鈦合金異形薄壁殼體鑄造工藝數值模擬及優化

陳正陽，楊樹峰，謝錦麗，于鴻垚，畢中南，張繼

　　(1. 鋼鐵研究總院有限公司， 北京 100081；2. 北京鋼研高納科技股份有限公司， 北京 100081；3. 鋼鐵研究總院高溫合金新材料北京市重點實驗室， 北京 100081；4. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室， 北京 100083)

　　01、摘 要

　　為解決鈦合金精密鑄造產品合格率低、試驗優化周期長的問題，以某鈦合金異形薄壁件為研究對象，采用逆向工程手段優化澆注系統設計。結合ProCAST有限元分析軟件確定鑄件缺陷分布位置，依據鑄件縮松分布情況對鑄造方案進行迭代優化，解決鑄件承力板區域縮孔問題。根據優化結果進行生產驗證，結果表明，鈦合金鑄件采用真空熔模鑄造方案，鑄件上、下端分別設置3處澆/冒口時，模擬結果顯示鑄件凝固過程整體溫度分布合理，鑄件中的縮孔均被優化剔除。該工藝方案可行性高，試制件無損檢測結果與數值模擬結果吻合度高，鑄件成形質量、冶金質量均達到預期效果。

　　02、關 鍵 詞

　　ProCAST； 精密鑄造； ZTC4； 工藝優化； 縮松縮孔

　　03、引 言

　　鈦合金作為一種優良的結構材料，其比強度高、密度小、耐蝕性好，因此被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車等多個領域。ZTC4作為一種中等強度的α+β型鈦合金，是使用最廣泛、最成熟的一種鑄造鈦合金，適用于制備承受較高應力的靜態航空航天用結構件。精密鑄造能夠以較低的成本批量生產出尺寸精準、形狀復雜的構件，這類鑄件整體結構性好、可靠性高，可同時解決鈦合金構件成形難度大和成本高的難題，因此一直是鈦合金鑄造行業研究的重要方向。

　　數值模擬能夠對復雜問題進行量化描述，基于實際物理過程的凝固數值分析已逐步成為預測和改善鑄件內部質量的重要手段。通過數值模擬分析合金鑄造過程的溫度場、流場以及缺陷分布，突破了傳統工業生產中過度依賴生產經驗和試錯來改進澆注工藝、研發周期長、成本高的局限性，可顯著提高材料的綜合性能。因此，本研究首先分析鑄件結構特性，然后利用ProCAST軟件對鈦合金鑄件真空熔模鑄造工藝進行模擬分析，闡明澆注過程合金液的流動狀態、凝固特征及缺陷分布，基于此進行迭代優化獲取最優工藝參數。使用新工藝進行試制生產，最終獲得探傷檢測合格的鑄件。

　　04、精 選 圖 表

　　05、結  論

　　(1)采用ProCAST軟件對ZTC4鑄造鈦合金澆注的薄壁件進行真空熔模鑄造數值模擬，對初始鑄造工藝進行評估并得到該結構件缺陷分布規律和鑄件澆注系統設計準則。

　　(2)采用逆向工程手段和有限元分析方法優化了澆注方案，在原有鑄造工藝上增設澆/冒口獲得了最優鑄造工藝，解決了原有工藝中鑄件承力板區域容易產生縮松縮孔的問題。采用優化方案制備的試制件探傷檢測結果表明鑄件內部質量良好，未出現氣孔、縮孔缺陷且工藝穩定性高。

　　(3)數值模擬結果與無損檢測結果高度一致，為同類鈦合金鑄件產品的開發和澆注工藝優化提供了可靠的依據和分析方法，為類似異形薄壁件的精密鑄造成形技術提升奠定了基礎。