《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.01.16.002©北京科技大学2020 冷冻铸造A356铝合金微观组织分析 杨浩秦13，单忠德3，刘丰23，王怡飞23 (1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，210016：2.机械科学研究总院集团有限公司，北京，100044 3.先进成形技术与装备国家重点实验室，北京，100083) 摘要：本文基于数字化无模冷冻铸造精密成形技术实现了冷冻砂型的快速成形，对其浇注A356高温铝合 金获得冷冻铸造平板试件。采用电子探针显微分析技术对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件微量元素的分布进 行了表征，同时对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件断裂形貌进行了分析。结果表明，冷冻铸造S元素在铝基 体相中的溶解度较树脂砂型铸造显著提高，冷冻铸造较树脂砂型铸造试件中Mg元素分布均匀，树脂砂型 铸造试件中出现较多的Mg元素成分偏析区：冷冻铸造试件断口形貌为韧性和脆性的混合断裂模式，树脂 砂型铸造试件的断裂形貌为解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合金偏向于脆性海 关键词：诊冻铸造：模成形：：无模成形，一绿色铸造：一成分分布：：断日形貌 中图法分类号：TG146.22文献标识码：A文章编号： Microstructure analysis of freeze-cast A356 aluminum alloy YANG Haoqin 3,SHAN Zhongde,LIU Feng2,WANG Yifei2 (1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Materials Science and Technology,Nanjing,210016;2.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.Itd,Beijing,10044 3.State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment,Beijing,100083) Abstract:In combination with the digital and green development needs of the foundry industry,this article innovatively proposes a digital patternless freezing casting method.The principle is that the mixed water green sand particles are frozen and transformed to a certain strength in a low temperature environment. and then directly cut through the sand mold CAD three-dimensional model.Pouring to obtain castings with dimensional accuracy that meets the requirements.it is a new technology,new process and new method in the field of casting.With the rapid development of rapid and sub-rapid solidification technology of metals. the noqi solidificationthyof liquid-solid transformationuring thepreparation of metals and alloy materials has been developed by leaps and bounds.Using some special non-equilibrium solidifcation techniquemetal parts,and to make the metal parts have a special structure and structure that traditional casting does not have,is a way to improve the properties of materials and structures.The non-equilibrium solidification mechanism based on the freezing casting technology is not clear yet.based on the non-equilibrium solidification process of the freezing casting principle,a higher cooling rare win significantly affect the heat transfer and mass transfer behavior of the casting during solidification,and then have a significant impact on the alloy micro-component distribution and fracture morphology,and ultimately affect the service performance of the alloy material.Based on the digital precision forming technology of patternless frozen casting.this paper realized the rapid forming of frozen sand mold,the frozen casting flat castings were obtained by pouring A356 high temperature aluminum alloy.The distribution of trace elements in frozen casting and resin sand casting castings was characterized by electron probe microanalysis,and the fracture morphology of frozen casting and resin