文：重庆大学 材料科学与工程学院 国家镁合金材料工程技术研究中心 高端装备铸造技术全国重点实验室蒋斌、张昂、宋江凤、黎田、游国强、郑江、潘复生
摘要镁合金一体化压铸技术在汽车轻量化方面潜力巨大。但由于镁合金具有活泼的化学性质和较高的热裂倾向，以及一体化压铸件尺寸大、壁厚薄、几何形状更加复杂，成形过程中容易出现孔洞、热裂等各种缺陷，极大地影响了一体化压铸件的性能。本工作在简述压铸镁合金缺陷形成原因及孔洞、缺陷带和热裂3种典型缺陷防治措施的基础上，围绕熔体处理、合金开发、工艺优化和结构设计等方面，概述了镁合金一体化压铸缺陷控制方面的进展和挑战，为高性能镁合金一体化压铸缺陷控制提供了思路和方向。
关键词镁合金，一体化压铸，缺陷，微观组织，工艺
镁合金是目前最具潜力的轻量化金属材料之一，如汽车每用1kg镁合金，寿命期可减30kg碳排放。为了加快形成新质生产力，推动实现碳达峰碳中和目标，车辆轻量化需求十分迫切。中小型镁合金铸件，如汽车方向盘、减震塔、仪表盘支架、中控支架等汽车零部件已实现批量应用，产生了良好的节能减排应用效果。随着“双碳”目标和节能减排政策的深入推进，以及材料与工艺装备的迭代更新，许多关键的汽车镁合金构件正在向“超大尺寸化”、“结构一体化”和“功能集成化”方向发展，展现出非常迫切的应用需求。
压铸工艺制备的镁合金性能优良，压铸过程中对模具冲蚀小、压铸周期短、生产效率高。目前，大多数镁合金零部件均通过压铸工艺生产。镁合金一体化压铸技术是利用超大吨位压铸机将原本设计中需要组装的数十个甚至上百个零件，经重新设计、高度集成，通过先进压铸工艺一体成形为一个超大尺寸的镁合金结构件。一体化压铸技术可以大幅简化原有多构件生产、多构件连接的复杂工艺，构件尺寸稳定性大幅提高，不仅节约时间成本和生产制造成本，而且降低生产线成本和人力成本，节能减排效益更加明显，已成为各汽车主机厂商争相研发的热点。
美国Tesla汽车公司率先布局了大尺寸汽车后地板的一体成形，将传统汽车生产所需冲压焊装的70余个零件，以及1000余次的焊接工序，一次压铸得到成品，大幅提升了车身结构稳定性。我国正稳步推动镁合金一体化压铸技术的发展，如重庆博奥镁铝金属制造有限公司、浙江万丰镁瑞丁新材料科技有限公司等采用中大型压铸机可以稳定生产长1.6m的大型仪表盘支架，零部件数量从20多个集成为1个。重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心联合镁利信科技股份有限公司、博奥镁铝金属制造有限公司，使用8800T压铸机成功试制了后地板和电池箱盖2类超大型新能源汽车结构件，2个产品的投影面积均超过2.2m2，是目前世界上最大的镁合金汽车压铸结构件。与铝合金铸件相比，镁合金一体化压铸件减重32%，展现出巨大的轻量化应用前景。力劲集团、海天集团、伊之密股份有限公司等均具备研制和生产超大吨位压铸机的能力。雄厚的产业基础为镁合金一体化压铸产品的大规模生产与应用打下了坚实基础。
但是由于镁合金一体化压铸件尺寸大、壁厚薄、几何形状更加复杂，铸造过程中温度分布不平衡，而且熔体高速流动容易卷入气体，在成形过程中容易出现气孔、缩松、热裂、冷隔、变形等各种缺陷，极大地影响了压铸件性能，限制了镁合金一体化压铸在工业上的进一步应用。
