镁合金薄壁复杂构件砂型铸造技术及应用

李少帅，黄金鑫，焦 婧

1 主要研究内容

镁合金纯净化熔炼技术；镁合金低压铸造技术；铸造工艺模拟仿真计算与设计；产品质量的无损检测技术；产品的尺寸光电扫描检测技术；模型的3D 打印造型技术；内部缺陷的高质量修复技术。

2 产品技术要求

（1）按照以下，合金成分符合表1 的要求。

表1 合金的主要元素含量（%）

表2 合金的杂质元素含量（%）

（2）力学性能。单铸试样的室温力学性能符合表3。

表3 单铸试样力学性能

整个新产品及试制工作包括生产工艺技术开发、生产装备、工装的开发，以及新产品试制、生产过程的工艺优化、产品测试、生产工艺定型实验等。

公司生产的工艺性技术研发基本路线按以下内容进行，依次是单项技术研发、产品试制、产品测试、生产过程的工艺优化、生产工艺定型实验等，其中性能测试贯穿于整个研发过程，部分实验是交叉进行。

单项技术研发，目的是为了找出各个单元生产的最佳工艺、最佳工艺参数、检验标准，制定出生产工艺规程，作为初期工业化生产的技术依据。

产品试制阶段，按单项技术研发确定的各个单元生产的最佳工艺、最佳工艺参数进行全程生产环节贯通，对最终生产出来的产品进行全面检验，观察效果与标准的差别，不断调整、逐步优化，逐步接近目标。多次重复试制，最后得到生产过程的工艺规程和生产过程控制的检验标准。

按产品试制阶段制定的生产工艺进行过程控制，制造小批产品并进行产品测试、模拟实验等。经多次测试、改进、再测试，直到产品合格。

3 工艺技术

目前重力铸造是镁合金成形方法中较为传统的成形方式。重力铸造常采用冒口系统进行顶注或者从砂型侧面进行浇注，浇注过程中由于熔体的重力作用，浇注速度控制不好极易出现紊流现象，且熔体浇注时和空气接触，容易产生氧化夹杂等缺陷；一般砂型铸造工艺其铸件的凝固及其补缩是依靠冒口内熔体的重力而实现的，若冒口设计存在缺陷则浇注时容易出现浇不足等缺陷；砂型铸造浇注系统较为复杂，浇注冒口系统的设计也费时费力。

与重力铸造相比，低压铸造时熔体是从模具底端充填型腔，合金液流动平稳而且是在密闭的容器内进行浇注，氧化夹杂等缺陷较少；低压铸造在熔体充满型腔后会继续保持液面上气体的压力，甚至再增加保压，补缩效果好，铸件的致密度也比砂型铸件要高；低压铸造的浇注系统较为简单，甚至可以不设冒口，从而简化了工艺过程，金属熔体利用率也高。

由于镁合金壳体铸件材料特点及结构的限制，采用传统的重力铸造合格率难有大幅的提高。因此，亟待寻找一种新的工艺方法代替重力铸造工艺生产壳体铸件，提高壳体铸件的生产效率、降低壳体铸件的废品率，并满足现代战机对构件高强度、高抗腐蚀性的需要，以保证生产的顺利进行。低压铸造是一种比较先进的反重力铸造工艺，在铝合金铸造方面已经很成熟，但对镁合金还是一个新课题。其特点是：①铸件在压力下成型，其补缩压力达到4 ～ 6 个大气压，补缩范围宽，能显著提高金属液在枝晶间渗流的能力，可使铸件致密度提升，组织和性能明显改善。②可以实现可控气氛浇注：由于合金液和铸型型腔上部气体分压可以控制，如果使有害气体分压趋于零，则可生产出有害气体含量非常低的铸件。③能够精确的控制升液压力和升液速度、充型压力和充型速度、增压压力和增压速度，质量一致性好，铸件质量稳定。

