1、工艺技术2022年第12期/第71卷1585铝合金叶轮铸造工艺研究贾士艳1,王安国2,张峻槐2,宿纯文2,杨波3,林霖4,包有雨5,梁全6（1.沈阳创新合金有限公司，辽宁沈阳 110141；2.沈阳航空航天大学，辽宁沈阳 110136；3.伟宁金属科技有限公司，辽宁沈阳 110000；4.沈阳铸造研究所有限公司 高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室，辽宁沈阳 110022；5.上海格麟倍科技发展有限公司，上海 200000；6.沈阳工业大学，辽宁沈阳 110870）摘要：铝合金叶轮铸件生产中为避免气孔、缩松等缺陷，常采用较长的充型及保压时间。为提高产品生产效率，本研究以ZL101材质叶轮的铸造
2、工艺为研究对象，探究特定710 浇注，低碳钢模具，模具预热200 时，较快充型速度的近低压铸造下，不同压力-时间曲线下充型的可行性。使用ProCAST及Solidworks软件建模仿真，结合缩孔、缩松分布和Niyama判据获得如下结论：较快充型速度下，完成近低压铸造可行；充型时间1.5 s时，保压压力增加有助于凝固，但过高压力易导致顺序凝固失败，进而使铸件中出现缺陷；当充型时间3 s时，保压压力对铸件凝固过程的影响不大。关键词：压力；ProCAST；铝合金叶轮；铸造工艺作者简介：贾士艳（1976-），女，工程师，主要研究方向为金属材料及成形。通讯作者：王安国，男，教授，硕士生导师，主要从事金属
3、材料设计及部件成形研究。E-mail：中图分类号：TG292文献标识码：B 文章编号：1001-4977（2022）12-1585-07收稿日期：2022-09-09 收到初稿，2022-11-14 收到修订稿。叶轮作为离心泵、离心压缩机和涡轮发动机的核心部件，其结构复杂，在航天推进剂在轨储存、气体压缩和油气运输、液化天然气计量等方面有着重要应用，其使用早且应用广1-3。在现代制造业中，ZL101铝合金为代表的铸造Al-Si合金以其较低密度、较优异力学性能、较高质量可靠性而被广泛应用，其中ZL101铝合金叶轮因成形难度较大被重点研究4-8。当前生产实践中，铝合金叶轮因其厚度变化较大，锻造、挤压
4、成形及高压铸造等工艺难以适用；低压铸造因工艺参数可调性较好，是获得组织更致密、性能要求更高铝合金叶轮铸件的方法；低压铸造工艺包括升液管升液、充型、增压凝固、卸压、冷却等阶段9，通过进气管对金属液坩埚增压（卸压阶段出气阀卸压），使金属液通过升液管进入铸型，进而在相应气压下充型凝固，生产出铸件。结构复杂的ZL101铝合金叶轮的低压铸造涉及流动、凝固、应变等现象及温度场、流场、应力场等变化规律，剖析多种因素的影响对消除铸造缺陷十分关键10-13。为避免产生卷气、缩松、夹杂、热裂、冷隔等影响叶轮质量的批次性缺陷，常将升液、充型、增压凝固、卸压等各阶段设置足够长时间，较长的时间设置不利于提高生产效率。为
5、探讨高充型速率对提高生产效率的可行性，仿真剖析异于常规低压铸造的近低压铸造工艺各工艺参数具有重要的参考价值14。利用Solidworks软件设计铝合金叶轮近低压铸造模型，利用ProCAST软件模拟铝合金叶轮的充型及凝固过程，结合缩孔、缩松分布和Niyama判据，有助于通过少试验或无试验确定特定模具、模具材料及模具预热温度，快速充型的近低压铸造下以及特种压力-时间曲线等条件对铸件缺陷分布的影响规律。因ProCAST软件仿真精度较高，可对预防铝合金叶轮铸造缺陷，选择新的工艺参数，指导工业革新提供新的思路15-16。1叶轮铸造工艺设计1.1铝合金叶轮几何参数该叶轮零件的模型如图1所示，该铸件整体呈圆
