原標題：壓鑄SiC/6061復合材料表皮層、孔洞的形成機理及其對力學性能的影響

摘要：進行了SiC/6061復合材料真空輔助壓鑄試驗，研究了表皮層和不同壁厚試樣內部孔洞的形成機理，并探討了其對試樣力學性能的影響。結果表明，不同壁厚試樣均存在厚度約為0.5 mm的表皮層，2 mm壁厚試樣以分散的氣孔為主，壁厚增大為4 mm后，孔洞轉變為以氣縮孔為主，并形成了大尺寸縮孔，孔洞集中于試樣軸線心部區域。拉伸過程中，大尺寸縮孔易誘發試樣脆性斷裂，而處于表皮層中的顆粒易引起表皮層脆性破壞，導致試樣力學性能下降。

顆粒增強鋁基復合材料（PAMCs）自產生以來，主要應用于航天與軍事領域，而在民用領域的應用報道很少，除價格因素外，主要是由于所添加的增強顆粒具有高強度、高硬度的特性，導致PAMCs的后續切削加工難度大，生產成本高。壓鑄技術具有生產效率高，產品質量好及后續加工少的特點，廣泛應用于鋁及鎂合金鑄件的大批量生產。采用攪拌鑄造法批量制備PAMCs熔體，并利用壓鑄技術實現其近凈成形，可減少后續切削加工以降低成本，對于PAMCs的推廣與應用具有十分重要的意義。

壓鑄工藝較為復雜，導致壓鑄組織與普通鑄造組織差異較大。壓鑄充型過程中，金屬熔體由壓室進入型腔后，與型壁接觸發生激冷，形成由細晶組成的表皮層（亦稱激冷層）。通常認為表皮層具有細晶材料的特性，可提高鑄件的力學性能，但也有研究指出其對鑄件性能的影響較小。關于表皮層的形成，研究表明其主要受充型過程中熔體與型壁的碰撞方式及鑄件的凝固順序的影響，直接碰撞時表皮層不易產生，而間接碰撞、回流及優先凝固的邊緣區域易形成表皮層。此外，壓鑄過程中熔體在高壓下高速充填型腔，容易發生卷氣并形成孔洞缺陷。大量研究表明，孔洞缺陷減少了材料的有效承載面積，且大尺寸孔洞容易誘發鑄件斷裂失效導致力學性能下降，而采用真空輔助壓鑄技術可有效減少孔洞缺陷，提高鑄件的伸長率和抗拉強度。

與基體鋁合金相比，PAMCs的密度、粘度及傳熱系數均有較大變化，因此壓鑄工藝對PAMCs鑄件組織與性能的影響必將存在差異。但是，目前關于PAMCs壓鑄成形的研究報道較少，針對壓鑄PAMCs表皮層、孔洞缺陷及其對力學性能影響的研究未見報道。因此，本課題開展了PAMCs真空輔助壓鑄試驗，研究壓鑄SiC/6061復合材料表皮層、孔洞缺陷的形成機理，并探討表皮層及孔洞缺陷對鑄件力學性能的影響。

1、試驗材料與方法

選擇平均粒徑為50 μm的SiC顆粒作為增強相，選擇商用6061鋁合金作為基體材料，其具體化學成分見表1。利用研制的壓鑄前PAMCs攪拌制備裝置見圖1a，采用半固態攪拌鑄造法制備SiC/6061復合材料熔體，詳細步驟見參考文獻，制備出SiC含量為10%（體積分數）的SiC/6061復合材料熔體65 kg。

表1:試驗用6061鋁合金的化學成分

SiC/6061復合材料壓鑄澆注溫度設定為720 ℃，模具溫度設定為190 ℃，其他工藝參數見參考文獻，并利用真空輔助工藝防止卷氣缺陷。采用TOYO BD-360V4-T冷室壓鑄機進行壓鑄試驗，試驗得到的SiC/6061復合材料壓鑄件見圖1b。從鑄件上取壁厚為2、4、6、8 mm和寬度均為6 mm的拉伸試樣，利用阿基米德排水法對試樣的孔隙率進行檢測，采用SHIMADZU AG-X 100KN島津拉伸試驗機，測試溫度為室溫，拉伸速率為2 mm/min。每組壁厚測試5根拉伸試樣然后計算出平均值，用以評價該工藝條件下的拉伸性能。利用YXLON Precision S X-CT對鑄件進行了三維X射線斷層掃描分析，并利用VGStudio MAX 3.0軟件對結果數據進行處理以獲取孔洞的三維形貌。采用FEI Quanta 200環境掃描電鏡(SEM)觀察增強顆粒的分布形態及拉伸斷口形貌。