4 低压铸造原理

低压铸造依据其建立压力方式的不同，可分为气压型低压铸造和电磁泵低压铸造两种，我们采用气压型低压铸造方法。气压型低压铸造方法是依据帕斯卡原理来工作的，通过在液态金属表面施加一定的气体压力，使金属液逆重力方向充填型腔并凝固成形。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其基本原理如图1 所示，在装有金属液的密封容器中，通入干燥的压缩空气（或惰性气体），作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与铸型型腔之间的压力差，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，待金属液充满型腔后，适当增大压力并保持坩埚内液面上的气体压力，使型腔内的金属液在较高压力作用下结晶凝固。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液依靠自重流回坩埚中，开型并取出铸件，即完成一个低压铸造过程。

图1 气压型低压铸造设备工作原理图

5 镁合金纯净化熔炼

低压铸造设备具备合金熔炼、浇注两项功能。合金熔炼和浇注均在炉内进行。ZM6 合金的抗燃烧性能较差，导致其在浇注过程中和在充型过程中易产生氧化，同时ZM6 合金的密度小，金属液中的夹渣不容易浮到金属液表面、冒口和集渣包内, 从而导致铸件产生夹渣。为了保证合金液的纯净度，我公司采用独特的镁合金熔炼保护技术，大大减少了ZM6 合金液的氧化夹渣，保证了铸件的质量。

首先用电加热熔炼炉进行熔炼，将预热后的原镁锭装入熔炼炉，加热升温。待原镁熔化后，加入合金元素和稀土中间合金，利用Applo 筐的机械搅拌使成分均匀，调整合金成分，采用多级复合净化技术对镁熔体进行净化处理，有效去除镁熔体的夹杂物。经炉前化学分析合格后，金属液在熔化炉保温静置，调整浇注温度后，在调压铸造机内以差压铸造工艺进行浇注。要保证铸件质量，减少铸件内部夹杂，其关键一环是合金的纯净化熔炼。我们引用本公司大截面半连续铸锭合金熔炼技术，采用多级复合净化技术对镁熔体进行净化处理，有效去除镁合金熔体的夹杂物，实现了纯净化熔炼。

6 铸造主要生产工艺

（1）造型阶段。根据工艺要求的配料标准进行树脂砂配置、型砂配置，保证铸件的出型质量。根据工艺设计要求放置浇道、冒口、冷铁等进行造型、制芯、组装、合型。

（2）熔炼预备阶段。根据合金的化学成分要求，按配料标准进行配料。再将冶炼炉生产出的精镁准确称量，然后对炉料进行预热，预热温度为130-160℃，预热时间为15-30min，然后即可装入熔化炉中。

（3）熔化阶段。熔化炉缓慢升温使金属逐渐熔化，将经烘干的镁合金专用覆盖剂撒在熔体表面，加入量为9% 左右。

（4）合金化阶段。待金属熔化后（780℃ -810℃）再加入已称量烘干的稀土中间合金，利用Applo 筐的机械搅拌使成分均匀，中间合金的加入量依熔制的镁合金牌号而定。

（5）精炼阶段。将称量、烘干的镁合金精炼剂加入到合金液体中进行精炼处理，精炼温度为750-760℃，保温时间为15min左右。

（6）检验阶段。此时对合金液体进行取样和快速成分化验，如果化验结果表明合金成分不合格，需要继续调整成分。

（7）保温静置阶段。如果合金的化学成分满足要求，即可将合金液保温静止，保温静置的温度为780-810℃，时间为40-60min 左右。

（8）浇铸阶段。达到静置时间后，将反重力铸造机罩盖盖好,向炉内加压, 炉外减压, 自动控制进行砂型浇注。

（9）打磨清理阶段。使用喷砂机清理铸件表面粘砂、飞边、毛刺，再利用磨光机、砂带机等进行表面毛刺的清理，达到铸件表面质量要求。

（10）热处理阶段。为了提高铸件强度，铸件采用固溶处理或固溶处理加完全人工时效的热处理方式，选用合适的热处理工艺以及防氧化的保护氛围，经力学性能检测达到技术要求或标准要求。

