胡 南，蘇 勇，陸良宇

合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009

十九世紀以來，隨著科學技術的高速發(fā)展，金屬材料的消耗與日俱增，傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)資源的日益枯竭及世界能源與環(huán)境等問題的日益突出，因此對材料的使用提出了更高的要求．鎂合金因在輕量性、比強度、比剛度、導熱導電性、阻尼減震性、加工成型性、電磁屏蔽性及可回收性等方面具有獨特的優(yōu)勢，受到了越來越多的關注，而廣泛應用于航空、軍事、交通及3C領域中[1-3]．由于雷達外殼在整個雷達系統(tǒng)中占有重要位置，其質量的好壞直接影響著信號探測的靈敏度．選用AE44稀土鎂合金做雷達外殼材料，在起到輕量化作用的同時，其優(yōu)異的強度和韌性可滿足雷達外殼的工作要求．

1 試驗部分

1.1 試 樣

試樣為雷達外殼，其原料為AE44鎂合金，成分列于表1．

表1 AE44合金的化學成分

用3550 t大型鎂合金熱室壓鑄設備，澆注AE44鎂合金雷達外殼壓鑄件．雷達外殼為八邊形復雜薄壁件，邊長為330 mm，凸起圓臺最大外緣直徑720 mm，最大壁厚5 mm，最小壁厚3 mm，表面凸起圓臺和加強筋較多，零件三維模型如圖1所示．

圖1 雷達外殼三維模型(a)上表面；(b)下表面Fig.1 Radar shell 3D model(a) upper surface；(b)under surface

1.2 試驗方案

由于鑄件結構較復雜，生產(chǎn)工藝參數(shù)若把握不精確，會造成鑄件表面缺陷較多，主要出現(xiàn)澆注不足、裂紋和變形等缺陷．缺陷主要出現(xiàn)在鑄件加強筋處，通過切取鑄件缺陷易產(chǎn)生的同一部位本體試樣，來研究工藝參數(shù)對其組織和性能的影響．

采用正交試驗研究澆注溫度、模具溫度及壓射速率三個工藝參數(shù)對AE44鎂合金雷達外殼壓鑄件力學性能的影響，因素和水平的選取如表2所示．

表2 因素和水平

1.3 儀 器

用型號為XRF-1800X的射線熒光光譜儀，對AE44雷達外殼本體試樣進行元素定量分析；用型號為HB-3000B布氏硬度計，測試AE44雷達外殼的宏觀硬度；用型號為CMT5105電子萬能試驗機，測試試樣的拉伸性能；用型號為MR2000型金相顯微鏡，觀察試樣的顯微組織；用型號為D/MAX2500V的X射線衍射儀，對試樣的物相組成進行分析；用型號為JSM-6490LV掃描電子顯微鏡拍試樣掃描照片，并且用與之匹配的INCA能譜儀對相應位置進行成分定性和定量分析．

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

表3為試樣力學性能正交試驗結果．由表3可知：各因素影響順序為澆注溫度>壓射速率>模具溫度，其中澆注溫度(所選溫度范圍內)對試驗結果影響最大，模具溫度(所選溫度范圍內)對試驗結果影響最??；A2B1C2方案是最佳的工藝方案，即澆注溫度為680 ℃、模具溫度為180 ℃、壓射速率為3.5 m/s，此時試樣的力學性能最佳，抗拉強度達到235 MPa、延伸率達到5.25%、硬度為81.3 HBS．

