《Journal of Materials Processing Technology》：Model-driven multi-step hot metal gas forming of irregular tubular aluminum components: Physically based simulation and experimental validation
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高压压铸过程中AlSi9MnVZr合金流态结束点后的孔隙演变机制研究。通过同步辐射X射线CT实验和拉格朗日泡状模型（LBM）模拟，揭示了浇注口速度对孔隙形核及扩展的影响规律，定义了流态结束点（flow end）和停止点（stoppage point），提出临界浇注速度概念。研究发现，在临界值附近调控浇注速度可实现高流动性与低孔隙率的协同优化。
何尊年|刘奕贤|万敖翔|王鹏展|卢正达|贾志宏|熊守梅
清华大学材料科学与工程学院，北京100084，中国
摘要
在高压压铸（HPDC）条件下，流动后期会形成大量的孔隙，这显著恶化了铸件的机械性能。由于实验的精度和复杂性，通过3D重建观察这些孔隙的演变具有挑战性。在这项工作中，发现流动末端出现了层状孔洞形成现象，并伴随着AlSi9MnVZr合金微观结构的显著变化。基于此，定义了流动末端的长度。研究了在不同浇口速度下层状孔洞形成后的孔隙演变情况。采用基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的仿真框架，模拟了不同雷诺数（Re）和有效流动截面下铸件流动末端区域的流动行为，结果与实验观察结果一致。通过引入临界浇口速度和停止点的概念，讨论了不同浇口速度下流动性和机械性能的变化。这些发现建立了流动末端孔隙演变的机制，并强调了超过临界值后提高浇口速度的有限效益。研究结果表明，保持浇口速度接近临界值可以实现高流动性和降低流动末端的孔隙率。
引言
集成压铸是高压压铸（HPDC）技术的一种改进，它能够在一步中形成大型部件，而无需额外焊接[1]。这项技术降低了制造成本，同时也减轻了部件的整体重量。其在电动汽车中的应用减少了重量并延长了行驶里程[2]、[3]。使用这种工艺可以生产更多的部件，如前置发动机舱、后部底盘、电动驱动外壳和电机外壳。然而，通过集成压铸制造的部件通常具有较低的产量率，并且沿流动方向的机械性能不均匀[4]，这阻碍了其大规模应用。在HPDC过程中，亚共晶Al-Si合金通常在表面附近形成细晶区域，在中心形成缺陷带和外部凝固晶体（ESC）区域[5]、[6]。在亚共晶Al-Si合金中，缺陷带是富Si区域，在流动后期被认为是孔隙丰富的区域，这将降低铸件的机械性能[7]、[8]。调整浇口速度[9]和合金成分[10]可以改善总流动长度，并影响流动后期的孔隙分布。作为一种新开发的用于HPDC的亚共晶Al-Si合金，AlSi9MnVZr保持了高机械性能，特别是延伸率（EL），同时保持了高流动性。进一步优化工艺参数有望实现流动性和机械性能的精确控制，扩大其在大型集成压铸件中的应用，并为理解HPDC条件下Al合金沿流动方向缺陷的演变提供实验依据。
“有效流动长度”[4]的概念为流动性与机械性能之间的关联提供了新的框架。沿流动方向，机械性能在中期流动阶段显示出延伸率的显著降低和极限抗拉强度（UTS）的轻微下降。因此，有效流动长度被定义为机械性能急剧恶化的前距离，在当前实验中仅约为总流动长度的一半。延伸率的下降是由于流动后期孔隙率的增加[11]。虽然机械性能测试可以反映缺陷密度，但它对采样位置非常敏感，且需要复杂的采样和测试程序，特别是对于大型铸件。此外，不同合金可能表现出不同的有效流动长度，这突显了需要一种快速且广泛适用的实验标准来识别不同合金铸件中孔隙率升高的区域。在HPDC中，孔隙主要由气孔、缩孔和缩孔腔组成。气孔是由于熔体卷入造成的[12]，而缩孔和缩孔腔则是由于凝固过程中进料不足造成的[13]。在HPDC过程中，孔隙主要在缺陷带内积累。缺陷带内孔隙的形成主要归因于两个因素[14]：首先，膨胀变形导致液相分流不足，为气泡的膨胀提供了空间，并在氢扩散作用下促进了它们的生长[15]；其次，进料不足导致局部收缩和热传递受限，从而形成了缩孔和缩孔腔。