sand castings was analyzed.The results show that the solubility ement in aluminum matrix phase of freeze casting is significantly higher than that of r and casting the distr of Mg element in freeze casting is more uniform than that in resin sand casting,and there are more segregati areas of Mg element composition in resin sand casting specimens.The fracture morphology of freeze-cast specimens is a mixed fracture mode of toughness and brittleness,while the fracture morphology of resin sand casting specimens is cleavage step failure morphology and rectangular tear structure
冷冻铸造 A356 铝合金微观组织分析 杨浩秦 1,3，单忠德 1,3，刘丰 2,3，王怡飞 2,3 (1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，210016；2.机械科学研究总院集团有限公司，北京，100044 3.先进成形技术与装备国家重点实验室，北京，100083） 摘要：本文基于数字化无模冷冻铸造精密成形技术实现了冷冻砂型的快速成形，对其浇注 A356 高温铝合 金获得冷冻铸造平板试件。采用电子探针显微分析技术对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件微量元素的分布进 行了表征，同时对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件断裂形貌进行了分析。结果表明，冷冻铸造 Si 元素在铝基 体相中的溶解度较树脂砂型铸造显著提高，冷冻铸造较树脂砂型铸造试件中 Mg 元素分布均匀，树脂砂型 铸造试件中出现较多的 Mg 元素成分偏析区；冷冻铸造试件断口形貌为韧性和脆性的混合断裂模式，树脂 砂型铸造试件的断裂形貌为解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合金偏向于脆性断裂。 关键词：冷冻铸造; 模成形; ；无模成形；绿色铸造; ；成分分布; ；断口形貌 中图法分类号：TG146.22 文献标识码： A 文章编号： Microstructure analysis of freeze-cast A356 aluminum alloy YANG Haoqin1,3, SHAN Zhongde1,3, LIU Feng2,3, WANG Yifei2,3 (1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Materials Science and Technology, Nanjing, 210016; 2.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.Itd, Beijing ,100044; 3. State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment, Beijing ,100083) Abstract: In combination with the digital and green development needs of the foundry industry, this article innovatively proposes a digital patternless freezing casting method. The principle is that the mixed water green sand particles are frozen and transformed to a certain strength in a low temperature environment, and then directly cut through the sand mold CAD three-dimensional model. Pouring to obtain castings with dimensional accuracy that meets the requirements, it is a new technology, new process and new method in the field of casting. With the rapid development of rapid and sub-rapid solidification technology of metals, the non-equilibrium solidification theory of liquid-solid transformation during the preparation of metals and alloy materials has been developed by leaps and bounds. Using some special non-equilibrium solidification techniques to prepare metal parts, and to make the metal parts have a special structure and structure that traditional casting does not have, is a way to improve the properties of materials and structures. The non-equilibrium solidification mechanism based on the freezing casting technology is not clear yet, based on the non-equilibrium solidification process of the freezing casting principle, a higher cooling rate will significantly affect the heat transfer and mass transfer behavior of the casting during solidification, and