Al-Si合金具有比强度高、导热性好、耐磨损以及易回收利用等特点，在汽车部件制造领域应用广泛。AlSi10MnMg合金因其良好的延展性和铸造成形性能，在压铸过程中不易产生气孔和缩松缺陷，已广泛应用于车身结构件的生产［1-5］。近年来，以特斯拉Model-Y车型后底板为代表的超大型车身结构件推向市场，标志着一体化压铸在新能源汽车制造革命中的重要地位。但是一体化压铸件投影面积巨大，壁厚较薄，在加热过程中极易出现气泡、变形等问题，无法通过常规的热处理工艺优化力学性能。为了避免热处理对压铸件产生的负面影响，同时满足零部件对材料性能的要求，研发高强韧免热处理的压铸铝合金已经成为行业研究的热点［6-9］。目前，利用真空压铸工艺，并通过微合金化，AlSi10MnMg合金压铸件可获得较为理想的强度，但是其塑性提升困难。主要是料筒内壁上生成粗大的预结晶晶粒（Externally solidified crystals，ESCs）伴随压射过程进入型腔。ESCs周围聚集缩松等缺陷，显著降低压铸件的伸长率。晶粒细化剂是变形铝合金控制凝固组织的重要手段，细化剂中含有大量的TiB2粒子，可作为α-Al的形核质点促进形核，降低晶粒尺寸，提高材料性能［10-12］。本研究利用真空高压压铸工艺，考察了TiB2颗粒对AlSi10MnMg合金压铸件组织和性能的影响，以期为高强韧免热处理铝合金及车身结构件一体化压铸技术的开发提供参考。1试验材料与方法TiB2以瓷刚铝压铸细化剂（CGL-TB42，TiB2质量分数为6%，下同）的方式引入熔体，其化学成分见表1。以AlSi10MnMg合金重熔锭为原料进行压铸生产。采用ICP光谱分析对AlSi10MnMg合金成分进行检测，结果见表2。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.T001表1CGL-TB42细化剂的化学成分Tab.2Chemical composition of the CGL-TB42 grain refinerswBTiBFeSiAl4.191.850.1650.127余量%10.15980/j.tzzz.2024.01.009.T002表2AlSi10MnMg合金的化学成分Tab.2Chemical composition of AlSi10MnMg alloywBSiFeTiCuMnMgZnAl10.520.140.080.010.560.200.01余量%在熔炼过程中，将AlSi10MnMg重熔锭放入浇包中并升温至780 ℃，保温直至完全熔化。随后将相当于熔体总质量0.1%、0.3%、0.5%和1%的CGL-TB42细化剂加入到铝液中，待细化剂完全浸没后保温30 min。随后对熔体进行旋转喷吹除气，降低熔体中氢含量。待熔体温度降至680 ℃时，采用3 500 kN卧式冷室压铸机进行压铸生产，压铸工艺参数见表3。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.T003表3压铸工艺参数Tab.3HPDC processing parameters浇注温度/℃模具温度/℃一级速度/(m·s-1)二级速度/(m·s-1)铸造压力/MPa真空度/Pa680~700180~2000.23.0909 000添加CGL-TB42细化剂含量分别为0、0.1%、0.3%、0.5%和1%的AlSi10MnM合金配比见表4。对应合金中TiB2含量分别为0、0.006%、0.018%、0.03%和0.06%。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.T004表4TiB2-AlSi10MnMg复合材料成分配比Tab.4Proportion of TiB2-AlSi10MnMg composites序号wBCGL-TB42TiB2AlSi10MnMg100余量20.10.006余量30.30.018余量40.50.030余量51.00.060余量%图1为某支架产品压铸件取样位置及拉伸试样示意图。