（a）PAMCs攪拌制備裝置     （b）SiC/6061復合材料壓鑄件
圖1:SiC/6061復合材料壓鑄實驗

2、試驗結果與討論

2.1 表皮層的形成及對增強顆粒分布的影響

圖2為壓鑄SiC/6061復合材料不同壁厚試樣的微觀組織。可以看出，不同壁厚試樣心部均存在少量的SiC顆粒團聚現象，試樣外層組織中存在較厚的表皮層，且表皮層內部顆粒較為稀少，見標記處。這與文獻的研究結果相似，其研究發現AlSi-B4C壓鑄件外層顆粒體積分數低內部體積分數高。此外，由圖2c和圖2d可以看出，鑄件心部存在缺陷帶，但缺陷帶的寬度較窄，且等效半徑較小。

圖2:壓鑄SiC/6061復合材料不同壁厚試樣的微觀組織

圖3為表皮層的金相組織及其對增強顆粒分布的影響機理。由圖3a可知,表皮層中僅存在少量SiC顆粒，其厚度較大約為0.5 mm。但是，發現在相同工藝條件下，SiC/A356復合材料鑄件不存在表皮層。由此可見，表皮層的形成與基體合金的類型緊密相關。分析發現6061的液相線溫度為653℃，而A356的液相線溫度為617 ℃，兩者相差36 ℃。因此，在相同的模具溫度及澆注溫度條件下，6061熔體更容易獲得較大的過冷度，在型壁處形成大量晶核，同時由于試樣冷卻速度較大，形成的晶核來不及長大，導致試樣表面形成了激冷晶組織即表皮層。表皮層的形成對SiC顆粒的分布存在重要影響，表皮層中SiC顆粒較為稀少。這是由于表皮層的形成能夠將靠近型壁的顆粒推向試樣內部，造成增強顆粒向鑄件內部運動，圖3b為表皮層對顆粒分布的作用機理圖。此外，表皮層對壓鑄件的耐壓耐腐性能、氣密性、機加工及力學性能有著重要影響。

（a）表皮層組織   （b）作用機理圖
圖3:表皮層組織及其對SiC顆粒分布的作用機理圖

2.2 心部孔洞特征及其形成機理研究

圖5為不同壁厚SiC/6061復合材料壓鑄試樣孔洞的X-CT檢測結果，圖6為孔洞的數目與平均球度。結合圖5和圖6，可以看出試樣中的孔洞包括氣孔、氣縮孔和縮孔3種類型的孔洞。其中2 mm壁厚試樣中的孔洞分布范圍較大，遠離內澆口端出現了大尺寸的縮孔，孔洞的數目為1 178，平均球度為0.51，表明試樣中的孔洞以氣孔為主。4 mm壁厚試樣中的孔洞分布主要集中于試樣軸心部，且在遠離內澆口端出現較大尺寸的縮孔，孔洞的數目為864，平均球度為0.49，表明試樣中的孔洞以氣縮孔為主。6  mm試樣中大尺寸的縮孔數量明顯增加，且出現少量的長條狀縮孔，8 mm試樣中長條狀縮孔數量明顯增加，且這些長條狀縮孔與充型方向均存在一定的夾角，孔洞數目由1 684個急劇增大至2 324個。對于孔洞數目與分布的變化，研究表明，增壓壓力對氣孔壓縮作用明顯，能夠顯著減少氣孔數量。但是，由于本研究中試樣壁厚為2 mm時，試樣凝固時間較短，導致大量氣孔來不及被壓縮。壁厚增大為4 mm后，延長了增壓壓力的作用時間，絕大多數氣孔被壓縮從而導致孔洞數量明顯下降。但同時，由于顆粒對增壓壓力的傳遞存在一定的阻礙作用及熔體固相率的增大，導致增壓壓力的有效作用降低而形成大量縮孔。因此，隨著試樣壁厚的增大，孔洞數目先減小后增大，并逐漸向試樣軸線心部區域集中。

圖5:不同壁厚SiC/6061復合材料壓鑄試樣孔洞的3D形貌與分布特征

圖6:不同壁厚SiC/6061復合材料孔洞數目與平均球度值

對于長條狀的孔洞，壁厚為6 mm和8 mm時，試樣心部可觀察到大尺寸的長條狀的縮孔，這是由于6061合金結晶溫度范圍較寬，為528~653 ℃，且在640 ℃以下將獲得較大的固相率（> 54%），見圖7a，導致大壁厚鑄件心部區域趨于糊狀凝固方式。研究表明，增壓壓力作用產生的切應力，能夠促使半固態晶粒發生相對運動產生間隙，并最終形成缺陷帶。本研究中增壓壓力所產生的切應力，會促使心部區域殘余液相在半固態晶粒間向充型方向流動，受α-Al和SiC顆粒阻礙作用流動方向發生偏轉，部分殘余液相形成了長條狀的小熔池，最后由于補縮困難，凝固收縮后便形成了長條狀縮孔，形成機理見圖7b。

