文：

清华大学材料学院熊守美、何祖年

清华大学先进成形制造教育部重点实验室熊守美

摘要高压铸造凭借高速充型与快速凝固的特点，已成为新能源汽车大型一体化铝合金结构件的关键成形技术。然而，在大型薄壁铸件中，熔体流动行为与组织缺陷演化之间存在复杂的耦合关系，其机理仍缺乏系统认识。本文系统综述了高压铸造铝合金流动性的研究进展，并从工艺参数、微观组织和解析模型三个方面构建统一的分析框架。首先，总结了压铸条件下流动性的影响因素，指出工艺参数和合金设计共同通过调控传热与凝固过程来改变流动性。其次，阐明了压铸件典型层状组织(皮肤层、缺陷带和外部凝固晶体)的形成机制，并指出了流动过程中枝晶网络连通、溶质富集及孔洞演化对流动终止的关键作用。最后，分析了各种流动解析模型在物理假设与预测能力方面的差异。综上，压铸流动性的本质是热-相-流三场耦合作用的结果。并指出未来需在停止流动机理、同步辐射原位表征及数据驱动方面作进一步深入研究。

关键词高压铸造，铝合金，流动性

高压铸造(HPDC)作为一种高效铸造工艺，因其优异的成形能力被广泛应用于复杂薄壁铸件的生产。该工艺通过极高的冷却速率，辅助可控的型腔真空环境，可显著提升铸件的力学性能和尺寸精度。研究表明，通过优化压铸工艺参数和合金成分设计，能够有效改善铸件内部的气孔和缩松缺陷，同时提高表面质量和熔体流动性。这些技术优势使得高压铸造特别适用于新能源汽车轻量化零部件的制造，包括前机舱、后底板、电驱壳体等关键部件。随着一体化压铸技术在新能源汽车领域的推广应用，传统上由数十个零件组成的复杂结构得以整合为单一整体铸件。这种技术革新不仅简化了生产流程、降低了制造成本，同时通过减重显著提升能源利用效率，对实现碳中和目标具有重要战略意义。然而，一体化压铸件的集成度及其尺寸的进一步扩大对材料性能提出了严苛要求：首先，合金必须具有优异的流动性能，以确保在凝固前完全充填大型模具型腔，减少浇不足、冷隔等凝固缺陷；其次，材料还需具备满足服役条件的力学性能。为综合评价此类结构的成形质量与最终铸件的流动性，Niu等[12]提出有效流动长度(effectiveflowlength)的概念，将铸件几何完整性与力学性能相结合，用于综合评价材料在压铸条件下的可铸造性。在高压铸造过程中，流动性通常受到工艺参数和合金成分等多种因素的共同影响。然而，仅通过宏观流动长度难以揭示流动停止的本质机制。要系统理解这些变量对流动性的影响，需要从微观组织演化以及流动解析模型两个方面进行综合分析。

与传统铸造工艺相比，高压铸造具有两个显著特征：更高的模具设计复杂度和更高的浇口速率(通常达20~60m/s)。其凝固组织形成独特的层状组织结构，从心部到表面分别为：压射前形成的外部凝固晶体(ESCs)、缺陷带、皮肤层。该结构主要受控于三维温度梯度场、剪切力分布及凝固潜热释放。然而，控制心部区域获得细小等轴晶组织的目标仍面临挑战，其制约因素包括心部低速散热条件导致的温度场均匀性不足，以及压室内初生α-Al的形核。在流动性模型方面，流动性能的理论研究可追溯至Flemings的开创性工作，他将合金流动性能定义为熔体停止流动前可达到的最大流动长度，这一概念区别于物理学中黏度的倒数的定义，并推动了用于描述合金充型能力的解析模型的发展。

解析模型的快速进步使精确求解压铸过程中的凝固时间和停止流动距离成为了可能。尽管已有大量研究从实验和理论角度探讨了压铸条件下的流动行为，当前对流动性机理的认识仍然不够系统。早期研究主要关注工艺参数与流动长度之间的经验关系，随后提出的一维传热模型、浇口方程以及二维流动模型等为流动性预测提供了重要理论基础。然而，这些模型往往基于简化假设，难以充分考虑半固态流动过程中枝晶网络形成、固相分数增长以及孔洞演化等微观组织因素对流动终止的影响。因此，从微观组织演化角度理解流动停止机制，并建立能够统一描述流动、传热与凝固行为的分析框架，仍然是当前研究的重要挑战。

