原標(biāo)題：壓鑄SiC/6061復(fù)合材料表皮層、孔洞的形成機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響

摘要：進(jìn)行了SiC/6061復(fù)合材料真空輔助壓鑄試驗(yàn)，研究了表皮層和不同壁厚試樣內(nèi)部孔洞的形成機(jī)理，并探討了其對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，不同壁厚試樣均存在厚度約為0.5 mm的表皮層，2 mm壁厚試樣以分散的氣孔為主，壁厚增大為4 mm后，孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)橐詺饪s孔為主，并形成了大尺寸縮孔，孔洞集中于試樣軸線心部區(qū)域。拉伸過(guò)程中，大尺寸縮孔易誘發(fā)試樣脆性斷裂，而處于表皮層中的顆粒易引起表皮層脆性破壞，導(dǎo)致試樣力學(xué)性能下降。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PAMCs）自產(chǎn)生以來(lái)，主要應(yīng)用于航天與軍事領(lǐng)域，而在民用領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道很少，除價(jià)格因素外，主要是由于所添加的增強(qiáng)顆粒具有高強(qiáng)度、高硬度的特性，導(dǎo)致PAMCs的后續(xù)切削加工難度大，生產(chǎn)成本高。壓鑄技術(shù)具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好及后續(xù)加工少的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋁及鎂合金鑄件的大批量生產(chǎn)。采用攪拌鑄造法批量制備PAMCs熔體，并利用壓鑄技術(shù)實(shí)現(xiàn)其近凈成形，可減少后續(xù)切削加工以降低成本，對(duì)于PAMCs的推廣與應(yīng)用具有十分重要的意義。

壓鑄工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致壓鑄組織與普通鑄造組織差異較大。壓鑄充型過(guò)程中，金屬熔體由壓室進(jìn)入型腔后，與型壁接觸發(fā)生激冷，形成由細(xì)晶組成的表皮層（亦稱(chēng)激冷層）。通常認(rèn)為表皮層具有細(xì)晶材料的特性，可提高鑄件的力學(xué)性能，但也有研究指出其對(duì)鑄件性能的影響較小。關(guān)于表皮層的形成，研究表明其主要受充型過(guò)程中熔體與型壁的碰撞方式及鑄件的凝固順序的影響，直接碰撞時(shí)表皮層不易產(chǎn)生，而間接碰撞、回流及優(yōu)先凝固的邊緣區(qū)域易形成表皮層。此外，壓鑄過(guò)程中熔體在高壓下高速充填型腔，容易發(fā)生卷氣并形成孔洞缺陷。大量研究表明，孔洞缺陷減少了材料的有效承載面積，且大尺寸孔洞容易誘發(fā)鑄件斷裂失效導(dǎo)致力學(xué)性能下降，而采用真空輔助壓鑄技術(shù)可有效減少孔洞缺陷，提高鑄件的伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度。

與基體鋁合金相比，PAMCs的密度、粘度及傳熱系數(shù)均有較大變化，因此壓鑄工藝對(duì)PAMCs鑄件組織與性能的影響必將存在差異。但是，目前關(guān)于PAMCs壓鑄成形的研究報(bào)道較少，針對(duì)壓鑄PAMCs表皮層、孔洞缺陷及其對(duì)力學(xué)性能影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本課題開(kāi)展了PAMCs真空輔助壓鑄試驗(yàn)，研究壓鑄SiC/6061復(fù)合材料表皮層、孔洞缺陷的形成機(jī)理，并探討表皮層及孔洞缺陷對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響。

1、試驗(yàn)材料與方法

選擇平均粒徑為50 μm的SiC顆粒作為增強(qiáng)相，選擇商用6061鋁合金作為基體材料，其具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用研制的壓鑄前PAMCs攪拌制備裝置見(jiàn)圖1a，采用半固態(tài)攪拌鑄造法制備SiC/6061復(fù)合材料熔體，詳細(xì)步驟見(jiàn)參考文獻(xiàn)，制備出SiC含量為10%（體積分?jǐn)?shù)）的SiC/6061復(fù)合材料熔體65 kg。

