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。

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。

2、压铸件微观组织特征

2.1 三种典型微观组织

压铸件的微观组织通常可从表层至心部分为三个区域：皮肤层(表层细晶区)、缺陷带(共晶偏析区)和ESCs区(压室初生铝富集区)。如图5a和b所示，在光学显微镜下可清晰识别这三种组织特征。

缺陷带呈黑色条带，可作为皮肤层与ESCs区的分界：由缺陷带向表面为皮肤层，向心部则为ESCs区。对于亚共晶Al-Si合金来说，皮肤层由分布于表面的不规则细小等轴晶组成，其晶粒尺寸小于10μm；缺陷带主要由偏析的共晶硅和孔洞构成；而ESCs区主要由在套筒内预先凝固形成的初生α-Al相组成，当量直径为10-50μm。

如图5c-j所示，当熔体与模具壁面接触时，由于温差较大，冷却速率显著提高。同时，模具表面常存在上一行程残留的细小凝固颗粒及润滑剂，这些均可作为形核位点；在较大温度梯度的作用下，进一步促进均匀形核，从而在表层形成大量不规则等轴晶。在缺陷带区域，熔体虽具有较高速率，但同时受到模具壁面约束和ESCs生长的双重影响，已凝固晶体周围的液态金属在剪切力作用下重新分布，并富集于固相分数较低的位置，即缺陷带。

在此区域，由于初生相大量凝固，局部合金成分逐渐接近共晶成分，最终形成富共晶偏析带。该过程普遍发生于壁面下几百微米的范围内，因而形成一条连续的缺陷带。相较之下，ESCs区的形成与熔体在充型前的转移及压铸中的低速阶段密切相关。

在料勺和套筒内，熔体因温度梯度而发生预先形核，这些预凝固枝晶在流动过程中在Magnus效应作用下逐渐向流动中心聚集，并在心部继续长大。由于心部冷却速率低于表层，更容易形成枝晶网络，从而构成ESCs区。

此外，有研究指出，在流动末期，由于卷气和补缩不足，孔隙率会在心部上升，但是也有研究指出在缺陷带也会富集细小的孔洞。Akhtar等研究了AlSi9MnVZr合金壁厚与增压压力对压铸件孔隙缺陷及力学性能的影响，如图6所示。

结果表明，铸件性能受几何尺寸、充型与凝固行为以及压力传递等多因素耦合控制，其中孔隙(缩孔与气孔)是主要缺陷来源。随着壁厚增加，因冷却速率降低和补缩不足，铸件中心更易出现缩孔与疏松，而提高增压压力则能显著降低孔隙率，尤其在薄壁件中效果更为显著。组织观察显示，高增压压力下合金二次枝晶间距减小，组织更加细密。孔隙缺陷显著削弱了拉伸强度和延伸率，高增压压力通过改善致密性和组织均匀性有效提升了力学性能。

孔洞是压铸过程中常见的缺陷之一，尤其在流动末期大量出现，显著削弱铸件的力学性能。图7a-h为基于三维断层扫描重构的AlSi10MnMg合金压铸件断口附近孔洞的分布与形貌。可见，孔洞在裂纹区域密集分布，且从表层至心部孔隙率逐渐升高。进一步放大观察发现，气孔多呈球状，而缩松及缩孔表现为不规则的连续分布。Jiao等指出，集中分布的孔洞可能成为裂纹形核的应力集中源，并为裂纹扩展提供低能量路径，从而导致铸件延伸率大幅下降，如图7i所示。

2.2 缺陷带形成机理

缺陷带是压铸件中特有的一种条带状组织，通常由共晶组织和孔洞组成。在2.1节中已对其形成机理进行了初步说明，本节将进一步探讨其具体的形成过程。事实上，缺陷带在文献中也常被称为“剪切带”“共晶带”或“偏析带”，但均属于同一类组织特征。Gourlay等对偏析带的形成机理进行了研究。由于实际压铸过程高度复杂，难以单独考察某一因素的作用，因此采用实验室条件下的重力铸造来模拟压铸中的半固态充型过程，具体实现分为两步：首先，通过将铝合金熔体在严格控制下进行冷却和机械搅拌，制备出具有特定固相分数(0-0.3)且状态可重复的半固态浆料；随后，将此浆料倒入经过充分预热、一端开口的肘形钢模具中进行重力浇注。通过取消模具涂层等措施，最大程度地模拟了压铸过程中界面快速传热的条件，从而获得与压铸件相似的带状缺陷，如图8所示。在所制备的铸件横截面上普遍观察到沿轮廓分布的深色偏析带以及集中于中心的大尺寸晶粒。组织表征结果表明，偏析带区域的共晶组织含量显著高于周围区域，且常伴随互连的共晶通道与液体分流痕迹。

