鎂合金電子艙體澆注系統設計與快速熔模鑄造

李 飛 孔 振 楊力祥, 孫東科 趙彥杰 汪東紅 李中權 孫寶德

?

鎂合金電子艙體澆注系統設計與快速熔模鑄造

李 飛1孔 振2楊力祥1,2孫東科3趙彥杰1汪東紅1李中權2孫寶德1

（1.上海市高溫材料及其精密成形重點實驗室，上海交通大學，上海 200240；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600；3.東南大學機械工程學院，南京 211189）

為了滿足航天器大型復雜薄壁鎂合金構件減重與快速制造需求，以某鎂合金電子艙體為例開展了熔模鑄造工藝研究。通過選區激光燒結（SLS）3D打印技術制備了艙體熔模，設計了3種澆注系統，采用ProCAST軟件對艙體的低壓鑄造過程和鑄造缺陷進行了模擬。研究結果表明，3D打印的聚苯乙烯熔模在燒除過程中未導致型殼脹裂問題的出現。低壓鑄造結合縫隙式澆注系統可滿足鎂合金熔體的平穩充型和完全補縮，實現了鎂合金艙體鑄件的快速熔模鑄造成形。

3D打印；鎂合金；電子艙體；快速熔模鑄造；數值模擬

1 引言

隨著航天工業的迅速發展，對于航天器構件輕量化的要求越來越高[1～3]。與鋁、鈦合金相比，鎂合金的密度更低，因此輕量化優勢更為明顯。同時，鎂合金構件的結構設計也朝著大型化、薄壁化、復雜化和結構功能一體化的方向發展。大型鎂合金鑄件通常采用傳統的砂型鑄造工藝成形[5～7]，所獲得的鑄件毛坯加工余量很大，表面粗糙度高且尺寸精度低，已很難滿足現代航天工業對于鎂合金大型構件的設計及研制周期要求。

熔模鑄造是一種金屬構件的近凈成形工藝，其基本工藝過程是采用模具壓制蠟模、組裝澆注系統、沾漿淋砂制備型殼、型殼脫蠟與焙燒、鑄件澆注與后處理等。近年來，隨著熔模鑄造技術與裝備水平的提高，許多大型鑄件，如航空發動機高溫合金渦輪后機匣[8]、鈦合金中介機匣[9]等尺寸超過1m的大型鑄件在國內都已經實現了熔模鑄造成形。然而，鎂合金熔模鑄造的研究開展得較少，但是在解決鎂合金鑄件在鑄造過程中的阻燃與型殼材料的反應問題的前提下[10]，將熔模鑄造與反重力鑄造工藝相結合，則有望應用于大型、復雜、薄壁鎂合金構件的精密成形，大幅度減少加工余量，提高構件的表面質量與尺寸精度。

本文選取了一種具有較大尺寸和復雜結構的電子艙體構件作為對象進行熔模鑄造工藝研究。為縮短研制周期，將選區激光燒結（SLS）3D打印技術應用到艙體熔模的快速成型，并遴選惰性陶瓷材料制作了阻燃陶瓷型殼。同時，采用ProCAST軟件對鎂合金艙體鑄件的鑄造工藝和鑄造缺陷進行了模擬分析，優化了澆注系統，進行了艙體的澆注與無損檢測。以上研究結果將為鎂合金大型鑄件的快速熔模鑄造提供技術支撐。

2 電子艙體的結構特點

電子艙體構件的高度為700mm，外筒直徑為300mm，有前后端框，內壁有多處凸臺，厚度10～20mm，凸出25～40mm，設計圓筒處最薄壁厚3mm，屬于尺寸較大的、薄壁復雜類鎂合金構件[11]。鎂合金艙體鑄件主要采用砂型鑄造結合低壓充型工藝制造，毛坯件圓筒處設計壁厚11mm。目前，采用砂型鑄造艙體存在的問題包括：a.加工量大，鑄件易發生加工變形；b.艙體內部很難加工，因此表面精度很低，只能讓步使用；c.艙體內壁有多處凸臺，與筒壁接觸部位易產生熱節，砂型鑄造方法不便于采用冒口補縮，因此鑄造缺陷較多。電子艙體鑄件的三維模型見圖1。

圖1 電子艙體鑄件的三維模型

3 澆注系統的設計

電子艙體鑄件結構復雜，高度達到700mm，因此采用低壓鑄造工藝，將鎂合金熔體由下而上充填型殼，在低氣壓下保持澆道與補縮通道合二為一，始終維持型殼溫度梯度與壓力梯度的一致性，可有效地提高鑄件的致密性。同時，要求鎂合金熔體在升液管和型殼型腔中以層流狀態平穩流動，避免卷氣，并通過控制澆口尺寸與形狀而實現鑄件有效的壓力下補縮與順序凝固，從而避免鎂合金熔體在澆注過程中的氧化夾雜、針孔等多種鑄造缺陷的產生。

