镁合金作为最轻的结构金属材料，是实现汽车轻量化的核心优选材料，高压压铸（HPDC）则是镁合金零部件的主流成型工艺。AE44 镁合金因添加稀土元素，相比传统 AZ91、AM60 等镁合金，具备更优异的高温强度和抗蠕变性能，成为汽车高温工况零部件的理想选材。但真空辅助高压压铸 AE44 镁合金铸件中易出现双缺陷带特征，直接影响铸件微观组织均匀性与力学性能，其组织特征、形成机理尚未得到系统明确的阐释，成为制约 AE44 镁合金规模化应用的关键问题。
针对这一技术痛点，武汉理工大学联合清华大学科研团队，以真空辅助高压压铸 AE44 镁合金为研究对象，通过光学显微镜、SEM、EDS、EBSD、TEM 等多种表征手段，结合 Anycasting 模拟与 JMatPro 热力学计算，系统剖析了双缺陷带的微观组织特征、相分布规律，并首次明确了表层与心部缺陷带的差异化形成机理，为镁合金压铸缺陷调控、铸件性能提升提供了重要的理论与实验支撑。
1 研究背景
在能源与环保的双重需求下，汽车轻量化成为行业发展核心趋势，镁合金的应用渗透率持续提升。传统 Mg-Al 系镁合金（AZ91、AM60）虽铸造性能优异，但 400K 以上高温强度与抗蠕变性能不足，仅能应用于室温工况。AE44 镁合金（Mg-4Al-4RE）通过添加 Ce、La 等稀土元素，有效改善了高温力学性能，成为发动机支架、变速箱壳体等汽车核心零部件的优选材料。
高压压铸是镁合金铸件的主流成型工艺，真空辅助压铸技术虽能大幅降低铸件气孔缺陷，但缺陷带仍为常见铸造缺陷，这类缺陷沿铸件外轮廓分布，存在溶质偏析特征，会显著降低铸件的力学性能与服役可靠性。现有研究多聚焦于传统 Mg-Al 合金的缺陷带，针对 AE44 这类含稀土镁合金的双缺陷带研究十分匮乏，且缺陷带的形成机理，尤其是双缺陷带的差异化生成原因尚未明确，严重限制了 AE44 镁合金的工艺优化与规模化应用。
为此，本研究通过系统的微观表征与模拟计算，深入探究真空压铸 AE44 镁合金双缺陷带的组织特征、相分布规律，并揭示其形成机理，填补了含稀土镁合金压铸缺陷研究的空白，为镁合金压铸工艺优化、缺陷控制提供了关键依据。
2 试验方案
2.1 试验材料与压铸工艺
本研究以商用 AE44 镁合金为试验材料，通过电感耦合等离子体（ICP）分析得其具体化学成分：
表1 AE44 镁合金化学成分
采用 TOYO BD-350V5 冷室压铸机（带真空系统）制备铸件，核心压铸工艺参数如下：浇注温度 700℃，初始模具温度 180℃，慢压射速度 0.3/0.2 m/s，快压射速度 2.75 m/s，增压压力 13.7MPa。从铸件中选取直径 6.4mm 的拉伸试棒，取其中段与过渡段作为显微组织表征试样。
2.2 表征与模拟方法
采用 ZEISS scope A1 光学显微镜（OM）观察铸件横截面与纵截面整体组织；通过 JSM-IT300 扫描电子显微镜（SEM）结合 EDS 能谱分析相形貌与元素分布；利用 ZEISS MERLIN Compact SEM 进行 EBSD 试验，分析晶粒取向与尺寸分布；通过 FEI Talos F200X 透射电子显微镜（TEM）结合选区电子衍射（SAED）完成物相鉴定；采用 Empyrean X 射线衍射仪（XRD）进行物相分析。采用 Anycasting 软件模拟压铸过程中熔体的充型与凝固行为；通过 JMatPro 软件完成 AE44 与 AZ91D 合金的平衡凝固相变热力学计算，对比分析两者凝固特性差异。
3 主要成果与讨论
3.1 双缺陷带划分与晶粒组织特征
真空压铸 AE44 镁合金铸件横截面观察到明显的双环型缺陷带，据此将横截面划分为五个区域：表层、表层缺陷带、亚表层、心部缺陷带、芯部，各区域晶粒形态与尺寸分布差异显著，且心部缺陷带宽度远大于表层缺陷带（平均宽度 191.3μm vs 31.7μm）。芯部：以粗大的外生凝固晶（ESCs）为主，存在少量缩孔类大尺寸孔洞，是外生凝固晶的主要聚集区域；心部缺陷带与亚表层：分布球形 / 破碎状外生凝固晶，为粗晶与细晶的混合组织；表层缺陷带与表层：无明显外生凝固晶，为均匀细小的等轴晶，多数晶粒尺寸小于 5μm；定量统计：外生凝固晶面积分数从高到低依次为芯部、心部缺陷带、亚表层，表层与表层缺陷带几乎无外生凝固晶。
图 1 铸件横截面双缺陷带 OM 形貌及区域划分示意图
图 2 各区域 EBSD 晶粒取向分布图
3.2 缺陷带为溶质偏析带，无明显孔洞聚集
XRD 与 TEM/SAED 物相鉴定表明，AE44 镁合金的主要物相为 α-Mg 基体，以及两种 Al-RE 金属间化合物：层片状Al₁₁RE₃（体心正交结构）与颗粒状Al₂RE（金刚石立方结构），未发现传统 Mg-Al 合金中的 Mg₁₇Al₁₂相，说明 Al 优先与稀土元素（Ce/La）结合。