目前，国内外针对镁合金一体化压铸车身结构的研究刚起步，参考资料较少。本工作在简述压铸镁合金缺陷形成原因和防治措施的基础上，针对孔洞、缺陷带和热裂3种典型压铸缺陷，系统阐述了缺陷特征及其影响因素。围绕大体积熔体处理、高性能压铸镁合金材料开发、压铸工艺优化和压铸结构设计等，概述了镁合金一体化压铸缺陷控制方面的进展和挑战，最后对高性能镁合金一体化压铸缺陷的预测和控制进行了展望，旨在为控制镁合金一体化压铸缺陷提供参考，进一步推动镁合金在大型复杂结构领域的大规模应用，推动汽车轻量化技术的进一步应用和发展，助力一体化压铸技术引领汽车行业变革。
1、镁合金一体化压铸缺陷分类
镁合金一体化压铸技术的节能减排效益明显。在力学性能与免热处理铝合金相媲美甚至更优的情况下，镁合金一体化压铸件相较于铝合金一体化压铸件可以实现超过30%的减重效果。然而，压铸过程中产生的缺陷会恶化铸件性能，限制铸件的使用。
2、典型压铸缺陷特征及影响因素
与重力铸造等工艺不同，镁合金压铸缺陷形成过程更为复杂，影响因素更加多变。本节将针对孔洞、缺陷带和热裂3种典型压铸缺陷，围绕缺陷特征及其影响因素等进行概述。
2.1孔洞
2.1.1孔洞缺陷特征
孔洞是镁合金一体化压铸过程中的常见缺陷，对力学性能影响较大。依据形成机理，压铸孔洞缺陷可分为气孔和缩松2大类。
气孔主要包括由卷气现象导致的卷入性气孔和气体溶解度降低导致的析出性气孔。由于压铸时液态金属充型速率快，易产生紊流现象，卷入性气孔更为常见，即使加装真空装置也难以完全消除。气孔尺寸较大，等效直径一般为20-100µm，其形成和分布受样品厚度、尺寸等因素影响，没有明显规律。
缩松源于镁合金凝固收缩过程中的液体补缩不足，形貌不规则，主要分布在最后凝固区域。液态金属依附于压室内壁优先形核，形成预结晶组织(ex‐ternallysolidifiedcrystals，ESCs)，充型阶段的合金由ESCs的半固态熔体所构成，受冷凝固收缩后，晶粒间容易形成空隙。压铸界面换热行为复杂，凝固速率快；压铸件壁厚较薄，各部位凝固速率接近，液态金属对空隙的补缩难度较大；且内浇口一般先于铸件凝固，阻断了压室与型腔间的液相补缩通道，使得高压补缩阶段的作用时间较短，效果甚微。此外，镁合金易氧化产生氧化薄膜，在液态金属中形成褶皱，成为孔洞缺陷的形核点。因此，熔体内氧化薄膜的分布、尺寸及含量也会影响孔洞缺陷的分布、形貌及数量。
孔洞缺陷可以采用序列层切等有损检测，超声波断层扫描、X射线CT扫描等无损检测，光镜、电镜观察，以及密度检测等手段进行表征。CT扫描结果如图1a所示。通过引入圆度、球度、形状因子等形貌参数，可以对孔洞缺陷进行识别和区分。如依据体积和球度，可以将压铸AM60合金中的孔洞缺陷分为气孔、气缩孔、网状缩松和岛状缩松。但关于形貌参数阈值的选取，目前并没有统一标准。
2.1.2孔洞影响因素
目前主要通过工艺参数优化对孔洞缺陷进行控制。在压铸过程中，浇注压力、浇注速率等工艺参数会显著影响液态金属的流动。而压铸件中孔洞缺陷的形成与充型阶段液态金属的流动、合金的凝固过程等密切相关。增大增压压力可以减少孔洞含量，尤其是大尺寸气孔缺陷；改变浇口速率及浇注温度会影响气孔及缩松缺陷的数量和尺寸。
然而，大量研究表明，由于压铸过程充型速率快，金属液极易出现紊流现象，即使采用真空压铸技术，气孔等孔洞缺陷也很难被完全消除。对于一体化大型薄壁压铸件，因其各部位基本同时凝固，无法有效补缩，孔洞成为大型薄壁件的一种常见缺陷，对合金力学性能特别是形变过程中的塑性和断裂性能有着显著影响。工业上主要通过搭配压铸真空系统、合理选择压铸工艺参数、改进压铸工艺要求、选择性能好的涂料及控制喷涂量等措施减少孔洞缺陷，尽可能降低孔洞对合金性能的影响。除此之外，孔洞缺陷与镁熔体的氧化程度密切相关，向压室内填充惰性气体，可以通过降低镁熔体的氧化程度和氧化薄膜的含量减少孔洞缺陷。
