2024年9月7日发(作者：牟芳洲)
Ｒ一 ＆却 砌 ｌ里壅兰 里
ＺＬ２０５Ａ铝合金大型铸件低压铸造
及旋转喷吹净化
首都航天机械公司（北京１０００７６） 邬京利
嗽ｌ利用ｚＬ２０５＾优质合金，采用低压铸造工艺和惰性气体旋转喷吹技术精练铝液，生产外廓尺寸这
２０００ｍｍ，重量１５００ｋｇ的大型铝合金铸件，经检测铸件力学性能、内部质量均迟到设计要求。
随着航空航天事业的发展，研究高强度、高韧性
且具有综合性能的铸造铝合金铸件作为航空航天产品整
行（如图ｌ所示），与重力浇注时液流从上往下截然不
同，而是通过浇注系统中的合金液向铸件加压，对铸件
进行补缩。
体承力结构件，代替部分铝合金锻件以减轻结构重量，
节省原材料，减少零件的加工：亡时，并加快航空航天产
品的研制进度，已迫在眉睫。本文所述大型铸件采用我
国在２Ｏ世纪７Ｏ年代中期研制的一种铝铜系高强度、高韧
性铸造铝合金，利用低压铸造技术与旋转喷吹精练铝液
技术，研制生产出符合设计要求的大型铝合金铸件，铸
件经Ｔ６热处理后，抗拉强度达４８０ＭＰａ以上，伸长率大
干３％。
一
．．
铸件低压铸造
为了保证铝合金铸件质量，通常重力铸造采用底
注式浇注系统，金属液从上往下浇注，在到达铸型底部
时，通过在铸型底部设置的横浇道、内浇道进入铸型，
图１低压铸造原理
砂箱２铸型３ｌ中隔板４升液管５坩埚６铝液
此时的液体流动方式改为由下往上运行，采用冒口进行
补缩，即冒口凝固时间晚于铸件本身，以便在铸件凝固
过程中需要补缩时向铸件提供液体。一般情况下，冒口
放在铸件顶部厚大部位，在重力铸造情况下利于铸件补
缩。但这种重力浇注方式在铸型纵向上的温度梯度方向
为了保证补缩通道的畅通，浇注系统应形成从铸
件远端到浇注系统最后至升液管顺序凝固的过程。即最
先进入铸型的液体应最先凝固，也是液体中温度最低的
金属液最先凝固。铸件纵向上的温度梯度方向与铸件的
与铸件的凝固方向恰好相反，形成了反顺序凝固，从而
破坏了按照铸件高度顺序进行补缩的条件。
低压铸造的浇注和补缩与普通重力铸造的浇注、
补缩方法不同，低压铸造浇注时，液流方向从下向上运
凝固方向一致，即上部温度低，下部温度高，符合顺序
凝固秩序。但是，由于ＺＬ２０５Ａ合金铸造性能差，合金
结晶温度范围宽，实现顺序凝固困难，且壁厚敏感性
参磊肛…
大，易产生疏松、热裂、氧化夹渣等铸造缺陷。故
需强化激冷，加强补缩，并在浇注系统上采取必要
的工艺措施，创造较大的温度梯度，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。大
型ＺＬ２０５Ａ合金铸件采用低压铸造工艺保证并实现上
述措施要比普通重力铸造工艺方便的多，因此为了
保证铸件质量，对高要求的优磺铸件均采用低压铸
造工艺方案。
低压铸造在浇注过程中主要的优点如下：
（１）可针对铸件尺寸大小、壁厚、复杂程度，
对升液速度、充型速度进行调节。
（２）根据铸件 缩、凝固情况对保压压力、保
压时间进行凋节。
（３）进入铸型的铝液使用的是坩埚中下部分的
铝液，其杂渣少、洁净。
（４）铝液在浇注过程中流动平稳，氧化机会
少。
