原标题：高导热镁合金滤波器壳体压铸工艺、组织与性能研究

摘要

以Mg-4La-2Al-0.3Mn（LA42）合金为研究对象，利用OM、XCT、数值模拟等方法，对比AZ91D常规压铸工艺，优化出适用于LA42合金滤波器壳体的压铸工艺。研究表明，滤波器壳体的最优压铸工艺是浇注温度720 ℃、模具温度250 ℃、增压压力90 MPa。该工艺下成形的滤波器壳体，其背部与散热齿的显微组织与性能相差较大。壳体背部冷却速率慢，晶粒尺寸大，伴随大量预结晶组织，而散热齿冷却速率快，晶粒尺寸细小，伴随冷隔和孔洞缺陷。散热齿热导率[107.7 W/（m·K）]低于壳体背部热导率[112.3 W/（m·K）]。散热齿屈服强度（170.1 MPa），远高于壳体背部屈服强度（138.4 MPa）。但散热齿区域因为含有明显冷隔和孔洞缺陷，显著影响伸长率。

传统的压铸镁合金AZ91D有出色的铸造性能（流动性、抗热裂性等），广泛应用于电子通讯领域。但随着设备集成度的提高，体积缩小，设备功耗增加，AZ91D合金由于含有大量固溶原子造成电子运输过程中散射，导致其热导率仅有51 W/（m·K），无法满足设备的散热需求。针对此问题，作者团队曾开发了适用于压铸的高导热镁合金LA42（Mg-4La-2Al-0.3Mn，wt.%），其热导率可达110 W/（m·K），压铸试验拉伸棒屈服强度140 MPa，抗拉强度240 MPa，伸长率12%。但实际应用过程中，产品大多数具有结构复杂、尺寸大、壁厚不均匀、壁薄等特征，对合金的压铸充填能力要求更为苛刻，压铸充填过程的效果最终影响压铸件质量。

滤波器作为通讯基站射频的核心器件，为了保证它的高效运行，其中滤波器壳体散热问题亟待解决，迫切需要导热性能优异的滤波器壳体材料。如图1所示，滤波器壳体的尺寸高达456 mm×301 mm×76 mm，散热齿最薄处仅有1 mm。LA42合金铸造性能比AZ91D合金略差，采用常规压铸工艺生产滤波器壳体无法获得质量优良的零部件。本工作通过压铸工艺数值模拟优化，获得适用于大型薄壁LA42合金滤波器壳体的压铸工艺，并对铸件本体显微组织与性能进行分析，以探讨LA42镁合金在滤波器壳体上推广应用的可行性。

图1 滤波器壳体压铸件

1 试验材料与设备

试验材料为LA42合金，并用商用AZ91D合金作对照试验。通过ICP-OES测定LA42和AZ91D合金化学成分，结果见表1。滤波器散热壳体采用压铸机Bulher SC140L压铸而成，采用的压室长度为760 mm，冷却时间15 s。在智铸超云平台（Supreium®）通过压铸过程数值模拟对压铸工艺参数进行优化选择，具体压铸工艺见表2。最终采用XCT对LA42和AZ91D压铸件孔隙率、热裂纹及缺陷分布进行对比评价，以评估LA42合金的成形能力。

表1 LA42和AZ91D合金化学成分 wB/%

表2 本试验所采用的压铸工艺参数

在压铸件本体切取直径12.7 mm的圆片，切取标距段为15 mm×3.5 mm的板状拉伸片，分别在散热齿和壳体背部切取对应试样。具体取样位置如图2所示。采用LFA467激光导热仪测量室温热扩散系数α，使用密度计（Sartorius Quintix124-1CN）对样品的室温密度ρ进行测试，比热容依据Neumann-Kopp定律来计算。

式中：Cp，i（T）为合金中各元素的定压比热容，xi为该元素在合金中的质量分数。

图2 热导率圆片试样和拉伸试样取样位置

本文中将用到的各元素的比热容随温度变化如下：

最终试样的热导率可以由式（6）获得：
                        λ=αρCp      （6）
式中：α为热扩散系数，ρ为密度，Cp为比热容。

