CN112045164B - 一种大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型复杂镁合金构件近液相线压差铸造方法，属于镁合金铸造领域，基于受控扩散凝固原理，通过混合两种不同成分、不同温度的合金母液，得到近液相线温度且流动性高的镁合金浇铸液，基于反重力铸造方法，采用压力驱动镁合金浇铸液自下而上充入砂型，并在高于环境压力下冷却凝固，完成铸造。本发明还提供了一种应用于上述铸造方法的铸造装置，包括用于盛放两种母液的第一下罐和第二下罐、用于母液混合的中罐、用于充型铸造的上罐，所述下罐与中罐之间设有导流器，下罐与中罐通过升液管连通，所述中罐与上罐之间通过升液管连通。本发明可有效降低镁合金浇铸温度，避免树脂砂型差压铸造过程中因高温造成的燃烧。

Description

一种大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法及装置

技术领域

本发明属于铸造领域，具体为一种航空航天用大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法及铸造装置。

背景技术

一般航空航天用大型复杂镁合金高端构件，如镁合金舱段、机匣等，因其形状及尺寸精度要求很高，故采用树脂砂型反重力铸造。但是传统铸造需较高的温度保证金属液的高流动性，树脂砂型的粘结剂在金属液的高温烘烤作用下容易发生热分解，释放出氧化性气体与镁合金熔液反应，造成镁合金液在凝固过程中燃烧甚至爆炸，不仅使整炉金属液报废，而且还威胁作业人员生命安全。因此需要改进现有工艺，研发出一种新型安全可靠的镁合金铸造方法及装置。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法和装置。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造装置，包括第一下罐、第二下罐、中罐和上罐；所述第一下罐与第二下罐位于中罐下端，所述上罐连接在中罐上端；

所述第一下罐中设有第一保温坩埚，第二下罐中设有第二保温坩埚，中罐中设有反应坩埚，上罐中设有砂型；所述第一保温坩埚和第二保温坩埚分别通过第一升液管和第二升液管与反应坩埚连通，所述反应坩埚通过砂型升液管与砂型连通。

进一步地，所述第一下罐、第二下罐与所述中罐之间设有导流器；导流器内部设有两条导流管和金属液截止装置；所述第一升液管上端与一条导流管下端连接，所述第二升液管上端与另一条导流管下端连接，两条导流管上端均与所述反应坩埚底端连接，两条导流管出口段交错倾斜，两条导流管轴线不共面。

进一步地，所述第一下罐、第二下罐和中罐各自内部均设有控温炉。

进一步地，所述第一下罐、第二下罐、中罐和上罐各自均设有进气阀和排气阀。

进一步地，所述第一下罐与第二下罐之间设有互通阀，所述上罐和中罐之间设有互通阀。

一种基于上述铸造装置的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，包括如下步骤：

母液混合：镁合金浇铸液由第一母液和第二母液混合而成，所述混合方式是在压力差驱动下，第一母液与第二母液自下而上流入混合，所述第一母液和第二母液成分不同、温度不同，第一母液的温度T1满足t1＜T1＜t1+50℃，第二母液的温度T2满足t2＜T2＜t2+50℃，混合完成后的镁合金浇铸液温度T满足t＜T＜t+50℃；母液混合过程中，保持温度恒定；其中t为镁合金浇铸液的液相线温度，t1为第一母液的液相线温度，t2为第二母液的液相线温度；

铸造成型：镁合金浇铸液由压力差驱动，自下而上充入砂型；待充型完成，铸件冷却凝固后，完成铸造。

进一步地，所述第一母液和第二母液分别由镁锭添加镁合金中部分元素制备而成；第一母液与第二母液混合后得到的镁合金浇铸液中各元素及元素占比符合镁合金材料成分的要求。

进一步地，所述母液混合具体步骤为：第一母液与第二母液分别置于第一下罐和第二下罐中，往第一下罐和第二下罐中充气加压，使第一母液与第二母液在压力差的驱动下，自下而上流入中罐，并经导流器在中罐中形成对流促进混合，混合后得到镁合金浇铸液。

