原標(biāo)題:工藝參數(shù)對半固態(tài)流變壓鑄Al-Si-Mg鋁合金鑄件組織與性能的影響

 

摘要:采用半固態(tài)流變壓鑄成形技術(shù)研制出Al-Si-Mg鋁合金前艙，通過正交法對試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究了壓射速度（0.2~0.3 m/s）、澆注溫度（575~615 ℃）和壓力（240~280 MPa）對鑄件平均晶粒尺寸、平均形狀因子、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及伸長率的影響，分析了Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)漿料在流變壓鑄成形過程中的枝晶破碎和晶粒生長特征，討論了組織與拉伸性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及合金強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，各工藝參數(shù)對鑄件組織和拉伸性能影響的重要性順序依次為壓射速度>澆注溫度>壓力；隨著壓射速度升高，澆注溫度降低及壓力升高，組織中的晶粒趨于細(xì)小圓整，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率逐漸提高；最佳工藝是壓射速度為0.3 m/s，澆注溫度為575 ℃，壓力為280 MPa。

 

Al-Si-Mg系鋁合金具有比強(qiáng)度高、密度小和可熱處理強(qiáng)化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車等領(lǐng)域，常采用傳統(tǒng)的重力鑄造、低壓鑄造和差壓鑄造。研究者對Al-Si-Mg合金的性能及成形進(jìn)行了大量的研究，并獲得重要進(jìn)展，促進(jìn)了其在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用，尤其是在航空航天領(lǐng)域。半固態(tài)流變壓鑄成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)Al-Si-Mg系鋁合金變壁厚復(fù)雜構(gòu)件的近凈成形。目前關(guān)于該技術(shù)的研究主要集中在小尺寸零件半固態(tài)流變壓鑄成形所用材料的成分設(shè)計(jì)以及漿料制備方法的探索，對于艙體類構(gòu)件的半固態(tài)流變壓鑄成形工藝的研究報(bào)道較少，對于工藝-組織-性能之間的潛在聯(lián)系缺乏系統(tǒng)的分析。

 

本課題通過電磁攪拌的方式制備大體積半固態(tài)漿料，以流變壓鑄成形的方式制備變壁厚艙體類構(gòu)件，借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了壓射速度、澆注溫度和壓力對鑄件本體的平均晶粒尺寸、平均形狀因子、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響，并獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。闡明了合金的強(qiáng)韌化機(jī)制，探索了低成本快速制備大批量艙體類構(gòu)件的可行性，對該技術(shù)的工程化應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

 

01試驗(yàn)材料及方案

 

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

在鋁合金半固態(tài)流變壓鑄成形過程中，壓射速度、澆注溫度和壓力對鑄件本體組織和拉伸性能有較為顯著的影響。為通過較少的試驗(yàn)量探索壓射速度（0.2~0.3 m/s）、澆注溫度（575~615 ℃）和壓力（240~280 MPa）對鑄件的平均晶粒尺寸、平均形狀因子、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響，采用正交法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，比較了各工藝參數(shù)的重要性，并確定最優(yōu)工藝。正交設(shè)計(jì)因素水平表見表1。

 

 

表1 正交設(shè)計(jì)因素水平表

 

1.2 試驗(yàn)過程

 

所用材料是通過多種合金按一定比例配制而成，采用商用A356鋁合金，Mg、Cu、Zn、Mn等元素均通過中間合金的形式添加，熔體精煉、漿料制備、流變壓鑄成形及構(gòu)件三維模型見圖1。在坩堝電阻爐內(nèi)將鋁錠及所需的中間合金熔化，當(dāng)熔體溫度達(dá)到710 ℃時(shí)，使用旋轉(zhuǎn)氮?dú)獬龤庠O(shè)備進(jìn)行精煉，精煉后扒渣，然后蓋上爐蓋冷卻。當(dāng)熔體溫度降至680 ℃時(shí)進(jìn)行保溫。保溫過程中舀取少量熔體，采用X射線光譜分析法（XRF）測定化學(xué)成分，并通過添加適量中間合金對熔體的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整。用不銹鋼坩堝舀取適量漿料置于電磁攪拌裝置中進(jìn)行半固態(tài)漿料攪拌，設(shè)置電磁攪拌頻率為30 Hz，時(shí)間為30 s。然后立即倒入壓鑄機(jī)壓射室，壓射室預(yù)熱溫度為350 ℃，模具預(yù)熱溫度為230 ℃，模具型腔采用一模兩型。

