原標(biāo)題：北京交大&清華大學(xué)：不同壓鑄工藝對AE44鎂合金的影響

近年來，汽車等行業(yè)對壓鑄鎂合金的零部件提出了更高的要求，而壓鑄稀土鎂合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及高溫抗蠕變性能的特點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。輕稀土和重稀土在鎂合金中的作用主要包括凈化熔體、細(xì)化組織、提高力學(xué)性能和阻燃性能、增強(qiáng)耐蝕性能等，被認(rèn)為是提高鎂合金綜合性能的最具實(shí)用價(jià)值的元素。為了提高鎂的高溫力學(xué)性能，研究者開發(fā)了含有4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的Al和4%的RE（混合稀土）的AE44（Mg-4Al-4RE）合金。混合稀土的加入可以穩(wěn)定AlxREy（Al11RE3）相，并在高溫下抑制Mg17Al12相的形成。高壓壓鑄（HPDC）因其極高的尺寸精度和生產(chǎn)效率而被視為鎂合金成形技術(shù)的首選工藝，為擴(kuò)大其工業(yè)應(yīng)用，有必要對其壓鑄性能進(jìn)行研究。由于HPDC工藝的射速較高，熔體與模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，鑄件中會(huì)形成氣孔、縮孔、大枝晶和壓室預(yù)結(jié)晶（ESCs）等缺陷，對構(gòu)件的力學(xué)性能不利。此外，這些缺陷的形成與高壓壓鑄工藝參數(shù)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在高壓壓鑄中引入真空輔助可以減少金屬液填充過程中的氣體夾帶現(xiàn)象，從而減少鑄件中的氣孔。此外，降低慢壓射速度可以延長真空時(shí)間，但也會(huì)導(dǎo)致金屬液在壓室中停留時(shí)間過長，從而由于金屬液與壓室之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（IHTC）較大而形成大尺寸的枝晶狀ESCs。有研究者發(fā)現(xiàn)，提高低慢射速度可以縮短金屬液在壓室內(nèi)停留的時(shí)間，從而降低鑄件中ESCs的含量，但較高的低慢射速度加劇了ESCs的含量，存在氣攜現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件中形成較多的氣孔。加壓過程可以增加熔融金屬與型腔之間的IHTC，從而減少由ESCs積累引起的收縮，但是增加鑄造壓力會(huì)縮短模具的使用壽命。

有研究者應(yīng)用X射線同步輻射斷層掃描和三維重構(gòu)技術(shù)對鎂合金進(jìn)行研究。該技術(shù)可以表征孔隙度的三維形態(tài)，并將其與特定的高壓壓鑄工藝參數(shù)相結(jié)合。利用X射線層析成像技術(shù)對AM60B合金高壓壓鑄過程中的孔洞進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)根據(jù)孔洞的形成機(jī)理和形貌表征，可以識(shí)別出氣孔、氣縮孔、島狀縮松和網(wǎng)狀縮松4種類型的孔洞。通過三維重構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)AZ91D合金中缺陷帶寬度與ESCs的大小和數(shù)量密切相關(guān)，而ESCs的尺寸和數(shù)量主要受金屬液在壓室中的低慢速速度（ESCs生長時(shí)間）和金屬液進(jìn)入模具型腔時(shí)的快慢速速度（金屬液流動(dòng)的剪切應(yīng)力）影響。研究發(fā)現(xiàn)，鑄件表層隨機(jī)分布著大量氣孔，而鑄件心部則存在較大的氣孔（當(dāng)量直徑>425μm）。通過三維觀察發(fā)現(xiàn)，隨著鑄造壓力增加，高壓壓鑄AZ91D鑄件的孔洞體積逐漸減小，尤其是大孔洞。

