鋁合金流變鑄造中的雙層膜缺陷

郭洪民，馬騰飛，孫鐵秩，李金朋，楊湘杰

（南昌大學 a.材料科學與工程學院；b.江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌 330031）

流變鑄造是一種鋁合金短流程近凈成形技術，是實現“以鋁代替鋼和鑄鐵”的有效手段，具有實現鑄件性能達到材料本身性能的巨大潛力，可滿足汽車、新基建和航空等領域對高綜合性能、高可靠性、輕量化、薄壁形狀復雜產品的迫切需求。經歷近50 年發展，國內外學者在合金設計、半固態漿料制備、半固態漿料流變行為及本構、流變鑄造工藝及模具、熱處理和力學性能等方面開展了廣泛深入的研究。根據產品特點，流變鑄造的產業化應用主要體現在兩個方面：①低固相率流變鑄造，采用5%～20%固相分數的半固態漿料，主要通過高壓鑄造的方式生產薄壁復雜形狀的殼類零件，典型代表為4G/5G 通訊類散熱器[1—4]；② 高固相率流變鑄造，采用固相分數為40%～60%的半固態漿料，主要通過高壓鑄造或擠壓鑄造的方式生產具有承力、安全或密封等要求的結構件和密封件，典型代表為汽車底盤件和懸掛件[4—7]。

鋁合金流變鑄造尚未實現規?；瘧茫诟甙踩越Y構件方面尤為突出。文中試圖從雙層膜缺陷角度揭示制約鋁合金流變鑄造產業化應用的關鍵因素，從半固態漿料制備和流變壓鑄工藝與模具等方面探討推動鋁合金流變鑄造產業化應用的建議方案。

1 雙層膜缺陷

液態鋁及鋁合金表面總是被一層固態氧化膜所覆蓋。對純鋁來說氧化膜起初是氧化鋁的無定形中的一種類型，會很快轉變成晶態γ-Al2O3，經過一個孕育期后轉變成α-Al2O3。Mg 對鋁合金熔體表面的氧化過程影響較大，當合金中Mg 的質量分數少于0.005%時，表面氧化膜為純氧化鋁。超過這個限度后，氧化鋁結構轉變成尖晶石結構。當Mg 的質量分數超過2%時，鋁的氧化物薄膜轉變成純氧化鎂。以氧化鋁為主體的氧化膜的厚度在20～50 nm，氧化鎂薄膜厚度比氧化鋁薄膜大10 倍以上。液面上生長的固態氧化膜上表面一定是干燥的。在微觀尺度上，這些氧化膜具有一定的粗糙度，如氧化鋁薄膜像褶皺的地毯，氧化鎂薄膜形似手風琴。

若液態金屬發生表面湍流（受到破裂波的作用或者金屬液滴回落到熔體中），固態表面氧化膜將被卷入熔體內部。卷入過程中表面氧化膜上干燥層間發生相互折疊，因此卷入到熔體內部的表面氧化膜必然是雙層的，稱為雙層膜。表面湍流是產生雙層膜缺陷的必要條件，引起表面湍流的臨界速度與金屬熔體的密度和表面張力有關，幾乎所有液體的臨界速度都在0.3～0.5 m/s 范圍內，實驗和數值模擬均證明了該臨界速度的存在。J.Campbell 提出了雙層膜缺陷的概念，并進行了系統深入的研究[8]。