(a)固相率與溫度關系曲線   (b)條狀縮孔形成機理示意圖
圖7:6061基體合金固相率與溫度關系曲線、條狀縮孔形成機理

2.3 表皮層及孔洞對力學性能的影響

圖8為壓鑄SiC/6061復合材料力學性能與孔隙率及大尺寸孔洞數目的關系。等效超過100 μm的孔洞對壓鑄件的拉伸性能影響最大，因此利用X-CT分析結果，統計出等效超過100 μm孔洞的數目進行研究。從圖8中可以看出壁厚為4 mm時抗拉強度取得最大值228 MPa，壁厚為8 mm時伸長率取得最大值為6.5 %；壁厚為2 mm時，抗拉強度及伸長率分別為196 MPa和4.5%。與文獻相比，本研究試樣的孔隙率遠高于鋁合金真空壓鑄水平（約0.4%），這可能是由于相比基體鋁合金，復合材料粘度較大，而傳熱系數有所降低的緣故；與文獻[23]采用擠壓鑄造法制備的SiC/6061復合材料相比，抗拉強度值的范圍比較接近，但本研究中的伸長率明顯的提高。另外，從圖8中可以看出，SiC/6061復合材料抗拉強度、孔隙率及大尺寸孔洞數目的變化規律正相反，即隨著孔隙率及大尺寸孔洞數目增大，抗拉強度下降。而伸長率的變化趨勢不明顯，這是由于壁厚為2 mm時，截面面積較小，在心部大尺寸孔洞的影響下更容易過早發生脆斷；而隨著壁厚增大，孔洞對截面面積的減小作用相對下降，因而伸長率有所提高并呈現出波動性。

圖9為不同壁厚壓鑄SiC/6061復合材料試樣的拉伸斷口形貌。從圖9a~圖9d斷口整體形貌可以看出,試樣拉伸斷口較為平坦，表明試樣斷裂方式趨于脆性斷裂。從圖9e~圖9h可以看出，不同壁厚試樣斷口心部存在較明顯的孔洞（見圖中標記處），心部大尺寸孔洞誘發試樣脆性斷裂，而分散的孔洞促進了裂紋的擴展。不難發現，上述斷口形貌特征印證了圖8中抗拉強度與孔隙率及大尺寸孔洞數目關系所呈現出的規律。

此外，從圖9a~圖9d還可以看出表皮層斷裂面較平坦，其中在6 mm和8 mm壁厚試樣中尤為明顯，表皮層斷裂面較寬闊而平坦。相關研究表明表皮層與試樣內部基體組織相比，其硬度較高，具有較大的脆性。在本研究中，由于表皮層中存在少量的SiC顆粒(見圖2)，破壞了細晶組織的連續性，且這些微米級顆粒尺寸與細晶晶粒尺寸相差較大，受力過程中容易導致應力集中。因此，其效果類似于夾渣物，導致表皮層脆性破壞，并由此顯著降低試樣截面有效作用面積。綜上所述，為提高PAMCs的力學性能，應盡可能的減少表皮層的厚度，防止表皮層引起的脆性斷裂。

圖8:壓鑄SiC/6061復合材料的拉伸性能與孔隙率及大尺寸孔洞數目的關系

圖9:不同壁厚壓鑄SiC/6061復合材料試樣的拉伸斷口形貌

3、結論

（1）對于SiC/6061復合材料，由于基體鋁合金6061的液相線溫度較高，其壓鑄試樣容易形成較厚的表皮層（約0.5 mm）；表皮層的形成過程中能夠將SiC顆粒向內部推擠，導致表皮層中顆粒稀少。

（2）壁厚對壓鑄SiC/6061復合材料中孔洞的類型、數目及分布均有重要影響，壁厚為2 mm時試樣凝固時間較短，大量氣孔未能被增壓壓力壓縮而分布于整個鑄件；壁厚增大為4 mm時，增壓壓力作用時間延長，絕大多數氣孔被壓縮，孔洞類型轉變為以氣縮孔為主且縮孔數目明顯增大，并集中于試樣軸線心部區域；壁厚增大為6 mm后，試樣心部區域傾向于糊狀凝固，在增壓壓力的影響下形成了一定數目的條狀縮孔數。

（3）試樣心部大尺寸孔洞容易成為斷裂源，而分散的孔洞促進了裂紋的擴展，導致壓鑄SiC/6061復合材料試樣脆斷力學性能偏低，抗拉強度的變化與孔隙率及大尺寸孔洞數目關系呈相反的規律。

（4）處于表皮層中的少量顆粒破壞了細晶組織的連續性，且受力過程中容易產生應力集中，導致表皮層脆性破壞，亦降低了試樣的拉伸性能。綜上所述，為提高壓鑄SiC/6061復合材料的力學性能，應優化壓鑄工藝、選擇適當的鋁合金基體，以降低孔隙率及大尺寸孔洞數目，控制表皮層的厚度。

作者：
胡啟耀 肖鵬
南昌航空大學航空制造工程學院

郭文波 趙海東
華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第04期