精密鑄件反重力鑄造凝固組織與缺陷控制研究進(jìn)展

劉明亮，杜大帆，李九霄，隋大山，董安平，何樹先，孫寶德，何林，孫紅飛

精密鑄件反重力鑄造凝固組織與缺陷控制研究進(jìn)展

劉明亮1，杜大帆2a，李九霄1，隋大山2a，董安平2，何樹先2a，孫寶德2，何林2a，孫紅飛1

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海交通大學(xué) a.上海市先進(jìn)高溫材料及其精密成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

鎳基高溫合金、鈦合金和鋁鎂合金等精密鑄件是航空航天重大裝備中重要的熱端部件，目前，更高的使用溫度、更大的構(gòu)效比和更高的機(jī)動(dòng)性等航空航天裝備建設(shè)的需求，促使精密鑄件向大型化、復(fù)雜化和薄壁化方向發(fā)展。反重力鑄造技術(shù)具有充型穩(wěn)定、壓力可控等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)精密鑄件的理想方法。早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就能夠利用反重力精密鑄造技術(shù)制造大型精密鑄件。近年來，我國(guó)一些高校和研究院所也相繼在反重力鑄造方面開展了大量研究，在鋁鎂輕合金方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，也具備了小批量生產(chǎn)能力。目前，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品技術(shù)水平與國(guó)外還有一定的差距，特別是在高溫合金反重力鑄造方面，國(guó)內(nèi)還處于起步階段。在精密鑄造過程中，疏松、裂紋、變形和尺寸超差等各類鑄造缺陷的形成嚴(yán)重影響了鑄件的使用性能，降低了鑄造產(chǎn)品的合格率?；诖耍Y(jié)合反重力鑄造工藝原理及技術(shù)特點(diǎn)，概述了反重力鑄造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)綜述了精密鑄件反重力鑄造過程中組織、缺陷的形成規(guī)律和重要的鑄造缺陷預(yù)測(cè)模型，并對(duì)反重力鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

反重力鑄造；精密鑄件；鑄造缺陷；微觀組織；數(shù)值模擬；智能鑄造

近年來，隨著航空航天領(lǐng)域重大裝備的快速發(fā)展，航空航天用精密鑄件正朝著大型一體化、輕量化、薄壁化及綠色智能化方向發(fā)展[1-5]。20世紀(jì)初所提出的反重力鑄造方法的主要成形原理是通過壓力將熔體沿與重力相反的方向充入型腔，并在一定壓力下凝固。該方法具備優(yōu)良的充型能力和組織調(diào)控能力，在復(fù)雜薄壁精密鑄件的生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]。目前，反重力鑄造方法在鋁、鎂合金體系中的應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟。由于高溫合金具有熔點(diǎn)高、密度大且熔體黏度高等特點(diǎn)，因此反重力鑄造技術(shù)在高溫合金精密鑄件成形方面的應(yīng)用較困難。

文中結(jié)合反重力鑄造工藝的原理及技術(shù)特點(diǎn)，綜述了反重力鑄造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和反重力鑄造成型過程中缺陷和組織的研究進(jìn)展，并對(duì)反重力鑄造技術(shù)進(jìn)行展望。

1 反重力鑄造工藝

1.1 原理、技術(shù)特點(diǎn)

