張光

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

鈦不是稀有金屬，其在地殼中含量最豐富的結(jié)構(gòu)金屬中排名第4位，僅次于鋁、鐵和鎂。鈦也是一種“貴”金屬，獲得純鈦的難度大，導(dǎo)致鈦合金價(jià)格高；鈦合金后續(xù)加工成本較高；“貴”一定程度上阻礙了鈦及鈦合金的推廣和應(yīng)用，但是鈦及鈦合金憑借密度小、比強(qiáng)度高、無(wú)毒、無(wú)磁、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，在航空、航天、醫(yī)療及石油化工領(lǐng)域仍得到了廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為是繼鋼鐵、鋁材之后的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”[1—5]。國(guó)外大型先進(jìn)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，如RB199的中介機(jī)匣、CF6-80C的風(fēng)扇機(jī)匣等，都采用了大型復(fù)雜薄壁鈦合金整體精鑄件[6—8]。

局限于鈦合金制件的加工難度，對(duì)于曲面薄壁鈦合金制件而言，熔模精度鑄造工藝是成形制件的首選，具有其他工藝不具備的工藝優(yōu)勢(shì)，近凈成形、金屬利用率高、成本低等。熔模精密鑄造工藝推動(dòng)了鈦合金在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用[9—12]。在鈦合金熔模精密鑄造過(guò)程中，由于鈦合金熱導(dǎo)率低，熔融態(tài)鈦合金過(guò)熱度低，金屬液在復(fù)雜、薄壁型腔內(nèi)流動(dòng)性差，金屬液補(bǔ)縮能力差，鑄件內(nèi)部易出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件在排缺補(bǔ)焊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變形，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加甚至鑄件報(bào)廢。鈦合金鑄件曲面一般有面輪廓度尺寸要求，要求曲面滿足形狀尺寸和位置尺寸兩方面的要求，且尺寸精度一般為±0.75 mm，實(shí)現(xiàn)難度較大。目前，較多采用補(bǔ)焊、精整打磨、校型等工藝修復(fù)曲面薄壁鈦合金鑄件變形，鑄件研制周期長(zhǎng)、成本高、修復(fù)率低，研究一種控制曲面薄壁鈦合金鑄件變形的工藝，有效控制變形，并得到推廣，可以拓展鈦合金鑄件在曲面薄壁結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用范圍。

文中以國(guó)外某型發(fā)動(dòng)機(jī)出氣管鈦合金鑄件為研究對(duì)象，擬從復(fù)雜薄壁件的模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)褐啤⒊尚喂に?、熱處理工藝幾個(gè)方面開展研究，探究影響曲面薄壁鈦合金鑄件變形的主要因素，為深一步研究變形規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

鑄件采用熔模精密鑄造工藝進(jìn)行研制，共8種圖號(hào)，結(jié)構(gòu)類似，包含筒體、安裝邊、圓管3個(gè)結(jié)構(gòu)，高300 mm，長(zhǎng)254 mm，寬120 mm，整體壁厚1.875 mm，質(zhì)量約1.5 kg。安裝邊壁厚1.875 mm，面輪廓度要求±0.5 mm，且存在加強(qiáng)筋，無(wú)法通過(guò)校型、焊接工藝修復(fù)變形，安裝邊一旦出現(xiàn)變形，超出面輪廓度控制要求，修復(fù)難度大，甚至報(bào)廢，見圖1。鑄件沿圓管軸向剖開，測(cè)量剖面厚區(qū)尺寸，可以看出厚區(qū)尺寸集中在R轉(zhuǎn)接處及鑄件加工面，厚度在6～10 mm之間，是筒體壁厚的3～5倍，鑄件各位置收縮差異大，易變形，見圖2。由于鑄件整體壁厚1.875 mm，金屬液充型通道狹窄，厚薄差距大，加上ZTC4鈦合金過(guò)熱度低等因素，金屬液充填型腔能力一般，補(bǔ)縮能力差，鑄件澆注成形時(shí)易出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，修復(fù)缺陷易導(dǎo)致鑄件變形。文中以其中一件出氣管鑄件為例，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真成形技術(shù)，研究該類鑄件防變形工藝方案。

圖1 出氣管變形位置及變形量Fig.1 Deformation position and deformation amount of outlet pipe

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)出氣管鑄件剖面Fig.2 Profile for intake pipe casting of a certain type of engine

1.1 計(jì)算機(jī)模擬仿真（組模工藝設(shè)計(jì)）

資料顯示[3—5]，所有 CAE用戶都不會(huì)否認(rèn)目前模擬軟件對(duì)鑄件的凝固過(guò)程、熱節(jié)、溫度梯度、冒口補(bǔ)縮狀態(tài)、液相孤立區(qū)以及縮孔縮松的預(yù)測(cè)已經(jīng)可以有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。根據(jù)鑄件薄壁、異形、安裝邊面輪廓度要求高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出氣管組模工藝。

1.2 模具設(shè)計(jì)

