潜流铸造是一种新型铸造方法,它是一种动浇口、无浇道、数字化铸造新技术。在浇注充型过程中,浇口潜入到铸型内液面以下一定距离,并随着平稳上升的液面同步向上运动。在铸型中无需设计复杂的浇注系统,潜流铸造的浇注系统非常简单,仅需一根浇注管即可进行浇注充型,无需复杂的浇注系统,大大降低了铸造工艺设计、铸型制造及装配的难度,可用于浇注增材制造技术制备的覆膜砂铸型,以生产复杂形状的铸件。它基于CAD实体造型、分层切片技术、流体贝努利方程等,通过迭代计算快速获得液面上升的位移-时间曲线(充型过程的控制曲线)。然后,根据计算所得的过程控制曲线,浇口在计算机/变频器控制下进行提升运动,直至完成整个充型过程,充型过程可精确控制。为了对潜流铸造方法进行深入系统的研究,设计开发了一套可移动的潜流铸造装备,装备的设计开发主要包括装备结构、浇注系统、计算软件及控制系统等多个方面,原创性较高。该装备可以进行水模拟PIV检测、高温金属液(如铸铝、球墨铸铁等)浇注等试验,基本满足了在实验室进行基础研究以及铸造车间进行铸件浇注试验的需要,为进行后续的研究和应用提供了可靠的保障。基于PIV水模型试验、数值模拟仿真及铸件浇注试验等方法,研究了潜流铸造的充型状态和流场分布的特征。在潜流铸造充型过程中,浇注管内充满液体,将空气隔绝于外,可有效减少气孔等铸造缺陷。铸型内已浇注的液体可以分成三个基本区域:(a)平稳液面:铸型内液面平稳缓慢上升,液面保持完整未被水流冲击破坏,可以有效减少在液面形成氧化物薄膜并将其卷入已浇注液体的几率;(b)出流区:在导流阀的作用下,流体侧向出流,流速从浇口到铸型逐步降低,对铸型冲击变小,可有效减少冲砂等铸造缺陷的形成几率;(c)平稳区:除了侧向出流区以外,其余区域液体流速很小,液体基本保持平稳状态,并且由于浇口距液面距离较小,当低密度夹杂经导流阀侧向流出后,容易上浮到液面上,随着液面平稳缓慢上升。铝合金是常用铸造金属材料,ZL102和ZL203分别是窄、宽凝固区间的铸铝合金,铸造性能差别很大。充型方法的不同对合金的充型能力和冒口的补缩效果影响明显,顶注充型时,铸型内流场紊乱,铸件的充型效果波动很大。底注充型时,随着液面的上升,液面附近金属液的温度场逐渐降低,铸件的充型能力随之减弱。潜流铸造在充型时,铸型内液面平稳缓慢上升,浇口出流区域即液面附近区域温度较高,随着充型的持续进行,逐步形成"上热下冷"的温度梯度。与顶部浇注相比,潜流铸造的充型状态更加平稳,充型能力更加稳定,补缩效果也更为理想;与底部浇注相比,潜流铸造的充型能力不随液面的上升而减小,补缩能力也更强,无论对于ZL102还是ZL203,潜流铸造均可以有效改善铸件的充型能力和冒口的补缩效果,铸件的力学性能也更好。为了研究球墨铸铁的凝固特征,将高品质球墨铸铁以不同的温度注入到覆膜砂铸型中,铸造试验结果表明:冒口设计及工艺控制非常复杂,不合理的设计或工艺控制会诱发缩孔缩沉等缺陷;若铁水的浇注温度降低到一定值,凝固过程中利用石墨的膨胀即可进行有效补缩,而无需采用冒口对铸件进行补缩。基于潜流铸造技术,采用温度较低的球墨铸铁铁水,对增材制造法制备的复杂形状覆膜砂铸型进行快速浇注充型,有效的利用了石墨膨胀对凝固收缩的补缩作用,避免铸件产生缩孔缩松缩沉等缺陷,最终获得外观良好、尺寸精确、内部致密、金相组织及力学性能良好的铸件,实现了复杂形状球墨铸铁件的无冒口铸造。