复杂薄壁构件离心真空吸铸复合外力场下成形机理及凝固规律

Precision casting technology for producing thin-walled components has attracted increasing applications in aerospace, weaponry and automobile industries because of unique advantages including near net shape, low cost and short lead time. This project proposes a compound method, viz., centrifugal counter-gravity casting, which combines with vacuum suction casting and vertical centrifugal casting for producing thin-walled complex parts. Using experimental study, theoretical analysis and numerical simulation，the effect mechanisms of various parameters of vacuum suction, centrifugal rotation and casting on filling process, solidification feeding and casting defects formation will be revealed, the effects of centrifugal counter-gravity casting on both solidification microstructure and mechanical properties of typical aluminum and copper alloy will be clarified, the forming mechanisms and solidification rules in the liquid transformation stage will be obtained, thus the key scientific issues for should be solve. The results may provide both theoretical and technical guidance for precision forming of complex thin-walled components using centrifugal counter-gravity casting, and the study should be of important significance in promoting the precision casting technologies of lightweight thin-walled complex components.

复杂薄壁构件精密铸造成形技术具有近净形、低成本、短周期制造的技术优势，在航空、航天、兵器及汽车工业中得到了广泛应用。本项目提出了一种将真空吸铸与立式离心铸造相结合的离心真空吸铸方法，以复杂薄壁构件离心真空吸铸精密铸造成形过程为研究对象，采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法，揭示复合外力场作用下不同真空吸铸参数、离心旋转参数和铸造工艺参数对充型过程、凝固补缩和铸造缺陷形成的影响机理，阐明离心真空吸铸工艺对铝合金、铜合金典型金属材料构件凝固组织与性能的影响机制，获得离心真空吸铸液态成形过程中的成形机理及凝固规律，从而解决离心真空吸铸成形方法的关键科学基础问题。本项目将为薄壁复杂构件离心真空吸铸精密铸造技术提供理论依据和技术指导，对于推动我国薄壁轻量化复杂构件精密铸造成形技术进步具有重要意义。

反重力精密铸造技术是目前工业领域内结构件实现近净形、高性能、低成本制造的有效途径，真空吸铸结合离心旋转是一种新型复合反重力铸造方法，亟待在复杂薄壁构件成形机理及凝固规律方面获得理论研究和技术突破。本项目围绕复合外力场对合金熔体充型流动、凝固补缩及凝固组织与性能的影响规律开展了研究。在装备技术保障方面，基于离心真空吸铸工艺参数精确化控制的需求，对国内首台研发的离心真空吸铸装备的动密封结构进行了优化设计并研制了高精度真空吸铸液面加压控制技术，有利支撑了后续实验工作；阐明了离心真空吸铸下金属液流动自由液面形态分布主要受充型速度和旋转速度综合作用影响的规律，提出了铸件整体放置于理论等压面外侧及铸件倾斜角度与熔体流动合力方向一致时可获得较大充型动力和凝固补缩的方法；研究了工艺参数对充型过程的影响规律，发现旋转速度及旋转半径越大时，直浇道中心金属液面出现凹面，熔体在横浇道内液面呈渐开线形态并沿与旋转方向相反的侧壁流动充填，到达远端后再反向充填；分析了复合外力场下的凝固补缩规律，表明外力场作用下枝晶间的补缩渗流流量随着离心旋转速度和离心半径的增加而增大；典型件的浇注实验证明，与真空吸铸相比，离心力的施加提高金属液的充型流动和凝固补缩能力，并抑制了凝固组织中枝晶的生长、减小了二次枝晶间距、提高了组织均匀性；研究发现采用合理确定离心旋转施加时间节点和不同旋转速度快慢组合方法，在提高铸件力学性能同时可有效提高金属利用率。本项目研究对发展优质复杂薄壁构件离心真空吸铸精密铸造成形先进技术具有重要理论意义和实用价值。上述成果已在反重力铸造装备技术和耐热钢复杂薄壁构件真空吸铸生产中得到了应用。研究成果在核心期刊发表学术论文5篇，SCI收录3篇；申请国家发明专利4项，授权发明专利2项；研究成果作为主要支撑，2016年获陕西省科学技术一等奖，2015年获陕西省高等学校科学技术一等奖，2014年获得中国机械工业科学技术一等奖。