺寸分布不均匀且球化程度较低，坯料具有较大的变形抗力，在之后的触变成形过程中，坯料流动填充模具型腔的过程受到较大的阻碍，难以顺利成形复杂形状构件，且对触变成形构件的综合力学性能产生不利影响，难以满足实际工业生产的需求。
发明内容
本申请的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法。
一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，包括以下步骤：
步骤100，测定金属坯料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系；
步骤200，将所述金属坯料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述金属坯料进行半固态重熔处理；
步骤500，在所述超声重熔模具上施加超声振动；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到半固态坯料。
进一步地，步骤100中的所述金属坯料包括具有半固态温度区间且可用于半固态加工的合金材料或金属基复合材料。
进一步地，步骤400中半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段。
进一步地，步骤400中半固态重熔处理时处于所述升温阶段时的升温时间为10～15分钟。
进一步地，步骤400中半固态重熔处理时的温度为液相率10～40％时对应的温度。
进一步地，步骤400中半固态重熔处理时处于所述保温阶段时的保温时间为5～15分钟。
进一步地，步骤500中在所述保温阶段时持续施加或间歇施加超声振动。
进一步地，步骤500中在保温阶段时，超声振动的时间为20～180s，超声振动频率为15～25kHz，超声功率为1～2kW，超声工具头振幅为10～80μm。
进一步地，所述金属坯料包括铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金、铅锡合金、钢、钛合金等合金材料。
进一步地，所述金属坯料包括以铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金等合金为基体的金属基复合材料。
本申请实施例提供的一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法至少具有以下效果：
1、在金属坯料的半固态重熔过程中，超声振动形成的高能超声场与感应加热形成的均匀温度场对半固态组织产生协同优化作用，一方面，感应温度场使金属坯料快速形成液相，这是高能超声场产生声致空化效应的前提；另一方面，高能超声场产生的声致空化效应和机械效应进一步促进了液相的生成，并对固相晶粒进行润湿，加速了固相晶粒的球化进程，最终实现了具有尺寸细小且均匀分布的球晶组织的半固态坯料的短流程快速制备；
2、感应加热技术能够实现金属坯料整体在较短时间内的同步升温，坯料内部形成快速提升并分布均匀的温度场，晶间液相薄膜快速生成且合并连接后成为液相网络以充分润湿固相晶粒，均匀的温度场使坯料各部位的合金元素原子的扩散速率相近，因此半固态组织中固相晶粒的球化程度和长大速率基本相同。
3、超声振动通过机械效应对金属坯料半固态重熔过程产生影响，针对液相率较低的半固态组织，超声高频的机械振动将半固态坯料中存在的固相骨架破碎，有利于促进固相晶粒之间的分离以及液相对固相晶粒的润湿，提高了半固态坯料中固相晶粒尺寸的均匀性。
附图说明
图1为本申请中的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的工艺流程图；
图2为本申请中实施例一中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图3为本申请中对比例一中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图4为本申请中实施例二中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图5为本申请中对比例二中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图6为本申请中实施例三中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图7为本申请中对比例三中的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片；
图8为本申请中的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的工艺过程参考图；
图9为本申请的图8中的A区放大图。
图中标号为：1-感应加热控制设备、2-热电偶、3-感应线圈、4-超声工具头、5-超声振动控制设备、6-超声重熔模具、61-第一模具、62-第二模具。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。
此外，为了方便理解，放大(厚)或者缩小(薄)了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。
单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，图1示出了本申请中超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的工艺流程图，如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定金属坯料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，同时，所述的金属坯料包括具有半固态温度区间且可用于半固态加工的合金材料或金属基复合材料；
在本申请的一些优选的实施例中，所述金属坯料包括铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金、铅锡合金、钢、钛合金等合金材料；
在本申请的一些优选的实施例中，所述金属坯料包括以铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金等合金为基体的金属基复合材料；
步骤200，将所述金属坯料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述金属坯料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10～15分钟，半固态重熔温度为液相率10～40％时对应的温度，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为5～15分钟；
步骤500，当半固态重熔处理处于保温阶段时，在所述超声重熔模具上持续施加或间歇施加超声振动，超声振动时间为20～180s，超声振动频率为15～25kHz，超声功率为1～2kW，超声工具头振幅为10～80μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到半固态坯料。
在本申请的一些优选的实施例中，如图8和图9所示，在进行超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的过程中，使用超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的装置，包括感应加热控制设备1、热电偶2、感应线圈3、超声工具头4、超声振动控制设备5、超声重熔模具6，所述感应加热控制设备1分别与所述热电偶2和所述感应线圈3相连，所述超声重熔模具6与所述超声工具头4连接，所述超声振动控制设备5控制所述超声工具头4产生超声振动，并传递给所述超声重熔模具6，同时，通过所述超声振动控制设备5调整设置超声振动的各项参数。