鋁合金熔體表面氧化膜為固態膜并且上表面干燥粗糙，雙層膜缺陷內表面界面層的粘結性差，所以雙層膜缺陷必然類似于裂紋，并且造成的危害與裂紋一樣。根據計算和經典形核理論，氣孔、縮孔、疏松和熱裂等缺陷的異質形核或者均質形核肯定是不可能的[9]。J.Campbell 認為[8]，與異質形核或者均質形核的難度相比而言，通過展開雙層膜的簡單力學作用萌生上述缺陷所需的驅動力幾乎為0，由于其發生如此容易，以至于在實際情況下，可以認為它是唯一的啟動機制。雙層膜除了憑自身能力構成裂紋缺陷外，在鋁合金熔體冷卻過程中，會發生如下現象：①若熔體中含氣量高，氣體通過擴散并聚集在雙層膜內，形成析出性氣孔；② 若表面湍流嚴重，雙層膜內卷入了較多氣體，形成卷入性氣孔；③凝固收縮產生靜水應變，促使雙層膜展開，形成縮孔和疏松；④ 凝固末期線性收縮產生單軸應變，促使雙層膜展開，形成熱裂。在鋁合金鑄造領域中，合金熔化、精煉、轉移、澆注和充型等過程中表面湍流比較普遍，因此可以預見雙層膜缺陷在鋁合金熔鑄產品中是非常普遍的，它決定著鑄件的力學性能、可靠性、腐蝕性和氣密性。

2 鋁合金流變鑄造與雙層膜缺陷

2.1 低固相率流變鑄造與雙層膜缺陷

5G 通訊是國家重大發展戰略。電子系統及設備的大規模集成化、輕量化和高功率為必然發展方向，電子系統及設備的熱管理面臨嚴峻挑戰，對鋁合金散熱器和濾波器殼體等散熱類產品提出了更為苛刻的要求。流變鑄造使用半固態漿料作為原始材料，該固-液混合物由晶粒細小形態呈球形/近球形的初生固相以及液相構成，具有觸變性，在剪切力作用下具備很好的流動性，因此流變鑄造可以成形薄壁形狀復雜的零件。瑞典ReoMet AB、中國福建金瑞高科有限公司和珠海潤星泰電器有限公司等企業利用流變鑄造技術規?；a鋁合金4G 通訊散熱器和濾波器殼體[1—4]。與高壓鑄造相比，流變鑄造可減重20%～30%，散熱齒厚由1.6 mm 減薄到 1 mm，導熱系數由 110 W/(m·K)提高至 150 W/(m·K)[2]。產業界預言，流變鑄造是5G 通訊超薄壁散熱類產品最主要的制造技術。

與液態合金相比，固相分數為5%～20%的半固態漿料具有較高的粘度，因此低固相率流變鑄造可以減少充型過程中氣孔和縮孔等缺陷的產生，提高產品的致密性，這是流變鑄造提高導熱系數的重要原因。對于散熱器和濾波器殼體等產品，流變鑄造與高壓鑄造在壓射速度方面的差異較小，檢測分析表明低固相率流變鑄造產品內部仍然含有較多的雙層膜缺陷。圖1為某4G 通訊散熱器樣品拉伸斷口（RSF 流變鑄造，SEM（EDS）觀察分析），展示了縮孔的具體形態?？s孔底部有一層膜覆蓋，可以觀察到顆粒狀初生α-Al晶粒（見圖1a），EDS 面掃描檢測到O 元素（見圖1b），表明該膜層為氧化膜并且非常薄。該缺陷可能在半固態漿料制備或者半固態漿料充型過程中因發生表面湍流將表面氧化膜卷入，形成雙層膜缺陷，并以縮孔的形式表現出來。

流變鑄造4G/5G 通訊超薄壁散熱類產品的鋁合金材料主要為 Al-8wt%Si，該合金含有質量分數為0.3%～0.6%的Fe。較高含量的Fe 使凝固組織中含有板狀或條形的β-Al5(Fe,Mn)2Si，如圖2 所示。根據Campbell 觀點[8]，雙層膜缺陷外表面與Al 基體共格，是凝固過程中金屬間化合物的有效形核基底，若金屬間化合物以板狀或條形生長，雙層膜將被拉直展開，并以裂紋的形式展現。若金屬間化合物沿著雙層膜的單側生長，展開的雙層膜缺陷處于金屬間化合物和Al 基體之間（見圖2a）。若金屬間化合物圍繞著雙層膜生長，展開的雙層膜缺陷處于金屬間化合物內部，像一條裂紋將金屬間化合物割裂（見圖2b）。圖2 所示的β-Al5(Fe,Mn)2Si 和裂紋共生現象是雙層膜缺陷的有力證據。

