微孔是铝合金铸件中主要的缺陷之一,其存在严重降低材料的力学性能,尤其疲劳性能。通过优化浇注系统的设计和铸造工艺,精炼处理熔体,预测和控制铸件中微孔数量与尺寸,人们期望最终能制造出高可靠性的铸件。这就需要对凝固过程中微孔形成机制、形貌演化过程、运动行为及其与凝固组织间的交互作用机制有充分的认识,而使用X-ray实时观察技术是最直接有效的研究方法,也是当前凝固领域的研究热点之一,对发展凝固理论与指导实际生产有重要意义。　　 本文自行设计与制造了一套用于实时观察合金固液相变过程的装置——微焦点X-ray定向凝固实时成像装置(X-ray Imaging and Directional Solidification Stage,简称XIDS)。该装置包括四个部分:微焦点X-Ray及成像系统、定向凝固装置、试样船及冷却系统、机械传动系统。该试验装置可以实现对金属合金凝固与熔化两个过程进行实时观察,可清晰观察微孔缺陷的演化过程。经进一步改进,还可以对微孔与凝固组织的交互作用过程进行实时观察研究,也可以对泡沫铝一次与二次发泡过程进行实时观察研究。　　 使用该装置实时观察研究了凝固速度对亚共晶铝硅合金定向凝固过程中微孔形成的影响规律,并定量统计了微孔当量半径、孔密度与孔隙率的变化过程。研究发现,孔密度停止增加时孔隙率仍继续增加。凝固过程中孔密度和孔隙率的增加可以分为两个阶段,在前一个阶段孔隙率的增加主要是由于新孔的形成和生长导致,而后期孔隙率的增加主要依赖于先形成微孔的生长。凝固速度的增加可以使试样中微孔密度增加速率显著增加。　　 对近共晶与亚共晶铝硅合金凝固过程中微孔的形成与演变过程进行了实时观察研究,记录了凝固过程中微孔的各种运动行为。通过考察亚共晶铝硅合金柱状枝晶和等轴枝晶两种凝固模式下的微孔演化行为,发现铸件中微孔在其形成初期均是球形微孔,在生长后期由于枝晶骨架的空间限制使得微孔形貌沿枝晶变形,形成不规则形貌的微孔,因此无论具有规则球形形貌还是极不规则形貌的微孔均是由气孔演化而来。实际生产中,铸件中微孔形貌不能用来作为判断微孔成因的主要依据。通过对近共晶铝硅合金凝固过程中微孔形貌演变过程研究发现,微孔的形貌也存在多样性,并非单一的球形形貌。微孔的形貌由与固液界面竞争生长决定,并提出微孔与固液界面协同生长模型。微孔的形貌受以下几个因素影响:凝固速度、初始氢含量、微孔初始曲率半径。基于格子波尔兹曼法(LBM),耦合元胞自动机(CA)数值模拟研究了与固液界面协同生长时微孔形貌演变规律,为控制微孔形貌奠定基础。　　 使用铝锡合金,实时观察到在定向凝固过程中微孔的形成过程,及微孔引起溶质异常偏析的现象。凝固过程中随着微孔的形成,在微孔周围尤其在上方形成异常偏析区,Sn元素最终大多在微孔上方集中呈网状分布。实时观察到了微孔与凝固前沿之间的交互作用全过程,微孔的存在不仅引起异常偏析,还改变了凝固过程中固液界面的形貌,在微孔下方形成凸起,而在微孔上方的区域凝固之后形成凹界面。使用有限差分法和元胞自动机法数值模拟研究了微孔对其周围温度场及固液界面形貌的影响过程。分析认为这是由于微孔的热导率远远小于金属合金的热导率,导致在垂直定向凝固过程中,在同一水平线上,微孔上部存在高温区,下部存在低温区。产生了水平方向上的温度梯度和浓度梯度,造成富Sn液相向微孔上方聚集,以及凝固前沿在微孔下方突起,上方形成凹界面。微孔上方聚集的富Sn液相向下流动使得微孔下方也存在偏析。　　 对具有高孔隙率的金属型铸造近共晶、亚共晶铝硅合金薄板重熔过程进行了实时观察,研究了重熔过程中微孔的演化及去向。近共晶合金重熔过程中微孔大多上浮逸出熔体;亚共晶合金中的微孔从分枝发达的形貌逐渐聚集成球形然后上浮逸出熔体,这也说明亚共晶合金中极不规则的微孔大多是气孔演变而来。这些现象对降低合金中的含氢量具有参考意义,从而提出一种简单有效的除气方法——重复熔化净化铝及铝合金熔体工艺。在实验室条件下,使用该工艺分别对初始孔隙率较高的纯铝、近共晶铝硅合金和亚共晶铝硅合金进行了净化试验,发现使用该工艺可大大降低铝及铝合金的孔隙率,起到较好的除气效果。该工艺在工业生产中有广阔的应用前景。　　 本文研究获得国家自然科学基金面上项目(No.50771031)和GM研究基金(No.GM-RP-07-211)资助。