一体化压铸对新能源汽车大型复杂薄壁RE-Mg合金构件微观组织与力学性能的影响

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effect of integrated die-casting on microstructure and mechanical properties of large-scale complex thin-walled RE-Mg alloy components for new energy vehicles

　　

在本研究中，采用真空辅助高压压铸（vacuum-assisted high-pressure die casting, HPDC）技术制备了一体化RE-Mg合金后地板，用于新能源汽车（new energy vehicles, NEVs）。研究人员研究了该一体化HPDC RE-Mg合金后地板的微观组织演变、力学性能、熔体流动与填充行为之间的关联。铸件各区域主要由细小球形晶粒组成。减震塔/轮罩区域晶粒最细，平均直径为6.363 μm，圆度为0.81。横梁区域晶粒相对较大，平均直径为9.945 μm，圆度为0.77。在RE-Mg合金后地板中，晶界处存在网状Al₃La相，并有少量随机分布的块状La(MnAl₂)₄相。在熔体填充过程中，金属熔体主要以平稳方式流动，在横梁处出现局部熔体汇流现象。平台区域表现出最优的力学性能，抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）为234 MPa，屈服强度（yield strength, YS）为123 MPa，伸长率为11.8%。横梁区域的相应值较低，分别为196 MPa、117 MPa和7.6%。主要的强化贡献来自细晶强化，其次是位错强化。

新能源车用大型一体化压铸RE-Mg合金后地板微观组织与力学性能研究解读

随着新能源汽车对轻量化需求的日益迫切，镁合金因其约1.8 g/cm3的低密度、高比强度和优良阻尼性能，在车身结构件中展现出广阔应用前景。传统制造工艺中，大型车身结构件需由数十个零件经多道焊接工序组装而成，流程复杂且成本较高。真空辅助高压压铸（HPDC）技术结合一体化压铸理念，可将大量离散零件整合为单个大型铸件，实现显著减重和降本。然而，目前针对大型复杂薄壁稀土镁合金一体化压铸件的微观组织演变与力学性能关系的系统性研究仍相对不足。

为此，研究人员采用真空辅助HPDC技术制备了外廓尺寸为1842 mm × 1549 mm × 741 mm、重量为36.7 kg的RE-Mg合金后地板，浇注温度为680 ℃，模具温度为180 ℃。该后地板被划分为平台（A区）、纵梁（B区）、横梁（C区）和轮罩/减震塔（D区）四个区域，分别进行微观组织观察和力学性能测试。结果显示，各区域组织均由细小球形α-Mg晶粒组成，晶界处分布网状Al₃La相和少量块状La(MnAl₂)₄相。D区晶粒最细，平均直径为6.363 μm，圆度0.81；C区晶粒相对较粗，平均直径9.945 μm，圆度0.77。A区力学性能最佳，UTS为234 MPa，YS为123 MPa，伸长率达11.8%；C区UTS为196 MPa，YS为117 MPa，伸长率7.6%。细晶强化为主导强化机制，位错强化次之。该研究证明了大型镁合金一体化压铸件在新能源汽车领域的应用潜力。

关键技术方法方面，研究人员利用X射线荧光（XRF）测定合金成分；采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）配备能谱仪（EDS）、电子探针（EPMA）配备波谱仪（WDS）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）系统表征了微观组织、第二相结构、晶体取向和几何必需位错（GND）密度。拉伸力学性能通过电子万能试验机测试，每个位置至少测试三个试样。此外，采用ProCAST软件对熔体充填和凝固过程进行数值模拟，以揭示填充行为对组织性能的影响。

研究结果主要分为以下几方面：

（1）不同区域的微观组织演变：通过OM和SEM观察发现，各区域晶粒细小均匀，部分位置存在破碎枝晶（即外部凝固晶体ESCs）。晶界处大量层片状第二相呈网状分布，EDS确认其为Al₃La相。统计结果显示，D区晶粒最细，C区因熔体汇流而晶粒较粗。

（2）第二相成分与结构：XRD和TEM分析确定第二相为Al₃La和La(MnAl₂)₄，后者呈块状，具有四方结构，晶格常数a = b = 8.92 ?，c = 5.21 ?。

（3）不同区域的EBSD结果：EBSD测得的晶粒尺寸略大于SEM结果，这是由于SEM中晶界第二相占据一定体积。KAM图显示A区P5局部取向差最大，平均KAM为0.57°，对应GND密度最高，达0.87×10¹⁴/m²，这与A区较高的力学性能相关。

（4）不同区域的力学性能：拉伸测试表明A区综合性能最优，C区P3因熔体汇流出现UTS和伸长率下降，但YS相对稳定。

（5）断口形貌观察：A、B区断口以韧窝为主，呈典型韧性断裂；C区为韧窝和解理面混合断裂；D区P2存在解理面和微缩孔，导致其伸长率降低至7.4%。

在讨论部分，研究人员分析了充型行为和强化机制。数值模拟显示，慢压射阶段熔体在压室中冷却易形成ESCs；高速填充阶段，熔体先填充A区，C区出现湍流和熔体汇流，导致该区域晶粒粗大和缺陷形成。溢流槽可有效收集缺陷和ESCs。强化机制计算表明，细晶强化贡献最大（σ_g为60~79.9 MPa），位错强化次之（σ_d为23.3~37.3 MPa）。由于合金元素在晶界偏聚且Al₃La相呈连续网状分布，固溶强化和第二相强化难以定量评估，未计入计算，这是计算值与实验值存在偏差的主要原因。总体而言，计算YS与实验值吻合较好，证实细晶强化和位错强化为主导机制。

研究结论翻译如下：（1）真空辅助HPDC成功制备了一体化轻量化RE-Mg合金后地板，填充完整且表面质量高，外廓尺寸为1842 mm × 1549 mm × 741 mm，重量36.7 kg。（2）各区域微观组织均由细小的α-Mg晶粒组成，晶界处有网状Al₃La相和少量弥散分布的La(MnAl₂)₄相。轮罩/减震塔区域晶粒细化最显著（6.363 μm，圆度0.81），而横梁因熔体汇流导致晶粒较粗（9.945 μm，圆度0.77）。（3）平台区域力学性能最优（UTS 234 MPa，YS 123 MPa，El 11.8%）。横梁因熔体汇流引起微观组织不均匀，伸长率降低至7.6%。细晶强化为主导强化机制，位错强化次之。