Al-Cu 合金相比于其他铝合金拥有较高的强度、硬度和耐磨性，具有良好的高温和低温力学性能[1-2]。 但Al-Cu 合金的结晶温度范围比较大，铸造性能差，采用常规铸造工艺成形时，铸件易产生缩孔、缩松、裂纹、氧化夹渣等缺陷[3-4]。 与常规压铸件相比，半固态铸造零件组织致密，在经过热处理后能够获得高的力学性能[5-7]。同时，半固态铸造对合金中共晶组织也有细化作用[8-9]。 半固态流变铸造因其工艺流程短，成本低等优势，近年来成为半固态铸造领域的研究热点[10-13]。
Bahl 等[14-15]研究了Cu 含量为6%~9%的Al-Cu系合金， 结果表明Cu 元素可以显著提高合金的强度，但塑性变差，而合金的低周疲劳与Cu 含量没有明显的相关性。 王海波等[16]研究了5%~20%Cu 含量的Al-Cu 合金磨损行为， 研究发现高Cu 含量的试样摩擦系数较大且波动较大，Al-Cu 试样的比磨损率随Cu 含量增加先急剧降低后趋于平缓。 潘志勇[17]对Cu 含量超过10%的半固态组织形成机制进行了研究。 但迄今为止，对流变铸造高Cu 含量铝合金的力学性能、 特别是高温力学性能的研究则鲜有报道。 因此，本文以Al-15Cu 合金为研究对象，采用半固态流变压铸制样并探究其室温和高温力学性能变化规律及机理。
1 实验材料与方法
1.1 压铸实验
研究使用的合金均为本课题组内设备自行熔炼调制而成，熔炼合金所用的原材料为纯度99.7%以上的工业纯Al 和纯Cu (尺寸为φ5 mm×20 mm 的棒材)。合金的熔炼过程为：将铸铁坩埚预热至200 ℃，在坩埚壁上刷涂层，再将纯Al 放入坩埚中，随炉升温至780 ℃，随后加入提前烘干的纯Cu，纯Cu 溶解，保温2 h 以上，以确保Cu 充分扩散，之后降温至720 ℃，对合金熔体进行除气精炼，得到Al-15Cu 合金熔体。
压铸试样均由卧式冷室压铸机(DCC280 型，力劲集团)制备。 压铸采用的压射速度为0.4 m/s，压射比压106 MPa，保压时间5 s。模具预热温度为200 ℃。压铸制备的试样形状及尺寸如图1 所示。 压铸出的A 型力学性能试样(图1a 右边2 个试样)进行拉伸性能测试，拉伸试样的具体尺寸如图1b 所示。
图1 压铸A 型拉伸试样及尺寸：(a)压铸试样图；(b)尺寸
Fig.1 Schematic diagrams of the diecasting and dimensions of the A-type parts：(a)diecasting sample;(b)dimension
将精炼过的Al-15Cu 熔体冷却至650 ℃，转移熔体至可控温型电磁搅拌炉(EMS-05SM 型，石家庄爱迪尔电气有限公司)的石墨坩埚中，该设备主要由电磁搅拌加热炉、升降装置和控制箱3 部分构成，电磁搅拌力来源于加热炉周围的感应线圈， 炉内温度、 电磁搅拌强度和频率等参数可以在控制箱上进行调节。在转移熔体之前，电磁搅拌炉提前加热到600 ℃，转移完熔体后静置冷却，待熔体冷却至620 ℃后，在电磁搅拌(electromagnetic stirrer, EMS)和非电磁搅拌两种条件下， 金属熔体进一步冷却至600~615 ℃，其中电磁搅拌参数为：电磁搅拌频率20 Hz，电磁搅拌时间1 min，电磁搅拌功率4 kW。随后在615、610、605 和600 ℃温度处将熔体倾倒入冷室压铸机压室中，进行压铸，以获得流变压铸试样。
1.2 性能测试及分析
在拉伸试样的夹持端(尺寸较大部位)取10 mm左右的长度进行金相制备， 使用VHX-1000 型激光共聚焦显微镜对其进行组织观察和拍摄， 并利用ImagePro 软件对流变压铸Al-15Cu 合金拉伸试样组织的初生α-Al 平均等效直径D 和形状因子F 进行测定，其计算公式见式(1~2)，形状因子F 的值在0~1 范围内，数字越大，颗粒的形状越接近圆形；为保障数据的准确性，每个试样统计3 张图片。
式中，A 为初生α-Al 晶粒的平均面积，μm2；Pm 为初生α-Al 晶粒的平均周长，μm。
利用阿基米德原理对拉伸试样进行密度测试，计算公式如下：
式中，m1、m2 为拉伸试样在空气中、水中的质量，g；ρ水为水的密度，g/cm3。
拉伸试验在CMT5305 万能试验机上进行， 温度控制设备为MTS 高低温环境试验箱。 对于Al-15Cu流变压铸拉伸试样在室温(25 ℃)下和300 ℃条件下进行拉伸试验。在进行拉伸试验前，试样在高低温环境试验箱达到预定温度后， 需保温15 min 左右[18]。拉伸试验机设置为位移控制，速率为1 mm/min。
