CN106216636B - 一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，包括如下步骤：步骤一、模具准备，步骤二、保温坩埚炉、保温坩埚盖和升液管准备，步骤三、制备熔炼液，步骤四、模具及低压铸造机安装，步骤五、低压浇注，步骤六、卸压、延时冷却、开模取件,本发明铸造出来的AlMg3铝合金铸件，尺寸精度可达到CT4～CT6，表面光洁度可达到Ra1.6μm～Ra3.2μm，仅需加工铸件与叶中接闪器螺纹连接部分，大幅减少机械加工量。

Description

一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法。

背景技术

叶片是风电机组的核心部件之一，安装在叶片尖部的接闪器拦截雷电的效率，直接影响叶片避雷系统的稳定性和机组的安全运转性能。随着叶片发电功率越来越大（即叶片越来越长），对叶片尖部接闪器的安全性能要求亦愈来愈高。此外，随着海上风电的发展，海洋环境下盐雾腐蚀问题更为突出，对叶片尖部接闪器的耐腐蚀性能也提出了更高要求。

叶片尖部接闪器的形状根据不同型号的叶片翼型进行设计，最厚处与最薄处厚度相差很大，如SR120型叶片的叶片尖部接闪器，最厚处达到35mm，最薄处只有0.5mm。之前的叶片尖部接闪器，选用耐蚀性能良好的Al-Mg系5083铝合金，由于设计的流线型要求，需用大厚板（≥50mm）在数控机床上加工成型，生产周期长、材料利用率低，制造成本超过3000元/件。低压铸造工艺通过从型腔底部引入金属液体，让金属液由下而上充填型腔形成铸件。浇注时压力和速度可以调节，熔炼液靠层流进行充填，特别是叶片尖部接闪器的外部边缘最薄处的轮廓成型优良；由于没有冒口和浇道，浇口较小，可大幅度降低材料费和加工工时，材料利用率高（达到90%以上）；容易形成方向性凝固，内部缺陷少。

AlMg3铝合金室温力学性能高，电导率及耐腐蚀性能优良，同时比重小、韧性高（与ZL303性能比较见表1），切削加工和抛光电镀性能优良，成为叶片尖部接闪器的首选材料。

表1 AlMg3与ZL303铝合金性能比较

发明内容

本发明的目的是为解决现有铸造方法造成的力学性能差，合格率低的问题，提供一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，包括如下步骤：

步骤一、模具准备

取清理干净的待铸造的叶片尖部接闪器模具，将模具装入加热炉内进行预热，控制加热炉温度为200～250℃，持续保温2～4h后取出，在模具型腔表面均匀的喷涂涂料，涂料涂抹厚度为0.2～0.5mm，涂料凝固后将圆角和热节处的涂料刮去0.05～0.1mm，将模具重新装入加热炉内加热，控制温度220～300℃，持续保温时间≥2h，待用；

步骤二、保温坩埚炉、保温坩埚盖和升液管准备

取配套使用的保温坩埚炉与保温坩埚盖以及升液管，将三者的内腔清理干净并进行预热，控制预热温度≥200℃，预热完成后在三者的内腔表面涂敷涂料，当涂料涂抹完成后，保温坩埚炉继续预热待用，取升液管装入保温坩埚盖内并进行密封处理，然后将装有升液管的保温坩埚盖充分预热，控制温度≥200℃，待用；

步骤三、制备熔炼液

取干燥无杂物的AlMg3铝合金锭坯备用，AlMg3铝合金锭坯中AlMg3铝合金成分要求（wt%）满足如下标准：其中Mg：2.5～3.5，Mn：0～0.45，Ti：0～0.20，Al：余量；其中杂质Si≤0.45，Fe≤0.40，Zn≤0.10，Cu≤0.03；