在MTS拉伸试验机上以0.5 mm/min的拉伸速率对上述拉伸片进行室温拉伸试验。对试样进行机械研磨、抛光和用镁合金专用蚀刻剂（4 mL硝酸和96 mL乙醇）腐蚀5 s后，采用蔡司光学显微镜AXIO SCOPE 5进行显微组织观察。采用搭载EDS的扫描电子显微镜拍摄背散射（BSE）照片，在至少十个基体区域用EDS点扫描模式测量固溶原子浓度。

2 试验结果与分析

2.1 充型过程数值模拟与典型缺陷分布情况

根据材料的热物性数据，采用压室充填模式计算压铸充填过程，辅助压铸工艺设计。图3所示为不同压铸工艺参数下的LA42合金在同一慢压射充型时刻（2.88 s）数值模拟结果。观察压室内熔体充填情况，发现工艺A与AZ91D工艺相同，浇注温度680 ℃，模具温度180 ℃，该条件下LA42合金充填平稳，但由于LA42合金凝固区间大约在630~580 ℃，远高于AZ91D的凝固区间（595~437 ℃），贴近压室内壁的多数熔体温度已经低于液相线温度，α-Mg已经开始形核凝固（图3工艺A箭头所指位置），粘度增大，流动性降低，并容易产生预结晶组织，从而造成枝晶间隙补缩不足产生缩松，并显著影响塑性。

图3 不同压铸工艺参数下的LA42合金在同一慢压射充型时刻（2.88 s）数值模拟结果

因此，需要提高浇注温度和模具温度，改善LA42合金充型和补缩能力。工艺B和C在工艺A基础上将浇注温度提高至720 ℃，模具温度提高至250 ℃，压室截面熔体温度分布情况有很大改善，均在液相线温度以上。工艺D在工艺C的基础上将浇注温度进一步提高至760 ℃，熔体产生过热，慢压射阶段就出现飞溅（如图3D红色框）。因此，浇注温度选择应控制在720 ℃。

如图4所示为不同压铸工艺参数下卷气压力分布数值模拟结果，从图中可看出，工艺B相比工艺A的卷气压力并未出现显著改善，并分布在相同区域（如图4B红色框），这是因为该位置处于两股熔体交汇的区域，且是铸件壁最薄的部位。熔体在此交汇且界面前沿无法排气时，该区域就容易造成卷气，产生气孔。图5液流追踪结果也验证了上述结论，在黑色方框内容易出现液流交汇和卷气。因此，在工艺B的基础上需要进一步提升增压压力至90 MPa（工艺C），发现卷气压力有所降低，而进一步提升浇注温度（工艺D），卷气压力进一步增大，这是因为温度过高，容易与氢反应产生气泡卷入至熔体中。根据以上结果，浇注温度在720 ℃，增压压力90 MPa的工艺C是最优选择。

图4 不同压铸工艺下的卷气压力数值模拟结果

图5 工艺B的液流追踪数值模拟结果

如图6所示为不同压铸工艺下缩松缩孔的数值模拟结果，由图可见，从工艺A至工艺B，提高浇注温度，缩孔缩松倾向性显著降低，再从工艺B改进至工艺C，提高增压压力，缩孔缩松倾向性进一步降低。而工艺C到工艺D，浇注温度进一步提高至760 ℃，熔体发生过热，不同温度凝固到相同体积时，凝固收缩越大，越容易产生缩孔缩松，所以到工艺D，缩孔缩松倾向性反而又提高了。缩松缩孔的数值模拟结果验证了工艺C的合理性。

图6 不同压铸工艺下的缩松缩孔数值模拟结果

2.2 压铸件表面质量对比与 XCT 缺陷分析

采用工艺C试制滤波器散热壳体，LA42合金与AZ91D合金压铸样件如图7所示，对比发现，AZ91D合金样件表面质量优良，近内浇道和远内浇道的薄壁散热齿均充填良好。LA42合金样件充填基本完整，但表面可见流痕，局部存在未充满的冷隔缺陷，这归因于LA42合金粘度高，导致其容易粘连模具。

