ZL114A 鋁合金大型艙體鑄件鑄造工藝研究

陳 寅，陳曉龍，李翔光

ZL114A 屬鋁-硅系高強(qiáng)度鑄造鋁合金，由于合金中加入了少量的鈹以消除雜質(zhì)鐵的作用，故在保持普通鋁-硅系鑄造鋁合金優(yōu)良鑄造性能和耐腐蝕性的同時(shí)，并顯著地提高了合金的強(qiáng)度，是鋁-硅系鑄合金中高強(qiáng)度品種之一，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、流動(dòng)性、氣密性和抗熱裂性，適用于鑄造復(fù)雜形狀的高強(qiáng)度鑄件。

控制艙鑄件是航空器不可或缺的一個(gè)重要零部件，對(duì)航空器飛行過程中的飛行姿態(tài)、飛行速度、精度等起到?jīng)Q定性作用，因此，此類型鑄件的生產(chǎn)要求質(zhì)量較嚴(yán)格，零部件的各個(gè)位置都需進(jìn)行全面檢查，要求檢驗(yàn)等級(jí)達(dá)到Ⅰ級(jí)，避免控制艙鑄件出現(xiàn)鑄造缺陷，要達(dá)到這些技術(shù)要求就要提升鑄件設(shè)計(jì)工藝。經(jīng)過系統(tǒng)分析鑄件鑄造技術(shù)情況可判定得出：控制艙鑄件形狀為圓錐形，鑄件內(nèi)大量的加強(qiáng)筋熱節(jié)容易導(dǎo)致出現(xiàn)疏松缺陷，鑄件關(guān)鍵部位處于上下端框，壁厚凸出，要保證鑄件內(nèi)組織的致密性，應(yīng)用特殊的鑄造工藝。依據(jù)實(shí)際情況可改變鑄件的鑄造工藝，制定出一個(gè)科學(xué)的澆注方案，把控各生產(chǎn)流程?？上冗M(jìn)行試鑄造，檢驗(yàn)控制艙鑄造件的生產(chǎn)技術(shù)是否能達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，滿足了鑄件的使用性能，為控制艙鑄件批量生產(chǎn)的正常進(jìn)行提供了保證。

1 鑄件工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

1.1.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

控制艙鑄件有三個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①鑄件外形尺寸大，高度1732mm，上端外徑552mm，下端外徑928mm，整體結(jié)構(gòu)為圓錐形結(jié)構(gòu)；②鑄件壁薄尺寸不均勻，壁厚差大，主要壁厚為11.5mm，內(nèi)表由多處加強(qiáng)筋，厚度6mm，凸出8.5mm，上、下端框部位最厚壁厚為92mm，③內(nèi)表面除上、下端框區(qū)域外，其余部位不允許加工，尺寸要求精度高。

1.1.2 技術(shù)要求

控制艙鑄件主要技術(shù)指標(biāo)：鑄件材料ZL114A，鑄件要求分為A 區(qū)和B 區(qū)：A 區(qū)為距艙體前、后端面80mm 范圍內(nèi)以及艙壁開口安裝區(qū)域，其余為B 區(qū)，鑄件指定部位（A 區(qū)和B 區(qū)）剖切本體試樣力學(xué)性能需滿足抗拉強(qiáng)度σb≥280MPa，延伸率δ5≥4.0%。鑄件滿足HB963-2005 Ⅰ類鑄件要求，不允許使用補(bǔ)焊方式修補(bǔ)任何鑄造缺陷，鑄件尺寸精度按HB6103-2004 CT9 級(jí)驗(yàn)收。

1.2 鑄件的鑄造工藝性分析

根據(jù)對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為：該鑄件屬于大型薄壁錐形類鑄件，鑄件內(nèi)部的加強(qiáng)筋與外壁形成了許多熱節(jié)，兩端的端框與側(cè)壁相交處也形成了熱節(jié)，整個(gè)鑄件要進(jìn)行X 射線探傷和熒光檢查，不能有任何鑄造缺陷，且不能用補(bǔ)焊的方式返修缺陷，必須采用冷鐵進(jìn)行激冷，促使其快速凝固、結(jié)晶，避免縮孔及疏松缺陷的產(chǎn)生，提高組織致密度。由于鑄件高度較高，內(nèi)表面為非加工面，鑄件收縮過程會(huì)受到砂芯阻礙影響，為改變這一現(xiàn)狀可對(duì)收縮率進(jìn)行有效控制，防止鑄件變形，保證鑄件尺寸合格率。所以，為確保鑄件的品質(zhì)質(zhì)量，可采用以下措施。

