某種鈦合金精密成形鑄件鑄造變形的數(shù)值模擬

崔新鵬，孫志雨，李峰，李建崇，南海，周黔

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

鈦合金由于具有高的比強(qiáng)度和比模量，良好的高溫抗氧化和耐腐蝕性能，因而在航空航天、化工、海洋工程等領(lǐng)域得到大量使用[1—3]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與推動(dòng)，金屬產(chǎn)品制造業(yè)向近凈成形方向發(fā)展。鑄造技術(shù)一直被認(rèn)為優(yōu)于鍛造和機(jī)加，用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件[4]。采用精密鑄造方法生產(chǎn)的鈦合金鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、加工余量少，其應(yīng)用日益廣泛[5]。

鈦合金精密成形鑄件通常壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，在鑄造過程中易產(chǎn)生欠鑄、縮孔、應(yīng)力變形等冶金缺陷，缺乏有效控制手段[6]。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域，在優(yōu)化工藝、提升質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用[7—8]。K. Suzuki等使用二維模擬算法預(yù)測(cè)鈦合金離心充填過程[9]，L.Yang等針對(duì)TiAl合金的流動(dòng)成形過程開展了模擬研究[10]，Wu Shi Ping等利用CA模型研究了鈦合金晶粒的模擬方法[11]，Adrian等模擬研究了鋁合金的鑄造變形和尺寸變化[12]。可以看到，對(duì)于熔點(diǎn)很高的鈦合金，雖然充型模擬研究較多，但應(yīng)力變形模擬則相對(duì)不足[13—14]。文中針對(duì)某典型鈦合金鑄件開展鑄造應(yīng)力變形模擬仿真，探討建模方法與參數(shù)設(shè)置，評(píng)價(jià)模擬準(zhǔn)確率，為工程應(yīng)用提供參考。

1 模型構(gòu)建與前處理

1.1 鑄件模型與網(wǎng)格劃分

選取某薄板型鈦合金鑄件作為典型件進(jìn)行數(shù)值模擬。鑄件的結(jié)構(gòu)見圖1，其輪廓尺寸為345 mm×233 mm×37 mm，最大壁厚7.5 mm，最小壁厚2.2 mm。鑄件分為左件和右件，其結(jié)構(gòu)鏡像對(duì)稱。組焊蠟?zāi)r(shí)將左、右件用6根加強(qiáng)筋相連，下部添加8個(gè)澆口，共兩組放置在澆道的兩側(cè)，見圖 2。利用 ProCAST對(duì)模組三維模型劃分四面體網(wǎng)格，鑄件網(wǎng)格邊長(zhǎng)為4 m，型殼厚度15 mm，體網(wǎng)格數(shù)量約200萬。

圖1 鑄件輪廓Fig.1 Profile of casting

1.2 前處理設(shè)置

為獲得準(zhǔn)確的變形結(jié)果需考慮影響鑄造變形的主要環(huán)節(jié)。鑄件應(yīng)力模擬采用三步法，依次模擬充型凝固、型殼內(nèi)冷卻和脫殼后冷卻過程，且前一步模擬結(jié)果為后一步模擬的初始條件。鑄件材料選用Ti-6Al-4V[15]，模殼材料參數(shù)選用 ProCAST材料數(shù)據(jù)庫中的CBSMS-M砂，材料參數(shù)值見表1。應(yīng)用Visual-Cast設(shè)置模擬參數(shù)：澆注時(shí)間為5 s，澆注溫度1720 ℃，型殼預(yù)熱溫度200 ℃，金屬-鑄型界面換熱系數(shù)h＝600 W/(m2·K)，離心轉(zhuǎn)速 180 r/min，環(huán)境溫度為25 ℃。型殼內(nèi)冷卻時(shí)間100 min，脫殼后冷卻時(shí)間30 min，計(jì)算結(jié)束時(shí)鑄件全部冷卻至100 ℃以下。

圖2 三維模擬模型Fig.2 3-D models for simulation

鈦合金鑄造成形經(jīng)歷 1700 ℃至室溫的溫度歷程，期間經(jīng)歷液態(tài)、高溫蠕變、低溫彈塑性等多種力學(xué)行為狀態(tài)，若要在應(yīng)力變形模擬中考慮全部各狀態(tài)，不僅模擬時(shí)間將大幅延長(zhǎng)，而且某些參數(shù)難以獲得反而導(dǎo)致準(zhǔn)確率下降。事實(shí)上，在精密鑄造中，鈦合金在液態(tài)和高溫蠕變態(tài)的停留時(shí)間相對(duì)很短，對(duì)最終變形量的影響微小，可以進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。文中在應(yīng)力計(jì)算時(shí)，鑄件材料在固相率高于50%時(shí)設(shè)置為彈塑性，低于50%則關(guān)閉應(yīng)力計(jì)算。另外陶瓷型殼屬于脆性材料，塑性較差，可假設(shè)其在整個(gè)鑄造過程中僅發(fā)生彈性形變，因此選用彈性模型。