圖3 模具Fig.3 Mould

模具選用鍛鋁材質(zhì)進(jìn)行制作，其實(shí)物見圖3，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用合適的收縮率：整體收縮率0.5%，酸洗量單邊 0.2 mm，個(gè)別厚大區(qū)域及凸臺(tái)收縮率按1%。

1.3 熱處理工藝設(shè)計(jì)

依據(jù)客戶提供的技術(shù)條件，確定熱等靜壓參數(shù)，鑄造包括溫度、壓力、保壓時(shí)間、出爐溫度，具體參數(shù)見表1。

表1 鑄件熱等靜壓參數(shù)Tab.1 HIP parameter of casting

分析鑄件特點(diǎn)及熱等靜壓過(guò)程中易變形的區(qū)域，確定鑄件熱等靜壓過(guò)程中的放置方式，以鑄件口部端面為放置平面，豎直放置在熱等靜壓工裝上，其擺放方式見圖4。

圖4 熱等靜壓擺放方式Fig.4 Display during HIP

1.4 檢測(cè)方法

出氣管鑄件面輪廓度要求1 mm，且多為曲面形狀，在蠟?zāi)z測(cè)、鑄件檢測(cè)方面，選用關(guān)節(jié)臂掃描方式，精度0.02 mm。

為便于對(duì)比分析，將出氣管S面按“米”字型分為8個(gè)區(qū)域，在易變形的4個(gè)角上選取2個(gè)點(diǎn)，其余位置選取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，共計(jì) 12個(gè)測(cè)量點(diǎn)，標(biāo)識(shí)為S1, S2, ..., S12，見圖5。

圖5 檢測(cè)位置Fig.5 Measure points

2 研究結(jié)果

2.1 計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果

成形方案一：鑄件側(cè)臥式組模，澆口搭接在安裝邊一側(cè)，引出內(nèi)澆口與安裝邊4個(gè)角搭接，筒體側(cè)壁設(shè)置一個(gè)澆口；成形方案二：鑄件直立組模，在筒體底部端面設(shè)置4個(gè)內(nèi)澆口，計(jì)算機(jī)模擬澆注過(guò)程見圖6。利用Visual-Cast前處理模塊對(duì)有限元模型進(jìn)行材料性能、邊界條件、初始條件等參數(shù)設(shè)置[5]，鑄件與鑄型的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=750 W/(m2·K)，澆注時(shí)間6 s，采用離心澆注，轉(zhuǎn)速260 r/min，鑄件冷卻至200 ℃時(shí)停止模擬。

圖6 計(jì)算機(jī)模擬澆注過(guò)程Fig.6 Computer simulation of casting process

冶金缺陷出現(xiàn)的位置見圖7，可以看出，兩種組模方案均存在大小不同、數(shù)量不等的縮松、縮孔缺陷，缺陷出現(xiàn)集中在厚大區(qū)域，大部分缺陷遠(yuǎn)離內(nèi)澆口。圓管的根部和口部出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷。側(cè)臥式比直立式缺陷少，且分布更有規(guī)律性，更容易在工藝優(yōu)化中減少或消除缺陷。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真確認(rèn)，鑄件應(yīng)變主要在圓管根部、澆口等位置，最大變形量約0.5 mm。鑄件等效應(yīng)變分布見圖8。

2.2 蠟?zāi)z測(cè)結(jié)果

蠟?zāi)Ｗ冃螜z測(cè)結(jié)果見圖9，對(duì)蠟?zāi)＿M(jìn)行關(guān)節(jié)臂掃描檢測(cè)，標(biāo)示出 S1～S12測(cè)量點(diǎn)的變形量。由圖 9可以看出，蠟?zāi)Ｗ笊辖?、右上角（澆口）區(qū)域發(fā)生了明顯變形，最大變形量0.44 mm，超出了蠟?zāi)！?.2 mm控制要求，接近鑄件±0.50 mm控制要求。

圖7 冶金缺陷出現(xiàn)的位置Fig.7 Location of metallurgical defects

圖8 鑄件等效應(yīng)變分布Fig.8 Effective strain distribution of casting

圖9 蠟?zāi)Ｗ冃螜z測(cè)結(jié)果(mm)Fig.9 Testing results of wax deformation (mm)

2.3 鑄件澆注后檢測(cè)結(jié)果

鑄件澆注澆注成形后S面12個(gè)測(cè)量點(diǎn)變形量見圖10?？梢钥闯?，鑄件S面變形量由-0.21～0.24 mm，變形區(qū)域位于鑄件澆口附近。

圖10 鑄件變形檢測(cè)結(jié)果(mm)Fig.10 Testing results of casting deformation (mm)

2.4 鑄件熱處理檢測(cè)結(jié)果

鑄件熱等靜壓后變形測(cè)量結(jié)果見圖11，可以看出，鑄件最大變形量0.43 mm，變形位置發(fā)生在澆口附近。

圖11 鑄件熱等靜壓后變形檢測(cè)結(jié)果(mm)Fig.11 Testing results of casting deformation after HIP (mm)