 

當(dāng)漿料溫度達(dá)到澆注溫度（575、595、615 ℃）時(shí)，按照預(yù)設(shè)的壓射速度（0.2、0.25、0.3 m/s）和壓力（240、260、280 MPa）對漿料進(jìn)行半固態(tài)流變壓鑄成形。成形后的鑄件毛坯進(jìn)行T6熱處理，固溶溫度為530 ℃，升溫速率為100 ℃/min，保溫5 h，人工時(shí)效溫度為150 ℃，升溫速率為60 ℃/min，保溫3 h。

 

 

圖1 Al-Si-Mg鋁合金構(gòu)件半固態(tài)流變壓鑄成形流程示意圖及鑄件

 

1.3 測試方法

 

鑄件本體化學(xué)成分的測定采用電感耦合等離子譜分析法（ICP），結(jié)果見表2，測試所需顆粒樣本取自本體側(cè)壁與底部等不同位置。采用NETZSCH STA449C綜合熱分析儀對坯料進(jìn)行差示掃描量熱分析（DSC），如圖2所示，采用外推法、終點(diǎn)法，確定坯料的固相線和液相線溫度分別為556.3 ℃和615.8 ℃，因此本文討論的澆注溫度為575、595和615 ℃。

 

 

表2鑄件本體化學(xué)成分 wb/%

 

 

圖2 合金DSC曲線

 

熱處理后在鑄件底部關(guān)鍵承力部位截取試樣進(jìn)行組織觀察和拉伸性能分析，取樣位置見圖1d。運(yùn)用光學(xué)顯微鏡對樣品進(jìn)行金相觀察，借助Image-Pro Plus 6.0軟件對組織進(jìn)行量化分析，并計(jì)算平均晶粒尺寸和平均形狀因子，計(jì)算公式如下。參照國標(biāo)GB/T 228.1-2010-P07加工拉伸試片，鑄件毛坯和拉伸試片見圖3，并運(yùn)用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，應(yīng)變速率為1 mm/min。

 

 

式中，D、F、P、N和A分別為晶粒的平均直徑、平均形狀因子、面積、晶粒數(shù)目和周長。平均形狀因子F的值越接近1，表明晶粒整體上越圓整。

 

 

（a）鑄件毛坯三維模型

 

 

（b）拉伸試片尺寸

圖3 鑄件毛坯模型和拉伸試片尺寸

 

02試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2.1 正交試驗(yàn)極差分析

 

借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，研究了壓射速度、澆注溫度和壓力對鑄件本體平均晶粒尺寸、平均形狀因子、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出上述因素各水平對應(yīng)數(shù)據(jù)之和，平均值（Kn）和極差（R），見表3~表8。結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，3種工藝參數(shù)對鑄件本體組織和拉伸性能的重要性順序?yàn)閴荷渌俣?gt;澆注溫度>壓力。優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)：壓射速度為0.3 m/s，澆注溫度為575 ℃，壓力為280 MPa。

 

 

表3 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)構(gòu)件正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

 

 

表4 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)鑄件正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（平均晶粒尺寸）

 

 

表5 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)構(gòu)件正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（平均形狀因子）

 

 

表6 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)構(gòu)件正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（屈服強(qiáng)度）

 

 

表7 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)構(gòu)件正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（抗拉強(qiáng)度）

 

 

表8 Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)構(gòu)件正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（伸長率）

 

2.2 壓射速度對鑄件組織及拉伸性能的影響

 

