壓鑄ADC10鋁合金中存在多種第二相顆粒，特別是含鐵相第二相會導致其延展性大幅降低，從而影響了其結構應用。通過對ADC10合金鑄態(tài)組織進行適當?shù)母男?，可以提高合金的力學性能。本文研究并分析了攪拌摩擦加工（FSP）對壓鑄ADC10合金顯微組織及力學性能的影響：攪拌摩擦加工能有效地細化合金的鑄態(tài)組織，分解粗大的Si顆粒，在α-Al基體中形成了均勻細小的等軸Si顆粒。此外，攪拌摩擦加工消除了作為裂紋源的孔隙等缺陷及破碎第二相顆粒，從而提高了合金的力學性能和延展性。
在過去的幾十年里，汽車、機械等行業(yè)一直深耕從相對較重的黑色合金過渡到更輕的鑄鋁合金以提高燃料效率及行駛里程，減少碳排放。壓鑄鋁合金因其重量輕、流動性好、力學性能佳而受到廣泛關注，其中ADC10鋁合金廣泛用于汽車壓鑄零部件等方向。然而，壓鑄鋁合金的孔隙率、含鐵針狀相、第二相顆粒分布不均和粗大Si顆粒等的存在嚴重限制了其抗拉強度和伸長率等力學性能。為了改善壓鑄ADC10鋁合金的力學性能，通常需要從細化組織和降低孔隙率等方面入手。攪拌摩擦加工（FSP）是利用攪拌摩擦焊（FSW）的加工原理對鑄件組織進行局部修飾的熱加工技術， 其有潛力與能力用來提高壓鑄ADC10合金的力學性能。攪拌摩擦加工由旋轉刀具在工件表面上施加大幅度的塑性變形，有助于改變壓鑄鋁合金的微觀結構并消除孔隙。刀具轉速和橫移速度是攪拌摩擦加工過程中影響顯微組織細化程度的兩個重要工藝參數(shù)。研究表明，攪拌摩擦加工具有分解大尺寸Si顆粒、消除壓鑄A356合金和熔模鑄造A319合金中氣孔和改善α-Al枝晶組織的能力；對于A319和A356鑄件，攪拌摩擦加工還在攪拌區(qū)分解了第二相顆粒，并使其以相對均勻的形狀均勻分布在基體上。這些顯微結構變化的共同作用能夠提高壓鑄鋁合金的強度和延展性，其中孔隙率的減小導致裂紋源的減少，從而改善了合金的力學性能，并提高了合金的疲勞性能。因此本文對壓鑄 ADC10鋁合金進行了攪拌摩擦加工處理，研究了加工對合金中典型氣孔和縮松等孔隙缺陷的影響。此外，還研究了其對顯微組織細化的影響， 最后比較了鑄態(tài)材料和攪拌摩擦加工材料的力學性能差異。
1、試驗材料與方法
攪拌摩擦加工試驗選擇在4.5 mm厚的壓鑄 ADC10鋁合金板材上進行，合金的成分見表1。對壓鑄ADC10合金的攪拌摩擦加工攪拌頭尺寸見圖1a，圖1b所示為攪拌摩擦加工的工作原理，采用垂直方向力進行單道次加工，攪拌頭（攪拌頭一般由攪拌針和軸肩組成）的旋轉速度為650 r/min，攪拌頭的移動速度為0.35 m/min，傾斜角度為5°，加工區(qū)域的前進側與后退側在圖1b中標出，攪拌摩擦加工深度保持在3.25 mm。加工從壓鑄ADC10板材邊緣50 mm處開始，行進距離為200 mm，板材規(guī)格為300 mm×30 mm。攪拌頭和板材的溫度由插入ADC10合金板材及螺紋銷中的熱電偶測量得出，熱電偶位置如圖2所示，距離加工中線10 mm。從ADC10合金板材垂直于攪拌摩擦加工方向上提取金相試樣。