高强高韧镁基复合材料制备成形技术可行性研究报告.doc

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1、南昌市科技计划项目可行性研究报告项目名称：高强高韧镁基复合材料制备成形技术计划类别： 重大重点项目申请单位：（盖章） 南昌大学项目（课题）负责人： 闫 洪通讯地址、邮编： 南昌大学机电工程学院 330031联系电话： 0791-5287568管理部门： 江西省教育厅南昌市科技局二四年七月高强高韧镁基复合材料制备成形技术可行性研究报告一、总论（一） 项目的主要内容及技术原理简述研究内容（1） 颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置的研究（2） 颗粒增强镁基复合材料二次加热重熔工艺的研究（3） 颗粒增强镁基复合材料触变塑性成形工艺及模具的研究（4） 颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形的数

2、值模拟（5） 研究颗粒增强镁基复合材料触变塑性成形的流动规律，开发出汽车镁基复合材料成形零件技术原理简述本项目针对当前环保对汽车轻量化日益严格的要求，就汽车高强高韧镁基复合材料制备成形的关键技术：颗粒增强镁基复合材料制备方法、数值模拟、触变塑性成形等方面进行全面深入研究。采用理论分析和实验分析相结合的方法，开发颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置、触变塑性成形工艺及模具，掌握颗粒增强镁基复合材料二次加热重熔的组织演变、触变塑性成形的流动规律，实现颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形的数值模拟，研制出汽车镁基复合材料成形零件，推动颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形方法在工业中的应用

3、。（二） 目的和意义近年来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，因而欧洲汽车制造商提出了“3L汽油轿车”的新概念。美国制定了“PNGV”（新一代交通工具构件）的合作计划，其目标是生产出消费者可承受的每100km耗油3L的轿车，且整车至少80%以上的零部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用新材料、新工艺和新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5.5%。如果每辆汽车能使用70kg镁合金，CO2的年排放量就能够减少30%以上。镁合金作为实际应用中最轻的结构金属材料，除重量轻、比强度高外，还具有导热性好、散热性佳

4、、减震性好，便于回收利用等特点，是当前制造汽车零部件的最理想材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用愈来愈受到人们的重视。现已逐步取代了一批铝和钢铁材料，世界各大汽车公司正极力争取采用镁合金零件的多少作为汽车技术领先的标志。预计今后汽车制造业使用将以20%的速度递增。随着汽车工业的轻量化进程，更使镁合金的应用成为一种不可阻挡的潮流。但在镁合金的应用过程中也存在强韧度不够高、抗蠕变性能差等缺点，因而开发具有高强韧度和抗蠕变性等特点的镁基复合材料及成形技术研究得到了普遍重视。（三） 相关技术领域国内外发展现状、趋势目前颗粒增强镁基复合材料的主要制备工艺为粉末冶金、压力浸渗、搅拌铸造等。粉末冶金法制

5、备的复合材料性能优异，但其工艺流程长、工序复杂、金属粉末成本高，增强相与粉末混合易产生爆炸，同时制品的尺寸也受到限制。压力浸渗法是将颗粒增强相制成预制块，然后在压力作用下将熔体渗入预制件间隙中。该工艺存在的问题是，预制块在压力作用下易变形，制得的复合材料微观结构不均匀，晶粒尺寸也比铰大，有害界面反应难于控制。搅拌铸造法是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中并与之复合，然后浇注成锭坯，铸件等。此法对设备要求低、工艺简单、成本低，便于实现工业化生产，成本仅为其它方法的1/3-1/10。但在高速搅拌的旋涡中不可避免有气体和夹杂物混入，易出现偏析和“结团”现象

6、，所以制成的复合材料性能往往不很理想。颗粒的粒度不能太小，加入量也有限制。因此在此基础上发展起来的半固态搅拌法能较好地解决上述问题。该方法是把基体金属加热到液相线与固相线之间的适当温度进行搅拌。利用半固态熔体的触变性，在粘度不大的液固两相熔体中，边搅拌边加入颗粒等增强物。由于两相熔体中固相粒子的夹带和包裹作用，增强物与金属熔体润湿性良好，且分布均匀，并可增加增强物的复合量。然后在液固两相温度或升温到液相温度进行浇铸,就可得到增强物分散均匀的金属基复合材料。研究表明，颗粒增强镁基复合材料具有优良的高温性能和热稳定性，还有较高的耐磨性能，但却大大地降低了塑性，不利于对其进行二次塑性加工,成形复杂零

