高强度ZL205A铝合金飞机挂架铸造工艺43
高强度ZL205A铝合金飞机挂架铸造工艺
CastingProcessofHangingRackonAircraftMadeofHighSetrngthAluminumAlloyZL205
于桂林(北京航空材料研究院,北京100095)
YUGui-lin(InstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)
摘要:根据某飞机挂架的结构特点和使用要求,结合高强度铝合金ZL205A的工艺特性,分析和讨论ZL205A合金飞机挂架的砂型铸造工艺。结果表明:立式浇注位置设计,可保证挂架整体性能、成分均匀合理;贴面冷铁式半金属型激冷,配以合理冒口补缩,保证铸件组织致密,性能优良;直浇道、横浇道和内浇道截面比为1∶3∶5,并配合带缓冲结构的合理缝隙,可保证型腔内液面上升平稳,减少铸件内部二次氧化夹杂和混入性气体;砂芯整体设计,可保证挂架尺寸的稳定。
关键词:ZL205铝合金;优质铸件;工艺
中图分类号:TG292 文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2001)01-0043-02
Abstract:AccordingtothepracticalrequirementandthestructuralfeatureofthehangingrackonatypeaircraftandthecastingpropertiesofAlalloyZL205,thesandcastingprocessofthehangingrackmadeofZL205wasdiscussedandanalysed.Theresultsshowthatverticalcastingmakethepartshaveaunifiedpropertyandchemicalcomposition.Chillingwithsemimetalicmouldliningchillermatchedwithreasonableriser,makethecastinghaveacompactmicrostructureandhighquality;the1∶3∶5cross-sectionalarearatioofthesprue,runnerandgateandtherationalfissurewithcushionstructuremakethemoltenmetalfillstablyinthemouldcavity,thatreducethesecondaryoxideinclusionandtheinvadinggas;designingthesandcoreinentiretymakethecastinghaveastablestructure.
Keywords:aluminiumalloyZL205;highqualitycasting;process 飞机挂架是飞机上的重要部件,尺寸较大,结构复杂,承受静载荷和冲击载荷都较大,要求自身材料具有高强度,高刚度,毛坯铸造质量高,尺寸精确,内部组织和性能均匀可靠,无疏松气孔、夹渣等铸造缺陷,铸件整体力学性能高。目前大多采用我国自行研制的高强度铸造铝合金ZL205A砂型整体铸造成形。不同厂家的工艺各不相同,而不同的工艺会造成铸件组织分配、力学性能等的差异。本文从实践出发,找出工艺难点,详细分析和讨论了挂架铸造工艺,力求新颖实用。
铸造性能不好,不易实现顺序凝固,壁厚敏感性大,易产生疏松、热裂、氧化夹渣等铸造缺陷,对铸造工艺要求高,要强化激冷、加强补缩并在浇注系统上采取必要的工艺措施,创造较大温度梯度,形成较好的顺序凝固条件,才能获得致密的组织和优质铸件,充分发挥ZL205A合金的高强度特性。
表1 ZL205A合金化学成分(%)
Table1 ChemicalcompositionofZL205alloy
元素
铜4.6
锰
钛
锆
硼
镉
钒
硅<
镁<
铁<
铝
0.30.150.050.0050.150.05～
～
～
～
～
～
0.50.350.200.060.250.30
1 铸造工艺
1.1 合金铸造工艺特性 ZL205A合金是Al-Cu系高强度铸造铝合金,其
化学成分见表1,该合金强化元素多,晶粒得到细化,在不同的热处理制度下可获得不同的性能,其特点是强度高,塑性好,硬度高,机械加工性优良,表面处理性好。但Al-Cu系合金是宽结晶温度范围的合金,范围～5.3
0.060.050.15
余量
1.2 挂架的结构特点
不同机种和用途的挂架,其尺寸和结构都有差异,但其形状和总体结构又很相似,这里以某飞机挂架为例,其结构和工艺简图如图1,特点为:
(1)整体呈扁平状,结构复杂,外形尺寸大,内44
