近日，上海交通大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Science & Technology》上发表了一篇题为“反重力铸造的进展与挑战”的综述文章。文章系统地回顾了反重力铸造（Counter Gravity Casting，CGC）的历史发展、技术优势、参数对组织和性能的影响以及目前面临的挑战（doi：10.1016/j.jmst.2024.07.037）。
文章背景与核心主题
反重力铸造作为一种重要的材料加工技术，在金属铸造领域得到了广泛应用，尤其是在制造复杂、精密的铸件方面展现了巨大优势。与传统的重力铸造相比，CGC具有更优异的填充行为和更低的缺陷率，并能有效提升材料的力学性能。该综述通过对CGC发展历程的系统回顾，详细阐述了不同类型的反重力铸造工艺（图1），包括低压铸造（LPC）、反压铸造（CPC）、真空吸铸（VSC/CLA）和调压铸造（APC）。同时，文章也深入探讨了CGC工艺中的充型过程、凝固过程、凝固微观组织演变及其对铸件性能的影响。
图1四种典型的反重力铸造方法对比
反重力铸造的优势与挑战
传统的重力铸造因其工艺简单、成本较低，在工业生产中广泛应用。然而，随着现代工业对复杂铸件精度的要求不断提高，重力铸造的局限性逐渐显现，尤其是在薄壁复杂铸件的制造过程中，易出现缩孔、夹杂物、孔隙等缺陷。相比之下，反重力铸造通过外部气压辅助金属液体进入铸型，能够更好地控制熔融金属的流动速度，减少气泡、金属夹杂物的形成，改善铸件质量。该工艺不仅提高了铸件的致密性，还增强了材料的力学性能。
然而，尽管CGC技术在许多方面表现出色，其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，低压铸造（LPC）由于工艺压力较低，容易在复杂的薄壁铸件中产生缩孔和冷隔现象；差压铸造（CPC）虽然能够提供更强的补缩能力，但由于气体的存在，容易导致夹杂物的产生；真空吸铸（CLA）在浇注过程中具有稳定的流动性，但由于缺乏凝固阶段的压力补缩，易产生收缩性孔隙；调压铸造（APC）结合了以上三种工艺的优点，能够精确控制压力差，实现高精度复杂薄壁铸件的生产，铸件质量高，缺陷少甚至无缺陷，但该工艺对设备的精度要求较高、工艺流程复杂、设备投入及维护成本较高。
CGC工艺的研究进展
CGC工艺自20世纪初发展至今，随着理论研究的深入和技术的不断进步，已经衍生出多种不同的铸造方法。低压铸造（LPC）作为CGC工艺的早期形式，在工业生产中广泛应用，尤其是在汽车工业的铝合金气缸头制造中取得了重要突破。差压铸造（CPC）则通过提升压差，显著提高了补缩能力，减少了铸件中的缺陷。而真空吸铸（CLA）和调压铸造（APC）的发展，则进一步提升了铸件的复杂性和精度，拓宽了CGC工艺的应用范围。
在微观结构方面，CGC工艺能够通过外部压力调节熔融金属的凝固速度和热梯度，从而有效控制铸件的晶粒大小和组织均匀性。研究表明，通过在铸造过程中引入超声波处理或交变磁场等外场作用，可以显著细化晶粒、改善材料的力学性能。例如，交变磁场能够通过搅拌效应，促使α-Al晶粒由花瓣状向球形转变，从而提升铸件的强度和韧性。
图2 同一位置不同凝固压力下的微观组织 (a) 75 KPa; (b) 200 KPa; (c)320 KPa; (d) 450 KPa。图(e)为不同凝固压力下的Si片的尺寸。薄壁铸件在不同凝固压力下的微观组织: (f) at 250 KPa; (g) at 300 KPa; (h) at 400 KPa; (i) at 450 KPa。图(j)展示了二次枝晶间距随凝固压力的变化。
图3梯度加压下，采用不同浇铸温度，真空差压铸造A357铝合金的微观组织(a) 610 ℃; (b) 600 ℃; (c) 590 ℃; and (d) 580 ℃ [10]。真空差压铸造的ZL114A 铝合金在浇铸温度分别为(e) 680 ℃、 (f) 700 ℃、(g) 720 ℃和 (h) 740 ℃ 下的微观组织。不同铸型预热温度下，反重力铸造的不同直径（Φ10 mm、Φ15 mm 、Φ20 mm）的Ti-6Al-4V合金试棒的微观组织，其中(i) 到 (k) 的铸型预热温度为300 ℃, (l) 到 (n) 的铸型预热温度为650 ℃。
图4 无超声处理的真空吸铸铸件的微观组织：(a)、(b)。经过超声处理的AlSi7Mg0.5真空吸铸铸件的微观组织：(c) 距声波探头30 mm处；(d)距声波探头120 mm处。在距声波探头30 mm和120 mm处的铸态和超声处理（UST）态样品中α-Al晶粒尺寸(e) 和Si片层长度(f) .(g) 显示了超声功率与凝固压力的协同作用；(h) 显示了超声功率与凝固压力对SDAS变化趋势的影响。 经过不同超声功率处理的ZL114A铝合金共晶硅的扫描电子显微镜（SEM）图像：(i) 0 W; (j) 300 W; (k) 600 W; and (l) 900 W。
图5 不同磁场强度下制备的ZL205A铝合金的微观组织：(a) 0 mT, (b) 10 mT, (c) 20 mT, and (d) 30 mT。
CGC未来的发展方向
文章在总结CGC技术现状的基础上，展望了未来的研究方向。随着航空航天、汽车制造等领域对高性能铸件需求的增加，CGC技术将在薄壁复杂铸件的生产中扮演更加重要的角色。为了进一步提升CGC工艺的应用效率，未来的研究重点将包括：如何优化浇铸参数以减少铸件缺陷；如何通过数值模拟和实验研究，进一步揭示熔融金属的流动和凝固行为；以及如何结合新兴的数字化技术，提升CGC工艺的智能化水平。
此外，随着材料科学和工艺技术的不断进步，反重力铸造有望在更多高性能合金的制造中发挥作用。例如，研究者们正在探索如何通过反重力铸造技术生产镁合金、钛合金等轻质合金，进一步满足航空航天领域对轻量化材料的需求。
结论
反重力铸造技术作为一种精密铸造工艺，已展现出巨大的应用潜力。尽管在实际生产中仍面临一些技术瓶颈，但随着工艺优化和新技术的引入，CGC有望在未来的制造业中占据更加重要的地位。
图6 反重力铸造工艺特点总结
上海交通大学副教授杜大帆和博士研究生安家托是论文的共同第一作者，孙宝德教授和董安平教授是本论文的共同通讯作者。此工作在美国加州大学尔湾分校Diran Apelian教授，德州农工大学Enrique Lavernia教授和俄亥俄州立大学Alan A. Luo教授的帮助下完成。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。
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