消失模铸造金属液与白模置换界面,深入探讨(三)

二、实验过程

A.平板顶注的实验

       使用平板状泡沫立着进行浇注，以比较顶注和底注对消失模铸造铝合金性能的影响。泡沫板的尺寸为，长360mm，宽200mm，厚15mm，配合传统的方形截面的浇注系统，内浇道的面积为10.4cm2。

图1.在重力作用下顶注和底注的浇注系统。

        如图1所示，浇注系统的设置，使金属液既可以进行顶注，也可以进行底注。泡沫模样的平均密度为30kg/m3,涂挂上一种商品化的水基涂料，进行烘干，然后放入内腔尺寸为0.45x0.11x0.83m的砂箱内。模样周围首先由松散的无粘结剂的干砂包围支撑，进而震动紧实。

       使用Sr进行预处理的硅含量为1%的铝合金溶液在780℃时进行浇注，从浇口盆的底部到泡沫板的上边缘的压头为200mm。使用160-keV的实时X射线成像设备，对整个铸件金属液的充型过程进行观察。

图2.重力顶注时金属液流动前沿的实时X射线照片。

图3.重力底注时金属液流动前沿的实时X射线照片。

       每个板状铸件被切割成8条水平拉伸试棒，每个试棒长60mm，直径为10mm，并且使用Losenhausen万能试验机以1mm/分钟的速度进行拉伸测试。获得的拉伸性能试验结果进行统计，并与工程手册里对应的最大抗拉强度进行对比，进而使用Weibull统计方法进行分析，用来找出金属液充型的方式如何影响到机械性能的分布，以及铸件的质量。

两个参数的Weibull分布方程如公式1所示。

在这个公式里，P是在拉伸应力σ下失效的概率。

用来描述材料性能的Weibull参数是Weibull系数m，和尺度参数（比例参数）σ0。

Weibull系数m表示了拉伸性能的分散性，这个数值越大，代表拉伸性能分布范围越窄越集中；这也意味着，最终的铸件缺陷较少，铸件性能也更可靠（性能可重复性）。

尺度参数（比例参数）σ0是从Weibull分布图上Y轴的截距获得的，

y=(-mlnσ0),或者σ0=exp(y/-m),如果拉伸强度在63.2%之下，意味着样品是不合格的。

对方程1取两次对数，得出公式2，

因此， Weibull 系数m是图表上ln(ln(1/(1-Pf,n)))与实际抗拉强度测量值的（ln(σn))的比值。与此同时，Pf,n代表了其性能失效的概率。

图4.重力顶注和底注对比的weibull模数。

B. 消失模反重力低压铸造泡沫平板

    在第二个系列的实验中，使用了类似的垂直板状泡沫，但是使用了反重力低压铸造的方式来进行金属液的充型。在这组实验里，泡沫板的尺寸是440x180x10mm，将其放置在砂箱内，然后将砂箱直接放在带有电阻线圈加热的钢桶上。泡沫模型与内径40mm的钢制升液管相连，升液管直接下穿到钢桶内，并伸入装有8kg熔融铝合金（2L99，Al-7Si-0.3Mg）金属液的坩埚内。当坩埚内的铝合金金属液达到785°C时，压力为24-69KPa（相当于0.23-0.67bar）的压缩空气通入钢桶内，迫使金属液以不同的速度（压力不同，充型速度不同）通过升液管进行充型。一旦金属液充满模型或者金属液前沿停止流动，将关闭阀门以防止金属液在凝固期间回流到坩埚内。我们亦使用实时X射线装置来观察消失模反重力低压铸造的实验，以观察充型过程中金属液与泡沫模型置换的界面形态，同时也可以测量出金属液充型的速度。

图5.消失模反重力低压铸造装置。

       为了测量消失模反重力低压铸造泡沫板的性能，从泡沫板铸件中截取了23个水平的拉伸试棒。这些试棒长60mm，直径6.7mm。同样，对通过拉伸试验实际获得的抗拉强度值与工程手册里的值进行对比，并进行了Weibull统计分析。

图6.消失模低压反重力浇注时金属液流动前沿的实时X射线照片，钢桶压力69KPa

图7.消失模低压反重力浇注时金属液流动前沿的实时X射线照片，钢桶压力35KPa，金属液流动前沿速度大约为8mm/秒。

C.泡沫模样热解对液态裂解产物的分子量和粘度的影响

       为了估测充型过程中金属液与泡沫模样置换界面的液态裂解产物的粘度，用大约0.1-0.2g的泡沫样品来进行不同的热解试验。泡沫样品放置在铜管（内径21mm，长120mm,壁厚1mm）的底部，插入780℃的铝合金溶液中70mm深。如图3所示，我们使用直径0.5mm的K型热电偶来测量铜管底部的温度，也就是泡沫样品受热分解的温度。铜管的高导热性，意味着里面的泡沫模型也将会经历快速升温的过程，类似于金属液流动前沿泡沫裂解的情况。

图8.泡沫聚合物样品降解的实验装置。

         一旦铜管内的热电偶测温仪达到所需的温度（600℃），就将铜管从金属液中取出，放入冷水中淬火，以保持泡沫受热降解的形态，然后使用凝胶渗透色谱法测量泡沫裂解产物的平均分子量（在英国橡胶与塑料研究协会RAPRA，什鲁斯伯里Shrewsbury）。

金属液与泡沫模型置换界面的裂解产物的表观粘度（零剪切时的动态粘度）使用公式3来进行估算，该粘度与其分子量，以及液态裂解产物的温度有关。

其中η0代表零剪切速率下的动态粘度， M代表分子量，T代表温度（K）。

该方程式最初设计是应用在448至503K（175至230°C）的温度范围内，但随后发现也适用于高达703K（430°C）的泡沫聚苯乙烯裂解的过程。估算泡沫裂解物粘度的界面温度，被假定为金属液与泡沫置换界面的温度，大约为593K（320°C）。

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明天讨论实验结果和数据分析，进而得到实验结论。

为了给大家上干货，郭大侠也是拼了老命了，累死我了！

哈哈！