原标题：自适应调压铸造下ZL114A合金微观组织及蠕变行为

摘要：针对铸造铝合金零部件轻量化、薄壁化、复杂化对生产工艺提出的新要求，在真空差压铸造基础上，研究了不同轴径ZL114A合金铸件在自适应调压状态下的微观组织和力学性能变化。通过光镜和扫描电镜观察凝固组织及枝晶形貌的演变现象，着重测试分析了保压压力、凝固压差、分级加压压差对ZL114A合金试样蠕变性能的影响，并进一步探讨了蠕变温度和蠕变应力的影响。结果表明，ZL114A铸件在受控压力下凝固的组织趋向致密化，而枝晶在压力挤滤渗流作用下明显细化；晶界滑移是蠕变断裂的主要作用机制，高压力和强压差铸件试样的抗蠕变性能得到显著改善，归因于共晶硅结构的转变抑制了裂纹的萌生、扩展以及晶界微孔的减少。

ZL114A具有较高的比强度、比模量，在航天航空、机械、交通运输等领域得到了广泛应用，成为实现轻量化结构件制造的首选材料。然而，生产复杂薄壁件时为提升充型能力，浇注温度的增加致使ZL114A熔体凝固过程树枝晶容易过度生长，同时造成大量缩松缩孔。

关于控制ZL114A显微组织的方法的报道很多，其中真空差压铸造具有“真空下充型，压力下凝固”特性，可同步实现复杂铸件完整充型和材料性能的提高。董选普等在分析真空差压铸造铝合金性能的过程中发现，与其他常规铸造工艺如在重力下浇注和真空吸铸相比，利用真空差压铸造技术，铝合金的抗拉强度提高了20%，伸长率提高了近一倍；严青松等研究了真空差压铸造铝合金的补缩特性，并得出凝固压力是能够影响铝合金致密度的关键因素。理论研究和实践生产证实，真空差压铸造工艺是成形高品质要求铝合金铸件的有效措施，因此对真空差压铸造工艺的进一步探索具有重要的现实意义。此外，近代工业的迅猛发展，不论是航空航天等军用产品，还是汽车发动机等民用零件，其高温性能要求逐渐提高，铸件在高温下服役的稳定性对合金的基体结构、组织和力学性能等方面的要求越来越高。值得注意的是，虽然对铝合金室温拉伸，压缩性能进行了透彻地探究，而对其高温力学性能尤其是对低于熔点温度状态的低拉伸应力下蠕变现象研究较少。

本课题在真空差压设备基础上，通过智能控制气路系统，实现压力的自适应调节，系统研究了保压压力、凝固压差、分级压差对不同轴径ZL114A铸件试样的微观组织和蠕变性能的影响。

1、试验材料及方法

采用VCPC型真空差压铸造设备制备ZL114A合金试样，图1a为系统示意图，图2为试验理想真空差压工艺曲线，图3为试验理想分级加压压差曲线。铸件外形尺寸为φ45 mm×210 mm，铸型由酚醛树脂覆膜砂制成，预热温度为120 ℃，材质为ZL114A(ZAlSi7Mg1A)，浇注温度为700 ℃。图2中保压压力分别为200、250、300、350 kPa，凝固压差分别为30、50、70、90 kPa，图3中分级加压压差分别为35、85、135、185 kPa，真空度为20 kPa。从铸件中加工4个φ16 mm的试样，其中3个加工为φ10 mm的蠕变标准试样，其他试样用于微观组织观察及显微形貌分析，取样方式见图1b。用CSS?3905型蠕变试验机对试样进行蠕变试验，试验温度为200 ℃，应力为120 MPa。采用DureScan型维氏显微硬度计对试样进行显微硬度测试，载荷为0.98 N，保压时间为3 s。利用Quanta200的电镜观察ZL114A合金的共晶硅形貌及蠕变断口形貌。利用XJP-6A的光学金相显微镜观察ZL114A合金的微观组织，所基于Image-Pro Plus软件，采用截线法对ZL114A铝合金铸件试样的二次枝晶间距进行测量：