具体地，所述超声重熔模具6包括第一模具61和第二模具62，所述第一模具61与所述第二模具62可拆卸连接且所述第一模具61与所述第二模具62在工作时形成闭合的腔体用于容置所述金属坯料，所述金属坯料的上下表面始终与所述超声重熔模具6的内壁相互接触。同时，以所述超声重熔模具6为介质，当所述超声工具头4产生振动后传递给所述超声重熔模具6，再传递给内部腔体中的所述金属坯料，实现半固态坯料的快速制备。
进一步地，在感应重熔的过程中，采用所述热电偶2测量所述金属坯料的温度，将所述热电偶2的测温端深入所述超声重熔模具6中并与所述金属坯料的表面接触或深入所述金属坯料的内部，用以实时反馈所述金属坯料的温度，同时，所述感应线圈3通电产生磁场，利用电磁感应原理加热所述金属坯料，通过所述感应加热控制设备1调控感应重熔过程中的各项参数。
本申请提供的一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法通过感应加热技术实现金属坯料半固态重熔工艺的加热和保温。对金属的加热方法一般包括电阻炉加热、感应加热、电流加热。传统的电阻炉通过热辐射加热金属坯料，存在耗能大、效率低的问题，在加热过程中，金属坯料外部组织先到达半固态温度，金属坯料心部通过外部的热传导受热，升温速度慢，因此金属坯料中产生沿表层到心部的温度梯度。随着金属坯料在半固态温度区间内加热温度的升高，半固态组织的液相率对温度的敏感性逐渐提高，即半固态组织液相率的提升速率逐渐增加，因此金属坯料外部和心部半固态组织液相率的差距逐渐扩大。与心部相比，金属坯料外部具有更高的温度和液相率，液相中合金元素原子的扩散能力更强，固相晶粒更容易发生球化和长大，导致制备的半固态坯料中固相晶粒的球化程度和尺寸沿坯料径向出现严重不均匀性；此外，长时间的加热和保温使液相组织在重力作用下聚集并向金属坯料下方流动，即金属坯料在高度方向上也出现组织的不均匀性，宏观表现为“塌陷”现象，最终对半固态成形构件的微观组织和力学性能产生不利影响。电流加热目前较难控制。
感应加热技术通过感应线圈中的交变电流使线圈周围产生交变磁场，放置于线圈中磁场范围内的金属坯料由于电磁感应而产生涡流继而发热，其温度能够迅速升高。与传统使用电阻炉相比，感应加热技术具有不直接接触、加热效率高、速度快等显著优势。因此，感应加热技术能够实现金属坯料整体在较短时间内的同步升温，坯料内部形成快速提升并分布均匀的温度场，晶间液相薄膜快速生成且合并连接后成为液相网络以充分润湿固相晶粒，均匀的温度场使坯料各部位的合金元素原子的扩散速率相近，因此半固态组织中固相晶粒的球化程度和长大速率基本相同。
本申请提供的一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其中，半固态重熔过程中形成的液相在超声振动的作用下会产生声致空化效应，在金属坯料的制备过程中，由于不均匀凝固等原因会产生微孔隙或气穴，在超声波拉伸和压缩的协同作用下为空化泡的形核提供了有利条件，空化泡形核后经历长大、振荡和溃灭的过程，溃灭后的空化泡被分散成微小气泡，在超声振动作用下形成新的空化泡，因此声致空化效应持续不断，空化泡溃灭时能够产生瞬时高温、高压、微射流和冲击波。
其中，对于金属坯料中的液相组织，空化泡溃灭时产生的能量使微区内温度升高，同时微射流和冲击波对尚未完全熔化的共晶组织产生瞬时剪切力作用，脆性共晶组织被破碎和分散，有利于促进共晶组织的熔化和液相网络的生成；对于金属基复合材料，声致空化效应对固相晶粒和未熔共晶相周围的增强相团聚体产生持续的冲击、破碎以及解聚分散作用，提高了增强相分布的均匀性，有利于阻碍晶界迁移，减小固相晶粒的尺寸。
金属坯料中固相晶粒的球化过程即晶粒表面大曲率处的熔化过程，固相晶粒与其周围的液相不断进行着溶质传递，液相中的合金元素原子向固相晶粒表面大曲率处扩散，使该处熔点降低并熔化，因此固相晶粒的球化效率主要由合金元素原子的扩散速度决定，声致空化效应产生的高温和微射流冲击能够提高周围区域内合金元素原子的扩散速率，因此超声振动可以促进固相晶粒的球化。对于金属基复合材料，固、液相界面处增强相的分散，扩大了液相与固相晶粒和未熔共晶相之间的接触面积，有利于溶质在固、液相之间的扩散传递，促进了液相的生成和固相晶粒的球化。
此外，超声振动通过机械效应对金属坯料半固态重熔过程产生影响，针对液相率较低的半固态组织，超声高频的机械振动将半固态坯料中存在的固相骨架破碎，有利于促进固相晶粒之间的分离以及液相对固相晶粒的润湿，提高了半固态坯料中固相晶粒尺寸的均匀性。因此，与传统半固态坯料制备方法相比，采用超声振动辅助半固态重熔工艺能够有效实现半固态球晶组织的短流程制备。
综上所述，在金属坯料的半固态重熔过程中，超声振动形成的高能超声场与感应加热形成的均匀温度场对半固态组织产生协同优化作用，一方面，感应温度场使金属坯料快速形成液相，这是高能超声场产生声致空化效应的前提；另一方面，高能超声场产生的声致空化效应和机械效应进一步促进了液相的生成，并对固相晶粒进行润湿，加速了固相晶粒的球化进程，最终实现了具有尺寸细小且均匀分布的球晶组织的半固态坯料的短流程快速制备。
实施例一
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为20％时对应的温度，即635℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为60s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
对比例一
本对比例提供一种感应重熔制备半固态坯料的方法，包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；。
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为20％时对应的温度，即635℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
图2和图3分别示出了本申请在感应重熔过程中施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料光学显微组织图片和不施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片，如图2和图3所示，施加超声振动的光学显微组织图片中，颜色较浅的为半固态组织中的固相晶粒，颜色较深的为液相组织，可以看到固相晶粒尺寸细小且分布均匀，形状圆整，晶间液相无明显偏析聚集现象。采用图像处理软件对显微组织图片进行统计可以得到，固相晶粒的平均晶粒尺寸为78.4μm，平均形状因子为0.83；不施加超声振动的光学显微组织图片中，固相晶粒的尺寸分布均匀性较差；部分大尺寸晶粒呈长条状或花瓣状，半固态组织整体的球化效果较差；部分晶粒中产生液滴，但是由于重熔时间较短，液滴还没有完成向晶界的迁移过程。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为85.0μm，平均形状因子为0.73。
由此可见，施加超声振动后的固相晶粒的平均晶粒尺寸小于不施加超声振动的固相晶粒的平均晶粒尺寸，且施加超声振动后的固相晶粒的平均形状因子大于不施加超声振动的固相晶粒的平均形状因子，超声振动有利于促进固相晶粒之间的分离，有利于通过加速溶质传递以促进固相晶粒的球化。
实施例二
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为10％时对应的温度，即625℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为60s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为40μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
对比例二
本对比例提供一种感应重熔制备半固态坯料的方法，包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；。
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为10％时对应的温度，即625℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
