摘要：对比研究了液态压铸和半固态流变压铸对ZL114A铝合金件疲劳性能的影响。结果表明，半固态流变压铸件相较于传统液态压铸件疲劳性能更好而且更稳定。液态压铸件的疲劳寿命主要受孔洞尺寸影响，孔洞尺寸越大，疲劳寿命越低。半固态压铸件的疲劳寿命主要受密度（孔隙率）影响，与密度成正比。半固态压铸ZL114A铝合金压铸试样在密度大于2.62 g/cm³时，疲劳性能表现良好。在70 MPa应力下，疲劳寿命可达10⁷次。液态压铸件裂纹萌生于大的气缩孔，半固态压铸件的裂纹萌生源倾向于中心缩松多孔的综合作用。

铝硅合金因其良好的铸造性能和力学性能，被广泛用于制造汽车、轨道交通及航空航天等领域的零部件，在其服役环境下可能会承受循环载荷作用，因此这类铝合金铸件的疲劳性能十分重要。但铝合金铸件疲劳性能受诸多因素影响，Sascha Gerbe等发现铸造铝合金组织的SDAS值越大，疲劳性能越低。由于铝合金不可避免地存在铸造缺陷(如缩孔、气孔、氧化膜等)，对其与铝合金各种性能的相关研究众多。一般认为铸造缺陷的尺寸越大，铸件的疲劳性能越差。Seniw等认为铸造缺陷的尺寸相近时，位置越接近于铸件表面，对铸件的疲劳性能损害越大。Benahmed等发现复杂的缺陷形状对铸件疲劳性能影响更大。

铝合金的铸造缺陷一般通过铸造工艺来控制。铝合金半固态成形技术是一种近净成形的铸造技术，其优点为材料利用率高，成形效率高，且可以生产出高性能形状复杂的零件，能有效的降低生产成本。同时半固态压铸件的致密性好、组织均匀，且没有普通铸件中存在的粗大枝晶，拥有良好的力学性能。Yong X G等研究发现，半固态A357铝合金在T6固态铸件细小的晶粒提高了铸件强度。但关于成形方式、缺陷与铝合金疲劳性能的关系缺乏系统研究。本课题分别采用常规液态压铸及半固态压铸方法制取ZL114A铝合金疲劳试样，通过高周疲劳试验对比不同工艺成形的铸件疲劳性能差异。使用扫描电镜对疲劳试样进行断口观察，进行综合分析，探索成形方式以及缺陷与压铸试样疲劳性能之间的关系。为研究高疲劳性能铝合金件压铸工艺提供参考。

1、试验材料与方法

本试验所采用的为ZL114A铝合金，其成分见表1。试验采用EMS-05SM 型可控温型电磁搅拌炉进行浆料制备，压铸机为DCC-280卧式冷室压铸机。

表1：ZL114A合金的化学成分  wb/%

试验时先在电磁搅拌炉中石墨坩埚里将大约8 kg ZL114A铝锭熔化，升温至700 ℃，保温30 min，然后向熔体中通入氩气精炼约10 min，除气扒渣，静置熔体。在670 ℃制取液态压铸试样。在605 ℃下制取电磁搅拌半固态压铸试样，其中电磁搅拌频率恒定为5 Hz，电磁搅拌时间为60 s，电磁搅拌功率为3 kW。压铸试样为圆形横截面试样，具体尺寸见图1。将制得试样依标准GB/T3075-2008的表面质量要求进行机加工，将试样表面抛光至粗糙度Ra0.2。将试样按数字编号，用排水法测量所有试样的密度。使用PLG-100高频共振疲劳机进行轴向疲劳试验，应力比为R=0.1。设定4个应力水平（应力级），分别为70、80、90、100 MPa，每个应力级6根试样。采用超景深显微镜以及扫描电镜对疲劳试样断口进行分析。并在疲劳试样断口附近取一截面抛光、腐蚀后，进行金相组织观察和拍摄。通过超景深显微镜测定缺陷区域的周长和面积，以计算缺陷区域的平均等效直径，其计算公式为
D=2(A/π) ^1/2   (1)
式中，D为平均等效直径；A为面积

