ZL114A 鋁合金大型艙體鑄件鑄造工藝研究

陳 寅，陳曉龍，李翔光

ZL114A 屬鋁-硅系高強度鑄造鋁合金，由于合金中加入了少量的鈹以消除雜質鐵的作用，故在保持普通鋁-硅系鑄造鋁合金優良鑄造性能和耐腐蝕性的同時，并顯著地提高了合金的強度，是鋁-硅系鑄合金中高強度品種之一，具有很高的強度、良好的韌性、流動性、氣密性和抗熱裂性，適用于鑄造復雜形狀的高強度鑄件。

控制艙鑄件是航空器不可或缺的一個重要零部件，對航空器飛行過程中的飛行姿態、飛行速度、精度等起到決定性作用，因此，此類型鑄件的生產要求質量較嚴格，零部件的各個位置都需進行全面檢查，要求檢驗等級達到Ⅰ級，避免控制艙鑄件出現鑄造缺陷，要達到這些技術要求就要提升鑄件設計工藝。經過系統分析鑄件鑄造技術情況可判定得出：控制艙鑄件形狀為圓錐形，鑄件內大量的加強筋熱節容易導致出現疏松缺陷，鑄件關鍵部位處于上下端框，壁厚凸出，要保證鑄件內組織的致密性，應用特殊的鑄造工藝。依據實際情況可改變鑄件的鑄造工藝，制定出一個科學的澆注方案，把控各生產流程。可先進行試鑄造，檢驗控制艙鑄造件的生產技術是否能達到要求標準，滿足了鑄件的使用性能，為控制艙鑄件批量生產的正常進行提供了保證。

1 鑄件工藝設計

1.1 鑄件結構特點及技術要求

1.1.1 鑄件結構特點

控制艙鑄件有三個結構特點：①鑄件外形尺寸大，高度1732mm，上端外徑552mm，下端外徑928mm，整體結構為圓錐形結構；②鑄件壁薄尺寸不均勻，壁厚差大，主要壁厚為11.5mm，內表由多處加強筋，厚度6mm，凸出8.5mm，上、下端框部位最厚壁厚為92mm，③內表面除上、下端框區域外，其余部位不允許加工，尺寸要求精度高。

1.1.2 技術要求

控制艙鑄件主要技術指標：鑄件材料ZL114A，鑄件要求分為A 區和B 區：A 區為距艙體前、后端面80mm 范圍內以及艙壁開口安裝區域，其余為B 區，鑄件指定部位（A 區和B 區）剖切本體試樣力學性能需滿足抗拉強度σb≥280MPa，延伸率δ5≥4.0%。鑄件滿足HB963-2005 Ⅰ類鑄件要求，不允許使用補焊方式修補任何鑄造缺陷，鑄件尺寸精度按HB6103-2004 CT9 級驗收。

1.2 鑄件的鑄造工藝性分析

根據對鑄件的結構分析認為：該鑄件屬于大型薄壁錐形類鑄件，鑄件內部的加強筋與外壁形成了許多熱節，兩端的端框與側壁相交處也形成了熱節，整個鑄件要進行X 射線探傷和熒光檢查，不能有任何鑄造缺陷，且不能用補焊的方式返修缺陷，必須采用冷鐵進行激冷，促使其快速凝固、結晶，避免縮孔及疏松缺陷的產生，提高組織致密度。由于鑄件高度較高，內表面為非加工面，鑄件收縮過程會受到砂芯阻礙影響，為改變這一現狀可對收縮率進行有效控制，防止鑄件變形，保證鑄件尺寸合格率。所以，為確保鑄件的品質質量，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，結構復雜，內部質量要求高，傳統的澆注方法難以實現該鑄件一次整體成型，采用差壓澆注方式進行鑄件澆注，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上，鑄型外加裝一個密封罩，同時向坩堝和鑄型密封罩內通入經干燥后含水量較低的壓縮空氣，在升液及充型過程中給坩堝內的金屬液加壓，使坩堝內的金屬液在壓力差的作用下經升液管充填鑄型，并在壓力下結晶。差壓鑄造是低壓鑄造與壓力下結晶兩種鑄造方法的結合，采用差壓澆注的方式澆注大型高質量鑄件，鑄件制造所用液體平穩填充于鑄型中，在鑄造過程中有一個上低下高的澆注液體凝固溫度梯度，同時在一定壓力作用下，可以鑄造出組織致密的鑄件，使其力學性能得到大幅度提升。

1.2.2 強制激冷，建立溫度梯度

控制艙鑄件的內部及端框厚大部分，金屬液的補縮量較少，鑄件的凝固所耗費的時間更多，控制艙鑄件內部產生疏松缺陷的概率較大，要降低鑄件厚大部位出現缺陷概率，可應用強制制冷的方案，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，控制合金液平穩充型

