随着航空航天、海军装备的飞速发展，ZL205A铝合金以其强度和硬度高、易于切削加工及优异的耐蚀性能等特点在大型承力结构产品中受到了广泛的关注及应用，并满足降低成本以及轻量化的使用需求。但ZL205A铝合金的凝固区间很宽，呈糊状凝固方式，导致铸件内部质量易受冷却条件的影响，易在铸件中产生裂纹、缩松、偏析等缺陷，使其在实际应用中受到限制。

与低压铸造技术相比，差压铸造补缩能力提高了4~5倍，可明显减少铸造凝固过程中的热烈倾向，减少铸件气孔的产生，有效提高铸件品质和产品的力学性能。针对军工产品大多为大型、异型薄壁件壳体，通常采用差压铸造生产。某壳体产品使用ZL205A铝合金进行差压铸造生产，呈多层框架、多处双层空心管状等复杂结构，铸件最大尺寸达2 600 mm。为保证产品质量，从ZL205A合金的铸造特点出发，从浇注系统的设计、熔炼工艺改进以及冷却系统优化等方面进行方案设计，以确保铸造过程实现顺序凝固。但在铸件毛坯荒车进行X光检测时发现，在局部区域出现了严重的缩松和偏析缺陷。通过对缺陷位置进行统计观察发现，缺陷出现的部位大都出现在隙缝浇道附近以及双层砂芯蒙皮处，影响产品合格率。因此，本研究通过对生产铸件壳体中发现的偏析、缩松铸造缺陷进行力学性能检测、缺陷部位组织观察、断口形貌分析以及能谱成分分析等，探讨铸造缺陷产生的原因，并根据结果进行工艺优化，为大型ZL205A复杂结构壳体的铸造工艺设计提供参考。

图文结果

ZL205A壳体件荒车后经X射线检测时发现，在局部区域出现了带状偏析及缩松铸造缺陷。经统计发现，铸造缺陷多出现在隙缝浇道附近或凸块厚大部位以及双层砂芯蒙皮处，见图1。

针对检测过程中发现的缩松、偏析等铸造缺陷进行研究。使用Leica DM 2700M型金相显微镜观察显微组织；采用TESCAN Mira 3 LMH型扫描电镜观察合金的显微组织及断口形貌，并通过配备的能谱仪对合金进行元素分析。采用DNS-200型电子材料试验机进行拉伸试验，拉伸速率为0.2 mm/min，测量3次取平均值，拉伸试样尺寸示意图见图2。从铸件不同区域进行金相试样取样，试样经抛光后采用体积分数为50%的HCl+30%的HNO3+20%的HF混合腐蚀溶液对试样进行腐蚀，然后用蒸馏水冲洗后，酒精擦拭干净，吹干后在扫描电镜下进行观察。力学性能测试结果见表1。

(a)疏松缺陷(b)带状偏析缺陷
图1 带状偏析与缩松缺陷X射线探伤结果

图2 拉伸试样尺寸

表1 不同试样力学性能结果统计

图3为正常部位、缩松以及偏析部位试样的拉伸断口形貌。可以看出，正常组织断口（图3a和图3b）中出现了很多韧性及准解理断裂的特征，不同尺寸的韧窝分布在断口组织中，宏观呈现很多河流花样及撕裂棱的形态。从图3c和图3d中可以看出，断口呈现明显的解理断裂的特征，几乎没有韧窝存在，断口组织中分布着很多解理台阶，大量的类似晶体结构分布在断口中。少量的河流花样沿受力方向延伸，支流解理台阶的汇合方向代表着断裂的扩展方向。偏析缺陷组织拉伸断口则呈现出了明显的沿晶断裂，这是脆性断裂的典型特征，晶粒边缘有明显的过热熔化的现象。从图3e和图3f可以看出，基体上分布着大量偏析物呈网片状附着在晶粒上或晶间，而且从低倍扫描结果可以看出，偏析试样整体断口出现了大面积的白亮相，结合X射线检测结果认为是偏析相。

