ZL205A合金艙體低壓工藝設計及數值仿真應用

孫 浩，崔恩強，張 娜，劉穎卓，陳俊杰，朱 輝，卜華鋒，王財華

(上海航天精密機械研究所,上海 201600)

0 引言

近年來，鋁合金由于其密度小、比強度高、比剛度高、阻尼性能好等優點，在航空航天、汽車、醫療設備等領域得到了廣泛應用[1-2]。ZL205A合金屬于Al-Cu系鑄造鋁合金，其力學性能與Al-Si系合金相比提高較多，塑性及沖擊韌性好，焊接性能和切削加工性能良好。因此，ZL205A合金被廣泛應用于航空航天結構件和功能件[3-4]。但ZL205A合金中含有4.6%～5.3%的Cu元素，結晶溫度區間寬，縮松傾向嚴重；從液態到固態的收縮率大，鑄件容易產生縮松、裂紋等鑄造缺陷。

隨著鑄造工藝技術的發展，仿真技術在鑄造領域的應用不斷加強。孫錦玉等[5]對復雜泵體的流場、溫度場、縮孔縮松分布情況進行模擬，分析比較了底注式與頂注式澆注系統的區別。馬升等[6]采用Magma對采煤機搖臂鑄件鑄造缺陷的分布進行預測并優化其工藝，提高了鑄件的出品率，降低了生產成本。針對航天艙體鑄件，傳統的鑄造工藝基于經驗試制法，研制周期長，合格率高。本文采用ProCast數值仿真軟件(后簡稱ProCast)對鑄造工藝進行仿真計算，預測鑄造缺陷的形成位置，并對鑄造工藝采取優化措施，達到降低研制成本、縮短研制周期的目的。

1 艙體結構特點

艙體為回轉體結構，如圖1所示。該鑄件高度340 mm，內徑200 mm，端框壁厚20 mm，其余位置壁厚8 mm；外圓上均勻分布12個凸臺，凸臺厚度25 mm。

圖1 艙體結構圖Fig.1 Structure of shell casting

2 工藝設計

該艙體鑄件為回轉結構件，壁厚尺寸較小，所用ZL205A合金鑄造性能較差，導致鑄件極易形成澆不足、冷隔、縮孔等缺陷。外圓上分布有12個凸臺，造成鑄件壁厚差異大，也給澆注系統的設計帶來困難。

在充分分析材料及結構的基礎上，決定采用樹脂砂制作泥芯，黏土砂制作鑄型，以及低壓底注式鑄造工藝方案。

2.1 模具設計

圖2 艙體模具Fig.2 Mould of shell casting

艙體模具設計如圖2所示。模具采用木質，12個凸臺設計成活塊，便于造型時取模。

2.2 澆注系統設計

澆注系統設計如圖3所示。采用兩處立筒縫隙澆道，為了更好地控制和分配合金液的流量，縫隙內澆口設計如圖4所示。立筒縫隙澆注系統在澆注過程中首先將合金液充填至澆注系統，當縫隙澆道的液面高于鑄件型腔底部時，合金液開始向鑄型型腔流入，在合金液的充型過程中一直保持這種狀態，直到充型全部完成。這樣就能保證縫隙澆道的合金液溫度高于鑄型型腔內合金液的溫度，以及縫隙澆道下部合金液的溫度高于上部合金液的溫度，確保凝固過程中補縮通道的暢通。如此，既有利于補縮，又可保持充足的補縮壓力，使鑄件按照順序凝固的方式凝固，降低了縮松產生的傾向，提高了鑄件的組織致密度，從而保證鑄件的內部質量。

圖3 澆注系統Fig.3 Gating system

圖4 立筒縫隙澆道Fig.4 Vertical slot runner

2.3 冷鐵設計

設計時候充分考慮艙體的結構，在端框等厚大部位及凸臺處放置成形冷鐵，增加厚大部位及凸臺處的冷卻速度，保證厚大部位先凝固，使鑄件按照順序凝固的方式進行凝固，從而避免縮孔、縮松等缺陷的產生，降低組織疏松程度，提高鑄件的內部質量。

2.4 低壓澆注工藝參數設計

低壓鑄造介于“重力鑄造”和“壓力鑄造”之間，是利用較低氣體壓力將金屬液壓入鑄型，并在一定壓力下結晶凝固，從而獲得鑄件的一種鑄造方法[7-9]。

低壓鑄造采用底注充型，通過設計合理的澆注系統和選擇合適的澆注工藝參數，使合金液由下向上平穩充入型腔。合金液呈層流充型，鑄件在壓力下結晶凝固，有利于得到組織致密的鑄件。低壓鑄造提供了平穩充型和壓力補縮條件。

艙體鑄件鑄型采用黏土砂，砂型強度差；泥芯采用樹脂砂，砂型強度高，在較短的保壓時間能提供較高的增壓，有利于在壓力下進一步加強鑄件的補縮能力。

在結晶保壓階段，鑄件開始大面積凝固。在保證鑄型或砂箱強度足夠高，以及壓鐵質量充足的情況下，提供較大的結晶增壓值，以提高鑄件凝固時的最后補縮能力，改善鑄件的冶金質量。低壓澆注工藝參數設計見表1。

