高强度铝合金铸件作为航空、航天、航海等工业领域内不可或缺的结构零件,对先进铸造技术提出了新的要求。其主要发展目标是实现复杂结构铸件的整体化、精确化、高性能以及高可靠性的铸造技术。基于上述需求所展开的铝合金凝固理论及其铸造过程的研究成果最集中的体现就在于对先进铸造技术及成形工艺的引导和推动。深入研究铝合金的凝固特性、控制铸造缺陷的形成和促进新型铸造技术的发展依然有着极为重要的理论及工程意义。本文的主要研究内容包括:铝合金凝固过程的理论分析;铸造参数对微观组织的影响;铸造铝合金力学性能的研究;铸件成形工艺的数值模拟及复杂结构铸件的近净尺寸成型。最终,以激光立体成形制模技术(3D打印)与石膏型精密铸造技术为基础,结合铝合金凝固理论的研究成果,发展出了一种低缺陷、高精度、高性能、复杂结构件整体近净尺寸铸造新技术。其主要研究成果如下:(1)分别建立了基于柱状枝晶与等轴晶凝固形态下的微观孔洞形成的数学模型,该模型综合考虑了氢含量、凝固收缩以及界面张力等因素的影响。对于柱状枝晶凝固过程,其糊状区的压降可以通过Darcy公式进行计算;而对于等轴枝晶凝固过程,其糊状区压降则可以使用Hagen-Poiseuille公式求得。利用本数学模型计算了铝合金凝固过程中微观孔洞形成的临界固相分数fsc。其结果表明,二次枝晶间距及晶粒半径越大,铝合金中微观孔洞形成的可能性就越大;反之,则微孔不易产生;在等轴晶凝固条件下,较宽的液相流动通道对微孔形成趋势的影响较为有限;但若其值小于3 mm,则影响结果显著。应用本论文提出的数学模型计算得到的微孔形成规律与Poirier及Piwonka-Flemings模型一致,且与实验结果相吻合。(2)研究了Al-4.5Cu-0.55Mn合金在砂型和金属型中凝固的微观组织,在金属型试样中发现了典型的热裂纹缺陷。研究表明,在凝固末期,枝晶相互交错桥接,少量液相被隔离在枝晶之间。随着温度进一步降低,剩余液相开始凝固,并产生凝固收缩,此时,若有新的液相可以通过枝晶间通道补充进来,则由于收缩而产生的孔洞将会被填补;另一方面,若凝固收缩不能被补充,则必然在枝晶间产生孔洞;假若此时已凝固部分受到应力σf的作用,且其超过固相所能承受的极限,则将在孔洞位置萌生裂纹,最终导致热裂发生。(3)以A357和ZL205A合金为研究对象,分别获得了在金属型、砂型以及石膏型中凝固冷却的试样组织。结果表明,对于同一直径尺寸的试棒,金属型中二次枝晶间距和晶粒等效直径最小,石膏型中最大;在同一铸型中,随着试样直径的增大,试样横截面径向上各点的二次枝晶间距均逐渐增大。A357合金中,二次枝晶间距与冷却速率存在关系为332802822541.V.-=l,ZL205A中晶粒等效直径与冷却速率的关系则为17380245100.0V.L-=。二次枝晶间距以及晶粒大小只与具体的冷却速率值相关,而与具体造成冷速差别的原因关系不明显。(4)在真空度为0.5 atm,压力为3 atm的条件下获得了通过真空增压石膏型精密铸造技术凝固的A356铝合金试样。T6热处理后测得其抗拉强度σb=280 MPa,延伸率δ=4%。在PQ-6试验机上测试得到了其旋转弯曲疲劳寿命S-N曲线。当试样寿命为107次周期时,其极限强度约为90 MPa。通过对断口金相、微观组织以及力学性能等方面的综合分析,发现试样中的孔洞缺陷是诱导裂纹萌生并有利于裂纹扩展的主要原因。建立了疲劳寿命、孔洞尺寸以及外加载应力之间的量化关系,并通过对有效实验数据拟合,获得了Pairs-Erdogan’s公式中两个关键参数C和m的数值分别为0.626×10-14与4.009。从试验结果可知,当外加应力一定时,随着循环次数的增加,可以引起试样产生裂纹并导致其断裂的孔洞缺陷门槛尺寸越小。(5)对某型战机零件进行了铸造工艺设计;建立了三种浇注系统的三维模型;提出了以铸造工艺凸台替代内浇口的新概念。最后利用计算机数值模拟技术,成功模拟了三种不同工艺条件下铸件的充型凝固过程,获得了包括充型过程温度场、流场、凝固温度场等大量数据。通过对计算结果及铝合金凝固特性分析,优化了适合石膏型铸造的浇注系统及工艺参数。进而对本文中所使用的商用模拟软件铸型材料数据库进行了扩展。(6)以激光立体成形制模技术(3D打印)与真空增压石膏型精密铸造技术为基础,发展出了一种低缺陷、高精度、高性能、复杂结构件整体近净尺寸铸造新技术。结合前述计算机模拟结果,应用此项技术成功铸造出了长度为2830 mm,宽1255 mm,高420 mm且最小壁厚为3 mm的复杂结构的某型战机座舱铝合金精密铸件。实际铸件浇铸结果与计算机模拟结果相吻合。