精密鑄件反重力鑄造凝固組織與缺陷控制研究進展

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.上海工程技術大學 材料科學與工程學院，上海 201620；2.上海交通大學 a.上海市先進高溫材料及其精密成形重點實驗室 b.金屬基復合材料國家重點實驗室，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、更大的構效比和更高的機動性等航空航天裝備建設的需求，促使精密鑄件向大型化、復雜化和薄壁化方向發展。反重力鑄造技術具有充型穩定、壓力可控等優點，是生產優質精密鑄件的理想方法。早在20世紀70年代，國外就能夠利用反重力精密鑄造技術制造大型精密鑄件。近年來，我國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驗，也具備了小批量生產能力。目前，國內的產品技術水平與國外還有一定的差距，特別是在高溫合金反重力鑄造方面，國內還處于起步階段。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重影響了鑄件的使用性能，降低了鑄造產品的合格率。基于此，結合反重力鑄造工藝原理及技術特點，概述了反重力鑄造技術的應用現狀，詳細綜述了精密鑄件反重力鑄造過程中組織、缺陷的形成規律和重要的鑄造缺陷預測模型，并對反重力鑄造技術的發展趨勢進行展望。

反重力鑄造；精密鑄件；鑄造缺陷；微觀組織；數值模擬；智能鑄造

近年來，隨著航空航天領域重大裝備的快速發展，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展[1-5]。20世紀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。該方法具備優良的充型能力和組織調控能力，在復雜薄壁精密鑄件的生產上得到了廣泛的應用[6-10]。目前，反重力鑄造方法在鋁、鎂合金體系中的應用技術已趨于成熟。由于高溫合金具有熔點高、密度大且熔體黏度高等特點，因此反重力鑄造技術在高溫合金精密鑄件成形方面的應用較困難。

文中結合反重力鑄造工藝的原理及技術特點，綜述了反重力鑄造技術的應用現狀和反重力鑄造成型過程中缺陷和組織的研究進展，并對反重力鑄造技術進行展望。

1 反重力鑄造工藝

1.1 原理、技術特點

反重力鑄造技術（Counter?gravity Casting, 簡稱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的作用下，克服自身重力和型腔內的阻力，沿著與重力場相反的方向，通過升液管自下向上開始充型，并在可控的壓力下進行冷卻凝固。反重力鑄造設備的原理如圖1所示。金屬液在向上充填過程中，通過氣路控制系統可以有效控制上下腔室的壓差，實現不同的充填速率，有利于熔體的穩定充型；在熔體充滿型腔后，進一步增大壓力，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個階段，其不同階段對應不同的壓差[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充型，減少了夾雜。

目前，發展相對成熟的反重力鑄造方法主要有低壓鑄造、真空吸鑄、差壓鑄造和調壓鑄造等。低壓鑄造技術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，由美國Hitchiner公司的Chandley D等發明，通過對上腔室抽真空來建立壓差[14]。差壓鑄造是由保加利亞學者提出的兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造特點的一種反重力鑄造方法[15]。1993年前后，我國的曾建民等[16]首次提出了調壓鑄造的反重力鑄造方法，具有“真空除氣、負壓充型、正壓凝固”的特點，該技術彌補了其他反重力鑄造方法的不足，在復雜薄壁鑄件的充型上有很好的應用前景。

圖1 反重力鑄造設備的原理

圖2 反重力鑄造過程的壓力控制曲線[11]

1.2 應用現狀

國內外已有大量學者持續開展反重力鑄造的理論與應用技術研究。低壓鑄造是最早提出的較為成熟的一種反重力鑄造技術，從20世紀80年代開始，該技術在輕系合金的制備中已有廣泛的應用。俄羅斯GNPP Splav鑄造廠采用低壓鑄造技術成功生產了結構復雜、尺寸精度較高的防空導彈殼體[17]。美國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踐生產，采用低壓鑄造技術成功制備了性能優良的鋁合金車輪，相較于傳統重力澆注，其質量減少了 1.5%。馬嵐波等[20]通過數值模擬與實驗相結合的方法，利用自主研發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，為反重力鑄造技術在高溫合金領域的應用提供了寶貴經驗。差壓鑄造技術是基于低壓鑄造改進的一種反重力精密成形方法，西北工業大學、哈爾濱工業大學等單位對于差壓鑄造方面的研究較為深入。嚴青松課題組[21-23]一直從事真空差壓鑄造成形方面的工作，經過多年的研究，在鋁合金真空差壓鑄造設備調控和保壓壓力等工藝參數制定方面積累了豐富的經驗，可以獲得較高質量的鋁合金鑄件。