反重力鑄造技術(shù)（Counter?gravity Casting, 簡(jiǎn)稱CGC）屬于一種底注式澆注方法，其工藝原理：合金液在外加壓力場(chǎng)的作用下，克服自身重力和型腔內(nèi)的阻力，沿著與重力場(chǎng)相反的方向，通過升液管自下向上開始充型，并在可控的壓力下進(jìn)行冷卻凝固。反重力鑄造設(shè)備的原理如圖1所示。金屬液在向上充填過程中，通過氣路控制系統(tǒng)可以有效控制上下腔室的壓差，實(shí)現(xiàn)不同的充填速率，有利于熔體的穩(wěn)定充型；在熔體充滿型腔后，進(jìn)一步增大壓力，保證熔體在較大壓力下凝固，提高金屬液的補(bǔ)縮能力，降低鑄件的縮松縮孔率。典型的反重力鑄造過程壓力控制曲線如圖2[11]所示，主要分為升液、充型、保壓凝固和卸壓等4個(gè)階段，其不同階段對(duì)應(yīng)不同的壓差[11]。有研究指出[12]，相較于頂注式澆注，反重力鑄造能有效減少液體表面的紊流，更有利于合金熔體的平穩(wěn)充型，減少了夾雜。

目前，發(fā)展相對(duì)成熟的反重力鑄造方法主要有低壓鑄造、真空吸鑄、差壓鑄造和調(diào)壓鑄造等。低壓鑄造技術(shù)是最早被提出的反重力鑄造方法，主要是將壓縮氣體壓入密閉的下腔室中，由此建立壓差，從而達(dá)到充填鑄型的目的[13]。真空吸鑄是一種新型反重力鑄造技術(shù)，由美國(guó)Hitchiner公司的Chandley D等發(fā)明，通過對(duì)上腔室抽真空來建立壓差[14]。差壓鑄造是由保加利亞學(xué)者提出的兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造特點(diǎn)的一種反重力鑄造方法[15]。1993年前后，我國(guó)的曾建民等[16]首次提出了調(diào)壓鑄造的反重力鑄造方法，具有“真空除氣、負(fù)壓充型、正壓凝固”的特點(diǎn)，該技術(shù)彌補(bǔ)了其他反重力鑄造方法的不足，在復(fù)雜薄壁鑄件的充型上有很好的應(yīng)用前景。

圖1 反重力鑄造設(shè)備的原理

圖2 反重力鑄造過程的壓力控制曲線[11]

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者持續(xù)開展反重力鑄造的理論與應(yīng)用技術(shù)研究。低壓鑄造是最早提出的較為成熟的一種反重力鑄造技術(shù)，從20世紀(jì)80年代開始，該技術(shù)在輕系合金的制備中已有廣泛的應(yīng)用。俄羅斯GNPP Splav鑄造廠采用低壓鑄造技術(shù)成功生產(chǎn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度較高的防空導(dǎo)彈殼體[17]。美國(guó)采用低壓鑄造法制造了800 mm×5 000 mm、壁厚6～8 mm的鋁合金巡航導(dǎo)彈艙體[18]。中信戴卡公司的杜德喜等[19]通過鑄造模擬分析和實(shí)踐生產(chǎn)，采用低壓鑄造技術(shù)成功制備了性能優(yōu)良的鋁合金車輪，相較于傳統(tǒng)重力澆注，其質(zhì)量減少了 1.5%。馬嵐波等[20]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用自主研發(fā)的真空低壓鑄造爐成功試制了輪廓尺寸為320 mm×60 mm×30 mm的鎳基高溫合金葉片，為反重力鑄造技術(shù)在高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。差壓鑄造技術(shù)是基于低壓鑄造改進(jìn)的一種反重力精密成形方法，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)于差壓鑄造方面的研究較為深入。嚴(yán)青松課題組[21-23]一直從事真空差壓鑄造成形方面的工作，經(jīng)過多年的研究，在鋁合金真空差壓鑄造設(shè)備調(diào)控和保壓壓力等工藝參數(shù)制定方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以獲得較高質(zhì)量的鋁合金鑄件。

