ZL114A 铝合金大型舱体铸件铸造工艺研究

2022-11-22陈晓龙李翔光

中国金属通报 2022年10期

陈寅，陈晓龙，李翔光

ZL114A 属铝-硅系高强度铸造铝合金，由于合金中加入了少量的铍以消除杂质铁的作用，故在保持普通铝-硅系铸造铝合金优良铸造性能和耐腐蚀性的同时，并显著地提高了合金的强度，是铝-硅系铸合金中高强度品种之一，具有很高的强度、良好的韧性、流动性、气密性和抗热裂性，适用于铸造复杂形状的高强度铸件。

控制舱铸件是航空器不可或缺的一个重要零部件，对航空器飞行过程中的飞行姿态、飞行速度、精度等起到决定性作用，因此，此类型铸件的生产要求质量较严格，零部件的各个位置都需进行全面检查，要求检验等级达到Ⅰ级，避免控制舱铸件出现铸造缺陷，要达到这些技术要求就要提升铸件设计工艺。经过系统分析铸件铸造技术情况可判定得出：控制舱铸件形状为圆锥形，铸件内大量的加强筋热节容易导致出现疏松缺陷，铸件关键部位处于上下端框，壁厚凸出，要保证铸件内组织的致密性，应用特殊的铸造工艺。依据实际情况可改变铸件的铸造工艺，制定出一个科学的浇注方案，把控各生产流程。可先进行试铸造，检验控制舱铸造件的生产技术是否能达到要求标准，满足了铸件的使用性能，为控制舱铸件批量生产的正常进行提供了保证。

1 铸件工艺设计

1.1 铸件结构特点及技术要求

1.1.1 铸件结构特点

控制舱铸件有三个结构特点：①铸件外形尺寸大，高度1732mm，上端外径552mm，下端外径928mm，整体结构为圆锥形结构；②铸件壁薄尺寸不均匀，壁厚差大，主要壁厚为11.5mm，内表由多处加强筋，厚度6mm，凸出8.5mm，上、下端框部位最厚壁厚为92mm，③内表面除上、下端框区域外，其余部位不允许加工，尺寸要求精度高。

1.1.2 技术要求

控制舱铸件主要技术指标：铸件材料ZL114A，铸件要求分为A 区和B 区：A 区为距舱体前、后端面80mm 范围内以及舱壁开口安装区域，其余为B 区，铸件指定部位（A 区和B 区）剖切本体试样力学性能需满足抗拉强度σb≥280MPa，延伸率δ5≥4.0%。铸件满足HB963-2005 Ⅰ类铸件要求，不允许使用补焊方式修补任何铸造缺陷，铸件尺寸精度按HB6103-2004 CT9 级验收。

1.2 铸件的铸造工艺性分析

根据对铸件的结构分析认为：该铸件属于大型薄壁锥形类铸件，铸件内部的加强筋与外壁形成了许多热节，两端的端框与侧壁相交处也形成了热节，整个铸件要进行X 射线探伤和荧光检查，不能有任何铸造缺陷，且不能用补焊的方式返修缺陷，必须采用冷铁进行激冷，促使其快速凝固、结晶，避免缩孔及疏松缺陷的产生，提高组织致密度。由于铸件高度较高，内表面为非加工面，铸件收缩过程会受到砂芯阻碍影响，为改变这一现状可对收缩率进行有效控制，防止铸件变形，保证铸件尺寸合格率。所以，为确保铸件的品质质量，可采用以下措施。

1.2.1 差压浇注，提升致密性

控制舱铸件外形尺寸大，结构复杂，内部质量要求高，传统的浇注方法难以实现该铸件一次整体成型，采用差压浇注方式进行铸件浇注，是目前较为合理且适用的工艺方案。差压铸造又称反重力铸造、压差铸造，它是在低压铸造的基础上，铸型外加装一个密封罩，同时向坩埚和铸型密封罩内通入经干燥后含水量较低的压缩空气，在升液及充型过程中给坩埚内的金属液加压，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。差压铸造是低压铸造与压力下结晶两种铸造方法的结合，采用差压浇注的方式浇注大型高质量铸件，铸件制造所用液体平稳填充于铸型中，在铸造过程中有一个上低下高的浇注液体凝固温度梯度，同时在一定压力作用下，可以铸造出组织致密的铸件，使其力学性能得到大幅度提升。

1.2.2 强制激冷，建立温度梯度

控制舱铸件的内部及端框厚大部分，金属液的补缩量较少，铸件的凝固所耗费的时间更多，控制舱铸件内部产生疏松缺陷的概率较大，要降低铸件厚大部位出现缺陷概率，可应用强制制冷的方案，使控制舱铸件厚大部位先接受冷却。