6、盘状，最大直径317 mm，高90 mm，中间为通孔，且内部的结构较为复杂，壁厚最薄处约10 mm，最厚处为Vol.71 No.12 20221586工艺技术（a）主视实体（b）剖切实体图1零件三维模型Fig.1 3D model of the part（a）方案一（b）方案二图2零件浇注方式Fig.2 Pouring methods of the part图3叶轮准低压铸造浇注系统Fig.3 Gating system for quasi low pressure casting of the impeller表1ZL101铝合金成分Table 1 Composition of the ZL
7、101 aluminum alloy wB/%Si6.57.5Mg0.250.45Fe00.2Al余量表2ZL101铝合金热物理参数Table 2 Thermophysical parameters of the ZL101 aluminum alloy密度/（kgm-1）2 430液相线温度/613固相线温度/542潜热/（kJkg-1）430.518热导率/（Wm-1K-1）7046 mm，但薄壁处不多，主要为厚壁，整体上壁厚较为均匀。1.2浇注系统的确立由于铸件为回转体，采用近低压铸造工艺，将回转体轴线置于垂直位置更有助于升液管、浇道和模具的设计，故提出以下两种浇注方式。方案一：叶轮的叶
8、片在上，安装部分在下，如图2a所示。方案一的优点在于浇道附近的结构比较简单，充型平稳，且工作面距离浇道比较远，充型结束时不会出现工作面位置温度偏高的情况，但是不利于排气。方案二：叶轮的叶片在下，安装部分在上，如图2b所示。方案二的优点在于，工作面和结构较为复杂的位置在下面，便于充型，且有利于保证工作面的质量，热节集中于铸件上部，方便上部进行冒口补缩，缺陷距工作面更远；但是工作面距离浇道比较近，可能出现充型不稳定，充型结束时工作面位置温度会偏高，导致铸件质量下降。凝固温度场更容易实现顺序凝固，故本文选择十字形浇道17。此外，可将内孔实心化，便于将几何热节引导至此。1.3模型前处理及参数设置为便于
9、建模及后续仿真，对铸件整体结构简化调整，在叶轮零件图纸基础上，用Solidworks软件对叶轮进行三维建模，绘制浇冒口系统。依据热节分布和去除零件内热节的需求，设计铸件。1.3.1各阶段压力和时间确定铸造ZL101铝合金中富含Si，具备高流动性和低收缩率、气密性较好、比重小等优点，适宜该类部件，模拟选用的ZL101铝合金成分如表1所示，相关热物性参数见表2。近低压铸造及低压铸造是反重力铸造工艺，铸型充型依靠低压力作用于坩埚中金属液面，从而使金属液通过升液管填满整个型腔。该过程所需附加气压可据式（1）计算：Pi=Hi g （1）式中：Hi 为各阶段的金属液面高，m；为金属液密度，kg/m3；g为
10、重力加速度，m/s2；为阻力系数，无量纲。加压过程可分升液、充型、凝固三个阶段，其各阶段加压速度与压力计算如下：（1）升液阶段：该阶段指金属液从坩埚升到浇口处为止。随升液过程压力递增，金属液在升液管中逐渐升高。含浇冒口的铸件高276 mm，浇口到铸型70 mm，铝液密度2.4103（kg/m3），取值为1.01.5，根据式（1）算得升液附加压力：P1=0.072.41039.81.2=1 975.68 Pa参照文献18，升液阶段加压速度v1=0.001 30.001 8 MPa/s，则升液阶段，浇口到铸型段的附加加压时间t1为：t1=1.11.5 s。综上，本文选择方案二进行准低压铸造工艺设计
11、（图3），含冒口及浇道的铸型总重13.8 kg。相比于圆形浇道，十字形浇道充型速度更平稳，充型更均匀，工艺技术2022年第12期/第71卷1587表3模拟试验的压力时间曲线Table 3 Pressure-time curves of the simulation test schemes方案编号1231-11-21-32-12-22-33-13-23-31.51.51.5222333110633011063301106330充型时间/s附加保压压力/kPa假定金属液面至铸型底部约530 mm，则升液阶段加压为P1=0.602.41039.81.2=19 934.4 Pa，加压时间t1=11
