崔岩峰 王德峰 吕俊杰
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省 哈尔滨市 150066
摘要：在一些大型航空薄壁铝合金铸件铸造过程中，相关工作人员需要根据其具体结构热点和性能要求，将反重力铸造工艺原理和优势呈现出来，并利用铸造模拟软件，将大型航空铝合金铸件成型问题突显出来。本文根据以往工作经验，对复杂铝合金铸件铸造工艺方案设计内容进行总结，并从改进后的工艺方案、试验结果、优化方案模拟结果三方面，论述了复杂铝合金铸件铸造工艺优化效果。
关键词：铝合金铸件；铸造工艺；试验结果
为了方便研究，本文以某机匣铸件研究为例，并进行X射线检查、探伤检查用于冶金验证，成型方式为砂型铸造。总的来说，该铸件结构十分复杂，壁厚差异也较大，需要应用多个砂芯组合造型对其进行设计，铸造工艺性并不强，还容易产生气孔、疏松等问题。由于型芯结构复杂，采用喷墨打印生产砂型、砂芯，很多铸件均以该种形式生产，导致表面质量一直无法达到稳定状态，很容易为相关企业带来经济损失。
1 基本技术要求
1.1铸件结构
该铸件具体轮廓尺寸为1387×90×296mm，内腔附近存在两处厚大结构，具体尺寸为130×90×42mm。更为重要的是，在铸件上表面之中，开口较多，机匣内腔中还存在一些纵横隔筋，铸件所在的纵横筋以及隔板交错位置处还设有很多热节，上端面位置同样存在很厚大的热节点，当然，其他部位的壁厚大小同样存在明显差异，想要真正做到铸件同时凝固，或者是按照一定顺序凝固难度很高。
1.2技术要求
该铸件在应用过程中，主要集中在飞机发动机附件领域内，由于工作环境恶劣程度比较明显，受力复杂，再加上飞机零部件十分精密，决不能出现气孔、缩松等问题。一般来说，最为常见的是采用ZL114A合金制造，该合金属于高强度铸造铝合金，加工性能好，再加上较宽的结晶温度范围，能够让工作温度提升至90℃以上，且铸造性能好，热裂倾向低。但为了避免结构复杂的机匣类铸件出现疏松、欠铸等缺陷，工艺人员可以适当增加冷铁和冒口用于激冷和补缩，建立稳定的顺序凝固条件，进而确保铸件获得组织精密性，将材料自身强度更好的呈现出来。
2 工艺方案设计
2.1工艺方法
现阶段，世界上很多国家在浇注大型铸件时，均会选择反重力浇注手段，确保金属液能够平稳充入铸型，并建立起充分合理的凝固温度梯度，当铸件在压力下结晶后，组织也会变得更加致密，自身力学性能也能得到提升。相关工作人员还要根据实际控制需要，降低重力浇注时金属液倾倒而产生的飞溅现象。反观整个充型过程，往往会因为絮流而引起吸气或者是二次氧化问题，增加气孔缺陷产生的几率。
2.2浇注系统
一般来说，机匣外形以长条形为主，工作人员可以根据具体结构和方式特点，开展缝隙式浇注操作，设计好内浇道和横浇道，其中，内浇道与升液管口连接在一起，当液体金属自升液管进入到型腔后，同时能够通过横浇道分流道各个内浇道内，最终做到型腔充填工作。在位置确定上，由于铸件浇注位置不同，冶金质量和铸造工艺也存在不同的难易程度，相关工作人员可以根据具体水平和垂直浇注位置的确认，为后续工作开展提供有利条件。例如，垂直浇注位置能够体现出以下优势：第一，可以在铸件两侧建立缝隙立筒浇注系统，让热量实现平衡分布，能够确保铝液顺利充填铸型，将一些气体和浮渣排除。第二，有利于在型芯上应用激冷砂和冷铁，以此来实现铸件局部的冷却速度调节，最终获取到更加精密的铸态组织。第三，可以帮助其制作整体型芯，保证铸件尺寸具备较高精度。
2.3参数选择
