鎂合金電子艙體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與快速熔模鑄造

李 飛 孔 振 楊力祥, 孫東科 趙彥杰 汪東紅 李中權(quán) 孫寶德

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鎂合金電子艙體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與快速熔模鑄造

李 飛1孔 振2楊力祥1,2孫東科3趙彥杰1汪東紅1李中權(quán)2孫寶德1

（1.上海市高溫材料及其精密成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；3.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

為了滿(mǎn)足航天器大型復(fù)雜薄壁鎂合金構(gòu)件減重與快速制造需求，以某鎂合金電子艙體為例開(kāi)展了熔模鑄造工藝研究。通過(guò)選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）3D打印技術(shù)制備了艙體熔模，設(shè)計(jì)了3種澆注系統(tǒng)，采用ProCAST軟件對(duì)艙體的低壓鑄造過(guò)程和鑄造缺陷進(jìn)行了模擬。研究結(jié)果表明，3D打印的聚苯乙烯熔模在燒除過(guò)程中未導(dǎo)致型殼脹裂問(wèn)題的出現(xiàn)。低壓鑄造結(jié)合縫隙式澆注系統(tǒng)可滿(mǎn)足鎂合金熔體的平穩(wěn)充型和完全補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)了鎂合金艙體鑄件的快速熔模鑄造成形。

3D打??；鎂合金；電子艙體；快速熔模鑄造；數(shù)值模擬

1 引言

隨著航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)于航天器構(gòu)件輕量化的要求越來(lái)越高[1～3]。與鋁、鈦合金相比，鎂合金的密度更低，因此輕量化優(yōu)勢(shì)更為明顯。同時(shí)，鎂合金構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也朝著大型化、薄壁化、復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)功能一體化的方向發(fā)展。大型鎂合金鑄件通常采用傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝成形[5～7]，所獲得的鑄件毛坯加工余量很大，表面粗糙度高且尺寸精度低，已很難滿(mǎn)足現(xiàn)代航天工業(yè)對(duì)于鎂合金大型構(gòu)件的設(shè)計(jì)及研制周期要求。

熔模鑄造是一種金屬構(gòu)件的近凈成形工藝，其基本工藝過(guò)程是采用模具壓制蠟?zāi)！⒔M裝澆注系統(tǒng)、沾漿淋砂制備型殼、型殼脫蠟與焙燒、鑄件澆注與后處理等。近年來(lái)，隨著熔模鑄造技術(shù)與裝備水平的提高，許多大型鑄件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金渦輪后機(jī)匣[8]、鈦合金中介機(jī)匣[9]等尺寸超過(guò)1m的大型鑄件在國(guó)內(nèi)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了熔模鑄造成形。然而，鎂合金熔模鑄造的研究開(kāi)展得較少，但是在解決鎂合金鑄件在鑄造過(guò)程中的阻燃與型殼材料的反應(yīng)問(wèn)題的前提下[10]，將熔模鑄造與反重力鑄造工藝相結(jié)合，則有望應(yīng)用于大型、復(fù)雜、薄壁鎂合金構(gòu)件的精密成形，大幅度減少加工余量，提高構(gòu)件的表面質(zhì)量與尺寸精度。

本文選取了一種具有較大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子艙體構(gòu)件作為對(duì)象進(jìn)行熔模鑄造工藝研究。為縮短研制周期，將選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）3D打印技術(shù)應(yīng)用到艙體熔模的快速成型，并遴選惰性陶瓷材料制作了阻燃陶瓷型殼。同時(shí)，采用ProCAST軟件對(duì)鎂合金艙體鑄件的鑄造工藝和鑄造缺陷進(jìn)行了模擬分析，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)，進(jìn)行了艙體的澆注與無(wú)損檢測(cè)。以上研究結(jié)果將為鎂合金大型鑄件的快速熔模鑄造提供技術(shù)支撐。

2 電子艙體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電子艙體構(gòu)件的高度為700mm，外筒直徑為300mm，有前后端框，內(nèi)壁有多處凸臺(tái)，厚度10～20mm，凸出25～40mm，設(shè)計(jì)圓筒處最薄壁厚3mm，屬于尺寸較大的、薄壁復(fù)雜類(lèi)鎂合金構(gòu)件[11]。鎂合金艙體鑄件主要采用砂型鑄造結(jié)合低壓充型工藝制造，毛坯件圓筒處設(shè)計(jì)壁厚11mm。目前，采用砂型鑄造艙體存在的問(wèn)題包括：a.加工量大，鑄件易發(fā)生加工變形；b.艙體內(nèi)部很難加工，因此表面精度很低，只能讓步使用；c.艙體內(nèi)壁有多處凸臺(tái)，與筒壁接觸部位易產(chǎn)生熱節(jié)，砂型鑄造方法不便于采用冒口補(bǔ)縮，因此鑄造缺陷較多。電子艙體鑄件的三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 電子艙體鑄件的三維模型

