提高ZL205A鋁合金鑄件致密性工藝研究

董方濤 郗 旸 楊 康 校武武 張開望 王燕平 王 玉

設計·工藝

提高ZL205A鋁合金鑄件致密性工藝研究

董方濤1郗 旸1楊 康1校武武1張開望1王燕平1王 玉2

（1.西安航天時代精密機電有限公司，西安 710100；2.西安航天發動機有限公司，西安 710100）

本文采用PROCAST仿真軟件對ZL205A合金鑄件鑄造工藝進行仿真并試驗，確定了最優工藝方案，對試驗結果進行金相分析，發現鑄件存在微觀孔洞，根據分析結果對工藝方案進行優化，最終采用增加補縮壓力的方式，提高了ZL205A鑄件的致密性，降低了鑄件內部微米級孔洞數量及尺寸。

ZL205A；鑄件補縮；仿真

1 引言

ZL205A屬于Al-Cu系鑄造鋁合金，是我國自主研制的具有國際先進水平的高力學性能合金，具有良好的高溫、室溫力學性能，GB/T1173《鑄造鋁合金》中規定的指標見表1。優異的力學性能使其廣泛應用于航空、航天、兵器及其它工業產品，實現降低產品重量、成本以及提高產品可靠性的目標[1～3]。除鋁元素外，ZL205A合金包含7種合金元素，包括Cu、Mn、Ti、Zr、V、Cd、B，7種合金元素形成的單質，多數熔點高于純鋁的熔點，因此ZL205A合金液、固相線溫度均高于Al-Si系合金，且其液、固相線溫度區間大，即凝固范圍寬，造成ZL205A合金流動性差，從液態到固態的收縮率大，鑄件容易產生縮松、裂紋、偏析等鑄造缺陷[4]。本論文以型號鑄件為研究對象，對提高ZL205A鑄件致密性工藝手段進行了研究論證。

表1 ZL205A力學性能（GB/T1173）

2 工藝設計與仿真

2.1 鑄件結構

以具體型號臺體鑄件為研究對象，其異型結構如圖1所示，臺體尺寸200mm×210mm×210mm，鑄件輪廓壁厚14mm，鑄件存在9處較厚大部位，具體見圖1中圈出部位，分別為8處減震器安裝凸臺及1處幾何中心部位，8處減震器安裝凸臺熱節尺寸為SR30mm，幾何中心部位熱節尺寸為SR50mm。

圖1 臺體鑄件結構圖

2.2 鑄件工藝設計及仿真

圖2 臺體鑄件工藝方案圖

該臺體采用ZL205A合金，根據ZL205A合金特點及臺體結構特點，優先選用低壓鑄造方式進行生產，根據鑄造工藝設計理論及經驗，工藝設計如圖2所示，共設計3種澆注方式，3種澆注方式特點及澆注參數如表2所示，為確保澆注方案可靠性，澆注前對3種澆注方案進行仿真，采用PROCAST有限元仿真軟件模擬鑄件充型凝固過程[5，6]，結果如圖3所示，每種方案左邊兩張圖片為澆注10min時鑄件溫場分布及熱節部位切片圖，圖2b、圖2c為鑄件凝固時間云圖和熱節部位切片圖。可以看出，3種方案均實現了順序凝固，鑄件熱節部位均可以得到澆注系統的良好補縮。

表2 臺體鑄造工藝方案對照表

圖3 臺體鑄件仿真結果

3 試驗驗證與優化

3.1 仿真結果驗證

圖4 不同的澆筑結果

對上述3種仿真結果進行生產驗證，結果如圖4所示。試驗結果表明，方案一結果較好，鑄件表面、內部透視結果均未發現缺陷，鑄件質量滿足QJ169A《鋁合金鑄件規范》標準規定的Ⅰ鑄件質量要求。鑄件交付機加加工完成后，進行氣密性測試，發現鑄件存在漏氣現象。對漏氣部位進行剖切，制作金相樣品，采用SEM掃面電子顯微鏡進行觀察，結果如圖5所示，發現漏氣部位存在微米級孔洞，孔洞最大直徑可達到100μm。

圖5 微觀組織圖

3.2 鑄件致密性優化

ZL205A凝固過程中經歷從液態到固態、從高溫固態到常溫固態兩個過程，兩個過程中，均會發生體積收縮，當體積收縮得不到補縮時，便會在鑄件內部形成縮松、縮孔，體積收縮得不到補縮的范圍越大、數量越多，形成縮孔縮松的范圍越大、數量越多，縮孔、縮松缺陷內部是真空的，否則無法補縮[7，8]。

縮孔、縮松得到補縮的動力主要來自兩個方面：液態金屬在冷卻凝固過程中的表面張力；液態金屬的補縮壓力，包括液態金屬自身重力形成的壓力和人工、設備等單獨附加在液態金屬上的其它壓力。

