CN108326237A - 一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密铸造和材料制备领域，具体为一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用。采用含有网格式横浇道和雨淋式内浇道结构的浇注系统，弥散分布的内浇道有利于薄壁处充型完全，同时起到分散热量，避免热节产生以及冒口补缩的作用，而且内浇道还起到加强筋或肋的作用，防止因凝固收缩而产生裂纹。此外，浇注系统采用封闭式，即浇道横截面的面积越来越小，有利于挡渣和过滤气泡。金属液在浇注前，进行高温精炼处理，去除夹渣和气体。浇注时控制坩埚倾斜高度，提高充型压力，并对型壳进行高温预热处理，保证铸件充型完整。本发明适用于复杂点阵夹芯结构件及其它相似零件的铸造过程，是未来航空航天产品发展的需要，具有长远的应用前景。
Description
技术领域：
本发明涉及精密铸造和材料制备领域，具体为一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用。
背景技术：
由于独特的力学环境和苛刻的服役条件，对航天航空领域使用的零部件结构提出更高要求：结构的超轻型化和多功能化。点阵夹芯结构由于轻质高效的结构形式及开放的内部空间，被认为是最有应用潜力的结构功能一体化材料。点阵夹芯结构由上下两层面板和中间的芯子两部分组成。面板为大平面结构，主要起到承压和抗气流冲击作用；芯子为点阵结构，是一种由细杆或薄片组接成的空间网格结构，主要起到促动、抗变形及吸能降噪作用。
点阵夹芯结构是哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人近年来提出的一种新型结构，也称为“类桁架结构”，最初是由杆或片周期性排列成规则的空间网格结构。据报道，美国Virginia大学采用轧制-焊接法，加州大学采用金属二维编织法，斯坦福大学采用挤压成型工艺，NASA早期采用混杂模具法，俄罗斯最初曾采用缠绕工艺成型法，英国剑桥大学最近采用熔模铸造法，来制备点阵夹芯结构。然而，这些方法对于复杂构型的点阵结构的制备仍然存在很大难度。有研究者对Inconel718镍基高温合金点阵夹芯板充型及凝固过程进行数值模拟，指出点阵夹芯板中间的芯体杆件部位容易形成缩松、缩孔缺陷。美国南加州大学、弗吉尼亚大学采用聚光敏树脂固化成型技术，制备出芯杆小于1mm的微点阵夹芯结构，体现出聚合物在成型微小尺寸结构方面具有的优势，但在高强、耐热和促动性能上明显不如金属点阵夹芯结构。有人用5052和2024铝合金焊接金字塔点阵夹芯板进行抗压、抗弯及抗剪切实验，出现芯板结合强度低、芯杆变形以及整体抗压强度低等问题。有人采用Anycasting软件对A356合金点阵夹芯板的低压熔模铸造过程进行数值模拟，研究浇注系统及主要的工艺参数对A356合金点阵夹芯板成形的影响，并在此基础上进行工艺优化。有人采用计算机数值模拟的方法模拟Inconel718高温合金3D-Kagome点阵夹芯的熔模精密铸造的凝固过程，预测铸造过程的缺陷，优化工艺，并用铝合金浇注，获得3D-Kagome点阵夹芯结构，并进行力学性能试验。但存在严重的疏松、气孔、夹渣、组织偏析等构造缺陷。可见，铸造缺陷控制是点阵夹芯结构件铸造技术的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用，采用含有网格式横浇道和雨淋式内浇道结构的浇注系统，对金属液进行高温熔体处理，控制坩埚倾斜高度，对型壳进行高温预热处理，实现铸造缺陷的有效控制，改善铸造质量，提高产品的合格率。
本发明的技术方案是：
一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，针对上下两个平板之间点阵夹芯结构件，采用雨淋式内浇道结构和网格式横浇道组成的浇注系统，浇注系统采用封闭式，即浇道横截面的面积越来越小；金属液在浇注前，对金属液进行高温精炼处理，对型壳进行高温预热处理；浇注时，控制坩埚倾斜高度，提高充型压力。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，横浇道采用U型横浇道和L型横浇道组合的网格结构，U型横浇道开口向下、横跨于上平板和下平板宽度方向的两侧平行均匀排布，位于中间的U型横浇道顶部设置浇口杯，U型横浇道相对的两侧分别与上平板和下平板宽度方向的两侧连通，U型横浇道的顶部与上平板之间设置内浇道，内浇道均匀分布在上平板上，间隔20～70mm，形成雨淋式内浇道，内浇道的顶端与U型横浇道连通。