3 數值仿真

3.1 仿真模型建立與材料參數設定

采用UG進行三維建模，并以igs格式導入到ProCast的Visual-Mesh模塊進行網格劃分，最終劃分出102 056個節點，1 622 971個單元格。

ProCast可根據給定材料的化學成分計算出該材料的物理性能參數。艙體鑄件材料為ZL205A合金，其化學成分見表2，物理性能參數如圖5所示。

表1 低壓澆注工藝參數

表2 ZL205A合金化學成分

圖5 ZL205 A合金物理性能參數Fig.5 Physical property parameters of ZL205 A alloy

3.2 鑄造參數設定

澆注溫度為720 ℃，鑄型與冷鐵初始溫度為50 ℃，澆注壓力隨時間變化見表3。鑄件與砂型間的傳熱系數取500 W·m-2·K-1，鑄件與冷鐵之間的傳熱系數取1 500 W·m-2·K-1，冷鐵與鑄型之間的傳熱系數取1 000 W·m-2·K-1，鑄型表面空冷[10-12]。

表3 仿真計算澆注壓力-時間

3.3 仿真結果與分析

在鑄造工藝設計與鑄造參數設定的基礎上，對艙體鑄件進行仿真計算，仿真結果如圖6所示。從圖6(a)可看出，合金液在壓力的作用下平穩充填型腔，呈層流狀態，未出現紊流的情況，避免了“卷氣”的發生，確保鑄件不會產生氣孔、夾渣等鑄造缺陷。圖6(b)為鑄件的凝固時間場，從圖中可看出鑄件保持了自上而下、自兩側到縫隙澆道的凝固順序，有利于立筒中的合金液在壓力作用下對鑄件進行補縮。

圖6 艙體鑄件仿真結果Fig.6 Simulation results of shell casting

根據仿真結果的固相分數、縮孔等判據可預測鑄件的縮孔、縮松等缺陷的產生。固相分數0～1表示液相到固相的轉變過程，而0.7則為縮孔、縮松形成的臨界值[13-14]。在凝固過程中，當有孤立液相區形成時，由于周圍區域已經凝固完畢，導致該區域得不到金屬液的補縮而形成縮孔、縮松。圖6(c)中凸臺根部區域固相分數與周圍相比較低，形成孤立液相區，此區域在凝固后期得不到有效的補縮而有產生缺陷的可能。圖6(d)的縮孔判據也顯示了該區域有形成縮孔、縮松缺陷的趨勢。

4 工藝優化與澆注

圖6中的仿真結果顯示凸臺根部有形成縮松、縮孔缺陷的風險。該位置為凸臺與艙體外圓的過渡位置，為熱量集中的區域。一方面，在凝固過程中凝固時間較晚，周圍區域先行凝固，補縮通道被切斷，由于得不到有效的補縮而極易形成縮松、縮孔缺陷；另一方面，ZL205A合金收縮率大，鑄件在凝固收縮過程中，該位置在鑄造應力的作用下可能形成裂紋缺陷。

基于ProCast仿真計算的結果與理論分析，對上述鑄造工藝采取優化措施。在凸臺根部等鑄件壁厚過渡位置設計倒斜角過渡，使合金液在充型、凝固過程中流動更加順暢，既有利于補縮，又減小了鑄造應力。同時在造型過程中，壁厚過渡位置采用激冷砂代替黏土砂，增加該位置的冷卻速度，改善局部熱節特性，從而避免缺陷的產生。

在優化工藝的基礎上，對模具進行相應調整，經過相應表面處理及澆注后的艙體鑄件如圖7所示。鑄件沒有縮孔、縮松、裂紋等缺陷，內部質量良好。

圖7 澆注后的艙體鑄件Fig.7 Shell casting

5 結果與討論

ZL205A合金艙體采用低壓底注式澆注方式，合金液在壓力作用下實現了平穩充填型腔，未出現紊流的情況，避免了卷氣、夾渣等缺陷的形成。同時設計了立筒縫隙澆注系統，厚大部位放置冷鐵，實現了鑄件自上而下、自兩側向縫隙澆道的凝固順序，合金液在壓力作用下對鑄件進行有效補縮，防止了縮孔等缺陷的產生。

利用ProCast對鑄件的充型和凝固過程進行了仿真計算，預測了鑄造缺陷產生的位置，并對其工藝進行優化。壁厚過渡位置采取倒斜角過渡，并用激冷砂進行激冷，改善了該區域的補縮條件和熱節特性，最終成功澆注了鑄件，鑄件質量良好。

6 結束語

目前國內關于仿真計算中不同材質之間的界面傳熱系數大多是憑借經驗來確定其數值，雖然仿真結果可靠程度較高，但缺乏一定的嚴謹性。實際上，界面傳熱系數是一個與溫度相關的參數，其數值大小隨著溫度的變化而變化，后續將開展相關的工程試驗，測試出不同材質間的界面傳熱系數隨溫度變化的曲線，并用于仿真計算，進一步提高仿真結果的準確性，指導產品的研制生產工作。