为减少孔洞缺陷，本团队通过数值模拟研究了熔体中气泡的动力学行为，并通过在熔体中预设障碍物，对比分析了不同流场参数和障碍物几何参数对气泡动力学的影响，发现气泡形貌与障碍物几何参数密切相关，有着尖角过渡的单边矩形障碍物会使气泡发生最大程度的变形，如图2所示。在此基础上，研究人员考虑凝固过程中的组织生长,研究了不同流场作用下的组织特征及枝晶-气泡间的相互作用。
2.2缺陷带
2.2.1缺陷带特征
缺陷带存在于冷室压铸组织中，其分布、形貌与孔洞、ESCs等密切相关。缺陷带可分为单缺陷带、双缺陷带和多缺陷带，其即可沿压铸件截面轮廓分布，也有可能展现出极其不规则的分布形态。
目前关于缺陷带的形成机理并未明确和统一。基于压室预结晶理论可以基本解释单缺陷带的形成原因：在充型凝固过程中，ESCs向中心聚拢，并从中心向表层逐渐凝固；而由于金属液和模具之间存在温度梯度，金属液也会从表层向中心进行凝固。在这2个凝固前沿相遇的区域，由于凝固收缩未能得到有效补缩，导致在压铸件内部形成沿截面轮廓分布的带状组织。
ESCs的分布和聚集使压铸镁合金形成一种天然的铸造异构组织。铸造心部以粗大的等轴晶、第二相和ESCs为主，异构组织展现出从表层的细小等轴晶和第二相到心部粗大组织的连续变化特征，呈梯度式分布。压铸镁合金的异构组织使得每一层具备不同的力学性能，包括了从表层到心部的硬度、拉伸性能等。每一层在拉伸变形过程中产生相互作用，从而影响合金整体的力学行为，如致密细小的表层组织不容易发生塑性变形，而组织粗大的心部更容易发生塑性变形。为保证变形的连续性，表层会约束心部的变形，从而推迟心部的完全塑性变形。
图1b为压铸缺陷带形貌图，其为一条富集孔洞的带状组织，存在一定的元素偏析。
2.2.2缺陷带影响因素
缺陷带的形成和分布与压铸工艺参数密切相关。压铸速率会改变金属液的流动形态，影响ESCs含量，进而影响缺陷带宽度。随着压射低速速率的提高，铸件中的缺陷带愈加靠近中心区域，其宽度逐渐减小，内部孔洞更加聚集；压射高速速率越大，ESCs组织分布愈弥散，缺陷带愈向心部靠拢；当无高速压射速率时，铸件中会出现双缺陷带。增压压力可以改变金属液的供料能力，从而影响压铸件的补缩能力。施加高真空辅助系统后，熔体流动能力加大，缺陷带宽度减小。
此外，不同部位的缺陷带分布具有明显差异。在铸件近浇口端和近溢流槽端，缺陷带的分布与铸件外轮廓关联度较小，而与金属液的液流轮廓一致；在铸件中部，缺陷带的分布与铸件外轮廓及金属液的液流轮廓一致。
在一体化压铸过程中，更大的模具结构、复杂的金属液流动会使压铸件凝固不均匀，容易出现孔洞、偏析等缺陷，影响缺陷带的形貌和分布，进而影响压铸件的整体性能和合格率。相较于铸造压力，压铸速率对缺陷带位置、宽度及其内部孔洞形貌的影响更明显。除此之外，内浇口的形状及位置也会影响金属液的流动形态，进而影响缺陷带的形成和分布。
2.3热裂
2.3.1热裂缺陷特征
热裂形成于凝固后期，此时固相率较高，枝晶结构已完成搭接，液态金属流动性极差。当合金中已凝固部分的强度/延展性低于凝固收缩时产生的应力/应变，且残余液相无法有效补缩铸件的局部裂痕时，铸件便会形成热裂。镁合金的凝固收缩率较高，热裂形成倾向大，特别是一体化大型压铸件，具有热节点多、壁厚不一致、厚度差异大等特点，局部区域更易形成热裂，如图1c所示。
