鋁合金流變鑄造中的雙層膜缺陷

郭洪民，馬騰飛，孫鐵秩，李金朋，楊湘杰

（南昌大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031）

流變鑄造是一種鋁合金短流程近凈成形技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)“以鋁代替鋼和鑄鐵”的有效手段，具有實(shí)現(xiàn)鑄件性能達(dá)到材料本身性能的巨大潛力，可滿足汽車、新基建和航空等領(lǐng)域?qū)Ω呔C合性能、高可靠性、輕量化、薄壁形狀復(fù)雜產(chǎn)品的迫切需求。經(jīng)歷近50 年發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在合金設(shè)計(jì)、半固態(tài)漿料制備、半固態(tài)漿料流變行為及本構(gòu)、流變鑄造工藝及模具、熱處理和力學(xué)性能等方面開展了廣泛深入的研究。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，流變鑄造的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①低固相率流變鑄造，采用5%～20%固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料，主要通過高壓鑄造的方式生產(chǎn)薄壁復(fù)雜形狀的殼類零件，典型代表為4G/5G 通訊類散熱器[1—4]；② 高固相率流變鑄造，采用固相分?jǐn)?shù)為40%～60%的半固態(tài)漿料，主要通過高壓鑄造或擠壓鑄造的方式生產(chǎn)具有承力、安全或密封等要求的結(jié)構(gòu)件和密封件，典型代表為汽車底盤件和懸掛件[4—7]。

鋁合金流變鑄造尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，在高安全性結(jié)構(gòu)件方面尤為突出。文中試圖從雙層膜缺陷角度揭示制約鋁合金流變鑄造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素，從半固態(tài)漿料制備和流變壓鑄工藝與模具等方面探討推動鋁合金流變鑄造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的建議方案。

1 雙層膜缺陷

液態(tài)鋁及鋁合金表面總是被一層固態(tài)氧化膜所覆蓋。對純鋁來說氧化膜起初是氧化鋁的無定形中的一種類型，會很快轉(zhuǎn)變成晶態(tài)γ-Al2O3，經(jīng)過一個(gè)孕育期后轉(zhuǎn)變成α-Al2O3。Mg 對鋁合金熔體表面的氧化過程影響較大，當(dāng)合金中Mg 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于0.005%時(shí)，表面氧化膜為純氧化鋁。超過這個(gè)限度后，氧化鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成尖晶石結(jié)構(gòu)。當(dāng)Mg 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，鋁的氧化物薄膜轉(zhuǎn)變成純氧化鎂。以氧化鋁為主體的氧化膜的厚度在20～50 nm，氧化鎂薄膜厚度比氧化鋁薄膜大10 倍以上。液面上生長的固態(tài)氧化膜上表面一定是干燥的。在微觀尺度上，這些氧化膜具有一定的粗糙度，如氧化鋁薄膜像褶皺的地毯，氧化鎂薄膜形似手風(fēng)琴。

若液態(tài)金屬發(fā)生表面湍流（受到破裂波的作用或者金屬液滴回落到熔體中），固態(tài)表面氧化膜將被卷入熔體內(nèi)部。卷入過程中表面氧化膜上干燥層間發(fā)生相互折疊，因此卷入到熔體內(nèi)部的表面氧化膜必然是雙層的，稱為雙層膜。表面湍流是產(chǎn)生雙層膜缺陷的必要條件，引起表面湍流的臨界速度與金屬熔體的密度和表面張力有關(guān)，幾乎所有液體的臨界速度都在0.3～0.5 m/s 范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均證明了該臨界速度的存在。J.Campbell 提出了雙層膜缺陷的概念，并進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[8]。