本研究基于電子艙鑄件的結構特征，設計了一系列縫隙式澆注系統，其組成單元有直澆道、橫澆道、內澆道和縫隙澆道等。當熔體經由直澆道、橫澆道進入型殼的型腔內，內澆道可以減緩熔體的流動速度，使氧化夾雜上浮，并減少了充型紊流的產生，利于熔體液面的平穩上升。同時，縫隙式澆注系統蓄熱較多，在一定程度上可起到補縮的作用。

基于以上分析，本研究設計了3種澆注系統方案，如圖2所示。方案1：采用4 根縫隙澆道保證鑄件平穩充型，電子艙下部內表面的凸臺的外表面有內澆口，有利于鑄件的順序凝固。方案2：采用8根縫隙澆道，使鑄件自上而下凝固。方案3：采用4根縫隙澆道，依靠縫隙澆道進行補縮。

圖2 鎂合金電子艙體的3種澆注工藝方案

4 澆注系統模擬優化

結合金屬、型殼材料的性能及低壓鑄造的基本工藝條件，對3種澆注系統設計方案進行了數值模擬。本研究采用的鎂合金為Mg-6Gd-3Y-0.4Zr，利用ProCAST軟件和材料性能計算軟件JMatPro，對Mg-Gd-Y-Zr合金的熱物性參數、力學性能參數進行數值計算，設置了數值模擬的邊界條件。

4.1 方案1的模擬結果分析

在設計鎂合金艙體鑄件熔模鑄造的澆注系統時，參考了砂型鑄造澆注系統設計方案，在原砂型鑄造系統中添加冷鐵的部位增加了直澆道+橫澆道。其中，4根直澆道為76mm，橫澆道為0mm，目的是為了保證鑄件的完整充型，不發生冷隔等問題，并起到一定的補縮作用。

在此基礎上，采用ProCAST軟件對澆注系統設計的合理性進行澆注模擬分析，主要模擬鑄件和澆注系統各個部位的凝固和冷卻順序。模擬的邊界條件是：澆注溫度740℃，型殼的預熱溫度為30℃（室溫），差壓設定為100kPa。從圖3的模擬結果可見，鎂合金熔體可以完全充滿型殼的型腔，其中鑄件中最難以成型的若干個“內部凸臺”是最先凝固的部位，這首先保證了凸臺的完整成型，但是與此同時，設計中用于補縮的橫澆道也是最先凝固的部位之一，這會造成在實際澆注過程中冷隔現象的產生，因此在實際操作中，將對型殼進行預熱，同時在易于凝固和冷卻的橫澆道處纏繞保溫棉，防止熱量的快速散失，以保證其補縮功能。但是，這種方案主要不足在于橫澆道數量較多，極大地增加了所需金屬的澆注量，出品率低，因此不可取。

圖3 方案1中的鎂合金艙體鑄件凝固時間分布

4.2 方案2的模擬結果分析

圖4為方案2中熔體充型結束后電子艙鑄件的凝固時間分布圖，如圖4所示，電子艙鑄件表面壁厚較薄，最先凝固；上部和下部溫度較低，其次凝固；中下部溫度最高，最后凝固。對于電子艙鑄件而言，這種凝固方式不屬于順序凝固，易于產生疏松、縮孔等缺陷。主要產生疏松、縮孔缺陷的部位是縫隙澆道之間的表面，補縮距離不夠，其次產生缺陷的部位是澆注系統直澆道和澆口位置，它們是最后凝固的部位。綜合來看，方案2的澆注系統充型性能較差，且易產生缺陷，因此也不可取。

圖4 方案2中的鎂合金艙體鑄件凝固時間分布

4.3 方案3的模擬結果分析

基于方案3的澆注系統設計，其合金熔體充型過程的模擬結果見圖5。由圖5可知，在低壓鑄造過程中，從合金熔體充型5%～30%的充型過程中，液面平緩上升；直至充型完畢，也未見液面的明顯波動。可見，方案3因重新設計了澆口數量，所以艙體鑄件在充型過程中，合金液面未出現較大波動，液面前沿充型非常平穩。同時，對其疏松、縮孔等缺陷的模擬結果表明，采用方案3的澆注系統，可有效地消除艙體鑄件中各個部位的疏松、縮孔等鑄造缺陷。圖6為方案3充型結束后艙體鑄件的凝固時間分布圖。由圖6可見，凝固過程按照由上至下的順序凝固，溫度分布情況有所改善。綜合上述模擬結果可見，方案3是鎂合金艙體鑄件最佳的澆注系統設計方案。

圖5 方案3中合金熔體的充型過程

圖6 方案3的鑄件凝固時間分布

5 熔模鑄造驗證

采用選區激光燒結的3D打印技術直接制備了鎂合金電子艙體熔模鑄造用聚苯乙烯（PS）樹脂熔模，省卻了模具設計、制造的漫長周期，本研究中所采用的熔模如圖7所示。采用自主專利技術[12，13]制備了鎂合金鑄造用阻燃陶瓷型殼，在型殼在閃燒爐排塑過程中，未出現型殼鼓脹開裂問題，表明3D打印的PS樹脂熔模具有良好的鑄造適用性。

