鎂合金薄壁復雜構件砂型鑄造技術及應用

李少帥，黃金鑫，焦 婧

1 主要研究內容

鎂合金純凈化熔煉技術；鎂合金低壓鑄造技術；鑄造工藝模擬仿真計算與設計；產品質量的無損檢測技術；產品的尺寸光電掃描檢測技術；模型的3D 打印造型技術；內部缺陷的高質量修復技術。

2 產品技術要求

（1）按照以下，合金成分符合表1 的要求。

表1 合金的主要元素含量（%）

表2 合金的雜質元素含量（%）

（2）力學性能。單鑄試樣的室溫力學性能符合表3。

表3 單鑄試樣力學性能

整個新產品及試制工作包括生產工藝技術開發、生產裝備、工裝的開發，以及新產品試制、生產過程的工藝優化、產品測試、生產工藝定型實驗等。

公司生產的工藝性技術研發基本路線按以下內容進行，依次是單項技術研發、產品試制、產品測試、生產過程的工藝優化、生產工藝定型實驗等，其中性能測試貫穿于整個研發過程，部分實驗是交叉進行。

單項技術研發，目的是為了找出各個單元生產的最佳工藝、最佳工藝參數、檢驗標準，制定出生產工藝規程，作為初期工業化生產的技術依據。

產品試制階段，按單項技術研發確定的各個單元生產的最佳工藝、最佳工藝參數進行全程生產環節貫通，對最終生產出來的產品進行全面檢驗，觀察效果與標準的差別，不斷調整、逐步優化，逐步接近目標。多次重復試制，最后得到生產過程的工藝規程和生產過程控制的檢驗標準。

按產品試制階段制定的生產工藝進行過程控制，制造小批產品并進行產品測試、模擬實驗等。經多次測試、改進、再測試，直到產品合格。

3 工藝技術

目前重力鑄造是鎂合金成形方法中較為傳統的成形方式。重力鑄造常采用冒口系統進行頂注或者從砂型側面進行澆注，澆注過程中由于熔體的重力作用，澆注速度控制不好極易出現紊流現象，且熔體澆注時和空氣接觸，容易產生氧化夾雜等缺陷；一般砂型鑄造工藝其鑄件的凝固及其補縮是依靠冒口內熔體的重力而實現的，若冒口設計存在缺陷則澆注時容易出現澆不足等缺陷；砂型鑄造澆注系統較為復雜，澆注冒口系統的設計也費時費力。

與重力鑄造相比，低壓鑄造時熔體是從模具底端充填型腔，合金液流動平穩而且是在密閉的容器內進行澆注，氧化夾雜等缺陷較少；低壓鑄造在熔體充滿型腔后會繼續保持液面上氣體的壓力，甚至再增加保壓，補縮效果好，鑄件的致密度也比砂型鑄件要高；低壓鑄造的澆注系統較為簡單，甚至可以不設冒口，從而簡化了工藝過程，金屬熔體利用率也高。

由于鎂合金殼體鑄件材料特點及結構的限制，采用傳統的重力鑄造合格率難有大幅的提高。因此，亟待尋找一種新的工藝方法代替重力鑄造工藝生產殼體鑄件，提高殼體鑄件的生產效率、降低殼體鑄件的廢品率，并滿足現代戰機對構件高強度、高抗腐蝕性的需要，以保證生產的順利進行。低壓鑄造是一種比較先進的反重力鑄造工藝，在鋁合金鑄造方面已經很成熟，但對鎂合金還是一個新課題。其特點是：①鑄件在壓力下成型，其補縮壓力達到4 ～ 6 個大氣壓，補縮范圍寬，能顯著提高金屬液在枝晶間滲流的能力，可使鑄件致密度提升，組織和性能明顯改善。②可以實現可控氣氛澆注：由于合金液和鑄型型腔上部氣體分壓可以控制，如果使有害氣體分壓趨于零，則可生產出有害氣體含量非常低的鑄件。③能夠精確的控制升液壓力和升液速度、充型壓力和充型速度、增壓壓力和增壓速度，質量一致性好，鑄件質量穩定。