鋁合金熔體表面氧化膜為固態(tài)膜并且上表面干燥粗糙，雙層膜缺陷內(nèi)表面界面層的粘結(jié)性差，所以雙層膜缺陷必然類似于裂紋，并且造成的危害與裂紋一樣。根據(jù)計(jì)算和經(jīng)典形核理論，氣孔、縮孔、疏松和熱裂等缺陷的異質(zhì)形核或者均質(zhì)形核肯定是不可能的[9]。J.Campbell 認(rèn)為[8]，與異質(zhì)形核或者均質(zhì)形核的難度相比而言，通過展開雙層膜的簡單力學(xué)作用萌生上述缺陷所需的驅(qū)動力幾乎為0，由于其發(fā)生如此容易，以至于在實(shí)際情況下，可以認(rèn)為它是唯一的啟動機(jī)制。雙層膜除了憑自身能力構(gòu)成裂紋缺陷外，在鋁合金熔體冷卻過程中，會發(fā)生如下現(xiàn)象：①若熔體中含氣量高，氣體通過擴(kuò)散并聚集在雙層膜內(nèi)，形成析出性氣孔；② 若表面湍流嚴(yán)重，雙層膜內(nèi)卷入了較多氣體，形成卷入性氣孔；③凝固收縮產(chǎn)生靜水應(yīng)變，促使雙層膜展開，形成縮孔和疏松；④ 凝固末期線性收縮產(chǎn)生單軸應(yīng)變，促使雙層膜展開，形成熱裂。在鋁合金鑄造領(lǐng)域中，合金熔化、精煉、轉(zhuǎn)移、澆注和充型等過程中表面湍流比較普遍，因此可以預(yù)見雙層膜缺陷在鋁合金熔鑄產(chǎn)品中是非常普遍的，它決定著鑄件的力學(xué)性能、可靠性、腐蝕性和氣密性。

2 鋁合金流變鑄造與雙層膜缺陷

2.1 低固相率流變鑄造與雙層膜缺陷

5G 通訊是國家重大發(fā)展戰(zhàn)略。電子系統(tǒng)及設(shè)備的大規(guī)模集成化、輕量化和高功率為必然發(fā)展方向，電子系統(tǒng)及設(shè)備的熱管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對鋁合金散熱器和濾波器殼體等散熱類產(chǎn)品提出了更為苛刻的要求。流變鑄造使用半固態(tài)漿料作為原始材料，該固-液混合物由晶粒細(xì)小形態(tài)呈球形/近球形的初生固相以及液相構(gòu)成，具有觸變性，在剪切力作用下具備很好的流動性，因此流變鑄造可以成形薄壁形狀復(fù)雜的零件。瑞典ReoMet AB、中國福建金瑞高科有限公司和珠海潤星泰電器有限公司等企業(yè)利用流變鑄造技術(shù)規(guī)模化生產(chǎn)鋁合金4G 通訊散熱器和濾波器殼體[1—4]。與高壓鑄造相比，流變鑄造可減重20%～30%，散熱齒厚由1.6 mm 減薄到 1 mm，導(dǎo)熱系數(shù)由 110 W/(m·K)提高至 150 W/(m·K)[2]。產(chǎn)業(yè)界預(yù)言，流變鑄造是5G 通訊超薄壁散熱類產(chǎn)品最主要的制造技術(shù)。

與液態(tài)合金相比，固相分?jǐn)?shù)為5%～20%的半固態(tài)漿料具有較高的粘度，因此低固相率流變鑄造可以減少充型過程中氣孔和縮孔等缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的致密性，這是流變鑄造提高導(dǎo)熱系數(shù)的重要原因。對于散熱器和濾波器殼體等產(chǎn)品，流變鑄造與高壓鑄造在壓射速度方面的差異較小，檢測分析表明低固相率流變鑄造產(chǎn)品內(nèi)部仍然含有較多的雙層膜缺陷。圖1為某4G 通訊散熱器樣品拉伸斷口（RSF 流變鑄造，SEM（EDS）觀察分析），展示了縮孔的具體形態(tài)?？s孔底部有一層膜覆蓋，可以觀察到顆粒狀初生α-Al晶粒（見圖1a），EDS 面掃描檢測到O 元素（見圖1b），表明該膜層為氧化膜并且非常薄。該缺陷可能在半固態(tài)漿料制備或者半固態(tài)漿料充型過程中因發(fā)生表面湍流將表面氧化膜卷入，形成雙層膜缺陷，并以縮孔的形式表現(xiàn)出來。

