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(shè)計(jì)·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(shí)代精密機(jī)電有限公司，西安 710100；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100）

本文采用PROCAST仿真軟件對(duì)ZL205A合金鑄件鑄造工藝進(jìn)行仿真并試驗(yàn)，確定了最優(yōu)工藝方案，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)鑄件存在微觀孔洞，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，最終采用增加補(bǔ)縮壓力的方式，提高了ZL205A鑄件的致密性，降低了鑄件內(nèi)部微米級(jí)孔洞數(shù)量及尺寸。

ZL205A；鑄件補(bǔ)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(jìn)水平的高力學(xué)性能合金，具有良好的高溫、室溫力學(xué)性能，GB/T1173《鑄造鋁合金》中規(guī)定的指標(biāo)見表1。優(yōu)異的力學(xué)性能使其廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器及其它工業(yè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品重量、成本以及提高產(chǎn)品可靠性的目標(biāo)[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(zhì)，多數(shù)熔點(diǎn)高于純鋁的熔點(diǎn)，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(qū)間大，即凝固范圍寬，造成ZL205A合金流動(dòng)性差，從液態(tài)到固態(tài)的收縮率大，鑄件容易產(chǎn)生縮松、裂紋、偏析等鑄造缺陷[4]。本論文以型號(hào)鑄件為研究對(duì)象，對(duì)提高ZL205A鑄件致密性工藝手段進(jìn)行了研究論證。

表1 ZL205A力學(xué)性能（GB/T1173）

2 工藝設(shè)計(jì)與仿真

2.1 鑄件結(jié)構(gòu)

以具體型號(hào)臺(tái)體鑄件為研究對(duì)象，其異型結(jié)構(gòu)如圖1所示，臺(tái)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(tái)及1處幾何中心部位，8處減震器安裝凸臺(tái)熱節(jié)尺寸為SR30mm，幾何中心部位熱節(jié)尺寸為SR50mm。

圖1 臺(tái)體鑄件結(jié)構(gòu)圖

2.2 鑄件工藝設(shè)計(jì)及仿真

圖2 臺(tái)體鑄件工藝方案圖

該臺(tái)體采用ZL205A合金，根據(jù)ZL205A合金特點(diǎn)及臺(tái)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)先選用低壓鑄造方式進(jìn)行生產(chǎn)，根據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)，工藝設(shè)計(jì)如圖2所示，共設(shè)計(jì)3種澆注方式，3種澆注方式特點(diǎn)及澆注參數(shù)如表2所示，為確保澆注方案可靠性，澆注前對(duì)3種澆注方案進(jìn)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(jié)果如圖3所示，每種方案左邊兩張圖片為澆注10min時(shí)鑄件溫場(chǎng)分布及熱節(jié)部位切片圖，圖2b、圖2c為鑄件凝固時(shí)間云圖和熱節(jié)部位切片圖?？梢钥闯?，3種方案均實(shí)現(xiàn)了順序凝固，鑄件熱節(jié)部位均可以得到澆注系統(tǒng)的良好補(bǔ)縮。

表2 臺(tái)體鑄造工藝方案對(duì)照表

圖3 臺(tái)體鑄件仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化

3.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證

圖4 不同的澆筑結(jié)果

對(duì)上述3種仿真結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，方案一結(jié)果較好，鑄件表面、內(nèi)部透視結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)缺陷，鑄件質(zhì)量滿足QJ169A《鋁合金鑄件規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅰ鑄件質(zhì)量要求。鑄件交付機(jī)加加工完成后，進(jìn)行氣密性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鑄件存在漏氣現(xiàn)象。對(duì)漏氣部位進(jìn)行剖切，制作金相樣品，采用SEM掃面電子顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)漏氣部位存在微米級(jí)孔洞，孔洞最大直徑可達(dá)到100μm。

圖5 微觀組織圖

3.2 鑄件致密性優(yōu)化

ZL205A凝固過程中經(jīng)歷從液態(tài)到固態(tài)、從高溫固態(tài)到常溫固態(tài)兩個(gè)過程，兩個(gè)過程中，均會(huì)發(fā)生體積收縮，當(dāng)體積收縮得不到補(bǔ)縮時(shí)，便會(huì)在鑄件內(nèi)部形成縮松、縮孔，體積收縮得不到補(bǔ)縮的范圍越大、數(shù)量越多，形成縮孔縮松的范圍越大、數(shù)量越多，縮孔、縮松缺陷內(nèi)部是真空的，否則無法補(bǔ)縮[7，8]。

