大型耐热镁合金壳体低压铸造工艺模拟

导读：针对低压铸造大型耐热镁合金壳体铸件的结构及技术难点对其浇注系统设计、砂芯及激冷系统设计等进行分析。利用ProCAST软件对壳体铸造工艺进行数值仿真，模拟了铸造缺陷并进行了原因分析，采取了针对性措施并进行了二次仿真验证。根据模拟结果优化了铸造工艺参数，结果表明，浇注系统充型平稳，补缩良好，采用低压铸造方法浇注了品质优良的壳体铸件。

镁合金具有低密度、高比强度，良好的加工性能等特点，使其在航天领域得到广泛应用。随着技术的发展，导弹飞行速度和最大射程均显著提高，导致气动加热进一步加剧，对弹体材料轻量化和耐热性能提出了苛刻的要求。耐热镁合金以其优良的力学性能，特别是优良的高温性能，成为新型导弹弹体结构材料的首选。近年来发展的新型高强度耐热镁合金系列，抗拉强度可达到330 MPa以上，其综合性能达到某些铸造铝铜合金的水平，在200~300 ℃下仍具有优异的力学性能，而且其密度仅为铝合金密度的70%，不到钛合金的50%，材料轻量化和耐热性能优势明显。但是，目前耐热镁合金的应用还存在一定问题，如耐热镁合金化学活性比较高，铸造生产过程工艺难度较大等。本课题研究了某镁合金壳体铸件的工艺优化，为其更进一步的应用提供参考。

1 壳体结构及生产工艺

壳体铸件外表面形状为锥体结构，见图1，前端框直径为500 mm，后端框直径为760 mm，高度约为2 000 mm。壳体需按HB7780-2005Ⅰ类铸件要求100%进行X光检测及荧光检测。

壳体内腔结构复杂，内壁上有多处环形加强筋且凸台较多，壳体壁厚极不均匀，壁厚差大，且镁合金材料化学活性比较高，在熔炼及充型过程中非常容易氧化、燃烧，凝固过程容易产生疏松、缩孔、裂纹、偏析等缺陷；壳体最薄壁厚仅3 mm，铸造过程极易变形。

图1 壳体结构图

壳体浇注系统见图2，由直浇道、横浇道及立筒缝隙浇道组成。横浇道分为外圆形横浇道及内“米”字形横浇道，横浇道截面为梯形结构，可以提升浇注系统的挡渣能力，提高合金的流动性及充型能力；8处立筒缝隙浇道均布在壳体外形面四周，均匀分配合金液的流量，减少合金过热倾向，同时，立筒缝隙浇道可保证壳体浇注过程合金平稳充型，使壳体铸件凝固过程获得极佳的补缩效果。

图2 壳体浇注系统

图3 砂芯

考虑到壳体铸件为镁合金，且熔炼量约1 t，壳体砂芯采用整体粘土砂工艺。砂芯中间放置芯骨，浇注过程中，产生的大量气体通过中间芯骨顺利排出，避免发生反应产生气孔、夹渣及疏松缺陷。

在壳体砂芯所有环筋、凸台等热节及厚大部位设置专用冷铁，立筒缝隙浇口前放置冷铁，在冷铁工作面边缘与粘土砂之间放置激冷砂，避免立筒缝隙浇口两侧过热产生疏松缺陷，见图3。

2 数值模拟

2.1 参数设置

采用Pro/E进行三维建模，并以igs格式导入到ProCAST的Visual-Mesh(Cast)模块进行网格划分，最终划分出221 810个节点，3 410 192个单元格，网格化后的模型见图4。

图4 网格模型

VW63Z耐热稀土镁合金化学成分见表1，物性参数见图5。

表1 VW63Z合金化学成分

（a）热导率

（ｂ）密度

（ｃ）焓

（ｄ）固相分数

图5 物性参数

数值模拟初设工艺参数见表2。铸件与砂型之间的传热系数取500 W·m-2·K-1，铸件与冷铁之间的传热系数取1000 W·m-2·K-1，冷铁与铸型之间的传热系数取750 W·m-2·K-1，铸型表面空冷。