图4和图5分别示出了本申请在感应重熔过程中施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料光学显微组织图片和不施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片，如图4和图5所示，施加超声振动的光学显微组织图片中，固相晶粒多为近球形或多边形晶粒，晶粒尺寸细小。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为80.2μm，平均形状因子为0.78；不施加超声振动的光学显微组织图片中，固相晶粒基本维持铸态组织特征，整体的球化程度低。由此可见，在较低液相率的半固态重熔温度下，超声振动显著促进了固相晶粒的球化过程。
实施例三
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为40％时对应的温度，即645℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为15分钟；
步骤500，保温阶段开始的4分钟、9分钟和14分钟后，在所述超声重熔模具上间歇施加超声振动，每次超声振动时间为60s，即施加超声振动的总时间为180s，超声振动频率为25kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为80μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
对比例三
本对比例提供一种感应重熔制备半固态坯料的方法，包括以下步骤：
步骤100，测定TiB2/Al-4.5Cu复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，可得其半固态温度区间为545℃～674℃；
步骤200，将所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiB2/Al-4.5Cu复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为40％时对应的温度，即645℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为15分钟；
步骤500，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料。
图6和图7分别示出了本申请在感应重熔过程中施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料光学显微组织图片和不施加超声振动而制备得到的TiB2/Al-4.5Cu复合材料半固态坯料的光学显微组织图片，如图6和图7所示，施加超声振动的光学显微组织图片中，固相晶粒尺寸细小且分布均匀，形状圆整，晶间液相无明显偏析聚集现象。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为92.4μm，平均形状因子为0.83；不施加超声振动的光学显微组织图片中，固相晶粒尺寸较大，由于液相没有完全润湿固相晶粒，导致部分固相晶粒出现合并长大现象，球化程度较低。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为107.9μm，平均形状因子为0.77。
实施例四
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定2024铝合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为505℃～647℃；
步骤200，将所述2024铝合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述2024铝合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为10％时对应的温度，即600℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为5分钟；
步骤500，保温阶段开始的4分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为20s，超声振动频率为15kHz，超声功率为1kW，超声工具头振幅为10μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到2024铝合金半固态坯料。
进一步地，2024铝合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为81.0μm，平均形状因子为0.79。
实施例五
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定A356铝合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为574℃～636℃；
步骤200，将所述A356铝合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述A356铝合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即587℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为60s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到A356铝合金半固态坯料。
进一步地，A356铝合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为70.2μm，平均形状因子为0.78。
实施例六
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定SiCp/AZ91复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为469℃～595℃；
步骤200，将所述SiCp/AZ91复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述SiCp/AZ91复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即560℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为60s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到SiCp/AZ91复合材料半固态坯料。
进一步地，SiCp/AZ91复合材料半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为48.5μm，平均形状因子为0.79。
实施例七
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定AZ91镁合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为469～595℃；
步骤200，将所述AZ91镁合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述AZ91镁合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即555℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为60s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为40μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到AZ91镁合金半固态坯料。
进一步地，AZ91镁合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为49.3μm，平均形状因子为0.8。
实施例八
