曲面薄壁鈦合金鑄件變形工藝控制研究

張光

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100094）

鈦不是稀有金屬，其在地殼中含量最豐富的結構金屬中排名第4位，僅次于鋁、鐵和鎂。鈦也是一種“貴”金屬，獲得純鈦的難度大，導致鈦合金價格高；鈦合金后續加工成本較高；“貴”一定程度上阻礙了鈦及鈦合金的推廣和應用，但是鈦及鈦合金憑借密度小、比強度高、無毒、無磁、耐腐蝕、生物相容性好等特點，在航空、航天、醫療及石油化工領域仍得到了廣泛的應用，被譽為是繼鋼鐵、鋁材之后的“第三金屬”和“戰略金屬”[1—5]。國外大型先進的航空渦輪發動機的重要部件，如RB199的中介機匣、CF6-80C的風扇機匣等，都采用了大型復雜薄壁鈦合金整體精鑄件[6—8]。

局限于鈦合金制件的加工難度，對于曲面薄壁鈦合金制件而言，熔模精度鑄造工藝是成形制件的首選，具有其他工藝不具備的工藝優勢，近凈成形、金屬利用率高、成本低等。熔模精密鑄造工藝推動了鈦合金在復雜曲面結構件中的應用[9—12]。在鈦合金熔模精密鑄造過程中，由于鈦合金熱導率低，熔融態鈦合金過熱度低，金屬液在復雜、薄壁型腔內流動性差，金屬液補縮能力差，鑄件內部易出現縮松、縮孔缺陷，復雜薄壁鈦合金鑄件在排缺補焊過程中會出現變形，導致生產成本增加甚至鑄件報廢。鈦合金鑄件曲面一般有面輪廓度尺寸要求，要求曲面滿足形狀尺寸和位置尺寸兩方面的要求，且尺寸精度一般為±0.75 mm，實現難度較大。目前，較多采用補焊、精整打磨、校型等工藝修復曲面薄壁鈦合金鑄件變形，鑄件研制周期長、成本高、修復率低，研究一種控制曲面薄壁鈦合金鑄件變形的工藝，有效控制變形，并得到推廣，可以拓展鈦合金鑄件在曲面薄壁結構件中的應用范圍。

文中以國外某型發動機出氣管鈦合金鑄件為研究對象，擬從復雜薄壁件的模具設計、蠟模壓制、成形工藝、熱處理工藝幾個方面開展研究，探究影響曲面薄壁鈦合金鑄件變形的主要因素，為深一步研究變形規律奠定基礎。

1 研究方法

鑄件采用熔模精密鑄造工藝進行研制，共8種圖號，結構類似，包含筒體、安裝邊、圓管3個結構，高300 mm，長254 mm，寬120 mm，整體壁厚1.875 mm，質量約1.5 kg。安裝邊壁厚1.875 mm，面輪廓度要求±0.5 mm，且存在加強筋，無法通過校型、焊接工藝修復變形，安裝邊一旦出現變形，超出面輪廓度控制要求，修復難度大，甚至報廢，見圖1。鑄件沿圓管軸向剖開，測量剖面厚區尺寸，可以看出厚區尺寸集中在R轉接處及鑄件加工面，厚度在6～10 mm之間，是筒體壁厚的3～5倍，鑄件各位置收縮差異大，易變形，見圖2。由于鑄件整體壁厚1.875 mm，金屬液充型通道狹窄，厚薄差距大，加上ZTC4鈦合金過熱度低等因素，金屬液充填型腔能力一般，補縮能力差，鑄件澆注成形時易出現縮松、縮孔缺陷，修復缺陷易導致鑄件變形。文中以其中一件出氣管鑄件為例，結合計算機模擬仿真成形技術，研究該類鑄件防變形工藝方案。

圖1 出氣管變形位置及變形量Fig.1 Deformation position and deformation amount of outlet pipe

圖2 某型發動機出氣管鑄件剖面Fig.2 Profile for intake pipe casting of a certain type of engine

1.1 計算機模擬仿真（組模工藝設計）

資料顯示[3—5]，所有 CAE用戶都不會否認目前模擬軟件對鑄件的凝固過程、熱節、溫度梯度、冒口補縮狀態、液相孤立區以及縮孔縮松的預測已經可以有效指導實際生產。根據鑄件薄壁、異形、安裝邊面輪廓度要求高等結構特點，設計出氣管組模工藝。