曾建民等[16]提出的調壓鑄造技術可以很好地改善復雜薄壁鑄件的充型能力，是一種很有發展前景的新型反重力鑄造方法，利用此技術有望更好地解決航空航天用高溫合金大型復雜薄壁鑄件的精密成形問題。目前，國內已有學校和科研單位等開始從事相關領域的研究工作，上海交通大學孫寶德團隊[4]自2013年起開始從事高溫合金的調壓鑄造工藝的研究探索工作，揭示了鎳基高溫合金復雜薄壁鑄件的充型凝固機理，利用發明的高溫合金調壓鑄造方法與裝備，進行了航空發動機燃燒室浮動壁瓦片的調壓精鑄成形，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壓鑄造成形積累了大量經驗。

圖3 航空發動機燃燒室浮動壁瓦片[4]

2 缺陷控制

反重力鑄造缺陷的形成與澆注系統的設計、充型工藝參數的制定、實驗環境、鑄造設備控制等多種因素有關。常見的鑄造缺陷主要有冷隔、縮松縮孔、氣孔、氧化夾雜等。缺陷的形成會降低鑄件的性能和使用壽命。如何有效預測和降低鑄件缺陷的形成、提高鑄件質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，只有當溫度梯度與壓力梯度一致時，才有利于實現自上而下的順序凝固，達到凝固補縮、降低缺陷等目的。基于此，探究反重力鑄造方法對鑄件缺陷和組織形成的影響規律具有重要意義。

楊國娟等[24]研究對比了低壓、差壓、調壓和重力鑄造等4種方法對ZL116鋁合金組織和性能的影響。結果表明，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。李強等[25]研究對比了低壓鑄造和差壓鑄造A357合金經不同溫度時效后硬度的變化情況，結果表明，經過相同的時效處理后，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的低壓鑄造和差壓鑄造工藝研究。嚴青松等[26]研究了真空差壓鑄造ZL114A鋁合金二次枝晶間距與結晶壓力和壁厚的關系。結果表明，隨著結晶壓力的增大和壁厚的減小，二次枝晶的間距也減小；壓力對枝晶間距的影響規律為擠濾滲流作用，即金屬液的結晶凝固過程一直在高壓力場下進行，壓力使金屬液通過凝固枝晶間狹窄通道向補縮區流動，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A357鋁合金樣品組織和性能的影響發現，與真空吸鑄工藝相比，離心反重力鑄造具有更好的補縮能力；選擇合適的離心半徑和轉速有助于抑制枝晶的生長，導致晶粒細化，從而獲得優異的綜合力學性能。

圖4 真空差壓鑄造液態金屬在枝晶間擠濾滲流示意圖[26]

工藝參數對鑄件缺陷和組織的形成有很大的影響。Fu等[28]系統研究了澆注溫度、充型時間、保壓壓力和保壓時間對低壓鑄造AM50鎂合金組織和性能的影響。結果表明，只有各鑄造工藝參數達到良好的配合時，才能使合金獲得優異的綜合性能。王狂飛[29]詳細研究了充型壓力對鎂合金薄壁件的組織和性能的影響，研究表明，當充型壓力達到40 kPa時，鑄態組織明顯細化，鑄件的成形能力最好。Jiang等[30]采用真空差壓鑄造分級加壓工藝，得到了熔體溫度對A356鋁合金組織和力學性能的影響規律，提出適當降低補縮壓力，與合適的熔體溫度配合，可以獲得細小的等軸晶組織，從而獲得優異的綜合力學性能。

除了對鋁、鎂合金的鑄造成形規律進行了大量研究，許多學者對反重力鑄造技術在其他合金領域的應用也進行了探索。Zhang等[31]研究了模具溫度和鑄造尺寸對反重力鑄造Ti?6Al?4V合金組織和拉伸性能的影響。結果表明，無論何種鑄件尺寸，都能獲得等軸晶粒；鑄態和熱等靜壓后的棒件的拉伸強度隨著模具溫度和鑄件尺寸的增加而降低。上海交通大學孫寶德等[4]將重力鑄造和調壓鑄造2種工藝下澆注成型的K4169鎳基高溫合金特征薄板件進行了對比，發現重力成形的薄板件產生了冷隔、澆不足等缺陷，而調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，已有許多學者對鑄造氣孔的形成機理和影響因素進行了研究。周標等[32]利用自行設計的反重力鑄造凝固裝置，考察未進行去氣除渣處理的變質A356合金中孔洞的形成情況，研究發現，在試棒中部由于氫氣大量析出和補縮不足的共同作用，使得大孔數量和孔隙率均最大；在遠離結晶器的熔體端試棒，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]對低壓壓鑄發動機曲軸箱頂面上的氣孔進行了研究，結果表明，當液態金屬進入瀑布狀結構時，澆口速度會突然增加，過快的澆口速度會形成湍流，引入氣體夾雜，最終在鑄件內部形成折疊羽毛狀的氧化膜缺陷，并隨著澆注速度的增加，氣體夾帶缺陷越嚴重。同樣，Li等[34]系統研究了真空度、澆注溫度和充填速度對低壓消失模鑄造工藝AZ91D鎂鑄件中孔洞缺陷形成機理的影響，從形成氣孔缺陷的模型分析可知，當金屬液充填速度過快，以及可膨脹聚苯乙烯（EPS）熱解產物輸送過程受阻時，則多余的EPS熱解產物將留在金屬涂層?模具表面，最終形成氣孔缺陷，其形成模型如圖5所示[34]。研究結果表明，當澆注溫度為730 ℃、真空度達到0.02～0.03 MPa、填充速度為80 mm/s時，鑄件內部的孔洞缺陷數量才會明顯降低。