圖4為Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件在澆注溫度為575 ℃、壓力為280 MPa，不同壓射速度（0.2、0.25、0.3 m/s）條件下的金相組織，其組織大小見圖4d?？梢钥闯觯珹l-Si-Mg鋁合金經(jīng)不同壓射速度流變成形后，本體組織均可獲得一定數(shù)量的球狀晶。當(dāng)壓射速度為0.2 m/s時(shí)，晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸為62.3 μm，圓整度較差，平均形狀因子僅為0.3，大部分初生晶呈薔薇狀，見圖4a；隨著壓射速度提升至0.25 m/s，球狀晶粒明顯增多，晶粒尺寸略有減小，尺寸均值下降至46.8 μm，平均形狀因子上升至0.5，見圖4b；當(dāng)壓射速度上升至0.3 m/s時(shí)，晶粒主要以大小不一的球狀晶存在，薔薇狀晶粒基本消失，晶粒的平均尺寸達(dá)到33.2 μm，平均形狀因子為0.8，比壓射速度為0.25 m/s時(shí)更加細(xì)小圓整，見圖4c。

 

在制備過程中，晶粒會(huì)在制漿以及壓鑄成形的過程中析出并長大，其長大的過程伴隨著漿料的流動(dòng)以及自攪拌行為。當(dāng)壓射速度為0.2 m/s時(shí)，漿料的流動(dòng)較為平穩(wěn)，自攪拌作用較弱，枝晶的長大會(huì)比較明顯且不易破碎，因此晶粒呈粗大的枝晶狀或薔薇狀晶粒；隨著壓射速度升高，自攪拌作用增強(qiáng)，枝晶破碎，晶粒趨于球狀且分布較為均勻。另外，隨著壓射速度進(jìn)一步升高，漿料充型的時(shí)間被縮短，在此過程中，剩余液相容易在壓力作用下析出一些細(xì)小的球狀晶，因此當(dāng)壓射速度為0.3 m/s時(shí)，組織中會(huì)存在大小不一的球狀晶。綜上，當(dāng)壓射速度在0.2~0.3 m/s范圍內(nèi)，壓射速度的升高會(huì)導(dǎo)致半固態(tài)漿料的自攪拌作用增強(qiáng)，充型時(shí)間被縮短，本體組織中的晶粒趨于細(xì)小圓整。

 

圖4 不同壓射速度下流變擠壓鑄造Al-Si-Mg鋁合金的本體金相組織及其變化曲線

 

圖5為Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能隨壓射速度的變化。可以看出，在本試驗(yàn)條件下，隨著壓射速度升高，力學(xué)性能得到明顯的提升。壓射速度為0.2 m/s時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為163 MPa、308 MPa和4.2%；隨著壓射速度升高至0.25 m/s，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率也隨之提升至186MPa、339MPa和5.9%；當(dāng)壓射速度進(jìn)一步升高至0.3 m/s時(shí)，鑄件屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到223 MPa、383 MPa和7.7%，相對壓射速度為0.25 m/s時(shí)，分別提升了19%、18%和8%。材料的力學(xué)性能和組織緊密相關(guān)，半固態(tài)組織中的晶粒尺寸越小，形狀因子越接近于1，材料的力學(xué)性能越好。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)壓射速度較低時(shí)，晶粒多數(shù)呈大尺寸枝晶狀以及薔薇狀，隨著壓射速度升高，枝晶破碎，且晶粒趨于細(xì)小圓整，因此拉伸性能明顯提升，并在壓射速度為0.3 m/s時(shí)達(dá)到最大值。

 

 

圖5 壓射速度對Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能的影響

 

2.3 澆注溫度對鑄件組織及力學(xué)性能的影響

 

圖6為Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件在壓射速度為0.3 m/s、壓力為280 MPa，不同澆注溫度（575、595、615 ℃）時(shí)的金相組織及其變化曲線?？梢钥闯?，在不同的澆注溫度下主要由尺寸較大的非枝晶狀初生晶、細(xì)小的二次凝固相以及剩余液相組成。隨著澆注溫度降低，薔薇晶逐漸減少，球狀晶增多。當(dāng)澆注溫度為615 ℃時(shí)，晶粒的尺寸均值為50.2 μm，平均形狀因子為0.5，多呈粗大的薔薇狀晶粒，見圖6a；當(dāng)澆注溫度降低至595 ℃時(shí)，薔薇狀晶粒明顯減少，逐漸出現(xiàn)少量球狀晶，平均晶粒尺寸和平均形狀因子為48.6 μm和0.7，見圖6b；隨著澆注溫度進(jìn)一步降低至575 ℃，薔薇狀晶?；鞠?，球狀晶明顯增多，平均晶粒尺寸降低至43.6 μm，平均形狀因子達(dá)到0.8，見圖6c。

