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

近年來(lái)，汽車等行業(yè)對(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)，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(guò)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(duì)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(duì)AM60B合金高壓壓鑄過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(duì)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(jiàn)表1。圖1為壓鑄過(guò)程示意圖和試樣取樣位置。該壓鑄機(jī)壓射套筒的總長(zhǎng)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(guò)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(guò)程中熔體的充型過(guò)程。本試驗(yàn)采用3棒1片的模具，見(jiàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)，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(cè)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(jiàn)圖2b和圖2c。與二維觀測(cè)相比，三維觀測(cè)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(shuō)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(lái)越多、越來(lái)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(jiàn)，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(guò)程和型腔內(nèi)凝固時(shí)間。熔融金屬通過(guò)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(zhǎng)，其中，ESCs不斷生長(zhǎng)，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(lái)，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(guò)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(méi)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(shì)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》