流變鑄造4G/5G 通訊超薄壁散熱類產(chǎn)品的鋁合金材料主要為 Al-8wt%Si，該合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.6%的Fe。較高含量的Fe 使凝固組織中含有板狀或條形的β-Al5(Fe,Mn)2Si，如圖2 所示。根據(jù)Campbell 觀點(diǎn)[8]，雙層膜缺陷外表面與Al 基體共格，是凝固過程中金屬間化合物的有效形核基底，若金屬間化合物以板狀或條形生長，雙層膜將被拉直展開，并以裂紋的形式展現(xiàn)。若金屬間化合物沿著雙層膜的單側(cè)生長，展開的雙層膜缺陷處于金屬間化合物和Al 基體之間（見圖2a）。若金屬間化合物圍繞著雙層膜生長，展開的雙層膜缺陷處于金屬間化合物內(nèi)部，像一條裂紋將金屬間化合物割裂（見圖2b）。圖2 所示的β-Al5(Fe,Mn)2Si 和裂紋共生現(xiàn)象是雙層膜缺陷的有力證據(jù)。

圖1 流變壓鑄（RSF）4G 通訊散熱器Al8Si 合金拉伸斷口處雙層膜缺陷Fig.1 Bifilm characteristics on the fracture surface of rheocast (RSF) 4G heat sink of Al8Si alloy

圖2 流變壓鑄（RSF）4G 通訊散熱器中的雙層膜缺陷和富Fe 相Fig.2 Bifilm defect and Fe-rich phases on the fracture surface of rheocast (RSF) 4G heat sink

2.2 高固相率流變鑄造與雙層膜缺陷

固相分?jǐn)?shù)為40%～60%的半固態(tài)漿料具有很高的粘度，能夠?qū)崿F(xiàn)充型過程平穩(wěn)可控，有效減少氣孔和縮孔等鑄造缺陷，因此高固相率流變鑄造可以成形結(jié)構(gòu)件和密封件。有研科技集團(tuán)有限公司、深圳銀寶山新壓鑄科技有限公司和奧地利SAG 等企業(yè)采用鋁合金流變鑄造生產(chǎn)三角臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減震塔等中等力學(xué)性能要求的汽車結(jié)構(gòu)件。然而，流變鑄造尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)安全性結(jié)構(gòu)件，尚未在汽車、高鐵和航空等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，關(guān)鍵瓶頸在于鋁合金流變鑄造產(chǎn)品的綜合性能缺乏競爭力及力學(xué)性能一致性比較差[7,10—12]。文中認(rèn)為上述瓶頸主要源于流變鑄造過程中產(chǎn)生的雙層膜缺陷。

采用剪切低溫澆注方法制備7075 高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)漿料，通過擠壓鑄造成形輪狀零件，截取拉伸試樣，觀察分析SEM（EDS）拉伸斷口。圖3 展示了雙層膜缺陷的典型形態(tài)，EDS 檢測到O 元素，褶皺表明膜很薄。箭頭指示的“裂紋”表明該雙層膜潛入Al基體，其真實(shí)尺寸要大于圖3 展示的尺寸。雙層膜內(nèi)表面光滑的褶皺表明在拉伸過程中沒有承受到應(yīng)力作用，雙層膜在拉伸之前就以裂紋的形式存在于基體中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流變擠壓鑄造7075 鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率等拉伸性能的數(shù)據(jù)比較離散，尤其伸長率[13]，證實(shí)了雙層膜缺陷不僅影響著鑄件的綜合力學(xué)性能，還影響著力學(xué)性能的一致性。

圖3 流變擠壓鑄造（LSPSF）7075 鋁合金中的雙層膜缺陷Fig.3 Bifilm defect in the rheo-squeezed cast (LSPSF) 7075 aluminum alloy

