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(guò)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(guò)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。可先進(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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)這個(gè)垂直的內(nèi)澆道進(jìn)入型腔，充型過(guò)程中金屬液沿鑄件高度方向自下而上順序通過(guò)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(guò)濾網(wǎng)，以達(dá)到最佳的擋渣效果，但也會(huì)帶來(lái)合金液流量減少的問(wèn)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(guò)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(guò)程中，布局合理的縫隙澆道，不僅能在澆注過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程數(shù)值模擬

使用NOVACAST 鑄造過(guò)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(guò)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(guò)程中，除剛開(kāi)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(guò)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(shuō)明差壓鑄造的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，凝固過(guò)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(shuō)明冷鐵的設(shè)置部位及厚度設(shè)計(jì)合理。

充型凝固過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中應(yīng)對(duì)合金進(jìn)行精煉除氣處理，具體工藝為：通過(guò)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(shù)脂砂造型，砂芯造型過(guò)程中需確保冷鐵位置擺放準(zhǔn)確，樹(shù)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(wú)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)砂型逸出，但當(dāng)砂型透氣性不良時(shí)，氣體來(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程按首件制作過(guò)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(guò)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。