阻礙縮孔、縮松得到補縮的力主要來自兩個方面：金屬液體流動過程中的摩擦阻力；復雜細小的晶粒間隙形成的阻力。

圖6 微觀組織圖

由上所述，低壓鑄造時，外界壓力是可控因素，其余因素均不可控，提高鑄件補縮壓力，對提高補縮能力，降低微米級孔洞有益。根據實驗結果，方案一鑄件質量最好，對方案一澆注參數進行優化，將補縮壓力提高10KPa，進行澆注，鑄件澆注后在之前漏氣部位進行取樣，制作金相樣品，SEM電子掃描顯微鏡觀測結果如圖6所示，對比圖5發現，微米級孔洞數量、尺寸均大幅減小，其最大尺寸直徑在50μm左右，平均尺寸直徑在20～30μm。

4 分析與討論

a. 首次3種工藝方案，仿真結果表明，鑄件凝固方式均實現了順序凝固，即凝固從遠離澆注系統的鑄件頂面開始，最后在直澆道處結束。3種方案在相同凝固時間時，對鑄件內部溫度分布進行切片，發現鑄件內部完全服從順序凝固模式，無局部封閉熱節。表明3種工藝方案符合鑄件凝固過程中補縮要求。

在某一相同的凝固時間下，從3種工藝方案溫度場分布可以看出，頂面四處減震器安裝處熱節部位溫度場相同，表明該處凝固時間一致，補縮效果一致，3種方案的試驗結果與仿真一致，該處補縮效果良好，表面、內部均未發現缺陷；同一凝固時間下，第一種工藝方案中底面四處減震器安裝處熱節、幾何中心處熱節，溫度較高第2種、第3種方案高，表明該處凝固時間較長，造成該現象的原因主要是第一種方案中直澆道、側澆道相連接，該處的熱節圓尺寸大、鑄件模數大，散熱慢導致。從試驗結果（見圖4）可以看出，第一種澆注方案優于第2種、第3種澆注方案，表明對該鑄件，增加補縮通道模數、適當延長鑄件凝固時間，有助于幾何中心熱節的補縮。

b. 方案一局部金相結果（圖5）表明，ZL205A在凝固過程中，合金液收縮容易產生晶粒間孔洞。這主要由于：ZL205A合金共含8種金屬元素，是鑄造鋁合金中成份種類最多的合金，一方面合金元素多增加成分過冷度，合金冷卻過程中形成晶坯的能力增強，另一方面ZL205A中多數合金元素具備形成異質核心的特點，最終造成ZL205A凝固過程中鑄件外表面和內部均會形成大量晶核，這些晶核在長大時造成金屬液糊狀特性增加，阻礙鑄件的補縮。同時，ZL205A為Al-Cu系鑄造鋁合金，從Al-Cu合金二元相圖（圖7）可以看出，ZL205A合金的凝固區間大于110℃，凝固區間越大，合金流動性越差、補縮難度越大，鑄造過程中更易產生縮孔、縮松、熱裂紋及氣孔等缺陷。最后，ZL205A凝固時發生反應：

凝固過程中液相線溫度高，相較其他鋁合金會形成更多的固相（初生晶α）分數，為ZL205A凝固的本質缺點，這使得ZL205A趨向于同時凝固（糊狀凝固），糊狀凝固不同于順序凝固，其固相質量分數達到一定程度時，補縮通道阻塞[9，10]。

c. 根據董秀奇等人建立的鑄件凝固過程中的數學模型[10]：

5 結束語

a. 為提高ZL205A鑄造鋁合金補縮效果，適當提高鑄件凝固過程溫度梯度是一種可行方式，實施方式可采用增加補縮通道模數，增加補縮壓力是另一種提高補縮效果的方式，其補縮效果優于增加溫度梯度。

b. ZL205A鑄造鋁合金結晶溫度范圍寬，凝固過程中補縮阻力大，液態金屬凝固收縮引起的微小孔洞難以徹底杜絕。

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6 徐善狀，高健. 基于CAE的鋁合金變速箱支架壓鑄工藝設計及優化[J]. 特種鑄造及有色金屬，2022，357(42)：1577～1580

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8 楊光昱，介萬奇，張潤強，等. ZL205A 鋁合金近液相線等溫半固態組織轉變特性[J]. 稀有金屬材料與工程，2007，36(10)：1718～1721

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10 董秀奇. 低壓及差壓鑄造理論與實踐[M]. 北京：兵器工業出版社，1995

Sdudy on the Process of Improving the Density of ZL205A Casting

Dong Fangtao1Xi Yang1Yang Kang1Xiao Wuwu1Zhang Kaiwang1Wang Yanping1Wang Yu2

(1. Xi’an Aerospace Precision Electromechanical Institute, Xi’an 710100；2. Xi’an Aerospace Engine Co., Ltd., Xi’an 710100)

In this paper, PROCAST simulation software was used to simulate the casting process of ZL205A alloy castings, and the optimal process plan was determined after casting experiments. The metallurgical analysis of the test showed that there were microscopic holes in the castings. According to the analysis results, the process plan was optimized, and finally the densification of ZL205A castings was improved by increasing casting pressure, both the size and number of microscopic holes were reduced.

ZL205A；casting feeding；simulation

TG146.21；V463

A

高危環境擬人自主磨拋機器人關鍵技術及裝備（312210000501）。

董方濤（1986），高級工程師，材料學科學與工程專業；研究方向：有色合金熱成形/鑄造。

2023-05-24