薄壁DAM盒體精密熔模鑄造工藝研究

朱子昂 桂中祥

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

數(shù)字陣列模塊（DAM 組件）是相控陣雷達的核心器件，每部相控陣雷達均有成百上千個DAM 組件，對雷達性能、整機質(zhì)量、成本和制造周期等具有重要影響[1]。隨著車載、機載以及星載等領(lǐng)域雷達裝備技術(shù)的快速發(fā)展，DAM 組件向著高集成、多功能和輕量化的方向不斷發(fā)展，因此DAM組件盒體多為薄壁、緊湊且精密配合的結(jié)構(gòu)。為保證其尺寸精度，通常采用機械加工方法制造，內(nèi)腔走線槽、穿線孔等無法機械加工的特征需要輔助采用電火花加工，而該制造方法存在材料切削量大（母材90%以上）、加工效率低、周期長且成本高等問題。

精密熔模鑄造技術(shù)是一種切削少或無切削的近凈成型技術(shù)，其具有材料利用率高、成本低、效率高、尺寸精度高（10-1毫米級）以及表面粗糙度好（Ra≤1.6μm）等特點，能夠直接成型復雜形狀零件[2]，適合緊密零件的批量生產(chǎn)。

該文以某大批量鋁合金DAM 組件盒體為研究實例，對其結(jié)構(gòu)形式和工藝難點進行分析，從總體工藝路線設計、材料選擇、工藝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以及精密熔模鑄造工藝設計等方面進行研究和論證，驗證了該技術(shù)制造DAM 組件盒體的可行性，為該技術(shù)在雷達產(chǎn)品領(lǐng)域的應用提供借鑒。

1 工藝分析

1.1 盒體結(jié)構(gòu)特點

某DAM 盒體如圖1 所示，其具有如下特點：1）盒體結(jié)構(gòu)復雜，特征多。盒體為鋁合金平板結(jié)構(gòu)，外形尺寸為271mm×236mm×23.1mm，質(zhì)量0.75kg。盒體內(nèi)部有8 處大、小內(nèi)腔，分布了各類長短筋板、凹凸裝配臺階、走線槽、過線孔、支耳及螺釘安裝孔等特征。外側(cè)有2 處凸出薄壁安裝板。2）盒體多薄壁結(jié)構(gòu)，剛性差。盒體的框架外壁較厚，為5mm～10mm，是盒體上的主要承力結(jié)構(gòu)。除盒體框架外壁外，盒體內(nèi)各筋板、內(nèi)腔底面及盒體外側(cè)兩凸出薄壁安裝板均較薄，僅1mm～1.5mm，剛性較差，加工或鑄造后均易產(chǎn)生應力變形。3）盒體尺寸精度高。盒體重要尺寸公差要求在±0.05mm 以內(nèi)，其余要求±0.1mm 以內(nèi)。盒體背面為配合面，平面度要求0.1。采用鑄造方式，要求鑄件尺寸公差CT6 級，表面質(zhì)量Ra控制在3.2 以內(nèi)。

圖1 DAM 盒體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 DAM 盒體精密熔模鑄造工藝路線

1.2 工藝難點

通過對盒體的結(jié)構(gòu)特點進行分析可以看出，盒體結(jié)構(gòu)復雜、特征多且多薄壁結(jié)構(gòu)，一方面鑄件容易充型不足，導致報廢；另一方面，零件鑄造冷卻時，壁厚不同會導致零件凝固和收縮速率不同，極易產(chǎn)生變形。零件尺寸精度要求高、表面粗糙度要求高等特點對型殼材料的選擇和制備工藝要求較高。選擇合適的鑄造材料、對零件進行工藝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計并采用經(jīng)過驗證和固化的精密熔模鑄造工藝是解決這些難點的有效途徑。

2 工藝實現(xiàn)

2.1 總體工藝路線

結(jié)合DAM 盒體的工藝分析，制定的總體工藝路線如下。

2.2 材料選擇

根據(jù)使用環(huán)境和功能要求，DAM 組件殼體需要具有輕量化、熱導率高、可熔焊、耐蝕性好和鑄造性等特點。DAM 組件內(nèi)裝高功率器件，其熱量通過DAM 殼體傳導至冷源，因此要求殼體材料的熱導率較好。為了提高殼體成品率，允許對殼體局部缺陷進行補焊，因此要求殼體材料可熔焊。DAM組件工作環(huán)境復雜，可能面臨濕熱、鹽霧以及高、低溫等多種環(huán)境，因此要求材料的耐蝕性好。DAM 盒體多薄壁結(jié)構(gòu)，因此對材料的鑄造性有較高要求。