曾建民等[16]提出的調(diào)壓鑄造技術(shù)可以很好地改善復(fù)雜薄壁鑄件的充型能力，是一種很有發(fā)展前景的新型反重力鑄造方法，利用此技術(shù)有望更好地解決航空航天用高溫合金大型復(fù)雜薄壁鑄件的精密成形問題。目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)校和科研單位等開始從事相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，上海交通大學(xué)孫寶德團(tuán)隊(duì)[4]自2013年起開始從事高溫合金的調(diào)壓鑄造工藝的研究探索工作，揭示了鎳基高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件的充型凝固機(jī)理，利用發(fā)明的高溫合金調(diào)壓鑄造方法與裝備，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室浮動(dòng)壁瓦片的調(diào)壓精鑄成形，如圖3所示，成功地解決了基板厚度為1.0 mm，微孔直徑為0.8 mm，且與基板具有不同角度的浮動(dòng)壁瓦片的熔體超薄壁充填和微孔鑄造難題，為高溫合金薄壁件的調(diào)壓鑄造成形積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室浮動(dòng)壁瓦片[4]

2 缺陷控制

反重力鑄造缺陷的形成與澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、充型工藝參數(shù)的制定、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、鑄造設(shè)備控制等多種因素有關(guān)。常見的鑄造缺陷主要有冷隔、縮松縮孔、氣孔、氧化夾雜等。缺陷的形成會(huì)降低鑄件的性能和使用壽命。如何有效預(yù)測(cè)和降低鑄件缺陷的形成、提高鑄件質(zhì)量是目前迫切需要解決的難題。

2.1 主要缺陷類型及形成過程

有研究表明[11]，在反重力鑄造中，只有當(dāng)溫度梯度與壓力梯度一致時(shí)，才有利于實(shí)現(xiàn)自上而下的順序凝固，達(dá)到凝固補(bǔ)縮、降低缺陷等目的?；诖耍骄糠粗亓﹁T造方法對(duì)鑄件缺陷和組織形成的影響規(guī)律具有重要意義。

楊國(guó)娟等[24]研究對(duì)比了低壓、差壓、調(diào)壓和重力鑄造等4種方法對(duì)ZL116鋁合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，采用差壓鑄造方法成形鑄件的缺陷較少，合金性能表現(xiàn)良好，其他鑄造方法獲得的鑄件都存在明顯澆鑄不足的缺陷。李強(qiáng)等[25]研究對(duì)比了低壓鑄造和差壓鑄造A357合金經(jīng)不同溫度時(shí)效后硬度的變化情況，結(jié)果表明，經(jīng)過相同的時(shí)效處理后，采用差壓鑄造法所獲得試樣的硬度分布更均勻、硬度較高。

近年來，大量研究者開展了傳統(tǒng)的低壓鑄造和差壓鑄造工藝研究。嚴(yán)青松等[26]研究了真空差壓鑄造ZL114A鋁合金二次枝晶間距與結(jié)晶壓力和壁厚的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著結(jié)晶壓力的增大和壁厚的減小，二次枝晶的間距也減??；壓力對(duì)枝晶間距的影響規(guī)律為擠濾滲流作用，即金屬液的結(jié)晶凝固過程一直在高壓力場(chǎng)下進(jìn)行，壓力使金屬液通過凝固枝晶間狹窄通道向補(bǔ)縮區(qū)流動(dòng)，其示意圖如圖4所示[26]。Li等[27]通過研究離心反重力鑄造工藝對(duì)A357鋁合金樣品組織和性能的影響發(fā)現(xiàn)，與真空吸鑄工藝相比，離心反重力鑄造具有更好的補(bǔ)縮能力；選擇合適的離心半徑和轉(zhuǎn)速有助于抑制枝晶的生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，從而獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

圖4 真空差壓鑄造液態(tài)金屬在枝晶間擠濾滲流示意圖[26]