近年来，随着实验表征技术、数值模拟方法以及热力学计算的发展，人们对压铸过程中微观组织和缺陷形成机理的认识不断深化，为揭示流动性本质提供了新的视角。然而，如何将工艺参数、组织演化与流动预测模型有机结合，构建系统性的流动性研究框架，仍有待进一步总结和发展。基于上述背景，本文综述了高压铸造铝合金流动性的研究进展，并从三个方面进行讨论：首先，总结压铸工艺参数和合金设计对流动性的影响规律；其次，分析压铸件典型层状组织及缺陷带形成机制，阐明微观组织演化与流动终止之间的内在联系；最后，比较不同流动解析模型的物理基础和适用范围。本文旨在通过整合实验研究与理论模型，为理解压铸流动性的物理本质以及未来高流动性合金设计与工艺优化提供参考。

1、压铸过程中影响合金流动性的变量

1.1 工艺参数对流动性的影响

在高压铸造过程中，型腔内金属液的流动行为主要受到压射过程与模具条件的共同控制。典型的压射过程通常包括三个阶段：低速注射阶段(第一阶段)、高速注射阶段(第二阶段)以及增压阶段(第三阶段)，这些阶段由压铸机的工艺参数所设定。此外，浇口比、模具温度以及模具结构等模具设计因素也会显著影响熔体在型腔内的流动行为。因此，压铸流动性本质上是工艺参数与合金特性共同作用的结果。下文将从不同工艺阶段条件出发，系统分析这些变量对流动性的影响机理。

在低速注射阶段，金属液在压室中的流动稳定性以及型腔抽真空过程受到低速注射速率和低速注射位置的显著影响。适当控制低速注射速率可以减少空气卷入并保证真空系统有效工作。若低速注射速率过高，容易诱发湍流并导致空气卷入，而速率过低可能造成金属液在进入型腔前发生过早凝固，从而降低充型能力。这些因素均可能在流动前沿凝固过程中促进孔隙的形成。此外，低速阶段的流动状态还会影响初生颗粒的形成和尺寸分布，从而进一步影响铸件的组织结构及流动行为。

在高速注射阶段，金属液以较高速率通过内浇口进入模具型腔，该阶段决定了熔体进入型腔后的流动形态及其湍流特征。不同的流动模式会改变型腔内的剪切条件和对流换热过程，从而对流动长度产生显著影响。因此，高速注射阶段通常被认为是控制压铸流动性的关键因素之一。然而，目前针对高速充型过程中的流动行为及其对流动停止影响的研究仍相对有限。增压阶段在高速注射之后，其主要作用是通过施加较高压力并维持一定保压时间来改善铸件致密性。增压压力通常处于数十兆帕量级，是影响压铸孔隙形成的重要因素之一。提高增压压力能够延长内浇口处的凝固时间，从而增强补缩能力并降低由快速凝固引起的缺陷。此外，压力变化还会改变内浇口区域的对流换热条件及热流密度，从而在一定程度上影响流动行为。但总体而言，与高速注射速率和模具温度相比，压力对对流换热系数的影响相对较小。

除压射过程外，模具条件同样对流动行为具有重要影响。模具参数主要包括模具温度、模具材料、表面涂层及透气性等因素。其中，模具温度与熔体温度共同决定了充型过程中的传热条件，并直接影响凝固时间及流动距离。通常情况下，随着模具温度升高，界面热流密度降低，从而延长金属液的凝固时间并提高流动性。此外，模具材料的热导率和比热容也会影响熔体的冷却速率。例如，常用的H13模具钢具有较为稳定的热导率，而采用陶瓷压室等新型材料可以减少ESCs的形成，并在一定程度上降低孔隙率和延长流动距离。模具表面的润湿性和粗糙度同样会影响金属液与模具之间的界面摩擦阻力，润湿性越好，液态金属在模具表面的铺展能力越强，从而有利于流动。此外，模具的透气性决定了型腔内气体的排出能力。若排气能力不足，型腔内气体会形成背压并阻碍金属液充型，而合理设计排气和真空系统可以有效降低背压并改善流动性。

根据已有文献，目前用于测量流动性的模具形状尚未形成统一标准，这给实验重复性以及不同模具设计之间的流动性对比带来了困难。因此，建立统一的流动性测试标准被认为是解决这一问题的潜在途径。综合平板形和螺旋形模具的优点，He等设计了一种新型的测量多种合金成分和工艺参数下合金流动性的模具。