强化压力和壁厚影响进料能力[16]。然而，在薄壁铸件中，壁厚通常固定约为3毫米，增加强化压力主要减少了浇口附近的孔隙率，但在流动方向上的效果有限。由于HPDC涉及大量的工艺参数，优化这些参数以实现良好的流动性和沿流动长度的均匀机械性能仍然是一个重大挑战。作为控制流动性的最关键参数之一，浇口速度具有很大的潜力来解决这个问题。然而，这并不意味着提高浇口速度会同时改善流动性和机械性能。较高的浇口速度可能会以雾状形式卷入气体，导致湍流和飞溅，从而增加孔隙率[9]。在高速强制对流下，马格努斯效应[17]和缺陷带的形成与熔体中的剪切应力密切相关[18]。来自熔体流动或强化压力的剪切应力会导致部分凝固的晶粒网络塌陷，扩大半固态区域，并将剩余熔体注入其中，形成HPDC铸件中的典型缺陷带[19]。在填充过程中，熔体流动轮廓内外的流速和固相分数的变化会导致晶体旋转和破碎，扩大晶界间隙并促进缺陷带内的孔隙聚集[20]。在熔体流动的最后阶段，随着流速的降低，剪切应力也会发生变化。然而，目前还没有直接的实验证据可以证明剪切力的变化会导致孔隙率的变化。
当前研究缺乏通过浇口速度控制同时调节流动性和机械性能的有效策略，需要一个快速的实验标准来识别流动方向上孔隙率显著变化的位置，以确定流动末端（缺陷流动末端）的区域。计算机断层扫描（CT）为此类验证提供了一种有效的实验方法。然而，沿流动方向的孔隙演变尚未系统报道。现有关于浇口速度对流动性和机械性能影响的研究主要是观察性的，缺乏深入的机理解释。需要结合实验和仿真的方法来提供更令人信服的证据，以阐明潜在的机制。预仿真可以在实验前快速筛选合金成分和工艺参数。尽管如此，大多数现有的数值模拟都是基于连续性和纳维-斯托克斯方程[21]、[22]，这些方法计算成本较高。相比之下，格子玻尔兹曼方法（LBM）为模拟高雷诺数（Re）和高剪切率流动提供了一种更快、更准确的替代方案，非常适合HPDC工艺。
在这项工作中，使用了一种新设计的模具来比较不同浇口速度下AlSi9MnVZr合金的流动性，并检查了沿流动方向的机械性能变化。通过多种尺度对孔隙率进行了表征，并使用同步辐射X射线CT来可视化不同浇口速度下流动后期的孔隙演变。此外，还使用基于LBM的仿真程序来模拟从部分发展的湍流到层流的过程，为实验观察结果提供了解释。在此基础上，定义了流动末端、停止点、停止点形成时间和临界浇口速度的概念。这项研究表明，通过适当控制浇口速度可以同时实现高流动性和低孔隙率。此外，还发现了一个之前未报告的孔隙演变过程。结合上述概念，这些发现阐明了HPDC条件下流动末端孔隙演变的机制。
材料制备与分析
实验中使用的三种合金的实际成分列在表1中。对于AlSi9MnVZr合金，添加Si作为第二主要元素以提高流动性。添加Fe主要是为了提高脱模性能，而添加Mn是为了修改由Fe形成的富铁金属间相。添加Ti、Zr和V是为了形成高熔点相，如Al3Zr，作为晶粒细化剂。此外，还添加了0.05 wt%的Sr作为改性剂，以减少层状间距
流动性和机械性能
Al-Si合金的流动性在Si含量约为7 wt%时最低，然后随着接近共晶成分而持续增加[31]。然而，一些研究表明，在HPDC条件下不同Si含量的Al合金的流动性趋势与Ragone测试条件下的结果不同[10]、[32]。通常，提高浇口速度可以为熔融金属提供更高的初始动能，使其能够从浇口更远地流动。流动末端和停止点的定义
在流动后期，孔隙的形态发生了显著变化，这一位置始终位于所有测试浇口速度下的浇口远处。在这个位置，初始的椭圆形层状孔洞在沿流动方向的接下来20毫米内转变为叶片状的缩孔腔，其长度和宽度远大于厚度。在叶片状缩孔腔形成后，样品中心会形成较大的缩孔腔，这显著
结论
本研究系统地利用高分辨率同步辐射CT结合基于LBM的仿真框架，研究了浇口速度与孔隙演变之间的关系。结果提供了HPDC条件下流动末端流动状态的基本见解，并为工艺优化提供了实际指导。研究结果表明，将浇口速度控制在临界浇口速度附近可以实现高流动性，同时有效降低孔隙率
CRediT作者贡献声明
何尊年：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，数据管理，概念化。刘奕贤：概念化。万敖翔：概念化。王鹏展：概念化。卢正达：概念化。贾志宏：验证。熊守梅：撰写 – 审稿与编辑，验证，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFB3404201）和国家自然科学基金（资助编号52175335）的财政支持。作者还感谢上海同步辐射设施的BL13HB光束线在实验和图像处理方面提供的帮助。
