两种铸造模拟软件在钛合金铸件研制中的应用对比

李峰，崔新鹏，王丽娟，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. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094）

传统熔模铸造的工艺方案设计及优化主要凭借产品工程师的工作经验和物理实验，为了生产出合格铸件，在正式投产前往往需要经过多次试制，但是工程师对于铸件质量的把控缺乏科学的理论依据，采用这种试错方法，增加了产品的研发周期和企业成本并且铸件的质量也难以保证[1—3]，已经不能满足现代铸造企业数字化、高效率、低能耗的发展要求[4]。随着 CAE仿真技术的发展，传统铸造方法结合计算机技术的应用，越来越得到铸造企业的认可。铸造模拟软件在降低企业成本、减少生产周期、提高铸件质量等方面具有重大作用，可以为企业带来明显的经济效益[5]。

目前商业化的铸造模拟软件有很多，国内如华中科技大学的华铸 CAE、清华大学的 FT-STAR，国外如法国ESI的ProCAST、美国的FLOW-3D、德国的MAGMA等[6]。文中针对广泛应用的两种模拟软件华铸CAE和ProCAST来开展研究，对比分析两种软件在钛合金铸件模拟方面的差异和准确性。

1 软件特点

华铸 CAE为华中科技大学自主研发的铸造模拟软件，自1985年起，至今已有30余年的历史，是基于有限差分 FDM 原理来解析流动传热和应力问题，可以模拟分析大部分铸造类型的流动和温度场分析，但是还不具备应力场分析功能，文件导入接口也只有STL格式[7—8]。ProCast软件为法国ESI公司开发的铸造模拟软件，采用有限元FEM方法来解析传热、流体、应力等问题，可以预测缩孔缩松、浇不足、冷隔等铸造缺陷，并且可以对应力变形、微观组织等进行模拟仿真分析，适用于砂型、金属型、熔模铸造、消失模铸造、压力铸造、离心铸造、连铸等铸造工艺[9]。两种软件在国内外铸造行业以及铸造学术界均具有较大的影响。

两种数值计算方法相比，有限元法适合处理复杂区域，精度高但是内存和计算量巨大，而有限差分(FDM)不能进行应力分析，处理不规则区域难度大，与模型拟合较差，对区域的连续性要求较严[10]。两种软件特点的对比见表1[11—13]。

表1 两种软件特点对比Tab.1 Comparison of two kinds of software

2 数值模拟

2.1 结构分析及网格剖分

选取的铸件为典型的环形类钛合金铸件，铸件模型及网格剖分见图1，具体尺寸如下：下环半径为141 mm，上环半径为123 mm，高度为236 mm，下部附有3个弯管，见图1a。华铸CAE采用有限差分的方法剖分网格，网格总数为2 912 000个，见图1b，可以看出，网格剖分边界呈阶梯状，与模型拟合较差。Procast软件采用有限元方法剖分网格，网格总数为2 380 287个，见图1c，拟合较好。

图1 铸件模型及网格剖分Fig.1 Model and mesh generation of casting

2.2 参数设置

两种软件都有相应的数据库，同时ProCast软件还可以根据合金成分进行热力学计算，得到材料的热物性参数。铸件材料为 Ti-6Al-4V，模壳材料选择硅砂（因为两种软件中的钛合金铸造用模壳材料热物性数值不适合钛合金精铸模拟，因此模拟中选用硅砂），浇注温度为1720 ℃，模壳预热温度为200 ℃，静止浇注。铸件材料热物性参数见表2。

表2 铸件材料的热物性参数Tab.2 Parameters for thermophysical properties of casting material

3 验证试验

为了验证模拟结果的准确性，按照设计的环形类钛合金铸件浇注系统工艺方案进行了实际浇注试验。铸件材质为Ti-6Al-4V，模壳面层材料为Y2O3，背层材料为Al2O3，模壳厚度约为15 mm。采用真空自耗凝壳炉进行了静止浇注，铸件成形完整，没有出现跑火等浇注异常，该实验结果可以用于模拟结果的验证。成形铸件见图2。针对浇注出的铸件进行了X射线无损检测，获得了铸件内部缩孔缺陷分布底片。

