薄壁DAM盒體精密熔模鑄造工藝研究

朱子昂 桂中祥

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

數字陣列模塊（DAM 組件）是相控陣雷達的核心器件，每部相控陣雷達均有成百上千個DAM 組件，對雷達性能、整機質量、成本和制造周期等具有重要影響[1]。隨著車載、機載以及星載等領域雷達裝備技術的快速發展，DAM 組件向著高集成、多功能和輕量化的方向不斷發展，因此DAM組件盒體多為薄壁、緊湊且精密配合的結構。為保證其尺寸精度，通常采用機械加工方法制造，內腔走線槽、穿線孔等無法機械加工的特征需要輔助采用電火花加工，而該制造方法存在材料切削量大（母材90%以上）、加工效率低、周期長且成本高等問題。

精密熔模鑄造技術是一種切削少或無切削的近凈成型技術，其具有材料利用率高、成本低、效率高、尺寸精度高（10-1毫米級）以及表面粗糙度好（Ra≤1.6μm）等特點，能夠直接成型復雜形狀零件[2]，適合緊密零件的批量生產。

該文以某大批量鋁合金DAM 組件盒體為研究實例，對其結構形式和工藝難點進行分析，從總體工藝路線設計、材料選擇、工藝性結構優化設計以及精密熔模鑄造工藝設計等方面進行研究和論證，驗證了該技術制造DAM 組件盒體的可行性，為該技術在雷達產品領域的應用提供借鑒。

1 工藝分析

1.1 盒體結構特點

某DAM 盒體如圖1 所示，其具有如下特點：1）盒體結構復雜，特征多。盒體為鋁合金平板結構，外形尺寸為271mm×236mm×23.1mm，質量0.75kg。盒體內部有8 處大、小內腔，分布了各類長短筋板、凹凸裝配臺階、走線槽、過線孔、支耳及螺釘安裝孔等特征。外側有2 處凸出薄壁安裝板。2）盒體多薄壁結構，剛性差。盒體的框架外壁較厚，為5mm～10mm，是盒體上的主要承力結構。除盒體框架外壁外，盒體內各筋板、內腔底面及盒體外側兩凸出薄壁安裝板均較薄，僅1mm～1.5mm，剛性較差，加工或鑄造后均易產生應力變形。3）盒體尺寸精度高。盒體重要尺寸公差要求在±0.05mm 以內，其余要求±0.1mm 以內。盒體背面為配合面，平面度要求0.1。采用鑄造方式，要求鑄件尺寸公差CT6 級，表面質量Ra控制在3.2 以內。

圖1 DAM 盒體結構示意圖

圖2 DAM 盒體精密熔模鑄造工藝路線

1.2 工藝難點

通過對盒體的結構特點進行分析可以看出，盒體結構復雜、特征多且多薄壁結構，一方面鑄件容易充型不足，導致報廢；另一方面，零件鑄造冷卻時，壁厚不同會導致零件凝固和收縮速率不同，極易產生變形。零件尺寸精度要求高、表面粗糙度要求高等特點對型殼材料的選擇和制備工藝要求較高。選擇合適的鑄造材料、對零件進行工藝性結構優化設計并采用經過驗證和固化的精密熔模鑄造工藝是解決這些難點的有效途徑。

2 工藝實現

2.1 總體工藝路線

結合DAM 盒體的工藝分析，制定的總體工藝路線如下。

2.2 材料選擇

根據使用環境和功能要求，DAM 組件殼體需要具有輕量化、熱導率高、可熔焊、耐蝕性好和鑄造性等特點。DAM 組件內裝高功率器件，其熱量通過DAM 殼體傳導至冷源，因此要求殼體材料的熱導率較好。為了提高殼體成品率，允許對殼體局部缺陷進行補焊，因此要求殼體材料可熔焊。DAM組件工作環境復雜，可能面臨濕熱、鹽霧以及高、低溫等多種環境，因此要求材料的耐蝕性好。DAM 盒體多薄壁結構，因此對材料的鑄造性有較高要求。

