鈦合金異形薄壁殼體鑄造工藝數(shù)值模擬及優(yōu)化

陳正陽，楊樹峰，謝錦麗，于鴻垚，畢中南，張繼

　　(1. 鋼鐵研究總院有限公司， 北京 100081；2. 北京鋼研高納科技股份有限公司， 北京 100081；3. 鋼鐵研究總院高溫合金新材料北京市重點實驗室， 北京 100081；4. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100083)

　　01、摘 要

　　為解決鈦合金精密鑄造產(chǎn)品合格率低、試驗優(yōu)化周期長的問題，以某鈦合金異形薄壁件為研究對象，采用逆向工程手段優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計。結(jié)合ProCAST有限元分析軟件確定鑄件缺陷分布位置，依據(jù)鑄件縮松分布情況對鑄造方案進行迭代優(yōu)化，解決鑄件承力板區(qū)域縮孔問題。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行生產(chǎn)驗證，結(jié)果表明，鈦合金鑄件采用真空熔模鑄造方案，鑄件上、下端分別設(shè)置3處澆/冒口時，模擬結(jié)果顯示鑄件凝固過程整體溫度分布合理，鑄件中的縮孔均被優(yōu)化剔除。該工藝方案可行性高，試制件無損檢測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度高，鑄件成形質(zhì)量、冶金質(zhì)量均達到預期效果。

　　02、關(guān) 鍵 詞

　　ProCAST； 精密鑄造； ZTC4； 工藝優(yōu)化； 縮松縮孔

　　03、引 言

　　鈦合金作為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，其比強度高、密度小、耐蝕性好，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等多個領(lǐng)域。ZTC4作為一種中等強度的α+β型鈦合金，是使用最廣泛、最成熟的一種鑄造鈦合金，適用于制備承受較高應(yīng)力的靜態(tài)航空航天用結(jié)構(gòu)件。精密鑄造能夠以較低的成本批量生產(chǎn)出尺寸精準、形狀復雜的構(gòu)件，這類鑄件整體結(jié)構(gòu)性好、可靠性高，可同時解決鈦合金構(gòu)件成形難度大和成本高的難題，因此一直是鈦合金鑄造行業(yè)研究的重要方向。

　　數(shù)值模擬能夠?qū)碗s問題進行量化描述，基于實際物理過程的凝固數(shù)值分析已逐步成為預測和改善鑄件內(nèi)部質(zhì)量的重要手段。通過數(shù)值模擬分析合金鑄造過程的溫度場、流場以及缺陷分布，突破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中過度依賴生產(chǎn)經(jīng)驗和試錯來改進澆注工藝、研發(fā)周期長、成本高的局限性，可顯著提高材料的綜合性能。因此，本研究首先分析鑄件結(jié)構(gòu)特性，然后利用ProCAST軟件對鈦合金鑄件真空熔模鑄造工藝進行模擬分析，闡明澆注過程合金液的流動狀態(tài)、凝固特征及缺陷分布，基于此進行迭代優(yōu)化獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。使用新工藝進行試制生產(chǎn)，最終獲得探傷檢測合格的鑄件。

　　04、精 選 圖 表

　　05、結(jié)  論

　　(1)采用ProCAST軟件對ZTC4鑄造鈦合金澆注的薄壁件進行真空熔模鑄造數(shù)值模擬，對初始鑄造工藝進行評估并得到該結(jié)構(gòu)件缺陷分布規(guī)律和鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計準則。

　　(2)采用逆向工程手段和有限元分析方法優(yōu)化了澆注方案，在原有鑄造工藝上增設(shè)澆/冒口獲得了最優(yōu)鑄造工藝，解決了原有工藝中鑄件承力板區(qū)域容易產(chǎn)生縮松縮孔的問題。采用優(yōu)化方案制備的試制件探傷檢測結(jié)果表明鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，未出現(xiàn)氣孔、縮孔缺陷且工藝穩(wěn)定性高。

　　(3)數(shù)值模擬結(jié)果與無損檢測結(jié)果高度一致，為同類鈦合金鑄件產(chǎn)品的開發(fā)和澆注工藝優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)和分析方法，為類似異形薄壁件的精密鑄造成形技術(shù)提升奠定了基礎(chǔ)。