1.2.1 差壓澆注，提升致密性

控制艙鑄件外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)的澆注方法難以實(shí)現(xiàn)該鑄件一次整體成型，采用差壓澆注方式進(jìn)行鑄件澆注，是目前較為合理且適用的工藝方案。差壓鑄造又稱反重力鑄造、壓差鑄造，它是在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，鑄型外加裝一個(gè)密封罩，同時(shí)向坩堝和鑄型密封罩內(nèi)通入經(jīng)干燥后含水量較低的壓縮空氣，在升液及充型過程中給坩堝內(nèi)的金屬液加壓，使坩堝內(nèi)的金屬液在壓力差的作用下經(jīng)升液管充填鑄型，并在壓力下結(jié)晶。差壓鑄造是低壓鑄造與壓力下結(jié)晶兩種鑄造方法的結(jié)合，采用差壓澆注的方式澆注大型高質(zhì)量鑄件，鑄件制造所用液體平穩(wěn)填充于鑄型中，在鑄造過程中有一個(gè)上低下高的澆注液體凝固溫度梯度，同時(shí)在一定壓力作用下，可以鑄造出組織致密的鑄件，使其力學(xué)性能得到大幅度提升。

1.2.2 強(qiáng)制激冷，建立溫度梯度

控制艙鑄件的內(nèi)部及端框厚大部分，金屬液的補(bǔ)縮量較少，鑄件的凝固所耗費(fèi)的時(shí)間更多，控制艙鑄件內(nèi)部產(chǎn)生疏松缺陷的概率較大，要降低鑄件厚大部位出現(xiàn)缺陷概率，可應(yīng)用強(qiáng)制制冷的方案，使控制艙鑄件厚大部位先接受冷卻。

1.2.3 縫隙式澆注系統(tǒng)，控制合金液平穩(wěn)充型

鋁合金化學(xué)性質(zhì)極為活潑，比重小、極易氧化，一旦接觸空氣或水分，表面立即被氧化，因此，液流層總是覆蓋著一層極薄的氧化膜，合金液流速過高或流向急劇改變，都會(huì)使氧化膜破裂，導(dǎo)致氧化膜和空氣混入合金液內(nèi)部，所形成的氧化夾渣物的密度比金屬液密度大，難于清理。因此，要求鋁合金合金液在澆注過程中流動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生渦流、紊流和噴濺，以近乎層流的方式充型，故宜采用開放式澆注系統(tǒng)，由于控制艙鑄件外形結(jié)構(gòu)尺寸大，本研究擬采用開放式澆注系統(tǒng)中的縫隙式澆注系統(tǒng)進(jìn)行鑄件澆注，縫隙澆道是縫隙的內(nèi)澆道與鑄件的整個(gè)高度相連，金屬液通過這個(gè)垂直的內(nèi)澆道進(jìn)入型腔，充型過程中金屬液沿鑄件高度方向自下而上順序通過縫隙澆道，依次平穩(wěn)地充填鑄型，因此既有底注那樣保證金屬液平穩(wěn)充型、利于排氣、排渣，又能如頂注式那樣具有自下而上順序凝固的條件，有利于補(bǔ)縮。為了提高澆注系統(tǒng)的擋渣性能，還需在澆注系統(tǒng)底部增設(shè)集渣槽，同時(shí)在橫澆道與縫隙澆道結(jié)合處安裝過濾網(wǎng)，以達(dá)到最佳的擋渣效果，但也會(huì)帶來合金液流量減少的問題，因此，在確定縫隙式澆注系統(tǒng)的立筒直徑及縫隙澆道數(shù)量時(shí)需經(jīng)過精確計(jì)算，避免合金液流量不足導(dǎo)致鑄件欠鑄。

1.2.4 合理布置縫隙澆道，控制鑄件變形

控制艙這樣的大尺寸薄壁鑄件生產(chǎn)過程中，布局合理的縫隙澆道，不僅能在澆注過程中確保合金液平穩(wěn)進(jìn)入鑄型，得到內(nèi)部質(zhì)量符合要求的鑄件，在鑄件熱處理過程中，分布合理的澆道還能對(duì)鑄件的變形加以控制，減少熱處理變形量，確保鑄件尺寸滿足要求。