鑄造鋁合金主要包括Al-Si 系合金、Al-Cu 系合金、Al-Mg 系合金和Al-Zn 系合金。Al-Cu 系合金強度較高，但鑄造性和耐蝕性較差。Al-Mg 系合金耐蝕性好，但鑄造性比Al-Si 系合金差。Al-Zn 系合金鑄造性能好，但耐熱性差、強度不高且耐蝕性中等[3]。從使用性能和經濟性方面綜合考慮，盒體材料選擇ZL101A 合金，其屬于Al-Si-Mg 系鑄造鋁合金，鑄造性好，適用于各種形狀和結構復雜、氣密性要求高的熔模殼型和石膏型鑄件。ZL101A 合金抗拉強度中等（280MPa），耐蝕性優秀，還可進行氧化處理以進一步提高材料耐蝕性；熱導率較好（25℃下熱導率151W（m·℃））；可熔焊，對鑄造缺陷進行補焊和重新熱處理后，其力學性能可與基體性能一致；鑄造后，ZL101A 可進行固溶或時效熱處理以消除鑄件內應力，并強化鑄件力學性能。

2.3 結構工藝性優化設計

該文進行樣件驗證時，發現DAM 盒體隔筋及兩側薄板在鑄造后易變形，因此對鑄件進行了結構工藝性優化設計。主要措施為在兩側薄板處添加2mm 厚豎筋，可以有效增強薄板結構剛性，抑制變形，如圖3 所示。

圖3 薄板結構工藝性優化設計

2.4 精密熔模鑄造工藝設計

2.4.1 蠟模制備

DAM 盒體主體為壁厚單向逐漸變化的連續結構，主要難點在于盒體側壁有多個方向的走線槽或孔結構，對此，蠟膜成型方案采用了整體壓制、分塊抽芯的方案，在側壁走線槽或孔處抽芯成型。此外，DAM 盒體多薄壁，無余量加工部位，形狀、尺寸和表面等精度要求嚴格，因此制模材料選擇成型精度和質量較好的低溫蠟模料。低溫蠟模料流動性好，充型能力強。試驗中，優化的壓蠟工藝參數為室溫（22±2）℃、合模壓力5MPa、蠟缸溫度65℃、注蠟溫度65℃、注蠟壓力2MPa、注蠟時間30s、保壓壓力1.8MPa、保壓時間60s 以及冷卻時間2h。通過采用較低的注蠟溫度、較高的射蠟/保壓壓力和時間，可以在保證蠟膜填充完整外，有效控制蠟膜收縮變形量，以確保蠟膜尺寸精度。蠟膜樣件如圖4 所示。

圖4 蠟膜實物圖

2.4.2 型殼制備

DAM 盒體的熔模鑄造工藝采用石膏型型殼。石膏型型殼優點如下：能夠精確復制模樣，鑄件表面粗糙度達0.8μm～3.2μm；熱導率低，薄壁部位易成型，可鑄出0.5mm 薄壁；脫殼型好。在石膏型型殼制備中加入硅溶膠作黏結劑，鋯英粉和莫來砂為耐火材料，進一步提高了型殼和鑄件品質，制備出的型殼如圖5 所示。

圖5 鑄件實物圖（左）及其鑄件顯微組織（右）

硅溶膠黏接劑提高了型殼的高溫強度和抗蠕變性能。鋯英粉具有熱膨脹系數小、高溫強度好和化學性能穩定的特點，作為面層耐火材料，在鑄造過程中能夠抵御金屬液的熱沖擊和熱物理化學作用，防止鑄件產生裂紋缺陷。背層耐火材料選用莫來砂，以確保型殼具有適中的高溫強度和較好的退讓性、透氣性和脫殼潰散性，使澆注后的型殼殘留強度低，脫殼容易，防止鑄件產生夾渣缺陷。

2.4.3 鋁合金精煉和變質處理

鋁合金精煉主要通過精煉劑去除合金液中的氫氣氣體、氧化鋁夾雜物以及夾渣，并凈化合金熔體。DAM 盒體熔模鑄造鋁液采用旋轉噴吹法精煉。先將鋁液加熱至（730±10）℃并保溫，使鋁錠充分熔化。再將吹頭插入鋁液底部，通過吹頭向熔融鋁液中通入0.2MPa 氬氣，保持15min。通入氬氣的同時，將吹頭快速旋轉，使鋁熔體內形成渦流，在攪動熔體的同時，可將氬氣氣泡分散成微小氣泡，并隨渦流均勻分布到鋁熔體各處。由于鋁液中的氫與氬氣氣泡存在分壓差，因此氫會被氬氣氣泡吸附并浮出液面，雜質也一同被吸附排出，從而達到精煉的目的。采用旋轉噴吹法精煉速度快、效果好且成本低，精煉過程熔融鋁液面平穩，無強烈翻騰。