表3 正交試驗結果

續(xù)表3

2.2 工藝參數(shù)對雷達外殼壓鑄件組織及性能的影響

在正交試驗優(yōu)化的基礎上，通過固定兩個工藝參數(shù)在最佳水平，研究另一個參數(shù)對AE44鎂合金雷達外殼組織和性能的影響．

2.2.1 澆注溫度

在模具溫度為180 ℃，壓射速率在3.5 m/s的條件下，研究澆注溫度對外殼的顯微組織及力學性能的影響．

圖2為不同澆注溫度下雷達外殼試樣的顯微組織．從圖2可見，當澆注溫度處于660 ℃時，合金顯微組織呈現(xiàn)較多的樹枝晶，晶粒大小不均勻；當溫度處于680 ℃時，樹枝晶明顯減少，晶粒變得細小、圓整，并且無組織缺陷；當溫度達到700 ℃時，晶粒變得粗大，并且出現(xiàn)嚴重的縮孔．分析其原因，澆注溫度過低不利于充型，易產(chǎn)生冷隔、充型不滿等缺陷；而當澆注溫度過高時，易產(chǎn)生飛濺、毛刺，以及在壓鑄件內形成嚴重的縮孔、疏松等缺陷．

圖2 澆注溫度對外殼顯微組織的影響(a)660 ℃；(b)680 ℃；(c)700 ℃Fig.2 Effect of casting temperature on microstructure of the shell

圖3為澆注溫度對外殼力學性能的影響．從圖3可見，當澆注溫度為660～680 ℃時，隨著澆注溫度的升高，試樣抗拉強度、表面硬度和伸長率均得到明顯地提高；當澆注溫度高于680 ℃時，其各項力學性能指標均降低．分析其原因，在保證壓鑄成形的澆注溫度下，隨著澆注溫度的升高，合金的流動性增強，易于獲得較好的力學性能；而當澆注溫度過高時易出現(xiàn)缺陷，并且加重對壓鑄型的熱沖擊[4]，從而降低了鑄件的力學性能，使鑄件質量惡化．綜合考慮，雷達外殼壓鑄件澆注溫度為680 ℃較為適宜．

圖3 澆注溫度對外殼力學性能的影響(a)抗拉強度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.3 Effect of casting temperature on mechanical properties of the shell

2.2.2 模具溫度

在澆注溫度為680 ℃、壓射速率為3.5 m/s 條件下，研究模具溫度對外殼的顯微組織及力學性能的影響．圖4為不同模具溫度下雷達外殼試樣的顯微組織．從圖4可見，當模具溫度較低時，由于冷速過快，使壓鑄件表面快速凝固而形成激冷層，出現(xiàn)表面細晶區(qū)；溫度達到200 ℃時，晶粒變得均勻細小、圓整；當模具溫度達到220 ℃時，液態(tài)金屬冷卻變慢，使溫度梯度變平緩而形成粗晶區(qū)[5]．

圖4 模具溫度對外殼顯微組織的影響(a)180 ℃ ；(b)200 ℃；(c)220 ℃Fig.4 Effect of mold temperature on microstructure of the shell

圖5為模具溫度對外殼的力學性能影響．從圖5可見：當模具溫度為180～200 ℃時，隨著模具溫度的升高，抗拉強度和伸長率明顯得到提高，而硬度卻下降；當模具溫度超過200 ℃時，各項力學性能指標均開始下降．分析其原因，由于模具溫度直接影響著模具的激冷能力，溫度較低時會使壓鑄件表面冷速過快，形成薄層等軸晶粒區(qū)，故硬度較高；而當模具溫度過高時，激冷效果度差，硬度下降，同時也增大鑄件和模具之間的粘著力，難于脫模，易造成粘模拉傷，進而降低鑄件力學性能．考慮試驗規(guī)模及設備誤差，在試驗可選溫度范圍內選擇模具溫度為200 ℃較適宜．

2.2.3 壓射速率

在澆注溫度為680 ℃、模具溫度為200 ℃條件下，研究壓射速率對外殼的顯微組織及力學性能的影響．

圖6為不同壓射速率下雷達外殼試樣的顯微組織．從圖6可見：壓射速率較高時，可以提高試樣組織致密度、細化晶粒，使得晶粒均勻圓整；但壓射速率過高時，則會使氣孔率增加．

圖5 模具溫度對外殼力學性能的影響(a)抗拉強度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.5 Effect of mold temperature on the mechanical properties of the shell

