任贵娟1 崔新鹏1 肖强伟1，2 张 晨1，2 南 海1
（1．北京航空材料研究院；2．北京百慕航材高科技股份有限公司）
摘要基于Pro CAST软件对某钛合金喷管铸件充型及凝固过程进行了数值模拟，结果显示铸件壁内部存在着大量的缩孔，这与实际浇注结果相符合。通过模拟，在喷管壁外侧设置冒口和改变型壳预热温度，改进后的方案有效地减少了缩孔的数量，改善了缺陷情况。
关键词 钛合金；数值模拟；缩孔；工艺优化
中图分类号 TP311; TG146. 23 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05.0]
钛合金具有一系列优良的特性，如密度低、比强度高、良好的耐腐蚀性能和生物相容性，在航空航天、化学、能源及医疗等领域得到广泛的应用。但钛合金流动性差，在凝固过程中极易产生缩孔、缩松等缺陷，严重影响了铸件的质量。
目前，数值模拟在铸造中的应用已极为广泛，通过数值模拟技术不仅可以模拟铸件凝固过程、温度场、应力场及缺陷，而且可以减少铸件研制周期，降低研制成本，节省人工。本课题利用Pro CAST软件对某钛合金喷管充型及凝固过程进行了数值模拟，并完成了工艺改进，最终得到了性能良好的铸件。
1 模型建立与前处理
1.1 几何模型和有限元模型的建立
运用UG软件建立某钛合金喷管的几何模型，其上口直径为ɸ886 mm，下口直径为ɸ1 280 mm，高为430mm，铸件壁厚为20 mm。该铸件采用重力静止底注式浇注，铸件及浇注系统几何模型见图1。
运用Pro CAST软件中的Visual Mesh模块对喷管及其浇注系统进行四面体网格划分，其中浇道网格大小为10 mm，铸件网格大小为7 mm。网格划分后得到面网格195 226个，体网格1 378 801个，见图2。
1.2热物性参数设置
钛合金喷管所用材料为Ti-6Al-4V合金，利用Pro CAST前处理模块设置其材料属性、接触面传热条件以及浇注参数。铸型材料为石墨，浇注温度为1 730℃，型壳预热温度为50℃。具体热物性参数见表1。
2 数值模拟及实际浇注
对钛合金喷管进行数值模拟，结果显示在铸件壁上出现了大量的缩孔，见图3。前期，在真空电弧凝壳炉上进行了喷管铸件实际浇注，浇注条件与数值模拟条件完全相同，浇注温度为1 730 ℃，型壳预热温度为50℃，重力静止浇注。浇注完成后进行X射线检测。通过与模拟预测缺陷分布对比，发现两者符合较好，证明了模拟的可靠性，见图4。
3 工艺改进及模拟结果
模拟发现由于该铸件体积大，整个铸件为大尺寸环状结构，壁厚均匀，铸件冷却过程中同时凝固，温度梯度小，极易造成缩孔、缩松缺陷。缩松缺陷可以通过热等静压来使其消失，但部分缩孔会未完全压合并且在铸件表面会出现凹坑，后期补焊工作量极大，因此对浇注系统和铸造工艺的改进十分必要。可通过设置冒口和改变型壳预热温度来消除缩孔。
3.1 设置补缩冒口
在铸件壁外侧增加冒口，通过冒口补缩来减少型壁内的缩孔。之所以将冒口设置在型壁外侧是为了方便冒口切割。在喷管壁外侧共设置了1 6个冒口，冒口尺寸为150 mm×100 mm×50 mm。设置冒口分2排，每排沿圆周均布8个，上排冒口上边沿距铸件上边80mm，下排冒口下边沿距铸件下边100 mm，见图5。
数值模拟条件：浇注温度为1 730℃，型壳预热温度为50℃。对比无冒口（见图3）和设置了16个冒口后的铸件缩孔图（见图6），发现设置冒口后缩孔数量大幅减少。改进后仍有部分缩孔存在，但又不能继续增加冒口的厚度和数量，因此需要寻找另一种方案来进一步解决缩孔的问题。
3.2提高型壳预热温度
提高型壳预热温度，可以降低型壳和金属液之间的温度差，增强金属液在型腔内的流动性，从而有效地减少缩孔、缩松。原铸件实际浇注时的型壳预热温度为50℃，改进后选取300、550和800℃，浇注温度仍为1 730℃，改进后数值模拟缩孔的大小分布见图7。
由图7可以看出，随着型壳预热温度提高，缩孔的数量逐渐减少。为了更方便、更直观地观察各方案的缩孔体积，使用Viewer模块中的Cut Off以及Info命令来进行计算，其中孔隙率Cut Off值定为3，即孔隙率高于3%的缩孔将被显示。利用Info命令可以查看缩孔体积大小、密度及质量等信息。分别统计无冒口、有冒口、型壳预热温度为300、550和800℃5种情况下缩孔体积的大小，见表2。
从表2中可以看出，当型壳预热温度为50℃时，设置冒口后比无冒口时的缩孔体积减少了52.8%。除此之外，设置冒口后，随着型壳预热温度的增加，缩孔体积逐渐减小。计算可知，在50～300℃之间，缩孔体积减少率为3.5%；在300～550 ℃之间，减少率为34.2%；在550～800℃之间，减少率为27. 0%。这表明，在300℃以下改变型壳预热温度对缩孔体积的减少作用很小，主要是由于浇注温度高，进入型壳内的金属液与型壳之间温度差仍较大，凝固过程快，导致仍然会产生大量的缩孔。随着型壳温度的升高，金属液与型壳之间温度差明显减小，促进了金属液在型腔内的流动性，从而有效地减少缩孔。550～800℃之间缩孔体积减少率开始减缓，并且随着型壳预热温度的升高，对设备的要求提高，装炉过程中危险性增大，容易造成烫伤。因此在实际浇注过程中，应把型壳预热温度控制在300～550℃之间。
4结 论
(1)石墨型钛合金喷管内部重力铸造过程中会出现大量缩孔。增加16个冒口后，缩孔数量比无冒口时减少了52. 8%。
(2)随着钛合金喷管型壳预热温度的增加，缩孔体积逐渐减少。当型壳预热温度在300℃以下时，对缩孔体积的减少作用很小，当型壳预热温度在550℃以上时，缩孔体积减少率变缓。从实际出发，型壳预热温度控制在300～550℃之间为宜。
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