图1：疲劳试验用压铸试样尺寸

2、试验结果与讨论

2.1 铝合金ZL114A压铸件的疲劳性能

图2：液态压铸试样疲劳试验结果

图3：半固态压铸试样疲劳试验结果

液态和半固态压铸试样的疲劳试验结果如图2和图3。可以看出两组数据在每个应力级上均有较大的离散度。但对比可以明显看出总体上半固态压铸试样的离散程度明显小于液态压铸试样。液态压铸试样的疲劳寿命在80 MPa和90 MPa应力级上呈现了极大的离散度。在100 MPa应力级上，可以明显看出液态压铸试样的疲劳寿命在100 000次附近明显低于半固态压铸试样的400 000次。在其他应力级对比不明显的情况下，这能够在一定程度上反映出半固态压铸试样的疲劳强度优于液态压铸试样。

图4：疲劳试样密度与裂纹源缺陷平均等效直径的关系

两批试样的密度与裂纹源缺陷尺寸的关系见图4。液态压铸试样的平均密度为2.598 g/cm³，半固态压铸试样的平均密度为2.616 g/cm³。可以看出液态压铸试样的密度相较于半固态压铸试样更为离散，液态压铸试样的密度区间为2.563 ~2.631g/cm³,半固态压铸试样的密度区间为2.588 ~2.659 g/cm³。两批试样的裂纹源缺陷平均等效直径均有较大波动，但半固态压铸试样的总体偏低。

2.2 铝合金ZL114A压铸件密度对疲劳性能的影响

图5：液态压铸试样密度与疲劳寿命

图6：半固态压铸试样密度与疲劳寿命

两批试样的疲劳寿命与试样密度的关系见图5和图6。从图6可以看出半固态压铸试样在密度大于2.62 g/cm³时, 各应力级下均表现出较好的疲劳性能。在70 MPa应力级下，疲劳寿命可达10⁷次。液态压铸试样密度与疲劳寿命在各应力级的相关性均很弱，而半固态压铸试样的4个应力级均呈现出极强的正相关，对各应力级下数据分别进行线性拟合，拟合方程为S=aρ+C,其中，S为疲劳寿命，ρ为铸件密度，a和C为拟合系数，r为线性相关系数，r2越接近1表明变量之间的相关程度越高，其线性拟合结果见表2。

结合图6和表2可以看到，半固态压铸试样表现为密度越大疲劳性能越好，而密度的大小在一定程度上能反应压铸试样的致密程度。随着应力级的增大，其线性回归方程的斜率变小，可能原因为高应力级下，材料本身的性能更多地影响了试样的疲劳性能。

表2：半固态压铸件各应力级下密度与疲劳寿命一元线性回归分析结果

2.3 铝合金ZL114A压铸件缺陷对疲劳性能的影响

图7：液态压铸试样裂纹源缺陷平均等效直径VS疲劳寿命

图8：半固态压铸试样裂纹源缺陷平均等效直径VS疲劳寿命

两批试样的疲劳寿命与裂纹源缺陷尺寸的关系见图7和图8。可以看出，液态压铸试样表现为裂纹源缺陷的尺寸越小，试样的疲劳性能越好，而半固态压铸试样随缺陷尺寸的变化规律却不明显。仅在80MPa 应力级上表现为缺陷尺寸越小，试样的疲劳性能越好。

图9：不同工艺疲劳试样典型断口形貌：(a)液态压铸；（b）半固态压铸

两批试样典型低倍疲劳断口形貌见图9。近断口截面缺陷图见图10。从图9a可以看出液态压铸试样的断口除了中心缩松区域以外裂纹扩展区以及瞬断区出现了大量的气孔。在图10a上也可以看出近断口截面大量气孔弥散分布，同时存在尺寸较大的气缩孔。从图9b可以看出，半固态压铸件的断口形貌除中间大孔外，孔洞很少，且靠近心部，而图10b也反映孔洞集中在中部这一规律。但值得注意的是，与图9b断口形貌上的中间大孔相比，断面上的孔要小得多。因此推测孔洞在三维上可能是互通或位置非常接近的，这样裂纹源孔洞在初始扩展阶段合并周围的小孔最终形成一个大孔裂纹源。

