王先飛 潘 龍 崔恩強(qiáng) 李成鑫 房 宇 李寶輝 肖山楚

鋁合金大型薄壁平板件反重力鑄造技術(shù)研究

王先飛 潘 龍 崔恩強(qiáng) 李成鑫 房 宇 李寶輝 肖山楚

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

為實(shí)現(xiàn)鋁合金大平板件的砂型鑄造，獲得高質(zhì)量鑄件，結(jié)合模擬仿真方法，研究了冷鐵分布、保壓增壓值、鑄件與冷鐵厚度對(duì)平板鑄件缺陷形成的影響。結(jié)果表明：冷鐵分布、增壓保壓值、以及鑄件與冷鐵厚度均對(duì)平板鑄件缺陷的形成影響明顯。當(dāng)冷鐵之間存在較大間隙時(shí)，間隙處易形成縮松缺陷；增大保壓值可有效降低缺陷形成傾向；增壓保壓值在一定條件下，當(dāng)鑄件厚度或冷鐵厚度一定時(shí)，減小冷鐵厚度或增大鑄件厚度，可有效降低縮松缺陷的形成。

反重力鑄造；鑄造缺陷；數(shù)值模擬；冷鐵

1 引言

航天構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)是該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向[1]。航天構(gòu)件質(zhì)量的減小不僅能夠降低飛行器的發(fā)射成本，還能提高飛行器機(jī)動(dòng)性能[2]。鋁合金密度約為2.7g/cm3，比強(qiáng)度和硬度高，綜合力學(xué)性能好，同時(shí)還具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及抗腐蝕性，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，是應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料[3]。

反重力鑄造以低壓、差壓為代表的反重力鑄造技術(shù)是制造高冶金品質(zhì)的復(fù)雜薄壁輕合金構(gòu)件的主流技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[4，5]。反重力鑄造設(shè)備具有逆重力方向充型的特點(diǎn)，合金液可在液面加壓控制系統(tǒng)作用下可控充型，較高的環(huán)境壓力下凝固，成形過(guò)程平穩(wěn)，鑄件組織致密、性能高，顯著提升復(fù)雜薄壁輕合金構(gòu)件高質(zhì)量成形能力。

隨著鑄造技術(shù)與計(jì)算數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生的鑄造計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)具有高效、節(jié)能和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在工礦企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中[6]?，F(xiàn)在國(guó)際上比較成熟的商品化軟件有德國(guó)的Magmasoft，法國(guó)Procast、Flow-3D等[7]。在國(guó)內(nèi)鑄造計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)領(lǐng)域，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[8]。

借助模擬仿真技術(shù)，研究了鋁合金反重力鑄造條件下，冷鐵、補(bǔ)縮壓力和鑄件厚度等對(duì)缺陷形成的影響規(guī)律，研制了合格平板鑄件。

2 方法

研究采用平板結(jié)構(gòu)件，澆注系統(tǒng)采用縫隙式澆注系統(tǒng)，低壓澆注。平板試驗(yàn)件及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1a所示。圖1b中，依次排列6塊平板（1～6），分為澆冒口系統(tǒng)和通用冷鐵。

圖1 平板件及澆注系統(tǒng)示意圖

平板鑄件初始厚度設(shè)置為20mm，尺寸為576mm×573mm，因其面積較大，故每塊平板設(shè)置了1根縫隙澆道，澆道直徑65～70mm，澆道長(zhǎng)度為800mm，通用冷鐵初始厚度設(shè)置為15mm。因其典型壁厚較薄，冒口不好放置，故通過(guò)加長(zhǎng)縫隙澆道的長(zhǎng)度補(bǔ)縮鑄件。

3 結(jié)果與討論

3.1 冷鐵分布的影響

低壓澆注曲線如圖2所示，保壓壓差設(shè)置為35kPa。

圖2 保壓壓差35kPa的低壓澆注曲線

采用上述工藝澆注平板件，結(jié)果如圖3所示，平板產(chǎn)生缺陷為縮松缺陷（圖中標(biāo)記），位于冷鐵較大間隙處。

圖3 縮松缺陷位置示意圖（鑄件壁厚20mm，冷鐵厚度15mm）

針對(duì)缺陷形成位置，分析其原因。最大冷鐵間隙超過(guò)30mm，這些部位晚于四周凝固，凝固過(guò)程中得不到金屬液的補(bǔ)充，從而形成縮松缺陷。