将足量的AlMg3铝合金锭坯装入熔炼炉中加热熔化，熔炼温度720℃～750℃，AlMg3合金完全熔化后，调整熔炼炉控制熔炼液的温度为710℃～740℃，取重量为加入的AlMg3铝合金锭坯总重量的0.5～0.7wt%的精炼剂，并对精炼剂进行烘干处理，控制烘干温度≥360℃，烘干时间≥2h，用钟罩将烘干后的精炼剂压至距离熔炼炉底部150～200mm处，控制钟罩作水平运动，直至熔炼液中没有气泡溢出取出钟罩，将熔炼液表面的熔渣捞出；

采用旋转除气机往熔炼炉炉内通入氩气10～15min进行除气，除气完成后将熔炼液静置10～15min，以便于降低熔炼液中的含气量，将处理好的熔炼液注入到步骤二中预热的保温坩埚炉内保温待用；

步骤四、模具及低压铸造机安装

取步骤二中安装有升液管的保温坩埚盖和步骤三中装有熔炼液的保温坩埚炉，在保温坩埚炉的密封槽内填充石棉绳，石棉绳高于槽面2～3mm，并用6～8股石棉绳围绕升液管的法兰面进行铺平处理，然后将保温坩埚盖装在保温坩埚炉上，取低压铸造机的机架罩设在保温坩埚炉上方，取步骤一预热的模具安装在低压铸造机机架的机台上，模具浇口与升液管连通且模具浇口与升液管中心线重合，并通过升液管法兰面上的石棉绳密封，合模后锁紧模具；

步骤五、低压浇注

往步骤四中的保温坩埚炉内通入干燥的压缩空气改变保温坩埚炉内的压强，将保温坩埚炉内熔炼液通过升液管压入模具浇口中以便于注入模具，控制模具温度≥220℃，浇铸温度720～730℃，通入干燥压缩空气时，首先以2.5～3.5KPa/s的速度，快速将压力增加到10KPa,使熔炼液沿升液管上升至模具的浇口处，调整加压速度控制压力由10KPa逐渐加大到30KPa，控制时间10～20s，保证熔炼液由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔；

当熔炼液充满型腔后，控制通入干燥压缩空气的速度为：0.5～1.5KPa/s以保持保温坩埚炉内最大压力20～30KPa，并在该压力下保压90～180s，使铸件在此压力下结晶凝固；

步骤六、卸压、延时冷却、开模取件

铸件凝固完毕后，卸除坩埚内液面上的压力，使升液管和浇口中尚未凝固的熔炼液依靠自重落回保温坩埚炉中，延时冷却60～90s后，打开模具，取出铸件并清理铸件飞边、毛刺，铸造完成。

关于压力变化1、升液阶段：为提高效率，同时保证铝液上升时不会由于速度过快产生飞溅，速度过慢产生模具温度下降快，升液增压速度一般为2.5～3.5KPa/s。

2、充型阶段：充型时要保证铝液平稳同时兼顾铸件型腔的排气，一般充型增压速度为0.4～1KPa/s。

3、增压阶段：速度一般比充型时的增压速度略高，升压增压速度一般为0.5～1.5KPa/s。

4、保压阶段：依据不同的铸件保压时间有所不同。

所述的加热炉均采用40KW电阻加热炉。

所述的步骤三中熔炼炉为150kg，40KW电阻熔炼炉。

所述的步骤一和步骤二中的涂料的成份配比为：氧化锌9～11%，水玻璃6～8%，余量为水。氧化锌：氧化锌的作用不但有保温作用，还能提高涂料的附着力，提高涂料层的排气效果。水玻璃：水玻璃的作用是作为高温粘结剂。