１．铸造工艺
铸件的低压铸造工艺如图２所示。
Ｑ：
＾＼ｌ
，Ｊ～
图２低压铸造工艺
此铸件最大外廓尺￣ｆ２ＯＯＯｍｍ，高６００ ｍｍ，最
大壁厚４０ ｍｍ，最小擘厚２０ ｍｍ，铸件特点是外廓尺
ｒ大，擘厚不均，铸件所用材料铸造性能差，铸件
浇注重量达到１ ２００ｋｇ。为达到理想效果，采用立简
武缝隙浇注，铸件内壁及各立筒式缝隙间均放置铝
制冷铁，使铸件结晶凝固时得到充分激冷，从而使
组织细化，性能提高，获得内部优良组织。同时为
了保证铸件尺寸精度，采用整体树脂砂制芯工艺，
浇注时铝液通过升液管进入放射形横浇道，然后经
环形横浇道过渡后进八均匀分布的缝隙浇口及型腔
巾。为减少液面紊流和：二次氧化夹渣，在缝隙浇口
四 笙签堡型垫竺堡笪 丝 参曷 工热加工
ＷＷＷ．ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ１９５０．ｃｏｍ
前放置纤维过滤网，进一步阻止铝液中的杂质进入铸
型，减少液面紊流。另外，在型腔上部设置数量不等
的排气孔，使型腔中的气体顺利排出铸型体外，防止
浇注过程中的气体从型腔中排不出而造成的铸造缺
陷。
２．缺陷分析
按图２所示的工艺设计在生产首件时，清理后
即发现在圆环上部环筋处有两处裂纹（见图３）。将
裂纹剖开在电镜下观察断口，可见有圆滑树枝晶头
（见图４），在树枝晶之问有低熔点液相漫流填充形
成的光滑表面（见图５），说明裂纹是在铸件凝固过
程中后期发生的。在开裂处取样做金相检查，发现
裂纹两侧有很多低熔点共晶相分布（见陶６），采
用能谱分析这些低熔点共晶相，发现含有较多的Ｃｕ
元素，其Ｗ 约为３５％，而ＺＬ２０５Ａ合金基体中Ｗ ＝
４．６％～５－３％，应是 ＋ｅ（ＡＩ２Ｃｕ）＋Ｔ（ＡＩ２ＣｕＭｎ２）共
晶组织。
图３铸件裂纹形貌
图４圆滑树枝晶头
图５低熔点共晶相漫流填充表面Ｘ ２００
图６裂纹两侧低熔共晶组织
分析可知，由于ＺＬ２０５Ａ合金材料的特性，结
晶凝固范副宽，使得铸件热节处在凝固后期枝晶骨
架存在大的温差及收缩拉应力而开裂。在凝固末
期，残存的低熔点共晶液体【ｄ＋ｅ（Ａ１，Ｃｕ）＋Ｔ
（Ａ１ ＣｕＭｎ ）】无力填充枝晶骨架间的裂缝而形成
热裂纹。
二、旋转喷吹净化
１。旋转喷吹
旋转喷吹最早应用于合金的连续精练，旋转喷
吹由石墨转杆和石墨叶片组成，惰性气体通过专门
设计的转杆和叶片通到液体内，利用喷头的旋转和
叶片的剪切作用，使惰性气体气泡均匀弥散分布在
液体内的各个部位，同时在液体深处形成涡流并缓
慢上升，使气泡和液体之间有最大的接触面积，从
Ｒｅｓｅａｒｃ ＆铆如ａ砌ｚ Ｉ 墨皇壁里
而为有效除氢、除渣创造有利条件。另外，惰性气
体与铝液不发生化学反应，气泡表面无钝化膜，极
易吸附氢气和氧化夹渣，靠气泡浮力上升至液面。
在早期的试验过程中，使用同样的精练剂，以及相
同的合金牌号、容量等条件下，旋转喷吹与手工除
气相比，除气后夹渣、针孔度级别有很大不同，这
是因为旋转喷吹用精练剂和惰性气体是通过专门设
计的转杆和叶片通入液体内，利用喷头的旋转和叶
片的剪切作用，将精练剂和惰性气体均匀弥散于液
