某种钛合金精密成形铸件铸造变形的数值模拟

崔新鹏，孙志雨，李峰，李建崇，南海，周黔

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

钛合金由于具有高的比强度和比模量，良好的高温抗氧化和耐腐蚀性能，因而在航空航天、化工、海洋工程等领域得到大量使用[1—3]。随着工业技术的发展与推动，金属产品制造业向近净成形方向发展。铸造技术一直被认为优于锻造和机加，用于制造复杂结构部件[4]。采用精密铸造方法生产的钛合金铸件尺寸精度高、表面质量好、加工余量少，其应用日益广泛[5]。

钛合金精密成形铸件通常壁薄、结构复杂且形状不规则，在铸造过程中易产生欠铸、缩孔、应力变形等冶金缺陷，缺乏有效控制手段[6]。随着计算机软硬件的发展，数值模拟技术应用于铸造领域，在优化工艺、提升质量等方面发挥了重要作用[7—8]。K. Suzuki等使用二维模拟算法预测钛合金离心充填过程[9]，L.Yang等针对TiAl合金的流动成形过程开展了模拟研究[10]，Wu Shi Ping等利用CA模型研究了钛合金晶粒的模拟方法[11]，Adrian等模拟研究了铝合金的铸造变形和尺寸变化[12]。可以看到，对于熔点很高的钛合金，虽然充型模拟研究较多，但应力变形模拟则相对不足[13—14]。文中针对某典型钛合金铸件开展铸造应力变形模拟仿真，探讨建模方法与参数设置，评价模拟准确率，为工程应用提供参考。

1 模型构建与前处理

1.1 铸件模型与网格划分

选取某薄板型钛合金铸件作为典型件进行数值模拟。铸件的结构见图1，其轮廓尺寸为345 mm×233 mm×37 mm，最大壁厚7.5 mm，最小壁厚2.2 mm。铸件分为左件和右件，其结构镜像对称。组焊蜡模时将左、右件用6根加强筋相连，下部添加8个浇口，共两组放置在浇道的两侧，见图 2。利用 ProCAST对模组三维模型划分四面体网格，铸件网格边长为4 m，型壳厚度15 mm，体网格数量约200万。

图1 铸件轮廓Fig.1 Profile of casting

1.2 前处理设置

为获得准确的变形结果需考虑影响铸造变形的主要环节。铸件应力模拟采用三步法，依次模拟充型凝固、型壳内冷却和脱壳后冷却过程，且前一步模拟结果为后一步模拟的初始条件。铸件材料选用Ti-6Al-4V[15]，模壳材料参数选用 ProCAST材料数据库中的CBSMS-M砂，材料参数值见表1。应用Visual-Cast设置模拟参数：浇注时间为5 s，浇注温度1720 ℃，型壳预热温度200 ℃，金属-铸型界面换热系数h＝600 W/(m2·K)，离心转速 180 r/min，环境温度为25 ℃。型壳内冷却时间100 min，脱壳后冷却时间30 min，计算结束时铸件全部冷却至100 ℃以下。

图2 三维模拟模型Fig.2 3-D models for simulation

钛合金铸造成形经历 1700 ℃至室温的温度历程，期间经历液态、高温蠕变、低温弹塑性等多种力学行为状态，若要在应力变形模拟中考虑全部各状态，不仅模拟时间将大幅延长，而且某些参数难以获得反而导致准确率下降。事实上，在精密铸造中，钛合金在液态和高温蠕变态的停留时间相对很短，对最终变形量的影响微小，可以进行适当简化。文中在应力计算时，铸件材料在固相率高于50%时设置为弹塑性，低于50%则关闭应力计算。另外陶瓷型壳属于脆性材料，塑性较差，可假设其在整个铸造过程中仅发生弹性形变，因此选用弹性模型。