式中，为通过Image-Pro Plus软件测量的值，n为二次枝晶数。

表1:ZL114A合金的主要化学成分

(a)设备原理图    (b)取样位置
图1:真空差压铸造设备原理图及铸件取样位置

图2:试验理想典型真空差压工艺曲线

图3:试验理想分级加压压差曲线

2、结果与分析

2.1 保压压力和凝固压差对ZL114A合金枝晶形貌的影响

图4为保压压力对不同轴径铸件按纵深取样试样的二次枝晶间距的影响。可以看出，对于轴径分别为6、9、12 mm的试样，随着保压压力的上升，ZL114A合金凝固组织中二次枝晶间距铸件减小。在铸造过程中，合金熔体冷却时往往会形成粗细不均匀的树枝晶，金属液只能从先凝固的枝晶间隙中流动补缩。而对于真空差压铸造工艺，由于合金的凝固是在一定压力下进行的，较高的环境压力总用下，推动金属液渗入枝晶间隙能力增强，补缩效果增强。当压力进一步提升，先结晶组织受到流动熔体作用易发生断裂破碎，这些漂游在熔体中的浮游碎晶可作为ZL114A结晶的异质形核核心，在避免枝晶过渡生长的同时提升了形核速率。此外，随着取样纵深的提升，也展现处二次枝晶间距的降低现象，同时随着轴径的降低二次枝晶间距也逐渐降低。可归因于散热能力的提升，树枝晶显著细化，最小二次枝晶间距分别为12.52、14.55、15.51 μm。图5为不同保压压力下φ12 mm铸件相同区域的金相组织显微组织。可以看出，随着保压压力的增加，粗大树枝晶逐渐碎化，枝晶间共晶硅分布更加均匀，这与图4中显示的规律相符合，证实了调控真空差压铸造工艺保压压力对于凝固组织细化的作用。

(a)φ6 mm, (b) φ9 mm, (c) φ12 mm
图4:保压压力对不同纵深位置试样二次枝晶间距的影响

(a) 200 kPa, (b) 250 kPa, (c) 300 kPa, (d) 350kPa
图5:不同保压压力下φ12 mm铸件金相组织

图6a为保压压力对ZL114A合金显微硬度的影响。可以看出，随着保压压力的增大，铸件的显微硬度逐渐增大，φ9 mm的试样在350 kPa保压压力时获得了最高的显微硬度（HV），约为83.2。随着保压压力的增大，ZL114A合金树枝晶组织明显细化，粗大的共晶硅相转变为圆棒状，见图7。当保压压力为300 kPa时ZL114A合金基体内的碎片状、长针状硅相几乎全部消失，基体相ɑ-Al在压力挤滤渗流作用下球化，出现类等轴晶组织，见图7d。图6b为凝固压差对ZL114A合金试样致密度的影响，可以看出，凝固压差有利于实现铸件的高致密化。而取样位置带来的变化主要归因于合金熔体前端先接触铸型先收到激冷作用，容易被下端熔体补缩。凝固压差源自于上下罐环境压力差值，在充型完毕后施加于合金熔体，作用于铸件凝固的金属液。一方面可以有效地细化组织，另一方面促进合金液中残留气体排出，减少了冶金缺陷的产生。同时，高压状态下ZL114A的补缩能力进一步提升，打破先析出树枝晶的阻碍避免了区域微小熔池的产生，显微缩松减少，获得了高致密的凝固组织，见图7。

(a)硬度  (b)致密度
图6:压力调控对ZL114A铸件组织及性能的影响

(a)200 kPa, (b) 250 kPa, (c) 300 kPa, (d) 350 kPa
图7:不同保压压力下ZL114A合金凝固组织SEM图

2.2 自适应调压铸造工艺对ZL114A合金蠕变行为的影响

图8为保压压力-凝固压差的压力调控的真空差压铸造工艺对ZL114A合金性能的影响。由图8a可知，凝固压差的提升增加了致密化程度，铸件的致密化表现为高压力结晶下微孔的愈合和金属液的充分补缩。从图8b可以看出，保压压力越高的ZL114A合金试样的抗蠕变能力越好，在相同蠕变条件下蠕变应变量小，蠕变速率缓慢，而对于保压压力低的合金试样在超过一定时间后蠕变位移量迅速上升，发生大幅变形。在最佳保压压力下设计梯度凝固压差对ZL114A合金试样的蠕变曲线见图8d，随着凝固压差的上升，试样的抗蠕变性能铸件提升，蠕变应变缓慢降低。其中，当凝固压差高达90 kPa，试样在长时间高温低应力下蠕变量几乎不变，并且不发生断裂。图9为压力调控的ZL114A合金试样断口形貌，可见随着保压压力和凝固压差的上升，断口处的极少数的韧窝出现，说明材料抗高温蠕变性能有所提高。当凝固压力为250 kPa时，试样断口表现出脆性断裂的特征，出现大量明显且光滑的解理台阶和解理面，有大量的分叉裂纹和二次裂纹断面，裂纹断面与崩裂的硅片断面杂乱得交织在一起。然而，当压力足够大时，试样断口仍然表现出脆性断裂的特征，但解理台阶和解理面的数量有所下降，韧窝数量增加，说明此时韧性变强，侧面证实了试样抗蠕变能力的提升。图9c为不同蠕变应力下最佳保压压力和凝固压差试样的蠕变行为。在蠕变刚刚开始时，试样发生一定低塑性变形，应变曲线保存线性上升。同时，这个过程中基体内的位错不断增殖和运动，带来形变强化增强ZL114A合金的抗应变能力。

(a)致密度, (b) 不同保压压力下蠕变应变, (c) 不同蠕变应力下蠕变应变, (d) 不同凝固压差下蠕变应变
图8:压力调控对ZL114A铸件致密度和蠕变性能的影响