4 低壓鑄造原理

低壓鑄造依據其建立壓力方式的不同，可分為氣壓型低壓鑄造和電磁泵低壓鑄造兩種，我們采用氣壓型低壓鑄造方法。氣壓型低壓鑄造方法是依據帕斯卡原理來工作的，通過在液態金屬表面施加一定的氣體壓力，使金屬液逆重力方向充填型腔并凝固成形。由于所用的壓力較低，所以叫做低壓鑄造。其基本原理如圖1 所示，在裝有金屬液的密封容器中，通入干燥的壓縮空氣（或惰性氣體），作用在保持一定澆注溫度的合金液面上，造成密封容器內與鑄型型腔之間的壓力差，使金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管上升，通過澆口平穩地進入型腔，待金屬液充滿型腔后，適當增大壓力并保持坩堝內液面上的氣體壓力，使型腔內的金屬液在較高壓力作用下結晶凝固。然后解除液面上的氣體壓力，使升液管中未凝固的金屬液依靠自重流回坩堝中，開型并取出鑄件，即完成一個低壓鑄造過程。

圖1 氣壓型低壓鑄造設備工作原理圖

5 鎂合金純凈化熔煉

低壓鑄造設備具備合金熔煉、澆注兩項功能。合金熔煉和澆注均在爐內進行。ZM6 合金的抗燃燒性能較差，導致其在澆注過程中和在充型過程中易產生氧化，同時ZM6 合金的密度小，金屬液中的夾渣不容易浮到金屬液表面、冒口和集渣包內, 從而導致鑄件產生夾渣。為了保證合金液的純凈度，我公司采用獨特的鎂合金熔煉保護技術，大大減少了ZM6 合金液的氧化夾渣，保證了鑄件的質量。

首先用電加熱熔煉爐進行熔煉，將預熱后的原鎂錠裝入熔煉爐，加熱升溫。待原鎂熔化后，加入合金元素和稀土中間合金，利用Applo 筐的機械攪拌使成分均勻，調整合金成分，采用多級復合凈化技術對鎂熔體進行凈化處理，有效去除鎂熔體的夾雜物。經爐前化學分析合格后，金屬液在熔化爐保溫靜置，調整澆注溫度后，在調壓鑄造機內以差壓鑄造工藝進行澆注。要保證鑄件質量，減少鑄件內部夾雜，其關鍵一環是合金的純凈化熔煉。我們引用本公司大截面半連續鑄錠合金熔煉技術，采用多級復合凈化技術對鎂熔體進行凈化處理，有效去除鎂合金熔體的夾雜物，實現了純凈化熔煉。

6 鑄造主要生產工藝

（1）造型階段。根據工藝要求的配料標準進行樹脂砂配置、型砂配置，保證鑄件的出型質量。根據工藝設計要求放置澆道、冒口、冷鐵等進行造型、制芯、組裝、合型。

（2）熔煉預備階段。根據合金的化學成分要求，按配料標準進行配料。再將冶煉爐生產出的精鎂準確稱量，然后對爐料進行預熱，預熱溫度為130-160℃，預熱時間為15-30min，然后即可裝入熔化爐中。

（3）熔化階段。熔化爐緩慢升溫使金屬逐漸熔化，將經烘干的鎂合金專用覆蓋劑撒在熔體表面，加入量為9% 左右。

（4）合金化階段。待金屬熔化后（780℃ -810℃）再加入已稱量烘干的稀土中間合金，利用Applo 筐的機械攪拌使成分均勻，中間合金的加入量依熔制的鎂合金牌號而定。

（5）精煉階段。將稱量、烘干的鎂合金精煉劑加入到合金液體中進行精煉處理，精煉溫度為750-760℃，保溫時間為15min左右。

（6）檢驗階段。此時對合金液體進行取樣和快速成分化驗，如果化驗結果表明合金成分不合格，需要繼續調整成分。

（7）保溫靜置階段。如果合金的化學成分滿足要求，即可將合金液保溫靜止，保溫靜置的溫度為780-810℃，時間為40-60min 左右。

（8）澆鑄階段。達到靜置時間后，將反重力鑄造機罩蓋蓋好,向爐內加壓, 爐外減壓, 自動控制進行砂型澆注。

（9）打磨清理階段。使用噴砂機清理鑄件表面粘砂、飛邊、毛刺，再利用磨光機、砂帶機等進行表面毛刺的清理，達到鑄件表面質量要求。

（10）熱處理階段。為了提高鑄件強度，鑄件采用固溶處理或固溶處理加完全人工時效的熱處理方式，選用合適的熱處理工藝以及防氧化的保護氛圍，經力學性能檢測達到技術要求或標準要求。