腔中隔板和筋条多,不易观察和测量。 (2)壁厚较均匀,热节集中。
(3)内腔及上下两面窗口多,位置精度要求严格。 (4)挂点位于上下两面,尺寸厚大,性能要求高。
材料工程/2001年1期
图1 挂架结构及工艺简图
Fig.1 Sketchofhangingrackstructureandcastingprocess
1.3 铸造工艺要点分析
由图1所示,该铸件装配状态为立式。在飞机拉升和降落时,挂架会受到较大的冲击载荷,因此要求挂架各部位受力均匀,两侧面组织一致。为达到此项要求,采用立式浇注位置,可保证铸件两侧面在结晶时成分、组织、性能一致,从而使挂架整体性能、成分均匀合理,充分满足使用要求。ZL205A合金呈粥状凝固方式,必须加强激冷,才能保证组织细小致密和强化顺序凝固,从而使各部位都得到良好的补缩。该铸件高度较高,厚度相对较厚,采用贴面冷铁半金属型式激冷,使整个铸件外表面除顶部以外都包围在冷铁之中,在结晶凝固时充分得到激冷,从而起到细化组织、提高性能的作用。同时,将冷铁设计成顶部薄底部厚的形式,这样可强化顺序凝固趋势,有助于凝固时自下而上的顺序补缩,保证铸件组织致密,减少疏松的产生。冷铁采用铝制冷铁,冷铁的平均厚度取被激冷处壁厚的1～1.2倍,有集中热节处的冷铁厚度适当加厚,可增加到热节圆直径的1.5倍左右,以保证被激冷处的组织。激冷要与补缩相配合,才能达到最理想的效果,在铸件顶部设计冒口,冒口的尺寸适当加大加高,取150～160mm,以增加补缩压头,充分转移热节,以保证铸件组织致密,性能优良。铸件结构复杂,尺寸大,内腔隔板和筋条多,窗口多位于上下两面,铸件内腔设计成整体砂芯,利用上下面的窗口设计过渡芯头,将砂芯引出腔外,再设计大芯头将各过渡芯头联结在一起,以保证定位和排气,利用两侧面的窗口设计辅助芯头,以辅助定位和排气。设计整体砂芯,即有利于保证型腔的结构尺寸稳定,又有利于增加砂芯的排气效果,同时使砂芯安放平稳,操作简单,并易于测量和调整。1.4 浇注系统的设计要点1.4.1 浇注系统分析
该铸件的浇注系统由直浇道、缓冲槽、横浇道、内浇道、立筒和带缓冲结构的缝隙组成(图1)。其中,缓冲槽可有效起到缓冲的作用,防止第一股冷金属在流向改变时产生飞溅和紊流,减少二次氧化夹杂的生成。直浇道设计成一组片状浇道,可有效起到阻流和挡渣作用,横浇道设计成平行于两侧面的梯形截面形式,使金属液通过内浇道和缝隙浇道均匀的引入整个型腔。挂架铸件高度较高,侧壁为大平面,可设计合理的缝隙式内浇口引入金属,以减少金属液进入型腔时的垂直下落高度,使流动平稳,减少二次氧化夹渣在型腔中生成,从而减少铸造缺陷的产生。同时有利于自下而上的顺序凝固,随金属液在缝隙和型腔中的逐渐上升,合理的分配了热量,创造良好的顺序凝固条件。此外,在侧壁上设计的缝隙浇道引入冒口,可使立筒中的金属液通过缝隙有效的对引入部位进行补缩,并可增加冒口的补缩效果。合理分配缝隙浇口,保证各缝隙间距,可使型腔中的金属液流动平稳,热量分布均匀合理,减少分散性疏松的产生。1.4.2 浇注系统参数设计
浇注系统最小截面比取F直∶F横∶F内=1∶3∶5,铸件毛重(G)200kg,浇注系统最小截面积为Fmin=K2G,其中K2取0.1,则Fmin=20cm2。直浇道采用每片截面为0.8cm×4cm的一组片状组成,对称的分布左右两侧,过滤采用孔洞率大于70%的陶瓷过滤网,安放过滤网处截面相对扩大,保证通过面积。缝隙浇道典型结构见图2,采用缝隙和立筒相切形式,立筒D和缝隙的最小b为D=4b,b为引入处壁厚尺寸,立筒中心线距铸件外壁a取a=1.3D。缝隙底部采用图2的缓冲设计,可减少金属液对型芯的冲击和避免
图2 缝隙浇道结构简图
Fig.2 Sketchoffissuredspruestructure
产生紊流、窝气及二次氧化夹渣。缝隙起始于铸件底面以上30mm左右处和立筒底部40mm以上,并以圆
(下转第39页)
疲劳裂纹在奥氏体/铁素体异种钢焊接接头中的扩展行为
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区中的过热区韧性最差(见图5),强度则是马氏体层最高,部分重结晶区最低。而疲劳裂纹扩展实验表明,裂纹扩展正是选择了韧性最差的热影响中的过热区,这说明组织对裂纹的抗力取决于组织的韧性;从另一方面看,如果组织的强度是控制裂纹的主要因素,则实验中的裂纹应该在部分重结晶区扩展。
平行于熔合线5～25m扩展。而马氏体层对疲劳裂纹有较大的抗力,在异种钢接头熔合区的非均匀组织中,裂纹的扩展主要受组织韧性控制。
(2)疲劳裂纹在Cr25Ni13/13CrMo44异种钢接头的扩展速率:da/dN=7.07×10-13(K)3.863
参考文献
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BroekD.