針對(duì)上述問(wèn)題，精確控制實(shí)際過(guò)程，保證冷鐵間間隙小于5mm，再次澆注，平板產(chǎn)生的缺陷依然為縮松缺陷，如圖4所示。

圖4 縮松缺陷照片

盡管缺陷種類類似，但產(chǎn)生缺陷的位置與冷鐵間間隙較大時(shí)的位置存在明顯差異，縮松缺陷在平板上的分布比較分散，在平板上部、下部、靠近立筒側(cè)和遠(yuǎn)離立筒側(cè)都有多處分布，且在冷鐵的中心位置也有分布，如圖5所示。

圖5 縮松缺陷均勻分布

3.2 保壓增壓值的影響

澆注工藝，特別是壓力值對(duì)鑄件質(zhì)量影響明顯。平板鑄件所需壓力計(jì)算如下：

鋁合金密度為2.7g/cm3，按照重量密度比關(guān)系，760mm汞柱相當(dāng)于鋁合金液柱高度為760×13.6÷2.7=3828mm，即100kPa≈1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=3828mm鋁合金液柱。因此，1kPa≈38mm鋁合金液柱。

平板澆注時(shí)合金液面與鑄件型腔頂部高度差達(dá)到2344mm以上（直澆道底部到冒口頂部1044mm+底箱200mm+中隔板至澆注完成后液面距離1100mm），保證鑄件完整澆注成型所需壓力至少為62kPa。另外，為減少鑄件內(nèi)部缺陷數(shù)量及等級(jí)，結(jié)殼壓力需10kPa，保壓壓力還需35kPa，因此，鑄件澆注過(guò)程共需107kPa壓力，壓差上限至少要107kPa。

為驗(yàn)證保壓壓力對(duì)鑄件缺陷形成的影響，首先開(kāi)展模擬仿真研究。表1所示為澆注的實(shí)際低壓工藝參數(shù)，保壓增壓值分別為35kPa、20kPa、15kPa。

表1 實(shí)際低壓澆注工藝參數(shù)表

由仿真結(jié)果可知，鑄件厚度均為20mm，冷鐵厚度15mm時(shí)，壓差由15kPa提升至20kPa時(shí)，缺陷形成傾向變化不大，提升至35kPa時(shí)，缺陷形成傾向明顯降低。實(shí)際驗(yàn)證中，采用壓差為20kPa的澆注工藝實(shí)際澆注平板，缺陷形成數(shù)量明顯多于壓差為35kPa，證實(shí)了壓差對(duì)鑄件缺陷的形成具有重要影響，如圖6所示。

圖6 不同保壓增壓值的工藝仿真結(jié)果

3.3 鑄件壁厚與冷鐵厚度的相互關(guān)系

當(dāng)壓差足夠條件下（35kPa），探討冷鐵厚度與鑄件厚度對(duì)缺陷形成的影響關(guān)系，首先開(kāi)展模擬仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鑄件與冷鐵影響驗(yàn)證模型與仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，在保壓壓力為35kPa條件下，當(dāng)鑄件厚度或冷鐵厚度一定時(shí)，增加冷鐵厚度或減小鑄件厚度，缺陷形成傾向明顯增加，兩者存在匹配關(guān)系。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)冷鐵之間存在較大間隙時(shí)，鑄件相應(yīng)位置形成缺陷的傾向較大，與實(shí)際澆注結(jié)果吻合。開(kāi)展實(shí)際澆注，拍片結(jié)果顯示，未放置冷鐵的厚度20mm平板拍片合格（4號(hào)板，圖片未示出），其余均不合格。有缺陷的平板如圖8所示。

圖8 不同鑄件與冷鐵厚度條件下的鑄件缺陷位置示意圖

當(dāng)鑄件厚度為20mm時(shí)，冷鐵厚度由15mm（圖8a）減小至10mm（圖8b），再至取消冷鐵（合格鑄件，未示出），可減小鑄件的縮松傾向；當(dāng)冷鐵厚度為10mm，鑄件厚度由12mm（圖8e）增加至20mm（圖8b），或者當(dāng)冷鐵厚度為15mm，鑄件厚度由16mm（圖8d）增加至20mm（圖8a）時(shí)，可減少鑄件的縮松傾向，上述結(jié)果與仿真分析一致。