鑄造鋁合金主要包括Al-Si 系合金、Al-Cu 系合金、Al-Mg 系合金和Al-Zn 系合金。Al-Cu 系合金強度較高，但鑄造性和耐蝕性較差。Al-Mg 系合金耐蝕性好，但鑄造性比Al-Si 系合金差。Al-Zn 系合金鑄造性能好，但耐熱性差、強度不高且耐蝕性中等[3]。從使用性能和經(jīng)濟性方面綜合考慮，盒體材料選擇ZL101A 合金，其屬于Al-Si-Mg 系鑄造鋁合金，鑄造性好，適用于各種形狀和結(jié)構(gòu)復雜、氣密性要求高的熔模殼型和石膏型鑄件。ZL101A 合金抗拉強度中等（280MPa），耐蝕性優(yōu)秀，還可進行氧化處理以進一步提高材料耐蝕性；熱導率較好（25℃下熱導率151W（m·℃））；可熔焊，對鑄造缺陷進行補焊和重新熱處理后，其力學性能可與基體性能一致；鑄造后，ZL101A 可進行固溶或時效熱處理以消除鑄件內(nèi)應力，并強化鑄件力學性能。

2.3 結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化設計

該文進行樣件驗證時，發(fā)現(xiàn)DAM 盒體隔筋及兩側(cè)薄板在鑄造后易變形，因此對鑄件進行了結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化設計。主要措施為在兩側(cè)薄板處添加2mm 厚豎筋，可以有效增強薄板結(jié)構(gòu)剛性，抑制變形，如圖3 所示。

圖3 薄板結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化設計

2.4 精密熔模鑄造工藝設計

2.4.1 蠟模制備

DAM 盒體主體為壁厚單向逐漸變化的連續(xù)結(jié)構(gòu)，主要難點在于盒體側(cè)壁有多個方向的走線槽或孔結(jié)構(gòu)，對此，蠟膜成型方案采用了整體壓制、分塊抽芯的方案，在側(cè)壁走線槽或孔處抽芯成型。此外，DAM 盒體多薄壁，無余量加工部位，形狀、尺寸和表面等精度要求嚴格，因此制模材料選擇成型精度和質(zhì)量較好的低溫蠟模料。低溫蠟模料流動性好，充型能力強。試驗中，優(yōu)化的壓蠟工藝參數(shù)為室溫（22±2）℃、合模壓力5MPa、蠟缸溫度65℃、注蠟溫度65℃、注蠟壓力2MPa、注蠟時間30s、保壓壓力1.8MPa、保壓時間60s 以及冷卻時間2h。通過采用較低的注蠟溫度、較高的射蠟/保壓壓力和時間，可以在保證蠟膜填充完整外，有效控制蠟膜收縮變形量，以確保蠟膜尺寸精度。蠟膜樣件如圖4 所示。

圖4 蠟膜實物圖

2.4.2 型殼制備

DAM 盒體的熔模鑄造工藝采用石膏型型殼。石膏型型殼優(yōu)點如下：能夠精確復制模樣，鑄件表面粗糙度達0.8μm～3.2μm；熱導率低，薄壁部位易成型，可鑄出0.5mm 薄壁；脫殼型好。在石膏型型殼制備中加入硅溶膠作黏結(jié)劑，鋯英粉和莫來砂為耐火材料，進一步提高了型殼和鑄件品質(zhì)，制備出的型殼如圖5 所示。

圖5 鑄件實物圖（左）及其鑄件顯微組織（右）

硅溶膠黏接劑提高了型殼的高溫強度和抗蠕變性能。鋯英粉具有熱膨脹系數(shù)小、高溫強度好和化學性能穩(wěn)定的特點，作為面層耐火材料，在鑄造過程中能夠抵御金屬液的熱沖擊和熱物理化學作用，防止鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷。背層耐火材料選用莫來砂，以確保型殼具有適中的高溫強度和較好的退讓性、透氣性和脫殼潰散性，使?jié)沧⒑蟮男蜌埩魪姸鹊停摎と菀?，防止鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷。

2.4.3 鋁合金精煉和變質(zhì)處理

鋁合金精煉主要通過精煉劑去除合金液中的氫氣氣體、氧化鋁夾雜物以及夾渣，并凈化合金熔體。DAM 盒體熔模鑄造鋁液采用旋轉(zhuǎn)噴吹法精煉。先將鋁液加熱至（730±10）℃并保溫，使鋁錠充分熔化。再將吹頭插入鋁液底部，通過吹頭向熔融鋁液中通入0.2MPa 氬氣，保持15min。通入氬氣的同時，將吹頭快速旋轉(zhuǎn)，使鋁熔體內(nèi)形成渦流，在攪動熔體的同時，可將氬氣氣泡分散成微小氣泡，并隨渦流均勻分布到鋁熔體各處。由于鋁液中的氫與氬氣氣泡存在分壓差，因此氫會被氬氣氣泡吸附并浮出液面，雜質(zhì)也一同被吸附排出，從而達到精煉的目的。采用旋轉(zhuǎn)噴吹法精煉速度快、效果好且成本低，精煉過程熔融鋁液面平穩(wěn)，無強烈翻騰。

