压铸过程中的“气蚀”｜模具侵蚀行为分析

在压铸生产过程中，金属液和铸型之间会不断地发生关于流动和传热的交互，这些交互过程会不同程度地对铸型产生破坏并影响其使用寿命，我们将这种交互式破坏过程称为“侵蚀”，也即逐渐侵害而变坏的过程。压铸侵蚀的种类按照侵蚀来源和类型的不同，我们可以将压铸侵蚀大致分为三种：冲蚀、气蚀和直接腐蚀。直接腐蚀，是指金属液与模具材料接触后发生化学反应时产生的腐蚀，这种腐蚀一般是因为型腔表面缺乏保护层，压铸金属直接渗透进入模具表面，同时，模具表面的金属元素（铁）也会扩散进入压铸金属中，这些过程在模具表面和压铸金属之间产生金属间化合物。冲蚀，又称冲刷，一般指金属液在充型过程中由于速度过高而形成紊流，直接冲刷型腔表面而造成破坏的现象。冲蚀主要分为液体撞击冲蚀和固体颗粒冲蚀两种。其中液体冲蚀是因为液体撞击型腔表面而造成有方向特征（各向异性）的局部冲蚀坑。而固体颗粒冲蚀则是指金属液中可能含有的固体颗粒如夹杂、金属间化合物及预结晶颗粒对模具表面的冲刷磨损。气蚀，又称为空蚀或穴蚀，是指金属液在高速流动和压力变化下，在型腔表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。气蚀过程中形成的空穴在高压区被压破并产生冲击力（锤击），并直接破坏型腔表面和加快腐蚀速度。空蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成“洞穴”。

图1、压铸模具表面综合失效行为气蚀形成的根本原因化学腐蚀和冲蚀的原理是比较容易理解的，而气蚀，由于空化本身参与并促进了腐蚀，因此是相对特殊的。接下来的问题是，气蚀形成的根本原因是什么，我们可以采用什么手段来控制气蚀的形成呢？在流动的液体中，当局部压力因某种原因突然下降至液体汽化压力以下时，液体会发生汽化现象，此时，溶于液体的气体逸出并形成气泡（或称空泡），这一过程称为空化。空泡随液流进入压力较高的区域时，气泡急剧收缩而突然溃灭，原空泡周围的液体运动导致局部区域压力骤增。如果液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀。可以看出，气蚀的本质是在压力变化下，气泡收缩、溃灭产生的力或能量对型腔表面的损坏。而压力变化的剧烈程度则直接决定了气泡能够产生的破坏力，一定程度上讲，压力变化范围越大，气泡产生的气蚀能力也越大。事实上，现有的大部分针对气泡空化行为的分析都是理论分析，在实验中可以观测到的空化作用都是基于特定场景的，而且几乎所有实验或认识都是基于水中气泡的动力学行为，而针对金属液内部气泡或空化行为的研究则非常有限。研究液体内部气泡的空化行为其实主要是研究气泡在变化压力作用下与金属壁面的交互行为。我们在研究中发现，在变化压力作用下，气泡会产生周期性的膨胀和收缩，在此过程，气泡会联动周围流体一起对金属壁面产生“破坏”行为。一般来说，我们可以将气泡的综合行为等效成一个外部压力所产生的影响，然后将气泡的破坏效力等效成这个压力对壁面的作用。我们的课题组研究人员发现，一个直径约为150微米的气泡会在气泡边缘产生-30kPa的负压影响，而压力降低会导致金属的熔点下降，从而使得型腔表面更容易被腐蚀。同时，我们也发现，气泡对金属壁面的压力破坏作用接近于“蚕食”，而不是我们一直理解的瞬间破损。

▲采用高速摄像仪拍摄的气泡与固体之间的交互过程（拍摄频率为1秒80000帧），描述了压力变化下气泡对固体的不断“蚕食”（图2视频为放慢后1秒播放100帧，图3视频为放慢后1秒播放25帧）所谓的“蚕食”，指的是气泡是在和型腔表面接触中不断地将金属侵蚀掉，而不是瞬间将金属打断。从这个角度讲，气泡或空化对金属的破坏更接近于疲劳损伤，而不是脆性断裂。当然，从时间跨度上讲，单个气泡的“蚕食”过程持续的时间非常短，约为0.1ms左右，但是却足以在金属表面上形成一个“麻点”，而这个麻点在后续的过程中会更容易引起新的气泡的驻留（由于曲率效应）和继续“蚕食”，因此，在铸型表面一旦形成了初始的“麻点”，那么后续的气蚀速度就会加快。如何控制气蚀的形成对于模具来讲，气蚀是有害的，但实际上我们可以根据气蚀的特点来优化产品的生产工艺。典型的应用场景就是超声破碎工艺：在一个金属液熔池中采用超声探头不断产生气泡，并利用周期压力变化使得气泡不断收缩和膨胀，从而产生对凝固组织的破碎和细化效果。在超生破碎中，破碎的组织一般是初生相，也就是枝晶，有时也包括共晶组织。采用超声气泡破碎凝固微观组织，其原理和气蚀对模具型腔表面的破坏作用类似，都是利用了气泡空化过程产生的“等效压力”的作用。▲采用高速摄像仪拍摄的气泡对晶体的破坏行为，通过提高视频时间分辨率（图5更高），可以看出这种破坏是基于疲劳损伤，而非机械折断对于压铸来讲，金属液内部在充型中的压力变化是非常剧烈的，这包括金属液在冲头作用下高速充填型腔的过程，也包括后续的增压过程。在这两个交替过程中，金属液产生的气泡会不断地被压缩、溃灭从而产生足够的破坏力并引发模具的气蚀以及冲蚀。因此，我们需要在压铸中考虑各种因素对模具侵蚀的影响，包括模具材料、模具润滑、模具表面处理（如氧化处理），以及金属液压射速度、金属液温度和合金化学成分等。通过数值模拟技术，我们可以模拟并选取最优的充填速度工艺和连续铸造节拍，在尽可能大的程度上减小充型和凝固过程引发的模具侵蚀并提高模具寿命。作者：Marsfish毕业于清华大学（本、博），牛津大学、英国皇家学会研究会员，长期从事数字化工业方面的研究，包括高性能算法、高