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，提升鑄件的質量。

在反重力鑄造過程中，裂紋缺陷的產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避免的一種缺陷。鄧攀科等[35]借助數值模擬軟件和實驗相結合的方法，研究了不同的澆注溫度、模殼預熱溫度等工藝參數對ZL205A鋁合金應力場分布的影響，結果表明，合理的工藝參數能夠獲得較好的應力分布，可有效避免熱裂的產生。Zhou等[36]詳細研究了枝晶臂間距對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大的晶界內聚力。

目前，隨著航空航天技術高質量的快速發展，應用于航空航天領域的高溫合金精密鑄件往往具有復雜、薄壁等尺寸結構，同時處于高溫、高載荷比等特殊的服役環境。不僅要去除疏松縮孔等常規的鑄造缺陷，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 常見鑄造缺陷的預測

2.2.1 組織缺陷模型的建立

如何精準預測缺陷的形成對改善鑄造工藝、提高鑄件質量非常重要。縮松縮孔缺陷是鑄件中容易產生且普遍存在的一種鑄造缺陷，它會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情況，推導出縮松判據，見式（1）。

式中：sc為溫度梯度；sc為實際壓力；sc為冷卻速度；c為縮松判據臨界值。

由式（1）可知，在相同的鑄造環境中，溫度梯度和冷卻速度相對穩定，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，提出了一種能預測鑄件缺陷的Niyama判據法，見式（2）。

式中：為鑄件凝固終了時的溫度梯度；為鑄件的冷卻速率；y為Niyama判據指數，該判據是反應鑄件內部縮松縮孔分布概率的函數，能預測縮松縮孔缺陷出現的可能性，但預測準確性受鑄件形狀和合金種類的影響很大。

多年來，對于鑄件縮松、縮孔缺陷的預測，國內外學者均進行了大量的研究，提出了不同的優化預測模型。王忠等[39]基于鑄件?鑄型傳熱學基礎，詳細研究了低壓鑄造的結晶凝固規律，探討出一種新的縮松縮孔預測方法，提出了低壓鑄造凝固補縮模型（如圖6所示[39]），該模型說明在保壓壓力存在時，金屬液會在保壓壓力的作用下對鑄件進行補縮，當補縮方向為自下向上，即從高溫區向低溫區進行時，保壓時間持續到鑄件完全凝固，則會在澆口處最后凝固，形成一個開口朝上的縮孔，如圖6a所示。隨著保壓時間的增加，鑄件薄壁部位會先凝固，如果保壓壓力足夠大，補縮方式仍按照低壓補縮方式，則會在厚壁部位產生開口向下的縮孔，如圖6b所示。如果保壓壓力不足，則上部厚壁部位會采用重力補縮方式，產生開口向上的縮孔，如圖6c所示。如果保壓時間過短，則鑄件未完全凝固，其補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間對縮松縮孔缺陷形成的影響較大。Kang等[40]構建了K4169高溫合金大型復雜薄壁鑄件的顯微疏松校核判據，判據函數ΔP見式（3）。

該判據包含了影響顯微疏松缺陷形成的工藝因素和材料因素，當鎳基合金定向凝固時，ΔP越大，則顯微縮松形成的傾向越大。謝學競等[41]結合4種典型的疏松判據對疏松率進行了擬合分析，其中Lee判據[42]和Suri判據[43-44]的數學描述見式（4）—（5）。