体内。而手工除气是将一定数量的精练剂用钟罩压
入铝液中，由操作者手工旋转进行。
通过观察两种方法的除气过程可以看出，旋
转喷吹除气时，液体表面气泡大小、沸腾程度基本
相同；而手工除气时，液体表面气泡大小不一，沸
腾忽大忽小，这也是手工除气无法与旋转喷吹比拟
的。
２．ＺＬ２０５Ａ高强铝合金
ＺＬ２０５Ａ合金采用优质高纯铝来配制，主要为
限制Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ杂质含量。因为Ｆｅ在合金中能生
成ＡＩＣｕＦｅ￣Ｉ：ＩＡＩＣｕＭｇＦｅ，是不溶解的脆性相，所
以会使合金的力学性能降低。Ｓｉ在合金中能生成
Ａ１ｌ０Ｍｎ２Ｓｉ、ＡＩＣｕＭｎＳｉ或Ａ１】０Ｍｎ２Ｓｉ＋ＡＩ！Ｃｕ＋Ｇ【三元
共晶，其熔点为５２０～５２５℃。Ｍｇ在合金中能生成
ＡＩ２ＣｕＭｇ相，并形成０【＋Ａ１２Ｃｕ＋ＡＩ２ＣｕＭｇ：＿元共晶，
其熔点为５Ｏ７℃，三元共晶的出现使合金的淬火过烧
温度大大下降，降低了主要强化相的固溶相，导致
合金力学性能降低；反之，合金的纯度越高，强度
和伸长率就会越好。因此，严格控￥￣ＺＬ２０５Ａ合金杂
质含量是保证力学性能合格的基本条件。
三、结语
（１）采用低压铸造设备进行高强度ＺＬ２０５Ａ大
型铝合金铸件生产是完全可行的。
（２）采用惰性气体旋转喷吹技术精练铝液，是
保证铸件质量的重要手段。
（３）合理选择低压铸造工艺参数，强化凝固顺
序，生产出的大型ＺＬ２０５Ａ合金铸件完全可以达到设
计要求。ＭＩＮ
（２０１００６２０）
参珈工…—
2024年9月7日发(作者：牟芳洲)
Ｒ一 ＆却 砌 ｌ里壅兰 里
ＺＬ２０５Ａ铝合金大型铸件低压铸造
及旋转喷吹净化
首都航天机械公司（北京１０００７６） 邬京利
嗽ｌ利用ｚＬ２０５＾优质合金，采用低压铸造工艺和惰性气体旋转喷吹技术精练铝液，生产外廓尺寸这
２０００ｍｍ，重量１５００ｋｇ的大型铝合金铸件，经检测铸件力学性能、内部质量均迟到设计要求。
随着航空航天事业的发展，研究高强度、高韧性
且具有综合性能的铸造铝合金铸件作为航空航天产品整
行（如图ｌ所示），与重力浇注时液流从上往下截然不
同，而是通过浇注系统中的合金液向铸件加压，对铸件
进行补缩。
体承力结构件，代替部分铝合金锻件以减轻结构重量，
节省原材料，减少零件的加工：亡时，并加快航空航天产
品的研制进度，已迫在眉睫。本文所述大型铸件采用我
国在２Ｏ世纪７Ｏ年代中期研制的一种铝铜系高强度、高韧
性铸造铝合金，利用低压铸造技术与旋转喷吹精练铝液
技术，研制生产出符合设计要求的大型铝合金铸件，铸
件经Ｔ６热处理后，抗拉强度达４８０ＭＰａ以上，伸长率大
干３％。
一
．．
铸件低压铸造
为了保证铝合金铸件质量，通常重力铸造采用底
注式浇注系统，金属液从上往下浇注，在到达铸型底部
时，通过在铸型底部设置的横浇道、内浇道进入铸型，
图１低压铸造原理
砂箱２铸型３ｌ中隔板４升液管５坩埚６铝液
此时的液体流动方式改为由下往上运行，采用冒口进行
补缩，即冒口凝固时间晚于铸件本身，以便在铸件凝固
过程中需要补缩时向铸件提供液体。一般情况下，冒口
