Al-7Si-0.5Mg合金薄壁铸件重力砂型铸造工艺的模拟-实验耦合优化研究

推荐：针对Al-7Si-0.5Mg合金薄壁铸件在重力砂型铸造中易出现气孔、缩松和浇不足缺陷的问题，研究人员通过热-动量传输耦合模型（ProCAST）结合实验表征，系统研究了浇注温度（720 °C）、砂型预热温度（110 °C）和充型时间（2.5 s）对缺陷分布和充型长度的影响，优化后的工艺参数显著提升了铸件质量，为航空航天领域薄壁构件的高效制备提供了理论支撑。

　　

在航空航天领域，铝合金薄壁铸件因其轻量化、高比强度和优异铸造性能成为关键结构件。其中，Al-7Si-0.5Mg（A357）合金因其良好的流动性被广泛应用，但传统重力砂型铸造过程中，浇不足、气孔和缩松缺陷严重影响铸件性能。尤其对于厚度仅4 mm的薄壁件，高冷却速率导致熔体流动性骤降，而工艺参数不当更会加剧缺陷形成。目前，高压压铸和熔模铸造虽能改善质量，但高昂的模具成本限制了其应用。如何通过低成本的重力砂型铸造实现薄壁件的高质量成型，成为行业亟待解决的难题。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员采用模拟与实验相结合的创新方法，通过建立热-动量传输耦合模型（ProCAST），系统研究了浇注温度、砂型预热温度和充型时间对Al-7Si-0.5Mg合金薄壁铸件缺陷形成的影响规律。研究发现，浇注温度对流动性影响最为显著，760 °C高温虽使充型长度达407 mm，但会加速气体溶解形成气孔；而720 °C配合110 °C砂型预热和2.5 s快速充型，可实现480 mm完整充型且缺陷可控。该成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为航空航天薄壁构件的低成本高质量生产提供了重要理论依据和工艺指导。

研究团队首先通过SolidWorks构建三维模型，采用ProCAST软件进行网格划分（1,431,869节点），基于Navier-Stokes方程和Niyama准则（阈值2 (°C·s)^0.5/cm）模拟充型过程与缺陷分布。实验采用树脂砂制备4 mm壁厚模具，通过ICP分析合金成分（Al-7.03Si-0.51Mg），结合光学显微镜、EBSD（步长10 μm）和拉伸测试（1 mm/min）表征组织与性能。

4.1 浇注温度的影响
模拟与实验表明，充型长度（L）与浇注温度（T）呈线性关系：L=1.38T?634.6。760 °C时熔体粘度最低（1.06 cP），但气孔数量显著增加（如尺寸0.5×0.8 mm的椭圆形气孔），而缩松缺陷主要集中于充型路径末端（Niyama值<2区域）。720 °C时气孔减少，但缩松仍存在于枝晶交汇处。

4.2 砂型预热温度的作用
提高预热温度（50→110 °C）使温度梯度从11.48降至7.56 °C/cm，充型长度从321 mm提升至463 mm。EBSD显示晶粒尺寸从位置1的675 μm细化至位置4的103 μm，与冷却速率升高（1.5→3.16 °C/s）直接相关。

4.3 充型时间优化
2.5 s快速充型使平均冷却速率降至1.61 °C/s（低于临界值3.7 °C/s），实现完全充型。拉伸测试表明优化后试样抗拉强度达154.6 MPa，断口形貌显示缩松减少是性能提升主因。

该研究创新性地揭示了薄壁铸件缺陷形成的双机制：高温下气体溶解导致气孔，而枝晶搭接（dendritic-arm bridging）阻碍补缩引发缩松。通过多参数协同调控，首次建立了适用于Al-7Si-0.5Mg合金薄壁件的重力砂型铸造工艺窗口，其成果对航空航天轻量化构件的低成本制造具有重要工程价值。未来可进一步探索熔体净化与晶粒细化协同作用，以突破薄壁铸件性能瓶颈。