表1:試驗(yàn)用6061鋁合金的化學(xué)成分

SiC/6061復(fù)合材料壓鑄澆注溫度設(shè)定為720 ℃，模具溫度設(shè)定為190 ℃，其他工藝參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)，并利用真空輔助工藝防止卷氣缺陷。采用TOYO BD-360V4-T冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的SiC/6061復(fù)合材料壓鑄件見(jiàn)圖1b。從鑄件上取壁厚為2、4、6、8 mm和寬度均為6 mm的拉伸試樣，利用阿基米德排水法對(duì)試樣的孔隙率進(jìn)行檢測(cè)，采用SHIMADZU AG-X 100KN島津拉伸試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試溫度為室溫，拉伸速率為2 mm/min。每組壁厚測(cè)試5根拉伸試樣然后計(jì)算出平均值，用以評(píng)價(jià)該工藝條件下的拉伸性能。利用YXLON Precision S X-CT對(duì)鑄件進(jìn)行了三維X射線斷層掃描分析，并利用VGStudio MAX 3.0軟件對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取孔洞的三維形貌。采用FEI Quanta 200環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察增強(qiáng)顆粒的分布形態(tài)及拉伸斷口形貌。

（a）PAMCs攪拌制備裝置     （b）SiC/6061復(fù)合材料壓鑄件
圖1:SiC/6061復(fù)合材料壓鑄實(shí)驗(yàn)

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表皮層的形成及對(duì)增強(qiáng)顆粒分布的影響

圖2為壓鑄SiC/6061復(fù)合材料不同壁厚試樣的微觀組織。可以看出，不同壁厚試樣心部均存在少量的SiC顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，試樣外層組織中存在較厚的表皮層，且表皮層內(nèi)部顆粒較為稀少，見(jiàn)標(biāo)記處。這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果相似，其研究發(fā)現(xiàn)AlSi-B4C壓鑄件外層顆粒體積分?jǐn)?shù)低內(nèi)部體積分?jǐn)?shù)高。此外，由圖2c和圖2d可以看出，鑄件心部存在缺陷帶，但缺陷帶的寬度較窄，且等效半徑較小。

圖2:壓鑄SiC/6061復(fù)合材料不同壁厚試樣的微觀組織

圖3為表皮層的金相組織及其對(duì)增強(qiáng)顆粒分布的影響機(jī)理。由圖3a可知,表皮層中僅存在少量SiC顆粒，其厚度較大約為0.5 mm。但是，發(fā)現(xiàn)在相同工藝條件下，SiC/A356復(fù)合材料鑄件不存在表皮層。由此可見(jiàn)，表皮層的形成與基體合金的類(lèi)型緊密相關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)6061的液相線溫度為653℃，而A356的液相線溫度為617 ℃，兩者相差36 ℃。因此，在相同的模具溫度及澆注溫度條件下，6061熔體更容易獲得較大的過(guò)冷度，在型壁處形成大量晶核，同時(shí)由于試樣冷卻速度較大，形成的晶核來(lái)不及長(zhǎng)大，導(dǎo)致試樣表面形成了激冷晶組織即表皮層。表皮層的形成對(duì)SiC顆粒的分布存在重要影響，表皮層中SiC顆粒較為稀少。這是由于表皮層的形成能夠?qū)⒖拷捅诘念w粒推向試樣內(nèi)部，造成增強(qiáng)顆粒向鑄件內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，圖3b為表皮層對(duì)顆粒分布的作用機(jī)理圖。此外，表皮層對(duì)壓鑄件的耐壓耐腐性能、氣密性、機(jī)加工及力學(xué)性能有著重要影響。