3.4 缺陷形成分析

針對(duì)縮松缺陷，在缺陷位置打開(kāi)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)縮松缺陷在厚度方向都分布在遠(yuǎn)離冷鐵的一側(cè)，深度約12mm。

圖9 縮松缺陷分布照片

由于冷鐵激冷作用，合金液凝固過(guò)程中，靠近冷鐵一側(cè)首先凝固，遠(yuǎn)離冷鐵一側(cè)最后凝固，在凝固過(guò)程中，補(bǔ)縮通道越來(lái)越窄，要求較高的補(bǔ)縮壓力才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，在補(bǔ)縮壓力不足情況下易出現(xiàn)縮松缺陷。當(dāng)保壓增壓值充足時(shí)，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮。當(dāng)補(bǔ)縮壓力一定時(shí)，增加冷鐵厚度或減小鑄件厚度，會(huì)減小補(bǔ)縮通道，使得缺陷形成傾向增加。因此，鑄件厚度、冷鐵厚度以及保壓壓力對(duì)鑄件缺陷的形成具有相互影響關(guān)系，需綜合考慮。同時(shí)，平板件的合格研制是沒(méi)有放置冷鐵的，這與實(shí)際鋁合金艙體、支架等結(jié)構(gòu)鑄件的合格研制具有明顯差異，相關(guān)機(jī)理需深入研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

a. 冷鐵分布對(duì)平板鑄件缺陷的形成具有明顯影響，當(dāng)冷鐵之間存在較大間隙時(shí)，間隙處易形成縮松缺陷。

b. 增壓保壓值對(duì)鑄件缺陷的形成具有重要影響，當(dāng)增壓保壓值相對(duì)較低時(shí)，無(wú)法有效促進(jìn)縮松等缺陷的補(bǔ)縮，增大保壓值可有效降低缺陷形成傾向，針對(duì)典型鑄件，增壓保壓值需高于一定數(shù)值。

c. 當(dāng)增壓保壓值一定時(shí)，鑄件厚度與冷鐵厚度對(duì)鑄件缺陷形成影響同樣明顯。當(dāng)鑄件厚度或冷鐵厚度一定時(shí)，減小冷鐵厚度或增大鑄件厚度，可有效降低縮松缺陷的形成傾向。

1 李中權(quán)，肖旅，李寶輝，等. 航天先進(jìn)輕合金材料及成形技術(shù)研究綜述[J].上海航天，2019(2)：9～21

2 周林，曾捷，李鈺，等. 空間環(huán)境鋁合金板結(jié)構(gòu)熱屬性光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]. 上海航天，2017(3)：108～115

3 肖冰，康鳳，胡傳凱，等. 國(guó)外輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2011(1)：94～97

4 陳先先，屈盛官，李彬. 大型薄壁復(fù)雜鋁合金油底殼低壓鑄造過(guò)程數(shù)值模擬研究[J]. 鑄造技術(shù)，2015(6)：1545～1549

5 余瑾，楊天云，楊兵，等. 大型鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝研究[J]. 特種鑄造及有色合金，2011(10)：935～938

6 熊守美，許慶彥，康進(jìn)武. 鑄造過(guò)程模擬仿真技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

7 許慶彥，熊守美，周建新，等. 鑄造技術(shù)路線圖：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化鑄造[J]. 鑄造，2017(12)：1243～1249

8 周建新. 鑄造計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鑄造，2012(10)：1105～1115

Research on Anti-gravity Casting Technology for Large Thin-walled Aluminum Alloy Plate Parts

Wang Xianfei Pan Long Cui Enqiang Li Chengxin Fang Yu Li Baohui Xiao Shanchu

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

For casting the large thin-wall plate of aluminium alloy with high quality, the effect of chill distribution, boost pressure, and the thickness of the casting and chill on the formation of casing defect was studied. The results show that, chill distribution, boost pressure and the thickness of the casting and chill has significant impact on the formation of the casting defect. When the gap between chills was bigger, the location of the gap can easily form the shrinkage porosity. Increasing the boost pressure can decrease the formation of defect. When the chickness of the casting or the chill was fixed, decreasing the chickness of the chill or the casting can decrease the formation of defect.

anti-gravity casting；casting defects；numerical simulation；chill

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”項(xiàng)目（2017ZX04006001）。

王先飛（1986），博士，材料加工專業(yè)；研究方向：鑄造過(guò)程模擬仿真、輕合金精密鑄造技術(shù)。

2020-08-15