SEM-EDS 定量分析显示，表层与心部缺陷带均为溶质正偏析带，其中 Al₁₁RE₃相的面积分数显著高于相邻区域，Al₁₁RE₃相面积分数从高到低依次为：心部缺陷带（17.1%）、表层缺陷带（16.0%）、亚表层（12.3%）、表层（11.0%）、芯部（8.6%）。与传统 AZ91D 镁合金缺陷带不同，AE44 镁合金缺陷带内无明显的孔洞聚集现象，OM 观察到的暗区为 Al-RE 金属间化合物，而非气孔或缩孔，这是 AE44 镁合金缺陷带的重要特征。
图 3 各区域 SEM 形貌及 Al₁₁RE₃相分布特征
3.3 AE44 合金无孔洞聚集的核心原因
通过 JMatPro 热力学计算对比 AE44 与 AZ91D 合金的凝固特性，明确了 AE44 镁合金缺陷带无孔洞聚集的两大核心原因：凝固温度区间更窄：AE44 合金液相线 620℃、固相线 540℃，凝固区间 80℃；而 AZ91D 合金凝固区间更宽，宽凝固区间易导致合金凝固收缩大、枝晶粗大，熔体补缩困难，形成缩孔缺陷，窄凝固区间则有效缓解了这一问题；
金属间化合物析出释放大量潜热：Al 与 RE 的混合焓更负，Al-RE 金属间化合物（Al₁₁RE₃/Al₂RE）析出时释放的潜热远大于 AZ91D 合金中 Mg₁₇Al₁₂相，充足的潜热提升了熔体的补缩能力，减少了缩孔类孔洞的形成。
图 4 AE44 与 AZ91D 合金平衡凝固相变热力学计算曲线
3.4 双缺陷带的差异化形成机理
结合 Anycasting 充型凝固模拟与半固态合金流变行为分析，首次明确表层缺陷带与心部缺陷带的剪切应力来源不同，形成机理存在显著差异，且均与半固态合金受剪切应力导致的晶粒骨架崩塌相关。
半固态合金存在两个临界固相率：枝晶连贯点 fc（0.1-0.4，晶粒形成连续骨架，具备剪切强度）与最大枝晶堆积点 fp（0.3-0.7，晶粒骨架呈固态特征，可整体变形），当半固态区域固相率处于 fc-fp 之间时，晶粒骨架受剪切应力易崩塌，是缺陷带形成的关键条件。
1.表层缺陷带：与铸件表层激冷层密切相关，熔体与冷模具壁接触形成激冷细晶层（固相率接近 1），其内侧半固态区域固相率处于 fc-fp 之间；熔体充型过程中产生的剪切应力作用于该半固态区域，导致晶粒骨架崩塌，晶粒滑动旋转，半固态区域扩张，剩余熔体补缩后形成溶质偏析的表层缺陷带，激冷层的高冷却速率导致其内侧半固态区域窄，因此表层缺陷带更薄。
2.心部缺陷带：与芯部外生凝固晶聚集相关，芯部大量粗大树枝状外生凝固晶使熔体固相率超过 fp，其外侧半固态区域固相率处于 fc-fp 之间；压铸增压阶段的压力作用于该半固态区域，产生局部剪切应力，导致晶粒骨架崩塌，熔体补缩后形成心部缺陷带；芯部粗晶使 fc/fp 更低，半固态区域更宽，因此心部缺陷带更厚。
此外，铸件纵截面表征显示：试棒中段因熔体呈层流状态，外生凝固晶聚集于芯部，观察到双缺陷带；过渡段因熔体呈湍流状态，外生凝固晶分散，仅观察到表层缺陷带，进一步验证了芯部外生凝固晶对心部缺陷带形成的关键作用。
图 5 采用 Anycasting 软件模拟高压压铸过程中熔体的充型与凝固行为
4 结论与讨论
本研究通过系统的微观表征、定量分析与模拟计算，明确了真空辅助高压压铸 AE44 镁合金双缺陷带的组织特征与差异化形成机理，核心结论如下：
1.真空压铸 AE44 镁合金铸件存在双环型缺陷带，据此可将横截面划分为表层、表层缺陷带、亚表层、心部缺陷带、芯部五个区域，各区域晶粒形态、尺寸与外生凝固晶分布差异显著，心部缺陷带平均宽度远大于表层缺陷带；
2.双缺陷带均为Al-RE 溶质正偏析带，Al₁₁RE₃相面积分数显著高于相邻区域，且缺陷带内无明显孔洞聚集，区别于传统 AZ91D 镁合金缺陷带；
3.AE44 镁合金缺陷带无孔洞聚集的核心原因是较窄的凝固温度区间与Al-RE 金属间化合物析出释放大量潜热，两者均提升了熔体补缩能力，减少了缩孔缺陷；
4.双缺陷带的形成均与半固态合金受剪切应力导致的晶粒骨架崩塌相关，但剪切应力来源不同：表层缺陷带由熔体充型的剪切应力引发，与表层激冷层相关；心部缺陷带由压铸增压的局部剪切应力引发，与芯部外生凝固晶聚集相关，且晶粒尺寸与形态导致的半固态区域宽度差异，是心部缺陷带更宽的根本原因。
本研究填补了含稀土镁合金压铸双缺陷带研究的空白，明确了 AE44 镁合金缺陷带的核心特征与形成机理，为后续通过优化压铸工艺（如调整慢压射速度、增压压力）、控制外生凝固晶形成等方式调控缺陷带、提升铸件性能提供了重要的理论依据。同时，研究中结合多种表征手段与模拟计算的研究方法，也为其他压铸合金的缺陷研究提供了参考思路，助力镁合金在汽车轻量化领域的规模化、高可靠性应用。
参考文献
[1] HOU Y Y, WU M W, TIAN B H, et al. Characteristics and formation mechanisms of defect bands in vacuum-assisted high-pressure die casting AE44 alloy[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2022, 32: 1852-1865.