2 实验结果及讨论
2.1 流变压铸Al-Cu 合金试样的微观组织
图2 所示为Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样在不同浆料浇注温度下的微观组织， 流变压铸拉伸试样组织主要由尺寸较大的的初生相、 细小的的二次凝固相和暗色的伪共晶组织组成，在未电磁搅拌条件下，初生α-Al 相为非枝晶组织和蔷薇晶；在电磁搅拌条件下，初生α-Al 相为非枝晶、蔷薇晶和近球晶。 此外，在相同浆料浇注温度下，电磁搅拌下的初生α-Al 晶粒尺寸比未电磁搅拌条件下的小。
图2 不同浆料浇注温度下的Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样微观组织：(a)未电磁搅拌-600 ℃；(b)未电磁搅拌-605 ℃；(c)未电磁搅拌-610 ℃；(d)未电磁搅拌-615 ℃；(e)电磁搅拌-600 ℃；(f)电磁搅拌-605 ℃；(g)电磁搅拌-610 ℃；(h)电磁搅拌-615 ℃
Fig.2 Microstructures of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at different slurry temperatures：(a)without EMS-600 ℃;(b)without EMS-605 ℃;(c)without EMS-610 ℃;(d)without EMS-615 ℃;(e)with EMS-600 ℃;(f)with EMS-605 ℃;(g)with EMS-610 ℃;(h)with EMS-615 ℃
图3 为不同浆料浇注温度的Al-Cu 合金流变压铸拉伸试样组织定量分析统计图，图中统计的晶粒尺寸与平均形状因子均为初生α-Al 晶粒。 如图3所示，随着浇注温度由600 ℃增加到615 ℃，电磁搅拌和未电磁搅拌两种条件下的平均晶粒等效直径均减小，电磁搅拌条件下的初生α-Al 晶粒由50 μm降低到23 μm，未电磁搅拌的初生α-Al 晶粒由55 μm降低到30 μm。 此外，在同一浇注温度下，电磁搅拌条件下的晶粒平均形状因子要略高于未电磁搅拌的； 电磁搅拌条件下的平均形状因子在0.46～0.54范围内波动，浇注温度为610 ℃时平均形状因子最大； 未电磁搅拌条件下的平均形状因子在0.41～0.44 范围内波动，随温度变化较小。
图3 不同浇注温度下的Al-Cu 合金流变压铸拉伸试样组织的统计结果
Fig.3 Statistical results of the microstructure of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at different pouring temperatures
在半固态区间内， 浇注温度对于合金的晶粒尺寸有着较大的影响， 而对平均形状因子的影响则不大。温度降低，在半固态浆料内会形成尺寸较大的初生α-Al 晶粒，在浇注过程中，浆料通过浇口时，虽然有一定的剪切力作用， 但是仍有部分较大尺寸的初生α-Al 晶粒未被剪切破碎，进入型腔中并在试样中保留下来。在半固态区间内形成的初生α-Al 在电磁搅拌的作用下，晶粒被打碎、磨圆，初生α-Al 的形状趋于圆整，所以平均形状因子增加，初生α-Al 晶粒尺寸小于未施加电磁搅拌条件下的晶粒尺寸[19-20]。
2.2 流变压铸Al-Cu 拉伸试样的密度
Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样在电磁搅拌和未电磁搅拌2 种条件下的密度与浇注温度关系如图4 所示，由图4 可见，在电磁搅拌条件下，浇注温度由600 ℃增加到610 ℃， 拉伸试样的密度由2.941g/cm3 增加到2.961g/cm3， 当浇注温度由610℃增加到615 ℃时，拉伸试样的密度由2.961 g/cm3 降低到2.942 g/cm3。 未电磁搅拌条件下，拉伸试样的密度变化趋势基本与电磁搅拌条件下的一致，浇注温度由600 ℃增加到610 ℃， 拉伸试样的密度由2.937 g/cm3 增加到2.953 g/cm3， 当浇注温度由610℃增加到615 ℃时，拉伸试样的密度由2.953 g/cm3 降低到2.938 g/cm3。相同浇注温度压铸的拉伸试样，施加电磁搅拌的密度要高于未施加电磁搅拌的试样密度。