3 結(jié)論

1) 試驗(yàn)中采用的數(shù)模分別是蠟?zāi)?shù)模、鑄件澆注后數(shù)模、鑄件熱等靜壓后數(shù)模，其關(guān)系為：

蠟?zāi)?shù)模=（鑄件澆注后數(shù)模）×蠟?zāi)?鑄件收縮率=（鑄件熱等靜壓后數(shù)模+單邊酸洗量）×蠟?zāi)?鑄件收縮率。

2) 出氣管鑄件蠟?zāi)：蜔岬褥o壓是變形的主要階段，蠟?zāi)Ｗ冃瘟考s為0.2～0.4 mm，熱等靜壓過(guò)程變形量約為 0.5 mm。出氣管蠟?zāi)７胖靡欢螘r(shí)間后，變形量減少約 0.2 mm，即蠟?zāi)７胖秒A段變形方向與已有變形方向相反。蠟?zāi)＝M模方向與放置方向一致，一定程度上減少了涂料過(guò)程中的變形。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬洪亮. 鈦合金離心鑄造充型與傳熱過(guò)程耦合模擬軟件系統(tǒng)的改進(jìn)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.MA Hong-liang. Imrrovements on the Software System for Simulations of Centrifugal Mold-Filling and Coupled Heat-Transfer Processes of Titanium Castings[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2006.

[2] 徐達(dá)鳴, 李鑫, 安閣英, 等. 鈦合金離心精密鑄造充型過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬[J]. 鑄造, 2002, 51(1): 39—43.XU Da-ming, LI Xin, AN Ge-ying, et al. Computer Simulation for Centrifugal Mold-filling of Precision Titanium Casting[J]. Foundry, 2002, 51(1): 39—43.

[3] 李建, 張文超. 組合彎曲成型 TC4板材的有限元力學(xué)模型[J]. 稀有金屬材料與工程, 2009, 38(1): 403—405.LI Jian, ZHANG Wen-chao. Finite Element Mechanics Models of Combined Bending and Forming TC4 Sheet[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2009, 38(1):403—405.

[4] 葉勇, 王金彥. 鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及加工技術(shù)發(fā)展概況[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2012, 26(2): 360—363.YE Yong, WANG Jin-yan. An Overview on Application Status and Processing Technology Development of Titanium Alloy[J]. Materials Review, 2012, 26(2): 360—363.

[5] 龐盛永, 陳立亮, 周建新, 等. 鑄造充型過(guò)程模擬中復(fù)雜固壁法向量計(jì)算方法研究[J]. 鑄造, 2010, 59(4):363—366.PANG Sheng-yong, CHEN Li-liang, ZHOU Jian-xin, et al. Normal Calculation of Complex Mould in Casting's Mold Filling Simulation[J]. Foundry, 2010, 59(4):363—366.

[6] 王新英, 謝成木. ZTC4鈦合金固溶時(shí)效熱處理工藝研究[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2002, 38(1): 89—92.WANG Xin-ying, XIE Cheng-mu. Study on Solution-Aging Heat Treatment of ZTC4 Titanium Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2002, 38(1): 89—92.

[7] 楊銳, 崔玉友, 賈清, 等. 大尺寸薄壁鈦合金筒體結(jié)構(gòu)的離心精密鑄造[J]. 宇航材料工藝, 2013, 43(3): 56—59.YANG Rui, CUI Yu-you, JIA Qing, et al. Centrifugal Casting of Large Thin-Wall Cylindrical Structure of Titanium Alloys[J]. Aerospace Materials & Technology, 2013,43(3): 56—59.

[8] BARBOSAJ, RIBEIROC S. Influence of Superheating on Casting of Gamma-TiAl[J]. Intermatallics, 2007, 15:945—955.

[9] SUZUKI K, NISHIKAWA K, WATAKABE S. Mold Filling and Solidification during Centrifugal Percision Casting of Ti-6Al-4V Alloy[J]. Materials Transactions JIM, 1996, 37(12): 1793—1801.

[10] 范興平, 王軍. 鈦及鈦合金的成型方法及應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(2): 349—367.FAN Xing-ping, WANG Jun. Processing Methods and Application of Titanium and Its Alloys[J]. Materials Review, 2013, 27(2): 349—367.

[11] 馮芝華, 王紅紅, 謝成木, 等. 熱工藝對(duì)ZTC4(Ti-6Al-4V)鈦合金鑄件殘余應(yīng)力的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 25—27.FENG Zhi-hua, WANG Hong-hong, XIE Cheng-mu, et al.Effect of Heat Processing on Titanium Alloy(Ti-6Al-4V)Castings Residual Stress[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2005, 25(3): 25—27.

[12] 李超. 鈦合金鑄件應(yīng)力的測(cè)量與數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.LI Chao. Numerical Simulation and Emasurement of Stress Field about Ti-6Al-4V Casting[J]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006.