K.A.Ragab 等[14—15]采用SEED 工藝制備半固態(tài)漿料，研究了流變壓鑄A357 鋁合金控制臂等構(gòu)件的疲勞性能。在疲勞斷口表面上檢測到了雙層膜缺陷，表現(xiàn)為縮孔和展開的氧化膜等形式，如圖4 和圖5。疲勞實(shí)驗(yàn)表明雙層膜缺陷是疲勞裂紋的主要萌生源，并對疲勞性能產(chǎn)生重要影響。

圖4 流變壓鑄（SEED）A357 懸掛控制臂疲勞斷口表面的縮孔和雙層膜缺陷[14]Fig.4 Bifilm and shrinkage porosity on the fatigue fracture surface of rheocast (SEED) A356 aluminum alloy suspension arm

圖5 流變壓鑄（SEED）A357 合金疲勞斷口表面的雙層膜缺陷[15]Fig.5 Bifilm defect on the fatigue fracture surface of rheocast (SEED) A356 alloy specimen

B.Bryksi 等[16]采用SEED 工藝制備半固態(tài)漿料，分析了流變壓鑄A356 鋁合金發(fā)動機(jī)托架T6 熱處理后存在的鑄造缺陷。在距離試樣表面較遠(yuǎn)處檢測到了如圖6 所示的雙層膜缺陷，主要存在于共晶組織中（即晶界處），該雙層膜缺陷在Al 基體被拉直但未被展開，體現(xiàn)了裂紋特征。M.Rosso 等采用ATM 流變鑄造方法制備A356 鋁合金剎車卡鉗，也發(fā)現(xiàn)了類似的雙層膜缺陷，并認(rèn)為若Al 基體中含有足夠的H，該雙層膜缺陷將展現(xiàn)為縮孔[17]。

M.Blad 等[18]采用RSF 方法制備半固態(tài)漿料，流變壓鑄了TX630（成分類似于A356）鋁合金，研究了駕駛室固定器和消聲器支架兩種構(gòu)件的疲勞性能。對于駕駛室固定器，可以實(shí)現(xiàn)TX630 合金代替球墨鑄鐵，減重58%。檢測表明，金相照片中縮孔類缺陷很少，但圖7 所示的雙層膜缺陷出現(xiàn)的頻率較高。圖7a 箭頭所示區(qū)域?yàn)楣簿ЫM織，被雙層膜所包裹。圖7b 為疲勞斷口表面牙齒狀的類似于圖3 的雙層膜缺陷。研究表明，雙層膜缺陷是疲勞裂紋源，并證實(shí)雙層膜缺陷能夠降低消聲器支架的疲勞壽命。

圖6 流變壓鑄（SEED）A356 合金內(nèi)部的雙層膜缺陷[16]Fig.6 Bifilm defect in the rheocat (SEED) A356 aluminum alloy

鑄件表面因固溶處理產(chǎn)生的鼓泡是流變鑄造產(chǎn)品的一種表面缺陷，如圖8 所示。B.Bryksi 和朱強(qiáng)等對此開展了深入研究[16,19]。鼓泡之下存在一個(gè)表層氣孔缺陷，在縱截面上氣孔呈弓形或橢圓形。比較圖8中I 區(qū)和Ⅱ區(qū)，I 區(qū)主要由共晶組織構(gòu)成[16]，源于半固態(tài)漿料充型過程中發(fā)生的液固分離。因?yàn)橐汗谭蛛x，半固態(tài)漿料表層某些區(qū)域液相多而固相少，表觀粘度降低，易發(fā)生表面湍流，表面氧化膜被卷入，形成雙層膜缺陷，其內(nèi)空腔被卷入的氣體填充，表現(xiàn)為氣孔。在固溶處理階段，雙層膜內(nèi)氣體膨脹，若其壓強(qiáng)大于材料的屈服強(qiáng)度，則產(chǎn)生鼓泡。潤滑劑、脫模劑產(chǎn)生的氣體以及合金熔體除氣不到位等都將增加鼓泡發(fā)生的概率，因此，鼓泡缺陷是表象，雙層膜缺陷是本質(zhì)。