鋁合金變質(zhì)處理可以有效改善鑄件組織并提高鑄件力學性能。DAM 盒體熔模鑄造鋁液使用的變質(zhì)劑為0.15%的AlSr10 和0.2%AlTi5B1 中間合金。Al-Sr 合金變質(zhì)劑具有有效變質(zhì)時間長、用量小且重熔仍然有效的特點，適用于鋁合金熔模鑄造澆注時間較長的應用場景。ZL101A 鋁合金含硅量約為7%，熔煉凝固時易產(chǎn)生粗大的鋁硅共晶組織，使鑄件力學性能降低。Sr 可以吸附在硅的生長界面上，抑制共晶鋁硅組織長大，使共晶組織由粗大的長針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉睦w維狀，達到細化晶粒、改善組織的作用[4]。

2.4.4 澆注成型工藝

DAM 盒體熔模鑄造采用真空吸鑄，并采用底注式澆注系統(tǒng)，可準確控制充型壓力，使金屬液能夠平穩(wěn)澆入并快速建立充型靜壓頭。為保證精鑄件具有良好的充型能力，避免產(chǎn)生縮孔和疏松缺陷，良好的補縮條件和實現(xiàn)鑄件順序凝固十分重要。通過在鑄件充型末端設置冷鐵，使凝固時鑄件具有較大的溫度梯度，從而可使鑄件順序凝固。同時在鑄件澆口部位增加保溫措施，延緩該部位的凝固時間，使?jié)部诓课皇冀K具有較大的補縮靜壓頭和較多的補縮熔體，還在鑄件厚薄轉(zhuǎn)接處和易產(chǎn)生缺陷位置設置了內(nèi)澆口，這些措施可有效提高鑄件的補縮能力。

試驗中，優(yōu)化的澆注工藝參數(shù)如下：澆注前保證型殼預熱溫度490℃，保溫時間大于2h，澆注溫度720℃，澆注全過程抽真空保證負壓0.15MPa。

2.4.5 熱處理工藝

對精鑄后的DAM 盒體進行固溶和時效熱處理，以消除鑄件內(nèi)應力，穩(wěn)定鑄件尺寸和組織，防止鑄件變形和產(chǎn)生裂紋。此外，固溶和時效熱處理還能改善鑄件組織，消除偏析和針狀組織，提高鑄件的塑性和強度。固溶處理工藝參數(shù)如下：鑄件加熱至535℃，保溫12h，水冷淬火至80℃。淬火時，水溫不能過低，以防鑄件冷速過快，產(chǎn)生開裂。進行時效處理時將鑄件加熱至155℃，保溫8h，風冷。

2.5 鑄件檢驗

進行設計和工藝優(yōu)化后的DAM 盒體精密熔模鑄造樣件如圖5 所示。鑄造樣件力學檢測表面的殼體硬度為78.8（HBS），抗拉強度（Rm）為290MPa，延伸率為5.5%，可以滿足產(chǎn)品使用需求。鑄件化學成分檢測結(jié)果見表1，滿足ZL101A 鋁合金化學成分要求。

表1 ZL101A 化學成分

DAM 盒體熔模鑄件顯微組織如圖5 所示，鑄件上無冷隔、裂紋、縮孔或穿透性疏松等缺陷，鑄件質(zhì)量滿足要求。其余如尺寸精度、表面粗糙度等均符合設計要求。鑄件尺寸精度、表面粗糙度等經(jīng)檢測也能滿足設計要求。

3 結(jié)語

DAM 盒體具有結(jié)構(gòu)復雜、壁薄和精度要求高等特點，使用傳統(tǒng)的機械加工方法加工成本高、周期長，并存在加工死角，生產(chǎn)效率低，不利于DAM 盒體批量化生產(chǎn)。該文采用熔模精密鑄造方法，從總體工藝路線設計、材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化以及熔模鑄造工藝等方面進行了研究和樣件驗證。樣件檢測結(jié)果表明，精鑄件尺寸精度、冶金質(zhì)量和力學性能均符合產(chǎn)品設計要求，具備批量生產(chǎn)可行性。該研究結(jié)果能夠為DAM 盒體類零件的設計和低成本制造提供參考。