鋁合金半固態流變壓鑄技術研究

原標題：中小型鋁合金鑄件半固態流變壓鑄技術研究

摘 要

基於智鑄超雲—壓鑄領域專業CAE雲平臺，採用扣手鋁合金鑄件爲研究對象，模擬分析了壓射工藝參數對半固態流變壓鑄充型過程的影響，優選出了一種最佳的勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄工藝方案進行實際產品的生產試驗。結果表明：採用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案，可使合金液在壓室中流動平穩，呈層流狀態，沒有出現紊流；根據模擬結果優化了料筒孕育半固態流變壓鑄工藝，成功實現了扣手鑄件的半固態流變壓鑄成形，得到了合格的壓鑄件，組織中初生α-Al相主要呈近球狀或顆粒狀，內部無氣孔缺陷，可進行T6處理和焊接加工。

壓力鑄造作爲一種生產率高、成本低、尺寸精度高的近淨成形方法，在汽車、電子通信、儀器儀表和五金電器等領域獲得了廣泛應用和迅速發展。在傳統壓鑄過程中，液態熔體會以紊流狀態充填型腔，使得型腔內氣體無法及時排出而卷入合金內部，形成氣孔缺陷。氣孔減少了鑄件的有效承載面積，造成應力集中，從而降低鑄件力學性能。Dong 等認爲壓鑄件內部的氣孔問題是目前限制壓鑄技術進一步擴大其應用領域的主要問題。

爲了消除壓鑄件的內部氣孔缺陷，半固態壓鑄新技術獲得了越來越多的研究者關注。在半固態壓鑄過程中，由於金屬漿料固相率大、粘度高、晶粒圓整，在合適的壓射參數下金屬漿料將以接近層流方式流動充滿型腔，充型過程平穩、均勻，可以獲得無氣孔缺陷的壓鑄件。半固態成形技術有諸多獨特的優點而被廣泛用於汽車、電子通信、電器、航空航天及醫療等領域。目前已經形成了攪拌法、自孕育法、GISS、RSF、剪切低溫澆注法和蛇形通道法等流變壓鑄技術。雖然半固態成形技術已經得到應用，但半固態成形技術無論在理論上還是技術上，都需要進一步完善與發展。

目前，大部分半固態流變壓鑄技術都存在半固態漿料的制造環節，在制漿過程難免會產生一些卷氣、氧化等現象，特別是中小型鑄件，由於制漿量小，溫度不易控制，從而影響產品質量。爲此，本文將針對中小型鋁合金鑄件，基於智鑄超雲—壓鑄領域專業CAE雲平臺，通過對半固態流變壓鑄充填過程進行數值模擬優化，開發了無制漿環節的勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄新技術，並在相關高強高導類鋁合金壓鑄件中獲得了實際生產應用。

1 壓鑄件分析及工藝設計

本文以一個形狀簡單、有T6處理要求的結構件扣手爲研究對象，探索勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄新技術。扣手鑄件三維形狀如圖1所示，該鑄件尺寸不大，但壁厚均勻，薄壁處約爲3mm，最大外形尺寸約爲136mm×49mm×23.5mm，材質採用AlSi9Cu3合金，非常適合壓力鑄造，材料的物性參數爲：密度2.5 g/cm³，液相線溫度595 ℃，固相線溫度540 ℃。根據現有壓鑄機噸位和鑄件的投影面積，選擇一模一腔，內澆口厚度爲2.5mm，寬度爲125 mm，壓射衝頭的直徑爲50mm ，其詳細壓鑄工藝方案如 圖2所示。

圖1 扣手鑄件三維圖

圖2 扣手鑄件壓鑄工藝方案

2 勻加速半固態流變壓鑄工藝及模擬

應用智鑄超雲—壓鑄領域專業CAE雲平臺進行數值模擬。先用三維造型軟件UG進行三維圖的造型並生成STL文件，然後上傳至智鑄超雲的雲計算平臺進行前置處理實現網格的自動剖分，對鑄件壓鑄充型過程進行了模擬。分別設置了如圖3所示的四種壓射曲線對扣手鑄件的壓鑄過程進行了模擬，對壓射過程中合金液在壓室中的流動情況進行分析。

圖3 壓射工藝曲線

單段低速射出模式壓鑄工藝方案的充型過程模擬結果如圖4所示。從圖中可以看出，在壓射初期，由於是從零直接加速到低速速度，加速度過大，從而會在衝頭前端形成渦流，如圖4a-b所示，而且合金液到達並充滿壓室分流錐位置時，靠近衝頭前端位置卻還沒有充滿，從而造成合金液出現回流，如圖4c所示。壓射過程壓室中產生的渦流和最後的回流現象，都容易裹入氣體和氧化夾雜等，而且會在最後的高速壓射過程帶入鑄件的任意位置，從而影響鑄件的質量。