所述的步骤二中的保温坩埚炉容量150kg，40KW，升液管内径70～80mm，壁厚20～25mm。

本发明的有益效果是：采用本发明铸造出来的AlMg3铝合金铸件，尺寸精度可达到CT4～CT6，表面光洁度可达到Ra1.6μm～Ra3.2μm，仅需加工铸件与叶中接闪器螺纹连接部分，大幅减少机械加工量；并且叶尖接闪器，可根据不同型号风电叶片翼型的变化趋势设计，在叶片制造过程中与叶片本体粘结为一体，工艺简单，安装后和叶片叶片尖部翼型过渡平滑美观，已经在AD87型叶片（长度42.2m）、AD93型叶片（长度45.3m）、SR102型叶片（长度50m）、SR113型叶片（长度55m）、SR116型叶片（长度57m）、SR120型叶片（长度58m）大量应用。

具体实施方式

一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，包括如下步骤：

步骤一、模具准备

取清理干净的待铸造的叶片尖部接闪器模具，将模具装入加热炉内进行预热，控制加热炉温度为200～250℃，持续保温2～4h后取出，在模具型腔表面均匀的喷涂涂料，涂料涂抹厚度为0.2～0.5mm，涂料凝固后将圆角和热节处的涂料刮去0.05～0.1mm，将模具重新装入加热炉内加热，控制温度220～300℃，持续保温时间≥2h，待用；

步骤二、保温坩埚炉、保温坩埚盖和升液管准备

取配套使用的保温坩埚炉与保温坩埚盖以及升液管，将三者的内腔清理干净并进行预热，控制预热温度≥200℃，预热完成后在三者的内腔表面涂敷涂料，当涂料涂抹完成后，保温坩埚炉继续预热待用，取升液管装入保温坩埚盖内并进行密封处理，然后将装有升液管的保温坩埚盖充分预热，控制温度≥200℃，待用；

步骤三、制备熔炼液

取干燥无杂物的AlMg3铝合金锭坯备用，AlMg3铝合金锭坯中AlMg3铝合金成分要求（wt%）满足如下标准：其中Mg：2.5～3.5，Mn：0～0.45，Ti：0～0.20，Al：余量；其中杂质Si≤0.45，Fe≤0.40，Zn≤0.10，Cu≤0.03；

将足量的AlMg3铝合金锭坯装入熔炼炉中加热熔化，熔炼温度720℃～750℃，AlMg3合金完全熔化后，调整熔炼炉控制熔炼液的温度为710℃～740℃，取重量为加入的AlMg3铝合金锭坯总重量的0.5～0.7wt%的精炼剂，并对精炼剂进行烘干处理，控制烘干温度≥360℃，烘干时间≥2h，用钟罩将烘干后的精炼剂压至距离熔炼炉底部150～200mm处，控制钟罩作水平运动，直至熔炼液中没有气泡溢出取出钟罩，将熔炼液表面的熔渣捞出；

采用旋转除气机往熔炼炉炉内通入氩气10～15min进行除气，除气完成后将熔炼液静置10～15min，以便于降低熔炼液中的含气量，将处理好的熔炼液注入到步骤二中预热的保温坩埚炉内保温待用；

步骤四、模具及低压铸造机安装

取步骤二中安装有升液管的保温坩埚盖和步骤三中装有熔炼液的保温坩埚炉，在保温坩埚炉的密封槽内填充石棉绳，石棉绳高于槽面2～3mm，并用6～8股石棉绳围绕升液管的法兰面进行铺平处理，然后将保温坩埚盖装在保温坩埚炉上，取低压铸造机的机架罩设在保温坩埚炉上方，取步骤一预热的模具安装在低压铸造机机架的机台上，模具浇口与升液管连通且模具浇口与升液管中心线重合，并通过升液管法兰面上的石棉绳密封，合模后锁紧模具；

步骤五、低压浇注

往步骤四中的保温坩埚炉内通入干燥的压缩空气改变保温坩埚炉内的压强，将保温坩埚炉内熔炼液通过升液管压入模具浇口中以便于注入模具，控制模具温度≥220℃，浇铸温度720～730℃，通入干燥压缩空气时，首先以2.5～3.5KPa/s的速度，快速将压力增加到10KPa,使熔炼液沿升液管上升至模具的浇口处，调整加压速度控制压力由10KPa逐渐加大到30KPa，控制时间10～20s，保证熔炼液由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔；

