Al-Si合金因其良好的鑄造性能和力學性能，被廣泛用于制造汽車、軌道交通及航空航天等領域的零部件，在其服役環境下可能會承受循環載荷作用，因此這類鋁合金鑄件的疲勞性能十分重要。但鋁合金鑄件疲勞性能受諸多因素影響，GERBE S等發現鑄造鋁合金組織的二次枝晶臂間距（SDAS）值越大，疲勞性能越低。由于鋁合金不可避免地存在鑄造缺陷（如縮孔、氣孔、氧化膜等），關于鋁合金各種性能的研究眾多。一般認為鑄造缺陷的尺寸越大，鑄件的疲勞性能越差。

鋁合金的鑄造缺陷一般通過優化鑄造工藝來消除。鋁合金半固態成形技術材料利用率高、成形效率高，且可以生產出高性能且形狀復雜的零件，能有效地降低生產成本。同時半固態壓鑄件的致密性好、組織均勻，且沒有普通鑄件中存在的粗大枝晶組織，擁有良好的力學性能。本課題分別采用常規壓鑄及半固態壓鑄方法制備ZL114A鋁合金疲勞試樣，通過高周疲勞試驗對比不同工藝成形的鑄件疲勞性能差異。對疲勞試樣進行斷口觀察和分析，探索成形方式以及缺陷與壓鑄試樣疲勞性能之間的關系，為研究高疲勞性能鋁合金件壓鑄工藝提供參考。

圖文結果

表1 ZL114A合金的化學成分（%）

先在電磁攪拌爐中石墨坩堝里將約8kg的ZL114A鋁錠熔化，升溫至700℃，保溫30min，然后向熔體中通入氬氣精煉10min，除氣扒渣后靜置，在670℃澆注壓鑄試樣。在605℃下進行電磁攪拌，頻率為5Hz，時間為60s，功率為3kW，制備半固態漿料并壓鑄。壓鑄試樣為圓形試樣，具體尺寸見圖1。將制得的試樣依GB/T3075-2008的要求進行機加工，將試樣表面拋光至Ra0.2，隨后按數字編號，用排水法測量試樣的密度。使用PLG-100高頻共振疲勞機進行軸向疲勞試驗，應力比R=0.1。設定4個應力水平（應力級），分別為70、80、90、100 MPa，每個應力級取6根試樣。采用VHX-1000超景深顯微鏡以及Inspect F50掃描電鏡對疲勞試樣斷口進行分析，并在疲勞試樣斷口附近取一截面拋光、腐蝕后，進行金相組織觀察和拍攝。通過超景深顯微鏡測定缺陷區域的周長和面積，以計算缺陷區域的平均等效直徑，其計算公式為：

圖1 疲勞試驗用壓鑄試樣尺寸

圖2 液態壓鑄試樣疲勞試驗結果

圖3 半固態壓鑄試樣疲勞試驗結果

圖4 疲勞試樣密度與裂紋源缺陷平均等效直徑的關系

圖5 液態壓鑄試樣密度與疲勞壽命的關系

圖6 半固態壓鑄試樣密度與疲勞壽命的關系

表2 半固態壓鑄件各應力下密度與疲勞壽命 回歸分析結果

兩批試樣典型宏觀疲勞斷口形貌見圖9。近斷口截面缺陷見圖10。從圖9a可以看出，液態壓鑄試樣的斷口除了中心縮松區域以外裂紋擴展區以及瞬斷區出現了大量的氣孔。從圖10a也可以看出，近斷口截面有大量氣孔彌散分布，同時存在尺寸較大的氣縮孔。從圖9b可以看出，半固態壓鑄件的斷口形貌除中間大孔外，孔洞很少，且靠近心部，而圖10b也反映孔洞集中在中部這一規律。值得注意的是，與圖9b斷口形貌上的中間大孔相比，斷面上的孔要小得多。因此推測孔洞在三維上可能是互通或位置非常接近的，這樣裂紋源孔洞在初始擴展階段合并周圍的小孔最終形成一個大孔裂紋源。

圖7 液態壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑和疲勞壽命

圖8 半固態壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑和疲勞壽命

圖9 不同工藝疲勞試樣典型斷口形貌

圖10 不同工藝疲勞試樣近斷口截面缺陷圖

圖11 不同工藝疲勞試樣近斷口組織形貌

（1）與液態壓鑄相比，半固態壓鑄的ZL114A鋁合金試樣疲勞性能總體更高并且更加穩定。半固態壓鑄ZL114A鋁合金試樣在密度大于2.62g/cm3時，疲勞性能表現良好，在70MPa應力下，疲勞壽命可達107次。

（2）半固態壓鑄試樣的疲勞壽命與密度成正比。試樣密度越高，試樣的疲勞壽命越高。液態壓鑄試樣的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。

（3）液態壓鑄試樣整個截面均有孔洞，裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態壓鑄試樣的孔洞集中在中心附近，裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

本文作者：

楊依珉 趙君文 巫國強 王海波
西南交通大學材料科學與工程學院
本文來源：特種鑄造及有色合金雜志