鈦合金噴管的數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化
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任貴娟1 崔新鵬1 肖強(qiáng)偉1，2 張 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軟件對(duì)某鈦合金噴管鑄件充型及凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示鑄件壁內(nèi)部存在著大量的縮孔，這與實(shí)際澆注結(jié)果相符合。通過模擬，在噴管壁外側(cè)設(shè)置冒口和改變型殼預(yù)熱溫度，改進(jìn)后的方案有效地減少了縮孔的數(shù)量，改善了缺陷情況。
關(guān)鍵詞 鈦合金；數(shù)值模擬；縮孔；工藝優(yōu)化
中圖分類號(hào) TP311; TG146. 23 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05.0]
鈦合金具有一系列優(yōu)良的特性，如密度低、比強(qiáng)度高、良好的耐腐蝕性能和生物相容性，在航空航天、化學(xué)、能源及醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但鈦合金流動(dòng)性差，在凝固過程中極易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，嚴(yán)重影響了鑄件的質(zhì)量。
目前，數(shù)值模擬在鑄造中的應(yīng)用已極為廣泛，通過數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以模擬鑄件凝固過程、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及缺陷，而且可以減少鑄件研制周期，降低研制成本，節(jié)省人工。本課題利用Pro CAST軟件對(duì)某鈦合金噴管充型及凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并完成了工藝改進(jìn)，最終得到了性能良好的鑄件。
1 模型建立與前處理
1.1 幾何模型和有限元模型的建立
運(yùn)用UG軟件建立某鈦合金噴管的幾何模型，其上口直徑為ɸ886 mm，下口直徑為ɸ1 280 mm，高為430mm，鑄件壁厚為20 mm。該鑄件采用重力靜止底注式澆注，鑄件及澆注系統(tǒng)幾何模型見圖1。
運(yùn)用Pro CAST軟件中的Visual Mesh模塊對(duì)噴管及其澆注系統(tǒng)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，其中澆道網(wǎng)格大小為10 mm，鑄件網(wǎng)格大小為7 mm。網(wǎng)格劃分后得到面網(wǎng)格195 226個(gè)，體網(wǎng)格1 378 801個(gè)，見圖2。
1.2熱物性參數(shù)設(shè)置
鈦合金噴管所用材料為Ti-6Al-4V合金，利用Pro CAST前處理模塊設(shè)置其材料屬性、接觸面?zhèn)鳠釛l件以及澆注參數(shù)。鑄型材料為石墨，澆注溫度為1 730℃，型殼預(yù)熱溫度為50℃。具體熱物性參數(shù)見表1。
2 數(shù)值模擬及實(shí)際澆注
對(duì)鈦合金噴管進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示在鑄件壁上出現(xiàn)了大量的縮孔，見圖3。前期，在真空電弧凝殼爐上進(jìn)行了噴管鑄件實(shí)際澆注，澆注條件與數(shù)值模擬條件完全相同，澆注溫度為1 730 ℃，型殼預(yù)熱溫度為50℃，重力靜止?jié)沧�。澆注完成后進(jìn)行X射線檢測(cè)。通過與模擬預(yù)測(cè)缺陷分布對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者符合較好，證明了模擬的可靠性，見圖4。