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

阻礙縮孔、縮松得到補(bǔ)縮的力主要來自兩個(gè)方面：金屬液體流動(dòng)過程中的摩擦阻力；復(fù)雜細(xì)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(shí)，外界壓力是可控因素，其余因素均不可控，提高鑄件補(bǔ)縮壓力，對(duì)提高補(bǔ)縮能力，降低微米級(jí)孔洞有益。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方案一鑄件質(zhì)量最好，對(duì)方案一澆注參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將補(bǔ)縮壓力提高10KPa，進(jìn)行澆注，鑄件澆注后在之前漏氣部位進(jìn)行取樣，制作金相樣品，SEM電子掃描顯微鏡觀測(cè)結(jié)果如圖6所示，對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn)，微米級(jí)孔洞數(shù)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(jié)果表明，鑄件凝固方式均實(shí)現(xiàn)了順序凝固，即凝固從遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)的鑄件頂面開始，最后在直澆道處結(jié)束。3種方案在相同凝固時(shí)間時(shí)，對(duì)鑄件內(nèi)部溫度分布進(jìn)行切片，發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部完全服從順序凝固模式，無局部封閉熱節(jié)。表明3種工藝方案符合鑄件凝固過程中補(bǔ)縮要求。

在某一相同的凝固時(shí)間下，從3種工藝方案溫度場(chǎng)分布可以看出，頂面四處減震器安裝處熱節(jié)部位溫度場(chǎng)相同，表明該處凝固時(shí)間一致，補(bǔ)縮效果一致，3種方案的試驗(yàn)結(jié)果與仿真一致，該處補(bǔ)縮效果良好，表面、內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)缺陷；同一凝固時(shí)間下，第一種工藝方案中底面四處減震器安裝處熱節(jié)、幾何中心處熱節(jié)，溫度較高第2種、第3種方案高，表明該處凝固時(shí)間較長(zhǎng)，造成該現(xiàn)象的原因主要是第一種方案中直澆道、側(cè)澆道相連接，該處的熱節(jié)圓尺寸大、鑄件模數(shù)大，散熱慢導(dǎo)致。從試驗(yàn)結(jié)果（見圖4）可以看出，第一種澆注方案優(yōu)于第2種、第3種澆注方案，表明對(duì)該鑄件，增加補(bǔ)縮通道模數(shù)、適當(dāng)延長(zhǎng)鑄件凝固時(shí)間，有助于幾何中心熱節(jié)的補(bǔ)縮。

b. 方案一局部金相結(jié)果（圖5）表明，ZL205A在凝固過程中，合金液收縮容易產(chǎn)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(qiáng)，另一方面ZL205A中多數(shù)合金元素具備形成異質(zhì)核心的特點(diǎn)，最終造成ZL205A凝固過程中鑄件外表面和內(nèi)部均會(huì)形成大量晶核，這些晶核在長(zhǎng)大時(shí)造成金屬液糊狀特性增加，阻礙鑄件的補(bǔ)縮。同時(shí)，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(qū)間大于110℃，凝固區(qū)間越大，合金流動(dòng)性越差、補(bǔ)縮難度越大，鑄造過程中更易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及氣孔等缺陷。最后，ZL205A凝固時(shí)發(fā)生反應(yīng)：

凝固過程中液相線溫度高，相較其他鋁合金會(huì)形成更多的固相（初生晶α）分?jǐn)?shù)，為ZL205A凝固的本質(zhì)缺點(diǎn)，這使得ZL205A趨向于同時(shí)凝固（糊狀凝固），糊狀凝固不同于順序凝固，其固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度時(shí)，補(bǔ)縮通道阻塞[9，10]。

c. 根據(jù)董秀奇等人建立的鑄件凝固過程中的數(shù)學(xué)模型[10]：

5 結(jié)束語

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

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

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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(huán)境擬人自主磨拋機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及裝備（312210000501）。

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

2023-05-24