1.3 澆注系統(tǒng)及凝固順序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制艙鑄件內(nèi)部增設(shè)了大量的加強(qiáng)筋，形成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，鑄件凝固過程中需進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)縮，補(bǔ)縮主要依靠縫隙式澆注系統(tǒng)差壓鑄造相互配合，可以使金屬液充型時(shí)平穩(wěn)地從底部升起，并確保立筒內(nèi)合金液溫度始終高于同一水平線的鑄件部位溫度，從而使凝固時(shí)有充足的補(bǔ)縮通道。艙體鑄件采用差壓澆注方式澆注，澆注系統(tǒng)采用縫隙立筒式澆注系統(tǒng)。

縫隙式澆注系統(tǒng)的立筒數(shù)量取決于單個(gè)立筒和縫隙澆道所能控制的充型范圍和補(bǔ)縮范圍以及鑄件的壁厚，所以立筒數(shù)量和鑄造方法及澆注方法有關(guān)。因此，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過計(jì)算鑄件上、下端面周長(zhǎng)，結(jié)合鑄件壁厚、結(jié)構(gòu)，控制艙鑄件縫隙澆道數(shù)量設(shè)置為12 根，鑄件厚大部位均設(shè)置有澆道，縫隙澆道間距為150mm ～200mm，這樣確?？p隙澆道即可引流，也可對(duì)鑄件進(jìn)行有效補(bǔ)縮。為了確保鑄件尖端厚大部位內(nèi)部質(zhì)量滿足要求，鑄件下端200mm 范圍內(nèi)采用φ75mm 的縫隙澆道，增加鑄件下端厚大部位的補(bǔ)縮，200mm 以上采用φ60mm 的縫隙澆道。

艙體鑄件上下端框及內(nèi)表有多處加強(qiáng)筋，受到鑄件結(jié)構(gòu)及澆注方案的限制，厚大部位不可采用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，因此在造型過程中，根據(jù)端框及加強(qiáng)筋形狀制作成型冷鐵，冷鐵較砂型本身導(dǎo)熱率高，激冷能力強(qiáng)，用于控制、改變鑄件的凝固順序，使之形成順序凝固，起到加強(qiáng)鑄件熱節(jié)區(qū)域的冷卻，防止產(chǎn)生縮孔、縮松、針孔、裂紋等缺陷的同時(shí)，加快厚大鑄件部位的凝固速度，以獲得較細(xì)的金相組織，提高鑄件氣密性和機(jī)械性能，冷鐵厚度根據(jù)其擺放位置的鑄件壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況下，冷鐵厚度與擺放冷鐵部位壁厚的比為1：1，可達(dá)到最佳的冷卻效果。

1.4 鑄造過程數(shù)值模擬

使用NOVACAST 鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行模擬澆注，將工藝模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬軟件，基于有限元方法進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的循環(huán)計(jì)算，直至鑄件凝固時(shí)停止，通過數(shù)值模擬，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。

控制艙鑄件整個(gè)充型過程中，除剛開始的3s ～4s 略有波動(dòng)外，金屬液始終平穩(wěn)地從底部升起，液面基本水平，合金液充型過程流動(dòng)較為平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)大的流場(chǎng)渦流，整個(gè)流動(dòng)情況符合預(yù)期設(shè)想，說明差壓鑄造的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，凝固過程中，鑄件可實(shí)現(xiàn)自鑄件本體至縫隙澆注系統(tǒng)的理想順序凝固，最后結(jié)晶的部位均位于澆注系統(tǒng)上，說明冷鐵的設(shè)置部位及厚度設(shè)計(jì)合理。

充型凝固過程結(jié)束后，采用模擬結(jié)果中的Niyama 數(shù)值對(duì)疏松缺陷進(jìn)行判別，疏松缺陷均位于最后凝固的縫隙澆道上，與合金液凝固順序相匹配，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)預(yù)期目的。