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定ZCuSn10P1铜合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为876～1024℃；
步骤200，将所述ZCuSn10P1铜合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述ZCuSn10P1铜合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即952℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的4分钟、9分钟后，在所述超声重熔模具上间歇施加超声振动，每次超声振动时间为60s，即施加超声振动的总时间为120s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到ZCuSn10P1铜合金半固态坯料。
进一步地，ZCuSn10P1铜合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为60.9μm，平均形状因子为0.78。
实施例九
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定SiCp/QSn7-0.2复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为823～1054℃；
步骤200，将所述SiCp/QSn7-0.2复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述SiCp/QSn7-0.2复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即955℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的4分钟、9分钟后，在所述超声重熔模具上间歇施加超声振动，每次超声振动时间为40s，即施加超声振动的总时间为80s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到SiCp/QSn7-0.2复合材料半固态坯料。
进一步地，SiCp/QSn7-0.2复合材料半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为52.5μm，平均形状因子为0.79。
实施例十
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定SiCp/ZA27复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为378～495℃；
步骤200，将所述SiCp/ZA27复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述SiCp/ZA27复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为40％时对应的温度，即450℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为40s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为40μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到SiCp/ZA27复合材料半固态坯料。
进一步地，SiCp/ZA27复合材料半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为36.3μm，平均形状因子为0.81。
实施例十一
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定ZA12锌合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为386～438℃；
步骤200，将所述ZA12锌合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述ZA12锌合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为40％时对应的温度，即400℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为40s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为40μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到ZA12锌合金半固态坯料。
进一步地，ZA12锌合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为34μm，平均形状因子为0.78。
实施例十二
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定GH4037镍基高温合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为1309～1405℃；
步骤200，将所述GH4037镍基高温合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述GH4037镍基高温合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为25％时对应的温度，即1360℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的8分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为90s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为60μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到GH4037镍基高温合金半固态坯料。
进一步地，GH4037镍基高温合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为206μm，平均形状因子为0.79。
实施例十三
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定TiCp/IN718复合材料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为1075～1340℃；
步骤200，将所述TiCp/IN718复合材料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述TiCp/IN718复合材料进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为20％时对应的温度，即1280℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的8分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为90s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为60μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到TiCp/IN718复合材料半固态坯料。
进一步地，TiCp/IN718复合材料半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为54.9μm，平均形状因子为0.77。
实施例十四
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定Pb-40％Sn铅锡合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为180～240℃；