进一步地，在所述母液混合之前，还需先同时往第一下罐、第二下罐、中罐和上罐内充气加压，使罐内压力均升至P1；所述P1高于外界大气压力。

进一步地，所述铸造成型的具体步骤为：将上罐排气泄压，使镁合金浇铸液在压力差驱动下，由中罐流入上罐中的砂型型腔；充型完成后，继续排气泄压至P4后停止，使铸件在P4压力下冷却凝固；所述P4高于外界大气压力。

本发明的工作原理为：

(1)基于受控扩散凝固原理，即通过控制两种不同成分不同温度的合金母液混合，获得镁合金浇铸液，此方法可提高合金液的形核率，使镁合金由枝晶凝固转变为球状晶凝固，提高合金液的低温流动性。故本发明中，镁合金液处于其液相线温度附近，仍能具有良好的流动性。

(2)基于反重力铸造方法，使镁合金浇铸液在压力驱动下，自下而上充入砂型，金属液驱动力高，并且金属液流速可受压力差大小调节。

本发明的有益效果为：

(1)本发明基于受控扩散凝固原理得到镁合金浇铸液，提高镁合金浇铸液低温流动性，从而能够有效将浇铸温度降低，特别是降低至其液相线温度附近，避免树脂砂型粘合剂受高温分解，防止镁合金浇铸液在凝固过程中燃烧。

(2)本发明基于反重力铸造方法，通过压力驱动镁合金浇铸液充型，进一步提高了镁合金浇铸液流动的驱动力，且流速可控，避免低温镁合金浇铸液浇铸不足问题。

(3)本发明采用受控扩散凝固方法获得的球状晶凝固方式可以降低凝固收缩率，避免低温浇铸造成的严重的缩孔缩松问题。

(4)本发明采用的基于受控扩散凝固原理的金属母液混合方法，通过压力差驱动母液自下而上流入反应容器混合，流速可控，并通过导流管形成对流促进充分混合，避免了传统采用重力自上而下流入混合方法中紊流严重导致的夹渣问题。

(5)本发明铸件在高于外界大气的压力环境下凝固，铸件组织致密度高，抗拉强度提高。

(6)本发明的铸造装置，一体性强，两种母液分别置于第一保温坩埚和第二保温坩埚后，只需通过控制阀门开闭即可完成所有铸造步骤，铸造自动化程度高，操作简单，效率高。

附图说明

图1为本发明铸造装置的结构图；

图2为本发明金属液截止装置的结构图；

附图标记：1.第一下罐、11.第一下罐进气阀、12.第一下罐排气阀、13.第一下罐控温炉、14.第一保温坩埚、2.第二下罐、21.第二下罐进气阀、22.第二下罐排气阀、23.第二下罐控温炉、24.第二保温坩埚、3.导流器、31.金属液截止装置、32.导流管、4.中罐、41.中罐进气阀、42.中罐排气阀、43.中罐控温炉、44.反应坩埚、5.上罐、51.上罐进气阀、52.上罐排气阀、53.砂型、61.第一升液管、62.第二升液管、63.砂型升液管、71.下罐互通阀、72.上中罐互通阀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示的铸造装置，包括第一下罐1、第二下罐2、导流器3、中罐4和上罐5；

所述第一下罐1中设有第一保温坩埚14，第一保温坩埚14与第一下罐1外壁之间设有第一下罐控温炉13，第一下罐1侧壁设有第一下罐进气阀11和第一下罐排气阀12，阀门上设有气压表，用于指示第一下罐1内部压力值；第二下罐2中设有第二保温坩埚24，第二保温坩埚24与第二下罐2外壁之间设有第二下罐控温炉23，第二下罐2侧壁设有第二下罐进气阀21和第二下罐排气阀22，阀门上设有气压表，用于指示第二下罐2内部压力值；第一下罐1与第二下罐2之间设有下罐互通阀71，下罐互通阀71开启后可使得第一下罐1与第二下罐2互相连通。

第一下罐1与第二下罐2均可拆卸连接在导流器3底端，导流器3内部设有两条导流管32，所述第一保温坩埚14通过第一升液管61与一条导流管32连通，所述第二保温坩埚24通过第二升液管62与另一条导流管32连通；如图2所示，两条导流管32上端出口段均倾斜设置，与第一升液管61连通的导流管32上端朝第二下罐2方向倾斜，与第二升液管62连通的导流管32上端朝第一下罐1方向倾斜，两条导流管32的轴线不在同一平面上；导流器3内部还设有金属液截止装置31，金属液截止装置31用于开启或关闭导流管32的通路。