7、件。随着半固态成形技术和理论不断成熟与发展，为镁基复合材料半固态成形开拓了新的发展方向，其中半固态触变塑性成形方法最具有优越性。半固态触变塑性成形是指将已制备好的具有半固态金属组织的锭坯切成所需长度，用二次加热装置再加热到半固态状态，经锻造、挤压、轧制和冲压等塑性变形方式成形为所需零件。与传统塑性加工相比，变形抗力低，降低能耗和成本，对于复杂的零件，可一次成形，提高生产率。因此，在半固态搅拌法制备基础上发展颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形技术对于加快汽车工业的轻量化进程是十分必要的，具有重要现实意义。九十年代以来国内的一些单位(如东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究院、华中科技大学等

8、)陆续开始半固态金属的制备及成形技术的研究工作，在铝基合金的搅动凝固特性及铸态组织、半固态铸造搅拌设备及旋转磁场等方面作了一些研究探索工作。我国已有的研究工作重点主要集中在铝合金的触变成形基础研究，而镁合金复合材料触变塑性成形技术研究尚属空白。开展颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形技术的开发研究，不仅有深刻的理论意义，而且具有广阔的应用前景。申请者和项目主要成员在新材料制备与精密成形技术等研究领域已开展了长期、系统的研究。申请者在镁合金半固态触变塑性成形理论和工艺等方面也取得了多项成果。申请者拟依据以上基础，针对当前环保对汽车轻量化日益严格的要求，采用理论分析和实验分析相结合的方法研究颗粒

9、增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置、触变塑性成形工艺及模具、二次加热重熔的组织演变、触变塑性成形的流动规律；开发出汽车镁基复合材料成形零件，推动颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形方法在工业中的应用。（四） 项目主要负责人的基本情况申请者闫洪，教授，博士生导师，博士（后），留美学者。2001年获工学博士学位。2001年-2004年在华中科技大学材料科学与工程博士后流动站从事新材料制备与成形技术博士后研究工作。2002年-2003年应美国俄亥俄州州立大学邀请作为高访学者从事先进材料加工技术的研究。现任南昌大学先进成形制造及模具研究所所长，南昌大学材料加工工程省重点学科负责人, 江西省新世

10、纪百千万人才, 江西省高校中青年学科带头人，江西省模具CAD/CAE/CAM研究开发中心主任，江西省塑性工程学会副理事长，江西省模具工业协会技术专业委员会副主任委员，新加坡材料学会会员, 国家自然科学基金委员会工程与材料学科评议专家，现代制造工程杂志编委，中国有色金属学报（英文版、中文版）、应用基础与工程科学学报等杂志审稿人。长期从事新材料制备与精密/确成形技术、材料加工过程计算机模拟和新一代模具的先进材料及制造技术理论等研究。现指导硕、博士研究生10余名。负责完成的省部级以上科研项目主要有“镁合金半固态挤压成形工艺和理论研究，半固态镁合金触变成形基础理论研究，半固态镁合金触变成形技术的研究，

11、型材挤压工艺及模具智能化设计系统，“汽车镁合金零件压铸成型新技术的开发”，“汽车镁合金零件半固态压铸成型技术与装备”等，其中后三项通过江西省科技厅组织的鉴定，鉴定水平为国内领先。目前正主持国家自然科学基金等。多次应邀前往美国、意大利、新加坡、德国等地进行学术交流。获江西省高校科技成果三等奖、湖北省自然科学优秀学术论文三等奖各1项，已在国际期刊和国内重要刊物Science and Technology of Advanced Materials，Materials Science Forum，Materials and Design、Materials Science and Engineeri

12、ng B，Key Engineering Materials，Acta Metallurgica Sinica Letter，Transactions of Nonferrous Metals Society of China，Journal of Wuhan University of Technology-Material Science Edition,机械工程学报等上公开发表学术论文80余篇，SCI 13篇，EI 30篇，编著了由清华大学出版社出版的“塑性成形原理”，主编了“中国材料工程大典第21卷第8篇”等。申请国家发明专利2项。近年来发表的相关学术论文、论著及专利1. YAN Ho