表1 铸件和模壳材料的热物性参数Tab.1 Thermophysical properties of casting and shell material

2 实验设计与实施

为评价及验证模拟结果，根据模拟模型设计了浇注验证实验。实验模组与模拟采用的三维模型一致，确保模拟与实验结果具有可比性。实验包含蜡模组焊、型壳制备、浇注、清壳和吹砂等流程，模壳总厚度约为15 mm，脱蜡后的模壳情况见图3。铸件材料为 Ti-6Al-4V，采用真空自耗凝壳炉进行离心浇注，离心转速为180 r/min，模壳预热温度设定为200 ℃。浇注成形的铸件见图4。使用EV4030型激光影像仪对铸件和蜡模进行尺寸测量，并与模拟预测的变形结果进行对比分析，评价模拟结果的准确率。

图3 陶瓷模壳Fig.3 Ceramic shell

图4 浇注完成后的铸件Fig.4 Casting after pouring

3 模拟结果与分析

3.1 铸件充型凝固过程分析

凝固模拟过程中不同时间点的铸件温度场分布见图5。可知，浇注开始后80 s铸件本体即全部凝固完毕。铸件在冷却过程中温度分布不均，中心薄壁部位冷却快、温度较低，而边缘厚大部位冷却慢、温度较高。此外铸件靠近浇口部位温度较高，属于铸件的热节区域。冷却速率分布的不均导致铸件受到热应力的影响，其中中心部位壁厚较薄，变形抗力较差，容易发生铸造变形。

3.2 铸件变形分析

选取与铸件大平面垂直的x方向，分析铸件的弯曲变形。模拟结束时铸件x方向的位移见图6，分析模拟结果可知，铸件中心平面部位（图中位置1）在热应力的影响下向外侧突起，而上部厚大加强筋（位置 2、3）蓄热能力相对较强，脱壳后会继续冷却收缩导致附近面凹陷，另外左件的变形量大于右件，原因是右件与直浇道间夹有厚大型壳，型壳的蓄热作用使右件各部位的温差减小，热应力和变形也相对减小。实验铸件的尺寸测量情况见图7，结果显示实验铸件中心部位向外凸起、上部加强筋部位向内凹陷，且左件变形量大于右件，这说明实验结果与模拟预测的变形趋势吻合很好，验证了模拟的准确性。

以图6中位置1与位置2、3的位移差作为参考变形量，对模拟和实验结果进行对比，结果见表2。对于铸件左件，模拟预测的变形量小于实验变形量，准确率分别为60.5%与72.2%，模拟与实验结果的吻合度较高；对于铸件右件，模拟预测的变形量同样小于实验变形量，位置 1、3之间位移差的预测准确率为 72.1%，而对于位置 1、2之间的位移差，预测准确率仅有43.7%。实验右件在位置2处存在表面凹坑，很可能是缩孔被热等静压闭合后产生的表面缺陷，非铸造变形所致，而本次模拟并未考虑缩孔因素，因此带来较大误差。

综上所述，不考虑意外误差，铸件的变形位置得到预测，变形量的模拟准确率约在 60%～72%之间，表明模拟仿真能较准确预测变形趋势，而在定量预测方面也具有较高的参考价值。随着钛合金高温力学参数和力学模型的不断完善，铸造变形定量模拟预测的准确率有望继续提高。

图5 浇注开始后铸件温度场模拟结果Fig.5 Simulation results of temperature field after starting pouring

图6 模拟结束时铸件x方向的位移Fig.6 Displacement in x direction of casting at the end of simulation

图7 实验铸件的扫描成像结果Fig.7 Scanning images of experimental casting

表2 模拟与实验的铸件变形量对比Tab.2 Comparison between deformation amount of simulation and experiment

4 结论

1) 模拟的变形趋势为中间部位向外侧凸起，加强筋部位向内侧凹陷，且右件的变形量小于左件。实验的变形趋势与模拟结果基本吻合，表明模拟仿真能准确预测变形趋势。

2) 模拟变形量的预测准确率在60%～72%之间，表明铸造变形的定量模拟结果具有较高的参考价值。

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