鋁合金化學性質極為活潑，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，合金液流速過高或流向急劇改變，都會使氧化膜破裂，導致氧化膜和空氣混入合金液內部，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程中流動平穩，不產生渦流、紊流和噴濺，以近乎層流的方式充型，故宜采用開放式澆注系統，由于控制艙鑄件外形結構尺寸大，本研究擬采用開放式澆注系統中的縫隙式澆注系統進行鑄件澆注，縫隙澆道是縫隙的內澆道與鑄件的整個高度相連，金屬液通過這個垂直的內澆道進入型腔，充型過程中金屬液沿鑄件高度方向自下而上順序通過縫隙澆道，依次平穩地充填鑄型，因此既有底注那樣保證金屬液平穩充型、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，有利于補縮。為了提高澆注系統的擋渣性能，還需在澆注系統底部增設集渣槽，同時在橫澆道與縫隙澆道結合處安裝過濾網，以達到最佳的擋渣效果，但也會帶來合金液流量減少的問題，因此，在確定縫隙式澆注系統的立筒直徑及縫隙澆道數量時需經過精確計算，避免合金液流量不足導致鑄件欠鑄。

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過程中，布局合理的縫隙澆道，不僅能在澆注過程中確保合金液平穩進入鑄型，得到內部質量符合要求的鑄件，在鑄件熱處理過程中，分布合理的澆道還能對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 澆注系統及凝固順序系統設計

控制艙鑄件內部增設了大量的加強筋，形成了復雜的結構，鑄件凝固過程中需進行持續補縮，補縮主要依靠縫隙式澆注系統差壓鑄造相互配合，可以使金屬液充型時平穩地從底部升起，并確保立筒內合金液溫度始終高于同一水平線的鑄件部位溫度，從而使凝固時有充足的補縮通道。艙體鑄件采用差壓澆注方式澆注，澆注系統采用縫隙立筒式澆注系統。

縫隙式澆注系統的立筒數量取決于單個立筒和縫隙澆道所能控制的充型范圍和補縮范圍以及鑄件的壁厚，所以立筒數量和鑄造方法及澆注方法有關。因此，根據鑄件結構特點，通過計算鑄件上、下端面周長，結合鑄件壁厚、結構，控制艙鑄件縫隙澆道數量設置為12 根，鑄件厚大部位均設置有澆道，縫隙澆道間距為150mm ～200mm，這樣確保縫隙澆道即可引流，也可對鑄件進行有效補縮。為了確保鑄件尖端厚大部位內部質量滿足要求，鑄件下端200mm 范圍內采用φ75mm 的縫隙澆道，增加鑄件下端厚大部位的補縮，200mm 以上采用φ60mm 的縫隙澆道。

艙體鑄件上下端框及內表有多處加強筋，受到鑄件結構及澆注方案的限制，厚大部位不可采用冒口進行補縮，因此在造型過程中，根據端框及加強筋形狀制作成型冷鐵，冷鐵較砂型本身導熱率高，激冷能力強，用于控制、改變鑄件的凝固順序，使之形成順序凝固，起到加強鑄件熱節區域的冷卻，防止產生縮孔、縮松、針孔、裂紋等缺陷的同時，加快厚大鑄件部位的凝固速度，以獲得較細的金相組織，提高鑄件氣密性和機械性能，冷鐵厚度根據其擺放位置的鑄件壁厚進行設計，通常情況下，冷鐵厚度與擺放冷鐵部位壁厚的比為1：1，可達到最佳的冷卻效果。

1.4 鑄造過程數值模擬

使用NOVACAST 鑄造過程計算機模擬軟件對工藝方案進行模擬澆注，將工藝模型數據導入模擬軟件，基于有限元方法進行流場、溫度場的循環計算，直至鑄件凝固時停止，通過數值模擬，能夠有效地避免可能出現的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產品的試制周期。

控制艙鑄件整個充型過程中，除剛開始的3s ～4s 略有波動外，金屬液始終平穩地從底部升起，液面基本水平，合金液充型過程流動較為平穩，未發現大的流場渦流，整個流動情況符合預期設想，說明差壓鑄造的澆注系統設計較為合理，凝固過程中，鑄件可實現自鑄件本體至縫隙澆注系統的理想順序凝固，最后結晶的部位均位于澆注系統上，說明冷鐵的設置部位及厚度設計合理。

充型凝固過程結束后，采用模擬結果中的Niyama 數值對疏松缺陷進行判別，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，達到工藝設計預期目的。

2 鑄件試制

2.1 熔煉

熔煉前需對所有材料進行噴砂處理，去除材料表面污垢，避免多余物進入合金中，并根據工藝配比要求將鋁錠、中間合金、精煉劑等材料準備齊全。采用700Kg 鍋爐鋼材質坩堝及電阻熔煉爐進行合金熔煉，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，合金冷卻過程中從液體中析出的氣體就使鑄件產生針孔，同時，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、凈化合金液，提高合金液純凈度，熔煉過程中應對合金進行精煉除氣處理，具體工藝為：通過使用帶有溫度補償導線的熱電偶監控合金液溫度，當合金液溫度達到710℃～735℃時加入占合金液總量0.5%～0.7%的六氯乙烷進行精煉除氣，然后撇渣，調整合金液溫度至720℃～735℃，使用純度為99.99%的氬氣對合金液進行再次精煉，精煉時間為15min ～25min，隨后進行二次撇渣，靜置5min ～8min 后等待澆注。