13、ng，et al. Research on the Fabrication Process and Properties of SiCp. Materials Science Forum, 2007 (in press)2. YAN Hong，et al. Theoretical Analysis of Plastic Forming Process for Semi-Solid Material. Materials Science Forum Vols.488-489 (2005) pp.389-392 (SCI)3. YAN Hong，et al. Numerical Simulatio

14、n on Thixoforming of Wrought Magnesium Alloy. Materials Science Forum, Vols.532-533 (2006) pp.701-704 (SCI) 4. YAN Hong，et al. Structure Evolution of AZ61 Magnesium Alloy in SIMA Process. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15 (3):560-564 (SCI、EI)5. YAN Hong，et al. Upper Bound

15、Analysis of Thixotropic Extrusion Processes of Semi-Solid Magnesium Alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15（S3）：227-231 (SCI)6. YAN Hong，et al. Mathematical Model of Determination of Die Bearing Length in Design of Aluminum Profile Extrusion Die. Transactions of Nonferro

16、us Metals Society of China, 2004, 14(5):890-895 (EI、SCI)7. YAN Hong，et al. Flow stress Model for hard machining of AISI H13 work tool steel. Acta Metallurgica Sinica Letter, 2005(6):741-7488. YAN Hong，et al. Numerical simulation of finish hard turning for AISI H13 die steel. Science and Technology o

17、f Advanced Materials. 6 (2005): 540-547(SCI、EI)9. YAN Hong，et al. An appproach to the optimal design of technological parameters in the profile extrusion process. Science and Technology of Advanced Materials, 7(2006): 127-131(SCI、EI)10. YAN Hong，et al. Flow Stress of AISI H13 Die Steel in Hard Machi

18、ning. Materials and Design, 2007 (in press)11YAN Hong，et al. The Stress Distribution and Thermal Behavior of TiBN and TiBN/TiN Coatings in Milling AISI H13 Work Tool Steel. J. Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 2005 20(1)：1-5 (SCI、EI )12YAN Hong，et al. EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS

19、 ON THE PROFILE EXTRUSION PROCESS. Key Engineering Materials, 2006 Vols. 321-323: 627-630(SCI)13YAN Hong，et al. Thixotrpic Compression Deformation Behavior of Semi-solid AZ61 magnesium Alloy. Materials Science and Engineering B, 2006 Vol 132/1-2 pp 179-182(SCI)14 YAN Hong，et al. The upper-bound anal

20、ysis of cold extrusion process for box-shaped products. Materials Science and Engineering B, 2006 Vol 132/1-2: 187-192(SCI)15 YAN Hong，et al. NUMERICAL SIMULATION OF AZ91D ALLOY AUTOMOBILE PLUG IN PRESSURE DIE CASTING PROCESS. Journal of Materials Processing Technology, 2007 (in press)16 YAN Hong，et

21、 al. Constitutive model of Thixotropic Plastic Forming for Semi-Solid AZ61 Magnesium Alloy. Solid State Phenomena, 2006 Vols.116-117:639-642(SCI)17 YAN Hong，et al. Microstructural evolution of semi-solid AZ61 magnesium alloy during reheating process. Solid State Phenomena, 2006 Vols.116-117:275-278(

22、SCI)18 YAN Hong，et al. FE Simulation during Profile Extrusion Process in Multi-Hole Die. International Conference On Manufacturing Automation(ICMA 2004), Wuhan of China,827-832 (EI)19 YAN Hong，et al. Optimization of Technological Parameters for Profile Extrusion Process and its Numerical Simulation.

23、 17th International conference computer aided production engineering, 2001.10:185-188 (ISTP)20 YAN Hong，et al. STUDY ON PREPARATION TECHNIQUE OF SEMI-SOLID AZ61 ALLOY BY SIMA. 8th International Conference on Technology of Plasticity,Italy, 2005.1021 闫洪等. 半固态金属成形的本构关系. 材料导报, 2002 16（11）：8-1022 闫洪等. 半

24、固态金属塑性加工力学模型的研究. 中国有色金属学报，2002 12 (S2):136-13923 闫洪等. 镁合金汽车螺塞成形工艺的比较研究. 塑性工程学报, 2005 12 (sup): 71-73(EI)24 闫洪等. AZ61镁合金触变压缩变形特性. 塑性工程学报, 2005 12 (sup): 191-194(EI)25 闫洪等. 半固态金属触变塑性成形上限法. 塑性工程学报, 2005 12 (5): 63-65(EI)26 闫洪等. 半固态金属触变挤压的上限分析. 塑性工程学报，2005 12（4）：66-69(EI)27 闫洪等. AZ61镁合金在形变诱导法中的组织演变，中国机械