隨后，使用環(huán)氧樹脂對試樣進行鑲嵌并進行打磨和拋光，使用Keller試劑對試樣進行蝕刻。利用光學顯微鏡拍攝了ADC10合金試樣金相照片，并觀察其孔隙分布情況。最后測量壓鑄態(tài)及攪拌摩擦加工后ADC10合金的力學性能，用線切割從攪拌摩擦加工板材的熔核區(qū)域切割樣品，拉伸試樣的長度為25 mm、寬度為5.76 mm、厚度為4.5 mm，取樣位置如圖2所示，拉伸試驗采用萬能試驗機（Zwick-proline）在室溫下進行，拉伸速度設置為0.01 mm/s。采用金相顯微鏡（EOC-BA310Met）及內置軟件對孔隙率進行檢測，檢測面積為100 m㎡ 。
2、試驗結果及討論
2.?1 顯微組織
如圖3所示，攪拌摩擦加工區(qū)為典型的盆狀結構。橫切面取樣位置距離行進起始點130 mm。圖4所示為攪拌摩擦加工過程中各熱電偶測量所得溫度記錄及垂直方向壓力變化記錄曲線，記錄中可以看出，加工過程中螺紋銷溫度隨加工行進逐漸升高，最終一直保持為425 ℃左右。另外從距離行進起始點100 mm與200 mm的熱電偶讀數(shù)中可以看出，距離加工中心線10 mm處的ADC10合金板材峰值溫度為245 ℃左右。攪拌摩擦加工過程中垂直向的作用力為10 kN。壓鑄態(tài) ADC10合金的低倍顯微組織金相照片如圖5a所示。壓鑄態(tài)板材表皮相對致密，且無較大氣孔分布。而壓鑄態(tài)板材中心區(qū)域則存在大量的孔隙缺陷，主要包括卷氣和縮孔，氣孔的大小從幾微米到幾十微米不等。金相組織見圖5b， ADC10顯微組織內具有樹枝狀形態(tài)的α-Al相、共晶Si顆粒、富Cu的Al2Cu顆粒和含F(xiàn)e第二相組成。如圖5b和圖5c所示，α-Al相、Al-Si共晶的尺寸和分布從壁端到中心都有所不同。Al-Si共晶組織密集地分布在邊緣區(qū)，其中包含了呈圓形/斑點狀的共晶Si顆粒，而從圖5c中可以看出，Al-Si共晶組織在板材中間部分密度較小。在圖5c中可以清楚地觀察到針狀粗大Si顆粒的存在。α-Al相的枝晶臂間距也隨與邊緣的距離而變化，在邊緣附近的α-Al平均尺寸為6 μm左右，而在中心區(qū)域的平均尺寸為8 μm左右。如圖5d中箭頭所示，壓鑄態(tài) ADC10合金的顯微組織中還存在Al2Cu和富Fe第二相顆粒。針狀富Fe相會惡化合金的力學性能。通過對壓鑄態(tài)多幅金相圖像分析，計算出合金的孔隙率體積分數(shù)為1.354%左右。孔隙率從中心向邊緣呈梯度分布，標準偏差較大，在靠近邊緣的位置孔隙率可高達6.025%。
如圖6所示，攪拌摩擦加工對壓鑄ADC10合金的孔隙消除效果顯著。攪拌摩擦加工處理后，孔隙率體積分數(shù)降至0.073%。攪拌摩擦加工攪拌頭的攪拌作用和母材的大幅塑性變形可有效消除鑄態(tài)組織中的微孔隙。如圖6所示，攪拌摩擦加工將鑄態(tài)的α-Al樹枝狀組織完全改性。針狀共晶硅顆粒被破碎成更小的、幾乎等軸的顆粒。在攪拌摩擦加工熔核區(qū)，Si粒子均勻分布在Al基體當中。此外與壓鑄態(tài)的ADC10合金材料相比，Al2Cu和含F(xiàn)e第二相顆粒（圖6中箭頭所示）也被分解成更小的顆粒。因此，攪拌摩擦加工成功地細化了壓鑄ADC10合金的顯微組織，顯著地降低了合金的孔隙率，它對提高ADC10合金的各項力學性能同樣起到顯著的作用。