圖1 流變壓鑄（RSF）4G 通訊散熱器Al8Si 合金拉伸斷口處雙層膜缺陷Fig.1 Bifilm characteristics on the fracture surface of rheocast (RSF) 4G heat sink of Al8Si alloy

圖2 流變壓鑄（RSF）4G 通訊散熱器中的雙層膜缺陷和富Fe 相Fig.2 Bifilm defect and Fe-rich phases on the fracture surface of rheocast (RSF) 4G heat sink

2.2 高固相率流變鑄造與雙層膜缺陷

固相分數為40%～60%的半固態漿料具有很高的粘度，能夠實現充型過程平穩可控，有效減少氣孔和縮孔等鑄造缺陷，因此高固相率流變鑄造可以成形結構件和密封件。有研科技集團有限公司、深圳銀寶山新壓鑄科技有限公司和奧地利SAG 等企業采用鋁合金流變鑄造生產三角臂、轉向節、減震塔等中等力學性能要求的汽車結構件。然而，流變鑄造尚未實現規?；a安全性結構件，尚未在汽車、高鐵和航空等領域推廣應用，關鍵瓶頸在于鋁合金流變鑄造產品的綜合性能缺乏競爭力及力學性能一致性比較差[7,10—12]。文中認為上述瓶頸主要源于流變鑄造過程中產生的雙層膜缺陷。

采用剪切低溫澆注方法制備7075 高強鋁合金半固態漿料，通過擠壓鑄造成形輪狀零件，截取拉伸試樣，觀察分析SEM（EDS）拉伸斷口。圖3 展示了雙層膜缺陷的典型形態，EDS 檢測到O 元素，褶皺表明膜很薄。箭頭指示的“裂紋”表明該雙層膜潛入Al基體，其真實尺寸要大于圖3 展示的尺寸。雙層膜內表面光滑的褶皺表明在拉伸過程中沒有承受到應力作用，雙層膜在拉伸之前就以裂紋的形式存在于基體中。實驗結果表明，流變擠壓鑄造7075 鋁合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率等拉伸性能的數據比較離散，尤其伸長率[13]，證實了雙層膜缺陷不僅影響著鑄件的綜合力學性能，還影響著力學性能的一致性。

圖3 流變擠壓鑄造（LSPSF）7075 鋁合金中的雙層膜缺陷Fig.3 Bifilm defect in the rheo-squeezed cast (LSPSF) 7075 aluminum alloy

K.A.Ragab 等[14—15]采用SEED 工藝制備半固態漿料，研究了流變壓鑄A357 鋁合金控制臂等構件的疲勞性能。在疲勞斷口表面上檢測到了雙層膜缺陷，表現為縮孔和展開的氧化膜等形式，如圖4 和圖5。疲勞實驗表明雙層膜缺陷是疲勞裂紋的主要萌生源，并對疲勞性能產生重要影響。

圖4 流變壓鑄（SEED）A357 懸掛控制臂疲勞斷口表面的縮孔和雙層膜缺陷[14]Fig.4 Bifilm and shrinkage porosity on the fatigue fracture surface of rheocast (SEED) A356 aluminum alloy suspension arm

圖5 流變壓鑄（SEED）A357 合金疲勞斷口表面的雙層膜缺陷[15]Fig.5 Bifilm defect on the fatigue fracture surface of rheocast (SEED) A356 alloy specimen