2 鑄件試制

2.1 熔煉

熔煉前需對(duì)所有材料進(jìn)行噴砂處理，去除材料表面污垢，避免多余物進(jìn)入合金中，并根據(jù)工藝配比要求將鋁錠、中間合金、精煉劑等材料準(zhǔn)備齊全。采用700Kg 鍋爐鋼材質(zhì)坩堝及電阻熔煉爐進(jìn)行合金熔煉，分別按順序加入鋁錠、鎂錠及中間合金。在熔煉過程中，空氣、爐氣和水分中的氫氣能溶入合金液中，如果這些氣體不去除，合金冷卻過程中從液體中析出的氣體就使鑄件產(chǎn)生針孔，同時(shí)，鋁在高溫下很容易氧化生成三氧化二鋁薄膜，這層致密膜覆蓋在金屬液表面上，有防止合金液氧化的作用，但三氧化二鋁熔點(diǎn)高，比重和合金液相近，一旦破碎混入合金液中就很難上浮到液面，極易形成鑄件的氧化物夾渣，因此，為了清除合金液里的雜質(zhì)、凈化合金液，提高合金液純凈度，熔煉過程中應(yīng)對(duì)合金進(jìn)行精煉除氣處理，具體工藝為：通過使用帶有溫度補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶監(jiān)控合金液溫度，當(dāng)合金液溫度達(dá)到710℃～735℃時(shí)加入占合金液總量0.5%～0.7%的六氯乙烷進(jìn)行精煉除氣，然后撇渣，調(diào)整合金液溫度至720℃～735℃，使用純度為99.99%的氬氣對(duì)合金液進(jìn)行再次精煉，精煉時(shí)間為15min ～25min，隨后進(jìn)行二次撇渣，靜置5min ～8min 后等待澆注。

2.2 造型

鑄型外模采用黏土砂造型，砂芯采用樹脂砂造型，砂芯造型過程中需確保冷鐵位置擺放準(zhǔn)確，樹脂砂固化后從模具中取出砂芯，砂芯表面不應(yīng)有損壞現(xiàn)象，若有損壞，需用修補(bǔ)膏將損壞處修補(bǔ)完整。為提高鑄件內(nèi)腔尺寸精度及非加工面光潔度，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、表面強(qiáng)度和降低表面粗糙度，從而防止鑄件產(chǎn)生砂眼、夾砂等缺陷，并便于清整砂芯?？刂婆撹T件材料為鋁合金，澆注溫度在650℃～720℃之間，屬于低溫澆注，故采用滑石粉與乙醇的混制涂料進(jìn)行涂刷。

為去除砂芯中的水分，需對(duì)砂芯進(jìn)行烘烤處理，從而提高砂芯的強(qiáng)度和降低發(fā)氣量，防止鑄件氣孔、砂眼、粘砂和夾砂等缺陷的產(chǎn)生，烘烤完成后，合箱前清理砂芯表面浮砂及其它多余物，合箱過程中使用專用檢具檢查外模與砂芯的間距是否符合鑄件壁厚要求，合箱后，用鎖緊螺栓鎖緊上、下箱；準(zhǔn)備澆注。

2.3 澆注

差壓鑄造澆注過程中主要控制的工藝參數(shù)包含澆注溫度、升液速度、充型壓力、結(jié)晶壓力和保壓時(shí)間等，可通過鑄件高度、澆注系統(tǒng)合金液流量、合金材料鑄造性能以及鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度計(jì)算出相關(guān)參數(shù)數(shù)值。將合箱完成的控制艙鑄件鑄型吊運(yùn)至差壓澆注設(shè)備，調(diào)整合金液溫度后進(jìn)行鑄件的澆注，控制艙鑄件澆注參數(shù)為：澆注溫度715℃～720℃，升液速度62mm/s，升液壓力30KPa，充型速度65mm/s，充型壓力80KPa，保壓時(shí)間720s，開箱時(shí)間不少于1.5h。

3 試制結(jié)果

3.1 內(nèi)部質(zhì)量

根據(jù)上述工藝方案進(jìn)行首件鑄件的試制生產(chǎn)，從鑄件表面質(zhì)量情況來看，未發(fā)現(xiàn)有明顯的鑄件表面缺陷。對(duì)鑄件進(jìn)行了X射線及熒光滲透檢驗(yàn)，結(jié)果表明，鑄件無縮孔疏松缺陷，但在上端框位置發(fā)現(xiàn)4 個(gè)直徑約為3mm 的氣孔缺陷，且氣孔缺陷所在位置不能通過機(jī)加工去除，同時(shí)，控制艙鑄件不能使用補(bǔ)焊方法進(jìn)行缺陷返修，因此，鑄件內(nèi)部質(zhì)量不滿足驗(yàn)收要求。

