中文摘要：

微熔模铸造工艺是全新的微细加工工艺，能够低成本、大批量高效制备具有三维复杂结构的微金属构件。微熔模铸型材料是微构件能否圆满成形和获得优质表面质量的最关键技术，是微熔模铸造工艺研究的重点。本申请利用超声力场作用于微熔模铸型材料的凝固过程，率先研发全新的纳米晶石膏超声制备工艺，制备出适用于微熔模精密铸造且具有很高表面光洁度的纳米晶石膏铸型，进而可制备出具有高表面光洁度的三维复杂金属微铸件，从而圆满解决现有的微米晶粒的微熔模铸型无法制备高质量微铸件的难点。同时，深入研究超声力场下纳米晶石膏的形核规律，以及超声力场下纳米晶石膏的晶粒细化机理，揭示纳米晶石膏铸型的显微组织与力学性能相关规律。并利用自主研发的纳米晶石膏铸型，借助相似物理模拟理论与实验，研究离心力场下，微尺度空间内液态金属充型流动规律和停止流动机理，进而进一步优化微熔模铸造工艺，为获得高质量微铸件奠定理论基础。

结论摘要：

微精密铸造技术是金属微构件最适宜的加工技术之一，铸型材料的研制是阻碍微精密铸造技术发展的瓶颈，是目前研究的热点。本项目完成了预定的研究内容（包括纳米结构微铸型研制，超声细化机理，充型流动物理模拟），获得了以下研究成果借助超声空化理论和形核热力学理论，推导出了超声力场下石膏晶粒形核率，并得出了形核率与温度和压力的相互影响规律，超声力场作用可以极其显著地改变石膏晶粒的形态和细化石膏晶粒尺寸，施加超声力场后，石膏晶粒由重力场下长径比高达十几倍的细针状，转变为超声力场作用后的近球形；而石膏晶粒尺寸由重力场下的15~30 μm，显著细化至超声力场的500 nm；通过研究不同烧结温度以及铸型成份对微铸型表面粗糙度的影响，确立了微熔模精密铸造用铸型的最佳烧结温度（600℃）和最佳铸型成份（膏粉比6:4），并制备具有低表面粗糙度的纳米晶石膏微铸型（Ra0.2μm）；改进并建立了离心力场下的微尺度流动的Navier-Stokes全新微分方程，并推导出了离心力场下流体在微尺度下离心流动的相似准则。离心力场下，流体在横浇道内的微充型流动过程中，优先通过横截面积最大的流道，并且在充型流动过程中，流体的总能量保持不变，仅发生动能和势能之间的相互转化，并以逐层方式平稳的充填流道，同时，流体的自由液面始终呈以转轴为圆心的规则圆弧面。液态金属在微流道中充型流动时，其充型长度随着微流道半径的减小而降低，随着旋转速度和铸型预热温度的增加而提高，并呈现出明显的微尺度效应。液态金属在微流道中充型长度在管道直径400 μm时出现宏观尺度与微尺度的临界分界点，而且其停止流动机理为“整体堵塞”的停止流动机理，不同于宏观尺度的“端部堵塞”机理，呈现出显著的微尺度效应。