工藝參數(shù)對(duì)鑄件缺陷和組織的形成有很大的影響。Fu等[28]系統(tǒng)研究了澆注溫度、充型時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)低壓鑄造AM50鎂合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，只有各鑄造工藝參數(shù)達(dá)到良好的配合時(shí)，才能使合金獲得優(yōu)異的綜合性能。王狂飛[29]詳細(xì)研究了充型壓力對(duì)鎂合金薄壁件的組織和性能的影響，研究表明，當(dāng)充型壓力達(dá)到40 kPa時(shí)，鑄態(tài)組織明顯細(xì)化，鑄件的成形能力最好。Jiang等[30]采用真空差壓鑄造分級(jí)加壓工藝，得到了熔體溫度對(duì)A356鋁合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出適當(dāng)降低補(bǔ)縮壓力，與合適的熔體溫度配合，可以獲得細(xì)小的等軸晶組織，從而獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

除了對(duì)鋁、鎂合金的鑄造成形規(guī)律進(jìn)行了大量研究，許多學(xué)者對(duì)反重力鑄造技術(shù)在其他合金領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)行了探索。Zhang等[31]研究了模具溫度和鑄造尺寸對(duì)反重力鑄造Ti?6Al?4V合金組織和拉伸性能的影響。結(jié)果表明，無論何種鑄件尺寸，都能獲得等軸晶粒；鑄態(tài)和熱等靜壓后的棒件的拉伸強(qiáng)度隨著模具溫度和鑄件尺寸的增加而降低。上海交通大學(xué)孫寶德等[4]將重力鑄造和調(diào)壓鑄造2種工藝下澆注成型的K4169鎳基高溫合金特征薄板件進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)重力成形的薄板件產(chǎn)生了冷隔、澆不足等缺陷，而調(diào)壓鑄造的充型效果良好。

在鋁、鎂合金精密鑄件中，氣孔和氧化夾雜是反重力鑄造成型鑄件中常見的2種缺陷，對(duì)鑄件使用性能的影響較大。研究表明，在熔體充型過程中，如果升壓速度過快，容易造成熔液紊流、卷入氣體，在熔液的凝固過程中易形成析出性氣孔。目前，已有許多學(xué)者對(duì)鑄造氣孔的形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究。周標(biāo)等[32]利用自行設(shè)計(jì)的反重力鑄造凝固裝置，考察未進(jìn)行去氣除渣處理的變質(zhì)A356合金中孔洞的形成情況，研究發(fā)現(xiàn)，在試棒中部由于氫氣大量析出和補(bǔ)縮不足的共同作用，使得大孔數(shù)量和孔隙率均最大；在遠(yuǎn)離結(jié)晶器的熔體端試棒，由于冷卻速度減慢、溫度梯度變小，使得孔隙率的數(shù)量大大降低；氣孔的形成受到相的析出和二次枝晶間距的影響較大。Sun等[33]對(duì)低壓壓鑄發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱頂面上的氣孔進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)液態(tài)金屬進(jìn)入瀑布狀結(jié)構(gòu)時(shí)，澆口速度會(huì)突然增加，過快的澆口速度會(huì)形成湍流，引入氣體夾雜，最終在鑄件內(nèi)部形成折疊羽毛狀的氧化膜缺陷，并隨著澆注速度的增加，氣體夾帶缺陷越嚴(yán)重。同樣，Li等[34]系統(tǒng)研究了真空度、澆注溫度和充填速度對(duì)低壓消失模鑄造工藝AZ91D鎂鑄件中孔洞缺陷形成機(jī)理的影響，從形成氣孔缺陷的模型分析可知，當(dāng)金屬液充填速度過快，以及可膨脹聚苯乙烯（EPS）熱解產(chǎn)物輸送過程受阻時(shí)，則多余的EPS熱解產(chǎn)物將留在金屬涂層?模具表面，最終形成氣孔缺陷，其形成模型如圖5所示[34]。研究結(jié)果表明，當(dāng)澆注溫度為730 ℃、真空度達(dá)到0.02～0.03 MPa、填充速度為80 mm/s時(shí)，鑄件內(nèi)部的孔洞缺陷數(shù)量才會(huì)明顯降低。