当熔炼液充满型腔后，控制通入干燥压缩空气的速度为：0.5～1.5KPa/s以保持保温坩埚炉内最大压力20～30KPa，并在该压力下保压90～180s，使铸件在此压力下结晶凝固；

步骤六、卸压、延时冷却、开模取件

铸件凝固完毕后，卸除坩埚内液面上的压力，使升液管和浇口中尚未凝固的熔炼液依靠自重落回保温坩埚中，延时冷却60～90s后，打开模具，取出铸件并清理铸件飞边、毛刺，铸造完成。

关于压力变化1、升液阶段：为提高效率，同时保证铝液上升时不会由于速度过快产生飞溅，速度过慢产生模具温度下降快，升液增压速度一般为2.5～3.5KPa/s。

2、充型阶段：充型时要保证铝液平稳同时兼顾铸件型腔的排气，一般充型增压速度为0.4～1KPa/s。

3、增压阶段：速度一般比充型时的增压速度略高，升压增压速度一般为0.5～1.5KPa/s。

4、保压阶段：依据不同的铸件保压时间有所不同。

所述的加热炉均采用40KW电阻加热炉。

所述的步骤三中熔炼炉为150kg，40KW电阻熔炼炉。

所述的步骤一和步骤二中的涂料的成份配比为：氧化锌9～11%，水玻璃6～8%，余量为水。

所述的步骤二中的保温坩埚炉容量150kg，40KW，升液管内径70～80mm，壁厚20～25mm。

实施例一，以SR113型叶片（长度55m）AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造为例。

1）模具准备

模具清理干净后装入40KW电阻加热炉内进行预热(温度250℃),保温3h后取出,在模具型腔内喷涂涂料(配比:氧化锌10%，水玻璃8%，水82%)，厚度约0.25mm；将圆角和热节处的涂料刮薄后，再次将模具装入40KW电阻加热炉内进行加热（温度仍为250℃），保温时间≥2h，待用。

2）保温坩埚炉、升液管准备

清理干净保温坩埚（炉体及炉盖）和升液管（内径80mm，壁厚20mm）后对其加热（温度250℃），并喷涂如前配比的涂料，厚度≥2mm，再将升液管装入保温坩埚盖后一起加热（温度250℃）。

3）铝液熔炼

合金熔炼采用配置好的AlMg3铝合金锭坯〔成分（wt%）：Mg3.41，Mn0.26，Ti0.13，Si0.18，Fe0.14，Zn0.05，Cu0.01，Al余量〕。将AlMg3铝合金锭坯130Kg装入40KW的电阻熔炼炉中加热熔化，熔炼温度740℃，待合金完全熔化后，将铝液温度调整到720℃，用钟罩将烘干（360℃×2h）的精炼剂80g压至距离熔炼炉底部约150mm处，作水平运动，直至没有气泡溢出后取出钟罩，捞出熔体表面熔渣。

而后采用旋转除气机通入氩气13min进行铝液除气，静置12min，最后将处理好的熔炼液注入保温坩埚炉内待用。

4）模具及低压铸造机安装

升液管与坩埚盖装配预热后，立即与装有铝液的保温坩埚炉进行装配，装配时坩埚炉密封槽用石棉绳填好，石棉绳高出槽面约2mm，然后用6股石棉绳围绕升液管的法兰面铺平，从电阻加热炉内取出模具安装在低压铸造机机架的机台上，模具浇口与升液管中心一致，合模后锁紧模具。

5）低压浇注

模具温度250℃，浇铸温度720℃。向保温坩埚炉内以2.5KPa/s速度通入干燥的压缩空气至压力10KPa，充型时压力由10kPa逐渐增大到20kPa，充型时间13s，使铝液充满模具型腔；控制5s增大压力至25kPa，保压120s，使铸件在此压力下结晶凝固。

