眾所周知，鑄件中的存在氣孔和縮孔2 類孔洞。重力鑄造中的孔洞通常在凝固過程的高固相體積分?jǐn)?shù)階段形成。而在壓鑄過程中，由于充型過程中存在氣體的卷入，這些卷入氣體在凝固開始之前就存在于液相中，若氣孔在凝固過程中與收縮孔洞相互連通，則會(huì)形成氣體-收縮孔洞 (簡稱氣縮孔)。

      根據(jù) X 射線斷層掃描及三維重構(gòu)的結(jié)果，對(duì)氣孔、氣縮孔和縮孔三類孔洞的形貌、體積、圓整度和內(nèi)部壓力進(jìn)行了比較分析，并探討了其形成機(jī)制。

      所示為典型的氣孔形貌，圖中 4 個(gè)氣孔的平均體積為 0.0100 mm3，平均圓整度為 0.5863。由于這類孔洞是由壓鑄充型過程中氣體卷入所致，顯而易見，氣孔形狀較為圓整，具有較為光滑的表面。統(tǒng)計(jì)表明，總共 18 根試樣中有 87%的孔洞圓整度高于0.5，具有較為圓整的形狀。

      氣孔的長大可用下式描述：

      其中，Δp 為氣孔外部壓力，σ 為孔洞表面張力，r 為氣孔半徑。當(dāng)孔洞的內(nèi)部壓力大于外部壓力 Δp 時(shí)，氣孔發(fā)生膨脹長大，直至內(nèi)外壓力平衡，孔洞停止生長。

      本研究所用壓鑄件的增壓壓力參數(shù)為 65 MPa，卷入的氣孔在凝固過程中由于受到增壓壓力的壓縮，其尺寸變小但內(nèi)部壓力增加。在凝固早期，鑄件絕大部分仍為液相，假設(shè)增壓壓力能夠較好地傳遞至壓鑄件內(nèi)部，卷入氣孔在充型結(jié)束后應(yīng)具有與增壓壓力相當(dāng)?shù)膲毫?。在增壓壓力的作用下，正在凝固的鑄件和模具之間的接觸更加緊密，從而增大了傳熱系數(shù)，加速了鑄件與模具間的熱量傳遞，并在鑄件的表層形成了一層細(xì)密的激冷組織。如果卷入氣孔存在于鑄件的凝固早期階段就迅速發(fā)生液固轉(zhuǎn)變的部位 (如表層處)，其體積長大和形狀變化將會(huì)受到快速生長的固相限制。因此，最終氣孔在鑄件中保持了卷入后的較為圓整的形態(tài)，其體積較小，內(nèi)部壓力很高，具有與增壓壓力相當(dāng)?shù)膲毫λ?(10 MPa 級(jí))。值得注意的是，在壓鑄件的高溫?zé)崽幚磉^程中，隨著溫度的升高，氣孔的內(nèi)部壓力將會(huì)進(jìn)一步增加。假設(shè)熱處理溫度為 500℃，根據(jù)理想氣體的 Clapeyron 方程，若體積不變，壓力將會(huì)增加 2 倍。由于這些孔洞位于鑄件較早凝固的部位，如鑄件表層處，在熱處理過程中如果其內(nèi)部壓力超過了表層的強(qiáng)度，氣孔就會(huì)發(fā)生體積膨脹，在壓鑄件表層產(chǎn)生所謂的“起泡”缺陷，這也是普通壓鑄件難以進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼脑颉?/span>

       氣縮孔的形成和長大是由氣體卷入和凝固收縮共同引起的。氣縮孔的形貌特征表現(xiàn)為較為圓整的孔洞本體與一些凸起或長尾狀部分或兩者共同組成。表 2-5 中氣縮孔的平均體積約 0.0726 mm3，約為表 2-4 中的氣孔平均體積的 7 倍。由于具有凸起和長尾狀部分，氣縮孔形狀相較氣孔復(fù)雜，其平均圓整度為0.3957，比氣孔低。