式中；為溫度梯度；為冷卻速度；s為疏松率。

Suri判據不僅采用了達西定律描述補縮流動，而且考慮了柱狀晶和等軸晶2種不同組織結構對金屬液滲透率的影響。分析表明，Suri疏松判據在對反重力砂型鑄造Al?Cu（Cu的質量分數為l4.5%）合金試件的疏松率預測有更好的適用性；同時表明，采用真空除氣可以有效預防針孔缺陷的形成，適當增加保壓壓力可以有效強化凝固補縮，從而減少疏松缺陷。

在反重力成形鑄件的組織預測方面，也有學者進行了積極的探索。李斌等[45]在大量實驗數據統計分析的基礎上，建立了低壓鑄造ZL114A鋁合金連續形核模型，其連續形核模型的積分公式見式（6）—（7）。

式中：Δ為實際過冷度；Δmn為平均形核過冷度；Δσ為標準曲率過冷度；max為最大形核質點密度。

該連續形核模型中所需要的主要形核參數及一些重要的熱力學和動力學數據均由大量試樣的低壓鑄造實驗測得。另一方面，李斌等采用了一種改進的Celluar Automaton方法耦合有限差分法對合金的微觀組織演化過程進行了數值模擬。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律，驗證了模型預測的準確性。

2.2.2 數值模擬在缺陷預測方面的應用

近年來，數值模擬技術在鑄造成型中的應用越來越廣泛。陳玲等[46]以Ansys軟件為平臺，用有限元法建立了鑄件凝固過程的數學模型，預測出鑄件縮松縮孔缺陷可能出現的位置，并探索了判斷熱裂紋的方法，預測結果與生產驗證結果基本一致。目前，國內外已經開發出用于鑄造領域的數值模擬軟件。其中，美國USE公司開發的ProCAST軟件是一款成熟的商業CAE軟件。數值模擬與實驗相結合的方法已經成為許多科研單位的主要研究手段，饒文杰等[47]通過對ZL114鋁合金薄壁電荷構件進行了數值模擬研究，很好地預測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。嚴力等[48]采用ProCAST軟件實現了AZ91D鎂合金反重力鑄造充型及凝固過程缺陷的精準預測，并進行了驗證。

在高溫合金方面，也有不少學者進行了相應的探索和應用。何波等[49]對IN792合金葉輪鑄件的充型凝固過程進行了數值模擬研究，通過正交實驗優化出合適的鑄造工藝參數，極大地降低了缺陷的形成。清華大學戚翔等[50]對K4169高溫合金機匣熱控凝固工藝過程進行了數值模擬，發現型殼散熱問題是導致缺陷形成的主要原因，并據此進行了工藝優化。鐘發勇等[51]采用數值模擬和田口實驗法，分析了澆注溫度、模殼溫度、澆注時間對K4169高溫合金航空鑄件縮松縮孔缺陷的影響規律，經優化工藝參數后，縮松縮孔缺陷的模擬結果如圖7所示[51]。模擬結果表明，總的縮松縮孔缺陷轉移至冒口部位，鑄件本體縮松縮孔缺陷消失，鑄件的質量得到顯著提升，最終得出澆注溫度對鑄件缺陷形成的影響程度最大的結論。鋼鐵研究總院的李維等[52]和楊曼利等[53]借助數值模擬技術成功制備出質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 最佳參數方案的縮孔縮松[51]

綜上所述，對鑄造缺陷實現精準的預測，可以降低試錯成本，提高生產效率，對鑄造行業實現高效、高質量的發展具有重要意義。目前，對鑄件缺陷的預測主要停留在常見鑄造缺陷定性分析上，未來基于優化模型算法的數值模擬技術將是實現鑄件缺陷的定量預測的重要手段。

3 結語

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量發展過程中面臨的首要問題。多年來，眾多學者和研究單位借助數值模擬等先進的研究方法，通過大量的實驗探索，提出了許多組織缺陷預測模型和優化的鑄造工藝技術，為提高鑄件的成形質量奠定了基礎，積累了大量經驗。不過，在實現缺陷定量預測和組織精準調控方面仍有很長的路要走。