以上研究說明，只有充分了解孔洞和氧化夾雜的形成原因，才有可能制定出合適的鑄造方案，最大程度地減少氣孔和氧化夾雜等缺陷，提升鑄件的質(zhì)量。

在反重力鑄造過程中，裂紋缺陷的產(chǎn)生將直接影響鑄件的使用安全性，縮短鑄件的服役壽命，裂紋缺陷是鑄造過程中需要重點(diǎn)避免的一種缺陷。鄧攀科等[35]借助數(shù)值模擬軟件和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同的澆注溫度、模殼預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對(duì)ZL205A鋁合金應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，結(jié)果表明，合理的工藝參數(shù)能夠獲得較好的應(yīng)力分布，可有效避免熱裂的產(chǎn)生。Zhou等[36]詳細(xì)研究了枝晶臂間距對(duì)鎳基鑄造高溫合金熱裂性能的影響，研究表明，較小的枝晶臂間距有利于降低其熱裂性，較好的鑄造性能歸因于強(qiáng)大的晶界內(nèi)聚力。

目前，隨著航空航天技術(shù)高質(zhì)量的快速發(fā)展，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高溫合金精密鑄件往往具有復(fù)雜、薄壁等尺寸結(jié)構(gòu)，同時(shí)處于高溫、高載荷比等特殊的服役環(huán)境。不僅要去除疏松縮孔等常規(guī)的鑄造缺陷，往往還需要滿足“低粗糙度、高尺寸精度”的要求。

圖5 氣孔缺陷的形成模型[34]

2.2 常見鑄造缺陷的預(yù)測(cè)

2.2.1 組織缺陷模型的建立

如何精準(zhǔn)預(yù)測(cè)缺陷的形成對(duì)改善鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量非常重要。縮松縮孔缺陷是鑄件中容易產(chǎn)生且普遍存在的一種鑄造缺陷，它會(huì)影響鑄件的整體性能。聞星火等[37]通過分析鑄件凝固過程中金屬液的流動(dòng)情況，推導(dǎo)出縮松判據(jù)，見式（1）。

式中：sc為溫度梯度；sc為實(shí)際壓力；sc為冷卻速度；c為縮松判據(jù)臨界值。

由式（1）可知，在相同的鑄造環(huán)境中，溫度梯度和冷卻速度相對(duì)穩(wěn)定，因此壓力成為鑄造縮松缺陷的主要影響因素，增加反重力鑄造的補(bǔ)縮壓力有助于減少縮松缺陷。Niyama等[38]采用二維有限差分法，分析比較了圓柱形鑄鋼件縮孔疏松分布，提出了一種能預(yù)測(cè)鑄件缺陷的Niyama判據(jù)法，見式（2）。

式中：為鑄件凝固終了時(shí)的溫度梯度；為鑄件的冷卻速率；y為Niyama判據(jù)指數(shù)，該判據(jù)是反應(yīng)鑄件內(nèi)部縮松縮孔分布概率的函數(shù)，能預(yù)測(cè)縮松縮孔缺陷出現(xiàn)的可能性，但預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性受鑄件形狀和合金種類的影響很大。