2.2 造型

鑄型外模采用黏土砂造型，砂芯采用樹脂砂造型，砂芯造型過程中需確保冷鐵位置擺放準確，樹脂砂固化后從模具中取出砂芯，砂芯表面不應有損壞現象，若有損壞，需用修補膏將損壞處修補完整。為提高鑄件內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、表面強度和降低表面粗糙度，從而防止鑄件產生砂眼、夾砂等缺陷，并便于清整砂芯。控制艙鑄件材料為鋁合金，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行涂刷。

為去除砂芯中的水分，需對砂芯進行烘烤處理，從而提高砂芯的強度和降低發氣量，防止鑄件氣孔、砂眼、粘砂和夾砂等缺陷的產生，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；準備澆注。

2.3 澆注

差壓鑄造澆注過程中主要控制的工藝參數包含澆注溫度、升液速度、充型壓力、結晶壓力和保壓時間等，可通過鑄件高度、澆注系統合金液流量、合金材料鑄造性能以及鑄件結構復雜程度計算出相關參數數值。將合箱完成的控制艙鑄件鑄型吊運至差壓澆注設備，調整合金液溫度后進行鑄件的澆注，控制艙鑄件澆注參數為：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，保壓時間720s，開箱時間不少于1.5h。

3 試制結果

3.1 內部質量

根據上述工藝方案進行首件鑄件的試制生產，從鑄件表面質量情況來看，未發現有明顯的鑄件表面缺陷。對鑄件進行了X射線及熒光滲透檢驗，結果表明，鑄件無縮孔疏松缺陷，但在上端框位置發現4 個直徑約為3mm 的氣孔缺陷，且氣孔缺陷所在位置不能通過機加工去除，同時，控制艙鑄件不能使用補焊方法進行缺陷返修，因此，鑄件內部質量不滿足驗收要求。

3.2 力學性能

鑄件按要求進行T6 熱處理，按技術協議要求對鑄件指定區域分別取樣三根進行力學性能測試，其中A 區本體取樣力學性能平均值為：抗拉強度σb=313MPa、延伸率δ5=4.3%，B 區本體取樣力學性能平均值為：抗拉強度σb=317MPa、延伸率δ5=4.7%，測試結果均高于設計要求，因此，控制艙鑄件首件產品力學性能滿足設計要求。

3.3 尺寸

由于控制艙鑄件外形尺寸大、結構復雜，采用傳統的鉗工劃線對該鑄件進行尺寸檢查耗時長、勞動強度大，因此采用非接觸式三維激光掃描方式對鑄件尺寸進行檢測，利用掃描后生成的實物模型與工藝設計完成的理論模型進行比對后，控制艙鑄件首件產品尺寸滿足設計要求。

4 工藝優化與試制

4.1 原因分析

氣孔缺陷是鋁合金鑄件一種常見的鑄件內部缺陷，其細分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。根據控制艙鑄件首件產品X 光檢測底片結果，結合氣孔數量較少、尺寸較大，孔壁光滑，形狀呈橢圓形的特征，工藝設計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程中，金屬液對砂型和砂芯產生劇烈的熱作用，由于鑄型表層水分的蒸發，有機物的燃燒和揮發，形成了大量的氣體，其中一部分氣體通過砂型逸出，但當砂型透氣性不良時，氣體來不及逸出，就可能進入到金屬液中，氣體被包裹在金屬液中來到鑄件頂部，在排氣通道不暢的情況下形成鑄件內部氣孔缺陷。

根據侵入性氣孔產生的原因，工藝人員對首件研制過程進行了復查，經分析和研判后，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行作業。

4.2 工藝優化

經分析明確氣孔產生的原因后，為避免同樣的問題再次出現，工藝人員設計了氣眼針專用工裝，確保鑄型蓋板中一定面積內的氣眼針數量和深度符合工藝規定要求，同時，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，確保充型過程中產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，對控制艙鑄件進行再次試制，生產過程按首件制作過程進行操作，并使用首件控制艙鑄件的澆注參數進行鑄件澆注，產品澆注完成后經過X 光檢測、熱處理、力學性能檢測及結構尺寸檢測后，鑄件內部質量、結構尺寸、指定區域力學性能檢測結果均滿足設計要求，產品研制取得成功。

5 結論

（1）采用差壓澆注方法，結合使用縫隙式澆注系統并合理設置冷鐵，同時設計通暢的排氣通道，實現了鑄件的順序凝固，成功了研制符合技術條件的控制艙鑄件。

（2）X 射線檢測、熒光滲透檢測、力學性能檢測結果表明，研制的控制艙鑄件內部質量、力學性能均達到設計要求。

（3）控制艙鑄件尺寸采用非接觸式三維激光掃描檢測結果表明，鑄件尺寸精度滿足設計要求。