[发明专利]一种半固态材料连接成形一体化方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料连接及成形技术领域。

背景技术

材料连接是将两种或多种材料(包括金属和非金属、复合材料、化合物等)通过一定工艺条件连接到一起，形成一个完整的、具有一定使用性能的结构。材料连接结构具有多种材料综合的优良性能，因而在航空航天、空间技术、核工业、微电子、汽车、石油化工等领域得到了广泛的应用。

现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，研制开发新型高性能结构零件以及先进连接技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题，这一现象在汽车、航空航天、电子通讯等领域体现得更为明显。如航天领域和国民生产领域中的热管结构采用了铝合金与不锈钢、铝合金与铜的板管结构，新一代导弹的发动机、推进器壳体、高压气瓶和燃气轮机叶片也都采用陶瓷和金属两种材料焊接在一起的方法连接技术是连接材料构成连接结构的关键。材料连接结构在国防领域和国民生产、生活中更广泛应用的前提是获得良好的接头综合性能，而机械连接、胶接和常规熔焊方法难以满足这些要求。

由于连接材料的物理性能和化学性能存在很大差异，对连接的要求比较苛刻。目前一般采用机械连接、胶接、焊接等方法，主要以机械连接和胶接或二者组合应用为主。但机械连接和胶接存在很多缺点，如强度低、结构质量大、胶接时产生多余物等，因此，国内外众多研究者开展了大量的研究，采用焊接方法来解决连接材料的连接问题。众所周知，常规的熔焊方法连接容易出现如下问题：(1)冶金不相容性，在界面形成脆性化合物相；(2)热物理性能不匹配，产生残余应力；(3)力学性能差异大，导致连接界面力学失配，产生严重的应力奇异行为。上述问题的存在，不但使得材料连接困难，而且还影响到接头组织、性能和力学行为，对接头的断裂性能和可靠性造成不良影响，甚至严重影响结构的完整性。

近年来，对连接材料使用特殊工艺进行连接以满足制件的使用要求，并能生产出高质量复合连接零件(智能零件)，已成为生产制造工程师和广大科学工作者研究探索热点。而传统的铸造及锻造技术已不能完全满足这些零部件的制造需求和使用性能，正是这种需求使得半固态成形技术的研究受到广泛的关注，尤其是半固态成形制件的力学性能和质量控制。

半固态金属成形是20世纪70年代新发现的一种凝固现象的应用，它不是利用凝固过程来控制组织的变化或缺陷的产生，而是通过半固态金属液产生的流变性和熔融性来控制制件的质量。它对解决传统压铸件缺陷多、寿命低、耗能大等问题具有重要作用，因此受到国内外有关学者的关注。

半固态成形包括流变成形和触变成形。将制得的半固态非枝晶浆料直接进行成形加工，称为流变成形(Rheoforming)；而将这种浆料先凝固成铸锭，再根据需要将金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热至半固态温度区间而进行的加工成为触变成形(Thixoforming)。

流变成形，由于直接获得的半固态浆液的保存和输送很不方便，因此在实际应用中很少。但是与触变成形相比，流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑、因此流变成形技术仍然是金属半固态成形加工技术的一个重要发展方向。镁合金流变成形的发展主要以射铸成形的发展为主，它类似于塑料注射成形法：开始将粉末状或块状金属通过料斗送入高温螺旋混合机加热至半融化状态后，以混料螺旋为活塞，通过喷嘴高速射入压铸模具内成形。美国Dow Chemical公司研制了镁合金的半固态触变成形工艺与设备，并于1991年实现商业化。美国contell大学的K.K.Wang等人、Kono Kaname、英国Brunel大学的Z，Fan，S.Ji and M.J.Bevis等人也在不同程度上研究开发了半固态金属流变注射成形机，其中包括螺旋搅拌流变成形机、叶片搅拌注射成形机和双螺杆半固态金属流变注射成形机。

触变成形与流变成形相比更为实际可行。与传统的压铸相比，触变注射成形无需液态金属熔炼和浇注等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。主要表现为单位成形件的原材料消耗大大减少、无爆炸危险、没有熔渣产生；成形过程中卷人的气体大幅度减少，零件空隙度小于0.069％，因此，成形件可以热处理，保证制件的质量；缩松少，致密度高，成品率可达50％或更高，而压铸只能达到35％；具有良好的耐蚀能力，机械性能高于或相当于压铸件。与传统压铸相比，工作温度约降低100℃，有利于提高压铸模寿命。生产过程具有良好的一致性，成形件尺寸精度高可达到近终形或终形成形。触变成形根据其工艺过程可以分为非枝晶组织的制备、二次部分重熔及半固态触变成形三个过程。