ElementaryEngineeringFractureMechanics.
NoordhoffInternationalPublishing.Leyden,1974.70
收稿日期:2000-01-31; 修订日期:2000-10-17
作者简介:王智慧(1956-),男,北京工业大学材料科学与工程学院副教授。主要从事异种钢焊接接头的研究和金属表面强化研究。联系地址:北京朝阳区平乐园100号,北京工业大学材料科学与工程学院(100022)。
本文编辑:李海霞
●横坐标
1为焊缝金属;2为HAZ过热区;3为HAZ完全重结晶区;
4为HAZ部分重结晶区;5为母材N10,N20,N30为模拟马氏体层
图5 25Cr13Ni/13CrMo44接头强度与断裂韧性分布
Fig.5 Thedistributionofthestrengthandfracturetoughnessinthe25Cr13Ni/13CrMo44
dissimilarmetaljoint
在线弹性范围内,疲劳裂纹的扩展是循环应力作用下裂纹尖端钝化、锐化的交替过程,每次循环裂纹的扩展量da/dN和裂纹张开位移有关。即da/dN=f()。在线弹性条件下,裂纹尖端张开位移(即
2
COD)和应力强度因子K1有关,即=K1/Es,这样疲劳裂纹扩展过程就受到裂纹尖端的应力市场影响。
[6]
Francis和Hall在研究表面裂纹疲劳扩展时得出循环寿命主要是KⅠ比值的函数,其中KⅠ是循环应力变化一周的最大应力强度因子,KⅠc是材料的断裂韧度,在实验中KⅠ是不变的,这样疲劳寿命就是由材料的韧度KⅠc决定的,也就是说疲劳裂纹的扩展量以及扩展方式与材料的有关,这一点与本文中的实验结果一致。从图5可以看出,马氏体层的断裂韧性值高于HAZ过热区,而且其强度也高于HAZ过热区,因而疲劳裂纹以一定的角度与熔合线相遇后,便在HAZ过热区扩展。
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(上接第44页)
角过渡,可有效防止铸件底部过热,创造良好的顺序凝固条件。
2 结论
立式浇注位置设计,可保证挂架整体性能、成分均匀合理;贴面冷铁式半金属型激冷,配以合理冒口补缩,保证铸件组织致,性能优良;直浇道、横浇道和内浇道截面比为1∶3∶5,并配合带缓冲结构的合理缝隙,可保证型腔内液面上升平稳,减少铸件内部二次氧化夹杂和混入性气体;砂芯整体设计,可保证挂架尺寸的稳定。经过多件的试制和生产,合格率可达85%以上,说明该铸造工艺合理、可靠。
收稿日期:2000-08-15
作者简介:于桂林(1941-),男,高级工程师。联系地址:北京81信箱71分箱(100095)
本文编辑:孙常青 ●4 结论
(1)疲劳裂纹在Cr25Ni13/13CrMo44异种钢焊接接头熔合区中扩展的路径,是接头中韧性最低的热影响区过热区,裂纹在铁素体材料侧,跟随熔合线并