25、工程 ，2005 16(8):719-722 (EI )28 周冰锋, 闫洪等. 实验研究半固态AZ61合金的本构关系. 中国机械工程，2006 29 徐晨，闫洪等. 镁合金半固态触变成形过程数值模拟. 中国有色金属学报, 200630 袁有录，闫洪等.镁合金半固态流变充型过程数值模拟. 铸造, 2006 55(5)：494-498 （EI）31 张发云，闫洪等.AZ61半固态合金二次加热工艺及组织演变. 塑性工程学报, 2006 (4) 32 张发云，闫洪等.金属基复合材料研究进展. 锻压技术, 2006 (5)33 张发云，闫洪等.AZ61镁合金在SIMA处理过程中工艺参数对组织及性能的影

26、响. 南昌大学学报(理科版)，2005(4)34 胡勇, 闫洪等.数值模拟技术在汽车螺塞压铸工艺设计中的应用. 铸造, 2006 55(3):262-265 （EI）35 胡勇, 闫洪等.镁合金半固态成形的现状及发展前景. 现代机械工程, 2006 (6)36 揭小平，闫洪等.圆形压铸件浇注系统对充填流态影响的数值分析. 铸造技术, 2006 27（1）:63-66 （EI）37 胡志, 闫洪等.照相机铝合金外壳压铸CAE分析. 模具工业, 2006 (5)38 李海江，夏巨谌，闫洪等. 半固态触变成形坯料感应加热的数值模拟. 金属成形工艺，2003 (1)：30-3239 闫洪等. 型材挤压

27、过程工艺参数优化模型. 机械工程学报，2002 38(10): 78-81 (EI)40 闫洪等. 工艺参数对铝型材挤压变形规律的影响. 中国有色金属学报，2002 12(6): 1155-1161 (EI收录)41 闫洪等. 型材挤压成形理论研究. 机械工程学报，2000 (7)：26-30 (EI)42 闫洪等. 角铝型材挤压过程的数值模拟. 中国有色金属学报, 2001 (2) (EI)43 闫洪等. 盒形件反挤压的上限分析. 塑性工程学报, 2000 (1)：26-30 (EI)44 闫洪等. 模孔偏置位置参数对型材挤压成形影响的数值研究. 中国机械工程，2003 14 (23) ：2

28、002-200645 闫洪等. H13淬硬钢精车过程的数值模拟，中国机械工程，2005，16（11）：985-989 (EI )46 闫洪等. 型材挤压模工作带长度设计计算的数学建模. 塑性工程学报，2002 9（1）:70-73 47 闫洪等. 双孔模型材挤压过程的有限元分析. 塑性工程学报，2003 10（1）：28-31 48 闫洪等编著. 塑性成形原理，清华大学出版社, 200649 夏巨谌，闫洪主编. 中国材料工程大典第21卷第8篇, 化学工业出版社, 200650 闫洪等.AZ61镁合金半固态坯料的制备方法, 国家发明专利,申请号：200510063947.8, 申请时间：2005

29、.3.2851 闫洪等.AZ61镁合金半固态重熔组织的制备方法, 国家发明专利,申请号：200510126608.X, 申请时间：2005.12.16近年来的主要研究成果：1 江西省教育厅重点项目“铝型材挤压工艺及模具智能设计系统”(第一完成人, 鉴定水平为国内领先，2003年，江西省高校科技成果三等奖)2 江西省教育厅项目“汽车镁合金零件压铸成型新技术的开发”(第一完成人, 鉴定水平为国内领先，2006年)3 国家重点实验室开放基金项目“镁合金半固态挤压成形工艺和理论研究”(第一完成人,已结题，2002年)4 国家重点实验室开放基金项目“半固态镁合金触变塑性成形数值模拟”(第一完成人,已结题