针对镁合金热裂的研究多集中在合金成分与热裂倾向的关系方面，而且大部分为重力铸造工艺。在二元合金中，热裂倾向与合金成分基本遵循Λ曲线关系(Λ表示曲线形状)。在多元合金中，通过改变元素含量，可以改变合金的凝固区间、残余液相占比和液相补缩能力，进而影响合金的热裂倾向。镁合金一体化压铸件由于形状复杂、热节点较多，为减少热裂缺陷，除通过合金化开发低热裂合金外，还应通过温度控制、结构设计等改变热裂发生的外在环境。
2.3.2热裂影响因素
镁合金热裂倾向受合金成分、铸造工艺、模具结构等因素影响。合金成分直接影响合金的收缩应力、凝固温度区间、共晶反应前的液相占比等。改变合金成分会改变合金的凝固路径，影响脆弱温度区间和合金的第二相分布，最终影响凝固末期残余液相的占比。如向Mg-4Zn-0.3Zr合金中添加Ca元素，当添加量为2.0%(质量分数，下同)时，会在晶界处形成脆性富钙相，削弱基体合金的高温强度，降低合金的抗凝固收缩应力，增加合金的热裂倾向；在Mg-1Ca合金中添加0.6%Sr时，会形成大量宽片层状共晶，并缩短脆弱温度区间，降低合金的热裂倾向；在Mg-6Zn-1Cu-0.6Zr合金中添加Y元素时，不仅晶粒细化效果显著，补缩通道还会被优化，最终提升了合金的抗热裂能力。
铸造工艺，如浇注温度、模具温度等，会显著影响液态金属的流动性，进而影响合金的热裂倾向。过高的浇注温度会促进第二相的析出，并粗化晶粒，削弱凝固后期残余液相的补缩效果，增加了合金的热裂倾向。但若适当提升模具的预热温度，可有效提升合金的抗热裂能力，如在Mg-2Ca-xZn合金中，当模具温度从250℃提升至450℃后，合金凝固收缩应变减小，抗热裂倾向增大。然而，在实际生产中，工艺参数的可选范围较窄，因此该方法需结合实际生产条件进行考量。模具结构设计以及铸件结构优化也是控制铸件热裂倾向的重要手段。模具结构主要影响浇注系统的退让性，其通常与合金的补缩性相关。在模具设计阶段，不仅应避免过多的热节点，还应防止铸件在截面变化处或厚薄不均处出现收缩受阻现象，以避免限制性收缩结构的出现。
热裂还与孔洞、氧化夹杂等缺陷相互影响。孔洞缺陷容易在铸件内部形成应力集中，这些应力集中会在冷却过程中诱发或加剧热裂的形成。孔洞缺陷还会削弱铸件的整体强度，在相同热应力作用力下，更易产生裂纹。因此，孔洞越多、尺寸越大，铸件内部的应力分布越不均匀，形成热裂的风险就越高。
氧化夹杂通常会导致材料局部的性能不均匀，引起局部应力增大。应力集中使得存在氧化夹杂的区域在冷却阶段更易出现裂纹，增加热裂形成的风险。氧化夹杂处的金属与基体金属的黏结力较弱，甚至存在微小的间隙，这些弱黏结区在应力作用下极有可能扩展成明显的裂纹，加速热裂的形成。
2.4缺陷对合金性能的影响
压铸缺陷会导致合金性能明显恶化，主要体现在降低合金的强度和耐腐蚀性能，影响合金的使用寿命、安全性和外观质量，降低合金的美观度和市场竞争力等。
本工作聚焦于合金的力学性能。研究表明，孔洞缺陷对合金力学性能具有显著影响，如导致塑性离散度增大等。孔洞缺陷不仅减少有效承载面积，还会造成应力集中，成为裂纹源，加快裂纹扩展。
在实际一体化压铸过程中，铸件内孔洞缺陷分布随机，形貌、尺寸差异显著，且孔洞缺陷与热裂、氧化夹杂等缺陷间存在相互作用。因此，未来还需深入探索孔洞缺陷的形貌特征和分布规律，并考虑镁合金一体化压铸件内不同类型缺陷间的相互作用机制。在此基础上，进一步深化对孔洞缺陷与试样力学性能间关系的理解，从而提高模型预测压铸镁合金力学性能的准确性。