B.Bryksi 等[16]采用SEED 工藝制備半固態漿料，分析了流變壓鑄A356 鋁合金發動機托架T6 熱處理后存在的鑄造缺陷。在距離試樣表面較遠處檢測到了如圖6 所示的雙層膜缺陷，主要存在于共晶組織中（即晶界處），該雙層膜缺陷在Al 基體被拉直但未被展開，體現了裂紋特征。M.Rosso 等采用ATM 流變鑄造方法制備A356 鋁合金剎車卡鉗，也發現了類似的雙層膜缺陷，并認為若Al 基體中含有足夠的H，該雙層膜缺陷將展現為縮孔[17]。

M.Blad 等[18]采用RSF 方法制備半固態漿料，流變壓鑄了TX630（成分類似于A356）鋁合金，研究了駕駛室固定器和消聲器支架兩種構件的疲勞性能。對于駕駛室固定器，可以實現TX630 合金代替球墨鑄鐵，減重58%。檢測表明，金相照片中縮孔類缺陷很少，但圖7 所示的雙層膜缺陷出現的頻率較高。圖7a 箭頭所示區域為共晶組織，被雙層膜所包裹。圖7b 為疲勞斷口表面牙齒狀的類似于圖3 的雙層膜缺陷。研究表明，雙層膜缺陷是疲勞裂紋源，并證實雙層膜缺陷能夠降低消聲器支架的疲勞壽命。

圖6 流變壓鑄（SEED）A356 合金內部的雙層膜缺陷[16]Fig.6 Bifilm defect in the rheocat (SEED) A356 aluminum alloy

鑄件表面因固溶處理產生的鼓泡是流變鑄造產品的一種表面缺陷，如圖8 所示。B.Bryksi 和朱強等對此開展了深入研究[16,19]。鼓泡之下存在一個表層氣孔缺陷，在縱截面上氣孔呈弓形或橢圓形。比較圖8中I 區和Ⅱ區，I 區主要由共晶組織構成[16]，源于半固態漿料充型過程中發生的液固分離。因為液固分離，半固態漿料表層某些區域液相多而固相少，表觀粘度降低，易發生表面湍流，表面氧化膜被卷入，形成雙層膜缺陷，其內空腔被卷入的氣體填充，表現為氣孔。在固溶處理階段，雙層膜內氣體膨脹，若其壓強大于材料的屈服強度，則產生鼓泡。潤滑劑、脫模劑產生的氣體以及合金熔體除氣不到位等都將增加鼓泡發生的概率，因此，鼓泡缺陷是表象，雙層膜缺陷是本質。

圖7 流變壓鑄（RSF）TX630 鋁合金DPF 支架內的雙層膜缺陷[18]Fig.7 Bifilm defect in rheocast (RSF) DPF TX630 alloy bracket

圖8 流變壓鑄（SEED）A356 鋁合金固溶處理中的鼓泡和雙層膜缺陷[16]Fig.8 Bifilm and blister in the rheocast (SEED) A356 aluminum alloy after solution treatment

圖9 流變擠壓鑄造（LSPSF）7075 合金預熔孔與雙層膜缺陷Fig.9 Bifilm and incipient melting in rheo-squeeze cast (LSPSF) 7075 alloy

預熔孔洞是固溶處理階段產生的另一種永久性缺陷。圖9 為流變擠壓鑄造7075 高強鋁合金輪狀零件固溶處理后檢測到的預熔孔洞，類似的缺陷也在SEED 流變鑄造206 高強鑄造鋁合金以及觸變鑄造319s 鋁合金中被報道[20—21]。該類缺陷通常在固溶處理溫度超過某臨界值后產生，分布于晶界（見圖9a—b），它們或為裂紋源或促進裂紋擴展，對力學性能特別是疲勞性能具有較大影響。根據圖3，流變擠壓鑄造7075 高強鋁合金內含有一定數量的雙層膜缺陷，但光學顯微鏡、SEM 和X-Ray 探傷均未探測到，說明該缺陷非常薄。當7075 鋁合金半固態漿料被推至模具型腔后，半固態漿料中剩余液相發生凝固，經共晶反應生成共晶組織，該共晶組織富含Zn，Mg，Cu元素，產生晶間偏析（見圖9c—d）。如果固溶處理溫度過高時，低熔點共晶組織熔化，產生約3%的體積膨脹，在3 個正交方向上發生約1%的線膨脹[22]。為了響應膨脹效應，熔化區周圍的固相發生相應的塑性變形。在冷卻階段，熔化區再次凝固，產生收縮。若晶界不存在雙層膜缺陷，塑性變形區將通過反變形來補償凝固收縮，不會產生孔洞類永久性缺陷。若晶界存在雙層膜缺陷，根據J.Campbell 研究成果[22]，在凝固收縮產生的三向拉應力作用下，雙層膜缺陷優先被展開，最終以孔洞的形式展現，因此，預熔孔洞是表象，雙層膜缺陷是本質。