图4 Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样密度与浇注温度的关系图
Fig.4 Density of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at various pouring temperatures
压铸试样的密度主要与试样中的孔洞、缩松和浇不足等缺陷有关。 当浇注温度较高时，浆料的流动性较好，在充型过程中，以紊流形式充满型腔，浆料流动过程中容易卷气和吸气，在铸件中形成气孔。当浇注温度较低时，浆料内的固相率较高，浆料的流动性较差，以层流的形式充满型腔；浆料在型腔内凝固过快，在凝固过程中形成的缩孔难以得到补缩，甚至远离浇口的型腔中未能充满浆料， 导致试样中存在着缩松和浇不足的缺陷。
相同浇注温度下， 电磁搅拌条件下的试样密度高于未施加电磁搅拌的主要原因是， 电磁力的作用下，浆料内的尺寸大的晶粒被打碎，分散成细小的晶粒，悬浮在剩余液相中，使浆料保持较好的流动性，同时变形阻力和凝固收缩也减小， 能够有效减少孔洞、缩松和浇不足等缺陷，增加试样的密度。
2.3 流变压铸Al-Cu 拉伸试样常温力学性能
图5 为Al-15Cu 合金在电磁搅拌和未电磁搅拌条件下，流变压铸拉伸试样在不同浇注温度下的力-位移曲线， 与图5 中液态压铸的Al-15Cu 拉伸试样力-位移曲线类似，均在力达到最大值时断裂，在施加电磁搅拌和未施加电磁搅拌条件下， 流变压铸的拉伸试样最大位移量和最大力均优于液态拉伸试样。 此外，在电磁搅拌和未电磁搅拌条件下，不同浇注温度流变压铸的拉伸试样最大力和最大位移量均有所不同。
图5 Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样在不同浇注温度下的力-位移曲线：(a)未电磁搅拌；(b)电磁搅拌
Fig.5 Force-displacement curves of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at various pouring temperatures：(a)without EMS;(b)with EMS
图6 为Al-15Cu 合金拉伸试样在电磁搅拌和未电磁搅拌2 种条件下， 拉伸性能与浇注温度的关系图。 由图6 可知， 电磁搅拌和未电磁搅拌2 种条件下， 拉伸试样的抗拉强度和伸长率随温度变化的趋势一致。在电磁搅拌条件下，浇注温度由600 ℃增加到610 ℃，拉伸试样的抗拉强度由225 MPa 增加到260 MPa，伸长率由1.5%增加到2.0%；当浇注温度由610 ℃增加到615 ℃时，拉伸试样的抗拉强度和伸长率都降低， 分别由260 MPa 和2.0%降低到220 MPa 和1.7%。 Al-15Cu 合金拉伸试样的抗拉强度在220~260 MPa 范围内变化，增幅为18.2%；伸长率在1.5%~2.0%范围内变化，增幅为33.3%。在未电磁搅拌条件下，浇注温度由600 ℃增加到610 ℃，拉伸试样的抗拉强度由214 MPa 提升到242 MPa，伸长率也由1.4%提升至1.7%； 当浇注温度由610 ℃继续增加到615 ℃时，拉伸试样的抗拉强度和伸长率则分别由242 MPa 和1.7%减小至215 MPa 和1.4%。Al-15Cu 合金拉伸试样的抗拉强度在214~242 MPa范围内变化，增幅为13.1%；伸长率在1.4%~1.7%范围内变化，增幅为21.4%。
图6 Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样拉伸性能与浇注温度的关系图
Fig.6 Tensile properties of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at various pouring temperatures
同时，从图6 可以看出，在相同浇注温度下，电磁搅拌条件下制备的拉伸试样的抗拉强度和伸长率要高于未施加电磁搅拌的拉伸试样， 在浇注温度为610 ℃时二者相差最大， 电磁搅拌条件的抗拉强度和伸长率比未施加电磁搅拌的高18 MPa 和0.3%。
2.4 流变压铸Al-Cu 拉伸试样高温力学性能