 

 

圖6 不同澆注溫度下流變擠壓鑄造Al-Si-Mg鋁合金的本體金相組織及其變化曲線

 

圖7為澆注溫度對流變擠壓鑄造Al-Si-Mg鋁合金鑄件力學(xué)性能的影響?？梢钥闯觯瑵沧囟鹊慕档褪沟们?qiáng)度由180 MPa上升至201 MPa，抗拉強(qiáng)度由328 MPa上升至365 MPa，伸長率由4.4%上升至6.6%。在澆注溫度為615 ℃時(shí)，溫度接近液相線，此時(shí)獲得的晶粒尺寸較大且圓整度較差，因此力學(xué)性能較低。隨著澆注溫度降低，剩余液相中形成的晶核不會(huì)被重熔，有效晶核數(shù)量增多，晶粒尺寸減小，且薔薇晶逐漸演變?yōu)榍驙罹?，因此力學(xué)性能得到提高。

 

 

圖7 澆注溫度對Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能的影響

 

澆注溫度直接決定了漿料進(jìn)入模具型腔時(shí)所含的熱量，澆注溫度越高，漿料中所含固相晶粒越少，同時(shí)也會(huì)直接影響漿料在模具中的凝固速率，最終影響合金的本體組織。在澆注溫度為615 ℃時(shí)，由于漿料溫度接近液相線（615.8 ℃），因此，進(jìn)入模具前不會(huì)有固相晶粒的析出，只會(huì)在模具充型的過程中少量析出。另外，剩余液相由于在模具中散熱較慢，因此大部分會(huì)凝固成為枝晶狀或者薔薇狀。當(dāng)澆注溫度為595 ℃時(shí)，漿料中所含的熱量一定程度的減少，漿料進(jìn)入模具前就會(huì)生成一定量的初生晶。剩余液相所含熱量也隨之減少，因此組織晶?；緸樗N薇狀或球狀晶粒；當(dāng)澆注溫度為575 ℃時(shí)，此時(shí)的漿料溫度較低，所含熱量較少，在充型前漿料中會(huì)存在大量的初生晶。充型的過程中，漿料中不斷析出新的晶粒，同時(shí)伴隨著漿料的自攪拌行為，晶粒趨于細(xì)化和圓整化，并在漿料中均勻分布，因此組織中的晶?；境是驙?，且固相率較高。綜上，當(dāng)澆注溫度為575~615 ℃時(shí)，隨著澆注溫度降低，剩余液相中形成的晶核不會(huì)被重熔，漿料中的初生晶數(shù)量增多，固相率升高，并且在充型的過程中晶粒變得細(xì)小圓整且分布均勻。

 

2.4 壓力對鑄件組織及力學(xué)性能的影響

 

圖8為Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件在壓射速度為0.3 m/s、澆注溫度為595 ℃，不同壓力（240、260、280 MPa）條件下的金相組織及其變化，見圖8。研究表明，增大壓力對球狀晶的形成有促進(jìn)作用[13]。可以看出，隨著壓力增加，薔薇狀晶粒逐漸被球狀晶所替代。當(dāng)壓力為240 MPa時(shí)，平均晶粒尺寸為47.7 μm，平均形狀因子為0.6，晶粒主要呈薔薇狀；當(dāng)壓力提升至260 MPa時(shí)，部分薔薇晶演變?yōu)榍驙罹?，且晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒尺寸和平均形狀因子分別為47.4 μm和0.6；當(dāng)壓射速度提升至280 MPa，球狀晶明顯增多，平均晶粒尺寸和平均形狀因子達(dá)到47.2 μm和0.8。

