曲面薄壁钛合金铸件变形工艺控制研究

张光

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100094）

钛不是稀有金属，其在地壳中含量最丰富的结构金属中排名第4位，仅次于铝、铁和镁。钛也是一种“贵”金属，获得纯钛的难度大，导致钛合金价格高；钛合金后续加工成本较高；“贵”一定程度上阻碍了钛及钛合金的推广和应用，但是钛及钛合金凭借密度小、比强度高、无毒、无磁、耐腐蚀、生物相容性好等特点，在航空、航天、医疗及石油化工领域仍得到了广泛的应用，被誉为是继钢铁、铝材之后的“第三金属”和“战略金属”[1—5]。国外大型先进的航空涡轮发动机的重要部件，如RB199的中介机匣、CF6-80C的风扇机匣等，都采用了大型复杂薄壁钛合金整体精铸件[6—8]。

局限于钛合金制件的加工难度，对于曲面薄壁钛合金制件而言，熔模精度铸造工艺是成形制件的首选，具有其他工艺不具备的工艺优势，近净成形、金属利用率高、成本低等。熔模精密铸造工艺推动了钛合金在复杂曲面结构件中的应用[9—12]。在钛合金熔模精密铸造过程中，由于钛合金热导率低，熔融态钛合金过热度低，金属液在复杂、薄壁型腔内流动性差，金属液补缩能力差，铸件内部易出现缩松、缩孔缺陷，复杂薄壁钛合金铸件在排缺补焊过程中会出现变形，导致生产成本增加甚至铸件报废。钛合金铸件曲面一般有面轮廓度尺寸要求，要求曲面满足形状尺寸和位置尺寸两方面的要求，且尺寸精度一般为±0.75 mm，实现难度较大。目前，较多采用补焊、精整打磨、校型等工艺修复曲面薄壁钛合金铸件变形，铸件研制周期长、成本高、修复率低，研究一种控制曲面薄壁钛合金铸件变形的工艺，有效控制变形，并得到推广，可以拓展钛合金铸件在曲面薄壁结构件中的应用范围。

文中以国外某型发动机出气管钛合金铸件为研究对象，拟从复杂薄壁件的模具设计、蜡模压制、成形工艺、热处理工艺几个方面开展研究，探究影响曲面薄壁钛合金铸件变形的主要因素，为深一步研究变形规律奠定基础。

1 研究方法

铸件采用熔模精密铸造工艺进行研制，共8种图号，结构类似，包含筒体、安装边、圆管3个结构，高300 mm，长254 mm，宽120 mm，整体壁厚1.875 mm，质量约1.5 kg。安装边壁厚1.875 mm，面轮廓度要求±0.5 mm，且存在加强筋，无法通过校型、焊接工艺修复变形，安装边一旦出现变形，超出面轮廓度控制要求，修复难度大，甚至报废，见图1。铸件沿圆管轴向剖开，测量剖面厚区尺寸，可以看出厚区尺寸集中在R转接处及铸件加工面，厚度在6～10 mm之间，是筒体壁厚的3～5倍，铸件各位置收缩差异大，易变形，见图2。由于铸件整体壁厚1.875 mm，金属液充型通道狭窄，厚薄差距大，加上ZTC4钛合金过热度低等因素，金属液充填型腔能力一般，补缩能力差，铸件浇注成形时易出现缩松、缩孔缺陷，修复缺陷易导致铸件变形。文中以其中一件出气管铸件为例，结合计算机模拟仿真成形技术，研究该类铸件防变形工艺方案。

图1 出气管变形位置及变形量Fig.1 Deformation position and deformation amount of outlet pipe

图2 某型发动机出气管铸件剖面Fig.2 Profile for intake pipe casting of a certain type of engine

1.1 计算机模拟仿真（组模工艺设计）

资料显示[3—5]，所有 CAE用户都不会否认目前模拟软件对铸件的凝固过程、热节、温度梯度、冒口补缩状态、液相孤立区以及缩孔缩松的预测已经可以有效指导实际生产。根据铸件薄壁、异形、安装边面轮廓度要求高等结构特点，设计出气管组模工艺。

