morphology.and the alloy tends to brittle fracture. Key words:Ereezen Casting:Patternless- ming;-Pattemless forming:Green casting;Composition distribution;Fracture morphology 与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS的减 0引言 小引起抗拉强度和延伸率的增加 环境问题的日益严重和人们环保意识的 Hs,Kobayashi T和Li采用快速凝固技术及罐 逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展 土元素变质技术制备的A359和A357铝合金， 。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、 其基体相a-A1的二次枝晶臂间距显著减小， 成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排 共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为 放多等突出问题。国防军工、航空航天等领 细针状，同时Mg、Si、Ti等溶质原子在AI基 域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精 体相中的溶解度显著提高以此方法制备的 度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成 系列铝硅合金的力学性能得到显著提高 为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战，。 7,1。Jiang采用消岁 浩制备的A356 因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备 铝合金在铸态和6热感 杰下的微观组织一 减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件 拉仲性能以及拉伸豚 行了研究，消失模 品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破 声型铸造A3儡金拉伸断口为具有准解 与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续 理面和靓窝形貌混合断口，最终表现为学 发展迫在眉睫1。数字化无模冷冻铸造技术 面消失模铸造A356铝合金拉伸 可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性 的脆性断口，因此采用一些快速 化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿 可以显著提升溶质固溶度和铸件断 色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深 9。本文采用冷冻铸造方法制备铝合 入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固 金式件， 是一种新型绿色铸造成形方法，基 特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色 王冷冻铸造技术的非平衡邂固机制尚不洁晰。 铸造理论体系的发展有着重大意义。随着金 基王研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过 属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及 程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固 合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝 过程的传热及传质行为，进而对合金微观成 固理论得到长足的发展。采用特殊的非平 分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响 衡凝固技术去制备金属件并且使金属件具 合金材料的服役性能。A356铝合金强度高， 备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是 塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮 目前改善材料与组织性能的种方式。铸造 船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 A356铝合金力举姓能注要取决王显微组织中 2o,因此本文选用A356铝合金作为冷冻铸造 各相形态、大小及街21)，A356合金快速过 试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂 程中结晶潜漤程放较快，导致高温合金熔体 砂型中分别浇注A356铝合金高温熔体制备不 中的A原散付程受阻，初生α-A1相的长 同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析 大得到有效物制，最终获得细小的α-AL枝晶 微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻 相，因此提高凝固冷却速率可显著隆低初生 铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸 @-A1相二次枝晶臂间距(SDAS)4。Rios51采 件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉 用快速凝固技术发现A359铝合金的初生Q-A1 伸作用下，A356铝合金的裂纹萌生与发展和 相的一次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表 初生a-A1和共晶Si的形态及分布有直接关系， 明，铸件a-A1相的SDAS大小直接依赖于合 在不改变A356铝合金的结构特点的情况下， 金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距 充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本 信息，这对A356铝合金的应用具有重要意义 收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年料学基金(51525503) 通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金morphology, , and the alloy tends to brittle fracture. Key words: Freezen Casting;Patternless forming; Patternless forming; Green casting; Composition distribution; Fracture morphology 0 引言 环境问题的日益严重和人们环保意识的 逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展 [1,2]。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、 成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排 放多等突出问题[3-6]。国防军工、航空航天等领 域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精 度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成 为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战[7,8]。 因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备 减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件 品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破 与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续 发展迫在眉睫[9,10]。数字化无模冷冻铸造技术 可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性 化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿 色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深 入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固 特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色 铸造理论体系的发展有着重大意义[11]。随着金 属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及 合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝 固理论得到长足的发展。采用一些特殊的非平 衡凝固技术去制备金属件，并且使金属件具 备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是 目前改善材料与组织性能的一种方式。铸造 A356 铝合金力学性能主要取决于显微组织中 各相形态、大小及分布[1 2 ,1 3 ]。A356 合金快速过 程中结晶潜热释放较快，导致高温合金熔体 中的 Al 原子扩散过程受阻，初生 ɑ-Al 相的长 大得到有效抑制，最终获得细小的 ɑ-Al 枝晶 相，因此提高凝固冷却速率可显著降低初生 ɑ-Al 相二次枝晶臂间距（SDAS）[1 4 ]。Rios[1 5 ]采 用快速凝固技术发现 A359 铝合金的初生 α-Al 相的二次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表 明，铸件 ɑ-Al 相的 SDAS 大小直接依赖于合 金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距 收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年科学基金（51525503） 与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS 的减 小 引 起 抗 拉 强 度 和 延 伸 率 的 增 加 [1 6 ]。Kobayashi T 和 Li 采用快速凝固技术及稀 土元素变质技术制备的 A359 和 A357 铝合金， 其基体相 α-Al 的二次枝晶臂间距显著减小， 共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为 细针状，同时 Mg、Si、Ti 等溶质原子在 Al 基 体相中的溶解度显著提高，以此方法制备的 系 列铝 硅合 金的 力学 性能 得 到 显著 提高 [127 ,138 ]。Jiang 采用消失模壳型铸造制备的 A356 铝合金在铸态和 T6 热处理态下的微观组织、 拉伸性能以及拉伸断口进行了研究，消失模 壳型铸造 A356 铝合金拉伸断口为具有准解 理面和韧窝形貌的混合断口，最终表现为穿 晶断裂模式。而消失模铸造 A356 铝合金拉伸 断口为明显的脆性断口，。因此采用一些快速 凝固技术可以显著提升溶质固溶度和铸件断 口形貌[1 4 9 ]。本文采用冷冻铸造方法制备铝合 金试件，是一种新型绿色铸造成形方法，基 于冷冻铸造技术的非平衡凝固机制尚不清晰。 基于研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过 程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固 过程的传热及传质行为，进而对合金微观成 分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响 合金材料的服役性能。A356 铝合金强度高， 塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮 船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 [20 ]，因此本文选用 A356 铝合金作为冷冻铸造 试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂 砂型中分别浇注 A356 铝合金高温熔体制备不 同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析 微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻 铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸 件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉 伸作用下，A356 铝合金的裂纹萌生与发展和 初生 α-Al 和共晶 Si 的形态及分布有直接关系， 在不改变 A356 铝合金的结构特点的情况下， 充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本 信息，这对 A356 铝合金的应用具有重要意义 通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金 录用稿件，非最终出版稿