多年來，對(duì)于鑄件縮松、縮孔缺陷的預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量的研究，提出了不同的優(yōu)化預(yù)測(cè)模型。王忠等[39]基于鑄件?鑄型傳熱學(xué)基礎(chǔ)，詳細(xì)研究了低壓鑄造的結(jié)晶凝固規(guī)律，探討出一種新的縮松縮孔預(yù)測(cè)方法，提出了低壓鑄造凝固補(bǔ)縮模型（如圖6所示[39]），該模型說明在保壓壓力存在時(shí)，金屬液會(huì)在保壓壓力的作用下對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，當(dāng)補(bǔ)縮方向?yàn)樽韵孪蛏希磸母邷貐^(qū)向低溫區(qū)進(jìn)行時(shí)，保壓時(shí)間持續(xù)到鑄件完全凝固，則會(huì)在澆口處最后凝固，形成一個(gè)開口朝上的縮孔，如圖6a所示。隨著保壓時(shí)間的增加，鑄件薄壁部位會(huì)先凝固，如果保壓壓力足夠大，補(bǔ)縮方式仍按照低壓補(bǔ)縮方式，則會(huì)在厚壁部位產(chǎn)生開口向下的縮孔，如圖6b所示。如果保壓壓力不足，則上部厚壁部位會(huì)采用重力補(bǔ)縮方式，產(chǎn)生開口向上的縮孔，如圖6c所示。如果保壓時(shí)間過短，則鑄件未完全凝固，其補(bǔ)縮方式為重力鑄造的方式。以上模型表明，低壓鑄造的保壓壓力和時(shí)間對(duì)縮松縮孔缺陷形成的影響較大。Kang等[40]構(gòu)建了K4169高溫合金大型復(fù)雜薄壁鑄件的顯微疏松校核判據(jù)，判據(jù)函數(shù)ΔP見式（3）。

該判據(jù)包含了影響顯微疏松缺陷形成的工藝因素和材料因素，當(dāng)鎳基合金定向凝固時(shí)，ΔP越大，則顯微縮松形成的傾向越大。謝學(xué)競(jìng)等[41]結(jié)合4種典型的疏松判據(jù)對(duì)疏松率進(jìn)行了擬合分析，其中Lee判據(jù)[42]和Suri判據(jù)[43-44]的數(shù)學(xué)描述見式（4）—（5）。

式中；為溫度梯度；為冷卻速度；s為疏松率。

Suri判據(jù)不僅采用了達(dá)西定律描述補(bǔ)縮流動(dòng)，而且考慮了柱狀晶和等軸晶2種不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)金屬液滲透率的影響。分析表明，Suri疏松判據(jù)在對(duì)反重力砂型鑄造Al?Cu（Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l4.5%）合金試件的疏松率預(yù)測(cè)有更好的適用性；同時(shí)表明，采用真空除氣可以有效預(yù)防針孔缺陷的形成，適當(dāng)增加保壓壓力可以有效強(qiáng)化凝固補(bǔ)縮，從而減少疏松缺陷。

在反重力成形鑄件的組織預(yù)測(cè)方面，也有學(xué)者進(jìn)行了積極的探索。李斌等[45]在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，建立了低壓鑄造ZL114A鋁合金連續(xù)形核模型，其連續(xù)形核模型的積分公式見式（6）—（7）。

式中：Δ為實(shí)際過冷度；Δmn為平均形核過冷度；Δσ為標(biāo)準(zhǔn)曲率過冷度；max為最大形核質(zhì)點(diǎn)密度。

該連續(xù)形核模型中所需要的主要形核參數(shù)及一些重要的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)均由大量試樣的低壓鑄造實(shí)驗(yàn)測(cè)得。另一方面，李斌等采用了一種改進(jìn)的Celluar Automaton方法耦合有限差分法對(duì)合金的微觀組織演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。最后利用階梯鑄件研究了不同冷卻速度下晶粒度、二次枝晶臂間距的變化規(guī)律，驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 數(shù)值模擬在缺陷預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用

近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造成型中的應(yīng)用越來越廣泛。陳玲等[46]以Ansys軟件為平臺(tái)，用有限元法建立了鑄件凝固過程的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)出鑄件縮松縮孔缺陷可能出現(xiàn)的位置，并探索了判斷熱裂紋的方法，預(yù)測(cè)結(jié)果與生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果基本一致。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出用于鑄造領(lǐng)域的數(shù)值模擬軟件。其中，美國(guó)USE公司開發(fā)的ProCAST軟件是一款成熟的商業(yè)CAE軟件。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法已經(jīng)成為許多科研單位的主要研究手段，饒文杰等[47]通過對(duì)ZL114鋁合金薄壁電荷構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，很好地預(yù)測(cè)出真空差壓鑄造下鋁合金薄壁件的縮松、縮孔等缺陷的位置。嚴(yán)力等[48]采用ProCAST軟件實(shí)現(xiàn)了AZ91D鎂合金反重力鑄造充型及凝固過程缺陷的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