图7 所示为Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样在不同浇注温度下的高温拉伸力-位移曲线，拉伸温度为300 ℃，图9a~b 分别为未施加电磁搅拌和施加电磁搅拌的力-位移曲线。 相比图5 中常温拉伸力-位移曲线，300 ℃下的力-位移曲线有明显的屈服阶段，在拉伸力达到最大值时，力虽然逐渐衰减，但是并未直接断裂，表现出一定的塑韧性。 另外，由图7可以看出，在相同的温度下，施加电磁搅拌条件下的最大位移量和最大力均要高于未施加电磁搅拌的试样。
图7 Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样在不同浇注温度下的高温拉伸力-位移曲线：(a)未电磁搅拌；(b)电磁搅拌
Fig.7 High temperature force-displacement curves of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at various pouring temperatures：(a)without EMS;(b)with EMS
图8 为浇注温度与拉伸试样的高温拉伸性能关系图。 图中实线为未施加电磁搅拌拉伸试样的伸长率和抗拉强度，虚线为电磁搅拌条件下试样的伸长率和抗拉强度。 由图8 可以看出，拉伸试样在高温拉伸试验下的伸长率和抗拉强度随温度的变化趋势与图6 中所示的常温变化趋势一致。 在未施加电磁搅拌条件下，温度为600 ℃时，拉伸试样的抗拉强度和伸长率分别为106 MPa 和3.60%， 随着浇注温度增加至610 ℃，拉伸试样的抗拉强度和伸长率增加至114 MPa 和5.23%；浇注温度继续增加至615 ℃，试样的抗拉强度和伸长率降低为105 MPa 和5%；在施加电磁搅拌的条件下， 浇注温度从600 ℃增加到610 ℃，抗拉强度和伸长率由108 MPa 和7.34%增加到118 MPa 和8%， 浇注温度继续增加至615 ℃，抗拉强度和伸长率降低为107.5 MPa 和7.40%。
图8 Al-15Cu 合金流变压铸拉伸试样高温拉伸性能与浇注温度的关系图
Fig.8 High temperature tensile properties of tensile samples of the rheo-diecast Al-15Cu alloy at various pouring temperatures
由图8 可以看出，在相同浇注温度下，施加和未施加电磁搅拌的拉伸试样抗拉强度相差不大，差值在2~4 MPa 范围内，2 种条件下的抗拉强度峰值为118 MPa 和114 MPa，相差4 MPa，增幅仅为3.5%。而伸长率则相差较大，施加电磁搅拌的拉伸试样，伸长率在7.30%~8.00%范围内， 未施加电磁搅拌的拉伸试样，伸长率在3.60%~5.23%范围内。施加电磁搅拌和未施加电磁搅拌的伸长率峰值分别为8.00%和5.23%，二者相差2.76%，增幅为52.8%。
上述数据表明， 在施加电磁搅拌和浇注温度为610 ℃时，Al-15Cu 合金压铸件的高温力学性能和常温力学性能均优于其它浇注温度。 由图3 可知，在施加电磁搅拌及浇注温度为610 ℃条件下，试样的晶粒尺寸较小，平均形状系数较高，有利于获得更高的力学性能。 同时，由图4 可知，以上条件下试样密度最高，即试样中存在的孔洞缺陷少于其它浇注温度的试样。 众所周知，孔洞削弱试样承载面积，且在拉应力作用下孔洞有利于裂纹萌生和扩展，导致试样在低应力和低塑性下断裂，所以低的孔隙率下试样可获得高的强度和伸长率。
3 结论
(1)对于流变压铸Al-15Cu 拉伸试样，随着浇注温度从600 ℃增加至615 ℃，初生α-Al 晶粒平均等效直径由55 μm 降低到30 μm，而平均形状系数变化不明显；施加电磁搅拌对初生α-Al 晶粒有一定的细化作用； 在浇注温度为610 ℃， 并施加电磁搅拌时，试样组织的平均形状系数最大。
(2)随着浇注温度的增加，流变压铸Al-15Cu 拉伸试样的密度、 抗拉强度和伸长率都先增加后减小， 施加电磁搅拌对流变拉伸试样的常温力学性能有着不同程度的改善，在浇注温度为610 ℃，施加电磁搅拌条件下，拉伸试样的力学性能最好，密度达2.961 g/cm3，抗拉强度为260 MPa，伸长率为2%。
(3)随着拉伸试验温度的增加，流变压铸Al-15Cu拉伸试样的抗拉强度下降，伸长率上升，高温力学性能最好的为电磁搅拌条件下浇注温度为610 ℃的试样，300 ℃拉伸试验下， 抗拉强度和伸长率分别为118 MPa 和8%。
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