（11）无损检测阶段。采用荧光渗透、X 射线等方法进行铸件的无损检测，实现镁合金铸件内部、外部质量的零缺陷，确保铸件质量达到客户要求。

（12）尺寸检测阶段。利用三维扫描仪可以快速及准确对铸件尺寸进行检测，结合人工划线，确保铸件尺寸满足加工要求，使铸件尺寸达到设计要求。

7 Procast模拟仿真

从壳体铸件的结构分析，该铸件存在着复杂外形，曲面的铸造精度很难保证，而且铸件壁厚变化大，筋条多，铸件在凝固过程中厚薄交界处及筋条处易产生“热节”等问题，导致金属液无法保证同时凝固或顺序凝固，无多余金属液进行补缩，故会产生疏松和裂纹等冶金缺陷。

随着计算机技术的发展，计算模拟仿真技术可以实现复杂铸件铸造过程的模拟仿真，并对铸造工艺方案进行模拟验证，完善铸造工艺，缩短研制周期，降低研制成本。利用铸造模拟仿真技术可对铸件充型和凝固过程中的流场、温度场等进行数值计算，从而得到铸件的模数、热节分布和疏松等缺陷的分布结果，并且根据计算结果可以评估铸造工艺方案的合理性，进而确定最优的铸造工艺方案。与清华大学合作，利用Procast 模拟仿真技术对壳体设计的浇注系统及浇注工艺参数进行数模模拟仿真分析，确定合适的工艺方案，如图2 所示。

图2 充型过程模拟

通过Procast 模拟仿真分析，确定此工艺方案的金属液充型时温度梯度较合理，利于铸件顺序凝固，初步确定此工艺设计方案基本可行。工艺方案确定好后，根据工艺方案进行模具制作。

8 产品试制过程及出现的问题与解决方法

根据产品工艺设计方案我们开始产品的试制，试制结果为铸件筋条附近存在疏松，原因分析为铸件缝隙浇道的补缩距离不够导致的补缩不足所致，改进方案为在筋条两侧增加冷铁。

运用改进后的方案开始第二件试制，试制结果为筋条疏松部位有所减少，但疏松等级未减轻，原因分析为补缩不足，单增加冷却强度的方式不能根除问题。改进方案为，在上型的立缝浇道上方增加8 个保温冒口。

用第二次改进方案进行第3 件产品的试制，试制结果为合格，符合顾客技术要求。

经过此次试制得出：冒口和冷铁配合使用，可有效控制铸件的凝固顺序，减少铸件在凝固过程中产生的疏松等缺陷。

9 本项目的特色与创新之处

成功开发出镁合金纯净化熔炼、低压铸造，铸造工艺模拟仿真计算、内部缺陷的无损检测，内部缺陷的高质量修复、模型的3D 打印、尺寸的三维扫描技术以及大型整体镁合金铸件的数控加工技术系列技术。镁合金复杂构件产品经客户检测，质量达到客户及国家项目的技术要求。

（1）镁合金纯净化熔炼技术；采用倒“T”字形旋管乳化搅拌器精炼，从镁合金熔体中除去残留熔剂、氧化物等非金属杂质，完成了镁合金熔体的高纯度净化技术的研究，该技术不仅具备微观混合功能，将熔剂和气体以最小粒径小批量混合，完全达到分散混合的目的。同时具备宏观混合功能，将熔池中的物料在容器里整体混合，结构简单能达到无故障使用，操作也十分容易。同时我们引用了公司在大截面半连续铸锭铸造过程中的镁合金纯净化熔炼技术，大幅度减少了熔体内部的夹杂。经对镁合金座舱骨架铸件的分析，洁净化程度很高，完全满足产品对精炼的要求。

（2）镁合金低压铸造技术；壳体铸件是大型复杂镁合金铸件，且采用ZM6 合金，由于其流动性差，易燃烧氧化、难成型等特点，按照传统的铸造工艺，很难达到复杂产品的技术要求。我们在总结镁合金普通铸造等工艺的基础上，探索了新的铸造工艺技术：低压铸造。是液体金属在压差作用下，充填到预先有一定压力的铸型中，进行结晶、凝固而获得铸件的一种工艺方法。

通过采用低压铸造进行壳体铸件的研制，大幅提高铸件的合格率，彻底解决镁合金壳体部件成品率低、供货周期不稳定问题。并且大型镁合金铸件低压铸造技术可推广应用于其它航空、航天用大型镁合金部件的研制及生产上，促进我国战斗机零部件、导弹等制造技术的进步，具有较为广阔的推广应用前景。

