导读
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。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。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φ45mm×210mm，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、350kPa，凝固压差分别为30、50、70、90kPa，图3中分级加压压差分别为35、85、135、185kPa，真空度为20kPa。从铸件中加工4个φ16mm的试样，其中3个加工为φ10mm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120MPa。
(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
对于轴径分别为6、9、12mm的试样，随着保压压力上升，ZL114A合金凝固组织中二次枝晶间距逐渐减小。在铸造过程中，见图4，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。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、15.51μm。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（见图5），这与图4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)φ6mm,(b)φ9mm,(c)φ12mm
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)200kPa,(b)250kPa,(c)300kPa,(d)350kPa
图5不同保压压力下φ12mm铸件金相组织
随着保压压力的增大，铸件的显微硬度逐渐增大，φ9mm的试样在350kPa保压压力时获得了最高的显微硬度（HV），约为83.2，见图6a。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300kPa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，凝固压差有利于实现铸件的高致密化，见图6b。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)200kPa,(b)250kPa,(c)300kPa,(d)350kPa
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
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。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，见图8a和图8b。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90kPa，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250kPa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。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，见图9c。
(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)250kPa凝固压力,(b)300kPa凝固压力为,(c)350kPa凝固压力,(d)30kPa凝固压差,(e)50kPa凝固压差,(f)70kPa凝固压差
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185kPa时，试样密度和致密度分别为2.64g/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、185kPa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185kPa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。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。185kPa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11300℃下蠕变变形后不同分级压差ZL114A试样金相组织
(a)分级压差35kPa,(b)分级压差85kPa,(c)分级压差35kPa,(d)分级压差85kPa
(a)蠕变应力60MPa,(b)蠕变应力90MPa
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350kPa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。
文献引用格式：芦刚,陈义斯,严青松,等.自适应调压铸造下ZL114A合金微观组织及蠕变行为[J].特种铸造及有色合金，2022,42（1）：1-6.