30、，2005年)5 江西省自然科学基金项目“半固态镁合金触变成形基础理论研究” (第一完成人, 已结题，2005年)6 江西省材料科学与工程研究中心基金项目“半固态镁合金触变成形技术的研究”(第一完成人, 已结题，2004年)7 江西省科技厅攻关项目“汽车镁合金零件半固态压铸成型技术与装备” (第一完成人,鉴定水平为国内领先，2006年)8 江铃集团公司委托的技术开发项目“汽车铝合金压铸成型CAD/CAE研究”(第一完成人, 已结题，2005年)9 教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目“镁合金等温超塑性挤压的基础研究”(主要成员, 已结题) 10 国家自然科学基金项目“面外”Moire”理论

31、体系模拟技术研究及”Moire”仪研制” (主要成员,已结题，2001年)11 江西省教育厅项目“铝型材挤压模CAD/CAE/CAM 一体化技术” (主要成员,已鉴定，2002年)（五） 有关本项目的现有工作基础和支撑条件（一）由申请者主持完成的江西省科技厅工业攻关项目“汽车镁合金零件半固态压铸成型技术与装备”和江西省教育厅项目“汽车镁合金零件压铸成型新技术的开发研究”，2006年通过了江西省科技厅组织的鉴定，鉴定水平为国内领先。获得的主要成果有：研制了一种新型镁合金半固态浆料制备与流变成形连为一体的装置；开发了一种适宜于镁合金半固态浆料表观粘度测定的数字粘度计；研究了搅拌工艺参数对半固态镁合

32、金流变性能、微观组织和机械性能的影响规律，获得了半固态镁合金制备的合适工艺参数；建立了表观粘度与固相分数和剪切速率之间的数学模型；通过数值模拟技术研究了半固态镁合金流变压铸的充型规律，优化了半固态镁合金流变成形的工艺参数；将模拟结果应用于半固态镁合金压铸成型模设计，经现场试验验证，取得了与实际产品成形过程一致的技术研究成果。上述成果对完成颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置研究等具有直接参考作用。技术成果说明如下：（1）镁合金半固态浆料制备与流变装置的研制为了研究工艺参数对半固态镁合金流变性能和微观组织的影响，自行设计制造了一套半固态镁合金机械搅拌与流变成型为一体的设备。其示意图如图1

33、-2所示。该装置主要由剪切装置、搅拌坩埚、温度控制装置、真空装置及压铸机组成。温度控制装置具有自诊断功能，由计算机程序控温仪精确控制，控温精度可达到1 0C。为了将实验与实际生产结合，在炉底开了出料口，以便和压铸机压室连接，将制备的半固态浆料压铸成型。出料口部分同样可以进行加热，避免由于温度的降低而对成型的不利。1. 热电偶2.控温设备与温度显示表3.氩气罐4.出料口 5.调速电机6.氩气7.搅拌叶片8.吸液管9.加热电阻丝10.坩埚 11.半固态镁合金12.真空表13.真空罐14.真空泵15.塞杆图1 机械搅拌装置1、 型腔2、压铸型3、加热电阻丝4、塞杆5、定量供料室6、7活塞8、压射室图

34、2 半固态金属流变成形装置（2）镁合金半固态浆料表观粘度的数字粘度仪的开发对于半固态金属浆料，其部分凝固的固相晶粒呈颗粒状，即使金属浆料的固相较高，在一定的外力作用下，仍具有较好的流动性。为了描述半固态金属浆料的流动性，就需要研究其流变行为，这是半固态金属浆料成型技术的基础之一。为此，本课题组开发了一种测量镁合金半固态浆料表观粘度的数字粘度仪（如图3-4所示）。本数字粘度仪工作的过程是:电动机带动转筒在被测液体或半固态的浆料中转功，由于转筒和被侧物质的相互作用，转筒在旋转的反方向上产生扭矩。这个扭矩传递给扭矩传感器，扭矩传感器将产生微弱的模拟电压信号，经A/D转换板放大并转成数字信号输入到微机

35、中进行处理，从而就能在微机中计算出被测物质的粘度系数。图3 数字粘度仪系统结构 图4 采集系统电路原理图（3）搅拌工艺参数对半固态镁合金性能的影响镁合金结晶时，晶粒以枝晶生长方式生长，由于剪切的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒。随着剪切速率的增大和剪切时间的延长，其结构逐渐从枝晶状向蔷薇形演化，最终演化成圆整度更高的球形结构。通过研究搅拌工艺参数对半固态镁合金流变性能、微观组织和机械性能影响的规律（图5-7所示），获得了半固态镁合金制备的合适工艺参数。(a) (b) (c) (d) 图5 不同剪切速率下半固态镁合金(AZ91D)的