近年來，隨著我國工業4.0戰略的提出，制造業向著先進、高效、高質量方向快速發展。傳統的鑄造生產模式已經無法滿足現代的產業需求，合金精密鑄件正朝著大型、復雜、薄壁一體化的方向發展，對于鑄件的要求是無缺陷、精度高、性能良好。反重力鑄造技術經過多年的發展已經形成了獨特的優勢。一方面，隨著互聯網技術與傳統制造工業的深度融合，鑄造技術向著更加節約、高效、智能化的方向發展。基于多源信息融合的人工智能和大數據技術，有望建立數據更加完善的鑄造缺陷分析專家系統，將為鑄造工作者精準預測、分析缺陷的形成提供可能。同時，基于深度學習、計算機視覺技術的快速發展，不斷優化算法的工業CT無損檢測技術可以實現對鑄造缺陷更精準的定位和評估，提高了檢測效率。另一方面，依據不斷發展的同步輻射技術可以實現對金屬液充型凝固微觀演化過程的實時監測和觀察，這將為更好地了解反重力鑄造成形機理提供有利的工具。同時，隨著3D打印等技術的成熟，未來的鑄造技術理論將不斷與其他先進制造加工技術有機結合，有望實現集多種鑄造方法、鑄造工藝和質量分析為一體的全流程鑄造模式。將逐步實現由人工經驗向電腦控制轉變，這將最大化地發揮材料的使用潛能，降低鑄造缺陷，提高鑄件產品的合格率和出品率，更好地服務于我國制造業的高質量快速發展。

[1] OTARAWANNA S, GOURLAY C M, LAUKLI H I, et al. Microstructure Formation in AlSi4MgMn and AlMg5Si2Mn High-Pressure Die Castings[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2009, 40(7): 1645-1659.

[2] DARGUSCH M S, EASTONA M A, ZHU S M, et al. Elevated Temperature Mechanical Properties and Microstructures of High Pressure Die Cast Magnesium AZ91 Alloy Cast with Different Section Thicknesses[J]. Materials Science & Engineering A, 2009, 523(1/2): 282-288.

[3] AGHION E, MOSCOVITCH N, ARNON A. Mechanical Properties of Die-Cast Magnesium Alloy MRI 230D[J]. Journal of Materials Engineering & Performance, 2009, 18(7):912.

[4] 孫寶德, 王俊, 康茂東,等. 高溫合金超限構件精密鑄造技術及發展趨勢[J]. 金屬學報, 2022, 58(4): 16.

SUN Bao-de, WANG Jun, KANG Mao-dong, et al. Precision Casting Technology and Development Trend of Super-limit Components of Superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2022, 58(4): 16.

[5] 師昌緒, 仲增墉. 我國高溫合金的發展與創新[J]. 金屬學報, 2010, 46(11): 8.

SHI Chang-xu, ZHONG Zeng-yong. Development and Innovation of Superalloys in China[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2010, 46(11): 8

[6] 嚴青松, 余歡, 魏伯康, 等. 有色合金復雜薄壁鑄件反重力鑄造技術的發展和展望[J]. 鑄造, 2006, 55(6): 5.

YAN Qing-song, YU Huan, WEI Bo-kang, et al. Development and Prospect of Counter-Gravity Casting Technology for Complex Thin-walled Castings of Nonferrous alloys[J]. Foundry, 2006, 55(6): 5.

[7] 潘俊杰, 洪潤洲, 王建國. 復雜薄壁鑄件反重力鑄造工藝研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2012, 32(10): 2.

PAN Jun-jie, HONG Run-zhou, WANG Jian-guo. Research on Counter-Gravity Casting Process of Complex Thin-Walled Castings[J]. Special Casting and Non- Ferrous Alloys, 2012, 32(10): 2.

[8] JO A, CWA B, SL A, et al. A Study of an Industrial Counter Pressure Casting Process for Automotive Parts- ScienceDirect[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 15: 7111-7124.

[9] 朱慧明, 蘇小平. 工藝參數對低壓鑄造鋁合金輪轂縮孔形成的影響[J]. 熱加工工藝, 2022(15): 51.

ZHU Hui-ming, SU Xiao-ping. Effect of Process Parameters on Shrinkage Hole Formation of Low- Pressure Cast Aluminum Alloy Wheel[J]. Hot Working Technology, 2022(15): 51

[10] 鄯宇, 王業基, 王峰, 等. 低壓鑄鋁件縮孔缺陷數值模擬與工藝改進[J]. 精密成形工程, 2022, 14(4): 7.

SAN Yu, WANG Ye-ji, WANG Feng, et al. Numerical Simulation and Process Improvement of Shrinkage Defects of Low-Pressure Aluminum Castings[J]. Precision Forming Engineering, 2022, 14(4): 7.

[11] 羅海軍, 介萬奇. 反重力鑄造的充型過程研究[J]. 鑄造技術, 2017, 38(9): 5.

LUO Hai-jun, JIE Wan-qi. Study on Filling Process of Counter-Gravity casting[J]. Foundry Technology, 2017, 38(9): 5.

[12] LI D Z, CAMPBELL J, LI Y Y. Filling System for Investment Cast Ni-Base Turbine Blades[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2004, 148(3): 310-316.