1.2 模具設計

圖3 模具Fig.3 Mould

模具選用鍛鋁材質進行制作，其實物見圖3，根據零件結構特點，選用合適的收縮率：整體收縮率0.5%，酸洗量單邊 0.2 mm，個別厚大區域及凸臺收縮率按1%。

1.3 熱處理工藝設計

依據客戶提供的技術條件，確定熱等靜壓參數，鑄造包括溫度、壓力、保壓時間、出爐溫度，具體參數見表1。

表1 鑄件熱等靜壓參數Tab.1 HIP parameter of casting

分析鑄件特點及熱等靜壓過程中易變形的區域，確定鑄件熱等靜壓過程中的放置方式，以鑄件口部端面為放置平面，豎直放置在熱等靜壓工裝上，其擺放方式見圖4。

圖4 熱等靜壓擺放方式Fig.4 Display during HIP

1.4 檢測方法

出氣管鑄件面輪廓度要求1 mm，且多為曲面形狀，在蠟模檢測、鑄件檢測方面，選用關節臂掃描方式，精度0.02 mm。

為便于對比分析，將出氣管S面按“米”字型分為8個區域，在易變形的4個角上選取2個點，其余位置選取一個點進行測量，共計 12個測量點，標識為S1, S2, ..., S12，見圖5。

圖5 檢測位置Fig.5 Measure points

2 研究結果

2.1 計算機模擬仿真結果

成形方案一：鑄件側臥式組模，澆口搭接在安裝邊一側，引出內澆口與安裝邊4個角搭接，筒體側壁設置一個澆口；成形方案二：鑄件直立組模，在筒體底部端面設置4個內澆口，計算機模擬澆注過程見圖6。利用Visual-Cast前處理模塊對有限元模型進行材料性能、邊界條件、初始條件等參數設置[5]，鑄件與鑄型的界面傳熱系數h=750 W/(m2·K)，澆注時間6 s，采用離心澆注，轉速260 r/min，鑄件冷卻至200 ℃時停止模擬。

圖6 計算機模擬澆注過程Fig.6 Computer simulation of casting process

冶金缺陷出現的位置見圖7，可以看出，兩種組模方案均存在大小不同、數量不等的縮松、縮孔缺陷，缺陷出現集中在厚大區域，大部分缺陷遠離內澆口。圓管的根部和口部出現縮松、縮孔缺陷。側臥式比直立式缺陷少，且分布更有規律性，更容易在工藝優化中減少或消除缺陷。經過計算機模擬仿真確認，鑄件應變主要在圓管根部、澆口等位置，最大變形量約0.5 mm。鑄件等效應變分布見圖8。

2.2 蠟模檢測結果

蠟模變形檢測結果見圖9，對蠟模進行關節臂掃描檢測，標示出 S1～S12測量點的變形量。由圖 9可以看出，蠟模左上角、右上角（澆口）區域發生了明顯變形，最大變形量0.44 mm，超出了蠟模±0.2 mm控制要求，接近鑄件±0.50 mm控制要求。

圖7 冶金缺陷出現的位置Fig.7 Location of metallurgical defects

圖8 鑄件等效應變分布Fig.8 Effective strain distribution of casting

圖9 蠟模變形檢測結果(mm)Fig.9 Testing results of wax deformation (mm)

2.3 鑄件澆注后檢測結果

鑄件澆注澆注成形后S面12個測量點變形量見圖10。可以看出，鑄件S面變形量由-0.21～0.24 mm，變形區域位于鑄件澆口附近。

圖10 鑄件變形檢測結果(mm)Fig.10 Testing results of casting deformation (mm)

2.4 鑄件熱處理檢測結果

鑄件熱等靜壓后變形測量結果見圖11，可以看出，鑄件最大變形量0.43 mm，變形位置發生在澆口附近。

圖11 鑄件熱等靜壓后變形檢測結果(mm)Fig.11 Testing results of casting deformation after HIP (mm)

3 結論

1) 試驗中采用的數模分別是蠟模數模、鑄件澆注后數模、鑄件熱等靜壓后數模，其關系為：

蠟模數模=（鑄件澆注后數模）×蠟模-鑄件收縮率=（鑄件熱等靜壓后數模+單邊酸洗量）×蠟模-鑄件收縮率。

2) 出氣管鑄件蠟模和熱等靜壓是變形的主要階段，蠟模變形量約為0.2～0.4 mm，熱等靜壓過程變形量約為 0.5 mm。出氣管蠟模放置一段時間后，變形量減少約 0.2 mm，即蠟模放置階段變形方向與已有變形方向相反。蠟模組模方向與放置方向一致，一定程度上減少了涂料過程中的變形。

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