圖7 流變壓鑄（RSF）TX630 鋁合金DPF 支架內(nèi)的雙層膜缺陷[18]Fig.7 Bifilm defect in rheocast (RSF) DPF TX630 alloy bracket

圖8 流變壓鑄（SEED）A356 鋁合金固溶處理中的鼓泡和雙層膜缺陷[16]Fig.8 Bifilm and blister in the rheocast (SEED) A356 aluminum alloy after solution treatment

圖9 流變擠壓鑄造（LSPSF）7075 合金預(yù)熔孔與雙層膜缺陷Fig.9 Bifilm and incipient melting in rheo-squeeze cast (LSPSF) 7075 alloy

預(yù)熔孔洞是固溶處理階段產(chǎn)生的另一種永久性缺陷。圖9 為流變擠壓鑄造7075 高強(qiáng)鋁合金輪狀零件固溶處理后檢測到的預(yù)熔孔洞，類似的缺陷也在SEED 流變鑄造206 高強(qiáng)鑄造鋁合金以及觸變鑄造319s 鋁合金中被報(bào)道[20—21]。該類缺陷通常在固溶處理溫度超過某臨界值后產(chǎn)生，分布于晶界（見圖9a—b），它們或?yàn)榱鸭y源或促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，對力學(xué)性能特別是疲勞性能具有較大影響。根據(jù)圖3，流變擠壓鑄造7075 高強(qiáng)鋁合金內(nèi)含有一定數(shù)量的雙層膜缺陷，但光學(xué)顯微鏡、SEM 和X-Ray 探傷均未探測到，說明該缺陷非常薄。當(dāng)7075 鋁合金半固態(tài)漿料被推至模具型腔后，半固態(tài)漿料中剩余液相發(fā)生凝固，經(jīng)共晶反應(yīng)生成共晶組織，該共晶組織富含Zn，Mg，Cu元素，產(chǎn)生晶間偏析（見圖9c—d）。如果固溶處理溫度過高時(shí)，低熔點(diǎn)共晶組織熔化，產(chǎn)生約3%的體積膨脹，在3 個(gè)正交方向上發(fā)生約1%的線膨脹[22]。為了響應(yīng)膨脹效應(yīng)，熔化區(qū)周圍的固相發(fā)生相應(yīng)的塑性變形。在冷卻階段，熔化區(qū)再次凝固，產(chǎn)生收縮。若晶界不存在雙層膜缺陷，塑性變形區(qū)將通過反變形來補(bǔ)償凝固收縮，不會產(chǎn)生孔洞類永久性缺陷。若晶界存在雙層膜缺陷，根據(jù)J.Campbell 研究成果[22]，在凝固收縮產(chǎn)生的三向拉應(yīng)力作用下，雙層膜缺陷優(yōu)先被展開，最終以孔洞的形式展現(xiàn)，因此，預(yù)熔孔洞是表象，雙層膜缺陷是本質(zhì)。

3 討論

雙層膜是鋁合金流變鑄造中最具破壞性的缺陷，表現(xiàn)形式包括氣孔、縮孔、鼓泡和預(yù)熔孔等。根據(jù)組織、缺陷和性能之間的關(guān)系[23—24]，雙層膜缺陷是流變鑄造產(chǎn)品的綜合性能缺乏競爭力、力學(xué)性能一致性較差的本質(zhì)原因。若液態(tài)鋁合金足夠純凈，雙層膜缺陷主要來源于半固態(tài)漿料制備階段和半固態(tài)漿料成形階段。