（11）無損檢測階段。采用熒光滲透、X 射線等方法進行鑄件的無損檢測，實現鎂合金鑄件內部、外部質量的零缺陷，確保鑄件質量達到客戶要求。

（12）尺寸檢測階段。利用三維掃描儀可以快速及準確對鑄件尺寸進行檢測，結合人工劃線，確保鑄件尺寸滿足加工要求，使鑄件尺寸達到設計要求。

7 Procast模擬仿真

從殼體鑄件的結構分析，該鑄件存在著復雜外形，曲面的鑄造精度很難保證，而且鑄件壁厚變化大，筋條多，鑄件在凝固過程中厚薄交界處及筋條處易產生“熱節”等問題，導致金屬液無法保證同時凝固或順序凝固，無多余金屬液進行補縮，故會產生疏松和裂紋等冶金缺陷。

隨著計算機技術的發展，計算模擬仿真技術可以實現復雜鑄件鑄造過程的模擬仿真，并對鑄造工藝方案進行模擬驗證，完善鑄造工藝，縮短研制周期，降低研制成本。利用鑄造模擬仿真技術可對鑄件充型和凝固過程中的流場、溫度場等進行數值計算，從而得到鑄件的模數、熱節分布和疏松等缺陷的分布結果，并且根據計算結果可以評估鑄造工藝方案的合理性，進而確定最優的鑄造工藝方案。與清華大學合作，利用Procast 模擬仿真技術對殼體設計的澆注系統及澆注工藝參數進行數模模擬仿真分析，確定合適的工藝方案，如圖2 所示。

圖2 充型過程模擬

通過Procast 模擬仿真分析，確定此工藝方案的金屬液充型時溫度梯度較合理，利于鑄件順序凝固，初步確定此工藝設計方案基本可行。工藝方案確定好后，根據工藝方案進行模具制作。

8 產品試制過程及出現的問題與解決方法

根據產品工藝設計方案我們開始產品的試制，試制結果為鑄件筋條附近存在疏松，原因分析為鑄件縫隙澆道的補縮距離不夠導致的補縮不足所致，改進方案為在筋條兩側增加冷鐵。

運用改進后的方案開始第二件試制，試制結果為筋條疏松部位有所減少，但疏松等級未減輕，原因分析為補縮不足，單增加冷卻強度的方式不能根除問題。改進方案為，在上型的立縫澆道上方增加8 個保溫冒口。

用第二次改進方案進行第3 件產品的試制，試制結果為合格，符合顧客技術要求。

經過此次試制得出：冒口和冷鐵配合使用，可有效控制鑄件的凝固順序，減少鑄件在凝固過程中產生的疏松等缺陷。

9 本項目的特色與創新之處

成功開發出鎂合金純凈化熔煉、低壓鑄造，鑄造工藝模擬仿真計算、內部缺陷的無損檢測，內部缺陷的高質量修復、模型的3D 打印、尺寸的三維掃描技術以及大型整體鎂合金鑄件的數控加工技術系列技術。鎂合金復雜構件產品經客戶檢測，質量達到客戶及國家項目的技術要求。

（1）鎂合金純凈化熔煉技術；采用倒“T”字形旋管乳化攪拌器精煉，從鎂合金熔體中除去殘留熔劑、氧化物等非金屬雜質，完成了鎂合金熔體的高純度凈化技術的研究，該技術不僅具備微觀混合功能，將熔劑和氣體以最小粒徑小批量混合，完全達到分散混合的目的。同時具備宏觀混合功能，將熔池中的物料在容器里整體混合，結構簡單能達到無故障使用，操作也十分容易。同時我們引用了公司在大截面半連續鑄錠鑄造過程中的鎂合金純凈化熔煉技術，大幅度減少了熔體內部的夾雜。經對鎂合金座艙骨架鑄件的分析，潔凈化程度很高，完全滿足產品對精煉的要求。

（2）鎂合金低壓鑄造技術；殼體鑄件是大型復雜鎂合金鑄件，且采用ZM6 合金，由于其流動性差，易燃燒氧化、難成型等特點，按照傳統的鑄造工藝，很難達到復雜產品的技術要求。我們在總結鎂合金普通鑄造等工藝的基礎上，探索了新的鑄造工藝技術：低壓鑄造。是液體金屬在壓差作用下，充填到預先有一定壓力的鑄型中，進行結晶、凝固而獲得鑄件的一種工藝方法。

通過采用低壓鑄造進行殼體鑄件的研制，大幅提高鑄件的合格率，徹底解決鎂合金殼體部件成品率低、供貨周期不穩定問題。并且大型鎂合金鑄件低壓鑄造技術可推廣應用于其它航空、航天用大型鎂合金部件的研制及生產上，促進我國戰斗機零部件、導彈等制造技術的進步，具有較為廣闊的推廣應用前景。