6）卸压、延时冷却、开模取件

铸件凝固完毕，卸除坩埚内液面上的压力，并冷却60s，随后打开模具，取出铸件并清理铸件飞边、毛刺。

按照批次抽检要求（抽检5%，且不少于5件），检验铸件化学成分、铸件重量、电导率和盐雾腐蚀速率：

铸件化学成分（wt%）：Mg2.89～3.07，Mn0.21～0.25，Ti0.09～0.10，Si0.13～0.15，Fe0.193～0.235，Zn0.01～0.03，Cu0.05～0.01，Al余量；

铸件重量：396.0g～412.5g，浮动4.16%，小于5%的要求；

电导率：30.5%IACS～35.8%IACS；

盐雾腐蚀速率（g/m²•h，360h中性盐雾）：5083铝合金板材试样0.0047～0.0050，AlMg3铸件本体试样0.0060～0.0066g/m²•h，与5083铝合金相当。

实施例二，以SR120型叶片（长度58m）AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造为例。

1）如实施例一中所述，准备好模具待用。

2）如实施例一中所述，准备好保温坩埚炉及升液管。

3）铝液熔炼

合金熔炼采用同实施例一中的AlMg3铝合金锭坯。将AlMg3铝合金锭坯140kg装入40KW的电阻熔炼炉中加热熔化，熔炼温度730℃，待合金完全熔化后，将铝液温度调整到720℃，用钟罩将烘干（360℃×2h）的精炼剂80g压至距离熔炼炉底部约200mm处，作水平运动，直至没有气泡溢出后取出钟罩，将熔体表面熔渣捞出。

而后采用旋转除气机通入氩气12min进行铝液除气，静置12min，最后将处理好的熔炼液注入到低压铸造机的保温坩埚炉内待用。

4）如实施例一中所述，安装好模具及低压铸造机。

5）低压浇注

模具温度220℃，浇铸温度730℃。向保温坩埚炉内以2.5 KPa/s速度通入干燥的压缩空气至压力10KPa，充型时压力由10kPa逐渐增大到25kPa，充型时间20s，使铝液充满模具型腔；控制5s增大压力至30kPa，保压150s，使铸件在此压力下结晶凝固。

6）卸压、延时冷却、开模取件

铸件凝固完毕，卸除坩埚内液面上的压力，并冷却90s，随后打开模具，取出铸件并清理铸件飞边、毛刺。

按照批次抽检要求（抽检5%，且不少于5件），检验铸件化学成分、铸件重量、电导率和盐雾腐蚀速率：

铸件化学成分（wt%）：Mg2.76～2.98，Mn0.23～0.25，Ti0.10～0.12，Si0.14～0.16，Fe0.222～0.235，Zn0.01～0.03，Cu0.05～0.01，Al余量；

铸件重量：1.005 kg～1.048 kg，浮动4.27%，小于5%的要求；

电导率：31.2%IACS～35.3%IACS；

盐雾腐蚀速率（g/m²•h ，360h中性盐雾）：5083铝合金板材试样0.0047～0.0050，AlMg3铸件试样0.0058～0.0062，与5083铝合金相当。

本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、模具准备

取清理干净的待铸造的叶片尖部接闪器模具，将模具装入加热炉内进行预热，控制加热炉温度为200～250℃，持续保温2～4h后取出，在模具型腔表面均匀的喷涂涂料，涂料涂抹厚度为0.2～0.5mm，涂料凝固后将圆角和热节处的涂料刮去0.05～0.1mm，将模具重新装入加热炉内加热，控制温度220～300℃，持续保温时间≥2h，待用；

步骤二、保温坩埚炉、保温坩埚盖和升液管准备

取配套使用的保温坩埚炉与保温坩埚盖以及升液管，将三者的内腔清理干净并进行预热，控制预热温度≥200℃，预热完成后在三者的内腔表面涂敷涂料，当涂料涂抹完成后，保温坩埚炉继续预热待用，取升液管装入保温坩埚盖内并进行密封处理，然后将装有升液管的保温坩埚盖充分预热，控制温度≥200℃，待用；