3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子艙體鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高度達(dá)到700mm，因此采用低壓鑄造工藝，將鎂合金熔體由下而上充填型殼，在低氣壓下保持澆道與補(bǔ)縮通道合二為一，始終維持型殼溫度梯度與壓力梯度的一致性，可有效地提高鑄件的致密性。同時(shí)，要求鎂合金熔體在升液管和型殼型腔中以層流狀態(tài)平穩(wěn)流動(dòng)，避免卷氣，并通過(guò)控制澆口尺寸與形狀而實(shí)現(xiàn)鑄件有效的壓力下補(bǔ)縮與順序凝固，從而避免鎂合金熔體在澆注過(guò)程中的氧化夾雜、針孔等多種鑄造缺陷的產(chǎn)生。

本研究基于電子艙鑄件的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了一系列縫隙式澆注系統(tǒng)，其組成單元有直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道和縫隙澆道等。當(dāng)熔體經(jīng)由直澆道、橫澆道進(jìn)入型殼的型腔內(nèi)，內(nèi)澆道可以減緩熔體的流動(dòng)速度，使氧化夾雜上浮，并減少了充型紊流的產(chǎn)生，利于熔體液面的平穩(wěn)上升。同時(shí)，縫隙式澆注系統(tǒng)蓄熱較多，在一定程度上可起到補(bǔ)縮的作用。

基于以上分析，本研究設(shè)計(jì)了3種澆注系統(tǒng)方案，如圖2所示。方案1：采用4 根縫隙澆道保證鑄件平穩(wěn)充型，電子艙下部?jī)?nèi)表面的凸臺(tái)的外表面有內(nèi)澆口，有利于鑄件的順序凝固。方案2：采用8根縫隙澆道，使鑄件自上而下凝固。方案3：采用4根縫隙澆道，依靠縫隙澆道進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖2 鎂合金電子艙體的3種澆注工藝方案

4 澆注系統(tǒng)模擬優(yōu)化

結(jié)合金屬、型殼材料的性能及低壓鑄造的基本工藝條件，對(duì)3種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。本研究采用的鎂合金為Mg-6Gd-3Y-0.4Zr，利用ProCAST軟件和材料性能計(jì)算軟件JMatPro，對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金的熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，設(shè)置了數(shù)值模擬的邊界條件。

4.1 方案1的模擬結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)鎂合金艙體鑄件熔模鑄造的澆注系統(tǒng)時(shí)，參考了砂型鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在原砂型鑄造系統(tǒng)中添加冷鐵的部位增加了直澆道+橫澆道。其中，4根直澆道為76mm，橫澆道為0mm，目的是為了保證鑄件的完整充型，不發(fā)生冷隔等問(wèn)題，并起到一定的補(bǔ)縮作用。

在此基礎(chǔ)上，采用ProCAST軟件對(duì)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行澆注模擬分析，主要模擬鑄件和澆注系統(tǒng)各個(gè)部位的凝固和冷卻順序。模擬的邊界條件是：澆注溫度740℃，型殼的預(yù)熱溫度為30℃（室溫），差壓設(shè)定為100kPa。從圖3的模擬結(jié)果可見(jiàn)，鎂合金熔體可以完全充滿(mǎn)型殼的型腔，其中鑄件中最難以成型的若干個(gè)“內(nèi)部凸臺(tái)”是最先凝固的部位，這首先保證了凸臺(tái)的完整成型，但是與此同時(shí)，設(shè)計(jì)中用于補(bǔ)縮的橫澆道也是最先凝固的部位之一，這會(huì)造成在實(shí)際澆注過(guò)程中冷隔現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此在實(shí)際操作中，將對(duì)型殼進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)在易于凝固和冷卻的橫澆道處纏繞保溫棉，防止熱量的快速散失，以保證其補(bǔ)縮功能。但是，這種方案主要不足在于橫澆道數(shù)量較多，極大地增加了所需金屬的澆注量，出品率低，因此不可取。

圖3 方案1中的鎂合金艙體鑄件凝固時(shí)間分布

4.2 方案2的模擬結(jié)果分析

圖4為方案2中熔體充型結(jié)束后電子艙鑄件的凝固時(shí)間分布圖，如圖4所示，電子艙鑄件表面壁厚較薄，最先凝固；上部和下部溫度較低，其次凝固；中下部溫度最高，最后凝固。對(duì)于電子艙鑄件而言，這種凝固方式不屬于順序凝固，易于產(chǎn)生疏松、縮孔等缺陷。主要產(chǎn)生疏松、縮孔缺陷的部位是縫隙澆道之間的表面，補(bǔ)縮距離不夠，其次產(chǎn)生缺陷的部位是澆注系統(tǒng)直澆道和澆口位置，它們是最后凝固的部位。綜合來(lái)看，方案2的澆注系統(tǒng)充型性能較差，且易產(chǎn)生缺陷，因此也不可取。