Bhagavath等针对压铸件微观组织剪切带内气孔与收缩孔的形成机理开展了研究。结果表明，外加载荷在凝固过程中会诱发半固态金属的应变局域化，从而形成富集溶质的剪切带并伴随孔隙缺陷的产生。在高剪切区域，半固态合金发生膨胀性重排，晶间间隙被打开并形成液体充填的剪切带。在这些富液区，气体孔洞快速长大，而在局部压缩区会受到抑制或被挤出，如图9所示。孔隙的迁移和生长受局部应力场及溶质富集的双重控制，且实验结果显示孔隙体积分数与累积体积应变之间呈近似线性关系，即拉伸膨胀越强烈，最终形成的孔隙率越高。

剪切带内孔隙的形成主要归因于两个方面：第一，膨胀性变形导致液相分流不足，为气泡提供扩展空间并促进其在氢扩散作用下长大；第二，局部收缩与传热受限造成的补缩不足，使缩松与缩孔得以生成和发展。

根据控制变量得到的缺陷带位置和宽度结果，缺陷带的形成受模具温度和ESCs体积分数共同调控。当模具温度降低时，缺陷带位置趋向于铸件中心；随着ESCs体积分数增加，原本呈多条模糊带的缺陷逐渐演变为单一清晰带，最终在较高固相分数下消失。基于这些实验现象，枝晶网络局部滑移模型被提出，如图10所示。该模型认为，当熔体沿固化壁层充型时，固相分数梯度和半固态流变行为导致局部枝晶网络在应力作用下发生滑移，进而诱发富集液的渗透与集中，从而形成偏析带。局部滑移与液体富集之间的正反馈作用，使带状缺陷在充型与凝固耦合过程中得以产生。

2.3 工艺参数对组织演化的影响

压铸的工艺参数在改变流动性的同时也改变了微观组织。在低速压射阶段，工艺参数主要影响压室中的流动稳定性以及ESCs的形成。适当提高低速压射速率可以缩短金属液在压室中的停留时间，减少金属液与压室壁的接触冷却，从而降低ESCs的形成数量和尺寸，并减小孔隙缺陷。同时，稳定的波形流动能够减少空气卷入，使ESCs在铸件中的分布更加均匀，从而改善组织均匀性。其机理在于减少金属液在压室中的提前凝固和枝晶形成，并降低气体卷入导致的缺陷生成。

在高速压射阶段，工艺参数主要通过改变充型过程中的剪切作用和湍流程度影响组织演化。随着高速压射速率提高，金属液在内浇口处的流速和剪切应力显著增加，这会破碎并分散ESCs和团聚颗粒，使其更加均匀地分布在基体中，同时增加形核位置，促进晶粒细化。此外，高速充型会增强金属液对模壁的冲刷作用，提高模壁温度并减小金属液与模具之间的温差，从而减小表皮层厚度和激冷晶数量。其机理主要与高剪切作用、湍流混合以及界面传热条件变化有关。

在增压阶段，工艺参数主要影响凝固过程中的补缩行为和孔隙演化，从而间接影响组织结构。提高增压压力能够延长内浇口的凝固时间，使液态金属在凝固过程中持续补缩，从而减少缩孔和气孔缺陷。同时，高压力还可以抑制孔隙扩散与长大，并降低流动方向变化区域的回流现象，使组织更加致密。其机理主要是通过外加压力改变凝固动力学、提高金属液补缩能力并降低孔隙形成概率，从而获得更加致密和均匀的显微组织。

综上研究表明，压铸件沿截面厚度方向通常呈现出明显的组织分区结构，即靠近模壁的皮肤层、中间的缺陷带以及由ESCs主导的心部区域，这些组织特征的形成受局部冷却速率、固相分数梯度、剪切变形以及补缩条件等多种因素的耦合作用控制。尤其在流动末期，半固态金属中枝晶网络的重排与滑移、溶质富集以及液相分流不足会共同促进缺陷带和孔洞的形成，并显著削弱铸件的力学性能。从机理上看，这些组织与缺陷特征不仅是压铸件性能劣化的重要来源，也反映了熔体在流动与凝固耦合过程中的演化路径。微观组织的形成与演变实质上是宏观流动、传热与凝固行为在微观尺度上的综合响应。其中，固相分数的增长决定了熔体流动阻力的演化，枝晶网络的形成与连通影响半固态区域的渗透性，而缺陷带与孔洞的出现则通常标志着流动能力的衰减及最终停止。

基于上述认识，有必要在微观组织机理的基础上进一步建立能够定量描述流动停止条件、凝固时间及流动距离的分析模型。