步骤三、制备熔炼液

取干燥无杂物的AlMg3铝合金锭坯备用，AlMg3铝合金锭坯中AlMg3铝合金成分要求（wt%）满足如下标准：其中Mg：2.5～3.5，Mn：0～0.45，Ti：0～0.20，Al：余量；其中杂质Si≤0.45，Fe≤0.40，Zn≤0.10，Cu≤0.03；

将足量的AlMg3铝合金锭坯装入熔炼炉中加热熔化，熔炼温度720℃～750℃，AlMg3合金完全熔化后，调整熔炼炉控制熔炼液的温度为710℃～740℃，取重量为加入的AlMg3铝合金锭坯总重量的0.5～0.7wt%的精炼剂，并对精炼剂进行烘干处理，控制烘干温度≥360℃，烘干时间≥2h，用钟罩将烘干后的精炼剂压至距离熔炼炉底部150～200mm处，控制钟罩作水平运动，直至熔炼液中没有气泡溢出取出钟罩，将熔炼液表面的熔渣捞出；

采用旋转除气机往熔炼炉炉内通入氩气10～15min进行除气，除气完成后将熔炼液静置10～15min，以便于降低熔炼液中的含气量，将处理好的熔炼液注入到步骤二中预热的保温坩埚炉内保温待用；

步骤四、模具及低压铸造机安装

取步骤二中安装有升液管的保温坩埚盖和步骤三中装有熔炼液的保温坩埚炉，在保温坩埚炉的密封槽内填充石棉绳，石棉绳高于槽面2～3mm，并用6～8股石棉绳围绕升液管的法兰面进行铺平处理，然后将保温坩埚盖装在保温坩埚炉上，取低压铸造机的机架罩设在保温坩埚炉上方，取步骤一预热的模具安装在低压铸造机机架的机台上，模具浇口与升液管连通且模具浇口与升液管中心线重合，并通过升液管法兰面上的石棉绳密封，合模后锁紧模具；

步骤五、低压浇注

往步骤四中的保温坩埚炉内通入干燥的压缩空气改变保温坩埚炉内的压强，将保温坩埚炉内熔炼液通过升液管压入模具浇口中以便于注入模具，控制模具温度≥220℃，浇铸温度720～730℃，通入干燥压缩空气时，首先以2.5～3.5KPa/s的速度，快速将压力增加到10KPa,使熔炼液沿升液管上升至模具的浇口处，调整加压速度控制压力由10KPa逐渐加大到30KPa，控制时间10～20s，保证熔炼液由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔；

当熔炼液充满型腔后，控制通入干燥压缩空气的速度为：0.5～1.5KPa/s以保持保温坩埚炉内最大压力20～30KPa，并在该压力下保压90～180s，使铸件在此压力下结晶凝固；

步骤六、卸压、延时冷却、开模取件

铸件凝固完毕后，卸除坩埚内液面上的压力，使升液管和浇口中尚未凝固的熔炼液依靠自重落回保温坩埚中，延时冷却60～90s后，打开模具，取出铸件并清理铸件飞边、毛刺，铸造完成。

2.根据权利要求1所述的一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，其特征在于：所述的加热炉均采用40KW电阻加热炉。

3.根据权利要求1所述的一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，其特征在于：所述的步骤三中熔炼炉为150kg，40KW电阻熔炼炉。

4.根据权利要求1所述的一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，其特征在于：所述的步骤一和步骤二中的涂料的成份配比为：氧化锌9～11%，水玻璃6～8%，余量为水。

5.根据权利要求1所述的一种AlMg3铝合金叶片尖部接闪器低压铸造方法，其特征在于：所述的步骤二中的保温坩埚炉容量150kg，40KW，升液管内径70～80mm，壁厚20～25mm。