在壓鑄件的凝固過程中，隨著固相分?jǐn)?shù)的增加，壓室傳遞到模具型腔內(nèi)的壓力不斷減小。因此，凝固早期的孔洞受到增壓壓力的壓縮作用，其內(nèi)部壓力很高，隨著凝固不斷進(jìn)行和壓力傳遞的衰減，孔洞周圍金屬液的壓力減小，如果孔洞位于液相和糊狀區(qū)，將會(huì)繼續(xù)發(fā)生體積膨脹。在凝固后期，孔洞周圍的枝晶骨架已經(jīng)形成，根據(jù)枝晶間流動(dòng)的 Darcy 定律，，補(bǔ)縮能力減弱，局部液相壓力將進(jìn)一步減小。

      其中，K 表示滲透率，μ 為金屬液的粘度，ΔP 是壓力梯度。此時(shí)，由于受到已形成的枝晶骨架阻礙，孔洞的長大就不能繼續(xù)保持球體形狀。由于孔洞內(nèi)的高壓可以推動(dòng)其周圍的殘留液體在枝晶間向離開孔洞的方向流動(dòng)，從而在孔洞表面形成凸起。如果該殘留液體的流動(dòng)距離較長，將形成含有長尾狀部分的縮孔。此外，枝晶間液相的流動(dòng)還可以連通 2 個(gè)相鄰的獨(dú)立氣孔。與氣孔相比，氣縮孔的體積增大但壓力有所減小。這是由于氣縮孔與氣孔的形成均來源于氣體卷入，在增壓壓力的作用下，卷入的氣體在充型結(jié)束后具有相同的壓力水平，對(duì)比圖 2-8 和圖 2-9 中的孔洞體積可知，假設(shè)原始的卷入氣體數(shù)量相當(dāng)，根據(jù) Clapeyron 方程，氣縮孔的壓力比氣孔約低 1 個(gè)數(shù)量級(jí) (約為 MPa 級(jí))。

      在壓鑄過程中，當(dāng)內(nèi)澆口完全凝固時(shí)，壓室的壓力就無法傳遞至型腔內(nèi)部，這時(shí)鑄件的熱節(jié)部位若仍殘留有液相，將會(huì)形成縮孔缺陷。縮孔的形成原因包括：凝固收縮產(chǎn)生的糊狀區(qū)壓力下降、過飽和的氫析出以及孔洞的形核長大。圖 2-10 給出了經(jīng) X 射線斷層掃描和三維重構(gòu)得到的典型縮孔形貌，與上述兩種由氣體卷入所形成的孔洞不同，縮孔是在凝固過程中的高固相體積分?jǐn)?shù)階段形成的，其長大受到已形成枝晶骨架的限制，只能在枝晶間生長，致使其具有極其復(fù)雜的三維形貌。表 2-6 中所列縮孔的平均體積和圓整度分別為 0.0098 mm3和 0.2169，在三類孔洞中均屬最低。本研究中，氣孔和氣縮孔由于受到增壓壓力的作用，忽略凝固初期的壓力傳遞損失，兩者的初始?jí)毫?huì)達(dá)到 50 MPa 以上，而根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果，縮孔的壓力水平僅為 kPa 級(jí)，比氣孔約低 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

      根據(jù)上述研究，表 2-7 總結(jié)了 ADC12 鋁合金壓鑄件中氣孔、氣縮孔和縮孔的三維形貌與特征。氣孔具有小體積、高壓力和近球形的特點(diǎn)；氣縮孔表現(xiàn)為由近球形的氣孔和許多表面凸起或長尾狀部分組成，其體積比氣孔高，壓力比氣孔約低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)；縮孔是在凝固過程中的高固相體積分?jǐn)?shù)階段形成，體積較小，空間形狀非常復(fù)雜且圓整度最低，其壓力比氣孔約低 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。