所述中罐4连接在导流器3顶端，中罐4内设有反应坩埚44，反应坩埚44与中罐4外壁之间设有中罐控温炉43，反应坩埚44底部与导流管32连通；中罐4侧壁设有中罐进气阀41和中罐排气阀42，阀门上设有气压表，用于指示中罐4内部压力值。

所述上罐5连接在中罐4顶端，上罐5内设有砂型53，砂型53通过砂型升液管63与反应坩埚44连通；上罐5侧壁设有上罐进气阀51和上罐排气阀52，阀门上设有气压表，用于指示上罐5内部压力值；上罐5与中罐4之间还设有上中罐互通阀72，上中罐互通阀72开启后可使得上罐5与中罐4互相连通。

第一下罐进气阀11、第二下罐进气阀21、中罐进气阀41和上罐进气阀51均与储气罐连通。

本发明铸造方法的具体过程如下：

制备母液：将两组镁锭在熔炼炉中熔化，将制备镁合金所要添加的各元素成分，分为不同的两组，分别加入两组镁熔液中，制成第一母液和第二母液；通过上述方法制备的第一母液与第二母液需满足：两者混合后得到的镁合金浇铸液中各元素及元素占比符合镁合金材料成分的要求；例如所要浇铸的是牌号为MB15的镁合金，此镁合金材料成分要求为含有0.05％的铝、0.10％的锰、5.0％的锌、0.05％的硅、0.05％的铜、0.005％的镍；制备母液时，将两组均为1质量份的镁锭熔化后，往第一组镁熔液中加入0.1％的铝、0.2％的锰、10％的锌制成第一母液，往第二组镁熔液中加入0.1％的硅、0.1％的铜、0.01％的镍制成第二母液，上述第一母液与第二母液混合后即可得到一种含有0.05％的铝、0.10％的锰、5.0％的锌、0.05％的硅、0.05％的铜、0.005％的镍的镁合金浇铸液，此镁合金浇铸液符合MB15镁合金的材料成分要求，上述含量占比均为质量占比。

装置准备：将第一母液与第二母液降温至各自液相线温度附近，设第一母液降温后的温度为T1，第二母液降温后的温度为T2，第一母液的液相线温度为t1，第二母液液相线温度是t2，则具体温度要求为：t1＜T1＜t1+50℃，t2＜T2＜t2+50℃，且T1≠T2；将降温后的第一母液与第二母液分别倒入第一保温坩埚14和第二保温坩埚24，第一保温坩埚14放置于第一下罐1中，第二保温坩埚24放置于第二下罐2中；第一下罐控温炉13和第二下罐控温炉23工作，保证第一母液与第二母液处在上述温度要求范围内，下罐互通阀71、上中罐互通阀72和金属液截止装置31处于开启状态，第一下罐进气阀11、第一下罐排气阀12、第二下罐进气阀21、第二下罐排气阀22、中罐进气阀41、中罐排气阀42、上罐进气阀51、上罐排气阀52处于关闭状态。

装置加压：同时打开第一下罐进气阀11、第二下罐进气阀21、中罐进气阀41和上罐进气阀51，通过储气罐往上述各阀门中充气加压；通过控制阀门开度大小，可调节加压速度，各个阀门上的气压表读数指示的为各阀门所在罐内压力值；在t1时间内，使第一下罐1、第二下罐2、中罐4和上罐5内部压力由初始压力增加到P1；上述t1为20s，初始压力为0.1MPa，P1为0.5MPa。

母液混合：第一下罐1、第二下罐2、中罐4和上罐5内部压力达到P1后，关闭中罐进气阀41和上罐进气阀51，第一下罐进气阀11和第二下罐进气阀21继续保持开启状态充气加压，经t2时间，第一下罐1和第二下罐2压力升至P2；在第一下罐1、第二下罐2与中罐4压力差驱动下，第一下罐1与第二下罐2中的第一母液与第二母液，分别通过第一升液管61和第二升液管62，经导流管32流入反应坩埚44中进行混合，因两条导流管32上端出口段倾斜方向相反，两条导流管32的轴线处于不同平面，使得第一母液与第二母液在反应坩埚44中形成对流，促进充分混合；通过控制进气阀门开度大小，可调节第一母液与第二母液的流速；上述t2为50s，P2为0.7MPa。