放在铸件顶部厚大部位，在重力铸造情况下利于铸件补
缩。但这种重力浇注方式在铸型纵向上的温度梯度方向
为了保证补缩通道的畅通，浇注系统应形成从铸
件远端到浇注系统最后至升液管顺序凝固的过程。即最
先进入铸型的液体应最先凝固，也是液体中温度最低的
金属液最先凝固。铸件纵向上的温度梯度方向与铸件的
与铸件的凝固方向恰好相反，形成了反顺序凝固，从而
破坏了按照铸件高度顺序进行补缩的条件。
低压铸造的浇注和补缩与普通重力铸造的浇注、
补缩方法不同，低压铸造浇注时，液流方向从下向上运
凝固方向一致，即上部温度低，下部温度高，符合顺序
凝固秩序。但是，由于ＺＬ２０５Ａ合金铸造性能差，合金
结晶温度范围宽，实现顺序凝固困难，且壁厚敏感性
参磊肛…
大，易产生疏松、热裂、氧化夹渣等铸造缺陷。故
需强化激冷，加强补缩，并在浇注系统上采取必要
的工艺措施，创造较大的温度梯度，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。大
型ＺＬ２０５Ａ合金铸件采用低压铸造工艺保证并实现上
述措施要比普通重力铸造工艺方便的多，因此为了
保证铸件质量，对高要求的优磺铸件均采用低压铸
造工艺方案。
低压铸造在浇注过程中主要的优点如下：
（１）可针对铸件尺寸大小、壁厚、复杂程度，
对升液速度、充型速度进行调节。
（２）根据铸件 缩、凝固情况对保压压力、保
压时间进行凋节。
（３）进入铸型的铝液使用的是坩埚中下部分的
铝液，其杂渣少、洁净。
（４）铝液在浇注过程中流动平稳，氧化机会
少。
１．铸造工艺
铸件的低压铸造工艺如图２所示。
Ｑ：
＾＼ｌ
，Ｊ～
图２低压铸造工艺
此铸件最大外廓尺￣ｆ２ＯＯＯｍｍ，高６００ ｍｍ，最
大壁厚４０ ｍｍ，最小擘厚２０ ｍｍ，铸件特点是外廓尺
ｒ大，擘厚不均，铸件所用材料铸造性能差，铸件
浇注重量达到１ ２００ｋｇ。为达到理想效果，采用立简
武缝隙浇注，铸件内壁及各立筒式缝隙间均放置铝
制冷铁，使铸件结晶凝固时得到充分激冷，从而使
组织细化，性能提高，获得内部优良组织。同时为
了保证铸件尺寸精度，采用整体树脂砂制芯工艺，
浇注时铝液通过升液管进入放射形横浇道，然后经
环形横浇道过渡后进八均匀分布的缝隙浇口及型腔
巾。为减少液面紊流和：二次氧化夹渣，在缝隙浇口
四 笙签堡型垫竺堡笪 丝 参曷 工热加工
ＷＷＷ．ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ１９５０．ｃｏｍ
前放置纤维过滤网，进一步阻止铝液中的杂质进入铸
型，减少液面紊流。另外，在型腔上部设置数量不等
的排气孔，使型腔中的气体顺利排出铸型体外，防止
浇注过程中的气体从型腔中排不出而造成的铸造缺
陷。
２．缺陷分析
按图２所示的工艺设计在生产首件时，清理后
即发现在圆环上部环筋处有两处裂纹（见图３）。将
裂纹剖开在电镜下观察断口，可见有圆滑树枝晶头
（见图４），在树枝晶之问有低熔点液相漫流填充形
成的光滑表面（见图５），说明裂纹是在铸件凝固过
程中后期发生的。在开裂处取样做金相检查，发现
裂纹两侧有很多低熔点共晶相分布（见陶６），采