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，L型横浇道采用两种长度的短L型横浇道和长L型横浇道，短L型横浇道的一端与位于两端的U型横浇道连通，短L型横浇道的另一端内侧与上平板和底平板长度方向的一侧连通；长L型横浇道沿上平板和底平板长度方向分布，长L型横浇道的一端与浇口杯连通，长L型横浇道的另一端内侧与上平板和底平板长度方向的一侧连通。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，位于中间的U型横浇道与沿上平板和底平板长度方向分布的长L型横浇道，形成米字形结构；同时，长L型横浇道分别与其跨过的U型横浇道连通。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，精炼时进行高温熔体处理，温度1600～1700℃，时间1～5分钟。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，浇注前型壳进行预热处理，温度1000～1200℃，时间2h以上。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，浇注时浇口杯距离坩埚的高度在500～1000mm。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，浇注后静置10～20分钟后，转移到600～800℃的热处理炉中冷却到室温。
所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法的应用，该方法适用于复杂点阵夹芯结构件或其它相似零件的铸造过程。
本发明的设计思想是：
本发明用于这种结构的零件有两个大平板、许多芯杆交集点、芯面的截面积相差悬殊，因此在精密铸造过程中更容易产生铸造缺陷。最难解决的是因薄壁产生的欠铸，其次是大平板和小芯杆凝固收缩产生的很大铸造应力而造成的裂纹，还有因大平板难补缩产生的疏松、因芯杆交集点多造成的型壳面层脱落而产生的夹渣以及因交集点多和大平板而导致气泡不容易溢出。针对这些难点，考虑到近年来精密铸造技术能够实现复杂型腔零件的成型，同时精密铸造过程不涉及起模、开模等过程，因此通过设计浇冒口来实现补缩不受零件结构和制作过程的限制。此外，随着铸造设备不断改进和创新，使合金液进行高温处理成为可能，高温处理可以使杂质和气体大量逸出，这些新型设备和先进铸造和熔炼技术为这种点阵夹芯结构零件的铸造成型提供前提和基础。
本发明的优点及有益发展效果是：
1.本发明为一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用，解决航空航天产品铸件因冶金缺陷造成的合格率降低的问题。
2.本发明适用于复杂点阵夹芯结构件及其它相似零件的铸造过程，是未来航空航天产品发展的需要，具有巨大的应用前景。
附图说明：
图1为内浇道的结构和尺寸示意图。其中，(a)为左视图；(b)为主视图；(c)为俯视图。
图2为U型横浇道的结构和尺寸示意图。其中，(a)为主视图；(b)为左视图；(c)为俯视图。
图3为L型横浇道的结构和尺寸示意图。其中，(a)为主视图；(b)为左视图；(c)为俯视图。
图4-图5为零件与浇注系统组合立体图；其中，图4为俯视立体图，图5为主视立体图。图中，1、U型横浇道；2、L型横浇道；21、长L型横浇道；22、短L型横浇道；3、浇口杯；4、内浇道；5、上平板；6、下平板。
图6为模组制备流程图。
图7为零件的下平板和点阵夹芯蜡模组合图。
图8为组焊内浇道图。
图9为零件与浇注系统组合后模组图。
图10为浇注后零件的形貌。
图11为下平板和V型片夹芯组焊时的形貌。
图12为浇注后V型片夹芯零件的形貌。
图13为另一种点阵夹芯零件的蜡型。
图14为另一种点阵夹芯结构铸件的形貌。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用过程如下：
本发明设计一种含有网格式横浇道和雨淋式内浇道结构的浇注系统，弥散分布的内浇道有利于薄壁处充型完全，同时起到分散热量，避免热节产生以及冒口补缩的作用，而且内浇道还起到加强筋或肋的作用，防止因凝固收缩而产生裂纹。此外，浇注系统采用封闭式，即浇道横截面的面积越来越小，有利于挡渣和过滤气泡。金属液在浇注前，进行高温精炼处理，去除夹渣和气体。浇注时控制坩埚倾斜高度，提高充型压力，并对型壳进行高温预热处理，保证铸件充型完整。