图9 压力调控下ZL114A铸件断口形貌SEM图: (a) 250 kPa凝固压力, (b) 300 kPa凝固压力为, (c) 350 kPa凝固压力, (d) 30 kPa凝固压差, (e) 50 kPa凝固压差, (f) 70 kPa凝固压差

图10为分级加压压差对ZL114A合金铸件试样的性能影响。由图10a和图10b可以看出，与保压压力、凝固压差对ZL114A合金凝固组织的作用相类似，铸件试样的致密化程度随着压力的增加不断上升，在分级压差为185 kPa时，试样密度和致密度分别为2.64 g/cm3，99.0%。说明在压力下充型、结晶、凝固后ZL114A固相组织接近理论致密度。由图10c可见，在分级加压压差作用下，85、135、185 kPa下的3种试样在稳态蠕变下均未发生断裂。相较于图8d中低凝固压差试样的断裂，分级压差的增强效应更强，有效低提升了ZL114A合金的抗蠕变能力。其中，随着分级压差的上升，蠕变曲线线性区间斜率铸件减小，蠕变应变量也显著降低，尤其是对于分级压差为185 kPa试样，蠕变应变在0.3~0.4之间，在长时间高温低应力作用下ZL114合金保持非常稳定的低蠕变变形。由图10d可见，不同蠕变状态下变形后合金试样的硬度变化，整体上随着分级压差的上升硬度逐渐上升，可归因于压差作用导致组织的强化。对于相同分级压差下的试样，蠕变应力越大的铸件蠕变后硬度越低，蠕变温度越高的铸件蠕变后硬度也越低，说明蠕变状态对蠕变性能的影响也是十分显著，较高温度和应力作用下，蠕变时合金组织内的位错运动速率越快，晶格滑移加剧，晶界运动也随之加速，长时积累后蠕变程度更加显著。图11为ZL114A合金铸件在蠕变后的金相组织，从图11a和图11b可知，在蠕变后由于晶界的滑移作用易产生晶界孔洞，这些晶界孔洞会随着分级压差的提升而减少。对比图11a和图11c可知，尽管高蠕变温度下铸件试样的抗蠕变性能是减小的，但晶界孔洞的数量相对较少。可能的原因是，由于在300 ℃时合金凝固组织发生二次生长，晶粒在低应力状态下，吸收载荷能量发生外缘生长，在出现晶界孔洞的同时晶界不断扩张，因此一定程度上弥补了蠕变晶界滑移量。图12为300 ℃时不同蠕变应力状态下，不同分级压差铸件试样的蠕变性能。可以看出，所有试样在蠕变后都保留了相对较好的抗蠕变性能，在经过线性变形阶段后，均可长时间在低应力下保持稳定的低蠕变应变而非发生断裂。由图12b可见，185 kPa的高分级压差下，ZL114A合金铸件试样展现出优异的抗蠕变性。

(a)试样密度, (b)试样致密度, (c)试样蠕变应变, (d)铸件硬度
图10:分级加压压差对ZL114A铸件性能的影响

图11:300 ℃下蠕变变形后不同分级压差ZL114A试样金相组织: (a) 分级压差35 kPa, (b) 分级压差85 kPa, (c) 分级压差35 kPa, (d) 分级压差85 kPa

(a)蠕变应力60 MPa, (b) 蠕变应力90 MPa
图12:不同分级压差ZL114A试样在300 ℃下蠕变性能:

3、结论

(1)保压压力和凝固压差对ZL114A合金铸件试样结晶组织影响显著，压力挤滤渗流可以破碎先析出树枝晶，破坏局部熔池，打开凝固补缩通道。因此，随着压力的增加，共晶由碎片状、长针状转为圆棒状，基体相α-Al由粗大树枝状转为等轴状，二次枝晶间距逐渐减小。

(2)保压压力-凝固压差-分级压差协同作用下的自适应压力调控铸造工艺，可促进ZL114A合金试样的凝固致密化过程。试样密度、致密度、硬度随着压力场的加强逐渐提升，虽然仍属于脆性断裂，但解理台阶和解理面的数量有所下降，韧窝数量增加，试样抗应变能力增强。

(3)自适应压力调控工艺下的ZL114A铸件蠕变性能显著改善。保压压力350 kPa的试样可在长时间蠕变后不发生断裂，进一步调控压力，在凝固压差和分级加压压差作用下，蠕变曲线线性变形阶段斜率降低，大部分试样均不发生断裂，蠕变过程保持稳定且蠕变应变量低。同时，蠕变温度、应力等因素对试样的抗蠕变性能及蠕变后微观组织形貌也有一定影响。

(4)在真空差压铸造基础上，针对不同铸件结构及性能要求，基于PLC智能化、自动化算法，设计合理的可适应性、可调控性真空差压铸造工艺对实际生产具有重要意义，亟待进一步的探索和研究。

文章作者

芦刚 陈义斯 严青松 毛蒲 涂志新 黄朋朋
南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2022年第41卷第1期