[发明专利]一种高固相率金属半固态浆料粘度的测量方法

说明书

本发明涉及一种高固相率金属半固态浆料粘度的测量方法，属于金属熔体粘度测量领域。本发明采用热力模拟试验机对高固相率金属半固态浆料进行压缩变形，获得其变形过程的应力‑应变曲线，然后对测量结果进行修正并用数学公式换算出金属半固态浆料的粘度，包括：1)粘度测量试样制备；2)热压缩及数据记录；3)数据修正和粘度计算。本发明利用现有的金属材料热力模拟试验机，测定高固相率金属半固态浆料在压缩过程中变形抗力与变形量的定量关系，将修正后的测量结果根据数学转换公式获得其某一剪切速率下的粘度值。

技术领域

本发明涉及一种高固相率金属半固态浆料粘度的测量方法，属于金属熔体粘度测量领域。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院D.B.Spencer等研究人员发现金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由于液态金属母液中均匀悬浮着一定比例的球状固相结构所致。美国麻省理工学院研究人员很快意识到金属凝固这一特征将具有许多潜在的价值，随即对此进行了广泛深入的研究，并发展成为金属半固态成形技术。金属半固态成形技术综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小；变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。由此可见它必将成为21世纪金属加工技术的重要发展方向之一，是面向未来汽车，航天、航空等零件制造技术中最具有应用潜力的成形技术之一。

金属半固态浆料的流变行为及其组织演变控制是金属半固态成形的关键，测定金属半固态浆料的表观粘度是研究其流变行为的一个非常重要的表征量，用以分析其成形过程中的流动特性及分析成形性能，为消除成形件缺陷，优化工艺，指导模具结构设计提供理论基础。

目前，金属半固态浆料的流变学性质一般通过采用同轴圆筒式粘度计测定合金的表观粘度来研究，其测试原理是把两个直径不同的圆筒，同轴套在一起，被测的含有一定固相分数的金属半固态熔体装在两筒之间的环形空间里。驱动内筒或外筒旋转，在粘性作用下，转筒表面产生切应力，也就产生了转动力矩。通过装在旋转轴上的扭矩传感器记录扭矩和转速，并把力矩转换成切应力，由转速计算出切变速率，就可以根据牛顿粘性定律计算出该固相率金属半固态浆料的表观粘度。它有两种类型：外筒静止，内筒旋转的为Searle型；内筒静止，外圆筒旋转的为Couette型。

同轴圆筒式粘度计的测量误差主要有两方面，一是内外筒间隙处被测流体各部分的剪切速率不一致，只有当内外筒间隙很小或间隙宽度远远小于内外筒半径时，剪切速率才能接近均一。但是由于仪器构造的限制，即便操作上正确无误，也会使受测试样的实际流动状态和测量的假设条件不完全相符，造成一定的测量误差；另一方面由于仪器构造的限制，实际上进行黏度的测定时，不可能用无限长的圆筒，因此由圆筒的旋转所产生的黏性力矩，不仅受两筒侧面部分的影响，也受圆筒的上下两个端面部分的影响，特别是底面部分的影响更大，将圆筒底面间的距离加大，可适当缩小这个影响。

同轴圆筒式粘度计最早应用于聚合物流变性能的研究和粘度测量，后经改进用于测定金属半固态浆料的表观粘度，尤其是分析轻合金低固相率金属半固态浆料的稳态流变性能。低固相率金属半固态浆料粘度相对较低，状态与液态金属更为接近，无固定形态，使用同轴圆筒式粘度计测量粘度时半固态浆料可与内外筒充分润湿，并在较小的内外筒间隙处保持稳定的液面高度，从而获得较为可靠的某剪切速率下的粘度结果。但当金属半固态浆料固相分数较大时，其粘度呈指数量级增加，状态更类似于固态，由于内外筒间隙一般较小，半固态浆料不能均匀的充满内外筒间隙，液面出现波动，甚至出现半固态浆料结块现象，无法测量出其粘度结果，对于触变成形用半固态坯料的粘度更是无法测量。

因此，提供一种适合于高固相率金属半固态浆料粘度的测量方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容