Page 97 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术
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第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制
圆柱体铸件为例，在液相线温度以上时，铸型吸热，液态金属温度下降产生液态
收缩，其体积的减少可通过浇铸系统进行补充，型腔始终充满金属液。当铸件表
面温度降至凝固温度时，铸件表面凝固成一层固体表面层，此时内浇道已经凝固，
与浇铸系统之间的通道被切断。随着温度进一步下降，已凝固的固体表面层产生
固态收缩，内部的液体金属因温度降低产生液态收缩以及对凝固收缩的补充，体
积缩小，体现为液面的下降。由于合金的液态收缩和凝固收缩大于表面的固态收
缩，进而使液体与顶部表面层分离，形成缩孔。
对于结晶温度范围较宽的合金，在凝固过程中会生成发达的树枝晶，这些树
枝晶相互交织，把液态金属分隔成许多孤立的小熔池。随着凝固的进行，这些小
熔池中的液态金属逐渐凝固，其收缩无法得到有效补缩，就会形成许多细小的缩
孔，即缩松。缩松按其形态可分为宏观缩松和微观缩松两类，宏观缩松是指在铸
件断面上肉眼能够看见的细小缩孔，通常出现在铸件的厚壁中心区域、热节部位
或补缩通道被堵塞的区域；微观缩松则是在显微镜下才能观察到的细小缩孔，存
在于晶粒之间或枝晶之间。
2. 影响因素
浇铸温度是影响缩孔形成的一个关键因素。当浇铸温度过高时，液态金属的
过热度上升，液态收缩量加大，同时凝固时长延长，这让铸件在凝固进程中更易
出现补缩不充分的状况，进而加大缩孔的形成概率。高温还可能使金属液更易氧
化，提升因气孔和氧化物夹杂引发缩孔的可能性。反之，浇铸温度过低，金属液
的流动性变差，难以充填到铸件的各个地方，也会影响补缩效果，致使缩孔产生。
冷却速度对缩孔的形成同样有显著作用。冷却速度不均衡会造成铸件各部分
的凝固速度不一致，从而产生局部过热现象。在局部过热区域，液态金属的凝固
时间变长，收缩量增加，容易形成缩孔。当铸件的某一部分冷却速度过快，而相
邻部分冷却速度较慢时，冷却速度快的部分会先凝固，阻碍了冷却速度慢的部分
的补缩通道，使这部分液态金属在凝固时得不到充足的补缩，进而形成缩孔。
铸件结构设计不合理也是缩孔形成的重要缘由。若铸件壁厚不均匀，存在厚
大部位，这些厚大部位在凝固过程中会形成热节，也就是凝固时间较长的区域。
热节处的液态金属凝固较晚，其收缩难以得到其他部位的有效补缩，容易产生缩
孔。铸件中存在尖锐过渡、封闭结构等也会妨碍补缩金属的流动，增加缩孔形成
的可能性。在铸件的转角处，若没有设计恰当的圆角，会导致应力集中，使该部
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