我国已将发展新能源汽车作为实现“双碳”战略目标的重要途径，并在“十四五规划”中把其列为战略性新兴产业之一。混合动力汽车可以有效缓解纯电动汽车的里程焦虑和续航痛点，也是新能源汽车发展的重点。DHT（Dedicated Hybrid Transmissions）混动专用变速箱（下称DHT变速箱）可以精确调控混动汽车内燃机和电动机的参与程度和方式，被视为混动汽车发展的关键技术之一。在实际生产过程中，DHT变速箱铝合金壳体尺寸较大且在后续热处理过程中极易变形，故不能通过热处理进行强化，目前多采用ADC12铸造铝合金直接铸造。此外，DHT壳体厚薄不均，不同部位的冷却速率不一致，导致不同部位的力学性能相差较大。研究显示，枝晶间距是影响铝合金铸件力学性能的关键因素之一，其主要受冷却速率的影响。一般认为冷却速率越大，则铸件的枝晶臂间距越小，材料的力学性能越好。当冷却速率较低时，晶体生长速度相对较慢，晶体内部有更多的时间和空间进行晶体生长，从而形成较大的晶粒；另一方面，较高的冷却速率会导致晶体迅速形成并固化，从而生成较小的晶粒。研究者对单晶高温合金进行模拟定向凝固试验，发现随着冷速增大，枝晶间距减小，凝固组织更趋致密。对DZ22高温合金定向凝固组织进行研究，发现一次和二次枝晶组织随冷却速率的增长均明显细化。

然而，当前对于铝合金ADC12冷却速率与性能之间关系的研究报道较少。因此，本研究旨在通过定向凝固试验探讨冷却速度对ADC12合金凝固组织演变及力学性能的影响，以期为铝合金制备工艺的优化提供参考。

图文结果

试验材料采用商用ADC12铝合金，利用X荧光光谱分析法测得ADC12合金的化学成分，见表1。为探讨不同冷却速率对DHT变速箱壳体不同位置ADC12铝合金组织与性能的影响，前期利用AnyCasting软件得出DHT变速箱铸件薄壁位置冷速为4~15 ℃/s、厚壁位置冷速为0.5~1.2 ℃/s，故设置0.5、1.5、3.5、7.5和15.5 ℃/s等5组冷却速率，并计算出定向凝固试验所需参数（见表2）。定向凝固试验基本原理示意图见图1。试验时首先将ADC12铝合金棒（ϕ8 mm×110 mm）置于圆柱型的坩埚中并在650 ℃下熔化后保温30 min，随后将坩埚以设定速度持续下降。下降过程中，坩埚底部的铝液优先发生结晶，并随坩埚不断下降而持续长大。

ADC12铝合金定向凝固件的取样位置及拉伸试样尺寸见图2。在A处使用DK7735型快走丝线切割截取试样，试样经抛光打磨后使用Kroll试剂（体积分数为2%的HF+4%的HNO3水溶液）腐蚀15 s，随后采用AxioScope.A1型光学显微镜对试样金相组织形貌进行观察。利用D8 Advance X射线衍射仪（XRD，CuKα）对试样进行物相分析。使用PhenomXL扫描电镜（SEM）进行显微组织观察和相组成鉴定。利用Instron万能材料试验机其进行力学性能测试，取样部位为B处（见图2a）。

表1 ADC12铝合金的化学成分(%)

表2 定向凝固参数

图1 布里奇曼定向凝固基本原理示意图
1.冷却区 2.晶体 3.梯度区 4.熔体 5.加热区

图2 定向凝固ADC12铝合金取样位置及试样尺寸

不同冷速条件下ADC12铝合金的XRD图谱见图3。可以看出，ADC12铝合金主要是由α-Al、共晶Si相、Al2Cu相组成。α-Al主要在（111）、（200）、（220）和（311）4个面上，其中衍射峰在（200）和（220）两个面比较显著。随着冷却速率增加，（200）面衍射峰强度呈逐渐减小的趋势，而（220）面衍射峰强度则逐渐增大，原因可能是随着冷却速率增加，柱状晶变细小，（200）晶面逐渐消融而（220）晶面逐渐生长且晶粒增多，进而该衍射变强。随着冷却速率增加，共晶Si与Al2Cu晶面衍射峰强度无明显变化。

图3 不同冷速下定向凝固ADC12铝合金A位置的XRD图谱

图4 A位置不同冷却速率条件下的晶粒取向和晶界分布

当冷却速率为0.5 ℃/s和1.5 ℃/s时，α-Al平均晶粒粒径大小分别为52.22 μm和25.09 μm，第二相尺寸分别为8.51 μm和7.07 μm，两者晶粒取向具有很大的随机性，晶粒大小不规则，且局部区域为连片分布的等轴晶。当冷却速率为3.5 ℃/s时，ADC12铝合金中α-Al晶粒尺寸细化至22.68 μm，第二相尺寸为6.77 μm，处于<001>和<101>取向之间的晶粒明显增多，面积分数大于50%。当冷却速率为7.5 ℃/s时，α-Al晶粒尺寸减小到20.63 μm，第二相尺寸为5.72 μm，<101>取向晶粒明显增多且呈柱状晶，其面积分数大于90%。当继续增加冷却速率至15.5 ℃/s时，α-Al晶粒尺寸进一步减小到17.92 μm，第二相尺寸为5.32 μm，晶粒由<101>取向向<220>取向转变，后者占据面积的60%以上，织构强度高达26.19。

由于冷却速率小（0.5 ℃/s）使得结晶充分发生，消除了大量的内应力，伴随着晶粒长大的同时，大角度晶界内的小角度晶界大幅消失。当冷却速率为3.5 ℃/s时，随着晶粒尺寸愈发细密，晶内的小角度晶界密度有所增加。继续加大冷却速率，新的小角度晶界继续形成，但是原来形成的小角度晶界继续发生扭转，变为大角度晶界。

