大型薄壁高压压铸铝合金构件微观组织与力学性能的空间异质性研究

为揭示大型薄壁AlSi10MnMg高压压铸(HPDC)构件微观组织梯度与力学性能不均匀性的内在关联，研究人员通过实验表征与数值模拟相结合的方法，系统研究了快速凝固条件下单中心偏析带(~300 μm)的形成机制、外部凝固晶体(ESCs)的应力传递行为及其对断裂模式的影响。研究发现，模具填充过程中的流动分叉导致厚壁区缺陷聚集，而细化ESCs可通过位错介导的应变硬化协同提升延展性，为汽车结构件性能优化提供了新视角。

　　

在能源转型与汽车轻量化战略推动下，高压压铸(HPDC)铝合金因其高比强度、复杂成形能力成为理想结构材料。然而，大型薄壁构件在快速凝固过程中产生的微观组织梯度——包括表层细晶区、亚表层外部凝固晶体(ESCs)和核心偏析带——导致力学性能空间异质性，成为引发构件不可预测失效的"隐形杀手"。传统研究多聚焦于工艺参数优化，对ESCs在应力传递中的双重作用机制认识不足，制约了性能均质化调控。

湖南大学的研究团队以汽车减震塔用AlSi₁₀MnMg合金为研究对象，采用电子背散射衍射(EBSD)原位拉伸、三维X射线断层扫描与计算流体动力学(CFD)模拟相结合的方法，揭示了HPDC构件"三层梯度"结构的形成动力学。研究通过工业级400 mm×500 mm大型薄壁铸件(平均壁厚3 mm)的跨尺度分析，建立了流动-凝固-缺陷-性能的多尺度关联模型。

典型铸件截面微观组织
截面分析显示独特的"河流状"单中心偏析带结构，区别于传统双对称偏析模式。表层为10.7 μm等轴细晶，亚表层过渡为15.4 μm枝晶状ESCs，核心区偏析带富含共晶Si和Al₁₅(Mn,Mo)₃金属间化合物。高分辨成像证实ESCs存在完整枝晶与碎片化两种形态，后者通过位错增殖实现应变协调。

模具填充与缺陷演化
CFD模拟揭示结构加强筋处的熔体分流导致气体裹挟，形成厚壁区孔隙簇。真空辅助使气孔率降低57%，但薄壁几何约束促使熔体前沿汇合形成单一偏析带，其宽度受局部冷却速率梯度控制。

力学性能空间分布
原位EBSD显示ESCs边界在剪切应力下产生界面应力集中，完整枝晶ESCs促进裂纹萌生，而碎片化ESCs通过位错墙形成应变硬化协同效应。力学测试显示屈服强度(200±51 MPa)、抗拉强度(348±68 MPa)和延伸率(8.78±3.81%)的显著空间波动，断裂模式从表层的韧性断裂过渡到偏析区的韧-脆混合断裂。

该研究首次阐明ESCs形态对HPDC合金应变分配的双重影响机制：传统认知中作为弱相的ESCs，通过碎片化重构可转变为应变协调载体。发现薄壁几何约束诱导的单偏析带形成规律，为预测大型构件性能梯度提供了新判据。模具填充模拟与实验的定量对标，建立了工艺-结构-性能的数字化映射关系，对新能源汽车一体化压铸结构开发具有指导价值。研究结果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为通过ESCs形态调控实现强度-延性协同提升提供了理论框架，推动HPDC从经验工艺向可计算制造的转型。