3 討論

雙層膜是鋁合金流變鑄造中最具破壞性的缺陷，表現形式包括氣孔、縮孔、鼓泡和預熔孔等。根據組織、缺陷和性能之間的關系[23—24]，雙層膜缺陷是流變鑄造產品的綜合性能缺乏競爭力、力學性能一致性較差的本質原因。若液態鋁合金足夠純凈，雙層膜缺陷主要來源于半固態漿料制備階段和半固態漿料成形階段。

3.1 鋁合金半固態漿料制備

半固態漿料的基本特征是由球形/近球形初生固相與液相組成的固-液混合物，該微結構特征是半固態漿料觸變性的來源，因此半固態漿料的制備及其微觀組織形成機理是流變鑄造領域的研究核心和熱點。筆者將國內外最具影響力的半固態漿料制備方法分成4 類[25]。分類I：將合金熔體澆注到坩堝內，采用特定的冷卻介質激冷和強烈攪拌該合金熔體，典型代表為SSR[26]，GISS[27]，RSF[28]，ACSRR[29]。分類Ⅱ：將合金熔體澆注到坩堝內，通過坩堝激冷合金熔體，采用澆注操作或外物理場攪拌混合該合金熔體，典型代表為SEED[30]，NRC[31]，CSIP-RCS[32]。分類Ⅲ：將合金熔體澆注到坩堝內，通過坩堝激冷合金熔體，采用外物理場強烈攪拌該合金熔體，典型代表為H-NCM[33]、環縫電磁攪拌[34]、電磁攪拌[35]、機械/超聲振動[36]。分類Ⅳ：采用澆注操作使合金熔體流經具有特定長度的澆注通道，激冷和強烈攪拌合金熔體，典型代表為蛇形通道法[37]、振動傾斜板法[38]、自孕育法[39]、LSPSF/LAO[40]。

這些已開發的半固態漿料制備方法具備兩個共性特征。第一個共性特征為澆注操作，將合金熔體從熔煉爐輸送至漿料制備坩堝。表面湍流是表面氧化膜卷入形成雙層膜缺陷的必要條件，鋁合金熔體產生表面湍流的臨界流動速度為 0.5/s，臨界澆注高度為12.5 m[8]。該臨界澆注高度太小了，因此澆注操作是產生雙層膜缺陷，降低半固態漿料質量的重要因素。第二個共性特征為強烈的攪拌混合，實現細化晶粒、均勻化溫度場、控制初生固相形態。分類I 和Ⅲ引入外物理場實現攪拌混合，為了達到較好的效果，外物理場均會使韋伯數大于1，產生表面湍流。分類Ⅱ和Ⅳ依靠澆注操作和重力作用產生攪拌混合，在較高動能作用下合金熔體的流動速度遠大于0.5 m/s，因此，強烈的攪拌混合是在半固態漿料內部產生雙層膜缺陷的另一個重要因素。

