大約90%的鎂合金部件通過壓鑄工藝生產。優良的成型性是新型壓鑄鎂合金成功應用的關鍵，低孔隙率是高品質鑄件的一個重要指標。然而，孔洞在壓鑄過程中不可避免。氣孔會導致鑄件無法熱處理和焊接，縮松容易造成應力集中降低力學性能。上海交通大學此前針對5G通訊結構件的需求，開發了一種高導熱壓鑄鎂合金EA42 (Mg-4Ce-2Al-0.5Mn, wt.%)，壓鑄狀態下，其熱導率可達110~120 W/(m·K)，且能兼顧140~150 MPa的屈服強度和8~12%的延伸率。然而在實際復雜、薄壁壓鑄結構件應用中，孔洞等缺陷顯著影響其導熱和力學性能，一定程度上限制了合金的大批量應用。因此，系統研究壓鑄EA42合金孔洞形成機制及分布規律，對優化合金壓鑄工藝參數，降低孔隙率，推動合金應用，具有重要工程價值。

近期，上海交通大學曾小勤教授課題組李德江副研究員等人通過X射線計算機體層攝影技術（XCT）對比研究了EA42及AZ91D合金壓鑄件內部孔洞的分布規律，分析了其形成機制，探索出預測力學性能的更有效方法。研究結果表明，EA42合金近內澆口處孔隙率高，而AZ91D空間分布相對均勻，這主要是由于兩種合金凝固特性不同：EA42合金凝固區間窄，增壓奏效時間短，且液相線溫度高，易提前凝固產生更發達的預結晶組織（ESCs）。沿垂直模具表面方向，AZ91D孔洞分布寬度約為1.8 mm，而EA42（~0.5 mm）更窄，缺陷帶處孔隙率幾乎為0，原因在于EA42合金缺陷帶處含有發達的α-Mg+Al₁₁Ce₃共晶，相比AZ91D合金含有的Mg₁₇Al₁₂相，Al₁₁Ce₃相析出過程中釋放大量潛熱改善缺陷帶處殘余熔體的補縮能力，導致EA42合金缺陷帶處孔洞較少。同時還發現，僅用斷口表面的孔洞面積分數作為構建孔洞與力學性能關系的直接因素存在不合理性，忽略了裂紋擴展的空間特性，主裂紋擴展路徑范圍內的孔洞，都會直接影響力學性能。為此，探索出將沿主裂紋擴展路徑范圍所有X射線切片內孔洞總的面積分數作為構建孔洞與力學性能關系的直接因素，能有效預測壓鑄合金的力學性能。

本文對比研究了EA42合金與傳統AZ91D合金壓鑄件內部孔洞分布規律與形成機制，結果如圖1所示。AZ91D合金整個鑄件孔洞分布比較均勻，而EA42合金近內澆口端孔隙率高，遠端孔隙率接近于0。這歸因于：（1）相比AZ91D，EA42凝固區間較窄，如圖2所示，在相同的增壓條件下內澆口提前凝固，導致增壓失靈或者增壓奏效時間較短，因此對于EA42合金，在壓射過程中適當提前開啟增壓；（2）相比AZ91D，EA42液相線溫度高（~635 ℃），如圖2所示，在相同的壓鑄工藝下，金屬液會在料筒內提前凝固，形成更粗大發達的預結晶組織，造成鑄件內部大量縮松，因此對于EA42合金，在澆鑄過程中，應適當提高澆鑄溫度。

圖1 EA42與AZ91D孔洞分布規律：(a) 壓鑄件取樣位置示意圖 (b-c) 近內澆口端（A）至遠澆口端（C）孔隙率與孔洞三維分布

圖2 基于Scheil模型計算的EA42與AZ91D合金凝固路徑

進一步研究發現，沿垂直模具表面方向，兩種合金的孔洞分布也不一致，AZ91D合金孔洞分布較寬，約為1.8 mm，而EA42合金孔洞分布較窄，約為0.5 mm，如圖3所示。AZ91D合金在距離試樣表層320 μm的缺陷帶區域孔隙率提高，而EA42合金孔隙率從試樣心部向試樣表層逐漸降低，缺陷帶區域孔隙率幾乎為0，如圖4所示的缺陷帶組織。這歸因于AZ91D的主要析出相為Mg₁₇Al₁₂，其混合焓為-3 KJ/mol，而EA42的主要析出相為Al₁₁Ce₃，其混合焓為-32.6 KJ/mol，混合焓越低，兩種元素結合的過程中就要釋放更多的結晶潛熱，改善了缺陷帶區域局部凝固的補縮能力，因此，EA42合金缺陷帶區域孔隙率幾乎為0。

圖3 EA42與AZ91D沿垂直模具表面方向孔洞分布規律：(a) 孔洞三維分布，(b)試樣心部到試樣表面的孔隙率變化

圖4 EA42與AZ91D缺陷帶區域微觀組織

本工作還探索了基于臨界局部應變模型的鎂合金力學性能預測，如圖5所示。結果表明，將沿著主裂紋擴展路徑范圍所有X射線切片內孔洞面積分數的和，作為構建孔洞與力學性能關系的直接因素，能有效預測力學性能，這為預測含孔洞等缺陷的鎂合金力學性能提供了一種新方法。

圖5 基于臨界局部應變模型含孔洞鎂合金的拉伸性能預測：(a-c) 斷面孔隙率估計方法，(d-e) 拉伸性能預測結果與實驗結果匹配良好

綜上所述，本文利用XCT技術重點研究了相同壓鑄工藝條件下制備的AZ91D和EA42合金中缺陷分布與演變規律，結果顯示，采用與AZ91D合金相同的壓鑄工藝制備的EA42合金鑄件孔洞分布存在不均勻性，需根據合金的凝固特點進一步優化調整壓鑄參數，這為壓鑄行業新型合金的應用提供理論和實踐參考。

該文章發表在《Journal of Magnesium and Alloys》2022年第10卷第7期：

[1] Zixin Li, Dejiang Li*, Wenke Zhou, Bo Hu, Xingfeng Zhao, Jingya Wang, Ming Qin, Jiangkun Xu, Xiaoqin Zeng*, Characterization on the formation of porosity and tensile properties prediction in die casting Mg alloys [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, 10(7): 1857-1867.

采用XCT技術研究了AZ91D與Mg4Ce2Al0.5Mn (EA42)合金內部孔洞分布規律。發現EA42合金近內澆口端孔隙率遠高于遠內澆口端，這歸因于EA42合金壓射過程中增壓奏效時間過短所致。由于缺陷帶的形成機理不同，沿垂直模具表面方向，AZ91D合金孔洞分布較寬（~1.8 mm），而EA42合金孔洞分布較窄（~0.5 mm）。由于大量Al₁₁Ce₃相在凝固過程中偏析于缺陷帶處并釋放大量結晶潛熱，因此EA42合金缺陷帶處的微孔形成受阻，導致孔隙率幾乎為0。此外，還引入了一個有效的斷面孔隙率估計方法（Z-Propagation），與基于實際斷裂表面的傳統估計方法相比，該方法與臨界局部應變模型耦合，試樣的真實斷裂應變和真實斷裂應力的預測值分別在平均相對誤差絕對值（AARE）的3.03%和1.65%以內，達到良好的預測拉伸性能目的。