实际参数选择过程中，主要涉及到的内容有升液速度、充型速度以及结壳增压压力等内容。首先，在升液速度确认上，主要是明确金属液在升液管中的具体上升速度，具体原则为当金属液处于上升状态时，能够完成排气、撇渣操作，但不能造成金属液冒口喷射问题，进而使其容易排出型外，此时，人们可以根据具体铸件设计升液速度。其次，在充型速度确认上，主要表示的是金属液在铸型中上升的快慢。传统自由浇注手段无法对充型速度进行控制，无法避免氧化夹渣等问题出现。反重力铸造能够借助于自上而下的逆重力，实现平稳充型，借助于气体正价速率调整，让充型速度始终处于合理状态。最后，结壳增压压力，该压力主要是当金属液充满型腔之后，为了避免铸件出现缩孔等问题，让坩埚内的压力与铸件保压压力处于一致状态，做到及时补缩凝固。
3 机匣铸件缺陷类型和产生机理
当液态合金注入到铸型之中，会经历冷却和凝固过程，倘若合金液态收缩和凝固收缩比固态收缩明显，减小的体积无法得到后续金属液的补充，容易出现一些孔洞，这些孔洞处于集中或者是分散状态之下，如果孔洞容积较大，被称之为缩孔，如果孔洞细小且分散，被称之为缩松。实际热裂纹的形成，主要是由于铸件在凝固后期保存在液膜内，在铸件凝固时，受到很多拉力作用。总的来说，液膜产生热裂纹的根本原因，就是铸件收缩受到阻碍，这也是热裂纹出现的必要条件。
4 复杂铝合金铸件铸造工艺优化效果
4.1改进后的工艺方案
引发机匣铸件出现松缩缺陷的主要原因是由于铸件相关结构周围全部凝固完毕，实际缝隙的补缩距离十分有限，再加上裂缝之间的距离较长，导致补缩源无法实现补缩，当铸件达到凝固后期，固相机匣已经形成，并进行线收缩，当收缩受阻后，铸件会产生新的应力。当整个应力或者是变形现象超过合金变形能力的极限后，铸件边也会出现热裂纹。对于复杂铝合金铸件铸造工艺的应用，由于竖筋两侧壁厚差异性较大，在金属液浇注时，容易引发过热问题，人们可以按照具体工艺方案分析结果，增加金属液凝固速度，确保方案改进效果更好的呈现出来。
4.2试验结果
按照改进之后的工艺方案执行铸件生产工作，经检测后依然存在一些缺陷，这主要是由于缝隙出现后没有相应的补缩源，而且部分壁厚较厚的地方也会出现热节。有些部位由于受到铸件侧壁结构和壁厚限制，整体壁厚较薄，局部壁厚较交叉连接位置还存在大量热节，增加了竖筋凝固问题出现几率，更不能得到全面补缩，尤其是在侧壁和竖筋相互连接位置处，凝固顺序比较混乱，最终导致竖筋位置发生缩松现象，这与之前的模拟结果保持同步。
4.3优化方案模拟结果
为了将上述问题有效解决，人们需要以改进工艺方案为基础，进行深入性优化，例如，可以在热节附近增加2个内浇道，促使其执行补缩操作，同时将冷铁的形状和尺寸改进，提升逐渐上部的激冷速度。从实际优化方案的模拟分析中也能够看不出，如果能够在铸件底部增设内浇道，可以直接通过具体浇道设计，实现全面的填充操作，让充型过程显得更加平稳，凝固顺序同样良好，缝隙浇道和冒口也能发挥良好的补缩功效，避免出现二次氧化夹渣以及裂纹等问题，效果极为明显。
5 结论
综上所述，由于铸件之中存在很多平面结构，壁厚差异也比较明显，人们可以采用底注式浇注位置，确保铸件在充型过程中能够避免出现氧化渣，实际缝隙式浇注系统也能保证铸件充填始终处于平稳状态。另外，铸件结构比较复杂，只能借助于缝隙式浇注系统执行同时补缩操作，只有这样，才能保证铸件有一个合理的凝固顺序。
参考文献
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