（a）表皮層組織   （b）作用機(jī)理圖
圖3:表皮層組織及其對(duì)SiC顆粒分布的作用機(jī)理圖

2.2 心部孔洞特征及其形成機(jī)理研究

圖5為不同壁厚SiC/6061復(fù)合材料壓鑄試樣孔洞的X-CT檢測(cè)結(jié)果，圖6為孔洞的數(shù)目與平均球度。結(jié)合圖5和圖6，可以看出試樣中的孔洞包括氣孔、氣縮孔和縮孔3種類(lèi)型的孔洞。其中2 mm壁厚試樣中的孔洞分布范圍較大，遠(yuǎn)離內(nèi)澆口端出現(xiàn)了大尺寸的縮孔，孔洞的數(shù)目為1 178，平均球度為0.51，表明試樣中的孔洞以氣孔為主。4 mm壁厚試樣中的孔洞分布主要集中于試樣軸心部，且在遠(yuǎn)離內(nèi)澆口端出現(xiàn)較大尺寸的縮孔，孔洞的數(shù)目為864，平均球度為0.49，表明試樣中的孔洞以氣縮孔為主。6  mm試樣中大尺寸的縮孔數(shù)量明顯增加，且出現(xiàn)少量的長(zhǎng)條狀縮孔，8 mm試樣中長(zhǎng)條狀縮孔數(shù)量明顯增加，且這些長(zhǎng)條狀縮孔與充型方向均存在一定的夾角，孔洞數(shù)目由1 684個(gè)急劇增大至2 324個(gè)。對(duì)于孔洞數(shù)目與分布的變化，研究表明，增壓壓力對(duì)氣孔壓縮作用明顯，能夠顯著減少氣孔數(shù)量。但是，由于本研究中試樣壁厚為2 mm時(shí)，試樣凝固時(shí)間較短，導(dǎo)致大量氣孔來(lái)不及被壓縮。壁厚增大為4 mm后，延長(zhǎng)了增壓壓力的作用時(shí)間，絕大多數(shù)氣孔被壓縮從而導(dǎo)致孔洞數(shù)量明顯下降。但同時(shí)，由于顆粒對(duì)增壓壓力的傳遞存在一定的阻礙作用及熔體固相率的增大，導(dǎo)致增壓壓力的有效作用降低而形成大量縮孔。因此，隨著試樣壁厚的增大，孔洞數(shù)目先減小后增大，并逐漸向試樣軸線心部區(qū)域集中。

圖5:不同壁厚SiC/6061復(fù)合材料壓鑄試樣孔洞的3D形貌與分布特征

圖6:不同壁厚SiC/6061復(fù)合材料孔洞數(shù)目與平均球度值

對(duì)于長(zhǎng)條狀的孔洞，壁厚為6 mm和8 mm時(shí)，試樣心部可觀察到大尺寸的長(zhǎng)條狀的縮孔，這是由于6061合金結(jié)晶溫度范圍較寬，為528~653 ℃，且在640 ℃以下將獲得較大的固相率（> 54%），見(jiàn)圖7a，導(dǎo)致大壁厚鑄件心部區(qū)域趨于糊狀凝固方式。研究表明，增壓壓力作用產(chǎn)生的切應(yīng)力，能夠促使半固態(tài)晶粒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生間隙，并最終形成缺陷帶。本研究中增壓壓力所產(chǎn)生的切應(yīng)力，會(huì)促使心部區(qū)域殘余液相在半固態(tài)晶粒間向充型方向流動(dòng)，受α-Al和SiC顆粒阻礙作用流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分殘余液相形成了長(zhǎng)條狀的小熔池，最后由于補(bǔ)縮困難，凝固收縮后便形成了長(zhǎng)條狀縮孔，形成機(jī)理見(jiàn)圖7b。

(a)固相率與溫度關(guān)系曲線   (b)條狀縮孔形成機(jī)理示意圖
圖7:6061基體合金固相率與溫度關(guān)系曲線、條狀縮孔形成機(jī)理

2.3 表皮層及孔洞對(duì)力學(xué)性能的影響

圖8為壓鑄SiC/6061復(fù)合材料力學(xué)性能與孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目的關(guān)系。等效超過(guò)100 μm的孔洞對(duì)壓鑄件的拉伸性能影響最大，因此利用X-CT分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出等效超過(guò)100 μm孔洞的數(shù)目進(jìn)行研究。從圖8中可以看出壁厚為4 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度取得最大值228 MPa，壁厚為8 mm時(shí)伸長(zhǎng)率取得最大值為6.5 %；壁厚為2 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別為196 MPa和4.5%。與文獻(xiàn)相比，本研究試樣的孔隙率遠(yuǎn)高于鋁合金真空壓鑄水平（約0.4%），這可能是由于相比基體鋁合金，復(fù)合材料粘度較大，而傳熱系數(shù)有所降低的緣故；與文獻(xiàn)[23]采用擠壓鑄造法制備的SiC/6061復(fù)合材料相比，抗拉強(qiáng)度值的范圍比較接近，但本研究中的伸長(zhǎng)率明顯的提高。另外，從圖8中可以看出，SiC/6061復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目的變化規(guī)律正相反，即隨著孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目增大，抗拉強(qiáng)度下降。而伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)不明顯，這是由于壁厚為2 mm時(shí)，截面面積較小，在心部大尺寸孔洞的影響下更容易過(guò)早發(fā)生脆斷；而隨著壁厚增大，孔洞對(duì)截面面積的減小作用相對(duì)下降，因而伸長(zhǎng)率有所提高并呈現(xiàn)出波動(dòng)性。

