图1(a)为新设计的压铸铸件图．该压铸件从左到右依次包含一个标准的拉伸试棒、拉伸试片、热裂镶块、阶梯镶块和阶梯上方的流动镶块，它不仅可以测试合金的标准力学性能，还可以测试合金的抗热裂能力和流动性。
本实验中采用TOYOBD-350V5压铸机，在真空方面配套VCSU-15真空设备。将AlSi10MnMg合金铸锭添加到熔炼炉中，加热到700～720℃温度区间。熔化后，保温一段时间再进行除气扒渣，降温至680℃开始压铸实验．表2列出了本次压铸实验采用的3种工艺参数.为了防止冲头运动前端受浇料口的影响，设置了多级低速速度，当冲头行程在80～270mm的位置时，真空压铸工艺和高真空压铸工艺的低速速度分别设置为0.15m/s和0.05m/s．同时，为了检验改进直浇道对ESC破碎弥散的效果，本实验中采用较低的高速速度1.5m/s。
图2(a)为真空压铸和高真空压铸冲头运动行程对比图．从图中可以看出，在多级低速下，真空压铸冲头运动时间为1.83s，高真空压铸冲头运动时间为3.92s，二者相差2.09s．这个差别为高真空压铸提供了更多抽真空的时间，但液体在压室中停留时间的增加会导致ESC含量的增大。
图2(b)为真空压铸和高真空压铸有效真空度与有效真空时间的对比图。有效真空度是指金属液充型前型腔的真空度，其为真空压力与压铸机油缸压力的交点。由图可知:真空压铸的有效真空度为25kPa，有效真空时间为0.7s;而高真空压铸的有效真空度为9.5kPa，有效真空时间高达1.9s，真空效果极佳。综上可知，第3种工艺弯折浇道高真空压铸可达到保持高真空且破碎弥散ESC的目的。
(a)—冲头运动行程;(b)—有效真空度和有效真空时间。
为观察铸件中孔隙率，采用纳米电子计算机断层扫描进行无损检测压铸件中的孔隙率，并还原孔洞的三维形貌．实验中采用的工作电压和电流分别设置为100kV和110μA，分辨率设置为3μm。先使用标号200#～3000#水砂纸对选取的压铸试棒进行研磨，然后使用颗粒大小为2.5～0.1μm的金刚石研磨膏进行机械抛光，经超声去垢处理后用于金相(OM)观察。另外，使用Avizo软件进行ESC和孔隙率的统计，同时孔洞的三维形貌也通过Avizo软件呈现出来。
图3为3种压铸工艺下试棒圆截面及沿直径方向放大的组织图．从图3(a)和(b)中可以看出，在真空和高真空的工艺下组织中均有一定量的孔洞分布，表层还存在超过100μm的皮肤层［见图3(d)和(e)］。而在弯折流道高真空压铸工艺下，试棒截面上并没有观察到大尺寸孔洞，表层也未发现皮肤层［见图3(c)和(f)］。表3列出了3种压铸工艺下ESC的面积分数、当量直径和数量对比．在真空压铸下，由于低速速度相对较高，ESC面积分数较低(4.86%)。而在高真空压铸工艺下，由于低速速度相对较低，ESC的面积分数较高(11.06%)。当添加弯折浇道后，ESC的面积分数为10.73%，与高真空压铸工艺相比，ESC的面积分数并没有出现大幅度下降。
表3 3种压铸工艺下的ESC对比
从3种工艺的ESC平均当量直径和数量来看:真空压铸工艺下ESC尺寸最小、数量最少;高真空压铸工艺下ESC平均当量直径最大(25.1μm);当添加弯折浇道后，ESC的平均当量直径降低到了23.8μm，减少了5.18%．此外，在高真空压铸工艺下，添加弯折流道后，ESC数量由509个增至586个，增加了15.13%。
(a)真空压铸;(b)低速速度降低+高真空压铸;(c)弯折浇道+高真空压铸;(d)～(f)—对应的沿直径方向分布。
表4 3种压铸工艺下孔洞特征对比
表4列出了3种压铸工艺下孔洞特征的对比情况．从表中可以发现:在真空压铸和高真空压铸工艺下，试棒的孔隙率高，孔洞的平均当量直径大，大尺寸孔洞数量多;在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，试棒的孔隙率从0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5μm降到了25.5μm，超过100μm大尺寸孔洞的数量也由15降至0。因此，在压铸过程中，高真空工艺下添加弯折流道能够有效降低铸件中的孔隙率，提高铸件的质量。
(a)真空压铸下二维切片;(b)低速速度降低+高真空压铸下二维切片;(c)弯折浇道+高真空压铸下二维切片;(d)～(f)—(a)～(c)对应的三维孔洞分布图
结合表3和图4可以发现，在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，ESC面积分数所受的影响不大，但能够使ESC从表层到心部分布得更加均匀，进而增大枝晶间的补缩效果，并且在高真空状态下，孔隙率大幅降低(见图5和表4)．出现这些现象的原因是弯折浇道可以改变熔体运动轨迹，调控熔体运动速度，使得液流速度在浇道截面积变化的位置上出现骤增或骤减。这样ESC在充型过程中会受到较大的剪切力，一方面可达到破碎ESC的目的，另一方面还可以使ESC分布均匀。对于高真空压铸试棒，由于真空度高，合金中的气孔含量会大幅度降低，然而，熔体在压室中停留时间的增长会导致大量的枝晶状ESC出现．在之前的研究中发现，ESC会在铸件心部富集而形成大尺寸枝晶网络．由于熔体在枝晶网络界面处难以补缩，会引起大尺寸网状缩松的形成，这就成为了铸件断裂的裂纹源．而弯折浇道可以减小ESC尺寸，降低ESC枝晶网络占比，从而改善枝晶间的补缩效果，消除大尺寸网状缩松。
(1)设计弯折浇道来辅助高真空压铸工艺，可使铸件中ESC发生破碎并沿径向分布均匀，这有效降低了铸件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了铸件的质量。
(2)弯折浇道促进了铸件中ESC的均匀分布，而均匀分布的ESC能够大幅度降低孔隙率，使孔隙率从0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除。
本文作者：
东北大学材料科学与工程学院 焦祥祎
东北大学辽宁省轻量化用关键金属结构材料重点实验室 焦祥祎
一汽铸造有限公司 王鹏越、石利军、王成刚
清华大学材料学院 刘亦贤、熊守美
