改性6系鋁合金半固態壓鑄試樣的力學性能研究

原標題：半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織及力學性能

6061鋁合金具有中等強度、良好的機加工性能以及可進行熱處理強化和陽極氧化等特點，廣泛應用於交通運輸、建築裝飾和航空航天等領域。從實際生產來看，採用6061鋁合金棒坯或板坯在制造許多復雜薄壁零件時，常常需要進行大量的機加工，材料的利用率很低，生產成本較高。採用傳統鑄造工藝鑄造6061鋁合金復雜薄壁零件毛坯，再進行適當的機加工，可以顯著降低生產成本，提高材料的利用率。但是，傳統鑄造工藝鑄造6061鋁合金復雜薄壁零件毛坯時存在嚴重的熱裂傾向，鑄件的合格率很低。

半固態金屬成形技術結合了固態金屬成形和液態金屬成形的優勢，其成形壓力小、凝固收縮小，可以減輕鑄件的熱裂傾向，提高鑄件的組織和性能，實現零部件的近淨成形。此外，增加6061鋁合金中的Si含量（稱爲改性6061鋁合金）有可能提升合金的流動性和充型能力，並降低鑄件的熱裂傾向。因此，可採用半固態金屬成形技術結合提高Si含量的方法來降低6061鋁合金鑄件的熱裂傾向。制備具有均勻細小和近球形固相晶粒的半固態漿料是半固態金屬成形技術的關鍵。多年來，國內外研究者相繼開發出多種半固態漿料的制備方法，並開展半固態漿料的流變壓鑄研究。有研究者採用超聲波振動法制備了質量分數爲2%的Fe的過共晶Al-Si合金漿料並進行流變壓鑄成形，發現採用超聲振動法制備的半固態Al-Si合金漿料組織中的δ-Al4（Fe，Mn）Si2相得到顯著細化。提出了一種用於鋁和鎂合金半固態漿料制備的強制對流攪拌工藝，並結合高壓壓鑄設備開發了新的流變高壓壓鑄工藝。採用傾斜板振動冷卻法制備多種Al-Si合金漿料，並取得了良好的細化晶粒的效果。採用自孕育法制備6061鋁合金半固態漿料並進行流變壓鑄研究，制備出具有球狀初生α-Al晶粒的流變壓鑄件。

還有研究者開展了蛇行通道澆注工藝制備6061鋁合金漿料的研究，分析了澆注工藝參數對6061鋁合金漿料制備的影響，爲本研究工作提供了有力的技術支撐。但是，目前半固態改性6061鋁合金漿料的蛇形通道制備和流變壓鑄的研究尚無報道，因此本研究對石墨質蛇形通道制備半固態改性6061鋁合金漿料進行流變壓鑄成形，對比分析傳統液態壓鑄和流變壓鑄6061鋁合金試樣的組織，研究Si含量對半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織及力學性能的影響，旨在爲其應用提供參考。

圖文結果

選用商用6061鋁合金、Al-28Si合金作爲原材料，兩種合金的化學成分見表1。採用NETZSCHSTA409C/CD型差式掃描量熱儀對6061鋁合金進行熱分析（Differential Scanning Calorimetry， DSC），測得6061鋁合金的固相線和液相線溫度分別爲597℃和646℃，固-液溫度區間爲49℃，見圖1。

表1 原材料的化學成分(%)

圖1 6061鋁合金的DSC曲線

(a)裝置示意圖 (b)合金液 (c)蛇形通道

圖2 蛇形通道制備半固態漿料示意圖1.井式電阻爐 2. 石墨坩堝 3. 合金熔體4. Ni-Cr/Ni-Si型熱電偶 5. 石墨質蛇形通道6. 半固態漿料 7. RFM-復合陶瓷質保溫澆勺

具體半固態流變壓鑄工藝過程爲：首先，根據試驗設定的合金成分進行配料，然後將鋁合金鑄錠放入井式電阻爐中進行熔煉，熔煉溫度爲800℃；待其完全熔化後，採用石墨管向熔體中通入氬氣進行精煉10min；隨後取出石墨坩堝靜置冷卻，同時對合金熔體表面進行扒渣和除雜；採用Ni-Cr/Ni-Si型熱電偶測量合金熔體的溫度，待合金熔體溫度冷卻至690℃時，立即將合金熔體倒入石墨質蛇形通道內，合金熔體流經蛇形通道後形成半固態漿料。採用預熱至350℃的RFM-復合陶瓷質保溫澆勺在蛇行通道出口處收集漿料，隨後立即將半固態漿料倒入YYC180B型壓鑄機的壓室內，並迅速完成壓鑄充型過程。其中，半固態流變壓鑄工藝參數：壓射比壓爲90MPa，壓射速度爲0.5m/s，壓室和壓型預熱溫度爲200℃。待保壓完成後，可以獲得帶有4根標準拉伸試樣的壓鑄件，見圖2。

圖3 半固態流變壓鑄拉伸試樣實物圖及其尺寸

(a)邊部組織 (b)心部組織 圖4 傳統液態壓鑄6061鋁合金試樣組織

(a)邊部組織 (b)心部組織

圖5 半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織

可以看出，試樣邊部組織中初生α-Al晶粒主要爲細小的等軸晶，而心部組織中初生α-Al晶粒主要爲粗大的樹枝晶，二次初生α2-Al晶粒主要爲細小的等軸晶，晶界處分布着網狀的共晶組織。流變壓鑄試樣邊部組織主要爲大量細小球狀的二次α2-Al晶粒，而心部組織中初生α-Al晶粒主要爲球狀晶或薔薇狀晶，初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑和形狀因子分別爲58μm和0.68，二次α2-Al晶粒和晶界處共晶組織增多。與傳統液態壓鑄的6061鋁合金試樣的心部組織相比較，半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的心部組織中初生α-Al晶粒由粗大的樹枝晶演變爲球狀晶或薔薇狀晶且平均晶粒直徑較小，二次初生α2-Al晶粒和晶界處非平衡共晶組織增多。這表明採用蛇行通道澆注復合流變壓鑄工藝能夠顯著改善6061鋁合金的組織形貌，使初生α-Al晶粒變得細小、圓整。

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si圖6 不同Si含量的半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的邊部組織

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si圖7 不同Si含量的半固態壓鑄6061鋁合金流變壓鑄試樣心部的顯微組織

表2 不同Si含量的半固態改性6061鋁合金的力學性能

(a)0.6%Si (b)1.8%Si (c)2.6%Si 圖8 不同Si含量的半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的應力應變曲線

結論

（1）採用蛇行通道澆注復合流變壓鑄工藝可以有效改善6061鋁合金的鑄態組織，初生α-Al晶粒由粗大的樹枝晶演變爲細小、圓整的球狀晶或近球狀晶。

（2）增加Si含量可以顯著細化半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織。隨着Si含量增加，流變壓鑄試樣組織中初生α-Al的平均晶粒直徑逐漸減小，當Si含量由0.6%增加至2.6%時，邊部組織中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑由52μm逐漸減小至32μm；心部組織中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑由64μm逐漸減小至34μm。

（3）在相同Si含量下，半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣比傳統液態壓鑄試樣表現出更好的力學性能。當Si含量由0.6%增加至2.6%時，半固態改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的鑄態抗拉強度由（107±4）MPa逐漸增加至（209±14）MPa，鑄態伸長率由2.2%±0.3%逐漸增加至5.5%±0.5%。

作者張榮晟 毛衛民 李乃擁北京科技大學材料科學與工程學院本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