采用WDW-50E电子万能试验机进行拉伸性能测试，拉伸速率为10 mm/min，每组测试3个试样，取其平均值；对不同TiB2含量的铸件线切割制备尺寸为12 mm×12 mm×2 mm的正方形金相试样，砂纸打磨抛光，借助OLYMPUS GX51光学显微镜观测组织形貌；使用D8 Advance X射线衍射仪（XRD）分析合金中的物相，辐射条件为Cu-Kα射线，扫描范围为20°~80°，扫描速度为4（°）/min；选择配有Ultim Max能谱仪（EDS）的HITACHI SU5000热场发射扫描电镜（SEM）分析显微组织和拉伸断口形貌。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F001图1压铸件取样位置及拉伸试样尺寸示意图Fig.1Sampling location of die castings and dimension of tensile specimen2试验结果与分析2.1TiB2对AlSi10MnMg合金组织的影响图2为CGL-TB42细化剂的TEM形貌及标定。选区电子衍射的结果表明，电子束平行于TiB2的［101¯1］晶带轴入射，各衍射斑的标定结果见图2b。图2c为TiB2颗粒与Al基体之间界面的高分辨图像，可以看出界面清晰干净，已形成良好的冶金结合。结合元素分析确定图2d为试样中的纳米TiB2颗粒，其形状特征为六边形。TEM结果表明，细化剂中的TiB2颗粒分为亚微米级和纳米级，所有颗粒发育完整，其与Al基体之间界面结合良好。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F002图2CGL-TB42细化剂的TEM形貌及标定Fig.2TEM morphologies and calibration of CGL-TB42 grain refiner图3为试样的X射线衍射图谱。可以看到，AlSi10MnMg组织主要由Al、Si、Mg2Si、Mn6Si和Al2FeSi相组成。引入TiB2颗粒后，AlSi10MnMg合金的衍射谱峰位并未发生明显变化，这是由于加入的TiB2颗粒添加量较少，尚不足以从XRD图谱上鉴别。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F003图3不同TiB2加入量下AlSi10MnMg合金压铸件的X射线衍射图谱Fig.3XRD patterns of AlSi10MnMg alloy die-castings with different TiB2 contents图4为不同TiB2添加量的AlSi10MnMg合金的金相组织（OM）。从图4a可以看到，组织中较多粗大树枝状、棒状的预结晶组织（ESCs）、细小的球状α-Al相以及呈暗黑色细密的Al-Si共晶相。这是由于在高压压铸过程中，熔体接触到温度较低的料筒内壁，相应的固相率逐渐增加，由于料筒壁至中心温度梯度较高，沿料筒壁生长为粗大的树枝晶，在压射冲头的作用下这些树枝晶进入型腔，最终凝固成为ESCs［13-16］。从图4b可见粗大树枝状、棒状预结晶组织明显减少；当TiB2添加量为0.018%时（见图4c），粗大树枝状ESCs转变为尺寸细小、形状圆润的椭球状ESCs相，细化效果显著。这是由于TiB2颗粒的引入提供了大量的形核质点，改善了铝合金熔体在料筒内的凝固行为，抑制了料筒壁上预结晶树枝晶的粗化。进一步增加TiB2含量，铸件预结晶组织尺寸增大，其数量也随之增多，但未发现树枝状结晶组织，见图4d和图4e。导致该现象的原因为TiB2颗粒尺寸小、比表面积大，团聚体数量增多，晶粒细化作用下降［17-19］。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F004图4不同TiB2含量的AlSi10MnMg合金的OM组织照片Fig.4OM images of AlSi10MnMg alloy with different TiB2 contents图5为不同TiB2含量的AlSi10MnMg合金的SEM图。可以看到，未添加TiB2颗粒时，合金中的共晶Si相呈细长板条状，结合EDS对白色的金属间化合物进行成分分析，确定其为粗大不规则状和细小颗粒状两种形态的FeMnSi富Fe相，粗大的FeMnSi富Fe相对AlSi10MnMg合金组织产生割裂作用，降低了材料的力学性能。