大尺寸鈦合金閥門體石墨型鑄造工藝研究

　　鈦及鈦合金由于具有低密度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。目前隨著人們對(duì)鈦合金產(chǎn)品性能需求的提高、對(duì)鈦合金鑄件及其鑄造工藝提出了更高的要求，如成型質(zhì)量要求更高、鑄件體積更大、成形結(jié)構(gòu)更復(fù)雜等。

　　目前，鈦合金成型的主要工藝有兩種，熔模精密鑄造工藝及機(jī)加工石墨成型工藝。由于造型材料耐火度的差異，熔模精密鑄造生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量要優(yōu)于石墨型鑄造，但生產(chǎn)成本更高，且主要適用于中小型鑄件。針對(duì)大尺寸鈦合金鑄件的鑄造工藝，若采用熔模精密鑄造技術(shù)，制殼難度較大，且蠟?zāi)Ｒ装l(fā)生變形。而石墨型鑄造工藝分型面選擇靈活、制備周期短、成型簡(jiǎn)易，適用于大尺寸鈦合金鑄件的生產(chǎn)，因此采用機(jī)加工石墨型鑄造工藝。閆平通過(guò)石墨型鑄造技術(shù)成功澆注出重120 kg，外形尺寸為880 mm×740 mm×530 mm的鈦合金鑄件，該殼體類鑄件壁厚比最高達(dá)到1∶10；范世璽生產(chǎn)的Ti321合金軸箱鑄件，輪廓尺寸為900 mm×350 mm×450 mm，該鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但總體質(zhì)量較輕，約為69 kg。上述鈦合金石墨型鑄造澆注的鑄件，雖整體尺寸較大，但鑄件質(zhì)量都不超過(guò)150 kg。

　　采用高速離心澆注來(lái)提高金屬液的充型效果，同時(shí)離心澆注也會(huì)在一定程度上減少鑄件內(nèi)部縮松等缺陷。對(duì)于大尺寸大質(zhì)量鈦合金鑄件，通常采用重力澆注來(lái)避免由于金屬液沖擊對(duì)鑄型造成破壞，但同時(shí)在失去離心力的作用下，鑄件內(nèi)的缺陷數(shù)量會(huì)有所升高。

　　針對(duì)某大尺寸鈦合金閥體鑄件，材質(zhì)為ZTC4，總重量約340 kg，最大輪廓尺寸為810 mm×720 mm×605 mm，本文采用ProCAST軟件對(duì)石墨型鑄造過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬計(jì)算，采用重力澆注工藝，對(duì)不同澆注系統(tǒng)以及鑄型預(yù)熱溫度對(duì)缺陷形成的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。根據(jù)模擬結(jié)果得出了該大尺寸鈦合金閥體鑄件的最優(yōu)鑄造工藝，為同類型閥體類鑄件的鑄造工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

　　1.鑄件結(jié)構(gòu)分析

　　圖1為該閥體鑄件結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)部中空，最薄壁厚約為38 mm，鑄件除法蘭為平直、環(huán)形面外，其他區(qū)域均為曲面；上下端兩法蘭同軸心，但尺寸相差約150 mm；右側(cè)法蘭軸心與上下端法蘭軸心垂直，連接處存在一定弧度，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

圖1　閥體鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

　　采用機(jī)加工石墨型鑄造工藝對(duì)該大尺寸鈦合金閥體進(jìn)行制備，基于模塊化設(shè)計(jì)原理，將石墨型外型及內(nèi)芯分為多個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，采用螺桿、螺栓等定位方式進(jìn)行組裝，保證成形鑄件的尺寸精度。