圖4 單段低速射出模式壓射過程的模擬結果

圖5所示爲兩段低速射出模式壓鑄工藝方案的充型過程模擬結果。由圖可見，其充填過程與單段低速射出模式基本一致，合金液在壓室的運動過程仍然存在渦流和回流現象。五段低速射出模式A壓鑄工藝方案的充型過程模擬結果如圖6所示。從圖中可看出，在壓射初期，合金液在壓室中平穩流動，沒有出現紊流，如圖6a所示；當前端合金液接近分流錐位置時，會逐漸形成一定的渦流裹氣現象，如圖6b-c所示。五段低速射出模式B壓鑄工藝方案的充型過程模擬結果如圖7所示。從圖中可以看出，整個壓射過程合金液在壓室中流動平穩，呈層流狀態，沒有出現紊流，從而避免了在壓室中裹入氣體或氧化夾渣等。基於數值模擬結果，提出了半固態制漿與壓鑄成形一體化的勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄工藝。通過控制合金液出爐溫度和料筒的溫度，使得合金液澆入料筒後，會形成一定的固相，然後，在多段低速壓射過程形成的固相進一步增加，同時流動進入合金液中成爲異質形核的晶核，最後進入型腔後，由於大量晶核的存在，會抑制枝晶的生長，從而形成非枝晶的半固態組織。

圖5 兩段低速射出模式壓射過程的模擬結果

圖6 五段速度射出模式A壓射過程的模擬結果

圖7 五段速度射出模式B壓射過程的模擬結果

3 生產驗證

根據五段速度射出模式B的壓射工藝曲線，應用勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄工藝進行扣手鑄件的實際生產試驗，並同單段低速射出模式的普通壓鑄產品進行了比較分析。鋁合金液澆注溫度爲640 ℃，壓射衝頭的最高低速速度爲0.7 m/s、高速速度爲2 m/s，模具預熱溫度爲200 ℃。採用該壓鑄工藝獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的扣手壓鑄件，如圖8所示。通過對壓鑄件進行解剖分析可以看到，採用普通壓鑄工藝的鑄件剖面存在大量的氣孔缺陷，如圖9a所示；而半固態壓鑄件的剖面沒有發現氣孔，如圖9b所示，另外通過對鑄件整體的X光透射探傷表明，扣手鑄件內部無明顯縮鬆、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷。圖10爲扣手鑄件的鑄態和T6的微觀組織。從圖中可以看出，初生α-Al相呈近球狀，晶粒細小，分布均勻，具有較明顯的半固態組織特徵。另外還對鑄件進行了T6處理和焊接試驗，經過535 ℃、8 h的固溶處理後，可以明顯看到，普通壓鑄件表面存在較多的鼓泡現象，而半固態鑄件表面沒有發現，如圖11所示；同樣，在焊接後普通壓鑄件的焊縫附近存在鼓泡現象，而半固態鑄件不存在，如圖12所示。由此可見，採用勻加速料筒孕育半固態流變壓鑄工藝進行壓鑄件的生產，可以有效消除普通壓鑄件的內部氣孔問題，實現了壓鑄件的T6熱處理和焊接加工。

圖8 扣手壓鑄件產品圖

圖9 扣手壓鑄件（T6）剖切圖

圖10 壓鑄件顯微組織

圖11 T6處理後的壓鑄件

圖12　焊接後的壓鑄件

4 結論

（1）通過採用智鑄超雲—壓鑄領域專業CAE雲平臺對設計的不同壓射工藝方案進行壓射過程模擬分析，結果表明，採用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案時，可使合金液在壓室中流動平穩，呈層流狀態，沒有出現紊流，從而避免了在壓室中裹入氣體或氧化夾渣等。

（2）根據模擬結果優化了料筒孕育半固態流變壓鑄工藝，採用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案成功實現了扣手鑄件的半固態流變壓鑄成形，得到了合格的壓鑄件，鋁液澆注溫度爲640 ℃，壓射衝頭的最高低速速度爲0.7 m/s、高速速度爲2 m/s，模具預熱溫度爲200 ℃。

（3）扣手普通壓鑄件的組織主要呈枝晶狀或薔薇狀，內部存在較多的氣孔缺陷，不能進行T6處理和焊接加工；而扣手半固態壓鑄件內部無氣孔缺陷，組織中初生α-Al相主要呈近球狀或顆粒狀，可進行T6處理和焊接加工。

作者：

龍文元南昌航空大學航空制造工程學院龔傑 宋國金廈門格耐爾科技有限公司本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