图2 浇注完成后的左右半铸件Fig.2 Left and right half of casting after pouring

4 模拟结果分析

4.1 凝固过程分析

针对环形类钛合金铸件实际浇注实验设计的浇注系统工艺方案，采用两种模拟软件进行了模拟充型和凝固模拟研究。温度场的计算是凝固模拟计算的基础，Procast和华铸CAE模拟不同时刻固相率的变化分别见图3和图4。可以看出两种软件模拟出的凝固过程基本一致，都是铸件外壁首先开始凝固，下部弯管冷却较快，法兰边及凸台厚大区域冷却缓慢，铸件上的拐角及圆角散热较差，凝固过程较为缓慢，从图3b红色圆环位置可以看出，凝固过程中形成了孤立液相区，补缩通道中断，此处很有可能形成缩孔缺陷。

4.2 缩孔分析

钛合金铸造缺陷主要有缩孔、缩松、夹杂、气孔等，对于小尺寸缩孔和气孔可以通过热等静压来压合，而对于大尺寸缩孔必须进行补焊处理[14—15]。ProCast预测的铸件内缩孔的位置见图 5，按照经验ProCast软件孔隙率选择0.3，从图5可以看到，缩孔主要分布在铸件外轮廓上的凸台，弯管法兰及铸件左右连接的热节处，这与凝固过程的预测相吻合。华铸CAE预测的铸件内缩孔的位置见图 6，参照ProCast孔隙率选择0.3，可以看出，与ProCast软件预测结果不同的是，铸件外轮廓上的凸台未见明显缩孔，侧冒口根部存在缩孔，其他位置基本相同。分析结果差异的原因是两种软件的缩孔判据不一样，当选择同一孔隙率时，缩孔预测结果会出现一定差异。这说明针对不同的模拟软件，孔隙率不能选取同样的数值，否则会出现模拟结果局部不一致的现象。

为了验证两种软件预测的准确性，对试验铸件进行了X射线探伤，检测结果见图7。铸件实际缩孔位置与两种软件的模拟结果吻合很好，缩孔形貌多呈长条圆弧状，这证明了两种模拟软件都适合钛合金精铸模拟，可以用于铸造工艺优化，从而逐渐代替传统的凭经验和多次物理实验相结合的落后工艺优化方法，促进钛合金精铸技术的数字化、智能化发展。

图3 ProCast中铸件凝固过程分析Fig.3 Analysis on solidification process of casting in ProCast package

图4 华铸CAE中铸件凝固过程分析Fig.4 Analysis on solidification process of casting in Huazhu CAE package

图5 ProCast预测的缩孔缺陷位置Fig.5 Shrinkage porosity prediction by ProCast

图6 华铸CAE预测的缩孔缺陷位置Fig.6 Shrinkage porosity location predicted by Huazhu CAE

图7 实际缩孔位置Fig.7 Location of actual shrinkage porosity

5 结论

利用华铸CAE和ProCast软件对同一钛合金铸件进行了数值模拟计算，并对两种软件在方面网格剖分、温度场模拟、缩孔缺陷预测进行了比较，得出了以下结论。

1) 华铸CAE采用有限差分方法，剖分网格简单，计算时间短，但是模型边界拟合较差。ProCast软件采用有限元方法，剖分网格复杂，计算时间长，模型拟合精度高，能更好的反映复杂铸件的形状。

2) 在温度场预测方面，两种软件预测结果基本一致，凝固过程的变化都是铸件外壁首先开始凝固，下部弯管冷却较快，法兰边及凸台厚大区域冷却缓慢，铸件上的拐角及圆角散热较差，凝固过程较为缓慢。

3) 在缩孔位置预测方面，当选择同一空隙率时，两种软件模拟出的缩孔位置略有差异，这说明针对不同的模拟软件，孔隙率不能选取同样的数值，否则会出现模拟结果局部不一致的现象。结合实际探伤结果验证，两种软件都可以准确地预测到弯管法兰及铸件左右连接热节位置的缩孔。

4) 通过ProCast软件和华铸CAE在同一钛合金铸件上应用对比，数值模拟技术可以很好的预测铸件内缩孔缺陷，可以显著降低企业成本，减少重复试验，为解决工程问题提供极大的帮助。实际企业生产过程中，应结合两种软件的优势，在研发周期短、计算机运算速度慢的条件下，可采用华铸CAE进行数值模拟；在研发周期长、计算机运算速度快或者需要应力变形模拟时，可采用ProCast软件进行模拟。

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