[13] 羅庚生. 低壓鑄造[M]. 北京: 國防工業出版社, 1989: 38-42.

LUO Geng-sheng. Low Pressure Casting[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1989: 38-42.

[14] CHANDLEY D. Use of Vacuum for Counter Gravity Casting of Metals[J]. Materials Technology, 1999, 14(3): 121-126.

[15] 畢鑒智, 曲萬春, 王宏偉, 等. 差壓鑄造的應用及發展[J]. 鑄造技術, 2000(2): 16-18.

BI Jian-zhi, QU Wan-chun, WANG Hong-wei, et al. Application and Development of Differential Pressure Casting[J]. Foundry Technology, 2000(2): 16-18.

[16] 曾建民, 周堯和. 一種調壓鑄造方法: 中國, 1034876A[P]. 1989-08-23.

ZENG Jian-min, ZHOU Yao-he. Pressure Regulating Casting Method: China, 1034876A[P]. 1989-08-23.

[17] PEREBORSHCHIKOV S I, KHABAROV A N. Critical Aluminum Alloy Castings Produced by Low-pressure Casting[J]. Russian Castings Technology, 1997(8/9): 44-46.

[18] 唐多光. 21世紀低壓鑄造技術的展望[J]. 特種鑄造及有色合金, 2002(S1): 4.

TANG Duo-guang. Prospect of Low Pressure Casting Technology in the 21st Century[J]. Special Casting and Non-ferrous Alloys, 2002(S1): 4.

[19] 杜德喜, 于寧. 保壓壓力對鋁車輪低壓鑄造的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2017, 37(4): 2.

DU De-xi, YU Ning. The Effect of Holding Pressure on Low-pressure Casting of Aluminum Wheels[J]. Special Casting and Non-ferrous Alloys, 2017, 37(4): 2.

[20] 馬嵐波, 稅國彥, 苗治全, 等. 高溫合金真空低壓鑄造技術研究進展[J]. 鑄造, 2020, 69(11): 6.

MA Lan-bo, SHUI Guo-yan, MIAO Zhi-quan, et al. Research Progress of High Temperature Alloy Vacuum Low Pressure Casting Technology[J]. Foundry, 2020, 69(11): 6.

[21] YAN Q S , YU H , XU Z F , et al. Effect of Holding Pressure on the Microstructure of Vacuum Counter- pressure Casting Aluminum Alloy[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2010, 501(2): 352-357.

[22] 黃朋朋, 蘆剛, 嚴青松, 等. 凝固壓差對真空差壓鑄造ZL114A合金微觀組織及高溫蠕變性能的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2020, 30(7): 9.

HUANG Peng-peng, LU Gang, YAN Qing-song, et al. Effect of Solidification Pressure Difference on Micros-tructure and High Temperature Creep Properties of ZL114A Alloy Vacuum Differential Pressure Casting[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2020, 30(7): 9.

[23] 熊博文, 余歡, 嚴青松, 等. 真空差壓鑄造薄壁鑄件的研究進展[J]. 特種鑄造及有色合金, 2012, 32(3): 5.

XIONG Bo-wen, YU Huan, YAN Qing-song, et al. Research Progress of Vacuum Differential Pressure Casting Thin-walled Castings[J]. Special Casting and Non-Ferrous Alloys, 2012, 32(3): 5.

[24] 楊國娟, 何益可, 張飛飛, 等. Mg對反重力鑄造ZL116合金組織和性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2020, 40(1): 3.

YANG Guo-juan, HE Yi-ke, ZHANG Fei-fei, et al. Mg Casting against Gravity ZL116 Influence of Alloy Microstructure and Properties[J]. Special Casting and Non-Ferrous Alloys, 2020, 40(1): 3.

[25] 李強, 郝啟堂, 介萬奇. 低壓鑄造和差壓鑄造A357合金人工時效工藝研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2012, 32(9): 5.

LI Qiang, HAO Qi-tang, JIE Wan-qi. Low Pressure Casting and Differential Pressure CastingA357 Research on Alloy Artificial Aging Process[J]. Special Casting and Non-Ferrous Alloys, 2012, 32(9): 5.

[26] 嚴青松, 余歡, 蘆剛, 等. 結晶壓力對真空差壓鑄造鋁合金二次枝晶間距的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2014, 24(5): 6.

YAN Qing-song, YU Huan, LU Gang, et al. Effect of Crystallization Pressure on Secondary Dendrite Spacing of Vacuum Differential Pressure Casting Aluminum Alloy[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(5): 6.

