眾所周知，鑄件中的存在氣孔和縮孔2 類孔洞。重力鑄造中的孔洞通常在凝固過程的高固相體積分數階段形成。而在壓鑄過程中，由于充型過程中存在氣體的卷入，這些卷入氣體在凝固開始之前就存在于液相中，若氣孔在凝固過程中與收縮孔洞相互連通，則會形成氣體-收縮孔洞 (簡稱氣縮孔)。

      根據 X 射線斷層掃描及三維重構的結果，對氣孔、氣縮孔和縮孔三類孔洞的形貌、體積、圓整度和內部壓力進行了比較分析，并探討了其形成機制。

      所示為典型的氣孔形貌，圖中 4 個氣孔的平均體積為 0.0100 mm3，平均圓整度為 0.5863。由于這類孔洞是由壓鑄充型過程中氣體卷入所致，顯而易見，氣孔形狀較為圓整，具有較為光滑的表面。統計表明，總共 18 根試樣中有 87%的孔洞圓整度高于0.5，具有較為圓整的形狀。

      氣孔的長大可用下式描述：

      其中，Δp 為氣孔外部壓力，σ 為孔洞表面張力，r 為氣孔半徑。當孔洞的內部壓力大于外部壓力 Δp 時，氣孔發生膨脹長大，直至內外壓力平衡，孔洞停止生長。

      本研究所用壓鑄件的增壓壓力參數為 65 MPa，卷入的氣孔在凝固過程中由于受到增壓壓力的壓縮，其尺寸變小但內部壓力增加。在凝固早期，鑄件絕大部分仍為液相，假設增壓壓力能夠較好地傳遞至壓鑄件內部，卷入氣孔在充型結束后應具有與增壓壓力相當的壓力。在增壓壓力的作用下，正在凝固的鑄件和模具之間的接觸更加緊密，從而增大了傳熱系數，加速了鑄件與模具間的熱量傳遞，并在鑄件的表層形成了一層細密的激冷組織。如果卷入氣孔存在于鑄件的凝固早期階段就迅速發生液固轉變的部位 (如表層處)，其體積長大和形狀變化將會受到快速生長的固相限制。因此，最終氣孔在鑄件中保持了卷入后的較為圓整的形態，其體積較小，內部壓力很高，具有與增壓壓力相當的壓力水平 (10 MPa 級)。值得注意的是，在壓鑄件的高溫熱處理過程中，隨著溫度的升高，氣孔的內部壓力將會進一步增加。假設熱處理溫度為 500℃，根據理想氣體的 Clapeyron 方程，若體積不變，壓力將會增加 2 倍。由于這些孔洞位于鑄件較早凝固的部位，如鑄件表層處，在熱處理過程中如果其內部壓力超過了表層的強度，氣孔就會發生體積膨脹，在壓鑄件表層產生所謂的“起泡”缺陷，這也是普通壓鑄件難以進行高溫熱處理的原因。

       氣縮孔的形成和長大是由氣體卷入和凝固收縮共同引起的。氣縮孔的形貌特征表現為較為圓整的孔洞本體與一些凸起或長尾狀部分或兩者共同組成。表 2-5 中氣縮孔的平均體積約 0.0726 mm3，約為表 2-4 中的氣孔平均體積的 7 倍。由于具有凸起和長尾狀部分，氣縮孔形狀相較氣孔復雜，其平均圓整度為0.3957，比氣孔低。

在壓鑄件的凝固過程中，隨著固相分數的增加，壓室傳遞到模具型腔內的壓力不斷減小。因此，凝固早期的孔洞受到增壓壓力的壓縮作用，其內部壓力很高，隨著凝固不斷進行和壓力傳遞的衰減，孔洞周圍金屬液的壓力減小，如果孔洞位于液相和糊狀區，將會繼續發生體積膨脹。在凝固后期，孔洞周圍的枝晶骨架已經形成，根據枝晶間流動的 Darcy 定律，，補縮能力減弱，局部液相壓力將進一步減小。

      其中，K 表示滲透率，μ 為金屬液的粘度，ΔP 是壓力梯度。此時，由于受到已形成的枝晶骨架阻礙，孔洞的長大就不能繼續保持球體形狀。由于孔洞內的高壓可以推動其周圍的殘留液體在枝晶間向離開孔洞的方向流動，從而在孔洞表面形成凸起。如果該殘留液體的流動距離較長，將形成含有長尾狀部分的縮孔。此外，枝晶間液相的流動還可以連通 2 個相鄰的獨立氣孔。與氣孔相比，氣縮孔的體積增大但壓力有所減小。這是由于氣縮孔與氣孔的形成均來源于氣體卷入，在增壓壓力的作用下，卷入的氣體在充型結束后具有相同的壓力水平，對比圖 2-8 和圖 2-9 中的孔洞體積可知，假設原始的卷入氣體數量相當，根據 Clapeyron 方程，氣縮孔的壓力比氣孔約低 1 個數量級 (約為 MPa 級)。

      在壓鑄過程中，當內澆口完全凝固時，壓室的壓力就無法傳遞至型腔內部，這時鑄件的熱節部位若仍殘留有液相，將會形成縮孔缺陷。縮孔的形成原因包括：凝固收縮產生的糊狀區壓力下降、過飽和的氫析出以及孔洞的形核長大。圖 2-10 給出了經 X 射線斷層掃描和三維重構得到的典型縮孔形貌，與上述兩種由氣體卷入所形成的孔洞不同，縮孔是在凝固過程中的高固相體積分數階段形成的，其長大受到已形成枝晶骨架的限制，只能在枝晶間生長，致使其具有極其復雜的三維形貌。表 2-6 中所列縮孔的平均體積和圓整度分別為 0.0098 mm3和 0.2169，在三類孔洞中均屬最低。本研究中，氣孔和氣縮孔由于受到增壓壓力的作用，忽略凝固初期的壓力傳遞損失，兩者的初始壓力會達到 50 MPa 以上，而根據文獻結果，縮孔的壓力水平僅為 kPa 級，比氣孔約低 2-3 個數量級。

      根據上述研究，表 2-7 總結了 ADC12 鋁合金壓鑄件中氣孔、氣縮孔和縮孔的三維形貌與特征。氣孔具有小體積、高壓力和近球形的特點；氣縮孔表現為由近球形的氣孔和許多表面凸起或長尾狀部分組成，其體積比氣孔高，壓力比氣孔約低 1 個數量級；縮孔是在凝固過程中的高固相體積分數階段形成，體積較小，空間形狀非常復雜且圓整度最低，其壓力比氣孔約低 2-3 個數量級。