摘要：對比研究了液態(tài)壓鑄和半固態(tài)流變壓鑄對ZL114A鋁合金件疲勞性能的影響。結(jié)果表明，半固態(tài)流變壓鑄件相較于傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄件疲勞性能更好而且更穩(wěn)定。液態(tài)壓鑄件的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。半固態(tài)壓鑄件的疲勞壽命主要受密度（孔隙率）影響，與密度成正比。半固態(tài)壓鑄ZL114A鋁合金壓鑄試樣在密度大于2.62 g/cm³時，疲勞性能表現(xiàn)良好。在70 MPa應(yīng)力下，疲勞壽命可達(dá)10⁷次。液態(tài)壓鑄件裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態(tài)壓鑄件的裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

鋁硅合金因其良好的鑄造性能和力學(xué)性能，被廣泛用于制造汽車、軌道交通及航空航天等領(lǐng)域的零部件，在其服役環(huán)境下可能會承受循環(huán)載荷作用，因此這類鋁合金鑄件的疲勞性能十分重要。但鋁合金鑄件疲勞性能受諸多因素影響，Sascha Gerbe等發(fā)現(xiàn)鑄造鋁合金組織的SDAS值越大，疲勞性能越低。由于鋁合金不可避免地存在鑄造缺陷(如縮孔、氣孔、氧化膜等)，對其與鋁合金各種性能的相關(guān)研究眾多。一般認(rèn)為鑄造缺陷的尺寸越大，鑄件的疲勞性能越差。Seniw等認(rèn)為鑄造缺陷的尺寸相近時，位置越接近于鑄件表面，對鑄件的疲勞性能損害越大。Benahmed等發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的缺陷形狀對鑄件疲勞性能影響更大。

鋁合金的鑄造缺陷一般通過鑄造工藝來控制。鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)是一種近凈成形的鑄造技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為材料利用率高，成形效率高，且可以生產(chǎn)出高性能形狀復(fù)雜的零件，能有效的降低生產(chǎn)成本。同時半固態(tài)壓鑄件的致密性好、組織均勻，且沒有普通鑄件中存在的粗大枝晶，擁有良好的力學(xué)性能。Yong X G等研究發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)A357鋁合金在T6固態(tài)鑄件細(xì)小的晶粒提高了鑄件強(qiáng)度。但關(guān)于成形方式、缺陷與鋁合金疲勞性能的關(guān)系缺乏系統(tǒng)研究。本課題分別采用常規(guī)液態(tài)壓鑄及半固態(tài)壓鑄方法制取ZL114A鋁合金疲勞試樣，通過高周疲勞試驗(yàn)對比不同工藝成形的鑄件疲勞性能差異。使用掃描電鏡對疲勞試樣進(jìn)行斷口觀察，進(jìn)行綜合分析，探索成形方式以及缺陷與壓鑄試樣疲勞性能之間的關(guān)系。為研究高疲勞性能鋁合金件壓鑄工藝提供參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)所采用的為ZL114A鋁合金，其成分見表1。試驗(yàn)采用EMS-05SM 型可控溫型電磁攪拌爐進(jìn)行漿料制備，壓鑄機(jī)為DCC-280臥式冷室壓鑄機(jī)。

表1：ZL114A合金的化學(xué)成分  wb/%

試驗(yàn)時先在電磁攪拌爐中石墨坩堝里將大約8 kg ZL114A鋁錠熔化，升溫至700 ℃，保溫30 min，然后向熔體中通入氬氣精煉約10 min，除氣扒渣，靜置熔體。在670 ℃制取液態(tài)壓鑄試樣。在605 ℃下制取電磁攪拌半固態(tài)壓鑄試樣，其中電磁攪拌頻率恒定為5 Hz，電磁攪拌時間為60 s，電磁攪拌功率為3 kW。壓鑄試樣為圓形橫截面試樣，具體尺寸見圖1。將制得試樣依標(biāo)準(zhǔn)GB/T3075-2008的表面質(zhì)量要求進(jìn)行機(jī)加工，將試樣表面拋光至粗糙度Ra0.2。將試樣按數(shù)字編號，用排水法測量所有試樣的密度。使用PLG-100高頻共振疲勞機(jī)進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為R=0.1。設(shè)定4個應(yīng)力水平（應(yīng)力級），分別為70、80、90、100 MPa，每個應(yīng)力級6根試樣。采用超景深顯微鏡以及掃描電鏡對疲勞試樣斷口進(jìn)行分析。并在疲勞試樣斷口附近取一截面拋光、腐蝕后，進(jìn)行金相組織觀察和拍攝。通過超景深顯微鏡測定缺陷區(qū)域的周長和面積，以計(jì)算缺陷區(qū)域的平均等效直徑，其計(jì)算公式為
D=2(A/π) ^1/2   (1)
式中，D為平均等效直徑；A為面積

圖1：疲勞試驗(yàn)用壓鑄試樣尺寸

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋁合金ZL114A壓鑄件的疲勞性能

圖2：液態(tài)壓鑄試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3：半固態(tài)壓鑄試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