1.2.3 缝隙式浇注系统，控制合金液平稳充型

铝合金化学性质极为活泼，比重小、极易氧化，一旦接触空气或水分，表面立即被氧化，因此，液流层总是覆盖着一层极薄的氧化膜，合金液流速过高或流向急剧改变，都会使氧化膜破裂，导致氧化膜和空气混入合金液内部，所形成的氧化夹渣物的密度比金属液密度大，难于清理。因此，要求铝合金合金液在浇注过程中流动平稳，不产生涡流、紊流和喷溅，以近乎层流的方式充型，故宜采用开放式浇注系统，由于控制舱铸件外形结构尺寸大，本研究拟采用开放式浇注系统中的缝隙式浇注系统进行铸件浇注，缝隙浇道是缝隙的内浇道与铸件的整个高度相连，金属液通过这个垂直的内浇道进入型腔，充型过程中金属液沿铸件高度方向自下而上顺序通过缝隙浇道，依次平稳地充填铸型，因此既有底注那样保证金属液平稳充型、利于排气、排渣，又能如顶注式那样具有自下而上顺序凝固的条件，有利于补缩。为了提高浇注系统的挡渣性能，还需在浇注系统底部增设集渣槽，同时在横浇道与缝隙浇道结合处安装过滤网，以达到最佳的挡渣效果，但也会带来合金液流量减少的问题，因此，在确定缝隙式浇注系统的立筒直径及缝隙浇道数量时需经过精确计算，避免合金液流量不足导致铸件欠铸。

1.2.4 合理布置缝隙浇道，控制铸件变形

控制舱这样的大尺寸薄壁铸件生产过程中，布局合理的缝隙浇道，不仅能在浇注过程中确保合金液平稳进入铸型，得到内部质量符合要求的铸件，在铸件热处理过程中，分布合理的浇道还能对铸件的变形加以控制，减少热处理变形量，确保铸件尺寸满足要求。

1.3 浇注系统及凝固顺序系统设计

控制舱铸件内部增设了大量的加强筋，形成了复杂的结构，铸件凝固过程中需进行持续补缩，补缩主要依靠缝隙式浇注系统差压铸造相互配合，可以使金属液充型时平稳地从底部升起，并确保立筒内合金液温度始终高于同一水平线的铸件部位温度，从而使凝固时有充足的补缩通道。舱体铸件采用差压浇注方式浇注，浇注系统采用缝隙立筒式浇注系统。

缝隙式浇注系统的立筒数量取决于单个立筒和缝隙浇道所能控制的充型范围和补缩范围以及铸件的壁厚，所以立筒数量和铸造方法及浇注方法有关。因此，根据铸件结构特点，通过计算铸件上、下端面周长，结合铸件壁厚、结构，控制舱铸件缝隙浇道数量设置为12 根，铸件厚大部位均设置有浇道，缝隙浇道间距为150mm ～200mm，这样确保缝隙浇道即可引流，也可对铸件进行有效补缩。为了确保铸件尖端厚大部位内部质量满足要求，铸件下端200mm 范围内采用φ75mm 的缝隙浇道，增加铸件下端厚大部位的补缩，200mm 以上采用φ60mm 的缝隙浇道。

舱体铸件上下端框及内表有多处加强筋，受到铸件结构及浇注方案的限制，厚大部位不可采用冒口进行补缩，因此在造型过程中，根据端框及加强筋形状制作成型冷铁，冷铁较砂型本身导热率高，激冷能力强，用于控制、改变铸件的凝固顺序，使之形成顺序凝固，起到加强铸件热节区域的冷却，防止产生缩孔、缩松、针孔、裂纹等缺陷的同时，加快厚大铸件部位的凝固速度，以获得较细的金相组织，提高铸件气密性和机械性能，冷铁厚度根据其摆放位置的铸件壁厚进行设计，通常情况下，冷铁厚度与摆放冷铁部位壁厚的比为1：1，可达到最佳的冷却效果。

1.4 铸造过程数值模拟

使用NOVACAST 铸造过程计算机模拟软件对工艺方案进行模拟浇注，将工艺模型数据导入模拟软件，基于有限元方法进行流场、温度场的循环计算，直至铸件凝固时停止，通过数值模拟，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。

控制舱铸件整个充型过程中，除刚开始的3s ～4s 略有波动外，金属液始终平稳地从底部升起，液面基本水平，合金液充型过程流动较为平稳，未发现大的流场涡流，整个流动情况符合预期设想，说明差压铸造的浇注系统设计较为合理，凝固过程中，铸件可实现自铸件本体至缝隙浇注系统的理想顺序凝固，最后结晶的部位均位于浇注系统上，说明冷铁的设置部位及厚度设计合理。