圖7 3D打印的電子艙體熔模鑄造用PS樹脂熔模

圖8 電子艙體構件照片

鎂合金電子艙體鑄件的澆注用升液管長度為60cm，升液管階段的時間為4s，加壓時間45s，保壓時間120s，合金澆注溫度為730℃。鎂合金電子艙樣件經機加工之后的成品照片見圖8。對鎂合金電子艙體進行了劃線檢測，結果表明，鑄件的非加工面尺寸精度達到CT6，表面粗糙度為a6.3，壁厚3mm。對鑄件進行X射線無損探傷分析，結果表明，鑄件未發現超標缺陷，達到1類鑄件要求。

6 結束語

采用選區激光燒結的3D打印技術直接制備了鎂合金電子艙體整體聚苯乙烯熔模，針對3種艙體鑄件的澆注工藝進行了模擬仿真，獲得了充型性能優良、可實現疏松、縮孔等鑄造缺陷控制的最佳澆注系統，在此基礎上，進行了型殼的制備與鎂合金電子艙體鑄件的實際澆注，經無損和尺寸檢測表明，結合3D打印與熔模鑄造技術制備的鎂合金電子艙體的冶金質量優良，尺寸精度達到CT6級。上述研究表明，將3D打印技術與鎂合金的熔模鑄造技術相結合，可成功解決鑄件初期開發過程中的周期長、成本高等問題，能夠獲得冶金質量和尺寸精度基本滿足要求的鎂合金大型復雜結構件，滿足航天器結構件減重和縮短研制周期的需求。

1 吳國華，陳玉獅，丁文江. 鎂合金在航空航天領域研究應用現狀與展望[J]. 載人航天，2016，22(3)：281～292

2 丁文江，付彭懷，彭立明，等. 先進鎂合金材料及其在航空航天領域中的應用[J]. 航天器環境工程，2011，28(2)：103～109

3 鐘皓，劉培英，周鐵濤. 鎂及鎂合金在航空航天中的應用及前景[J]. 航空工程與維修，2002(4)：41～4

4 王艷光，彭曉東，趙輝，等. 大型薄壁精密鎂合金鑄件鑄造技術進展[J]. 兵器材料科學與工程，2011，34(5)：101～104

5 吳倩倩. 低壓砂型鑄造Mg-Gd-Y-Zr鎂合金腐蝕行為研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2016

3 龐松. 砂型鑄造Mg-Gd-Y合金凝固行為與晶粒細化機制研究[D]. 上海：上海交通大學，2015

7 王志選，鄧斌，張衛國，等. 復雜薄壁鎂合金筒體件砂型鑄造工藝[J]. 熱加工工藝，2005(12)：77～78

8 彭剛，董安平，王俊. 高溫合金大型薄壁件熔模精鑄技術與發展[J]. 鑄造工程，2012(3) ：1～4

9 肖樹龍，陳玉勇，朱洪艷，等. 大型復雜薄壁鈦合金鑄件熔模精密鑄造研究現狀及發展[J]. 稀有金屬材料與工程，2006，35(5)：678～681

10 鄒文兵，余國康，趙信毅，等. 鎂合金砂型鑄造阻燃技術研究進展[J]. 航天制造技術，2017(2)：8～10

11 肖旅，鄒文兵，劉穎卓，等. 高強耐熱鎂合金艙體鑄造技術[J]. 航天制造技術，2015(1)：18～22

12 李飛，王國祥，王俊，等. 鎂合金熔模鑄造用高潰散性陶瓷型殼及其制備方法. 中國發明專利，專利號：CN201610008256.6

13 李飛，趙彥杰，何博，等. 用于鎂合金熔模精密鑄造的六方氮化硼型殼面層涂料. 中國發明專利，專利號：CN201410714450.7

Rapid Investment Casting Process for Electronic Cabin of Magnesium Alloy Based on 3D Printing Technology

Li Fei1Kong Zhen2Yang Lixiang1,2Sun Dongke3Zhao Yanjie1Wang Donghong1Li Zhongquan2Sun Baode1

(1. Shanghai Key Laboratory for High Temperature Materials and Precision Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240; 2. AECC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 201600; 3. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189)

In order to meet the requirements of the weight reduction and rapid manufacturing of the large complex thin-walled magnesium alloy for the spacecraft, the investment casting process of magnesium alloy was studied by using electronic cabin as an example. The molten pattern for the investment casting of the cabin was prepared by using the selective laser sintering (SLS) 3D printing method. Three kinds of gating systems were designed and the low pressure casting process as well as the casting defects were simulated by using ProCAST software. The results showed that the 3D printed polystyrene molten pattern did not cause the crack of the shell during the firing process. The smooth filling and complete filling of magnesium alloy melt can be satisfied by low pressure casting and gap-pouring system. In this work, the rapid investment casting of the magnesium alloy cabin was achieved.

3D printing；titanium alloy；electronic cabin；rapid investment casting；numerical simulation

“十三五”裝備預研共用技術項目（41423040206，41423040203）。

李飛（1974），副研究員，材料加工專業；研究方向：熔模鑄造。

2018-03-07