then have a significant impact on the alloy micro-component distribution and fracture morphology, and ultimately affect the service performance of the alloy material . Based on the digital precision forming technology of patternless frozen casting, this paper realized the rapid forming of frozen sand mold, the frozen casting flat castings were obtained by pouring A356 high temperature aluminum alloy. The distribution of trace elements in frozen casting and resin sand casting castings was characterized by electron probe microanalysis, and the fracture morphology of frozen casting and resin sand castings was analyzed. The results show that the solubility of Si element in aluminum matrix phase of freeze casting is significantly higher than that of resin sand casting, the distribution of Mg element in freeze casting is more uniform than that in resin sand casting, and there are more segregation areas of Mg element composition in resin sand casting specimens. The fracture morphology of freeze-cast specimens is a mixed fracture mode of toughness and brittleness, while the fracture morphology of resin sand casting specimens is cleavage step failure morphology and rectangular tear structure 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.16.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
morphology.and the alloy tends to brittle fracture. Key words:Ereezen Casting:Patternless- ming;-Pattemless forming:Green casting;Composition distribution;Fracture morphology 与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS的减 0引言 小引起抗拉强度和延伸率的增加 环境问题的日益严重和人们环保意识的 Hs,Kobayashi T和Li采用快速凝固技术及罐 逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展 土元素变质技术制备的A359和A357铝合金， 。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、 其基体相a-A1的二次枝晶臂间距显著减小， 成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排 共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为 放多等突出问题。国防军工、航空航天等领 细针状，同时Mg、Si、Ti等溶质原子在AI基 域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精 体相中的溶解度显著提高以此方法制备的 度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成 系列铝硅合金的力学性能得到显著提高 为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战，。 7,1。Jiang采用消岁 浩制备的A356 因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备 铝合金在铸态和6热感 杰下的微观组织一 减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件 拉仲性能以及拉伸豚 行了研究，消失模 品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破 声型铸造A3儡金拉伸断口为具有准解 与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续 理面和靓窝形貌混合断口，最终表现为学 发展迫在眉睫1。数字化无模冷冻铸造技术 面消失模铸造A356铝合金拉伸 可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性 的脆性断口，因此采用一些快速 化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿 可以显著提升溶质固溶度和铸件断 色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深 9。本文采用冷冻铸造方法制备铝合 入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固 金式件， 是一种新型绿色铸造成形方法，基 特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色 王冷冻铸造技术的非平衡邂固机制尚不洁晰。 铸造理论体系的发展有着重大意义。