鋁合金變質處理可以有效改善鑄件組織并提高鑄件力學性能。DAM 盒體熔模鑄造鋁液使用的變質劑為0.15%的AlSr10 和0.2%AlTi5B1 中間合金。Al-Sr 合金變質劑具有有效變質時間長、用量小且重熔仍然有效的特點，適用于鋁合金熔模鑄造澆注時間較長的應用場景。ZL101A 鋁合金含硅量約為7%，熔煉凝固時易產生粗大的鋁硅共晶組織，使鑄件力學性能降低。Sr 可以吸附在硅的生長界面上，抑制共晶鋁硅組織長大，使共晶組織由粗大的長針狀轉變為細小的纖維狀，達到細化晶粒、改善組織的作用[4]。

2.4.4 澆注成型工藝

DAM 盒體熔模鑄造采用真空吸鑄，并采用底注式澆注系統，可準確控制充型壓力，使金屬液能夠平穩澆入并快速建立充型靜壓頭。為保證精鑄件具有良好的充型能力，避免產生縮孔和疏松缺陷，良好的補縮條件和實現鑄件順序凝固十分重要。通過在鑄件充型末端設置冷鐵，使凝固時鑄件具有較大的溫度梯度，從而可使鑄件順序凝固。同時在鑄件澆口部位增加保溫措施，延緩該部位的凝固時間，使澆口部位始終具有較大的補縮靜壓頭和較多的補縮熔體，還在鑄件厚薄轉接處和易產生缺陷位置設置了內澆口，這些措施可有效提高鑄件的補縮能力。

試驗中，優化的澆注工藝參數如下：澆注前保證型殼預熱溫度490℃，保溫時間大于2h，澆注溫度720℃，澆注全過程抽真空保證負壓0.15MPa。

2.4.5 熱處理工藝

對精鑄后的DAM 盒體進行固溶和時效熱處理，以消除鑄件內應力，穩定鑄件尺寸和組織，防止鑄件變形和產生裂紋。此外，固溶和時效熱處理還能改善鑄件組織，消除偏析和針狀組織，提高鑄件的塑性和強度。固溶處理工藝參數如下：鑄件加熱至535℃，保溫12h，水冷淬火至80℃。淬火時，水溫不能過低，以防鑄件冷速過快，產生開裂。進行時效處理時將鑄件加熱至155℃，保溫8h，風冷。

2.5 鑄件檢驗

進行設計和工藝優化后的DAM 盒體精密熔模鑄造樣件如圖5 所示。鑄造樣件力學檢測表面的殼體硬度為78.8（HBS），抗拉強度（Rm）為290MPa，延伸率為5.5%，可以滿足產品使用需求。鑄件化學成分檢測結果見表1，滿足ZL101A 鋁合金化學成分要求。

表1 ZL101A 化學成分

DAM 盒體熔模鑄件顯微組織如圖5 所示，鑄件上無冷隔、裂紋、縮孔或穿透性疏松等缺陷，鑄件質量滿足要求。其余如尺寸精度、表面粗糙度等均符合設計要求。鑄件尺寸精度、表面粗糙度等經檢測也能滿足設計要求。

3 結語

DAM 盒體具有結構復雜、壁薄和精度要求高等特點，使用傳統的機械加工方法加工成本高、周期長，并存在加工死角，生產效率低，不利于DAM 盒體批量化生產。該文采用熔模精密鑄造方法，從總體工藝路線設計、材料選擇、結構工藝性優化以及熔模鑄造工藝等方面進行了研究和樣件驗證。樣件檢測結果表明，精鑄件尺寸精度、冶金質量和力學性能均符合產品設計要求，具備批量生產可行性。該研究結果能夠為DAM 盒體類零件的設計和低成本制造提供參考。