新技术新工艺２０１４年第３期 复合铸造技术在特种产品上的应用 陈 明，樊富友，龙成洲，贺 庆，杜 冲 （中国兵器＿Ｔ－业集团公沙机电产品研究开发中心，湖南长沙４１０１０Ｏ） 摘要：介绍了将复合铸造技术运用到航空中的复杂工件，特别是大型薄壁铝合金舱体的优势。 分析了石膏型熔模铸造结合真空增压技术的特点，同时，采用该技术研制大型复杂薄壁铝合金铸件，通过 合理设计铸件浇注系统，选择铸型工艺，优化浇注工艺参数和严格控制固溶处理温度与校形时机，提高了 铝合金的充型能力，改善了铸件的致密度和针孔度，解决了大型薄壁铸件充型及内部质量难以控制的难 题。 关键词：大型薄壁铝合金铸件；复合铸造；石膏型熔模铸造；真空增压技术；航空 中图分类号：ＴＧ ２４９．９；ＴＪ ４１４．＋９ 文献标志码：Ｂ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ，ＦＡＮ Ｆｕｙｏｕ，ＬＯＮＧ Ｃｈｅｎｇｚｈｏｕ，ＨＥ Ｑｉｎｇ，ＤＵ Ｃｈｏｎｇ （Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，ＣＮＧＣ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｌｉｃａｉｅｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓｅｓ，ｏｆ ａｅｒｉａｌ ｂｏｍｂｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｅｒ ｍｏｌｄ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｂｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｐｏｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｐｏｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｉｎ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ— ｓｃａｌｅ ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｏｌｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓｔｉｎｇ，ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ，ｐｌａｓｔｅｒ ｍｏｌｄ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ，ｖａｃｕ— Ｈｍ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｅｒｉａｌ ｂｏｍｂ 轻质合金铸件特别是铝合金和镁合金铸件已广 泛应用于兵器、航空和航天等领域。近年来，随着对 需机械加工就可生产出此类大型薄壁铸件，则可大 大提高铸造的应用价值。目前，大型薄壁铝合金铸 件多采用石膏型熔模铸造结合真空增压这一复合铸 造技术来满足上述要求。 航空及导弹性能要求的提高，减轻航空及 导弹质量和降低制造成本变得迫在眉睫。 对于大型薄壁舱体，采用铸件可以大大缩短其 研制周期，如美国波音公司研制的巡航导弹ＡＧＭ １ 复合铸造技术的特点 石膏型熔模铸造是将熔模组装并固定在专供灌 浆用的砂箱平板上，在真空条件下将石膏浆灌人，待 浆料凝结后，经干燥，即可脱除熔模，再经烘干焙烧， 成为石膏型，在真空中浇注获得铸件。 石膏型熔模铸造具有尺寸精度高、表面品质好 和热导率低等特点，广泛应用于铝合金薄壁精密铸 件的生产；但是，由于石膏透气性差，铸件易形成气 孔、浇不足和针孔等缺陷，通过真空增压技术可以弥 补这些不足。 ８６Ｂ，用大型薄壁整体铸件代替经机械加工后焊 接而成的组合舱体时，导弹制造工时减少３２ ，制 造成本降低３Ｏ ｌ１］。 近年来，轻质合金铸件铸造技术呈现出如下趋 势：１）向无余量的方向发展；２）向大中型发展；３）向 性能优质的铸件发展。航空轻量化的要求日益 迫切，越来越多的航空复杂舱体开始采用大型 薄壁铝合金铸件，同时，对该类舱体的尺寸精度和表 面粗糙度均有较高要求。如果仅使用铸造方法，无 精密铸造工艺。ＤＳＭ Ｓｏｍｏｓ＠ＰｒｏｔｏＣａｓｔ ＡＦ １９１２０快速铸造专用树脂燃烧后残留灰分少，易清 除，可避免造成铸件缺陷。 作者简介：张建平（１９７９一），男，工程师，主要从事铸造等方面 的研究。 收稿日期：２０１３—０７—１２ 责任编辑８ 李思文 《新技术新工艺》专题：成形技术 专题：成形技术 真空增压铸造技术是将真空浇注和加压凝固融 为一体 ］，其工艺流程为：１）将铸型和装有金属液的 浇包安置在工作舱内，并要求工作舱的密封性能良 好；２）对工作舱抽真空，并在真空条件下完成铸件的 浇注与充型；３）对工作舱充压，并保持一段时间，使 铸件在外加压力条件下凝固成型。 真空增压铸造机理为：１）通过真空浇注的工艺 条件，避免浇注和充型过程中的卷气和窝气，消除铸 件内部的侵人性气孑Ｌ和减少铝液表面氧化膜的产 生，同时，保证铝液充型平稳和避免氧化膜夹杂，以 提高铸件的力学性能；２）对凝固过程中的铸件施加 外力，保证铸件的气密性和耐压性。 真空增压铸造技术的主要优点是：１）真空增压 铸造的铸型处于真空状态，铝合金溶液在充型过程 中无卷气和氧化夹杂的危险，减少气孔和氧化夹杂 图１ 舱体铸造成型工艺流程 行了模拟（如图２所示），从而对浇注系统进行优化 改进。由于舱体表面积大，壁薄，为提高浇注系统的 充型能力，减小铝液流程，实现铸件顺序凝固，采用 了多层过滤＋多浇口短流程＋凝固导向冷铁＋分散 缺陷，真空下浇注比大气压下浇注的铝合金溶液流 动性提高很多；２）快速增压结晶技术使铝合金铸件 内部缩孔减少，内部组织致密；３）可提高铝合金铸件 的延伸率。 热节补缩冒口的铸件浇注系统。 ２航空舱段铸造 舱段结构是航空弹体结构的重要组成部 分，用于安装各种仪器设备，组成承力结构。早 期，舱段结构主要采用骨架蒙皮结构，近年来，为了 降低生产成本、缩短生产周期和提高结构质量，广泛 采用了铸造技术。 ２．１ 航空舱段结构特点 一一 ａ１充型速度场 ｂ）凝倒温度场 图２铸件充型和凝固过程模拟 ２．２．２ 铸型工艺 由于舱体轮廓尺寸大，加上石膏传热慢的特点， 焙烧阶段炉膛热量向铸型传递困难，内外温度的不 同步导致型腔内外容易出现收缩率差异。 航空舱段结构具有的典型特点是尺寸大、 壁厚薄、结构复杂、尺寸和内部质量要求高。如某型 号航空控制舱体为异形构形，一端为５２０ ｍｍ ×４５０ ｍｍ的方形截面，另一端则收缩成为￣ｚ９ｓ ｍｍ的圆，全长１ ２５０ ｍｍ，舱内需安装弹载设备，设 计有安装突台，铸件材料为铸造铝合金ＺＬ１１４Ａ，定 为工类铸件，尺寸精度要求为ＧＢ／Ｔ６４１４一ＣＴ５级， 内部针孔和疏松等缺陷等级≤２级。 铸型使用的石膏浆采用６ｔ型熟石膏＋石英砂＋ 铝矾土＋水配制而成，在石膏浆配制过程中加入了 ５ 的增强剂。铸型灌浆结束后，经室温２４ ｈ干燥， 再经过１５０～７００℃超过４０ ｈ的缓慢升温焙烧，随 炉冷却至铸型浇注温度５～１Ｏ℃，保温２０ ｈ后待 用。 ２．２．３浇注工艺参数 １）浇注温度。由于石膏具有热导率低和散热慢 的特点，影响舱体成型和内部质量的因素主要是铸 型温度和金属液浇注温度。若温度过低，容易产生 浇注不足和充型不完整等缺陷；若温度过高，容易使 铸件中出现疏松、裂纹和针孔等的倾向增大。通过 试验，确定浇注时石膏型温度为（２９０±１０）ｏＣ，浇注 熔液温度为（７００±１０）℃。 该类铸件成型的主要难点如下＿３］：１）表面积大， 薄壁长，且有较多的热节区，铸件充填成型困难；２） 尺寸大，内腔复杂，内部质量要求高，针孔和疏松等 缺陷的控制难度大；３）成型过程中变形大，尺寸精度 难以控制。 ２．２关键工艺技术 舱体铸造成型工艺流程如图１所示。 ２．２．１ 浇注系统 ２）真空加压控制曲线。为进一步保证铸件薄壁 结构的顺利成型和厚大部位分散热节的充分补缩， 同时，减少多浇道浇注系统的二次氧化和型腔反压， 浇注时，工作舱内真空度控制在一０．０７～一０．０５ 通过ＭＡＧＭＡＳＯＦＴ软件对铸件铸造充型和 凝固过程中的温度、速度、应力场及缺陷分布状态进 《新技术新工艺》专题：成形技术 ｌ ９ 新技术新工艺２０１４年 第３期 表１ 某型航空舱体铸件实测结果 检测项目 主要外形尺寸 圆形针孔 长形针孔 ＭＰａ，加压凝固压力控制在０．４～０．５ ＭＰａＥ 。在工 作舱内进行真空浇注和加压凝固的工艺参数曲线如 图３所示。 要求 ＧＢ／Ｔ６４１４ ＣＴ５级 ≤ＧＢ１１３４６—１９８９ ２级 ≤ＨＢ５３９５—１９８８ ２级 实测值 满足５级 ≤２级 ≤２级 海绵状疏松 分散疏松 性能 延伸率／ ≤ＨＢ５３９６—１９８８ ２级≤ＨＢ５３９７—１９８８ ２级≥２９０ ≥２ ≥２２５ ≥１ 非指定部位局部１级 非指定部位局部１级 ２９５￣３３０ ３．５～４．２ ２５０￣２６３ ３～４．２ 试样抗拉强度／ＭＰａ 本体抗拉强度／ＭＰａ 性能 延伸率／ 图３翼空加压控制曲线 通过实测分析，得出如下试验结果：１）采用多层 多浇口浇注系统＋石膏铸型＋真空增压凝固技术相 结合的方式，配合适当的铸型温度和浇注温度，改善 了合金液流动性，减小了型腔充型反压，避免了侵人 ２．２．４ 固溶处理 为解决大型薄壁壳体结构铸件刚度小，常规热 处理工艺铸件变形严重且校正困难的问题，热处理 采用了室温装炉一缓慢阶梯升温一下限长时保温一 上限短时保温一热水水淬的工艺进行防变形固溶热 处理，将铸件热处理变形量控制在＜２ ｍｍ，从而减 小铸件的校正变形量，保证校正的安全顺利开展。 试验确定的铸件固溶处理规范如图４所示。 性气孔的产生，最大限度地提高了大型薄壁铸件各 部位的充型能力；２）采用真空加压凝固技术提高铸 件内部质量控制，对减少针孔和疏松等缺陷的发生 有较好的效果；３）通过特殊的固溶处理方案，通过工 装校形修正，最大限度地控制了大型薄壁铸件热处 理变形量。 ４ 结语 将石膏型熔模铸技术与真空增压技术相结合， 可有效解决大型薄壁铸件充型、内部质量控制和尺 寸精度保证等难题，对减轻航空结构质量，提高 武器作战效能，均有明显的效果。铸造工艺属于通 用性工艺；因此，铸造工艺不仅在航空和航天中有重 要地位，在兵器行业中也有广阔的应用前景。值得 一提的是，铸件的性能不仅取决于材料强度，也与设 计和工艺密切相关。通过优化设计与工艺，可以最 图４铸件固溶处理规范 大限度地发挥铸造材料的特性和潜力，不断扩大其 在航空产品中的应用。 ２．２．５检验校正 在铸件热处理过程中，因为铸件壁厚差异大和 热处理升温等原因，导致各部位温度变化不一致以 及应力状态难同步，最终在固溶和淬火后不可避免 地产生局部变形；因此，在热处理后，应及时进行检 验校正，而校正的时机和方法对铸件的最终质量具 有较大的影响。试验经验表明，热处理后６ ｈ内是 校正的最佳时间，而采用校正工装进行校正，可避免 １９９６（４）：４９—５６． 参考文献 ［１］曹运红．铸造技术在飞航导弹上的应用［Ｊ］．飞航导弹， ［２］苏志权，孟照亮，孙昌建．真空增压铸造技术及其应用前 景［Ｊ］．四川兵工学报，２００４（５）：１６—１９． ［３］孙昌建，舒大禹，王元庆，等．大型复杂薄壁铝合金铸件 的真空增压铸造技术口］．铸造技术，２００８（２）：２３２ ２３５． ［４］张清．石膏型低压铸造工艺规程的研究与应用＿Ｊ］．新 技术新工艺，２００７（７）：９４—９６． 校正力造成的铸件反变形以及裂纹。 ３试验结果 通过上述技术措施，完成了某型航空３件 舱体铸件的浇注和检测，舱体实测情况见表１。 作者简介：陈明（１９７６一），男，高级工程师，主要从事结构设计 及制造等方面的研究。 收稿日期：２０１３—０９～０８ 责任编辑１０ 李思文 《新技术新工艺》专题：成形技术
