圖1(a)為新設計的壓鑄鑄件圖．該壓鑄件從左到右依次包含一個標準的拉伸試棒、拉伸試片、熱裂鑲塊、階梯鑲塊和階梯上方的流動鑲塊，它不僅可以測試合金的標準力學性能，還可以測試合金的抗熱裂能力和流動性。
本實驗中采用TOYOBD-350V5壓鑄機，在真空方面配套VCSU-15真空設備。將AlSi10MnMg合金鑄錠添加到熔煉爐中，加熱到700～720℃溫度區間。熔化后，保溫一段時間再進行除氣扒渣，降溫至680℃開始壓鑄實驗．表2列出了本次壓鑄實驗采用的3種工藝參數.為了防止沖頭運動前端受澆料口的影響，設置了多級低速速度，當沖頭行程在80～270mm的位置時，真空壓鑄工藝和高真空壓鑄工藝的低速速度分別設置為0.15m/s和0.05m/s．同時，為了檢驗改進直澆道對ESC破碎彌散的效果，本實驗中采用較低的高速速度1.5m/s。
圖2(a)為真空壓鑄和高真空壓鑄沖頭運動行程對比圖．從圖中可以看出，在多級低速下，真空壓鑄沖頭運動時間為1.83s，高真空壓鑄沖頭運動時間為3.92s，二者相差2.09s．這個差別為高真空壓鑄提供了更多抽真空的時間，但液體在壓室中停留時間的增加會導致ESC含量的增大。
圖2(b)為真空壓鑄和高真空壓鑄有效真空度與有效真空時間的對比圖。有效真空度是指金屬液充型前型腔的真空度，其為真空壓力與壓鑄機油缸壓力的交點。由圖可知:真空壓鑄的有效真空度為25kPa，有效真空時間為0.7s;而高真空壓鑄的有效真空度為9.5kPa，有效真空時間高達1.9s，真空效果極佳。綜上可知，第3種工藝彎折澆道高真空壓鑄可達到保持高真空且破碎彌散ESC的目的。
(a)—沖頭運動行程;(b)—有效真空度和有效真空時間。
為觀察鑄件中孔隙率，采用納米電子計算機斷層掃描進行無損檢測壓鑄件中的孔隙率，并還原孔洞的三維形貌．實驗中采用的工作電壓和電流分別設置為100kV和110μA，分辨率設置為3μm。先使用標號200#～3000#水砂紙對選取的壓鑄試棒進行研磨，然后使用顆粒大小為2.5～0.1μm的金剛石研磨膏進行機械拋光，經超聲去垢處理后用于金相(OM)觀察。另外，使用Avizo軟件進行ESC和孔隙率的統計，同時孔洞的三維形貌也通過Avizo軟件呈現出來。
圖3為3種壓鑄工藝下試棒圓截面及沿直徑方向放大的組織圖．從圖3(a)和(b)中可以看出，在真空和高真空的工藝下組織中均有一定量的孔洞分布，表層還存在超過100μm的皮膚層［見圖3(d)和(e)］。而在彎折流道高真空壓鑄工藝下，試棒截面上并沒有觀察到大尺寸孔洞，表層也未發現皮膚層［見圖3(c)和(f)］。表3列出了3種壓鑄工藝下ESC的面積分數、當量直徑和數量對比．在真空壓鑄下，由于低速速度相對較高，ESC面積分數較低(4.86%)。而在高真空壓鑄工藝下，由于低速速度相對較低，ESC的面積分數較高(11.06%)。當添加彎折澆道后，ESC的面積分數為10.73%，與高真空壓鑄工藝相比，ESC的面積分數并沒有出現大幅度下降。
表3 3種壓鑄工藝下的ESC對比
從3種工藝的ESC平均當量直徑和數量來看:真空壓鑄工藝下ESC尺寸最小、數量最少;高真空壓鑄工藝下ESC平均當量直徑最大(25.1μm);當添加彎折澆道后，ESC的平均當量直徑降低到了23.8μm，減少了5.18%．此外，在高真空壓鑄工藝下，添加彎折流道后，ESC數量由509個增至586個，增加了15.13%。
(a)真空壓鑄;(b)低速速度降低+高真空壓鑄;(c)彎折澆道+高真空壓鑄;(d)～(f)—對應的沿直徑方向分布。
表4 3種壓鑄工藝下孔洞特征對比
表4列出了3種壓鑄工藝下孔洞特征的對比情況．從表中可以發現:在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率高，孔洞的平均當量直徑大，大尺寸孔洞數量多;在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率從0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5μm降到了25.5μm，超過100μm大尺寸孔洞的數量也由15降至0。因此，在壓鑄過程中，高真空工藝下添加彎折流道能夠有效降低鑄件中的孔隙率，提高鑄件的質量。
(a)真空壓鑄下二維切片;(b)低速速度降低+高真空壓鑄下二維切片;(c)彎折澆道+高真空壓鑄下二維切片;(d)～(f)—(a)～(c)對應的三維孔洞分布圖
結合表3和圖4可以發現，在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，ESC面積分數所受的影響不大，但能夠使ESC從表層到心部分布得更加均勻，進而增大枝晶間的補縮效果，并且在高真空狀態下，孔隙率大幅降低(見圖5和表4)．出現這些現象的原因是彎折澆道可以改變熔體運動軌跡，調控熔體運動速度，使得液流速度在澆道截面積變化的位置上出現驟增或驟減。這樣ESC在充型過程中會受到較大的剪切力，一方面可達到破碎ESC的目的，另一方面還可以使ESC分布均勻。對于高真空壓鑄試棒，由于真空度高，合金中的氣孔含量會大幅度降低，然而，熔體在壓室中停留時間的增長會導致大量的枝晶狀ESC出現．在之前的研究中發現，ESC會在鑄件心部富集而形成大尺寸枝晶網絡．由于熔體在枝晶網絡界面處難以補縮，會引起大尺寸網狀縮松的形成，這就成為了鑄件斷裂的裂紋源．而彎折澆道可以減小ESC尺寸，降低ESC枝晶網絡占比，從而改善枝晶間的補縮效果，消除大尺寸網狀縮松。
(1)設計彎折澆道來輔助高真空壓鑄工藝，可使鑄件中ESC發生破碎并沿徑向分布均勻，這有效降低了鑄件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了鑄件的質量。
(2)彎折澆道促進了鑄件中ESC的均勻分布，而均勻分布的ESC能夠大幅度降低孔隙率，使孔隙率從0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除。
本文作者：
東北大學材料科學與工程學院 焦祥祎
東北大學遼寧省輕量化用關鍵金屬結構材料重點實驗室 焦祥祎
一汽鑄造有限公司 王鵬越、石利軍、王成剛
清華大學材料學院 劉亦賢、熊守美