36、微观组织(a) (b) (c) (d) 图6 半固态镁合金试样的抗拉强度 图7 半固态镁合金试样的延伸率 （4）镁合金半固态流变压铸过程数值模拟通过建立的表观粘度与固相分数和剪切速率之间数学模型，采用数值模拟技术研究了半固态镁合金流变压铸的充型规律，揭示了流变压铸在充填流态、压力传递、缩孔缩松产生位置及尺寸等方面较传统压铸优越，指导了半固态镁合金流变成型工艺实践（图8-9所示）。图8 半固态镁合金中间轴螺塞流变压铸过程数值模拟 图10 半固态镁合金中间轴螺塞模具及压铸件（二）由申请者主持完成的江西省自然科学基金 “半固态镁合金触变塑性成形基础理论研究” 、江西省材料科学与工程研究中心开放基金“

37、半固态镁合金触变成形技术的研究”、国家重点实验开放基金“镁合金半固态挤压成形工艺和理论研究”和“半固态镁合金触变塑性成形数值模拟”，均已结题。获得主要成果有：研究了半固态金属塑性加工力学模型；研究了镁合金半固态SIMA制备方法；研究了镁合金半固态坯料二次加热重熔工艺，建立了半固态镁合金触变塑性成形的本构模型；完成了半固态镁合金触变塑性成形的热力学性能试验；建立了半固态触变塑性成形的上限分析模型和理论方法；进行了半固态镁合金触变塑性成形数值模拟；研究了半固态镁合金触变塑性挤压和模锻；并申请了国家发明专利两项。所获成果对完成颗粒增强镁基复合材料半固态二次加热重熔工艺的研究、颗粒增强镁基复合材料半固

38、态触变塑性成形工艺、装置及数值模拟研究等具有直接参考作用。技术成果说明如下：(1)半固态金属触变塑性成形上限法理论 在高固相率时, 半固态金属的力学模型可简化为连续多孔体力学模型。针对半固态金属触变塑性成形的特点，本研究发展了上限法理论在半固态金属触变塑性成形分析中的应用。提出速度间断值不仅要包括切向分量，还要包括法向分量。速度间断的法向分量是由于金属通过速度不连续面时，材料固相率的变化而引起的（图11）。由此建立了半固态金属触变塑性成形的上限分析模型和理论方法，导出了变形功率的计算公式。为进一步应用于实际工艺分析奠定了理论基础。图11 速度间断面示意图（2）半固态镁合金触变挤压上限分析 运用

39、上文提出的半固态金属触变塑性成形上限理论, 对半固态金属触变挤压过程进行了上限分析。导出了半固态金属触变挤压上限功率的计算公式，获得了相对应力与摩擦因子、半锥角和断面缩减率等工艺参数的相互影响关系（图12）。对于某一固定的半锥角，摩擦因子的增加使相对应力增大，而增大的幅度随着断面缩减率的增大而增大。对于某一固定的断面缩减率，半锥角的增加，使相对应力下降后再度略有上升。因此存在着一个最佳半锥角，对应于最佳上限解，其相对应力为最小。而且摩擦因子越小，相对应力下降幅度越小。所获结论可用于指导半固态镁合金触变挤压工艺实践。图12 半固态金属触变挤压时变形区划分示意图（3）镁合金半固态的SIMA制备方法

40、 研究了AZ61镁合金在应力诱发熔体激活法（SIMA）制备半固态坯料过程中预变形量、等温温度和保温时间对其组织的影响（图13）。试验样品经过0、22、40的预变形和不同等温热处理条件处理，结果表明：制备 AZ61镁合金半固态非枝晶组织的理想工艺参数为形变量22、等温温度595、保温时间40min。 (a) 595，20min，=22 (b) 595，40min，=22 图13 半固态AZ61镁合金在不同时间的组织演变（4）半固态镁合金二次加热工艺及组织演变 研究了应力诱发熔体激活法（SIMA）制备的AZ61半固态镁合金坯料在二次加热时加热温度和保温时间对其组织的影响（图14），研究表明：二次加