图5为定向凝固ADC12合金在A位置不同冷却速率下的显微组织。可以看出，冷却速率为0.5 ℃/s时，ADC12合金组织主要由粗大枝晶的初生α-Al相和共晶Si相组成，α-Al相分布不均，枝晶较多，共晶Si相呈长条状或针片状。随着冷却速率提高，α-Al相的尺寸逐渐减小，趋于细小枝晶形态。这是由于凝固速度增大，过冷度增大，使合金中的晶粒细化引起组织形貌发生变化。在凝固过程中，当固液界面推进缓慢，成分过冷较小，形核较少，界面在宏观上趋于平面，且枝晶的生长速度大于溶质在液相中的扩散速率，故在冷却速率小时，枝晶晶粒生长比较粗大，而随着冷却速率增加，固液界面的过冷度增加，凝固的速度快导致晶粒来不及充分生长，且晶核数量增加，晶粒变得细小，故枝晶臂间距随着冷却速率增加而减小。图6为ADC12铝合金在不同冷速条件下金属间化合物的SEM形貌。由XRD和金相组织可以确定，定向凝固ADC12铝合金主要是由α-Al、共晶Si相、Al2Cu相组成。但从图6中可以看出，组织中还存在一些不同形貌的少量金属间化合物，其EDS点分析结果见表3。

图5 不同冷却速率下ADC12铝合金在A位置的显微组织

图6 ADC12铝合金中金属间化合物在不同冷速下的SEM形貌

表3 ADC12铝合金中金属间化合物的EDS点分析

图7 在不同冷却速率下ADC12铝合金的枝晶臂间距

图8为不同冷却速率下ADC12铝合金的力学性能。可以看出，当冷却速率从0.5 ℃/s增加至15.5 ℃/s时，不同冷却速率下ADC12铝合金的抗拉强度、伸长率和硬度均随着冷却速率的增加而升高，其升高趋势与枝晶臂间距减小的幅度相对应。当冷却速率从0.5 ℃/s升高至1.5 ℃/s时，抗拉强度和伸长率分别由191.9 MPa和0.99%增加至241.81 MPa和1.36%。当冷却速率升高至3.5 ℃/s及以上时，ADC12铝合金力学性能提升较为缓慢。冷却速率为15.5 ℃/s时，ADC12铝合金的抗拉强度提升至280.89 MPa，伸长率提升至1.76%，硬度（HV）提升至98.35。由此可见，当冷却速率达到一定程度后，继续提高冷却速率对ADC12铝合金的力学性能提高有限。同时，冷却速率越大，枝晶臂间距越小，晶粒越细小，晶界数量增多，抗拉强度增高，硬度升高，导致更明显的强化效果，因此硬度的变化规律与枝晶臂间距尺寸变化规律相近，且符合晶界强化的霍尔-佩奇公式，晶体的强度大小和枝晶臂间距呈线性关系。

图9为不同冷却速度下试样的拉伸断口形貌。可以看出，当冷却速率为0.5 ℃/s时，拉伸断口形貌主要呈现尺寸较大的解理面、粗大的撕裂棱，但依然存在一些韧窝、二次裂纹以及缩松孔洞，断裂方式以脆性断裂为主。这是由于材料存在的片状共晶Si相割断了基体的连续性。冷却速率为15.5 ℃/s时拉伸断口呈现少量韧窝，断裂方式主要以脆性断裂为主、韧性断裂并存的方式。与低冷却速率相比，高冷却速率条件下，合金断口韧窝增多，主要是因为随着冷却速率增加，枝晶臂间距减小，合金中的晶粒出现明显的细化，各种合金相也均匀分布于组织中，有利于基体塑性改善。

图8 不同冷却速率下ADC12铝合金的力学性能

图9 不同冷却速度下试样拉伸断口形貌

结论

（1）ADC12铝合金主要由α-Al、共晶Si和Al2Cu相组成。随着冷却速率增加，α-Al晶粒越来越细小，晶粒取向趋于一致，且大量小角度晶界已经转变为大角度晶界，最后大角度晶界连接在一起，形成了大量细小枝晶状晶粒。当冷却速率为15.5 ℃/s时，晶粒粒径为17.92 μm。

（2）随着冷却速率增加，枝晶臂间距减小，晶粒增多，枝晶由粗大枝晶状向细小枝晶状转变，其抗拉强度、伸长率、硬度也随之增大，在冷却速率为15.5 ℃/s时，枝晶臂间距横向为18.28 μm，纵向为18.14 μm，抗拉强度达到280.89 MPa，伸长率达到1.76%，硬度（HV）达到98.35。

（3）ADC12铝合金组织中白色多边形相为α-Al15（Fe，Mn）3Si2，白色汉字状相为Al2Cu，深灰色块状或条状相为富Si相，少量白色长条状或汉字状相为β-Al5FeAl相。

（4）随着冷却速率增加，拉伸断裂由脆性断裂向韧性断裂转变，合金断口韧窝增多。主要是由于冷却速率增大，枝晶臂间距减小，合金中的晶粒出现明显的细化，各种合金相也均匀地分布于组织中，致使在拉伸过程中韧窝数量增多，材料的塑性明显提升。

原标题：《冷却速率对ADC12合金凝固组织与性能的影响》

作者：

程煜刚1 李俊琛1 郑道友2赵葵3 钱琦嘉3 王文权4 王坤2
1. 兰州理工大学材料科学与工程学院；2. 浙江工贸职业技术学院；3. 温州瑞明工业股份有限公司；4. 吉林大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