 

一方面，根據(jù)熱力學(xué)理論，壓力的變化會(huì)導(dǎo)致合金平衡凝固溫度的變化，兩者之間的函數(shù)關(guān)系滿足Clausius-Clapeyron方程：

 

 

式中，P為合金所受壓力；Tf 為合金的平衡凝固溫度；Vl 、Vs分別為合金在液態(tài)和固態(tài)的比體積；?Hf 為比熱容

 

由式（3）可知，平衡凝固溫度隨壓力的升高而升高。平衡凝固溫度的升高意味著當(dāng)合金熔體在壓力下凝固時(shí)，其過冷度會(huì)隨之升高。過冷度的升高能夠有效促進(jìn)合金熔體形核，促進(jìn)鑄態(tài)組織的細(xì)化。

 

另一方面，在壓力作用下，熔體可以始終與模具內(nèi)壁和壓頭保持密切接觸，從而能始終保持漿料與模具之間的高效傳熱。并且隨著壓力增大，漿料與型壁的貼合度更高，凝固速度更快，有利于晶粒細(xì)化。因此隨著壓力增大，鑄件組織由粗大的薔薇晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的球狀晶。綜上，當(dāng)壓力在240~280 MPa范圍內(nèi)，隨著壓力升高，熔體的過冷度增加，傳熱效率變高，凝固速度加快，組織趨于細(xì)小圓整。

 

 

圖8 不同壓力下流變擠壓鑄造Al-Si-Mg鋁合金的本體金相組織及其變化曲線

 

圖9為壓力對Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能的影響?？梢钥闯觯S著壓力提升，鑄件的力學(xué)性能穩(wěn)步提升。當(dāng)壓力為240 MPa時(shí)，鑄件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別是188 MPa、335 MPa和5.8%；當(dāng)壓力升高至260 MPa時(shí)，鑄件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到189 MPa、346 MPa和5.8%；當(dāng)壓力繼續(xù)升高至280 MPa，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為195 MPa、349 MPa和6.2%。可見，在半固態(tài)流變壓鑄成形過程中，壓力對本體的強(qiáng)度和塑性有輕微的影響，除了與晶粒尺寸和形狀因子的變化有關(guān)外，壓力的增大限制了晶粒片狀組織和共晶組織的生長，同時(shí)還能在一定程度上增加構(gòu)件的密度，提升力學(xué)性能。

 

 

圖9 壓力對Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能的影響

 

03結(jié)論

 

（1）采用電磁攪拌方式制備出大體積Al-Si-Mg鋁合金半固態(tài)漿料，采用流變壓鑄成形的方式成功制備出變壁厚艙體類構(gòu)件。

 

(2）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，研究了工藝參數(shù)對組織與力學(xué)性能的影響。在試驗(yàn)條件下，工藝參數(shù)對本體組織和力學(xué)性能影響的重要性順序?yàn)椋簤荷渌俣?gt;澆注溫度>壓力；優(yōu)化的成形工藝，壓射速度為0.3 m/s，澆注溫度為575 ℃，壓力為260 MPa。

 

(3）隨著壓射速度由0.2 m/s升高至0.3 m/s，組織由粗大的薔薇晶逐漸演變?yōu)榧?xì)小的球狀晶，力學(xué)性能提升，壓射速度為0.3 m/s時(shí)達(dá)到最大值；隨著澆注溫度由615℃降低至575℃，組織由片狀及針狀演變?yōu)榧?xì)小均勻的顆粒狀，澆注溫度為575℃時(shí)達(dá)到最大值；隨著壓力由240 MPa提升至280 MPa，晶粒趨于細(xì)小圓整，力學(xué)性能提升，壓力為280 MPa時(shí)達(dá)到最大值。

 

作者

 

龐松 季松 陳風(fēng) 姜濤 王煜燁 龔政軒 華溪如

鄒文兵 王小冬 肖旅 武麗麗 游輝輝

上海航天精密機(jī)械研究所

許泉

上海機(jī)電工程研究所

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志