液态温度下铝合金的充型相对不稳定，容易形成紊流，从而卷集空气进入金属液中，若不能及时排出则会留下气孔，同时，金属浆料在制备和转移的过程中会溶解一定氢气，在铸型型腔中凝固时又会析出，这种形式产生的气孔多在整个截面弥散分布。位于裂纹扩展区的大量气孔，在一定程度上会加速裂纹扩展，导致铸件的疲劳性能下降。同时液态温度下，金属在凝固过程中，温度变化更大，铸件最后凝固的部位更容易出现尺寸较大的缩孔和缩松。半固态温度下铝合金浆料的粘度显著提高，充型方式则为平稳的层流充填，充型过程减少了空气的卷入，同时更低的温度也降低了氢气的溶解和浆料的收缩，使得半固态试样的缺陷主要集中在最后凝固的试样截面中心部位，且缺陷尺寸比液态压铸试样更小，见图10b。

图10：不同工艺疲劳试样近断口截面缺陷图：(a)液态压铸；（b）半固态压铸

由图5和图6可知，液态压铸试样密度和疲劳强度的相关性很弱，而半固态压铸试样的疲劳强度受密度影响显著。密度的大小在一定程度上反映压铸试样的致密程度。密度越高试样的孔隙率越低。对比图10a和图10b可以看出，液态压铸试样近断口截面的缺陷表现为中心存在尺寸较大的气缩孔，细小孔洞在整个截面呈弥散分布。缺陷尺寸的大小是影响铸件疲劳性能的重要因素。缺陷的尺寸越大，造成的应力集中也越大，更易于萌发裂纹。这种尺寸较大的孔洞是损害液态试样的疲劳性能的主要因素而非整体的孔隙率。半固态压铸试样则是尺寸相近的孔洞集中在中心部位，这些孔洞在三维上可能连通，裂纹的萌发为微孔的综合作用，因此密度能在一定程度上反映半固态试样的疲劳强度。

图11：不同工艺疲劳试样近断口金相图：(a)液态压铸400×；（b）半固态压铸400×；（c）液态压铸1000×；(d) 半固态压铸1000×

图11为不同工艺试样近断口截面金相图。通过图11a和图11b的对比，可以看出液态压铸试样的金相图存在大量孔洞，而且存在直径大于200 μm的孔洞，这与图9a液态压铸试样的断口形貌相对应。图9a中液态压铸试样近断口截面弥散分布的细小孔洞的平均等效直径范围为73.6~138.3μm。有研究指出，未处于疲劳源区的孔洞，对于铸件疲劳性能的影响存在临界尺寸，平均等效直径大于60 μm的孔洞在裂纹扩展区形成的应力集中会加速裂纹的扩展，降低试样的疲劳性能，而且孔洞的形状越不规则损害越大。

从图11c和图11d来看，高倍下液态压铸试样的组织主要为粗大的枝晶组织。半固态压铸试样的组织除去少量粗大的初生α(Al)晶粒，更多的是细小而圆整的颗粒状晶粒。晶界会对疲劳裂纹的第一阶段的扩展造成阻碍，位错滑移距离为晶粒尺寸，细小的晶粒会加大位错运动间距，减小交互作用力，这样宏观应力较小，加强了疲劳性能。这也可以解释图7和图8中一些试样虽然缺陷区域尺寸相近，但半固态压铸件表现了更好的疲劳性能。

3、结论

（1）与液态压铸相比，半固态压铸的ZL114A铝合金试样疲劳性能总体更高并且更加稳定。半固态压铸ZL114A铝合金试样在密度大于2.62 g/cm³时，疲劳性能表现良好。在70 MPa应力下，疲劳寿命可达10⁷次。

（2）半固态压铸件的疲劳寿命与密度成正比。试样密度越高，试样的疲劳寿命越高。液态压铸试样的疲劳寿命主要受孔洞尺寸影响，孔洞尺寸越大，疲劳寿命越低。

（3）液态压铸试样整个截面均有孔洞，裂纹萌生于大的气缩孔，半固态压铸试样的孔洞集中在中心附近，裂纹萌生源倾向于中心缩松多孔的综合作用。

作者：
杨依珉 赵君文 巫国强 王海波
西南交通大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第01期