3、一体化压铸镁合金铸件缺陷控制
当前，镁合金一体化压铸件主要应用于汽车和新能源汽车等领域中，具体应用于电池包壳体、汽车后地板和后掀背门等部件。这些铸件结构复杂、尺寸大，金属液在大型模具内流程长、不平稳，导致铸件容易产生气孔、缩松、热裂等缺陷，严重影响铸件品质。本节从熔体处理、合金开发、工艺优化和结构设计等方面简述如何开发低缺陷、高质量镁合金一体化压铸件。
3.1大体积高质量镁合金熔体处理
镁合金一体化压铸件轮廓尺寸大、总浇注量大、熔体处理量大、处理时间长，熔体纯净化若不达标，铸件容易产生各种严重缺陷。因此，需开发大体积镁合金熔体纯净化技术以提高熔体质量。
Mg元素化学性质活泼，易形成MgO等夹杂，净化难度较大；当前熔炼工艺中镁合金均与铁质工具接触，由此引发的电偶腐蚀严重恶化了其耐腐蚀性能。因此，在研究和生产过程中，需去除氧化物夹杂及Fe杂质等，以改善镁合金纯净度，进而提高镁合金的品质与使用性能。目前，镁合金熔体纯净化技术在国内外均已取得重要进展。依据是否使用熔剂，该技术可分为熔剂法和无熔剂法2大类。
熔剂法通过向镁熔体中添加熔剂，实现夹杂物的完全润湿和团聚，进而与熔剂结合成大颗粒并沉积在坩埚底部，以此有效去除镁熔体中的各类金属和非金属夹杂物。熔剂主要包含氯盐和氟盐，其主要成分为MgCl2。然而，由于环境污染、助焊剂夹杂物和金属损失，这种精炼方法在工业应用中受到一定限制。
无熔剂法包括静置法、吹气法、过滤法等。静置法是利用镁熔体与夹杂物之间的密度差，当熔体在高温静置时，2者将自动分离，静置法一般需与熔剂法结合使用。吹气法是向镁熔体中通入惰性气体，气体分散成多个细小气泡后，在搅拌过程中将润湿黏附轻质夹杂物，并在气泡上浮过程中将轻质夹杂物带到熔体表面，然后经打渣工序去除。工艺参数对脱气效果具有显著影响，具体而言，当注入气体压力过高、气泡上升速率过快时，气泡与熔体之间的接触时间会相应减小，气体逸出时会损坏熔体表面保护膜，导致脱气效果降低。目前，各参数的最优取值范围尚未确定，仍需进一步研究。
过滤法是使熔体通过由中性或活性材料制造的多孔过滤器，以分离悬浮在熔体中的固态夹杂物的净化方法。过滤器长期使用后极易发生堵塞，导致过滤效率降低，因此需要经常清洗或更换过滤器以保证过滤效果。针对过滤法的缺陷，本团队开发了镁熔体非陶瓷介质反重力过滤技术，解决了传统方法无法连续净化熔体的国际难题，镁合金中Fe杂质含量降至5×10-6，过滤介质寿命提高20倍以上。熔体的逆向流动将固态夹杂物分离思路从传统的“截留”调整为“阻挡”，被阻挡的夹杂物将聚集而自然沉降到过滤板的下方，使过滤板不易被堵塞进而具备自净化效果。为提高过滤效率，设计了多级逆向过滤装置，使镁合金熔体逐次通过孔径逐渐减小的过滤孔板，实现逐级过滤从而有效净化夹杂物。
通过集气体精炼、自然沉降、惯性分离、过滤净化、凝析降铁技术为一体，实现了镁熔体无熔剂连续纯净化，如图3所示。首创的镁合金熔体绿色纯净化技术及其配套装备为提高大体积镁熔体的净化效率开辟了新的途径，在国内外镁合金生产企业中得到了广泛的推广和应用。
近年来，出现许多复合净化新方法，例如低压脉冲电磁技术、超声波Ar气净化技术等。多种精炼方法的组合可以克服单一精炼方法的局限性，实现优势互补，为进一步提高大体积镁熔体的净化效率提供了契机。
3.2高性能镁合金材料开发