綜合上述分析，已開發的半固態漿料制備方法均會污染合金熔體，在半固態漿料內部產生雙層膜缺陷。研究表明，雙層膜缺陷在半固態漿料中主要以氣孔和縮孔2 種形式存在，如圖10 所示，其尺寸可以很大。半固態漿料具有較高的粘度，雙層膜缺陷一旦產生，很難從半固態漿料內逸出或去除，最終凝固在鑄件中。根據第2 節的論述以及J.Campbell 的研究成果[8]，對于低固相率流變鑄造，半固態漿料主要采用GISS、RSF 和ACSRR 等方法制備，半固態漿料制備階段產生的雙層膜是氣孔和縮孔等缺陷的主要來源之一；對于高固相率流變鑄造，高粘度半固態漿料使充型過程平穩可控，流變鑄造產品內雙層膜缺陷主要來源于半固態漿料制備階段，是氣孔、縮孔、熱裂以及預熔孔等缺陷的根源，因此，開發無雙層膜缺陷半固態漿料的制備方法和技術是研究和發展流變鑄造首要解決的關鍵問題。對此，筆者在文獻[25]中提出了制備優質鋁合金半固態漿料的3 項基本原則：獲得高質量合金熔體、避免合金熔體表面湍流、避免合金熔體表面外插操作。

圖10 A356 鋁合金半固態漿料中雙層膜缺陷的典型形態Fig.10 Typical morphology of bifilm defect in semi-solid slurry of A356 aluminum alloy

3.2 流變鑄造工藝及模具

半固態漿料充填澆注系統和模具型腔過程中的流動狀態決定著半固態漿料成形階段雙層膜缺陷的生成。對于低固相率流變鑄造，半固態漿料充型速度高，表面湍流比較嚴重，成形階段產生的雙層膜是氣孔和縮孔等缺陷的另一個主要來源。對于高固相率流變鑄造，半固態漿料成形階段也會產生雙層膜缺陷，可能來源于以下2 種情況：①液固分離導致的局部表面湍流，引起固溶處理鼓泡；② 兩股及以上半固態漿料匯流，各自表面氧化膜匯合產生雙層膜缺陷，引起結合面強度降低。

鑄件結構、流變鑄造工藝和模具決定著半固態漿料的流動狀態。根據目前取得的研究成果[41—44]，通過材料、工藝和設計三方融合，建議從減少半固態漿料成形階段雙層膜缺陷的形成以及抑制雙層膜缺陷的展開兩個角度，降低雙層膜缺陷的危害。具體思路如下：①材料，開發適合于流變鑄造專用合金，深入研究實際流變鑄造條件下的半固態漿料流變特性，結合半固態漿料制備降低液固分離傾向；② 產品設計，結合實驗和應力分析，優化設計滿足使用要求和流變鑄造工藝要求的鑄件結構；③流變鑄造工藝及模具，結合實驗和數值模擬，設計適合流變鑄造凝固特點和半固態漿料流動特點的澆注系統，設計排氣和溢流系統，優化流變鑄造工藝參數，進而有效控制表面湍流、多股半固態漿料匯合以及液固分離；④ 有效抑制雙層膜缺陷展開，優化產品結構和模具，實現由鑄件到內澆口的順序凝固，保障補縮通道暢通，同時提供足夠高的靜壓，在鑄件凝固階段有效補縮，促使雙層膜缺陷處于卷曲狀態，進而減少縮孔、疏松和熱裂等缺陷的產生。

4 結論

1）雙層膜是鋁合金流變鑄造中最具破壞性的缺陷，具體表現為氣孔、縮孔、鼓泡和預熔孔。低固相率流變鑄造中的雙層膜缺陷來源于半固態漿料制備階段和半固態漿料成形階段。高固相率流變鑄造中的雙層膜缺陷主要來源于半固態漿料制備階段。

2）已經開發的半固態漿料制備方法均會產生雙層膜缺陷。開發無雙層膜缺陷半固態漿料的制備方法和技術是研究和發展流變鑄造首要解決的關鍵問題。

3）優化產品結構、流變鑄造工藝和模具是在半固態漿料成形階段進一步減少雙層膜缺陷的有效手段。