鈦及鈦合金由于具有低密度、高比強度、耐腐蝕、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。目前隨著人們對鈦合金產(chǎn)品性能需求的提高、對鈦合金鑄件及其鑄造工藝提出了更高的要求，如成型質(zhì)量要求更高、鑄件體積更大、成形結(jié)構(gòu)更復(fù)雜等。
目前，鈦合金成型的主要工藝有兩種，熔模精密鑄造工藝及機加工石墨成型工藝。由于造型材料耐火度的差異，熔模精密鑄造生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量要優(yōu)于石墨型鑄造，但生產(chǎn)成本更高，且主要適用于中小型鑄件。針對大尺寸鈦合金鑄件的鑄造工藝，若采用熔模精密鑄造技術(shù)，制殼難度較大，且蠟?zāi)Ｒ装l(fā)生變形。而石墨型鑄造工藝分型面選擇靈活、制備周期短、成型簡易，適用于大尺寸鈦合金鑄件的生產(chǎn)，因此采用機加工石墨型鑄造工藝。閆平通過石墨型鑄造技術(shù)成功澆注出重120 kg，外形尺寸為880 mm×740 mm×530 mm的鈦合金鑄件，該殼體類鑄件壁厚比最高達到1∶10；范世璽生產(chǎn)的Ti321合金軸箱鑄件，輪廓尺寸為900 mm×350 mm×450 mm，該鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但總體質(zhì)量較輕，約為69 kg。上述鈦合金石墨型鑄造澆注的鑄件，雖整體尺寸較大，但鑄件質(zhì)量都不超過150 kg。
采用高速離心澆注來提高金屬液的充型效果，同時離心澆注也會在一定程度上減少鑄件內(nèi)部縮松等缺陷。對于大尺寸大質(zhì)量鈦合金鑄件，通常采用重力澆注來避免由于金屬液沖擊對鑄型造成破壞，但同時在失去離心力的作用下，鑄件內(nèi)的缺陷數(shù)量會有所升高。
針對某大尺寸鈦合金閥體鑄件，材質(zhì)為ZTC4，總重量約340 kg，最大輪廓尺寸為810 mm×720 mm×605 mm，本文采用ProCAST軟件對石墨型鑄造過程進行了數(shù)值仿真模擬計算，采用重力澆注工藝，對不同澆注系統(tǒng)以及鑄型預(yù)熱溫度對缺陷形成的影響進行了計算和分析。根據(jù)模擬結(jié)果得出了該大尺寸鈦合金閥體鑄件的最優(yōu)鑄造工藝，為同類型閥體類鑄件的鑄造工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。
1.鑄件結(jié)構(gòu)分析
圖1為該閥體鑄件結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)部中空，最薄壁厚約為38 mm，鑄件除法蘭為平直、環(huán)形面外，其他區(qū)域均為曲面；上下端兩法蘭同軸心，但尺寸相差約150 mm；右側(cè)法蘭軸心與上下端法蘭軸心垂直，連接處存在一定弧度，整體結(jié)構(gòu)較為簡單。
圖1 閥體鑄件結(jié)構(gòu)示意圖
采用機加工石墨型鑄造工藝對該大尺寸鈦合金閥體進行制備，基于模塊化設(shè)計原理，將石墨型外型及內(nèi)芯分為多個獨立結(jié)構(gòu)進行加工，采用螺桿、螺栓等定位方式進行組裝，保證成形鑄件的尺寸精度。
2.鑄造工藝設(shè)計及優(yōu)化
采用真空自耗電極凝殼爐對鑄件進行澆注，鑄件自重約340 kg，因此金屬液熔化量需達到400 kg以上，大量金屬液在充型過程中，會對鑄型表面造成較大的沖刷，可能會產(chǎn)生夾雜等鑄造缺陷，因此不宜將澆口直接連接鑄件。如圖2所示，在型芯中增設(shè)內(nèi)澆道，使金屬液得到緩沖，降低對成形區(qū)域的沖刷力，達到金屬液平穩(wěn)充型的目的。由于閥體鑄件內(nèi)部除法蘭端口處外，均為不規(guī)則曲面，因此將澆道與法蘭端口內(nèi)側(cè)環(huán)形面相連，便于澆冒口的清除。
圖2 鑄件澆道設(shè)計示意圖
在內(nèi)澆道設(shè)計完成后，分別采用了三種不同組型工藝，如圖3所示，其中澆注工藝A和B均將兩同心法蘭與澆杯相連，區(qū)別在于與杯口相連的法蘭面尺寸不同。由于兩法蘭尺寸相差較大，造成金屬液充型時間不同，因此鑄件的凝固過程也會產(chǎn)生較大的差異。