镁合金一体化压铸件充型距离长，熔体凝固速率快，常用镁合金的铸造流动性难以满足一体化压铸工艺的要求，铸件易产生浇不足、冷隔等缺陷。除良好的流动性外，一体化压铸还要求镁合金具备良好的铸造性能和高强韧性，以满足车用结构件的安全要求。目前应用最为广泛的压铸镁合金系是Mg-Al系，包括Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si和Mg-Al-RE系等，典型商用牌号有AM50、AM60和AZ91等。Al元素对镁合金的铸造性能有积极影响，而RE元素则有利于提高镁合金的强度和高温性能。在此基础上，通常还会添加Ca、Sr、Sn等元素，以优化合金性能。目前，适用于压铸工艺的Mg-RE系合金处于研发阶段[82]，由于受成本因素制约，该类合金尚未在汽车领域实现应用。
近几年新开发的Mg-Al系压铸镁合金中，力学性能较好的有AX73、AXT710(X：Ca，T：Sn)等，如AXT710镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了258MPa、188MPa和10.2%，微量Sn元素在其中起到了固溶强化、第二相强化和细晶强化作用。Mg-Al-RE系合金中，具有优异综合力学性的代表性商用镁合金是AE44，该合金力学性能优异且高温抗蠕变能力强。
3.3压铸工艺参数优化
压铸工艺参数是影响压铸过程的重要因素，包括压射速率、压射比压、浇注温度、模具温度等。压射速率直接影响合金的充模时间和液态金属的流动速率。压铸速率过低可能导致浇不足，过高则可能导致液态金属在填充时产生喷溅，甚至在内浇口的位置产生雾化，使液体发生翻卷，在内部造成卷气。
压射比压通常由铸件强度或铸件壁厚决定，对于强度要求高的铸件，为确保其良好的致密度，需要采用高压射比压。提高浇注温度有助于增强合金熔体流动性，优化铸件表面质量，但会导致更大的收缩率及模具寿命的降低。反之，浇注温度太低则会造成冷隔等缺陷。为了防止熔融金属的过度激冷，浇注温度和模具温度均应控制在合理的区间内。此外，为避免模具因激热而张裂，应缩小模具的冷热交变温差以延长其寿命。
鉴于镁合金一体化压铸件尺寸较大，为优化压铸工艺参数，可依据实际应用需求，提取其典型结构特征进行分析，如图4所示。构建与镁合金一体化压铸件关键局部结构相似且凝固环境相同的小型特征样件，开展特征试件压铸实验，研究压铸充型过程中流场、温度场、应力场的演变特征，研究不同压铸工艺参数下的微观组织、缺陷和力学性能，分析各缺陷的分布特征和形成规律。将数值模拟与铸造实验相结合，建立特征试件的压铸工艺参数-组织-缺陷-性能之间的关系，提出压铸缺陷与性能调控措施，为从整体和宏观上控制镁合金一体化压铸缺陷提供理论依据和工艺指导，实现“局部”与“整体”的有机协同。
在特征试件研究基础上，首先采用工艺仿真研究大型一体化压铸件材料特性-结构参数-工艺参数与温度场、应力场、缺陷的对应关系，初步优化得到模具结构、浇注系统和压铸工艺参数等。然后开展镁合金一体化压铸实验，分析镁合金一体化压铸件典型部位的组织、缺陷、几何尺寸精度特征，结合溶质场、温度场和应力场数值模拟，揭示铸件组织和缺陷的形成机制，获得镁合金一体化压铸件的缺陷控制准则，建立工艺参数-组织缺陷特征-综合性能之间的映射关系，实现外形、组织、缺陷和性能的有效调控和大型复杂镁合金一体化压铸件的高效制备。
3.4结构优化设计
