半固态金属成形技术70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法―半固态金属成形。半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料加压成形。后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及模具寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。在节省能源、保护环境方面也较传统的铸造方法更为优越。目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。1半固态金属的流变特性半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。在更高的固体组分(0.5～0.6)时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉(Binghan)流体的特性。虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式(1)所示的半固态金属表观粘度表示式［1］：图1固相率与表观粘度间的关系(曲线为回归结果)由于半固态金属浆料中的固相率主要由半固态金属的温度来决定，因此在实际应用中温度的控制非常重要。使半固态金属发生变形时的剪切应变率对表观粘度也有很大影响。用高温旋转粘度计对稳定状态的半固态A356铝合金的表观粘度进行了测定，结果如图2所示。该表观稳定态粘度可以用公式(2)的形式来表示［2］：图2A356铝合金浆料稳态表观粘度与剪切率的关系(2)式中：η―表观粘度，γ―剪切率，C―稠度，m―为指数，其数值为-1.2至-1.3。上述情况都是在搅拌试验进行几十分钟，粘度不再变化，达到稳定状态时得出的结果。对于连续冷却状态，则表观粘度较稳定态的稍高。在实际成型加工中，半固态金属充填型腔的时间只持续几秒钟，在这一瞬间由于液体相的粘度，固体颗粒的数量、大小、形貌均在变化，情况变得十分复杂。文献［3］通过对锡-15%铅所作的试验后指出，在给定的结构下，半固态浆料的瞬时结构特性为随着剪切率的增加表观粘度有所增加。将搅拌的半固态金属浆料凝固后再重新加热至半固态，由于半固态金属的触变性，当切变速率很小或等于零时，半固态金属的粘度很高，可以象固体一样夹持及搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流体一样很容易成形。和其它具有触变性能的材料一样，半固态金属浆料也具有滞后回线现象，如图3所示。对于初晶为树枝状的半固态合金，当固相率达到0.3左右就无法流动，而初晶形状为近乎圆形的半固态合金，即使固相率超过0.5，也还有流动性，这说明凝固时晶粒形态对流变性有重大影响。制造半固态金属浆料时，搅拌速度、冷却速度及固相组分对非树枝状结构的生成具有如图4所示的影响［4］。图3半固态金属剪切应力与粘度的触变现象图4非树枝晶结构生成机理示意图2半固态金属的制备生产中常用机械或电磁搅拌的方法来制备金属浆料，用这两种方法可以得到固体组分的颗粒大小在50～100μm范围内的浆料。图5为采用机械搅拌方式连续生产金属浆料的装置［5］。对于铝、铜合金和铸铁，该法可实现固相率为0.5的浆料的连续生产。机械搅拌也可采用剪切冷却辊方式［6］。电磁搅拌法与机械搅拌相比，减少了搅拌器对浆料的污染，但在制备高固相率的浆料时，搅拌速度会急剧降低，表观粘度迅速增加，使浆料的排出发生困难。图6为一种采用半固态金属制造铝基复合材料的电磁搅拌装置［7］。该装置中的4对磁极以0～3000r/min的速度回转。为了使浆料产生三维运动，磁铁与旋转中心轴之间有10°的偏转角，呈螺旋形放置。采用该装置已制造出A356铝合金为基体，加入平均颗粒尺寸为29μm的20vol%SiC