摘 要：針對雷達用高精度波導管的特點，采用壓鑄和拼裝工藝，生產出滿足技術要求的波導管零件。通過分析波導管的工藝難點，開展了YL113合金的氣體含量控制、壓鑄工藝優化以及配套工裝裝配工藝研究。結果表明，通過惰性氣體精煉和真空除氣處理，可有效降低合金熔體內氫含量，保證合金內部質量；通過澆道設計和壓鑄工藝優化，保證了喇叭、十字筋鑄件的尺寸精度，且鑄件屈服強度大于270 MPa，伸長率大于2 %；采用退火、自然時效處理以及裝配工裝，有效保證了波導管的裝配尺寸精度，產品合格率達91%。

波導管是一種空心、內壁十分光潔的金屬導管或內敷金屬管，主要用于傳送超高頻電磁波,是雷達上將電磁脈沖信號從電磁波發生器傳導至發射陣面的重要零部件。目前，隨著雷達整體系統的改進和提升，波導產品的設計要求越來越高，尺寸精度從±0.15 mm提升到±(0.05～0.1) mm，部分近波源零件和極化器精度要求已經達到±0.02mm；部分發射接收口喇叭的表面粗糙度由原來的Ra3.2～6.3提升到現在的Ra1.63.2，接近機加工水平。相控陣雷達用波導管零件除要求高精度與良好的表面質量外，還對波導零件減重提出了要求，因此采用鋁合金波導管替換原銅質波導管，以期達到增加陣面數量的同時不過分增加雷達體積并達到雷達減重的目的，大大增加了波導管的生產難度。本課題采用壓鑄與拼裝結合的方式，成功制備了滿足技術要求的新型鋁合金波導管零件，為后期大型相控陣雷達型號生產任務提供參考。

1、波導管零件工藝設計

1.1 新型波導管零件特點及技術要求

1.1.1 波導管結構及使用特點

鋁合金波導管結構見圖1，該零件結構特點如下：波導管為壓鑄拼裝件，外圈為喇叭殼體，內部為十字形加強筋，輪廓尺寸為200 mm×75 mm×75 mm；零件要求壁厚均勻，平均壁厚為0.9～1.5 mm；十字筋與喇叭殼體采用膠結裝配，并用鉚釘加強連接；波導管是相控陣雷達用重要部件，使用過程中承受一定振動載荷，因此對鑄件內部品質要求較高。

圖1：新型波導管結構示意圖

1.1.2 技術要求

喇叭殼體材料選用YL113合金，要求為去應力態，抗拉強度σb≥250 MPa，伸長率δ5≥1.5%。壓鑄件表面應無冷隔、裂紋、縮孔等缺陷，尺寸精度為±（0.05～0.1） mm，表面粗糙度控制在Ra1.6～3.2內。十字筋材料為6063，化學成分符合GB/T 3190-2008要求，力學性能和熱處理狀態不作要求。裝配后波導管尺寸精度控制在±（0.05～0.1）mm。

1.2 波導管技術難點分析

（1）壓鑄件局部壁厚0.5mm的尺寸控制  雖然YL113合金具備優良的鑄造成形性能，但在壓鑄成形過程中直接凝固成0.5 mm壁厚仍存在較大難度，極易導致充型不足。

（2）壓鑄件尺寸精度的控制  直接以壓鑄成形方式保證零件尺寸要求，比較困難。壓鑄件不但壁薄（最薄處0.5 mm），合金在凝固過程中會產生收縮，微小的尺寸變化就會導致尺寸精度超標。

（3）波導管裝配尺寸精度的控制   壓鑄件與十字筋拼裝后要求精度極高，其中大口處尺寸精度要求控制在±0.1 mm內，小口處尺寸精度要求控制在±0.05 mm，這對裝配工藝與裝配工裝提出了極高的要求。

（4）波導管的應力消除技術  為了防止波導管在服役過程中發生大尺寸變形（不滿足使用要求的尺寸變化），需要將波導管的鑄造應力去除，但對于拼裝件來說，消應力過程中極易導致裝配尺寸超差。

2、過程控制及方法

2.1 YL113合金氣體含量控制

合金中的氫和夾雜物是影響合金性能的重要原因。通常情況下，隨著針孔等級的增加，力學性能呈直線下降，針孔度每增加一級，抗拉強度下降約6%，伸長率下降約11%；合金中的夾雜物會割裂合金基體，在零件振動時，這些夾雜物又成為裂紋源頭。因此，采用惰性氣體精煉和真空除氣對合金熔體進行純凈化處理，減少合金污染，同時能有效去除熔體中氣體（主要為氫）和固體夾雜物。表1為經惰性氣體精煉后的氫含量。可以看出，隨著惰性氣體噴吹，鋁熔體中的氫含量明顯降低，當噴吹至30 min時，熔體中氫含量保持穩定，降至0.03 ug/g。表2為惰性氣體精煉后，再對熔體進行真空除氣處理的氫含量變化。可以看出，真空除氣可以進一步減少熔體內的氫含量，真空除氣10 min，即可將熔體內氫含量控制至0.02 ug/g。圖2為純凈化處理前后的試樣內部質量照片，可以明顯看到經惰性氣體精煉和真空除氣后，合金內部針孔情況明顯改善。