随着金 基王研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过 属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及 程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固 合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝 过程的传热及传质行为，进而对合金微观成 固理论得到长足的发展。采用特殊的非平 分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响 衡凝固技术去制备金属件并且使金属件具 合金材料的服役性能。A356铝合金强度高， 备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是 塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮 目前改善材料与组织性能的种方式。铸造 船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 A356铝合金力举姓能注要取决王显微组织中 2o,因此本文选用A356铝合金作为冷冻铸造 各相形态、大小及街21)，A356合金快速过 试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂 程中结晶潜漤程放较快，导致高温合金熔体 砂型中分别浇注A356铝合金高温熔体制备不 中的A原散付程受阻，初生α-A1相的长 同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析 大得到有效物制，最终获得细小的α-AL枝晶 微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻 相，因此提高凝固冷却速率可显著隆低初生 铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸 @-A1相二次枝晶臂间距(SDAS)4。Rios51采 件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉 用快速凝固技术发现A359铝合金的初生Q-A1 伸作用下，A356铝合金的裂纹萌生与发展和 相的一次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表 初生a-A1和共晶Si的形态及分布有直接关系， 明，铸件a-A1相的SDAS大小直接依赖于合 在不改变A356铝合金的结构特点的情况下， 金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距 充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本 信息，这对A356铝合金的应用具有重要意义 收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年料学基金(51525503) 通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金
morphology, , and the alloy tends to brittle fracture. Key words: Freezen Casting;Patternless forming; Patternless forming; Green casting; Composition distribution; Fracture morphology 0 引言 环境问题的日益严重和人们环保意识的 逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展 [1,2]。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、 成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排 放多等突出问题[3-6]。国防军工、航空航天等领 域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精 度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成 为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战[7,8]。 因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备 减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件 品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破 与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续 发展迫在眉睫[9,10]。数字化无模冷冻铸造技术 可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性 化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿 色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深 入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固 特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色 铸造理论体系的发展有着重大意义[11]。随着金 属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及 合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝 固理论得到长足的发展。采用一些特殊的非平 衡凝固技术去制备金属件，并且使金属件具 备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是 目前改善材料与组织性能的一种方式。铸造 A356 铝合金力学性能主要取决于显微组织中 各相形态、大小及分布[1 2 ,1 3 ]。A356 合金快速过 程中结晶潜热释放较快，导致高温合金熔体 中的 Al 原子扩散过程受阻，初生 ɑ-Al 相的长 大得到有效抑制，最终获得细小的 ɑ-Al 枝晶 相，因此提高凝固冷却速率可显著降低初生 ɑ-Al 相二次枝晶臂间距（SDAS）[1 4 ]。