表1 鑄件和模殼材料的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysical properties of casting and shell material

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

為評(píng)價(jià)及驗(yàn)證模擬結(jié)果，根據(jù)模擬模型設(shè)計(jì)了澆注驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M與模擬采用的三維模型一致，確保模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。實(shí)驗(yàn)包含蠟?zāi)＝M焊、型殼制備、澆注、清殼和吹砂等流程，模殼總厚度約為15 mm，脫蠟后的模殼情況見圖3。鑄件材料為 Ti-6Al-4V，采用真空自耗凝殼爐進(jìn)行離心澆注，離心轉(zhuǎn)速為180 r/min，模殼預(yù)熱溫度設(shè)定為200 ℃。澆注成形的鑄件見圖4。使用EV4030型激光影像儀對(duì)鑄件和蠟?zāi)＿M(jìn)行尺寸測(cè)量，并與模擬預(yù)測(cè)的變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確率。

圖3 陶瓷模殼Fig.3 Ceramic shell

圖4 澆注完成后的鑄件Fig.4 Casting after pouring

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 鑄件充型凝固過程分析

凝固模擬過程中不同時(shí)間點(diǎn)的鑄件溫度場(chǎng)分布見圖5。可知，澆注開始后80 s鑄件本體即全部凝固完畢。鑄件在冷卻過程中溫度分布不均，中心薄壁部位冷卻快、溫度較低，而邊緣厚大部位冷卻慢、溫度較高。此外鑄件靠近澆口部位溫度較高，屬于鑄件的熱節(jié)區(qū)域。冷卻速率分布的不均導(dǎo)致鑄件受到熱應(yīng)力的影響，其中中心部位壁厚較薄，變形抗力較差，容易發(fā)生鑄造變形。

3.2 鑄件變形分析

選取與鑄件大平面垂直的x方向，分析鑄件的彎曲變形。模擬結(jié)束時(shí)鑄件x方向的位移見圖6，分析模擬結(jié)果可知，鑄件中心平面部位（圖中位置1）在熱應(yīng)力的影響下向外側(cè)突起，而上部厚大加強(qiáng)筋（位置 2、3）蓄熱能力相對(duì)較強(qiáng)，脫殼后會(huì)繼續(xù)冷卻收縮導(dǎo)致附近面凹陷，另外左件的變形量大于右件，原因是右件與直澆道間夾有厚大型殼，型殼的蓄熱作用使右件各部位的溫差減小，熱應(yīng)力和變形也相對(duì)減小。實(shí)驗(yàn)鑄件的尺寸測(cè)量情況見圖7，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)鑄件中心部位向外凸起、上部加強(qiáng)筋部位向內(nèi)凹陷，且左件變形量大于右件，這說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)的變形趨勢(shì)吻合很好，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。

以圖6中位置1與位置2、3的位移差作為參考變形量，對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。對(duì)于鑄件左件，模擬預(yù)測(cè)的變形量小于實(shí)驗(yàn)變形量，準(zhǔn)確率分別為60.5%與72.2%，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高；對(duì)于鑄件右件，模擬預(yù)測(cè)的變形量同樣小于實(shí)驗(yàn)變形量，位置 1、3之間位移差的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為 72.1%，而對(duì)于位置 1、2之間的位移差，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率僅有43.7%。實(shí)驗(yàn)右件在位置2處存在表面凹坑，很可能是縮孔被熱等靜壓閉合后產(chǎn)生的表面缺陷，非鑄造變形所致，而本次模擬并未考慮縮孔因素，因此帶來較大誤差。

綜上所述，不考慮意外誤差，鑄件的變形位置得到預(yù)測(cè)，變形量的模擬準(zhǔn)確率約在 60%～72%之間，表明模擬仿真能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)，而在定量預(yù)測(cè)方面也具有較高的參考價(jià)值。隨著鈦合金高溫力學(xué)參數(shù)和力學(xué)模型的不斷完善，鑄造變形定量模擬預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率有望繼續(xù)提高。

圖5 澆注開始后鑄件溫度場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of temperature field after starting pouring

圖6 模擬結(jié)束時(shí)鑄件x方向的位移Fig.6 Displacement in x direction of casting at the end of simulation

圖7 實(shí)驗(yàn)鑄件的掃描成像結(jié)果Fig.7 Scanning images of experimental casting

表2 模擬與實(shí)驗(yàn)的鑄件變形量對(duì)比Tab.2 Comparison between deformation amount of simulation and experiment

4 結(jié)論

1) 模擬的變形趨勢(shì)為中間部位向外側(cè)凸起，加強(qiáng)筋部位向內(nèi)側(cè)凹陷，且右件的變形量小于左件。實(shí)驗(yàn)的變形趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本吻合，表明模擬仿真能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)。

2) 模擬變形量的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在60%～72%之間，表明鑄造變形的定量模擬結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

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