液態(tài)和半固態(tài)壓鑄試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3。可以看出兩組數(shù)據(jù)在每個應(yīng)力級上均有較大的離散度。但對比可以明顯看出總體上半固態(tài)壓鑄試樣的離散程度明顯小于液態(tài)壓鑄試樣。液態(tài)壓鑄試樣的疲勞壽命在80 MPa和90 MPa應(yīng)力級上呈現(xiàn)了極大的離散度。在100 MPa應(yīng)力級上，可以明顯看出液態(tài)壓鑄試樣的疲勞壽命在100 000次附近明顯低于半固態(tài)壓鑄試樣的400 000次。在其他應(yīng)力級對比不明顯的情況下，這能夠在一定程度上反映出半固態(tài)壓鑄試樣的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于液態(tài)壓鑄試樣。

圖4：疲勞試樣密度與裂紋源缺陷平均等效直徑的關(guān)系

兩批試樣的密度與裂紋源缺陷尺寸的關(guān)系見圖4。液態(tài)壓鑄試樣的平均密度為2.598 g/cm³，半固態(tài)壓鑄試樣的平均密度為2.616 g/cm³。可以看出液態(tài)壓鑄試樣的密度相較于半固態(tài)壓鑄試樣更為離散，液態(tài)壓鑄試樣的密度區(qū)間為2.563 ~2.631g/cm³,半固態(tài)壓鑄試樣的密度區(qū)間為2.588 ~2.659 g/cm³。兩批試樣的裂紋源缺陷平均等效直徑均有較大波動，但半固態(tài)壓鑄試樣的總體偏低。

2.2 鋁合金ZL114A壓鑄件密度對疲勞性能的影響

圖5：液態(tài)壓鑄試樣密度與疲勞壽命

圖6：半固態(tài)壓鑄試樣密度與疲勞壽命

兩批試樣的疲勞壽命與試樣密度的關(guān)系見圖5和圖6。從圖6可以看出半固態(tài)壓鑄試樣在密度大于2.62 g/cm³時, 各應(yīng)力級下均表現(xiàn)出較好的疲勞性能。在70 MPa應(yīng)力級下，疲勞壽命可達(dá)10⁷次。液態(tài)壓鑄試樣密度與疲勞壽命在各應(yīng)力級的相關(guān)性均很弱，而半固態(tài)壓鑄試樣的4個應(yīng)力級均呈現(xiàn)出極強(qiáng)的正相關(guān)，對各應(yīng)力級下數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性擬合，擬合方程為S=aρ+C,其中，S為疲勞壽命，ρ為鑄件密度，a和C為擬合系數(shù)，r為線性相關(guān)系數(shù)，r2越接近1表明變量之間的相關(guān)程度越高，其線性擬合結(jié)果見表2。

結(jié)合圖6和表2可以看到，半固態(tài)壓鑄試樣表現(xiàn)為密度越大疲勞性能越好，而密度的大小在一定程度上能反應(yīng)壓鑄試樣的致密程度。隨著應(yīng)力級的增大，其線性回歸方程的斜率變小，可能原因?yàn)楦邞?yīng)力級下，材料本身的性能更多地影響了試樣的疲勞性能。

表2：半固態(tài)壓鑄件各應(yīng)力級下密度與疲勞壽命一元線性回歸分析結(jié)果

2.3 鋁合金ZL114A壓鑄件缺陷對疲勞性能的影響

圖7：液態(tài)壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑VS疲勞壽命

圖8：半固態(tài)壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑VS疲勞壽命

兩批試樣的疲勞壽命與裂紋源缺陷尺寸的關(guān)系見圖7和圖8。可以看出，液態(tài)壓鑄試樣表現(xiàn)為裂紋源缺陷的尺寸越小，試樣的疲勞性能越好，而半固態(tài)壓鑄試樣隨缺陷尺寸的變化規(guī)律卻不明顯。僅在80MPa 應(yīng)力級上表現(xiàn)為缺陷尺寸越小，試樣的疲勞性能越好。

圖9：不同工藝疲勞試樣典型斷口形貌：(a)液態(tài)壓鑄；（b）半固態(tài)壓鑄

兩批試樣典型低倍疲勞斷口形貌見圖9。近斷口截面缺陷圖見圖10。從圖9a可以看出液態(tài)壓鑄試樣的斷口除了中心縮松區(qū)域以外裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)出現(xiàn)了大量的氣孔。在圖10a上也可以看出近斷口截面大量氣孔彌散分布，同時存在尺寸較大的氣縮孔。從圖9b可以看出，半固態(tài)壓鑄件的斷口形貌除中間大孔外，孔洞很少，且靠近心部，而圖10b也反映孔洞集中在中部這一規(guī)律。但值得注意的是，與圖9b斷口形貌上的中間大孔相比，斷面上的孔要小得多。因此推測孔洞在三維上可能是互通或位置非常接近的，這樣裂紋源孔洞在初始擴(kuò)展階段合并周圍的小孔最終形成一個大孔裂紋源。