2.2 力學性能
以對壓鑄ADC10合金攪拌摩擦加工后顯微組織的改性研究為基礎，對壓鑄態(tài)ADC10合金和攪拌摩擦加工后合金的室溫力學性能進行了測試。拉伸試驗樣品從攪拌摩擦加工后板材的熔核區(qū)進行切割，長度方向與攪拌摩擦加工行進方向的中心線對齊，取樣示意如圖2所示。分別取壓鑄態(tài)和攪拌摩擦加工條件下的五個樣品在萬能試驗機上進行了拉伸試驗，最終取平均值與壓鑄態(tài)合金進行了比較。表2為壓鑄試樣和攪拌摩擦加工試樣的抗拉強度與伸長率測試結果。如表2拉伸試驗結果所示，壓鑄態(tài)ADC10合金的抗拉強度為312 MPa，屈服強度為157 MPa，攪拌摩擦加工后的ADC10合金抗拉強度下降為301 MPa，但屈服強度得到了提升，為186 MPa。ADC10合金的伸長率由壓鑄態(tài)的3.4%提高到了5.7%。
通過掃描電鏡分析了壓鑄態(tài)ADC10合金和攪拌摩擦加工后ADC10合金試樣的斷口形貌。壓鑄態(tài)試樣斷口表面的掃描電鏡照片顯示了合金內部存在較大的孔隙（圖7a），同時斷口的解理模式表明其延展性較低。與此相對照的是攪拌摩擦加工后合金試樣的斷口形貌，可以明顯看出，經(jīng)過攪拌摩擦加工，合金顯微組織內沒有明顯的孔隙存在，且合金的斷裂模式為典型的韌窩斷裂（圖7b）。斷口形貌對比結果表明，經(jīng)過攪拌摩擦加工處理的ADC10合金材料延展性能得到明顯提高。壓鑄態(tài) ADC10合金具有較高的孔隙率和枝晶結構，以及針狀Si相和較大的第二相顆粒的存在，這種組織構成導致了合金的強度和伸長率較低，攪拌摩擦加工顯著降低了合金的孔隙率，破壞了α-Al樹枝晶結構，同時還細化了針狀Si相和第二相顆粒，且分布更為均勻。這種顯微組織的細化顯著提高了ADC10合金的屈服強度和伸長率， 壓鑄態(tài)ADC10合金的斷裂主要發(fā)生在高孔隙率和低延展性的區(qū)域，而攪拌摩擦加工使合金顯微組織發(fā)生改性，最終使合金表現(xiàn)出更好的塑性。
3、結論
( 1）壓鑄態(tài)ADC10合金的凝固組織具有較高的孔隙率、α-Al枝晶結構、針狀Si相和較大的第二相顆粒，使合金強度和伸長率降低。
（2）攪拌摩擦加工顯著降低了壓鑄態(tài)ADC10合金的孔隙率，破壞了α-Al樹枝狀結構，有效地細化了壓鑄ADC10合金中針狀Si相和較大的第二相顆粒，沿熔核區(qū)域分布更為均勻，使合金的顯微組織細化。
（3）攪拌摩擦加工顯著提高了ADC10合金的屈服強度和伸長率。壓鑄態(tài)ADC10合金的斷裂主要發(fā)生在高孔隙率和低延展性的區(qū)域，而攪拌摩擦加工使合金顯微組織發(fā)生改性，最終使合金表現(xiàn)出更好的力學性能和塑性特征。
作者
宋福林
長沙航空職業(yè)技術學院
匡益明
湖南信息學院
本文來自：《鑄造》雜志