用能谱分析这些低熔点共晶相，发现含有较多的Ｃｕ
元素，其Ｗ 约为３５％，而ＺＬ２０５Ａ合金基体中Ｗ ＝
４．６％～５－３％，应是 ＋ｅ（ＡＩ２Ｃｕ）＋Ｔ（ＡＩ２ＣｕＭｎ２）共
晶组织。
图３铸件裂纹形貌
图４圆滑树枝晶头
图５低熔点共晶相漫流填充表面Ｘ ２００
图６裂纹两侧低熔共晶组织
分析可知，由于ＺＬ２０５Ａ合金材料的特性，结
晶凝固范副宽，使得铸件热节处在凝固后期枝晶骨
架存在大的温差及收缩拉应力而开裂。在凝固末
期，残存的低熔点共晶液体【ｄ＋ｅ（Ａ１，Ｃｕ）＋Ｔ
（Ａ１ ＣｕＭｎ ）】无力填充枝晶骨架间的裂缝而形成
热裂纹。
二、旋转喷吹净化
１。旋转喷吹
旋转喷吹最早应用于合金的连续精练，旋转喷
吹由石墨转杆和石墨叶片组成，惰性气体通过专门
设计的转杆和叶片通到液体内，利用喷头的旋转和
叶片的剪切作用，使惰性气体气泡均匀弥散分布在
液体内的各个部位，同时在液体深处形成涡流并缓
慢上升，使气泡和液体之间有最大的接触面积，从
Ｒｅｓｅａｒｃ ＆铆如ａ砌ｚ Ｉ 墨皇壁里
而为有效除氢、除渣创造有利条件。另外，惰性气
体与铝液不发生化学反应，气泡表面无钝化膜，极
易吸附氢气和氧化夹渣，靠气泡浮力上升至液面。
在早期的试验过程中，使用同样的精练剂，以及相
同的合金牌号、容量等条件下，旋转喷吹与手工除
气相比，除气后夹渣、针孔度级别有很大不同，这
是因为旋转喷吹用精练剂和惰性气体是通过专门设
计的转杆和叶片通入液体内，利用喷头的旋转和叶
片的剪切作用，将精练剂和惰性气体均匀弥散于液
体内。而手工除气是将一定数量的精练剂用钟罩压
入铝液中，由操作者手工旋转进行。
通过观察两种方法的除气过程可以看出，旋
转喷吹除气时，液体表面气泡大小、沸腾程度基本
相同；而手工除气时，液体表面气泡大小不一，沸
腾忽大忽小，这也是手工除气无法与旋转喷吹比拟
的。
２．ＺＬ２０５Ａ高强铝合金
ＺＬ２０５Ａ合金采用优质高纯铝来配制，主要为
限制Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ杂质含量。因为Ｆｅ在合金中能生
成ＡＩＣｕＦｅ￣Ｉ：ＩＡＩＣｕＭｇＦｅ，是不溶解的脆性相，所
以会使合金的力学性能降低。Ｓｉ在合金中能生成
Ａ１ｌ０Ｍｎ２Ｓｉ、ＡＩＣｕＭｎＳｉ或Ａ１】０Ｍｎ２Ｓｉ＋ＡＩ！Ｃｕ＋Ｇ【三元
共晶，其熔点为５２０～５２５℃。Ｍｇ在合金中能生成
ＡＩ２ＣｕＭｇ相，并形成０【＋Ａ１２Ｃｕ＋ＡＩ２ＣｕＭｇ：＿元共晶，
其熔点为５Ｏ７℃，三元共晶的出现使合金的淬火过烧
温度大大下降，降低了主要强化相的固溶相，导致
合金力学性能降低；反之，合金的纯度越高，强度
和伸长率就会越好。因此，严格控￥￣ＺＬ２０５Ａ合金杂
质含量是保证力学性能合格的基本条件。
三、结语
（１）采用低压铸造设备进行高强度ＺＬ２０５Ａ大
型铝合金铸件生产是完全可行的。
（２）采用惰性气体旋转喷吹技术精练铝液，是
保证铸件质量的重要手段。
（３）合理选择低压铸造工艺参数，强化凝固顺
序，生产出的大型ＺＬ２０５Ａ合金铸件完全可以达到设
计要求。ＭＩＮ
（２０１００６２０）
参珈工…—