（3）铸造工艺模拟仿真计算与设计；ProCAST 铸造工艺模拟仿真技术的应用传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统—铸造工艺的局限性表现为：①只是定性的分析；②要反复试制才能确定工艺。要精确分析温度场的变化，需要依靠计算机进行数值模拟，即ProCAST 铸造工艺仿真技术的应用。ProCAST 的使用是为评价和优化铸造产品与铸造工艺，借助于ProCAST 系统，在完成铸造工艺编制前，就能够对铸件成形过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析，并预测铸件的质量、优化铸造工艺参数和工艺方案。在壳体工艺设计前期，通过ProCAST 系统分析，确定了铸造工艺方案，使用此工艺方案，使壳体铸件生产的首件一次性检验合格，达到客户验收要求，大大缩短了铸造工艺设计及试制周期。

（4）产品质量的无损检测技术；铸件采用无损检测方法，如渗透检测、X 射线检测等，实现镁合金铸件质量的外部、内部检测。

渗透检测采用进口的荧光渗透液，能全方位检查铸件表面质量，实现铸件表面零缺陷的目的。从目前渗透检测水平来看，超高的灵敏度，可清晰的显示宽0.5mm，深10mm，长度为1mm的细微裂纹，尤其对复杂铸件肉眼不易察觉的拐角、内腔深槽部位，以及射线检测不易检测的盲区，起到检测互补作用，确保铸件全方位检测。操作具有快速、简便的特点，一次操作即可检出任何方向的缺陷，且显示直观，容易判断。

照相法射线检测采用进口微粒高性能胶片，能全面发现铸件内部各种缺陷。采用进口自动洗片机，使底片质量大幅度提高，质量稳定，照相级别可达B 级及以上。射线检测对被检工件无特殊要求，检验结果显示直观，检测技术和检验工作可以自我监测。射线检测不损伤被检物，可达到其他检测手段无法达到的独特检测效果，使用面宽，底片长期存档备查，便于分析事故，可直接显示缺陷图像。

（5）产品的尺寸光电扫描检测技术；利用三维光电扫描仪，可对生产过程中的模型、砂芯及铸件成品进行快速尺寸检测，并进行修正，可以精准的得到铸件的三维坐标数据，快速建立铸件的三维模型，从而实现铸件到三维模型的数字化过程，大大缩短铸件的设计及试制周期，及时掌握了模型、砂芯、铸件的形状与产品设计要求的偏离状态，保证了试制产品的尺寸质量。

（6）模型的3D 打印造型技术；3D 打印技术是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。对于复杂铸件来说，模具制作周期长，并且费用高。利用3D 打印技术，无需机械加工或任何模型，将设计的模型通过计算机图形数据生成任何形状的零件，从而极大地缩短了产品的研制周期，提高生产效率和降低生产成本。

（7）内部缺陷的高质量修复技术。镁合金的复杂铸件铸造难度大，铸造缺陷无法在一次制造中完全避免。因此研究铸件内部缺陷的修复，是保证产品质量，提高生产效率、降低生产成本的必要措施。针对航空镁合金结构中的缺陷的现状，对缺陷分布规律和缺陷种类开展了研究，并有针对性地开发缺陷修复方法及工艺，通过系统工艺实验和组织性能分析测试，形成一套完整工艺，完成缺陷修复，使得修复区性能与无缺陷材料基本相当。我们公司依据自身积累的镁合金焊接技术，对铸件产品进行无损检测，然后分析缺陷位置及缺陷类别，分不同情况，进行缺陷处理，同时我们研究开发了铸造产品专用镁合金焊丝，进行修复。

因此，对于ZM6 镁合金薄壁复杂构件的砂型铸造可采用低压铸造，结合设计过程中模拟仿真技术，生产中的镁合金纯净化技术和更先进的无损检测和三维扫描技术能有效解决在生产过程中产生的铸造缺陷，加上高水平的焊接修复技术及3D 打印技术，使镁合金铸件的合格率及生产周期都有了明显的提升。