圖9為不同壁厚壓鑄SiC/6061復(fù)合材料試樣的拉伸斷口形貌。從圖9a~圖9d斷口整體形貌可以看出,試樣拉伸斷口較為平坦，表明試樣斷裂方式趨于脆性斷裂。從圖9e~圖9h可以看出，不同壁厚試樣斷口心部存在較明顯的孔洞（見(jiàn)圖中標(biāo)記處），心部大尺寸孔洞誘發(fā)試樣脆性斷裂，而分散的孔洞促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。不難發(fā)現(xiàn)，上述斷口形貌特征印證了圖8中抗拉強(qiáng)度與孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目關(guān)系所呈現(xiàn)出的規(guī)律。

此外，從圖9a~圖9d還可以看出表皮層斷裂面較平坦，其中在6 mm和8 mm壁厚試樣中尤為明顯，表皮層斷裂面較寬闊而平坦。相關(guān)研究表明表皮層與試樣內(nèi)部基體組織相比，其硬度較高，具有較大的脆性。在本研究中，由于表皮層中存在少量的SiC顆粒(見(jiàn)圖2)，破壞了細(xì)晶組織的連續(xù)性，且這些微米級(jí)顆粒尺寸與細(xì)晶晶粒尺寸相差較大，受力過(guò)程中容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，其效果類(lèi)似于夾渣物，導(dǎo)致表皮層脆性破壞，并由此顯著降低試樣截面有效作用面積。綜上所述，為提高PAMCs的力學(xué)性能，應(yīng)盡可能的減少表皮層的厚度，防止表皮層引起的脆性斷裂。

圖8:壓鑄SiC/6061復(fù)合材料的拉伸性能與孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目的關(guān)系

圖9:不同壁厚壓鑄SiC/6061復(fù)合材料試樣的拉伸斷口形貌

3、結(jié)論

（1）對(duì)于SiC/6061復(fù)合材料，由于基體鋁合金6061的液相線溫度較高，其壓鑄試樣容易形成較厚的表皮層（約0.5 mm）；表皮層的形成過(guò)程中能夠?qū)iC顆粒向內(nèi)部推擠，導(dǎo)致表皮層中顆粒稀少。

（2）壁厚對(duì)壓鑄SiC/6061復(fù)合材料中孔洞的類(lèi)型、數(shù)目及分布均有重要影響，壁厚為2 mm時(shí)試樣凝固時(shí)間較短，大量氣孔未能被增壓壓力壓縮而分布于整個(gè)鑄件；壁厚增大為4 mm時(shí)，增壓壓力作用時(shí)間延長(zhǎng)，絕大多數(shù)氣孔被壓縮，孔洞類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)橐詺饪s孔為主且縮孔數(shù)目明顯增大，并集中于試樣軸線心部區(qū)域；壁厚增大為6 mm后，試樣心部區(qū)域傾向于糊狀凝固，在增壓壓力的影響下形成了一定數(shù)目的條狀縮孔數(shù)。

（3）試樣心部大尺寸孔洞容易成為斷裂源，而分散的孔洞促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致壓鑄SiC/6061復(fù)合材料試樣脆斷力學(xué)性能偏低，抗拉強(qiáng)度的變化與孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目關(guān)系呈相反的規(guī)律。

（4）處于表皮層中的少量顆粒破壞了細(xì)晶組織的連續(xù)性，且受力過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致表皮層脆性破壞，亦降低了試樣的拉伸性能。綜上所述，為提高壓鑄SiC/6061復(fù)合材料的力學(xué)性能，應(yīng)優(yōu)化壓鑄工藝、選擇適當(dāng)?shù)匿X合金基體，以降低孔隙率及大尺寸孔洞數(shù)目，控制表皮層的厚度。

作者：
胡啟耀 肖鵬
南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院

郭文波 趙海東
華南理工大學(xué)國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第04期