在结构设计方面，一体化镁合金铸件展现出空间跨度大、几何结构复杂、热节点多、壁薄且厚度不均匀等特点，易导致服役应力分布复杂；铸件充型顺序复杂、流动距离长、冷却不均匀，加之铸件不同部位对材料强度、塑性要求不同，若直接沿用现有复杂铸件的空间结构、模具和浇注系统设计，易引发缺陷增多、铸件性能不达标等问题。因此，在大型镁合金一体化铸件设计及制备过程中，需要对镁合金零部件进行再设计，在深入揭示镁合金压铸缺陷控制方法和充分掌握大型铸件铸造要求的基础上，将铸件空间结构、模具和浇注系统与材料综合性能充分结合，从镁合金的材料特性和工艺特性出发，开展大型一体化压铸镁合金产品模具参数设计、过程仿真和结构优化等，实现大型铸件材料-结构-性能一体化设计，如图5所示。
在进行结构设计时，需充分考虑型腔的数量、尺寸、壁厚以及分型面的位置，以确保产品外观、质量、成本和生产周期等符合要求，如压铸模具上必须有排气槽和溢流槽，避免加工过程中产生气蚀、缩松等缺陷，并排除混有气体和被残余涂料、润滑剂污染的前端冷凝金属液，保证铸件质量，延长压铸模使用寿命；需根据产品结构特点和铸件质量要求，优化浇口位置和浇口尺寸，并对模具结构进行合理设计；压铸模结构需保证精度和刚度，避免出现变形等。
在对镁合金零部件进行设计时，可以采用数值模拟软件进行零部件结构的初步设计，再通过计算机辅助工程(computeraidedengineering，CAE)分析和工艺分析优化结构。以汽车仪表盘支架为例，由于结构优化和轻量化减重，仪表盘支架背部区域设计了结构加强筋，薄厚相接区域较多且壁厚不均匀。通过模流分析，发现镁合金仪表盘支架在压铸过程中2侧远端区域存在卷气和浇不足问题，缩孔主要在仪表盘支架的远端区域和厚大区域，如图6所示。这些区域存在孤立液相区，金属液无法及时补充，薄厚相接区域和圆角过渡区域存在应力集中，容易产生热裂。为此，设计时需进一步优化结构，尽可能避免极大圆角及曲面的造型设计，使壁厚分布更加均匀，以减少容易产生缺陷的区域，提高铸件质量。
4、结论和展望
镁合金一体化压铸技术通过将多构件生产、多构件连接的复杂工艺集成于一体，极大地节约了时间成本和生产制造成本，在汽车轻量化方面具有巨大的潜力。本工作综述了镁合金一体化压铸中的孔洞、缺陷带和热裂等典型缺陷的特征及影响因素，并从熔体处理、合金开发、工艺优化和结构设计等角度探讨了缺陷的控制措施。面对一体化压铸中的各种缺陷，应在深入分析各种缺陷的形成原因、分布特征及影响因素的基础上，结合热动力学计算、模流分析、压铸试验等，建立压铸工艺参数-组织-缺陷-性能之间的关系，并搭配大体积、高质量熔体处理技术和成熟的压铸工艺参数及合理的模具结构，以降低或消除缺陷对构件性能的影响，进而助力大尺寸镁合金一体化压铸件的高质量生产。镁合金一体化压铸缺陷控制方法的发展将为各类大型零部件的一体化生产提供借鉴和指导，为颠覆汽车及相关行业的传统生产制造模式提供可能。
随着工业数字化、智能化的进程不断加快，基于数据驱动的缺陷智能检测、智能系统优化和智能制造等也为压铸缺陷的检测和控制提供了新的思路和方法。在面临一体化铸件各部位铸造条件不均匀、铸造参数与铸件质量映射关系复杂等问题时，基于机器学习的缺陷目标检测等智能算法可以有效提升缺陷的检测精度和准确率。此外，大型、智能化压铸单元的研发和使用将进一步提升铸件的质量与生产效率，相应高端压铸产品带来的更高要求也将进一步刺激镁合金一体化压铸技术的发展，推动镁合金在大型复杂结构领域的进一步大规模应用，加速汽车等领域轻量化目标的实现，助推压铸行业不断螺旋上升。