圖6 壓射速率對外殼組織性能的影響(a)3.0 m/s；(b)3.5 m/s；(c)4.0 m/sFig.6 Effect of injection speed on the microstructure of the shell structure

圖7為澆注溫度680 ℃、模具溫度200 ℃時，壓射速率對外殼力學性能的影響．從圖7可見：壓射速率由3.0 m/s升到3.5 m/s時，試樣力學性能得到明顯提高；壓射速率超過3.5 m/s時，各力學性能指標突然下降．分析其原因，這是由于較高的壓射速率可以消除鑄件內部大量的縮松縮孔、氣孔等缺陷，從而提高試樣組織的致密度，進而使試樣的力學性能提高；而壓射速率過高時，則會導致壓鑄過程中卷氣現(xiàn)象嚴重，使氣孔率增加，從而降低了外殼壓鑄件的力學性能．綜合考慮，雷達外殼壓鑄件的壓射速率在3.5 m/s較為適宜．

圖7 壓射速率對外殼力學性能的影響(a)抗拉強度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.7 Effect of injection rate on the mechanical properties of the shell

綜上所述，當澆注溫度680 ℃、模具溫度200 ℃、壓射速率3.5 m/s時，AE44鎂合金雷達外殼壓鑄件力學性能與組織最佳，其中σb為245 MPa，δ為5.48%，硬度值為79.6HBS．

2.3 物相分析

圖8為最佳參數(shù)下制備的雷達外殼壓鑄件本體試樣的XRD圖．從圖8可以看出， AE44鎂合金由三個相組成，分別為α-Mg相、Al2RE相和Al11RE3相，其中Al11RE3相出現(xiàn)的峰最少，表明在組織中其含量較低．

圖9為最佳參數(shù)下制備的雷達外殼壓鑄件不同位置本體試樣的掃描照片．從圖9可見，通過能譜分析，合金組織析出相主要是Al2RE相和Al11RE3相，其中亮白色顆粒和亮白色棒狀顆粒為Al2RE相，而且含量較多，亮白色針狀顆粒為Al11RE3相[6-7]．XRD分析結果與能譜分析結果相一致，這些鋁稀土相具有熔點高、硬度大的特點，可有效地阻礙晶界滑動與裂紋擴展，大大地提高了合金力學性能．

圖8 最佳參數(shù)下所制備試樣的XRD圖Fig.8 XRD pattern of the sample prepared under the optimal parameters

3 結 論

(1)澆注溫度在660～680 ℃時，隨著澆注溫度的升高，樹枝晶減少，晶粒變得均勻圓整，各力學性能指標均得到提高；澆注溫度高于680 ℃時，晶粒逐漸變得粗大，出現(xiàn)嚴重縮孔，力學性能也隨之下降．雷達外殼壓鑄件最佳的澆注溫度為680 ℃．

(2)模具溫度在180～200 ℃時，模具溫度較低，靠近模具壁的薄層金屬液產(chǎn)生極大的過冷度，使壓鑄件表面快速凝固，形成薄層等軸晶粒區(qū)，試樣力學性能較好；模具溫度超過200 ℃時，激冷效果降低，硬度下降幅度增大，試樣的力學性能隨之下降．雷達外殼壓鑄件最佳的模具溫度為200 ℃．

(3)壓射速率在3.0～3.5 m/s時，隨著壓射速率的提高，鑄件內縮松縮孔、氣孔等缺陷大大減少，從而提高了組織致密度和力學性能；壓射速率超過3.5 m/s時，壓鑄過程中卷氣現(xiàn)象嚴重，增加了氣孔率，降低了鑄件質量．雷達外殼壓鑄件最佳壓射速率為3.5 m/s．

(4)AE44合金組織主要由α-Mg和Al2RE相、Al11RE3相組成，其中亮白色顆粒與亮白色棒狀顆粒為Al2RE相，亮白色針狀顆粒為Al11RE3相，鋁稀土相的存在能有效阻礙晶界滑動與裂紋擴展，從而提高合金的力學性能．