41、热初期半固态组织首先熔合合并，随着保温时间延长，晶粒逐渐长大和球化，液相份数增加；保温温度越高，晶粒长大和球化速度加快。在592加热、保温2040分钟,可以获得均匀，园整的半固态组织,晶粒大小为8090，液相率为4042。高于597时，试样重熔过程中易发生严重变形。 （a）587, 40 min (b) 592, 20 min图14 半固态AZ61镁合金二次加热的组织演变（4）半固态镁合金触塑性变成形的变形行为 利用Gleeble-1500热模拟试验机分别对半固态AZ61镁合金和常规铸态试样进行了压缩试验, 分析了它们的应力应变关系和组织变化。研究表明：半固态AZ61镁合金触变压缩变形时，变形

42、抗力明显低于常规铸态时的变形抗力（减少1/3-1/2），并且随着变形温度的提高，变形抗力显著减少；同时随着应变速率的升高, 变形抗力也愈大。半固态镁合金触变压缩变形后，其球状组织呈明显的受压变形特征。（5）半固态镁合金触变塑性成形的本构关系 采用Gleeble1500热模拟试验机,对半固态AZ61镁合金坯料进行了半固态单向压缩实验 ,分析它们的应力应变关系，研究了主要热力参数(应变速率，应变，温度T，液相率)与半固态AZ61镁合金应力之间数值关系, 应用多元非线性回归方法建立了半固态AZ61镁合金的本构关系，为半固态镁合金触变塑性成形的数值模拟和热力参数的合理制订与控制提供了基础。建立的半固态

43、AZ61镁合金触变塑性成形本构关系如下：(a) 0.1 (b) T = 538图15 实验真实应力真实应变曲线和多元非线性回归计算曲线（6）镁合金半固态触变塑性成形数值模拟采用上文建立的本构关系对镁合金触变锻造过程进行了数值模拟, 分析了高固相体积分数下半固态镁合金材料触变力学性能，得到镁合金零件半固态触变成形过程的变形流动规律和温度场（图16）。研究表明相对难以变形的固态镁合金在半固态状态下具有良好的材料充填性能，半固态触变塑性成形后零件中应力应变分布均匀，半固态技术较传统加工方式具有优越性。图16 镁合金半固态触变塑性成形过程等效应变分布二、项目实施方案（一） 项目达到的目标及考核的主要技

44、术经济指标达到的目标采用理论分析和实验分析相结合的方法研究颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置、触变塑性成形工艺及模具、二次加热重熔的组织演变、触变塑性成形的流动规律；开发出汽车镁基复合材料成形零件，推动颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形方法在工业中的应用, 替代铝和钢铁材料，实现汽车轻量化要求，以减轻汽车尾气对环境的污染。主要技术经济指标（1）提供颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备技术，获得性能优良的镁基基复合材料；（2） 提出颗粒增强镁基复合材料半固态二次加热重熔的组织演变规律；（3） 提出颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形的流动规律；（4） 提供颗粒增强镁基复合材料半固态

45、触变塑性成形技术及装备，达到实用化程度；（5） 与普通镁合金相比，平均提高产品的机械性能指标35%45%；（6） 培养博、硕士生3-6名；（7） 在国内外重要学术刊物上发表10篇论文；（8） 上述技术水平达到国际先进、国内领先；技术表达形式为：提供论文、新材料、新工艺、新产品等。（二） 项目的主要研究（开发）内容1. 颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置的研究2. 颗粒增强镁基复合材料二次加热重熔工艺的研究3. 颗粒增强镁基复合材料触变塑性成形工艺及模具的研究4. 颗粒增强镁基复合材料半固态触变塑性成形的数值模拟5. 研究颗粒增强镁基复合材料触变塑性成形的流动规律，开发出汽车镁基复合材料成形零件 （三） 试验（开发）规模及地点小批量生产，试验地点在南昌大学和南昌齿轮锻造厂。（四） 主要技术关键及创新点拟解决的关键问题(1) 颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌制备工艺及装置的研究；(2) 颗粒增强镁基复合材料触变塑性成形工艺及模具的研究。主要创新点1.颗粒增强镁基复合材料半固态浆料制备技术本身具有技术上的优越性和灵活性，同时，该技术又与铸造技术等常规技术具有相容性、成本低，具有良好的工业化应用前景。2.颗粒增强镁基复合材料半固态塑性成形与常规挤压、锻造技术等技术相结合应用于汽车零件成形，具有变形抗力低，降低能耗和成本，延长模具寿命，一次成形复杂零件，提高生产率等优点。