步骤200，将所述Pb-40％Sn铅锡合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述Pb-40％Sn铅锡合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为10分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即185℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的9分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为40s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为50μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到Pb-40％Sn铅锡合金半固态坯料。
进一步地，Pb-40％Sn铅锡合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为75.8μm，平均形状因子为0.79。
实施例十五
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定SKD11工具钢的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为1200～1342℃；
步骤200，将所述SKD11工具钢放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述SKD11工具钢进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为30％时对应的温度，即1265℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的8分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为90s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为60μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到SKD11工具钢半固态坯料。
进一步地，SKD11工具钢半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为28μm，平均形状因子为0.77。
实施例十六
本申请提供了一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤100，测定Ti-26Cu-4Fe钛合金的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系，得其半固态温度区间为966～1300℃；
步骤200，将所述Ti-26Cu-4Fe钛合金放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述Ti-26Cu-4Fe钛合金进行半固态重熔处理，半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段，其中，在升温阶段，半固态重熔的升温时间为15分钟，半固态重熔温度为液相率为40％时对应的温度，即1010℃，在保温阶段，半固态重熔的保温时间为10分钟；
步骤500，保温阶段开始的8分钟后，在所述超声重熔模具上持续施加超声振动，超声振动时间为120s，超声振动频率为20kHz，超声功率为2kW，超声工具头振幅为60μm；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到Ti-26Cu-4Fe钛合金半固态坯料。
进一步地，Ti-26Cu-4Fe钛合金半固态坯料组织中固相晶粒尺寸细小且均匀性良好，固相晶粒球化程度较高。经过统计，固相晶粒的平均晶粒尺寸为39μm，平均形状因子为0.79。
以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100，测定金属坯料的半固态温度区间及液相率-温度的对应关系；
步骤200，将所述金属坯料放入超声重熔模具中；
步骤300，将所述超声重熔模具放入感应线圈中心；
步骤400，对所述金属坯料进行半固态重熔处理；
步骤500，在所述超声重熔模具上施加超声振动；
步骤600，半固态重熔结束后从所述超声重熔模具中取出即得到半固态坯料。
2.根据权利要求1所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤100中的所述金属坯料包括具有半固态温度区间且可用于半固态加工的合金材料或金属基复合材料。
3.根据权利要求1所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤400中半固态重熔处理包括升温阶段和保温阶段。
4.根据权利要求3所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤400中半固态重熔处理时处于所述升温阶段时的升温时间为10～15分钟。
5.根据权利要求3所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤400中半固态重熔处理时的温度为液相率10～40％时对应的温度。
6.根据权利要求3所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤400中半固态重熔处理时处于所述保温阶段时的保温时间为5～15分钟。
7.根据权利要求3所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤500中在所述保温阶段时持续施加或间歇施加超声振动。
8.根据权利要求3所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
步骤500中在保温阶段时，超声振动的时间为20～180s，超声振动频率为15～25kHz，超声功率为1～2kW，超声工具头振幅为10～80μm。
9.根据权利要求2所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
所述金属坯料包括铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金、铅锡合金、钢、钛合金等合金材料。
10.根据权利要求2所述的超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法，其特征在于：
所述金属坯料包括以铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍基高温合金等合金为基体的金属基复合材料。
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| CN202410782729.2A CN118497507A (zh) | 2024-06-17 | 2024-06-17 | 一种超声辅助感应重熔短流程快速制备半固态坯料的方法 |
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| CN118832133A (zh) * | 2024-09-20 | 2024-10-25 | 广州众山紧固件有限公司 | 一种半固态铸件的热处理方法 |
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| CN118832133B (zh) * | 2024-09-20 | 2025-01-14 | 广州众山紧固件有限公司 | 一种半固态铸件的热处理方法 |
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