随着TiB2含量增加，合金中粗大富Fe相颗粒尺寸逐步减小，当TiB2的添加量为0.018%时，富Fe相平均尺寸最小，且其形状也更加规则，这是由于在凝固过程中，引入的TiB2颗粒可作为富Fe相的形核质点，促进了富Fe相的非均匀形核，从而有效细化了富Fe相的尺寸［20-22］。当TiB2含量进一步提高至0.06%时，由于颗粒的团聚，细化作用下降，析出相又由均匀片状转变为细小针状，割裂了基体，降低了合金的强度和塑性。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F005图5不同TiB2含量的AlSi10MnMg合金的SEM图像Fig.5SEM images of AlSi10MnMg alloy with different TiB2 contents2.2TiB2对AlSi10MnMg合金性能的影响图6为不同TiB2含量下AlSi10MnMg合金的力学性能，其中虚横线代表的是支架压铸件性能要求，即屈服强度大于120 MPa，抗拉强度大于250 MPa，伸长率大于5%。未添加细化剂时，合金的屈服强度、抗拉强度分别为152.4 MPa和265.8 MPa，伸长率为3.1%，其中伸长率数值较低，不能满足性能要求。当TiB2含量增加至0.018%时，材料的综合性能优良，此时压铸件的屈服强度、抗拉强度分别为160.5 MPa、296.3 MPa，伸长率为6.7%。这是由于TiB2颗粒增加了形核质点，降低了合金ESCs的尺寸；同时，合金中的FeMnSi富Fe相尺寸细化，形状规整，同步改善了材料的强度以及塑性［23-25］，当TiB2含量进一步升高至0.06%时，通过观察合金的SEM组织发现，铸件中的ESCs尺寸增加，且析出的富Fe相形状变得不规则，降低了基体的连续性，使得合金的强度和伸长率有所下降。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F006图6不同TiB2含量下AlSi10MnMg合金的力学性能Fig.6Mechanical properties of AlSi10MnMg alloy with different TiB2 contents图7为不同TiB2含量的AlSi10MnMg合金的拉伸断口形貌。可以看到未添加细化剂时，明显的撕裂棱和沿晶断裂面，表现为脆性断裂，当TiB2含量为0.006%时，在断口上依然可以看到许多沿晶断裂面和裂纹，此时仍保留脆性断裂的主要特征。随着TiB2含量增加，断裂机理发生变化，当TiB2含量为0.018%时，在断口处可以看到细密的韧窝以及较少的撕裂棱（见图7c），表明此时主要为韧脆混合断裂。进一步增加TiB2含量，发现韧窝数量逐渐减少，断口上再次出现大而密的撕裂棱以及裂纹，合金的断裂又回归为脆性断裂主导（见图7e）。10.15980/j.tzzz.2024.01.009.F007图7不同TiB2含量下AlSi10MnMg合金的拉伸断口形貌Fig.7Tensile fracture morphologies of AlSi10MnMg alloy with different TiB2 contents3结 论（1）添加适量的TiB2可以细化AlSi10MnMg薄壁压铸件的ESCs尺寸，改善富Fe相的尺寸及形貌；随着TiB2含量增加，合金中的ESCs以及析出的富Fe相的尺寸先降低后增加，当CGL-TB42细化剂添加量为合金的0.3%，即TiB2含量为0.018%时，合金中初生ESCs相以及富Fe相尺寸最小，组织优化效果显著。（2）添加适量的TiB2可以显著改善AlSi10MnMg薄壁压铸件的力学性能。随着TiB2含量增加，屈服强度、抗拉强度以及伸长率均呈现先升高后降低的趋势。当CGL-TB42细化剂添加量为0.3%时，即TiB2含量为0.018%时，合金的屈服强度和抗拉强度分别达到160.53 MPa和296.34 MPa，伸长率为6.7%，与未添加TiB2的AlSi10MnMg合金相比分别提高了5.3%、11.5%和115.9%。