3.2 力學(xué)性能

鑄件按要求進(jìn)行T6 熱處理，按技術(shù)協(xié)議要求對(duì)鑄件指定區(qū)域分別取樣三根進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其中A 區(qū)本體取樣力學(xué)性能平均值為：抗拉強(qiáng)度σb=313MPa、延伸率δ5=4.3%，B 區(qū)本體取樣力學(xué)性能平均值為：抗拉強(qiáng)度σb=317MPa、延伸率δ5=4.7%，測(cè)試結(jié)果均高于設(shè)計(jì)要求，因此，控制艙鑄件首件產(chǎn)品力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 尺寸

由于控制艙鑄件外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的鉗工劃線對(duì)該鑄件進(jìn)行尺寸檢查耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此采用非接觸式三維激光掃描方式對(duì)鑄件尺寸進(jìn)行檢測(cè)，利用掃描后生成的實(shí)物模型與工藝設(shè)計(jì)完成的理論模型進(jìn)行比對(duì)后，控制艙鑄件首件產(chǎn)品尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

4 工藝優(yōu)化與試制

4.1 原因分析

氣孔缺陷是鋁合金鑄件一種常見的鑄件內(nèi)部缺陷，其細(xì)分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應(yīng)性氣孔。根據(jù)控制艙鑄件首件產(chǎn)品X 光檢測(cè)底片結(jié)果，結(jié)合氣孔數(shù)量較少、尺寸較大，孔壁光滑，形狀呈橢圓形的特征，工藝設(shè)計(jì)人員判斷控制艙上端框的氣孔缺陷類型為侵入性氣孔，其形成原因是鑄型澆注過程中，金屬液對(duì)砂型和砂芯產(chǎn)生劇烈的熱作用，由于鑄型表層水分的蒸發(fā)，有機(jī)物的燃燒和揮發(fā)，形成了大量的氣體，其中一部分氣體通過砂型逸出，但當(dāng)砂型透氣性不良時(shí)，氣體來不及逸出，就可能進(jìn)入到金屬液中，氣體被包裹在金屬液中來到鑄件頂部，在排氣通道不暢的情況下形成鑄件內(nèi)部氣孔缺陷。

根據(jù)侵入性氣孔產(chǎn)生的原因，工藝人員對(duì)首件研制過程進(jìn)行了復(fù)查，經(jīng)分析和研判后，造成控制艙鑄件上端框氣孔缺陷的主要因素是鑄型蓋板氣眼針數(shù)量及深度不符合工藝要求，具體原因是造型操作人員未按工藝要求進(jìn)行作業(yè)。

4.2 工藝優(yōu)化

經(jīng)分析明確氣孔產(chǎn)生的原因后，為避免同樣的問題再次出現(xiàn)，工藝人員設(shè)計(jì)了氣眼針專用工裝，確保鑄型蓋板中一定面積內(nèi)的氣眼針數(shù)量和深度符合工藝規(guī)定要求，同時(shí)，鑒于控制艙鑄型較大的情況，將外模造型用砂箱改用砂箱壁帶通孔的砂箱，增加氣體逸出通道，確保充型過程中產(chǎn)生的氣體可從蓋板氣眼針和砂箱通孔中順利排出。

4.3 鑄件試制

氣眼針工裝制作完成后，對(duì)控制艙鑄件進(jìn)行再次試制，生產(chǎn)過程按首件制作過程進(jìn)行操作，并使用首件控制艙鑄件的澆注參數(shù)進(jìn)行鑄件澆注，產(chǎn)品澆注完成后經(jīng)過X 光檢測(cè)、熱處理、力學(xué)性能檢測(cè)及結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)后，鑄件內(nèi)部質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、指定區(qū)域力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品研制取得成功。

5 結(jié)論

（1）采用差壓澆注方法，結(jié)合使用縫隙式澆注系統(tǒng)并合理設(shè)置冷鐵，同時(shí)設(shè)計(jì)通暢的排氣通道，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固，成功了研制符合技術(shù)條件的控制艙鑄件。

（2）X 射線檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明，研制的控制艙鑄件內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）控制艙鑄件尺寸采用非接觸式三維激光掃描檢測(cè)結(jié)果表明，鑄件尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。