摘要
摘要
Al-Si合金因其良好的铸造性、优异的热物理性能和综合力学性能而广泛应
用于航空、航天和汽车工业领域。常采用半固态成形技术对Al-Si合金进行近
净成形，其关键在于制备出等轴状固相晶粒均匀散布在液相中的半固态合金。
传统的半固态合金制备方法均存在着过程复杂、工艺繁琐、能耗高等问题，且
制备的半固态合金还常存在微观组织不均匀、枝晶和变形组织的残留等问题。
这些问题的存在，不利于节约能源和资源，而且会增加半固态成形的难度并降
低成形件的质量。
本文基于粉末冶金液相烧结技术，结合半固态成形对合金的特殊微观组织
要求，提出了粉末液相反应烧结制备半固态Al-Si合金材料的新方法。该方法
通过Al、Si粉末颗粒之间的合金化反应产生液相，以液相流动、包裹剩余的球
形固相Al颗粒的方式形成半固态微观组织，且可以在液相反应烧结的过程中直
接对具有半固态微观组织的合金进行触变成形。以近球形的元素粉末为原料直
接反应形成半固态合金，省去了复杂的工艺过程，确保了近球形的固相晶粒，
防止了枝晶和残留变形组织的出现，具有工艺简便、能耗低、半固态微观组织
均匀、易于实现工业化生产等特点。
围绕粉末液相反应烧结制备半固态合金的新方法，以Al、Si元素粉末为初
始材料，系统开展了半固态Al合金的制备及触变成形研究。借助于混合粉末的
混粉和冷压实验，探究了元素粉末的混合和压制特性，得到了制备素坯的最佳
混粉和压制工艺参数；进行了素坯的液相反应烧结，研究了半固态组织形成和
演化机理，建立了半固态微观组织演化模型；通过反应热力学和动力学分析，
阐明了Al-Si二元体系的反应机理，得出了液相生成量演变的动力学方程，建
立了半固态微观组织的控制理论；通过上述研究确立了半固态Al-Si合金的制
备工艺以及半固态微观组织的控制原理和工艺方法。研究表明经50h混粉和
500MPa冷压后可获得具有97%致密度的冷压素坯；液相的生成促进了半固态
微观组织演变，其含量随着反应温度、时间以及Si含量的增加而增加，可用
y(6%)=14.7exp(-25487.4/RT)t0.35和y(8%)=95.5exp(-36154.2/RT)t0.4进行描述。
通过添加Cu有效提升了Al-Si合金的强度，系统的分析了其强化机制和机
理，建立了强化机制模型；通过Al、Si、Cu元素粉末的混粉、冷压、液相反应
烧结实验，确定了高强Al-Si合金的制备工艺；通过热力学和动力学分析，阐
明了Al-Si-Cu三元体系的反应机理，得到了液相生成量演变的动力学方程，建
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
立了半固态微观组织的控制理论。研究表明通过液相反应烧结可制备高强度Al
合金，其液相生成量的动力学方程为y=9.74exp(-23004.8/RT)t0.25；屈服强度贡
献超80%的Orowan强化为其最主要的强化机制，这主要得益于纳米α-Cu对位
错的强有力钉扎作用，使其YS和US分别达到257MPa和420MPa。
借助于等温压缩实验，研究了半固态Al-Si合金的流变行为及影响因素，
建立了流动应力模型，探究了合金发生半固态流变的临界液相含量；通过微观
组织观察分析了触变压缩过程中微观组织演变和液相流动的规律和机理，探究
了半固态微观组织失稳的规律及影响因素，建立了触变过程微观组织演变模型；
基于上述研究，明晰了半固态合金的流变行为和组织演变规律与机理，为半固
态成形的工艺方案制定和成形件的微观组织预测提供了理论基础和实验支持。
研究表明，当液相含量(fL)≥0.138后，液相能够协调Al晶粒进行稳定的流变、
防止流变失稳、从而获得均匀的变形组织，其本构方程可用σ=0.0