圖3 三種不同組型工藝
直澆道的設(shè)計吸收了金屬液在充型過程中較大的沖擊力，使金屬液平穩(wěn)快速的自上而下的充滿型腔，且底部延長的部分澆道在起到補縮作用的同時，也具有一定的集渣效果。澆注工藝C中兩同心法蘭位于水平處，澆杯與另一大尺寸法蘭相連，由于內(nèi)澆道位置的變化，金屬液充型時產(chǎn)生分流，進一步削弱了對石墨鑄型表面的沖刷力，金屬液從兩側(cè)進入型腔，自上而下的充型。
3.ProCAST鑄造模擬結(jié)果
3.1 組型工藝對模擬結(jié)果的影響
鑄型充型順序如圖4所示，組型工藝A和B相同，金屬液自下而上充型平穩(wěn)、迅速，并未發(fā)現(xiàn)金屬液的飛濺與紊流現(xiàn)象產(chǎn)生。而組型工藝C由于內(nèi)澆道位置的變化，金屬液由橫澆道向鑄件兩側(cè)分流，導(dǎo)致金屬液在鑄型內(nèi)產(chǎn)生對向金屬液沖擊，產(chǎn)生了一定成度飛濺，而且對沖的金屬液極易產(chǎn)生卷氣、夾雜等缺陷。
圖4 三種組型工藝金屬液充型過程
如圖5所示，為三種不同澆注工藝的鑄造模擬結(jié)果。可以看出，鑄件內(nèi)的缺陷主要集中在法蘭端口處，其中澆注工藝B中法蘭處缺陷較為集中，均位于與內(nèi)澆道連接處，且鑄件內(nèi)部缺陷也主要集中在內(nèi)澆道中；而澆注工藝A和C 中缺陷分布均勻，較為分散，鑄件內(nèi)部也存在多處缺陷。根據(jù)鑄造模擬結(jié)果可以看出，澆注工藝B中分布相對集中的缺陷，減少了打磨、焊補的工作量，鑄件整體澆注質(zhì)量更高，因此最終選取組型工藝B。
圖5 三種組型工藝下鑄件內(nèi)缺陷分布及數(shù)量模擬結(jié)果
3.2 鑄型預(yù)熱溫度對模擬結(jié)果的影響
為了進一步降低鑄件內(nèi)部缺陷，提高鑄造質(zhì)量，因此對不同鑄型預(yù)熱溫度下的澆注情況進行了ProCAST模擬。基于石墨本身的物理特性，常溫澆注會在石墨型表面產(chǎn)生激冷，易導(dǎo)致表面缺陷產(chǎn)生；但對于大尺寸鈦合金石墨型鑄造，過高的預(yù)熱溫度，在提高金屬液充型能力的同時，也會在石墨型中大量蓄熱，對鑄件的凝固過程產(chǎn)生一定影響，易造成晶粒粗大、熱節(jié)等。因此，本閥體鑄件石墨型預(yù)熱溫度設(shè)置為150 ℃和250 ℃，與常溫25 ℃時鑄件澆注模擬結(jié)果進行對比。
如圖6所示，為不同石墨型預(yù)熱溫度下，鑄件內(nèi)缺陷體積的模擬結(jié)果。由于預(yù)熱溫度差異較小，模擬結(jié)果中鑄件內(nèi)缺陷的分布并未發(fā)生顯著變化，但缺陷體積由初始25 ℃時的400 cm3降低到150 ℃時的375.9 cm3，又升高到250 ℃時的404.6 cm3，隨著預(yù)熱溫度的升高，呈現(xiàn)小幅度的先下降后上升趨勢。因此最終確定該大尺寸閥體鈦合金鑄件，石墨型預(yù)熱溫度為150 ℃。
圖6 三種鑄型溫度下鑄造模擬缺陷體積
4.生產(chǎn)驗證
采用600 kg容量鈦合金真空自耗電極凝殼爐，對該鈦合金鑄造閥體進行熔煉澆注，澆注工藝采用重力澆注，鑄形預(yù)熱溫度為150 ℃。實際鑄件如圖7所示。整體成形完整，尺寸精度高，內(nèi)外表面均無明顯冷隔、流痕等缺陷；通過X射線檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷位置與模擬結(jié)果基本一致，主要位于法蘭與內(nèi)澆道連接處，且較為集中。
圖7 鈦合金閥體鑄件
5.結(jié)論
（1）重力澆注可以使鑄型內(nèi)金屬液充型平穩(wěn)，有效降低金屬液對鑄型表面的沖擊力，實現(xiàn)平穩(wěn)、完整充型。通過ProCAST模擬結(jié)果可以看出，該大尺寸大質(zhì)量鈦合金閥體鑄件通過合理的組型工藝可使鑄件內(nèi)的缺陷分布更為集中，提高了鑄件整體質(zhì)量。
（2）石墨型預(yù)熱可改善澆注過程中的激冷現(xiàn)象，提高金屬液的充型能力，但過高的溫度也會影響鑄件的凝固過程。該閥體類大尺寸鈦合金鑄件在石墨鑄型預(yù)熱溫度為150 ℃時，鑄件內(nèi)的缺陷體積最小且最為集中。
作者：李重陽，劉時兵，徐凱，李鴻舉，李昕祺，岳野，劉天翼，倪嘉
單位：中國機械總院集團沈陽鑄造研究所有限公司