表2 模拟初设工艺参数

2.2 模拟结果分析

利用ProCAST软件对壳体的低压铸造过程进行了数值模拟分析。图6为壳体铸造的充型过程模拟，，壳体的模拟充型过程非常平稳，8处缝隙浇口的液面高度基本一致，整个充型过程没有明显的合金紊流现象，壳体浇注工艺设计较为合理。

(a) 11.3s

(b) 21.3s

(c) 29.3s

(d) 39.3s

(e) 41.1s

(f) 62.0s

图6 充型过程模拟

壳体采用底注式低压浇注方法，浇注初始阶段，合金液首先通过直浇道、横浇道，然后进入8处立筒缝隙浇道，当缝隙浇道中的合金液面高于壳体型腔底部时，合金液开始充填铸型型腔，直到充型全部结束。整个充型过程，立筒缝隙浇道中合金液温度始终高于同高度铸型型腔内合金液的温度，立筒缝隙浇道对壳体补缩通道畅通，使壳体按照顺序凝固的方式凝固，减少了壳体铸造缺陷，保证了壳体的内部质量。

图7为壳体凝固过程模拟及固相分数。固相率为0.7为缩孔、缩松形成的临界值。伴随合金液充型，型腔内合金液凝固，立筒缝隙浇道内合金固相分数始终低于同高度的型腔内合金固相率，利于壳体顺序凝固过程的补缩。壳体凝固过程温度场与充型过程的温度场分布基本一致，立筒浇道之间的薄壁区合金液最先进入固相区，固相率较大，而立筒前部位及环筋等厚大部位仍高于液相线，固相率较小，补缩已进入固相区的部位，立筒浇道、凸台及环筋等处最后进入固相区，立筒浇道前及环筋等处具有形成疏松、缩孔的倾向，见图7和图8。

(a) 71.6s

(b) 166.5s

图7 凝固过程模拟

（a）66.6s

（b）71.6s

图8 疏松、缩孔缺陷

对数值模拟结果初步分析可知：位于立筒浇道前部位及环筋等处是最后凝固部位，易出现疏松、缩孔缺陷；立筒浇道前属于过热区，环筋属于壳体厚大部位，初步判断为浇注过程中保压压力偏小、保压时间偏短等因素造成。

2.3 模拟验证

按照初次数值模拟的分析结果，疏松、缩孔缺陷为浇注过程中保压压力偏小、保压时间偏短造成的。因此将壳体浇注时的保压压力由35 kPa增加到50 kPa，保压时间由300 s增加到360 s，并进行模拟验证，见图9。模拟验证结果显示壳体铸件凝固过程无明显疏松、缩孔缺陷，同时也验证了模拟结果分析。

（a）立筒无疏松、缩孔

（b）环筋无疏松、缩孔

图9 模拟验证无缺陷

3 低压浇注

按照数值模拟的分析验证，调整后的浇注工艺参数见表3。

表3 低压铸造浇注工艺参数

采用优化调整后的浇注工艺参数浇注了壳体铸件，见图10，壳体经X光检测及荧光检测后没有发现超标缺陷，符合HB7780-2005Ⅰ类铸件要求。

图10 浇注的壳体铸件

4 结论

(1)利用数值模拟手段验证了大型耐热镁合金壳体浇注系统设计合理性，由直浇道、外圆形横浇道、内“米”字形横浇道及立筒缝隙浇道组成的浇注系统充型平稳，补缩良好。

(2)大型耐热镁合金壳体铸造过程中易在壳体厚大部位、浇道前过热区产生疏松、缩孔缺陷。

(3)采用低压铸造及合适的工艺参数浇注大型耐热镁合金壳体铸件，可明显改善疏松、缩孔缺陷，提升铸件内部质量。