图7 LA42与AZ91D合金滤波器壳体铸件表面质量照片

通过XCT进一步探究铸件内部质量，结果如图8所示。XCT扫描分辨率136 μm，在该分辨率下，LA42合金铸件孔隙率为0.03%，AZ91D合金铸件孔隙率为0.02%，二者基本持平，孔洞出现位置基本与工艺C的数值模拟结果一致。两种合金的压铸件孔洞缺陷均易分布在液流交汇处（图8中红色框）和远内浇道端壁厚区域（图8中蓝色框）。LA42合金铸件内部除了存在少量孔洞缺陷外，并未发现明显的热裂纹。这是因为即使LA42合金流动性比AZ91D差，但是其凝固区间窄，共晶反应温度高，较高温度下就可以对最终凝固区域进行补缩，所以热裂倾向性较低。说明除了LA42压铸件表面有粘模现象外，在该工艺下，压铸件内部未出现大量尺寸大于100 μm的孔洞，LA42合金适合大型复杂薄壁件的充填。可进一步采用高真空压铸减少内部气孔，修改模具油路以增大散热齿模具表面温度，从而改善铸件质量。

图8 通过XCT得到的LA42与AZ91D镁合金滤波器壳体铸件的三维缺陷分布结果

2.3 滤波器壳体显微组织、热导率与力学性能分析

图9a和图9b分别为LA42合金壳体背部靠近模具表面和型腔中心的金相组织。图9c和图9d分别为LA42合金壳体散热齿靠近模具表面和型腔中心的金相组织。由图可见，与图9c和图9d对比，图9a和图9b显示的晶粒更粗大，且含有大量预结晶组织。壳体背部在靠近模具表面处没有明显缺陷（图9a），而散热齿靠近模具表面处含有少许冷隔裂纹（图9c），这说明散热齿冷速相比壳体背面更快，形核率高，晶粒细小，多股金属液在散热齿来不及融合到一起就已经凝固。散热齿靠近型腔中心处还伴随着大量细小孔洞缺陷（图9d），而壳体背部靠近型腔中心处几乎观察不到孔洞缺陷（图9b）。如图10所示为采用工艺C得到的LA42滤波器壳体凝固温度场数值模拟结果，验证了上述观点。

图9 LA42合金滤波器壳体金相组织

图10 LA42合金滤波器壳体凝固温度场数值模拟结果

表3为LA42滤波器壳体各个区域的热导率和力学性能，图11为对应的拉伸曲线。对比发现，散热齿区域热导率低于壳体背部热导率。图12和表4为散热齿区域和壳体背部区域的背散射照片以及固溶原子浓度对比。散热齿区域固溶原子浓度高于壳体背部的固溶原子浓度，这归因于散热齿区域冷却速率更快，固溶原子来不及扩散而固溶在基体内，固溶原子扰乱了Mg晶格的周期性排列，是影响热导率的主要因素。与此同时，散热齿区域高固溶度和更细小的晶粒尺寸，贡献了更高的固溶强化和晶界强化效果，因此屈服强度也显著高于壳体背部区域。然而散热齿区域伸长率和抗拉强度显著低于壳体背部，这归因于散热齿区域的冷隔和孔洞缺陷，也与图9c和图9d组织照片对应。这也侧面反应，相比预结晶组织，冷隔和孔洞缺陷对伸长率的影响更为突出。

表3 LA42合金滤波器壳体不同部位热导率和力学性能

图11 滤波器壳体不同部位LA42合金试样拉伸曲线

表4 滤波器壳体不同区域固溶原子浓度

图12 LA42合金滤波器壳体不同部位背散射照片

3 结论

（1）数值模拟结果显示LA42合金滤波器壳体的最优压铸工艺是浇注温度720 ℃，模具温度250 ℃，增压压力90 MPa，采用该工艺能顺利成形滤波器壳体铸件。

（2）LA42合金滤波器壳体背部和散热齿区域组织和性能相差较大。散热齿区域由于高冷却速率，晶粒细小，且含有大量固溶原子，因此热导率低[107.7 W/（m·K）]，屈服强度高（170.1 MPa），但是也伴随着冷隔和孔洞缺陷而显著降低伸长率。相反，壳体背部热导率高[112.3 W/（m·K）]，屈服强度低（138.4 MPa）。

作者：
周丽萍 李子昕 张玮宸 曾小勤 李德江
上海交通大学材料科学与工程学院，轻合金精密成型国家工程研究中心
林占宏 金晨 赵寿
青海盐湖特立镁有限公司
本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