按照图1-图3中的形状和尺寸，设计并制作模具。在模具中压制浇道蜡模，制备内浇道、横浇道及浇口杯，并按照图4-图5将它们与零件蜡模组合在一起，然后制壳。最后，在特定的铸造工艺下将合金液浇注到型壳中。
如图4-图5所示，横浇道采用U型横浇道1和L型横浇道2组合的网格结构，U型横浇道1开口向下、横跨于上平板5和下平板6宽度方向的两侧平行均匀排布，位于中间的U型横浇道1顶部设置浇口杯3，U型横浇道1相对的两侧分别与上平板5和下平板6宽度方向的两侧连通，U型横浇道1的顶部与上平板5之间设置内浇道4，内浇道4均匀分布在上平板5上，间隔20～70mm，形成雨淋式内浇道，内浇道的顶端与U型横浇道连通。
L型横浇道2采用两种长度L2和L3(L2>L3)，短L型横浇道22的一端与位于两端的U型横浇道1连通，短L型横浇道22的另一端内侧与上平板5和下平板6长度方向的一侧连通；长L型横浇道21沿上平板5和下平板6长度方向分布，长L型横浇道21的一端与浇口杯3连通，长L型横浇道21的另一端内侧与上平板5和下平板6长度方向的一侧连通。
位于中间的U型横浇道1与沿上平板5和下平板6长度方向分布的长L型横浇道21，形成米字形结构。同时，长L型横浇道21分别与其跨过的U型横浇道1连通。
表1为图1中内浇道的数量和尺寸
其中，内浇道4的横截面尺寸分别为：长b1、宽a1，内浇道4与U型横浇道1连通处的横截面缩小。
表2为图2中U型横浇道的数量和尺寸
其中，U型横浇道1顶部的横截面尺寸分别为：长b2、宽a2，U型横浇道1的两侧横截面尺寸分别为：长b3、宽a3。
表3为图3中L型横浇道的数量和尺寸
其中，L型横浇道2顶部的横截面尺寸分别为：长b5、宽a5，L型横浇道2的侧部横截面尺寸分别为：长b4、宽a4。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
如图6所示，本实施例中，模组制备流程如下：制作浇道模模具→压制浇道蜡模→修整浇道蜡模→组合零件蜡模→组合浇注系统→修整模组。浇道尺寸见表4～表6。首先，压制各种浇道蜡模，然后按图1-图3检验尺寸，按图4-图5组合：(1)先将点阵结构的芯子排列在长1.2m、宽0.8m、厚3mm的下平板6上，如图7所示；然后组焊上平板5，制作出零件蜡型。(2)在上平板5上按图4-图5安放内浇道和横浇道，如图8所示。(3)在组合后的横浇道上安放浇口杯，组合成模组，如图9所示。组合后的蜡模放置一定时间后，进行制壳。浇注前，型壳在1100℃时进行预热处理，时间4h；合金液在1700℃进行高温熔体处理，时间2分钟。浇注时浇口杯距离坩埚的高度800mm。浇注后静置15分钟后，转移到800℃的热处理炉中冷却到室温。制备的零件如图10所示，经检验铸件外型完整，疏松、夹渣、气泡等冶金缺陷在控制范围内。
实施例2
如图6所示，本实施例中，模组制备流程如下：制作浇道模模具→压制浇道蜡模→修整浇道蜡模→组合零件蜡模→组合浇注系统→修整模组。浇道尺寸见表4～表6。首先，压制各种浇道蜡模，然后按图1-图3检验尺寸，按图4-图5组合：(1)组合零件蜡模，先将V型片状的芯子排列在长1.2m、宽0.8m、厚3mm的下平板6上，然后组焊上平板5，制作零件蜡型，如图11所示。(2)在上平板5上按图4-图5安放内浇道和横浇道。(3)在组合后的横浇道上安放浇口杯，组合成模组。组合后的蜡模放置一定时间后，进行制壳。浇注前，型壳在1000℃时进行预热处理，时间2h；合金液在1650℃进行高温熔体处理，时间3分钟。浇注时浇口杯距离坩埚的高度1000mm。浇注后静置15分钟后，转移到700℃的热处理炉中冷却到室温。制备的零件如图12所示，经检验铸件外型完整，疏松、夹渣、气泡等冶金缺陷在控制范围内，满足技术要求。
实施例3
如图6所示，本实施例中，模组制备流程如下：制作浇道模模具→压制浇道蜡模→修整浇道蜡模→组合零件蜡模→组合浇注系统→修整模组。浇道尺寸见表4～表6。首先，压制各种浇道蜡模，然后按图1-图3检验尺寸，按图4-图5组合：(1)组合零件蜡模，先将点阵结构的芯子排列在长1.2m、宽0.8m、厚3mm的下平板6上，然后组焊上平板5，制作零件蜡型，如图13所示。(2)在上平板5上按图4-图5安放内浇道和横浇道。(3)在组合后的横浇道上安放浇口杯，组合成模组。组合后的蜡模放置一定时间后，进行制壳。浇注前，型壳在1020℃时进行预热处理，时间2h；合金液在1650℃进行高温熔体处理，时间3分钟。浇注时浇口杯距离坩埚的高度1000mm。浇注后静置15分钟后，转移到700℃的热处理炉中冷却到室温。制备的零件如图14所示，经检验铸件外型完整，疏松、夹渣、气泡等冶金缺陷在控制范围内，满足技术要求。