充型凝固过程结束后，采用模拟结果中的Niyama 数值对疏松缺陷进行判别，疏松缺陷均位于最后凝固的缝隙浇道上，与合金液凝固顺序相匹配，达到工艺设计预期目的。

2 铸件试制

2.1 熔炼

熔炼前需对所有材料进行喷砂处理，去除材料表面污垢，避免多余物进入合金中，并根据工艺配比要求将铝锭、中间合金、精炼剂等材料准备齐全。采用700Kg 锅炉钢材质坩埚及电阻熔炼炉进行合金熔炼，分别按顺序加入铝锭、镁锭及中间合金。在熔炼过程中，空气、炉气和水分中的氢气能溶入合金液中，如果这些气体不去除，合金冷却过程中从液体中析出的气体就使铸件产生针孔，同时，铝在高温下很容易氧化生成三氧化二铝薄膜，这层致密膜覆盖在金属液表面上，有防止合金液氧化的作用，但三氧化二铝熔点高，比重和合金液相近，一旦破碎混入合金液中就很难上浮到液面，极易形成铸件的氧化物夹渣，因此，为了清除合金液里的杂质、净化合金液，提高合金液纯净度，熔炼过程中应对合金进行精炼除气处理，具体工艺为：通过使用带有温度补偿导线的热电偶监控合金液温度，当合金液温度达到710℃～735℃时加入占合金液总量0.5%～0.7%的六氯乙烷进行精炼除气，然后撇渣，调整合金液温度至720℃～735℃，使用纯度为99.99%的氩气对合金液进行再次精炼，精炼时间为15min ～25min，随后进行二次撇渣，静置5min ～8min 后等待浇注。

2.2 造型

铸型外模采用黏土砂造型，砂芯采用树脂砂造型，砂芯造型过程中需确保冷铁位置摆放准确，树脂砂固化后从模具中取出砂芯，砂芯表面不应有损坏现象，若有损坏，需用修补膏将损坏处修补完整。为提高铸件内腔尺寸精度及非加工面光洁度，需在砂芯表面涂覆涂料，在砂芯表面涂上涂料可提高砂芯表面的耐火度、表面强度和降低表面粗糙度，从而防止铸件产生砂眼、夹砂等缺陷，并便于清整砂芯。控制舱铸件材料为铝合金，浇注温度在650℃～720℃之间，属于低温浇注，故采用滑石粉与乙醇的混制涂料进行涂刷。

为去除砂芯中的水分，需对砂芯进行烘烤处理，从而提高砂芯的强度和降低发气量，防止铸件气孔、砂眼、粘砂和夹砂等缺陷的产生，烘烤完成后，合箱前清理砂芯表面浮砂及其它多余物，合箱过程中使用专用检具检查外模与砂芯的间距是否符合铸件壁厚要求，合箱后，用锁紧螺栓锁紧上、下箱；准备浇注。

2.3 浇注

差压铸造浇注过程中主要控制的工艺参数包含浇注温度、升液速度、充型压力、结晶压力和保压时间等，可通过铸件高度、浇注系统合金液流量、合金材料铸造性能以及铸件结构复杂程度计算出相关参数数值。将合箱完成的控制舱铸件铸型吊运至差压浇注设备，调整合金液温度后进行铸件的浇注，控制舱铸件浇注参数为：浇注温度715℃～720℃，升液速度62mm/s，升液压力30KPa，充型速度65mm/s，充型压力80KPa，保压时间720s，开箱时间不少于1.5h。

3 试制结果

3.1 内部质量

根据上述工艺方案进行首件铸件的试制生产，从铸件表面质量情况来看，未发现有明显的铸件表面缺陷。对铸件进行了X射线及荧光渗透检验，结果表明，铸件无缩孔疏松缺陷，但在上端框位置发现4 个直径约为3mm 的气孔缺陷，且气孔缺陷所在位置不能通过机加工去除，同时，控制舱铸件不能使用补焊方法进行缺陷返修，因此，铸件内部质量不满足验收要求。

3.2 力学性能

铸件按要求进行T6 热处理，按技术协议要求对铸件指定区域分别取样三根进行力学性能测试，其中A 区本体取样力学性能平均值为：抗拉强度σb=313MPa、延伸率δ5=4.3%，B 区本体取样力学性能平均值为：抗拉强度σb=317MPa、延伸率δ5=4.7%，测试结果均高于设计要求，因此，控制舱铸件首件产品力学性能满足设计要求。

3.3 尺寸

由于控制舱铸件外形尺寸大、结构复杂，采用传统的钳工划线对该铸件进行尺寸检查耗时长、劳动强度大，因此采用非接触式三维激光扫描方式对铸件尺寸进行检测，利用扫描后生成的实物模型与工艺设计完成的理论模型进行比对后，控制舱铸件首件产品尺寸满足设计要求。

4 工艺优化与试制

4.1 原因分析

气孔缺陷是铝合金铸件一种常见的铸件内部缺陷，其细分为侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔。根据控制舱铸件首件产品X 光检测底片结果，结合气孔数量较少、尺寸较大，孔壁光滑，形状呈椭圆形的特征，工艺设计人员判断控制舱上端框的气孔缺陷类型为侵入性气孔，其形成原因是铸型浇注过程中，金属液对砂型和砂芯产生剧烈的热作用，由于铸型表层水分的蒸发，有机物的燃烧和挥发，形成了大量的气体，其中一部分气体通过砂型逸出，但当砂型透气性不良时，气体来不及逸出，就可能进入到金属液中，气体被包裹在金属液中来到铸件顶部，在排气通道不畅的情况下形成铸件内部气孔缺陷。

根据侵入性气孔产生的原因，工艺人员对首件研制过程进行了复查，经分析和研判后，造成控制舱铸件上端框气孔缺陷的主要因素是铸型盖板气眼针数量及深度不符合工艺要求，具体原因是造型操作人员未按工艺要求进行作业。