12、s。模拟时为了简化，可只计浇口到铸型段t1。（2）充型阶段：指金属液从浇口开始进入至充满型腔的阶段（坩埚中金属液到型腔顶端高度），在充型过程中随着压力增加，金属液逐渐充满型腔。该阶段增压速度可看作金属液充型速度，该速度决定金属液在型腔中流动状态、温度分布、型腔中气体排除及最终铸件质量。计算充型附加压力：P2=H2 g=0.3462.41039.81.2=9 765.50 Pa由文献知，充型阶段加压速度v2=0.0020.005 MPa/s，则充型阶段极速加压时间t2为：t2 1.55 s。通常低压铸造的该段时间常选择加倍，用以保障液流平稳；本文以研究高效充型为目标，仍选择1.55 s的极速加压
13、时间。（3）凝固阶段：指自金属液充满铸型到凝固结束为止。凝固压力大则金属液充型效果好，利于获得致密铸件，常高于充型压力，但凝固压力也不宜过大，由文献17可知，增压压力一般为 0.050.1 MPa，此次铸造工艺研究的铸件结构适中，增压压力取P315 kPa，增压阶段增压速度v3=0.0050.010 MPa/s，极速增压加压时间t3 3 s，取t3=510 s。（4）保压阶段：保压阶段是指金属液在凝固过程中处于一个恒定压力作用直至凝固的阶段。通常保压阶段的压力值P可参照P=P1+P2+P3，模拟时保压阶段的压力值可简化为P=P1+P2+P326.7 kPa。保压时间是获得优质铸件的一个重要条件
14、，影响保压时间的因素有很多，一般依据“铸件重量参考曲线”来选取参考值，通常选择几分钟；本次铸造模拟中，考虑到提高充型速度的需求，并考虑到保压结束时浇口上部的温度不应显著高于560 而导致出现缩松，依照参考文献17和实际工业生产中浇注系统凝固时间等，以研究高效充型为目标，选取保压时间8 s。1.3.2浇注温度、模具温度等模拟参数确定浇注温度是影响铸件整体质量的重要因素，浇注温度过高，需更长时间冷却至室温，致使冷却时间延长，导致组织粗大，进而引起铸件力学性能下降。当浇注温度过低，可能产生浇不足、冷隔等缺陷。近低压铸造过程相对封闭，保温效果好，且金属液充填过程得到改善，砂型铸造时，浇注温度相对于重力
15、铸造低1020，采用金属型模具时，由于金属导热性良好，可比砂型铸造高2030。此次低压铸造ZL101铝合金叶轮铸件的整体结构较复杂，模具选择金属型模具，可初定浇注温度680730。模具温度一般由合金种类、铸件本身结构特点决定。对非金属模具而言，其温度一般为室温；当选择金属模具时，通常需对模具预热，以便达到更好充型及冷却效果，对铸造铝合金，模具温度一般200250 19。铸造过程涉及材料热物性参数和边界条件变化较多，特别是界面换热系数无法很直观得到，所以铸造或凝固过程中的实际高温数值来反算界面换热系数，作为提升铸造过程数值模拟精度的常用方式19-21。将建立好的低温叶轮三维模型导入ProCAST
16、中进行网格划分、设置模拟参数等处理。根据文献，设定金属液与铸型之间的传热系数为2 000 W/（m2K），铸型与大气的传热系数为20 W/（m2K），模具冷却方式初始设置为室温20自然冷却19。2模拟方案设计压力对铸件凝固组织形成产生重要影响。在压力影响下，溶质扩散系数减小，熔体结晶速率提高，使稀溶物无法进行弥散，因而产生了过饱和固溶物。压力差还会把尚未凝结的金属熔体推入枝晶间隙，从而改善了合金的组织形态。结晶压力差对铝合金二次枝晶间距作用最显著，壁厚一定时，铝合金的二次枝晶间距由于结晶压力提高而减小。通常，铝合金的二次枝晶臂间距愈小，力学性能就越高22-24。不同工艺参数对叶轮低压铸造工艺的影响较大，分析极为复杂，现仅讨论低碳钢模具，200 模具预热，710 浇注时，较高压力、较短时间的近低压铸造工艺对缺陷分布的影响。本文模拟的浇口到铸型段的升液时间取整为1 s，通过研究极速充型时间及附加保压压力，设计三大组压力-时间曲线进行模拟试验，具体试验方案如表3所示。Vol.71 No.12 20221588工艺技术3ProCAST模拟结果及分析从图4方案1-1、1-2、1-3中的三组模拟结