3.1 鋁合金半固態(tài)漿料制備

半固態(tài)漿料的基本特征是由球形/近球形初生固相與液相組成的固-液混合物，該微結(jié)構(gòu)特征是半固態(tài)漿料觸變性的來源，因此半固態(tài)漿料的制備及其微觀組織形成機(jī)理是流變鑄造領(lǐng)域的研究核心和熱點(diǎn)。筆者將國內(nèi)外最具影響力的半固態(tài)漿料制備方法分成4 類[25]。分類I：將合金熔體澆注到坩堝內(nèi)，采用特定的冷卻介質(zhì)激冷和強(qiáng)烈攪拌該合金熔體，典型代表為SSR[26]，GISS[27]，RSF[28]，ACSRR[29]。分類Ⅱ：將合金熔體澆注到坩堝內(nèi)，通過坩堝激冷合金熔體，采用澆注操作或外物理場攪拌混合該合金熔體，典型代表為SEED[30]，NRC[31]，CSIP-RCS[32]。分類Ⅲ：將合金熔體澆注到坩堝內(nèi)，通過坩堝激冷合金熔體，采用外物理場強(qiáng)烈攪拌該合金熔體，典型代表為H-NCM[33]、環(huán)縫電磁攪拌[34]、電磁攪拌[35]、機(jī)械/超聲振動[36]。分類Ⅳ：采用澆注操作使合金熔體流經(jīng)具有特定長度的澆注通道，激冷和強(qiáng)烈攪拌合金熔體，典型代表為蛇形通道法[37]、振動傾斜板法[38]、自孕育法[39]、LSPSF/LAO[40]。

這些已開發(fā)的半固態(tài)漿料制備方法具備兩個(gè)共性特征。第一個(gè)共性特征為澆注操作，將合金熔體從熔煉爐輸送至漿料制備坩堝。表面湍流是表面氧化膜卷入形成雙層膜缺陷的必要條件，鋁合金熔體產(chǎn)生表面湍流的臨界流動速度為 0.5/s，臨界澆注高度為12.5 m[8]。該臨界澆注高度太小了，因此澆注操作是產(chǎn)生雙層膜缺陷，降低半固態(tài)漿料質(zhì)量的重要因素。第二個(gè)共性特征為強(qiáng)烈的攪拌混合，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒、均勻化溫度場、控制初生固相形態(tài)。分類I 和Ⅲ引入外物理場實(shí)現(xiàn)攪拌混合，為了達(dá)到較好的效果，外物理場均會使韋伯?dāng)?shù)大于1，產(chǎn)生表面湍流。分類Ⅱ和Ⅳ依靠澆注操作和重力作用產(chǎn)生攪拌混合，在較高動能作用下合金熔體的流動速度遠(yuǎn)大于0.5 m/s，因此，強(qiáng)烈的攪拌混合是在半固態(tài)漿料內(nèi)部產(chǎn)生雙層膜缺陷的另一個(gè)重要因素。

綜合上述分析，已開發(fā)的半固態(tài)漿料制備方法均會污染合金熔體，在半固態(tài)漿料內(nèi)部產(chǎn)生雙層膜缺陷。研究表明，雙層膜缺陷在半固態(tài)漿料中主要以氣孔和縮孔2 種形式存在，如圖10 所示，其尺寸可以很大。半固態(tài)漿料具有較高的粘度，雙層膜缺陷一旦產(chǎn)生，很難從半固態(tài)漿料內(nèi)逸出或去除，最終凝固在鑄件中。根據(jù)第2 節(jié)的論述以及J.Campbell 的研究成果[8]，對于低固相率流變鑄造，半固態(tài)漿料主要采用GISS、RSF 和ACSRR 等方法制備，半固態(tài)漿料制備階段產(chǎn)生的雙層膜是氣孔和縮孔等缺陷的主要來源之一；對于高固相率流變鑄造，高粘度半固態(tài)漿料使充型過程平穩(wěn)可控，流變鑄造產(chǎn)品內(nèi)雙層膜缺陷主要來源于半固態(tài)漿料制備階段，是氣孔、縮孔、熱裂以及預(yù)熔孔等缺陷的根源，因此，開發(fā)無雙層膜缺陷半固態(tài)漿料的制備方法和技術(shù)是研究和發(fā)展流變鑄造首要解決的關(guān)鍵問題。對此，筆者在文獻(xiàn)[25]中提出了制備優(yōu)質(zhì)鋁合金半固態(tài)漿料的3 項(xiàng)基本原則：獲得高質(zhì)量合金熔體、避免合金熔體表面湍流、避免合金熔體表面外插操作。