如表4～表6所示，实施例中浇道蜡型的尺寸如下：
表4
表5
表6
实施例结果表明，本发明开发一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法及应用：首先设计模具，并制作。然后组合零件蜡模，并在模具中压制浇道蜡模，制备内浇道、横浇道及浇口杯，并将它们与零件蜡模组合在一起，放置一定时间后，进行制壳。最后，在特定的铸造工艺下将合金液浇注到型壳中。同时，对金属液进行高温精炼处理，控制坩埚倾斜高度，对型壳进行高温预热处理。该发明实现铸造缺陷的有效控制，改善铸造质量，提高产品的合格率，适用于复杂点阵夹芯结构件及其它相似零件的铸造过程，是未来航空航天产品发展的需要，具有巨大的应用前景。
Claims (9)
1.一种点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，针对上下两个平板之间点阵夹芯结构件，采用雨淋式内浇道结构和网格式横浇道组成的浇注系统，浇注系统采用封闭式，即浇道横截面的面积越来越小；金属液在浇注前，对金属液进行高温精炼处理，对型壳进行高温预热处理；浇注时，控制坩埚倾斜高度，提高充型压力。
2.按照权利要求1所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，横浇道采用U型横浇道和L型横浇道组合的网格结构，U型横浇道开口向下、横跨于上平板和下平板宽度方向的两侧平行均匀排布，位于中间的U型横浇道顶部设置浇口杯，U型横浇道相对的两侧分别与上平板和下平板宽度方向的两侧连通，U型横浇道的顶部与上平板之间设置内浇道，内浇道均匀分布在上平板上，间隔20～70mm，形成雨淋式内浇道，内浇道的顶端与U型横浇道连通。
3.按照权利要求2所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，L型横浇道采用两种长度的短L型横浇道和长L型横浇道，短L型横浇道的一端与位于两端的U型横浇道连通，短L型横浇道的另一端内侧与上平板和底平板长度方向的一侧连通；长L型横浇道沿上平板和底平板长度方向分布，长L型横浇道的一端与浇口杯连通，长L型横浇道的另一端内侧与上平板和底平板长度方向的一侧连通。
4.按照权利要求3所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，位于中间的U型横浇道与沿上平板和底平板长度方向分布的长L型横浇道，形成米字形结构；同时，长L型横浇道分别与其跨过的U型横浇道连通。
5.按照权利要求1所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，精炼时进行高温熔体处理，温度1600～1700℃，时间1～5分钟。
6.按照权利要求1所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，浇注前型壳进行预热处理，温度1000～1200℃，时间2h以上。
7.按照权利要求7所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，浇注时浇口杯距离坩埚的高度在500～1000mm。
8.按照权利要求7所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法，其特征在于，浇注后静置10～20分钟后，转移到600～800℃的热处理炉中冷却到室温。
9.一种权利要求1至8之一所述的点阵夹芯结构件的铸造缺陷控制方法的应用，其特征在于，该方法适用于复杂点阵夹芯结构件或其它相似零件的铸造过程。
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Denomination of invention: A casting defect control method of Lattice Sandwich Structure and its application Effective date of registration: 20220225 Granted publication date: 20191022 Pledgee: Fushun Bank Co.,Ltd. Development Zone sub branch Pledgor: Liaoning Hongyin Metal Co.,Ltd. Registration number: Y2022210000012 |