Rios[1 5 ]采 用快速凝固技术发现 A359 铝合金的初生 α-Al 相的二次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表 明，铸件 ɑ-Al 相的 SDAS 大小直接依赖于合 金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距 收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年科学基金（51525503） 与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS 的减 小 引 起 抗 拉 强 度 和 延 伸 率 的 增 加 [1 6 ]。Kobayashi T 和 Li 采用快速凝固技术及稀 土元素变质技术制备的 A359 和 A357 铝合金， 其基体相 α-Al 的二次枝晶臂间距显著减小， 共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为 细针状，同时 Mg、Si、Ti 等溶质原子在 Al 基 体相中的溶解度显著提高，以此方法制备的 系 列铝 硅合 金的 力学 性能 得 到 显著 提高 [127 ,138 ]。Jiang 采用消失模壳型铸造制备的 A356 铝合金在铸态和 T6 热处理态下的微观组织、 拉伸性能以及拉伸断口进行了研究，消失模 壳型铸造 A356 铝合金拉伸断口为具有准解 理面和韧窝形貌的混合断口，最终表现为穿 晶断裂模式。而消失模铸造 A356 铝合金拉伸 断口为明显的脆性断口，。因此采用一些快速 凝固技术可以显著提升溶质固溶度和铸件断 口形貌[1 4 9 ]。本文采用冷冻铸造方法制备铝合 金试件，是一种新型绿色铸造成形方法，基 于冷冻铸造技术的非平衡凝固机制尚不清晰。 基于研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过 程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固 过程的传热及传质行为，进而对合金微观成 分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响 合金材料的服役性能。A356 铝合金强度高， 塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮 船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 [20 ]，因此本文选用 A356 铝合金作为冷冻铸造 试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂 砂型中分别浇注 A356 铝合金高温熔体制备不 同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析 微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻 铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸 件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉 伸作用下，A356 铝合金的裂纹萌生与发展和 初生 α-Al 和共晶 Si 的形态及分布有直接关系， 在不改变 A356 铝合金的结构特点的情况下， 充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本 信息，这对 A356 铝合金的应用具有重要意义 通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金 录用稿件，非最终出版稿
微观成分分布和断裂形貌进行研究，表征不 frozen sand mold 同凝固速率下的断口形貌，推断其断裂方式， 1.2试验方法 为该材料的应用提供一定的参考数据和设计 对A356铝合金高温熔体采用精炼除气工 依据。 艺（包括未除气精炼）浇注的薄板试件进行 1试验材料及方法 切割、打磨、抛光，并采用激光共聚焦表征不 1.1试验材料 同精炼温度条件下的气孔缺陷的多少，研究 本次实验所测试的冷冻砂坯是预混4M. 不同精炼温度对A356铝合金试件内部气孔缺 %水的100目普通硅砂颗粒在-20℃下冻结后 陷的影响规律，确定合适精炼工艺。铝合金高 制备的。树脂砂型铸造型砂颗粒采用100目硅 温熔体的精炼过程可以有效排除铸件内部的 砂颗粒，同时混合2w%的酚醛树脂制备树 气孔、杂质等缺陷，本研究采用C,CL。精炼剂 脂砂坯，通过数字化无模铸造精密成形机对 对A356铝合金的熔炼过程进行化学除气及精 冷冻砂型和树脂砂型进行加工，对数字化无 炼处理，采用0.56C⊙分别在 模铣削加工的冷冻砂型和树脂砂型进行A356 750℃、720℃和690℃三个精陈温度下对A356 铝合金轮毅平板件浇注试验。冷冻砂型数字化 铝合金高温熔体进行C6除气精炼处理，在 无模成形过程如图1所示，制备的冷冻砂型 650℃的浇注温度下制备测试铸件气孔密度的 和树脂砂型尺寸为120×60x20mm。A356铝合 试样，然后根据浇注试样中气孔缺陷密度大 金化学成分如表1所示。 小，优选出适宜的貂合金除气精炼温度，最 大限度减少铸件凝固缺陷。 滚用电子探针显微分析(EPMA)对冷 冻铸造和树脂砂型铸造的A356铝合金的微观 成分分布进行扫描分析。EPMA的原理是用聚 焦电子束照射到A356铝合金表面，将产生的 X射线的特征谱线进行波长和强度测试，然 后对其照射区域内元素类别进行测试。 图1冷冻砂型数字化无模切削过程 采用Quanta FEG扫描电镜(SEM)对冷 Fig.1 Digital Patternless cutting process of 冻铸造和树脂砂型铸造A356铝合金试样的抗 拉断裂断口形貌进行观察。。一 用稿 A356铝合金主要化学成分(wt%) Chemical Composition of A356 Aluminum Alloy(wt%) Si Fe Cu n A 724 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest 724 0324 0192 0-154 0.007 0.012 The Rest 2实验结果及讨论 2.1A356铝合金熔体精炼及气孔分析