1.2 模具设计

图3 模具Fig.3 Mould

模具选用锻铝材质进行制作，其实物见图3，根据零件结构特点，选用合适的收缩率：整体收缩率0.5%，酸洗量单边 0.2 mm，个别厚大区域及凸台收缩率按1%。

1.3 热处理工艺设计

依据客户提供的技术条件，确定热等静压参数，铸造包括温度、压力、保压时间、出炉温度，具体参数见表1。

表1 铸件热等静压参数Tab.1 HIP parameter of casting

分析铸件特点及热等静压过程中易变形的区域，确定铸件热等静压过程中的放置方式，以铸件口部端面为放置平面，竖直放置在热等静压工装上，其摆放方式见图4。

图4 热等静压摆放方式Fig.4 Display during HIP

1.4 检测方法

出气管铸件面轮廓度要求1 mm，且多为曲面形状，在蜡模检测、铸件检测方面，选用关节臂扫描方式，精度0.02 mm。

为便于对比分析，将出气管S面按“米”字型分为8个区域，在易变形的4个角上选取2个点，其余位置选取一个点进行测量，共计 12个测量点，标识为S1, S2, ..., S12，见图5。

图5 检测位置Fig.5 Measure points

2 研究结果

2.1 计算机模拟仿真结果

成形方案一：铸件侧卧式组模，浇口搭接在安装边一侧，引出内浇口与安装边4个角搭接，筒体侧壁设置一个浇口；成形方案二：铸件直立组模，在筒体底部端面设置4个内浇口，计算机模拟浇注过程见图6。利用Visual-Cast前处理模块对有限元模型进行材料性能、边界条件、初始条件等参数设置[5]，铸件与铸型的界面传热系数h=750 W/(m2·K)，浇注时间6 s，采用离心浇注，转速260 r/min，铸件冷却至200 ℃时停止模拟。

图6 计算机模拟浇注过程Fig.6 Computer simulation of casting process

冶金缺陷出现的位置见图7，可以看出，两种组模方案均存在大小不同、数量不等的缩松、缩孔缺陷，缺陷出现集中在厚大区域，大部分缺陷远离内浇口。圆管的根部和口部出现缩松、缩孔缺陷。侧卧式比直立式缺陷少，且分布更有规律性，更容易在工艺优化中减少或消除缺陷。经过计算机模拟仿真确认，铸件应变主要在圆管根部、浇口等位置，最大变形量约0.5 mm。铸件等效应变分布见图8。

2.2 蜡模检测结果

蜡模变形检测结果见图9，对蜡模进行关节臂扫描检测，标示出 S1～S12测量点的变形量。由图 9可以看出，蜡模左上角、右上角（浇口）区域发生了明显变形，最大变形量0.44 mm，超出了蜡模±0.2 mm控制要求，接近铸件±0.50 mm控制要求。

图7 冶金缺陷出现的位置Fig.7 Location of metallurgical defects

图8 铸件等效应变分布Fig.8 Effective strain distribution of casting

图9 蜡模变形检测结果(mm)Fig.9 Testing results of wax deformation (mm)

2.3 铸件浇注后检测结果

铸件浇注浇注成形后S面12个测量点变形量见图10。可以看出，铸件S面变形量由-0.21～0.24 mm，变形区域位于铸件浇口附近。

图10 铸件变形检测结果(mm)Fig.10 Testing results of casting deformation (mm)

2.4 铸件热处理检测结果

铸件热等静压后变形测量结果见图11，可以看出，铸件最大变形量0.43 mm，变形位置发生在浇口附近。

图11 铸件热等静压后变形检测结果(mm)Fig.11 Testing results of casting deformation after HIP (mm)

3 结论

1) 试验中采用的数模分别是蜡模数模、铸件浇注后数模、铸件热等静压后数模，其关系为：

蜡模数模=（铸件浇注后数模）×蜡模-铸件收缩率=（铸件热等静压后数模+单边酸洗量）×蜡模-铸件收缩率。

2) 出气管铸件蜡模和热等静压是变形的主要阶段，蜡模变形量约为0.2～0.4 mm，热等静压过程变形量约为 0.5 mm。出气管蜡模放置一段时间后，变形量减少约 0.2 mm，即蜡模放置阶段变形方向与已有变形方向相反。蜡模组模方向与放置方向一致，一定程度上减少了涂料过程中的变形。

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