图1a1和a2展示了用于测量高压铸造下合金流动性的模具示意图，其中流道模块包含特殊的测试流道结构，为由多个直流道(160.0mm)和半圆弧流道(31.4mm)交替连接形成的弯折流道。该流道系统具有以下特征：梯形截面设计，短底边与侧边通过倒角圆弧过渡，长底边直接连接侧边；所有流道均位于尺寸为193.7mm×202.9mm的矩形区域内；总流道中心线长度达1746.4mm；流动镶块壁厚可以在2.5、3.0和3.5mm间调整。力学性能测试流道包括两个棒状流道，有效测量区域直径为6.4mm。这种设计可实现在一次动作后同时对压铸条件下金属的流动性能和力学性能进行测量。测试流动长度的实体铸件如图1b1和b2所示，流动性测试流道为多个直流道和多个半圆弧流道的组合，其依次交替相连形成蛇形流道。

流动性测试流道的截面形状呈梯形，且梯形的短底边与两个侧边通过倒角圆弧相连，梯形的长底边与两个侧边直接相连。流道全部包含在长193.7mm、宽202.9mm的矩形区域内，其中直流道的长度为160.0mm，半圆形的弯折流道的中心线长度为31.4mm，总流道的中心线总长度为1746.4mm，壁厚为3.0mm。根据压铸流动性能试样的宏观形貌观察与微观组织分析，可清晰识别两个特征区域(图1c1和c2)：(1)有效流动区，其微观组织呈现典型的高压铸造特征；(2)缺陷富集流动末端区，存在明显的缩松、气孔及偏析缺陷。显微观察显示，该区域的孔洞数量及当量直径均显著大于有效流动区。同时，该缺陷流动末端的力学性能，尤其是延伸率会显著下降，而孔隙率显著升高。图2展示了工艺参数对压铸铝合金有效流动长度的影响规律。总体而言，浇口速率的提高能够显著延长合金的总流动长度。随着浇口速率从40m/s增加至80m/s(图2a)，三种合金的流动性均表现出不同程度的提升，其中低Si含量合金(如AlSi7MnMg)的提升最为明显。这表明，提高充型速率能够通过增加熔体动能和减弱前沿凝固效应改善原本流动性较差合金的充型能力。在相同浇口速率条件下，施加增强压力亦可进一步提高有效流动长度。然而，如图2b所示，对于本身具有较高流动性的合金(如AlSi9MnVZr和AlSi10MnMg)，浇口速率进一步提高所带来的流动性提升相对有限。这主要是由于高速流动同时会增强界面对流换热，从而加速熔体冷却并抵消部分动能增加带来的流动优势。

模具温度同样对流动性产生重要影响(图2c)。随着模具温度升高，金属液与型腔之间的传热强度降低，从而延长凝固时间并增加有效流动长度。然而，不同合金体系对模具温度变化的响应存在明显差异。例如，AlSi7MnMg、AlSi10MnMg和AlSi9MnZrTi(THLZ)合金在模温升高时流动性提升较为明显，而部分高导热合金(如Al1.5FeNi)则表现出相对较弱的敏感性。相比之下，AlSi8MnMgCuV和AlMg6Si2MnZr合金的流动性能最低，仅为0.7~0.8m。上述结果表明，模温调控能够在一定程度上改善合金流动性，但其作用仍取决于合金体系的热物性与凝固行为。熔体过热度同样是影响流动性的关键热力学参数(图2d)。随着过热度由50℃升至100℃，所有合金的有效流动长度均出现明显增加，并且在施加增强压力条件下这一趋势更加明显。

这一现象表明，提高过热度能够通过提高熔体初始热含量并延缓凝固过程，从而增强金属液在充型过程中的流动能力。

综合上述结果可以看出，在压铸条件下，浇口速率是影响流动性的主导工艺参数，而模具温度和熔体过热度主要通过调控传热与凝固过程发挥辅助作用。此外，增强压力对于流动性较差的合金具有一定改善作用。总体而言，铝合金在压铸过程中的流动行为是多种工艺参数与合金热物性协同作用的结果，不同合金体系对工艺参数的响应存在显著差异，因此在优化压铸铝合金流动性的过程中需要综合考虑压铸工艺与合金设计之间的平衡。