上述母液混合方案中，因下罐互通阀71开启，第一下罐1与第二下罐2之间互相连通，罐内压力始终相等，故可以选择关闭第一下罐进气阀11，只通过第二下罐进气阀21充气加压，或者选择关闭第二下罐进气阀21，只通过第一下罐进气阀11充气加压；当需要使第一母液与第二母液流速不等时，可通过关闭下罐互通阀71，并分别控制第一下罐进气阀11和第二下罐进气阀21的充气速率，实现第一母液与第二母液流速的单独调控。

反应坩埚44中流入足量的第一母液和第二母液后，关闭金属液截止装置31，关闭第一下罐进气阀11和第二下罐进气阀21，开启第一下罐排气阀12和第二下罐排气阀22，使第一下罐1和第二下罐2排气泄压；静置t3时间，使第一母液与第二母液在反应坩埚44中充分混合得到镁合金浇铸液，混合期间中罐控温炉43工作，保证反应坩埚44温度恒定。上述足量的要求具体为：第一母液和第二母液混合后得到的镁合金浇铸液足够充满砂型53，且充型结束后反应坩埚中剩余金属液的液面高度足以浸没砂型升液管63底端，t3为150s。

上述制备镁合金浇铸液的方法，通过将第一母液和第二母液均降温至各自液相线温度附近，并在各自液相线温度附近进行混合，混合后得到的镁合金浇铸液温度T也是处于其液相线温度t附近，即t＜T＜t+50℃，低于传统浇铸温度。

铸造成型：母液混合完成后，关闭上中罐互通阀72；开启上罐排气阀53排气泄压，上罐5压力降至P3时，镁合金浇铸液在中罐4与上罐5压力差驱动下，通过砂型升液管63流入砂型53的型腔；通过控制上罐排气阀52排气速度，可调节镁合金浇铸液流速；经t4时间，充型结束，之后增大上罐排气阀52的排气速度，使上罐5压力在t5后降至P4。上述P3为0.3MPa，t4为270s，t5为275s，P4为0.25MPa。

上罐5压力降至P4后，关闭上罐排气阀52，保压300s，为铸件凝固提供较高补缩压力，使得铸件完全凝固；铸件凝固后开启上中罐互通阀72，消除上罐5与中罐4的压力差，使砂型升液管63中未凝固的镁合金浇铸液回流至反应坩埚44。最后打开上罐排气阀52和中罐排气阀42，排气泄压，完成浇铸。

上述步骤均在惰性保护气体保护下完成，具体为(1)制备母液需在通入保护气体的容器中完成，(2)铸造装置内部填充的是保护气体，(3)通过阀门往铸造装置内充气加压，充入的气体为保护气体；所述保护气体可以是氩气或者SF6与CO2混合气体。

本发明通过降低镁合金浇铸液温度，避免树脂砂型差压铸造过程中的燃烧。普通镁合金铸造中，通过将镁锭加热至较高温度熔化后，加入所需的各种中间合金锭得到镁合金浇铸液，此种方法得到的镁合金浇铸液需在较高的温度进行浇铸，才能保证充型完整，但是易造成树脂砂受热分解引起腔内的镁合金液燃烧，而直接降低浇铸温度，又会造成镁合金液流动性急剧恶化，充型能力和凝固补缩能力变差，不能获得合格的铸件；本发明基于受控扩散凝固原理，通过控制两种不同成分和温度的合金母液混合，获得近液相线温度的镁合金浇铸液，提高镁合金液的形核率，使镁合金由枝晶凝固转变为球状晶凝固，提高镁合金液的低温流动性，并通过压力驱动镁金属液充型提高镁合金液充型流动的驱动力，从而避免低温金属液流动性低导致的浇铸不足问题；本发明通过受控扩散凝固方法获得的球状晶凝固方式还可以降低凝固收缩率，避免低温浇铸造成严重的缩孔缩松。