綜上所述，鑄件的ESCs和氣孔率與壓鑄工藝密切相關(guān)。此外，三維重構(gòu)與二維觀察相結(jié)合，可以建立壓鑄工藝與孔洞形態(tài)之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步反饋和優(yōu)化壓鑄工藝。為了充分揭示低慢射速度、快慢射速度和鑄造壓力對AE44鎂合金微觀組織的影響，設(shè)計(jì)了6種壓鑄工藝，從二維和三維角度研究了鑄件的微觀組織。

圖文結(jié)果

采用BD-350V5型冷室壓鑄機(jī)生產(chǎn)AE44鎂合金鑄件，合金的化學(xué)成分見表1。圖1為壓鑄過程示意圖和試樣取樣位置。該壓鑄機(jī)壓射套筒的總長度為340mm，直徑為70mm。澆注壓力為13.7MPa，金屬液溫度為700℃，模具預(yù)熱溫度為150℃。在澆注過程中，柱塞以低慢射速度從40mm移動(dòng)到270mm，然后以快慢射速度從270mm加速到285mm，然后在13.7MPa的壓力下將熔體推入型腔。表2為6種設(shè)計(jì)的HPDC工藝。此外，利用AnyCasting軟件模擬了澆注過程中熔體的充型過程。本試驗(yàn)采用3棒1片的模具，見圖1b。ZEISS光學(xué)顯微鏡（OM）和Hitachi S-4500 型掃描電鏡（SEM）觀察和三維重構(gòu)的試樣取自圖1b所示的棒中間和近澆口位置。為了重構(gòu)三維真實(shí)結(jié)構(gòu)，在同步輻射設(shè)施（SSRF）的BL13W1光束線上進(jìn)行同步加速器X射線微層析成像試驗(yàn)，X射線能量為36keV。使用濱松Flash 4.0相機(jī)將曝光時(shí)間設(shè)置為15s。利用PITRE軟件中的相位檢索算法重構(gòu)數(shù)據(jù)，利用AVIZO軟件獲取三維微觀結(jié)構(gòu)。

表1 AE44鎂合金的化學(xué)成分(%)

1.鑄型 2.金屬液 3.補(bǔ)縮管 4.沖頭套
5.沖頭 6.中間試樣 7.近澆口試樣
圖1 壓鑄過程的示意圖和三棒一片模具試樣取樣位置

表2 AE44鎂合金壓鑄過程中所采用的工藝參數(shù)

圖2 HPDC AE44鑄件的背散射掃描圖及析出物的EDS光譜，With-F-P-1工藝下HPDC鑄件孔洞的三維表征和標(biāo)記區(qū)域孔洞形態(tài)

從圖2a可見，微觀結(jié)構(gòu)包括小的圓形α-Mg晶粒，大的枝晶狀壓室預(yù)結(jié)晶（ESCs）和孔洞（氣孔和收縮） ，與相關(guān)研究結(jié)果相似。定量EDS分析表明，AE44鑄件中主要檢測到兩種稀土金屬間化合物相，一種是Al2RE相，呈明亮的白色顆粒狀，分散在α-Mg晶粒中；另一種是Al11RE3相，呈灰白色絮狀，主要分布在α-Mg晶界處，見圖2b和圖2c。與二維觀測相比，三維觀測將孔洞劃分為4種類型，分別為氣孔（圓形）、凈收縮孔（尺寸較大且較不規(guī)則，一般靠近聚集的ESCs）、氣收縮孔（圓形孔由不規(guī)則收縮孔連接）和島狀收縮孔（尺寸較小，在少量ESCs聚集的情況下不規(guī)則程度較低）。從試樣表面到心部，ESCs的大小和數(shù)量逐漸增加。隨著快慢射速度的增加，鑄件表層ESCs的尺寸和數(shù)量增加，而隨著快慢射速度的增加，鑄件中心ESCs的尺寸和數(shù)量逐漸減小，同時(shí)，ESCs趨向于圓形。

圖3 4種HPCD條件下棒狀試樣中心位置的顯微組織形態(tài)