圖4 方案2中的鎂合金艙體鑄件凝固時(shí)間分布

4.3 方案3的模擬結(jié)果分析

基于方案3的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其合金熔體充型過(guò)程的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，在低壓鑄造過(guò)程中，從合金熔體充型5%～30%的充型過(guò)程中，液面平緩上升；直至充型完畢，也未見(jiàn)液面的明顯波動(dòng)。可見(jiàn)，方案3因重新設(shè)計(jì)了澆口數(shù)量，所以艙體鑄件在充型過(guò)程中，合金液面未出現(xiàn)較大波動(dòng)，液面前沿充型非常平穩(wěn)。同時(shí)，對(duì)其疏松、縮孔等缺陷的模擬結(jié)果表明，采用方案3的澆注系統(tǒng)，可有效地消除艙體鑄件中各個(gè)部位的疏松、縮孔等鑄造缺陷。圖6為方案3充型結(jié)束后艙體鑄件的凝固時(shí)間分布圖。由圖6可見(jiàn)，凝固過(guò)程按照由上至下的順序凝固，溫度分布情況有所改善。綜合上述模擬結(jié)果可見(jiàn)，方案3是鎂合金艙體鑄件最佳的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖5 方案3中合金熔體的充型過(guò)程

圖6 方案3的鑄件凝固時(shí)間分布

5 熔模鑄造驗(yàn)證

采用選區(qū)激光燒結(jié)的3D打印技術(shù)直接制備了鎂合金電子艙體熔模鑄造用聚苯乙烯（PS）樹(shù)脂熔模，省卻了模具設(shè)計(jì)、制造的漫長(zhǎng)周期，本研究中所采用的熔模如圖7所示。采用自主專(zhuān)利技術(shù)[12，13]制備了鎂合金鑄造用阻燃陶瓷型殼，在型殼在閃燒爐排塑過(guò)程中，未出現(xiàn)型殼鼓脹開(kāi)裂問(wèn)題，表明3D打印的PS樹(shù)脂熔模具有良好的鑄造適用性。

圖7 3D打印的電子艙體熔模鑄造用PS樹(shù)脂熔模

圖8 電子艙體構(gòu)件照片

鎂合金電子艙體鑄件的澆注用升液管長(zhǎng)度為60cm，升液管階段的時(shí)間為4s，加壓時(shí)間45s，保壓時(shí)間120s，合金澆注溫度為730℃。鎂合金電子艙樣件經(jīng)機(jī)加工之后的成品照片見(jiàn)圖8。對(duì)鎂合金電子艙體進(jìn)行了劃線(xiàn)檢測(cè)，結(jié)果表明，鑄件的非加工面尺寸精度達(dá)到CT6，表面粗糙度為a6.3，壁厚3mm。對(duì)鑄件進(jìn)行X射線(xiàn)無(wú)損探傷分析，結(jié)果表明，鑄件未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，達(dá)到1類(lèi)鑄件要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用選區(qū)激光燒結(jié)的3D打印技術(shù)直接制備了鎂合金電子艙體整體聚苯乙烯熔模，針對(duì)3種艙體鑄件的澆注工藝進(jìn)行了模擬仿真，獲得了充型性能優(yōu)良、可實(shí)現(xiàn)疏松、縮孔等鑄造缺陷控制的最佳澆注系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了型殼的制備與鎂合金電子艙體鑄件的實(shí)際澆注，經(jīng)無(wú)損和尺寸檢測(cè)表明，結(jié)合3D打印與熔模鑄造技術(shù)制備的鎂合金電子艙體的冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良，尺寸精度達(dá)到CT6級(jí)。上述研究表明，將3D打印技術(shù)與鎂合金的熔模鑄造技術(shù)相結(jié)合，可成功解決鑄件初期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，能夠獲得冶金質(zhì)量和尺寸精度基本滿(mǎn)足要求的鎂合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，滿(mǎn)足航天器結(jié)構(gòu)件減重和縮短研制周期的需求。

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Rapid Investment Casting Process for Electronic Cabin of Magnesium Alloy Based on 3D Printing Technology

Li Fei1Kong Zhen2Yang Lixiang1,2Sun Dongke3Zhao Yanjie1Wang Donghong1Li Zhongquan2Sun Baode1

(1. Shanghai Key Laboratory for High Temperature Materials and Precision Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240; 2. AECC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 201600; 3. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189)

In order to meet the requirements of the weight reduction and rapid manufacturing of the large complex thin-walled magnesium alloy for the spacecraft, the investment casting process of magnesium alloy was studied by using electronic cabin as an example. The molten pattern for the investment casting of the cabin was prepared by using the selective laser sintering (SLS) 3D printing method. Three kinds of gating systems were designed and the low pressure casting process as well as the casting defects were simulated by using ProCAST software. The results showed that the 3D printed polystyrene molten pattern did not cause the crack of the shell during the firing process. The smooth filling and complete filling of magnesium alloy melt can be satisfied by low pressure casting and gap-pouring system. In this work, the rapid investment casting of the magnesium alloy cabin was achieved.

3D printing；titanium alloy；electronic cabin；rapid investment casting；numerical simulation

“十三五”裝備預(yù)研共用技術(shù)項(xiàng)目（41423040206，41423040203）。

李飛（1974），副研究員，材料加工專(zhuān)業(yè)；研究方向：熔模鑄造。

2018-03-07