3 工藝改進(jìn)及模擬結(jié)果
模擬發(fā)現(xiàn)由于該鑄件體積大，整個(gè)鑄件為大尺寸環(huán)狀結(jié)構(gòu)，壁厚均勻，鑄件冷卻過程中同時(shí)凝固，溫度梯度小，極易造成縮孔、縮松缺陷�？s松缺陷可以通過熱等靜壓來使其消失，但部分縮孔會(huì)未完全壓合并且在鑄件表面會(huì)出現(xiàn)凹坑，后期補(bǔ)焊工作量極大，因此對(duì)澆注系統(tǒng)和鑄造工藝的改進(jìn)十分必要。可通過設(shè)置冒口和改變型殼預(yù)熱溫度來消除縮孔。
3.1 設(shè)置補(bǔ)縮冒口
在鑄件壁外側(cè)增加冒口，通過冒口補(bǔ)縮來減少型壁內(nèi)的縮孔。之所以將冒口設(shè)置在型壁外側(cè)是為了方便冒口切割。在噴管壁外側(cè)共設(shè)置了1 6個(gè)冒口，冒口尺寸為150 mm×100 mm×50 mm。設(shè)置冒口分2排，每排沿圓周均布8個(gè)，上排冒口上邊沿距鑄件上邊80mm，下排冒口下邊沿距鑄件下邊100 mm，見圖5。
數(shù)值模擬條件：澆注溫度為1 730℃，型殼預(yù)熱溫度為50℃。對(duì)比無冒口（見圖3）和設(shè)置了16個(gè)冒口后的鑄件縮孔圖（見圖6），發(fā)現(xiàn)設(shè)置冒口后縮孔數(shù)量大幅減少。改進(jìn)后仍有部分縮孔存在，但又不能繼續(xù)增加冒口的厚度和數(shù)量，因此需要尋找另一種方案來進(jìn)一步解決縮孔的問題。
3.2提高型殼預(yù)熱溫度
提高型殼預(yù)熱溫度，可以降低型殼和金屬液之間的溫度差，增強(qiáng)金屬液在型腔內(nèi)的流動(dòng)性，從而有效地減少縮孔、縮松。原鑄件實(shí)際澆注時(shí)的型殼預(yù)熱溫度為50℃，改進(jìn)后選取300、550和800℃，澆注溫度仍為1 730℃，改進(jìn)后數(shù)值模擬縮孔的大小分布見圖7。
由圖7可以看出，隨著型殼預(yù)熱溫度提高，縮孔的數(shù)量逐漸減少。為了更方便、更直觀地觀察各方案的縮孔體積，使用Viewer模塊中的Cut Off以及Info命令來進(jìn)行計(jì)算，其中孔隙率Cut Off值定為3，即孔隙率高于3%的縮孔將被顯示。利用Info命令可以查看縮孔體積大小、密度及質(zhì)量等信息。分別統(tǒng)計(jì)無冒口、有冒口、型殼預(yù)熱溫度為300、550和800℃5種情況下縮孔體積的大小，見表2。
從表2中可以看出，當(dāng)型殼預(yù)熱溫度為50℃時(shí)，設(shè)置冒口后比無冒口時(shí)的縮孔體積減少了52.8%。除此之外，設(shè)置冒口后，隨著型殼預(yù)熱溫度的增加，縮孔體積逐漸減小。計(jì)算可知，在50～300℃之間，縮孔體積減少率為3.5%；在300～550 ℃之間，減少率為34.2%；在550～800℃之間，減少率為27. 0%。這表明，在300℃以下改變型殼預(yù)熱溫度對(duì)縮孔體積的減少作用很小，主要是由于澆注溫度高，進(jìn)入型殼內(nèi)的金屬液與型殼之間溫度差仍較大，凝固過程快，導(dǎo)致仍然會(huì)產(chǎn)生大量的縮孔。隨著型殼溫度的升高，金屬液與型殼之間溫度差明顯減小，促進(jìn)了金屬液在型腔內(nèi)的流動(dòng)性，從而有效地減少縮孔。550～800℃之間縮孔體積減少率開始減緩，并且隨著型殼預(yù)熱溫度的升高，對(duì)設(shè)備的要求提高，裝爐過程中危險(xiǎn)性增大，容易造成燙傷。因此在實(shí)際澆注過程中，應(yīng)把型殼預(yù)熱溫度控制在300～550℃之間。
4結(jié) 論
(1)石墨型鈦合金噴管內(nèi)部重力鑄造過程中會(huì)出現(xiàn)大量縮孔。增加16個(gè)冒口后，縮孔數(shù)量比無冒口時(shí)減少了52. 8%。
(2)隨著鈦合金噴管型殼預(yù)熱溫度的增加，縮孔體積逐漸減少。當(dāng)型殼預(yù)熱溫度在300℃以下時(shí)，對(duì)縮孔體積的減少作用很小，當(dāng)型殼預(yù)熱溫度在550℃以上時(shí)，縮孔體積減少率變緩。從實(shí)際出發(fā)，型殼預(yù)熱溫度控制在300～550℃之間為宜。