圖4 不同快慢射速度下棒狀試樣的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 4種HPCD條件下棒狀試樣中心的三維重構(gòu)圖像

可以看出，在With-F-P-1中，孔洞缺陷主要聚集在試樣的心部，孔洞類型以氣孔和收縮孔為主。在With-F-P-2試樣中，隨著低慢射速度的增加，試樣中孔洞的數(shù)量和體積大大減少，孔洞形態(tài)主要為小氣孔。在Without-P試樣中，孔洞尺寸增大，孔洞分布分散。這一變化說明鑄造壓力可以使氣孔分布集中，縮小氣孔尺寸。當(dāng)采用Without-F-P工藝時(shí)，顯示在棒狀試樣心部形成并積累了大的收縮孔，棒狀試樣心部孔洞堆積得越來越多、越來越大，容易形成縫隙，而剩余的熔體越少，填補(bǔ)縫隙的難度越大。隨后，在心部形成巨大的不規(guī)則凈收縮孔。

圖6 4種HPCD條件下棒狀試樣近澆口位置ESCs的形貌

圖7 4種HPDC條件下棒狀試樣近澆口位置的三維重構(gòu)圖像

圖8 4種工藝制備的試樣ESCs面積分?jǐn)?shù)和ESCs平均尺寸

圖9 3種快慢射速度棒狀試樣的ESCs面積分?jǐn)?shù)、ESCs平均尺寸和孔洞體積分布

圖10為4種工藝（With-F-P-1，With-F-P-2，Without-P，Without-F-P）的試樣總縮松體積和縮松率。可見，加壓和低慢射速度比快慢射速度更能顯著降低孔洞率。從圖4和圖6可知，在加壓和較低慢射速度下制備的試樣中，氣孔和收縮孔的尺寸顯著減小。此外，澆口附近的縮松體積和縮松率明顯高于棒狀試樣中心位置。圖11為使用AnyCasting軟件獲得的金屬液充型過程和型腔內(nèi)凝固時(shí)間。熔融金屬通過澆口，首先填充棒狀試樣中心位置，近澆口的部分隨后充滿了強(qiáng)烈的熔體湍流，引起了夾帶空氣的積聚。最后，熔體凝固后在澆口附近形成巨大的圓孔。此外，從圖11d可以看出，靠近澆口的金屬凝固時(shí)間比棒狀試樣中心位置的長，其中，ESCs不斷生長，尺寸大于棒狀試樣中心位置。隨后，更多更大的ESCs將連接起來，形成較大的空隙，增加了殘余熔體的填充難度，產(chǎn)生了更多更大的孔洞。

圖10 4種工藝下制備的棒狀試樣近澆口和中心位置的縮松體積和縮松率

圖11 金屬液填充過程模擬

圖12 不同工藝參數(shù)下試樣的拉伸斷裂形貌

圖13 4種不同壓鑄工藝生產(chǎn)的試樣的孔洞體積、ESCs的平均直徑和ESCs的面積分?jǐn)?shù)

圖14 4種不同壓鑄試樣的力學(xué)性能

結(jié)論

（1）三維重構(gòu)結(jié)果證實(shí)，加壓能明顯減小孔洞體積并將其聚集在棒狀試樣的核心，而沒有快慢射速度則會(huì)導(dǎo)致大量枝晶ESCs聚集并形成連續(xù)的凈收縮孔。此外，增加低慢射速度可以減少ESCs和氣孔。孔洞和ESCs統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，棒狀試樣中孔洞缺陷總體積的變化趨勢與ESCs相同。

（2）鑄件的斷裂形式主要受ESCs分布的影響，鑄件的力學(xué)性能與ESCs的數(shù)量和孔隙率成反比。結(jié)果表明，降低ESCs和孔隙率可以提高鑄件的力學(xué)性能，尤其是降低ESCs。

本文作者：

李俊杰1 馬超勝1 張通通1 于文波1 熊守美2

1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院；2. 清華大學(xué)材料學(xué)院

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》