北京交大与清华大学：不同压铸工艺对AE44镁合金的影响

李俊杰发表于2025/7/1 9:17:28 AE44镁合金压铸工艺

原标题：北京交大&清华大学：不同压铸工艺对AE44镁合金的影响

近年来，汽车等行业对压铸镁合金的零部件提出了更高的要求，而压铸稀土镁合金以其优异的力学性能、耐腐蚀性能以及高温抗蠕变性能的特点得到了广泛关注。轻稀土和重稀土在镁合金中的作用主要包括净化熔体、细化组织、提高力学性能和阻燃性能、增强耐蚀性能等，被认为是提高镁合金综合性能的最具实用价值的元素。为了提高镁的高温力学性能，研究者开发了含有4%（质量分数，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稳定AlxREy（Al11RE3）相，并在高温下抑制Mg17Al12相的形成。高压压铸（HPDC）因其极高的尺寸精度和生产效率而被视为镁合金成形技术的首选工艺，为扩大其工业应用，有必要对其压铸性能进行研究。由于HPDC工艺的射速较高，熔体与模具之间的界面传热系数较高，铸件中会形成气孔、缩孔、大枝晶和压室预结晶（ESCs）等缺陷，对构件的力学性能不利。此外，这些缺陷的形成与高压压铸工艺参数密切相关。研究发现，在高压压铸中引入真空辅助可以减少金属液填充过程中的气体夹带现象，从而减少铸件中的气孔。此外，降低慢压射速度可以延长真空时间，但也会导致金属液在压室中停留时间过长，从而由于金属液与压室之间的界面传热系数（IHTC）较大而形成大尺寸的枝晶状ESCs。有研究者发现，提高低慢射速度可以缩短金属液在压室内停留的时间，从而降低铸件中ESCs的含量，但较高的低慢射速度加剧了ESCs的含量，存在气携现象，导致铸件中形成较多的气孔。加压过程可以增加熔融金属与型腔之间的IHTC，从而减少由ESCs积累引起的收缩，但是增加铸造压力会缩短模具的使用寿命。

有研究者应用X射线同步辐射断层扫描和三维重构技术对镁合金进行研究。该技术可以表征孔隙度的三维形态，并将其与特定的高压压铸工艺参数相结合。利用X射线层析成像技术对AM60B合金高压压铸过程中的孔洞进行了表征，发现根据孔洞的形成机理和形貌表征，可以识别出气孔、气缩孔、岛状缩松和网状缩松4种类型的孔洞。通过三维重构表征发现AZ91D合金中缺陷带宽度与ESCs的大小和数量密切相关，而ESCs的尺寸和数量主要受金属液在压室中的低慢速速度（ESCs生长时间）和金属液进入模具型腔时的快慢速速度（金属液流动的剪切应力）影响。研究发现，铸件表层随机分布着大量气孔，而铸件心部则存在较大的气孔（当量直径>425μm）。通过三维观察发现，随着铸造压力增加，高压压铸AZ91D铸件的孔洞体积逐渐减小，尤其是大孔洞。

综上所述，铸件的ESCs和气孔率与压铸工艺密切相关。此外，三维重构与二维观察相结合，可以建立压铸工艺与孔洞形态之间的关系，从而进一步反馈和优化压铸工艺。为了充分揭示低慢射速度、快慢射速度和铸造压力对AE44镁合金微观组织的影响，设计了6种压铸工艺，从二维和三维角度研究了铸件的微观组织。

图文结果

采用BD-350V5型冷室压铸机生产AE44镁合金铸件，合金的化学成分见表1。图1为压铸过程示意图和试样取样位置。该压铸机压射套筒的总长度为340mm，直径为70mm。浇注压力为13.7MPa，金属液温度为700℃，模具预热温度为150℃。在浇注过程中，柱塞以低慢射速度从40mm移动到270mm，然后以快慢射速度从270mm加速到285mm，然后在13.7MPa的压力下将熔体推入型腔。表2为6种设计的HPDC工艺。此外，利用AnyCasting软件模拟了浇注过程中熔体的充型过程。本试验采用3棒1片的模具，见图1b。ZEISS光学显微镜（OM）和Hitachi S-4500 型扫描电镜（SEM）观察和三维重构的试样取自图1b所示的棒中间和近浇口位置。为了重构三维真实结构，在同步辐射设施（SSRF）的BL13W1光束线上进行同步加速器X射线微层析成像试验，X射线能量为36keV。使用滨松Flash 4.0相机将曝光时间设置为15s。利用PITRE软件中的相位检索算法重构数据，利用AVIZO软件获取三维微观结构。