（3）鑄造工藝模擬仿真計算與設計；ProCAST 鑄造工藝模擬仿真技術的應用傳統的鑄件生產因其不同于冷加工的特殊性，只能對鑄件的形成過程進行粗糙的基于經驗和一般理論基礎上的控制，形成的控制系統—鑄造工藝的局限性表現為：①只是定性的分析；②要反復試制才能確定工藝。要精確分析溫度場的變化，需要依靠計算機進行數值模擬，即ProCAST 鑄造工藝仿真技術的應用。ProCAST 的使用是為評價和優化鑄造產品與鑄造工藝，借助于ProCAST 系統，在完成鑄造工藝編制前，就能夠對鑄件成形過程中的流場、溫度場和應力場進行仿真分析，并預測鑄件的質量、優化鑄造工藝參數和工藝方案。在殼體工藝設計前期，通過ProCAST 系統分析，確定了鑄造工藝方案，使用此工藝方案，使殼體鑄件生產的首件一次性檢驗合格，達到客戶驗收要求，大大縮短了鑄造工藝設計及試制周期。

（4）產品質量的無損檢測技術；鑄件采用無損檢測方法，如滲透檢測、X 射線檢測等，實現鎂合金鑄件質量的外部、內部檢測。

滲透檢測采用進口的熒光滲透液，能全方位檢查鑄件表面質量，實現鑄件表面零缺陷的目的。從目前滲透檢測水平來看，超高的靈敏度，可清晰的顯示寬0.5mm，深10mm，長度為1mm的細微裂紋，尤其對復雜鑄件肉眼不易察覺的拐角、內腔深槽部位，以及射線檢測不易檢測的盲區，起到檢測互補作用，確保鑄件全方位檢測。操作具有快速、簡便的特點，一次操作即可檢出任何方向的缺陷，且顯示直觀，容易判斷。

照相法射線檢測采用進口微粒高性能膠片，能全面發現鑄件內部各種缺陷。采用進口自動洗片機，使底片質量大幅度提高，質量穩定，照相級別可達B 級及以上。射線檢測對被檢工件無特殊要求，檢驗結果顯示直觀，檢測技術和檢驗工作可以自我監測。射線檢測不損傷被檢物，可達到其他檢測手段無法達到的獨特檢測效果，使用面寬，底片長期存檔備查，便于分析事故，可直接顯示缺陷圖像。

（5）產品的尺寸光電掃描檢測技術；利用三維光電掃描儀，可對生產過程中的模型、砂芯及鑄件成品進行快速尺寸檢測，并進行修正，可以精準的得到鑄件的三維坐標數據，快速建立鑄件的三維模型，從而實現鑄件到三維模型的數字化過程，大大縮短鑄件的設計及試制周期，及時掌握了模型、砂芯、鑄件的形狀與產品設計要求的偏離狀態，保證了試制產品的尺寸質量。

（6）模型的3D 打印造型技術；3D 打印技術是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。對于復雜鑄件來說，模具制作周期長，并且費用高。利用3D 打印技術，無需機械加工或任何模型，將設計的模型通過計算機圖形數據生成任何形狀的零件，從而極大地縮短了產品的研制周期，提高生產效率和降低生產成本。

（7）內部缺陷的高質量修復技術。鎂合金的復雜鑄件鑄造難度大，鑄造缺陷無法在一次制造中完全避免。因此研究鑄件內部缺陷的修復，是保證產品質量，提高生產效率、降低生產成本的必要措施。針對航空鎂合金結構中的缺陷的現狀，對缺陷分布規律和缺陷種類開展了研究，并有針對性地開發缺陷修復方法及工藝，通過系統工藝實驗和組織性能分析測試，形成一套完整工藝，完成缺陷修復，使得修復區性能與無缺陷材料基本相當。我們公司依據自身積累的鎂合金焊接技術，對鑄件產品進行無損檢測，然后分析缺陷位置及缺陷類別，分不同情況，進行缺陷處理，同時我們研究開發了鑄造產品專用鎂合金焊絲，進行修復。

因此，對于ZM6 鎂合金薄壁復雜構件的砂型鑄造可采用低壓鑄造，結合設計過程中模擬仿真技術，生產中的鎂合金純凈化技術和更先進的無損檢測和三維掃描技術能有效解決在生產過程中產生的鑄造缺陷，加上高水平的焊接修復技術及3D 打印技術，使鎂合金鑄件的合格率及生產周期都有了明顯的提升。