在高溫合金方面，也有不少學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的探索和應(yīng)用。何波等[49]對(duì)IN792合金葉輪鑄件的充型凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出合適的鑄造工藝參數(shù)，極大地降低了缺陷的形成。清華大學(xué)戚翔等[50]對(duì)K4169高溫合金機(jī)匣熱控凝固工藝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)型殼散熱問題是導(dǎo)致缺陷形成的主要原因，并據(jù)此進(jìn)行了工藝優(yōu)化。鐘發(fā)勇等[51]采用數(shù)值模擬和田口實(shí)驗(yàn)法，分析了澆注溫度、模殼溫度、澆注時(shí)間對(duì)K4169高溫合金航空鑄件縮松縮孔缺陷的影響規(guī)律，經(jīng)優(yōu)化工藝參數(shù)后，縮松縮孔缺陷的模擬結(jié)果如圖7所示[51]。模擬結(jié)果表明，總的縮松縮孔缺陷轉(zhuǎn)移至冒口部位，鑄件本體縮松縮孔缺陷消失，鑄件的質(zhì)量得到顯著提升，最終得出澆注溫度對(duì)鑄件缺陷形成的影響程度最大的結(jié)論。鋼鐵研究總院的李維等[52]和楊曼利等[53]借助數(shù)值模擬技術(shù)成功制備出質(zhì)量較好的高溫合金精密鑄件。

圖6 低壓鑄造凝固理論模型[39]

圖7 最佳參數(shù)方案的縮孔縮松[51]

綜上所述，對(duì)鑄造缺陷實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，可以降低試錯(cuò)成本，提高生產(chǎn)效率，對(duì)鑄造行業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的發(fā)展具有重要意義。目前，對(duì)鑄件缺陷的預(yù)測(cè)主要停留在常見鑄造缺陷定性分析上，未來基于優(yōu)化模型算法的數(shù)值模擬技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)鑄件缺陷的定量預(yù)測(cè)的重要手段。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，如何改善鑄件凝固組織和有效降低鑄造缺陷是精密鑄件向高質(zhì)量發(fā)展過程中面臨的首要問題。多年來，眾多學(xué)者和研究單位借助數(shù)值模擬等先進(jìn)的研究方法，通過大量的實(shí)驗(yàn)探索，提出了許多組織缺陷預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化的鑄造工藝技術(shù)，為提高鑄件的成形質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。不過，在實(shí)現(xiàn)缺陷定量預(yù)測(cè)和組織精準(zhǔn)調(diào)控方面仍有很長(zhǎng)的路要走。

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的提出，制造業(yè)向著先進(jìn)、高效、高質(zhì)量方向快速發(fā)展。傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代的產(chǎn)業(yè)需求，合金精密鑄件正朝著大型、復(fù)雜、薄壁一體化的方向發(fā)展，對(duì)于鑄件的要求是無缺陷、精度高、性能良好。反重力鑄造技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)制造工業(yè)的深度融合，鑄造技術(shù)向著更加節(jié)約、高效、智能化的方向發(fā)展。基于多源信息融合的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，有望建立數(shù)據(jù)更加完善的鑄造缺陷分析專家系統(tǒng)，將為鑄造工作者精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、分析缺陷的形成提供可能。同時(shí)，基于深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的快速發(fā)展，不斷優(yōu)化算法的工業(yè)CT無損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄造缺陷更精準(zhǔn)的定位和評(píng)估，提高了檢測(cè)效率。另一方面，依據(jù)不斷發(fā)展的同步輻射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬液充型凝固微觀演化過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和觀察，這將為更好地了解反重力鑄造成形機(jī)理提供有利的工具。同時(shí)，隨著3D打印等技術(shù)的成熟，未來的鑄造技術(shù)理論將不斷與其他先進(jìn)制造加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)集多種鑄造方法、鑄造工藝和質(zhì)量分析為一體的全流程鑄造模式。將逐步實(shí)現(xiàn)由人工經(jīng)驗(yàn)向電腦控制轉(zhuǎn)變，這將最大化地發(fā)揮材料的使用潛能，降低鑄造缺陷，提高鑄件產(chǎn)品的合格率和出品率，更好地服務(wù)于我國(guó)制造業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。