表1 AE44镁合金的化学成分(%)

1.铸型 2.金属液 3.补缩管 4.冲头套
5.冲头 6.中间试样 7.近浇口试样
图1 压铸过程的示意图和三棒一片模具试样取样位置

表2 AE44镁合金压铸过程中所采用的工艺参数

图2 HPDC AE44铸件的背散射扫描图及析出物的EDS光谱，With-F-P-1工艺下HPDC铸件孔洞的三维表征和标记区域孔洞形态

从图2a可见，微观结构包括小的圆形α-Mg晶粒，大的枝晶状压室预结晶（ESCs）和孔洞（气孔和收缩），与相关研究结果相似。定量EDS分析表明，AE44铸件中主要检测到两种稀土金属间化合物相，一种是Al2RE相，呈明亮的白色颗粒状，分散在α-Mg晶粒中；另一种是Al11RE3相，呈灰白色絮状，主要分布在α-Mg晶界处，见图2b和图2c。与二维观测相比，三维观测将孔洞划分为4种类型，分别为气孔（圆形）、净收缩孔（尺寸较大且较不规则，一般靠近聚集的ESCs）、气收缩孔（圆形孔由不规则收缩孔连接）和岛状收缩孔（尺寸较小，在少量ESCs聚集的情况下不规则程度较低）。从试样表面到心部，ESCs的大小和数量逐渐增加。随着快慢射速度的增加，铸件表层ESCs的尺寸和数量增加，而随着快慢射速度的增加，铸件中心ESCs的尺寸和数量逐渐减小，同时，ESCs趋向于圆形。

图3 4种HPCD条件下棒状试样中心位置的显微组织形态

图4 不同快慢射速度下棒状试样的微观结构

图5 4种HPCD条件下棒状试样中心的三维重构图像

可以看出，在With-F-P-1中，孔洞缺陷主要聚集在试样的心部，孔洞类型以气孔和收缩孔为主。在With-F-P-2试样中，随着低慢射速度的增加，试样中孔洞的数量和体积大大减少，孔洞形态主要为小气孔。在Without-P试样中，孔洞尺寸增大，孔洞分布分散。这一变化说明铸造压力可以使气孔分布集中，缩小气孔尺寸。当采用Without-F-P工艺时，显示在棒状试样心部形成并积累了大的收缩孔，棒状试样心部孔洞堆积得越来越多、越来越大，容易形成缝隙，而剩余的熔体越少，填补缝隙的难度越大。随后，在心部形成巨大的不规则净收缩孔。

图6 4种HPCD条件下棒状试样近浇口位置ESCs的形貌

图7 4种HPDC条件下棒状试样近浇口位置的三维重构图像

图8 4种工艺制备的试样ESCs面积分数和ESCs平均尺寸

图9 3种快慢射速度棒状试样的ESCs面积分数、ESCs平均尺寸和孔洞体积分布

图10为4种工艺（With-F-P-1，With-F-P-2，Without-P，Without-F-P）的试样总缩松体积和缩松率。可见，加压和低慢射速度比快慢射速度更能显著降低孔洞率。从图4和图6可知，在加压和较低慢射速度下制备的试样中，气孔和收缩孔的尺寸显著减小。此外，浇口附近的缩松体积和缩松率明显高于棒状试样中心位置。图11为使用AnyCasting软件获得的金属液充型过程和型腔内凝固时间。熔融金属通过浇口，首先填充棒状试样中心位置，近浇口的部分随后充满了强烈的熔体湍流，引起了夹带空气的积聚。最后，熔体凝固后在浇口附近形成巨大的圆孔。此外，从图11d可以看出，靠近浇口的金属凝固时间比棒状试样中心位置的长，其中，ESCs不断生长，尺寸大于棒状试样中心位置。随后，更多更大的ESCs将连接起来，形成较大的空隙，增加了残余熔体的填充难度，产生了更多更大的孔洞。