1.2 合金设计对流动性的影响

合金设计对流动性的影响十分复杂，尤其是在成分因素方面，仍然是一个重要的研究挑战。实验研究和数值模拟表明，共晶成分合金的凝固行为与纯金属相似，因此通常具有较高的流动性。然而研究发现，在某些Al-X合金(X表示其他元素)中，获得最佳流动性的成分并不一定对应共晶点。因此，仅以合金成分作为评价流动性的依据是不充分的。

对流动性的综合评估还需要考虑其他冶金变量，包括过热度、潜热、表面张力、黏度、凝固模式以及熔体洁净度等。通过调控冶金变量来控制流动性的研究不仅局限于压铸，还广泛应用于焊接、增材制造、连续铸造和注射成形等工艺。

合金成分设计及相关冶金因素会显著影响材料的组织与流动性之间的关系，其作用程度在许多情况下与工艺参数同样重要。现阶段，大型压铸结构件中广泛采用亚共晶Al-Si合金体系，这类合金通常具有较高的流动性，因此成为相关研究的主要对象。基于此，下文将重点讨论Si含量对流动性的影响规律，并进一步分析控制流动性变化的主要合金设计机制。

在研究Si含量对亚共晶Al-Si合金流动性的影响时，Kim等采用螺旋模具对不同成分合金进行了流动性测试，通过测量铸件凝固后的流动长度来评价合金的流动能力(图3)。

实验结果表明，在螺旋模具条件下，Al-Si合金的流动性随Si含量的增加而显著提高，这一趋势与重力浇铸条件下获得的实验结果一致。其主要原因在于，随着Si元素含量的增加，合金的凝固潜热随之提高，从而延长了熔体的凝固时间，使金属液在流动过程中保持液态状态的时间更长，最终表现为流动距离的增加。进一步提高Si含量，发现其对Al-Si合金流动性的影响呈现明显的非线性规律。随着Si含量增加，流动性整体呈先降低后提高的趋势。在较大通道厚度条件下，流动性与Si含量之间通常表现为凹形关系(图4a)，即从纯Al开始，流动性随着Si含量增加逐渐降低，并在中等Si含量附近达到最低水平，随后持续升高。而在极薄通道(如0.5mm)条件下，流动性则随Si含量增加呈单调上升趋势(图4b)。模具的壁厚改变了熔体在型腔内的传热条件及状态，因此改变了流动性，进一步证明了工艺参数与合金设计之间存在耦合关系。

合金成分会改变熔体的黏度、潜热、表面张力以及凝固区间等性质，从而影响压铸条件下铝合金的流动性。以Al-Si合金为例，Si含量增加会改变凝固方式并影响潜热释放，从而改变流动性，而Mg、Cu等元素往往通过扩大凝固区间或形成第二相(如Mg2Si)而降低流动性，Fe含量的增加通常会使流动性下降，但可通过Mn的加入改变金属间化合物形态而部分缓解。稀土元素(如Ce、La)和晶粒细化元素(如Ti、Sc、Zr)对流动性的影响较为复杂，一般表现为在低含量时促进流动性，而在含量过高时由于形成粗大第二相或增加固相颗粒而降低流动性。此外，晶粒细化、共晶组织改性(如Sr、Ca)以及凝固行为的改变也会通过影响枝晶连通点和凝固区间间接改变流动性。因此，合金成分对流动性的影响具有明显的多因素耦合特征，需要综合考虑不同元素及其相互作用。

综上所述，现有研究主要通过实验方法评估不同工艺条件和合金成分下压铸铝合金的流动性能。大量实验结果表明，模具几何结构、浇口速率、模具温度、熔体过热度以及增压压力等工艺参数共同决定了合金在型腔中的流动距离。然而，需要指出的是，实验测得的流动长度本质上反映的是压铸过程中流动与凝固耦合行为的综合结果，其形成与微观组织的演化密切相关。随着充型过程的进行，固相分数的增长、枝晶网络的形成、初生α-Al晶粒形态以及共晶组织的空间分布会改变半固态浆料的流变行为，从而影响熔体流动阻力，并进一步控制孔洞形成、共晶偏析及最终的流动停止过程。因此，仅从变量角度分析难以全面揭示压铸流动性差异的本质机制，有必要从微观组织演化角度进行深入研究。基于此，下一章节将重点讨论压铸条件下的典型微观组织特征，系统分析其形成与演化机制，并进一步阐明工艺参数对组织演化的影响。（未完待续）