传统受控扩散凝固的混合方法为，通过重力使母液自上而下流入进行混合，此方法流速过快不可控，导致紊流严重出现金属内部夹渣问题；本发明通过压力差驱动两种母液自下而上流入坩埚中进行混合，流速可控，解决了因紊流严重而导致的金属内部夹渣问题，且通过设置导流管形成对流，促进充分混合，提升混合后合金成分与温度的均匀性，防止成分偏析和局部过热。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造装置，其特征在于：包括第一下罐(1)、第二下罐(2)、中罐(4)和上罐(5)；所述第一下罐(1)与第二下罐(2)位于中罐(4)下端，所述上罐(5)连接在中罐(4)上端；

所述第一下罐(1)中设有第一保温坩埚(14)，第二下罐(2)中设有第二保温坩埚(24)，中罐(4)中设有反应坩埚(44)，上罐(5)中设有砂型(53)；所述第一保温坩埚(14)和第二保温坩埚(24)分别通过第一升液管(61)和第二升液管(62)与反应坩埚(44)连通，所述反应坩埚(44)通过砂型升液管(63)与砂型(53)连通；

所述第一下罐(1)、第二下罐(2)与所述中罐(4)之间设有导流器(3)；导流器(3)内部设有两条导流管(32)和金属液截止装置(31)；所述第一升液管(61)上端与一条导流管(32)下端连接，所述第二升液管(62)上端与另一条导流管(32)下端连接，两条导流管(32)上端均与所述反应坩埚(44)底端连接，两条导流管(32)出口段交错倾斜，两条导流管(32)轴线不共面；

所述第一下罐(1)、第二下罐(2)和中罐(4)内部均设有控温炉。

2.根据权利要求1所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造装置，其特征在于：所述第一下罐(1)、第二下罐(2)、中罐(4)和上罐(5)分别设有进气阀和排气阀。

3.根据权利要求1所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造装置，其特征在于：所述第一下罐(1)与第二下罐(2)之间设有互通阀，所述上罐(5)和中罐(4)之间设有互通阀。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述铸造装置的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

母液混合：镁合金浇铸液由第一母液和第二母液混合而成，所述混合方式是在压力差驱动下，第一母液与第二母液自下而上流入混合，所述第一母液和第二母液成分不同、温度不同，第一母液的温度T1满足t1＜T1＜t1+50℃，第二母液的温度T2满足t2＜T2＜t2+50℃，混合完成后的镁合金浇铸液温度T满足t＜T＜t+50℃；母液混合过程中，保持温度恒定；其中t为镁合金浇铸液的液相线温度，t1为第一母液的液相线温度，t2为第二母液的液相线温度；

铸造成型：镁合金浇铸液由压力差驱动，自下而上充入砂型；待充型完成，铸件冷却凝固后，完成铸造。

5.根据权利要求4所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，其特征在于：所述第一母液和第二母液分别由镁锭添加镁合金中部分元素制备而成；第一母液与第二母液混合后得到的镁合金浇铸液中各元素及元素占比符合镁合金材料成分的要求。

6.根据权利要求4所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，其特征在于：所述母液混合具体步骤为：第一母液与第二母液分别置于第一下罐(1)和第二下罐(2)中，往第一下罐(1)和第二下罐(2)中充气加压，使第一母液与第二母液在压力差的驱动下，自下而上流入中罐(4)，并经导流器(3)在中罐(4)中形成对流促进混合，混合后得到镁合金浇铸液。

7.根据权利要求6所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，其特征在于：在所述母液混合之前，还需先同时往第一下罐(1)、第二下罐(2)、中罐(4)和上罐(5)内充气加压，使罐内压力均升至P1；所述P1高于外界大气压力。

8.根据权利要求7所述的大型复杂镁合金构件近液相线差压铸造方法，其特征在于：所述铸造成型的具体步骤为：将上罐(5)排气泄压，使镁合金浇铸液在压力差驱动下，由中罐(4)流入上罐(5)中的砂型型腔；充型完成后，继续排气泄压至P4后停止，使铸件在P4压力下冷却凝固；所述P4高于外界大气压力。

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