微观成分分布和断裂形貌进行研究，表征不 同凝固速率下的断口形貌，推断其断裂方式， 为该材料的应用提供一定的参考数据和设计 依据。 1 试验材料及方法 1.1 试验材料 本次实验所测试的冷冻砂坯是预混 4wt. %水的 100 目普通硅砂颗粒在-20℃下冻结后 制备的。树脂砂型铸造型砂颗粒采用 100 目硅 砂颗粒，同时混合 2wt.%的酚醛树脂制备树 脂砂坯，通过数字化无模铸造精密成形机对 冷冻砂型和树脂砂型进行加工，对数字化无 模铣削加工的冷冻砂型和树脂砂型进行 A356 铝合金轮毂平板件浇注试验。冷冻砂型数字化 无模成形过程如图 1 所示，制备的冷冻砂型 和树脂砂型尺寸为 120×60×20mm。A356 铝合 金化学成分如表 1 所示。 图 1 冷冻砂型数字化无模切削过程 Fig.1 Digital Patternless cutting process of frozen sand mold 1.2 试验方法 对 A356 铝合金高温熔体采用精炼除气工 艺（包括未除气精炼）浇注的薄板试件进行 切割、打磨、抛光，并采用激光共聚焦表征不 同精炼温度条件下的气孔缺陷的多少，研究 不同精炼温度对 A356 铝合金试件内部气孔缺 陷的影响规律，确定合适精炼工艺。铝合金高 温熔体的精炼过程可以有效排除铸件内部的 气孔、杂质等缺陷，本研究采用 C2Cl6精炼剂 对 A356 铝合金的熔炼过程进行化学除气及精 炼 处 理 ， 采 用 0.5wt.%C2Cl6 分 别 在 750℃、720℃和 690℃三个精炼温度下对 A356 铝合金高温熔体进行 C2Cl6除气精炼处理，在 650℃的浇注温度下制备测试铸件气孔密度的 试样，然后根据浇注试样中气孔缺陷密度大 小，优选出适宜的铝合金除气精炼温度，最 大限度减少铸件凝固缺陷。 采用电子探针显微分析（EPMA）对冷 冻铸造和树脂砂型铸造的 A356 铝合金的微观 成分分布进行扫描分析。EPMA 的原理是用聚 焦电子束照射到 A356 铝合金表面，将产生的 X 射线的特征谱线进行波长和强度测试，然 后对其照射区域内元素类别进行测试。 采用 Quanta FEG 扫描电镜（SEM）对冷 冻铸造和树脂砂型铸造 A356 铝合金试样的抗 拉断裂断口形貌进行观察。。 表 1 A356 铝合金主要化学成分（wt.%） Tab.1 Chemical Composition of A356 Aluminum Alloy(wt.%) Si Mg Ti Fe Cu Zn Al 7.24 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest 2 实验结果及讨论 2.1 A356 铝合金熔体精炼及气孔分析 Si Mg Ti Fe Cu Zn Al 录用稿件，非最终出版稿 7.24 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest
铝合金高温熔体净化处理技术可显著提 高A356铝合金铸件的整体质量和铸造性能 精炼温度下A356铝合金的气孔密度，蓝色斑 21,四。铝合金铸件的铸态组织中易产生气 点为铝合金中的气孔，绿色及红色部分为 孔缺陷，其中绝大部分（约80-90%）为氢气 A356铝合金基体（红色代表铝基体中突出部 孔导致的缺陷，这是因为氢原子在液固围液 位)，不同颜色表示铝基体不同高度。对不同 两相中溶解度分别为0.65m/100g(液相)和 精炼温度下任选五处试样的气孔数量进行统 0.034ml/100g(固相)，可以看出氢原子在液 计可以看出，未精炼处理的A356铝合金中的 相中的溶解度约为在固相中的19.1倍，氢原 气孔尺寸较大，并且数量最多，在约160mm2 子在高温液态铝合金熔体中的溶解度非常大， 的视场范围内，气孔密度达到0.28个mm2: 因此氢原子在铝合金的液固固液转变过程中 高温合金熔体在750℃精炼除气时，气孔密度 有较强的析出倾向，造成大量的气孔缺陷 达到0.21个mm2:高温合金熔体在720℃精 [6+23,24。 炼除气时，精炼处理后试样守负气孔密度显 图2所示铝合金在冷冻砂型中的凝固过 著降低：当高温合金熔体的精炼温度下降到 程及获得的A356铝合金薄板件。在浇注过程 到690℃时，精炼处理后试样中的针孔密度上 中，接触冷冻砂型的高温金属熔体瞬间凝圄 升，气孔密度达到030mm2,而且气孔缺 成 陷的尺寸重新变太，精炼效果变差。因此本实 试件表层，铸件只寸精度可达T8。一图3 验选用0.5wt%的CCl6精炼剂在720℃对 为不同 A356铝合金高温塔体进行精炼处理，可使气 孔缺陷最莎铸件性能最优。 非最 入图2A356铝合金冷冻铸造薄板件 356 Aluminum Alloy Freeze Casting Sheet Parts 5mm 5mm
铝合金高温熔体净化处理技术可显著提 高 A356 铝合金铸件的整体质量和铸造性能 [145 21 ,156 2 2 ]。铝合金铸件的铸态组织中易产生气 孔缺陷，其中绝大部分（约 80-90%）为氢气 孔导致的缺陷，这是因为氢原子在液固固液 两相中溶解度分别为 0.65ml/100g（液相）和 0.034ml/100g（固相），可以看出氢原子在液 相中的溶解度约为在固相中的 19.1 倍，氢原 子在高温液态铝合金熔体中的溶解度非常大， 因此氢原子在铝合金的液固固液转变过程中 有较强的析出倾向，造成大量的气孔缺陷 [167 2 3 ,2 4 ]。 图 2 所示铝合金在冷冻砂型中的凝固过 程及获得的 A356 铝合金薄板件。在浇注过程 中，接触冷冻砂型的高温金属熔体瞬间凝固 成 试件表层，铸件尺寸精度可达 CT8。图 3 为不同 精炼温度下 A356 铝合金的气孔密度，蓝色斑 点为铝合金中的气孔，绿色及红色部分为 A356 铝合金基体（红色代表铝基体中突出部 位），不同颜色表示铝基体不同高度。对不同 精炼温度下任选五处试样的气孔数量进行统 计可以看出，未精炼处理的 A356 铝合金中的 气孔尺寸较大，并且数量最多，在约 160mm2 的视场范围内，气孔密度达到 0.28 个/mm2； 高温合金熔体在 750℃精炼除气时，气孔密度 达到 0.21 个/mm2；高温合金熔体在 720℃精 炼除气时，精炼处理后试样中的气孔密度显 著降低；当高温合金熔体的精炼温度下降到 到 690℃时，精炼处理后试样中的针孔密度上 升，气孔密度达到 0.30 个/mm2，而且气孔缺 陷的尺寸重新变大，精炼效果变差。因此本实 验 选 用 0.5wt.% 的 C2Cl6 精 炼 剂 在 720℃ 对 A356 铝合金高温熔体进行精炼处理，可使气 孔缺陷最少，铸件性能最优。 图 2 A356 铝合金冷冻铸造薄板件 Fig.2 A356 Aluminum Alloy Freeze Casting Sheet Parts 5mm 5mm (a) (b) Stomatal defect 录用稿件，非最终出版稿 Aluminum alloy substrate
(c) 5mm 5mm 图2A356铝合金冷冻铸造薄板件 Fig 2 A356 Aluminum Alloy Freeze Casting Sheet Parts © (a) (b) Stomata defect 孔缺陷 录竊件，彩 5mm ●1 5mm 5mm
图 2 A356 铝合金冷冻铸造薄板件 Fig.2 A356 Aluminum Alloy Freeze Casting Sheet Parts 5mm 5mm (c) (d) 5mm 5mm (a) (b) Stomatal defect 气 孔缺陷 铝合金基体 5mm 5mm (c) (d) 录用稿件，非最终出版稿