表1：YL113合金在不同精煉時間后鋁液中的氫含量 μg/g

表2：精煉30 min+真空除氣的鋁液中的氫含量

圖2：熔體處理前后的合金X光射線照片

2.2 壓鑄工藝設計

采用YL113壓鑄合金，但Zn元素取合金成分上限（實測值為2.83 %），以增加合金流動性和充型能力，同時降低鑄造Al-Si合金的自然時效傾向。圖3為喇叭殼體和十字筋的壓鑄模具實物圖。圖4為喇叭殼體的澆注系統。合金液從下至上（合金液從大口徑端進入，流向小口徑端）注射，壓鑄口設置近直角澆口，可有效起到合金液緩沖的作用，同時減少氣體卷入，降低合金氣體含量。在小口徑端左右兩側設置排氣口，兼具集渣和冒口的作用。同時，為保證喇叭鑄件表面粗糙度，壓鑄用模具表面采用超聲波鏡面拋光工藝，確保模具表面粗糙度控制在Ra0.8以內。

圖3：喇叭殼體與十字筋壓鑄模具

圖4：喇叭殼體澆注系統

采用上述澆注系統，優選壓鑄工藝參數，實現喇叭殼體壓鑄成形最優化。為避免鑄件表面出現流紋、冷隔以及拉毛等缺陷，適當提高喇叭的壓射速度，提升至300~380 mm/s。同時，適當提高水基脫模劑的稀釋比例（脫模劑采用聚乙烯+煤油，將聚乙烯塊浸泡在煤油中加油至80 ℃備用，脫模劑原配比為5：80，現采用配比為5：95），以減輕脫模劑濃稠度高對表面質量的影響；模具內采用循環模溫油，控制模具使用溫度，避免由模具超溫或失溫引起的表面氣泡或水波紋等缺陷。經過實際生產驗證，喇叭壓鑄工藝見表3。十字筋結構簡單，沿用喇叭壓鑄工藝。

表：喇叭殼體的壓鑄工藝參數

2.3 裝配膠結工藝

喇叭裝配過程主要涉及喇叭殼體內壁與十字筋拼裝，拼裝后尺寸精度要求較高（±0.02 mm）。使用專用工裝，固定、銑削十字筋小端面，保證小端面平整度；同時去除毛刺，保證十字筋表面光潔度。十字筋加工工裝見圖5。

設計專用工裝，將喇叭殼體與十字筋分別定位，依次涂刷底涂劑及導電有機硅密封劑，最后將十字筋裝配（裝配示意圖見圖6）于喇叭內，清除內表面殘膠（清膠工裝見圖7）。為加強十字筋與喇叭殼體的結合強度，在十字筋與喇叭殼體上錠入細鉚釘絲，并滴入502膠水加固。最后，將裝配好的喇叭拼裝件固定在大端面加工工裝上對大端面進行銑削，可以有效保證零件整體尺寸精度。該裝配工藝克服了傳統整體壓鑄與釬焊成本高、質量不穩定的問題，有效降低了波導管鑄件的經濟成本，且制造周期大大縮短。

圖5：十字筋端面和側面機加工工裝示意圖

圖6：外型裝配工裝、外型裝配示意、十字筋裝配工裝、十字筋裝配示意

圖7：十字筋內腔根部除膠工裝示意圖

3、結果驗證

3.1 內部質量

雖然壓鑄件技術要求未對鑄件內部質量進行等級要求，但為克服服役過程中的振動疲勞問題，依然需保證鑄件具備良好的內部質量。采用X光檢測了零件的內部質量，喇叭外殼與十字筋內部均無明顯氣孔與夾雜缺陷，內部質量達到GB 9438-99Ⅱ類鑄件要求，屬于優質壓鑄件，實現一次試制成功。

3.2 尺寸檢測

采用上述裝配工裝和工藝過程，有效保障了波導管零件的批次合格率。經三坐標檢測關鍵尺寸，波導管零件關鍵尺寸全部滿足技術條件要求，具體檢測結果見表4。

表4：波導管關鍵尺寸檢測結果

3.3 熱處理及變形控制

采用弱退火+長時間自然時效的方式減少喇叭和十字筋零件殘余應力，控制零件的變形程度，最終保證裝配與加工的尺寸精度。退火工藝為120 ℃+1 h，空冷放置15天。由于自然時效過程中，零件內部能量釋放較為緩慢，可有效降低零件內部應力水平，減小后續校形和加工的變形程度。通過該熱處理工藝的實施，波導管零件批次合格率可達91%，批次合格率穩定。

3.4 壓鑄件性能

自然時效后，對喇叭外殼進行局部解剖取樣，進行拉伸試驗，試驗結果均達到技術指標要求，拉伸試樣結果見表5。合格的波導管零件見圖7。

表5：喇叭外殼切取性能

圖7：合格的波導管

4、結論

(1) 采用真空除氣、惰性氣體精煉的方式，有效減少了熔體中氫含量，喇叭外殼鑄件內部質量達到GB 9438-99 Ⅱ類要求。

(2) 通過澆道設計和壓鑄工藝優化控制，可生產出尺寸精度和力學性能均合格的喇叭和十字筋部件。

(3) 采用退火+自然時效處理和專用裝配工裝，可有效保證波導管的尺寸精度，產品合格率達91%。

作者：
展旭和
國家高速列車青島創新中心

羅傳彪 黃粒 丁小明 杜旭初 陳軍洲
中國航發北京航空材料研究院
北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心