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Research Progress on Solidification Microstructure and Defect Control in Counter Gravity Casting of Precision Castings

LIU Ming-liang1, DU Da-fan2a, LI Jiu-xiao1, SUI Da-shan2a, DONG An-ping2, HE Shu-xian2a, SUN Bao-de2, HE Lin2a, SUN Hong-fei1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. a. Shanghai Key Lab of Advanced High-Temperature Materials and Precision Forming, b. State Key Lab of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Nickel-based superalloy, titanium alloy, aluminum-magnesium alloy and other precision castings are important hot end components in aerospace major equipment.At present, higher use temperature, larger structure-efficiency ratio, higher mobility and other aerospace equipment construction needs promote the development of precision castings towards large-scale, complex and thin-walled direction. Countergravity casting technology is an ideal method for producing high-quality precision castings due to its advantages of stable filling and controllable pressure. As early as in the 1970s, foreign countries were able to use countergravity precision casting technology to manufacture large-scale precision castings. In recent years, some universities and research institutes in China have also carried out a lot of research in countergravity casting, accumulated a lot of experience in aluminum-magnesium light alloy, and also obtained the ability of small scale production. However, there is still a certain gap in product technology level between China and foreign countries, especially in the counter gravity casting of superalloy, which is still in the initial stage. The formation of various casting defects such as looseness, cracks, deformation and dimensional out-of-tolerance in the precision casting process seriously affects the performance of castings and reduces the qualification rate of casting products. Based on this, combined with the countergravity casting process principle and technical characteristics, the work aims to review the application status of countergravity casting technology, summarize the formation law of microstructure and defects in the process of counter gravity casting of precision castings and important casting defect prediction models in detail andprospect the development trend of countergravity casting technology.

counter gravity casting; precision castings;casting defects;microstructure; numerical simulation; intelligent casting

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.024

TG249.5

A

1674-6457(2023)01-0199-09

2022?11?24

2022?11?24

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（J2019–VI–0004–0117）；航發(fā)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（HFZL2020CXY023）

National Science and Technology Major Special Funding Project (J2019-VI-0004-0117); HangFa Industry-University- Research Cooperation Project (HFZL2020CXY023)

劉明亮（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殒嚮邷睾辖鸱粗亓貕壕T成形。

LIU Ming-liang (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: pressure-regulating precision casting and forming in counter gravity of nickel-based superalloy.

杜大帆（1987—），男，博士，助理教授，主要研究方向?yàn)榻饘僭霾闹圃炫c外場(chǎng)下金屬凝固理論。

DU Da-fan (1987-), Male, Doctor, Assistant professor, Research focus: metal additive manufacturing and metal solidification theory under the field.

李九霄（1978—），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)殁伝鶑?fù)合材料與高溫合金精密鑄造成形。

LI Jiu-xiao (1978-), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: titanium matrix composites and superalloy precision casting and forming.

劉明亮, 杜大帆, 李九霄, 等. 精密鑄件反重力鑄造凝固組織與缺陷控制研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 199-207.

LIU Ming-liang, DU Da-fan, LI Jiu-xiao, et al. Research Progress on Solidification Microstructure and Defect Control in Counter Gravity Casting of Precision Castings[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 199-207.