圖10 A356 鋁合金半固態(tài)漿料中雙層膜缺陷的典型形態(tài)Fig.10 Typical morphology of bifilm defect in semi-solid slurry of A356 aluminum alloy

3.2 流變鑄造工藝及模具

半固態(tài)漿料充填澆注系統(tǒng)和模具型腔過程中的流動狀態(tài)決定著半固態(tài)漿料成形階段雙層膜缺陷的生成。對于低固相率流變鑄造，半固態(tài)漿料充型速度高，表面湍流比較嚴(yán)重，成形階段產(chǎn)生的雙層膜是氣孔和縮孔等缺陷的另一個(gè)主要來源。對于高固相率流變鑄造，半固態(tài)漿料成形階段也會產(chǎn)生雙層膜缺陷，可能來源于以下2 種情況：①液固分離導(dǎo)致的局部表面湍流，引起固溶處理鼓泡；② 兩股及以上半固態(tài)漿料匯流，各自表面氧化膜匯合產(chǎn)生雙層膜缺陷，引起結(jié)合面強(qiáng)度降低。

鑄件結(jié)構(gòu)、流變鑄造工藝和模具決定著半固態(tài)漿料的流動狀態(tài)。根據(jù)目前取得的研究成果[41—44]，通過材料、工藝和設(shè)計(jì)三方融合，建議從減少半固態(tài)漿料成形階段雙層膜缺陷的形成以及抑制雙層膜缺陷的展開兩個(gè)角度，降低雙層膜缺陷的危害。具體思路如下：①材料，開發(fā)適合于流變鑄造專用合金，深入研究實(shí)際流變鑄造條件下的半固態(tài)漿料流變特性，結(jié)合半固態(tài)漿料制備降低液固分離傾向；② 產(chǎn)品設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足使用要求和流變鑄造工藝要求的鑄件結(jié)構(gòu)；③流變鑄造工藝及模具，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)適合流變鑄造凝固特點(diǎn)和半固態(tài)漿料流動特點(diǎn)的澆注系統(tǒng)，設(shè)計(jì)排氣和溢流系統(tǒng)，優(yōu)化流變鑄造工藝參數(shù)，進(jìn)而有效控制表面湍流、多股半固態(tài)漿料匯合以及液固分離；④ 有效抑制雙層膜缺陷展開，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具，實(shí)現(xiàn)由鑄件到內(nèi)澆口的順序凝固，保障補(bǔ)縮通道暢通，同時(shí)提供足夠高的靜壓，在鑄件凝固階段有效補(bǔ)縮，促使雙層膜缺陷處于卷曲狀態(tài)，進(jìn)而減少縮孔、疏松和熱裂等缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1）雙層膜是鋁合金流變鑄造中最具破壞性的缺陷，具體表現(xiàn)為氣孔、縮孔、鼓泡和預(yù)熔孔。低固相率流變鑄造中的雙層膜缺陷來源于半固態(tài)漿料制備階段和半固態(tài)漿料成形階段。高固相率流變鑄造中的雙層膜缺陷主要來源于半固態(tài)漿料制備階段。

2）已經(jīng)開發(fā)的半固態(tài)漿料制備方法均會產(chǎn)生雙層膜缺陷。開發(fā)無雙層膜缺陷半固態(tài)漿料的制備方法和技術(shù)是研究和發(fā)展流變鑄造首要解決的關(guān)鍵問題。

3）優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、流變鑄造工藝和模具是在半固態(tài)漿料成形階段進(jìn)一步減少雙層膜缺陷的有效手段。