[27] LI Xin-lei,HAO Qi-tang,MIAO Xiao-chuan,et al. Effect of Centrifugal Counter-Gravity Casting on Solidification Microstructure and Mechanical Properties of A357 Aluminum Alloy[J].China Foundry,2014,11(1):14-19.

[28] FU P, LUO A A, JIANG H, et al. Low-Pressure Die Casting of Magnesium Alloy AM50: Response to Process Parameters[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2008, 205(1/2/3): 224-234.

[29] 王狂飛. 充型壓力對石膏型反重力鑄造ZM5鎂合金組織和拉伸性能的影響[J]. 機械工程材料, 2016, 40(5): 4.

WANG Kuang-fei. Effect of Filling Pressure on Microstructure and Tensile Properties of ZM5 Magnesium Alloy in Gypsum Counter-gravity Casting[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2016, 40(5): 4.

[30] JIANG W M, FAN Z T, LIU D J, et al. Influence of Process Parameters on Filling Ability of A356 Aluminium Alloy in Expendable Pattern Shell Casting with Vacuum and Low Pressure[J]. International Journal of Cast Metals Research, 2012, 25(1): 47-52.

[31] ZHANG S Y, LI J S, KOU H C, et al. Effect of Mold Temperature and Casting Dimension on Microstructure and Tensile Properties of Counter-gravity Casting Ti-6Al-4V Alloys[J]. China Foundry, 2016(1): 6.

[32] 周標, 廖恒成, 潘冶. 反重力鑄造凝固條件下A356合金中孔洞形成的研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2008, 28(5): 4.

ZHOU Biao, LIAO Heng-cheng, PAN Ye. Counter- Gravity Casting under Solidification Conditions A356 Study of Hole Formation in Alloys[J]. Special Casting and Non-ferrous Alloys, 2008, 28(5): 4.

[33] SUN J, LE Q, FU L, et al. Gas Entrainment Behavior of Aluminum Alloy Engine Crankcases during the Low- Pressure-Die-Casting Process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 266: 274-282.

[34] LI J, ZHONG Z, FAN Z, et al. Study on Typical Hole Defects in AZ91D Magnesium Alloy Prepared by Low Pressure Lost Foam Casting[J]. China Foundry, 2013(4): 5.

[35] 鄧攀科, 楊智勇, 韓建民, 等. ZL205A真空調壓鑄造有效應力控制與性能研究[J]. 鑄造, 2019, 68(12): 6.

DENG Pan-ke, YANG Zhi-yong, HAN Jian-min, et al. Study on Effective Stress Control and Performance of ZL205A True Air Conditioner Die Casting[J]. Foundry, 2019, 68(12): 6.

[36] ZHOU Y Z, VOLEK A. Effect of Dendrite Arm Spacing on Castability of a Directionally Solidified Nickel Alloy[J]. Scripta Materialia, 2007, 56(6): 537-540.

[37] 聞星火, 康進武, 熊守美, 等. 低壓鑄造鋁合金輪轂充型與凝固模擬[J]. 中國有色金屬學報, 1999, 9(1): 6.

WEN Xing-huo, KANG Jin-wu, XIONG Shou-mei, et al. Simulation of Filling and Solidification of Low-pressure Cast Aluminum Alloy Wheels[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(1): 6.

[38] NIYAMA E , UCHIDA T , MORIKAWA M , et al. "A Method of Shrinkage Prediction and its Application to Steel Casting Practice"[J]. Journal of Japanese Foundry Engineering Society, 1982, 7: 52-63.

[39] 王忠, 牛曉峰, 侯華, 等. 低壓鑄造下凝固過程縮孔縮松的預測方法研究[J]. 鑄造, 2011, 60(10): 5.

WANG Zhong, NIU Xiao-feng, HOU Hua, et al. Research on Prediction Method of Shrinkage Porosity and Shrinkage Pine in Solidification Process under Low Pressure Casting[J]. Casting, 2011, 60(10): 5.

[40] KANG M, YAN H. Prediction of Microporosity in Complex Thin-Wall Castings with the Dimensionless Niyama Criterion[J]. Materials, 2013, 6(5): 1789-1802.

[41] 謝學競, 王猛, 戴銳鋒, 等. 反重力砂型鑄造條件下Al?4.5%Cu疏松判據的比較研究[J]. 鑄造技術, 2009, 30(2): 5.

XIE Xue-jing, WANG Meng, DAI Rui-feng, et al. Comparative Study on Al-4.5% Cu Loosening Criterion under Counter-gravity Sand Casting Conditions[J]. Foundry Technology, 2009, 30(2): 5.

[42] LEE Y W, CHANG E , CHIEU C F. Modeling of Feeding Behavior of Solidifying Al-7Si-0.3Mg Alloy Plate Casting[J]. Metallurgical Transactions B, 1990, 21(4): 715-722.