图3 不同部位断口照片

图4为不同部位试样在金相组织。可以看出，沿晶界都会有不同程度的相析出，正常组织中在合金基体上沿晶界弥散分布着点状及条状析出物。从图4c和图4d可以看出，析出相呈黑色点状或连续网络状分布在晶界上，同时晶界上存在许多三角形或长棒状的共晶相，这种析出相形态会使基体中产生应力集中，降低材料的综合力学性能。从图4e和图4f可以看出，晶界上出现了分布着大量的棒状、网络状的共晶组织，这些尖锐的形态以及网络状的组织分布严重割裂了基体的连续性，也是导致抗拉强度和伸长率明显下降的根本原因。图5为正常试样与缩松、偏析试样在扫描电镜下观察到的显微组织。可以看出，扫描结果与金相组织照片一致，但扫描组织照片中除了能看出析出相的形态及分布外，还发现缩松缺陷显微组织晶界上有细小孔洞，而偏析晶界上白色析出的共晶相沿晶界呈网络状析出，且有明显的晶界熔化孔洞出现，严重抑制了位错运动并产生明显的应力集中，进而导致基体的韧性急剧下降。

图4 不同部位金相组织

图5 不同部位SEM组织照片

为进一步检测缺陷部位的化学成分，采用能谱仪分别对正常区域、缩松缺陷以及偏析缺陷部位的特征点进行了成分分析，结果见图6~图8。从正常部位能谱分析可知，基体检测出的元素主要是Al，即α-Al相，还有极少量的Mn、Ti、Cd。在晶界上的析出相主要含Al、Cu两种元素，其中Cu与Al摩尔比近似为1:2，定量分析可知，析出相为Al2Cu。从缩松缺陷部位能谱分析结果发现，基体主要为α-Al相，晶界上析出的白亮组织主要元素为Al、Cd、Cu，说明晶界上有大量的合金元素聚集。晶界上的黑色部位经检测主要由Al元素构成，说明该部位在铸造过程中受外力作用形成孔洞，使基体裸露，所以在能谱检测时，只检测到了Al。该现象与SEM观察到的缩松位置晶界出现不同程度孔洞的检测结果一致。从偏析位置能谱检测结果可以看出，除了基体α-Al相外，组织中分散的白色颗粒中的主要元素为Al、Cd、Ti，而沿晶界析出相检测出的主要元素为Al、Cu、Mn，同时组织中的晶界边界上出现了较明显的孔洞，经能谱检测，孔洞部位附近只有Al元素存在，晶界受到外力作用发生明显收缩，基体裸露，这与拉伸断口中发现的沿晶断裂、晶粒收缩的结果相一致。

图6 正常位置SEM和EDS分析

图7 缩松位置SEM和EDS分析

图8 偏析位置SEM和EDS分析

结论

（1）缩松、偏析等铸造缺陷的存在，导致ZL205A壳体铸件力学性能显著降低。正常试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为422 MPa、385 MPa和4.2%，缩松试样的分别为356 MPa、343 MPa和0.5%，而偏析试样的分别为334 MPa、307 MPa和1.0%。

（2）正常组织断口出现大量韧性断裂的韧窝、准解理断裂的河流花样及撕裂棱。缩松缺陷试样断口呈现明显的解理断裂特征，由大量解理台阶及少量河流花样构成。偏析试样断口呈现出了明显的沿晶脆性断裂特征，晶粒周围出现了晶界熔化的现象，同时在晶粒及晶间分布着大量的偏析相。

（3）从显微组织照片可以发现，缩松及偏析缺陷主要产生于晶界并呈网络状分布。其中缩松缺陷断口发现了明显的过热重熔现象，主要是在热应力的作用下，晶粒之间由于受到热应力的影响出现了晶粒收缩现象。（4）结合工艺技术参数，ZL205A壳体铸件在差压铸造过程中出现缩松及偏析的原因主要是由于隙缝浇道数量较多、砂芯退让性差、冷铁结构不合理以及浇注温度较高，使得ZL205A大型壳体在浇注过程中易形成较高的温度场，型腔内形成较大的热应力，进而形成偏析、缩松等铸造缺陷。

作者：

曹喜娟 任广笑 刘永哲 李沛森 郑云凯
中国船舶集团有限公司
山西江淮重工有限责任公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