液態(tài)溫度下鋁合金的充型相對不穩(wěn)定，容易形成紊流，從而卷集空氣進(jìn)入金屬液中，若不能及時排出則會留下氣孔，同時，金屬漿料在制備和轉(zhuǎn)移的過程中會溶解一定氫氣，在鑄型型腔中凝固時又會析出，這種形式產(chǎn)生的氣孔多在整個截面彌散分布。位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的大量氣孔，在一定程度上會加速裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致鑄件的疲勞性能下降。同時液態(tài)溫度下，金屬在凝固過程中，溫度變化更大，鑄件最后凝固的部位更容易出現(xiàn)尺寸較大的縮孔和縮松。半固態(tài)溫度下鋁合金漿料的粘度顯著提高，充型方式則為平穩(wěn)的層流充填，充型過程減少了空氣的卷入，同時更低的溫度也降低了氫氣的溶解和漿料的收縮，使得半固態(tài)試樣的缺陷主要集中在最后凝固的試樣截面中心部位，且缺陷尺寸比液態(tài)壓鑄試樣更小，見圖10b。

圖10：不同工藝疲勞試樣近斷口截面缺陷圖：(a)液態(tài)壓鑄；（b）半固態(tài)壓鑄

由圖5和圖6可知，液態(tài)壓鑄試樣密度和疲勞強(qiáng)度的相關(guān)性很弱，而半固態(tài)壓鑄試樣的疲勞強(qiáng)度受密度影響顯著。密度的大小在一定程度上反映壓鑄試樣的致密程度。密度越高試樣的孔隙率越低。對比圖10a和圖10b可以看出，液態(tài)壓鑄試樣近斷口截面的缺陷表現(xiàn)為中心存在尺寸較大的氣縮孔，細(xì)小孔洞在整個截面呈彌散分布。缺陷尺寸的大小是影響鑄件疲勞性能的重要因素。缺陷的尺寸越大，造成的應(yīng)力集中也越大，更易于萌發(fā)裂紋。這種尺寸較大的孔洞是損害液態(tài)試樣的疲勞性能的主要因素而非整體的孔隙率。半固態(tài)壓鑄試樣則是尺寸相近的孔洞集中在中心部位，這些孔洞在三維上可能連通，裂紋的萌發(fā)為微孔的綜合作用，因此密度能在一定程度上反映半固態(tài)試樣的疲勞強(qiáng)度。

圖11：不同工藝疲勞試樣近斷口金相圖：(a)液態(tài)壓鑄400×；（b）半固態(tài)壓鑄400×；（c）液態(tài)壓鑄1000×；(d) 半固態(tài)壓鑄1000×

圖11為不同工藝試樣近斷口截面金相圖。通過圖11a和圖11b的對比，可以看出液態(tài)壓鑄試樣的金相圖存在大量孔洞，而且存在直徑大于200 μm的孔洞，這與圖9a液態(tài)壓鑄試樣的斷口形貌相對應(yīng)。圖9a中液態(tài)壓鑄試樣近斷口截面彌散分布的細(xì)小孔洞的平均等效直徑范圍為73.6~138.3μm。有研究指出，未處于疲勞源區(qū)的孔洞，對于鑄件疲勞性能的影響存在臨界尺寸，平均等效直徑大于60 μm的孔洞在裂紋擴(kuò)展區(qū)形成的應(yīng)力集中會加速裂紋的擴(kuò)展，降低試樣的疲勞性能，而且孔洞的形狀越不規(guī)則損害越大。

從圖11c和圖11d來看，高倍下液態(tài)壓鑄試樣的組織主要為粗大的枝晶組織。半固態(tài)壓鑄試樣的組織除去少量粗大的初生α(Al)晶粒，更多的是細(xì)小而圓整的顆粒狀晶粒。晶界會對疲勞裂紋的第一階段的擴(kuò)展造成阻礙，位錯滑移距離為晶粒尺寸，細(xì)小的晶粒會加大位錯運(yùn)動間距，減小交互作用力，這樣宏觀應(yīng)力較小，加強(qiáng)了疲勞性能。這也可以解釋圖7和圖8中一些試樣雖然缺陷區(qū)域尺寸相近，但半固態(tài)壓鑄件表現(xiàn)了更好的疲勞性能。

3、結(jié)論

（1）與液態(tài)壓鑄相比，半固態(tài)壓鑄的ZL114A鋁合金試樣疲勞性能總體更高并且更加穩(wěn)定。半固態(tài)壓鑄ZL114A鋁合金試樣在密度大于2.62 g/cm³時，疲勞性能表現(xiàn)良好。在70 MPa應(yīng)力下，疲勞壽命可達(dá)10⁷次。

（2）半固態(tài)壓鑄件的疲勞壽命與密度成正比。試樣密度越高，試樣的疲勞壽命越高。液態(tài)壓鑄試樣的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。

（3）液態(tài)壓鑄試樣整個截面均有孔洞，裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態(tài)壓鑄試樣的孔洞集中在中心附近，裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

作者：
楊依珉 趙君文 巫國強(qiáng) 王海波
西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第01期