[43] SURI V K, PAUL A J. Modeling and Prediction of Micro/Macro-Scale Defects in Castings[J]. 1993, 102: 861-867.

[44] SURI V K. Theoretical and Experimental Studies on Pore Formation During Casting Solidification[D]. The University of Alabama. 1993: 5-10.

[45] 李斌, 許慶彥, 潘冬, 等. 低壓鑄造ZL114A鋁合金微觀組織模擬[J]. 金屬學報, 2008(2): 243-248.

LI Bin, XU Qing-yan, PAN Dong, et al. Microstructure Simulation of Low Pressure Casting ZL114A Aluminum alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2008(2): 243-248.

[46] 陳玲, 鄭清春, 安莉珠, 等. 用有限元法對鑄件鑄造缺陷的預測[J]. 鑄造, 2007, 56(3): 4.

CHEN Ling, ZHENG Qing-chun, AN Li-zhu, et al. Prediction of Casting Defects of Castings by Finite Element Method[J]. Foundry, 2007, 56(3): 4.

[47] 饒文杰, 蘆剛, 曾凡毅, 等. 航空薄壁電盒鑄件真空差壓成形數值模擬及工藝優化[C]// 2016中國有色合金及特種鑄造發展論壇論文集, 2016: 103-108.

RAO Wen-jie, LU Gang, ZENG Fan-yi, et al. Numerical Simulation and Process Optimization of Vacuum Differential Pressure Forming of Aviation Thin-walled Electric Box Castings[C]// 2016 China Nonferrous Alloys and Special Casting Development Forum Proceedings, 2016: 103-108.

[48] 嚴力, 王猛, 劉文鋒, 等. AZ91D鎂合金反重力鑄造充型及凝固過程計算機模擬[J]. 鑄造技術, 2006, 27(7): 6.

YAN Li, WANG Meng, LIU Wen-feng, et al. Computer Simulation of Filling and Solidification Process of AZ91D Magnesium Alloy Counter-Gravity Casting[J]. Foundry Technology, 2006, 27(7): 6.

[49] 何波, 周泓江, 李建輝, 等. 鎳基高溫合金葉輪熔模鑄造過程的數值模擬[J]. 稀有金屬, 2016, 40(3): 9.

HE Bo, ZHOU Hong-jiang, LI Jian-hui, et al. Numerical Simulation of Investment Casting Process of Nickel- Based Superalloy Impeller[J]. Rare Metals, 2016, 40(3): 9.

[50] 戚翔, 張勇, 谷懷鵬, 等. K4169高溫合金機匣熱控凝固工藝的數值模擬及優化[J]. 鑄造, 2015, 64(9): 6.

QI Xiang, ZHANG Yong, GU Huai-peng, et al. Numerical Simulation and Optimization of Thermal Controlled Solidification Process of K4169 Superalloy Casing[J]. Casting, 2015, 64(9): 6.

[51] 鐘發勇, 張繼祥, 董安平, 等. 基于數值模擬和田口實驗的K4169高溫合金精密鑄造工藝優化[J/OL]. 熱加工工藝: 1-6 [2022-06-03]. https://kns.cnki.net/kns8/ defaultresult/index.

ZHONG Fa-yong, ZHANG Ji-xiang, DONG An-ping, et al. Optimization of Precision Casting Process of K4169 Superalloy Based on Numerical Simulation and Taguchi Experiment[J/OL]. Hot Working Process:1-6. [2022-06-03]. https://kns.cnki.net/kns8/defaultre-sult/index.

[52] 李維, 李俊濤, 趙剛, 等. 高溫合金燃機葉輪鑄造工藝數值模擬[J]. 金屬功能材料, 2013(1): 6.

LI Wei, LI Jun-tao, ZHAO Gang, et al. Numerical Simulation of Impeller Casting Process of Superalloy Gas Turbine[J]. Metal Functional Materials, 2013(1): 6.

[53] 楊曼利, 劉浩然, 謝秋峰, 等. K4169合金下支座的精鑄工藝[J]. 鑄造, 2016, 65(5): 4.

YANG Man-li, LIU Hao-ran, XIE Qiu-feng, et al. Precision Casting Process of Lower Bearing of K4169 Alloy[J]. Casting, 2016, 65(5): 4.

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

國家科技重大專項（J2019–VI–0004–0117）；航發產學研項目（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，主要研究方向為鎳基高溫合金反重力控壓精鑄成形。

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，主要研究方向為金屬增材制造與外場下金屬凝固理論。

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，主要研究方向為鈦基復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.