　　2.鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

　　采用真空自耗電極凝殼爐對(duì)鑄件進(jìn)行澆注，鑄件自重約340 kg，因此金屬液熔化量需達(dá)到400 kg以上，大量金屬液在充型過(guò)程中，會(huì)對(duì)鑄型表面造成較大的沖刷，可能會(huì)產(chǎn)生夾雜等鑄造缺陷，因此不宜將澆口直接連接鑄件。如圖2所示，在型芯中增設(shè)內(nèi)澆道，使金屬液得到緩沖，降低對(duì)成形區(qū)域的沖刷力，達(dá)到金屬液平穩(wěn)充型的目的。由于閥體鑄件內(nèi)部除法蘭端口處外，均為不規(guī)則曲面，因此將澆道與法蘭端口內(nèi)側(cè)環(huán)形面相連，便于澆冒口的清除。

圖2　鑄件澆道設(shè)計(jì)示意圖

　　在內(nèi)澆道設(shè)計(jì)完成后，分別采用了三種不同組型工藝，如圖3所示，其中澆注工藝A和B均將兩同心法蘭與澆杯相連，區(qū)別在于與杯口相連的法蘭面尺寸不同。由于兩法蘭尺寸相差較大，造成金屬液充型時(shí)間不同，因此鑄件的凝固過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。

圖3　三種不同組型工藝

　　直澆道的設(shè)計(jì)吸收了金屬液在充型過(guò)程中較大的沖擊力，使金屬液平穩(wěn)快速的自上而下的充滿型腔，且底部延長(zhǎng)的部分澆道在起到補(bǔ)縮作用的同時(shí)，也具有一定的集渣效果。澆注工藝C中兩同心法蘭位于水平處，澆杯與另一大尺寸法蘭相連，由于內(nèi)澆道位置的變化，金屬液充型時(shí)產(chǎn)生分流，進(jìn)一步削弱了對(duì)石墨鑄型表面的沖刷力，金屬液從兩側(cè)進(jìn)入型腔，自上而下的充型。

　　3.ProCAST鑄造模擬結(jié)果

　　3.1　組型工藝對(duì)模擬結(jié)果的影響

　　鑄型充型順序如圖4所示，組型工藝A和B相同，金屬液自下而上充型平穩(wěn)、迅速，并未發(fā)現(xiàn)金屬液的飛濺與紊流現(xiàn)象產(chǎn)生。而組型工藝C由于內(nèi)澆道位置的變化，金屬液由橫澆道向鑄件兩側(cè)分流，導(dǎo)致金屬液在鑄型內(nèi)產(chǎn)生對(duì)向金屬液沖擊，產(chǎn)生了一定成度飛濺，而且對(duì)沖的金屬液極易產(chǎn)生卷氣、夾雜等缺陷。

圖4　三種組型工藝金屬液充型過(guò)程

　　如圖5所示，為三種不同澆注工藝的鑄造模擬結(jié)果。可以看出，鑄件內(nèi)的缺陷主要集中在法蘭端口處，其中澆注工藝B中法蘭處缺陷較為集中，均位于與內(nèi)澆道連接處，且鑄件內(nèi)部缺陷也主要集中在內(nèi)澆道中；而澆注工藝A和C 中缺陷分布均勻，較為分散，鑄件內(nèi)部也存在多處缺陷。根據(jù)鑄造模擬結(jié)果可以看出，澆注工藝B中分布相對(duì)集中的缺陷，減少了打磨、焊補(bǔ)的工作量，鑄件整體澆注質(zhì)量更高，因此最終選取組型工藝B。

圖5　三種組型工藝下鑄件內(nèi)缺陷分布及數(shù)量模擬結(jié)果

　　3.2　鑄型預(yù)熱溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響

　　為了進(jìn)一步降低鑄件內(nèi)部缺陷，提高鑄造質(zhì)量，因此對(duì)不同鑄型預(yù)熱溫度下的澆注情況進(jìn)行了ProCAST模擬?；谑旧淼奈锢硖匦?，常溫澆注會(huì)在石墨型表面產(chǎn)生激冷，易導(dǎo)致表面缺陷產(chǎn)生；但對(duì)于大尺寸鈦合金石墨型鑄造，過(guò)高的預(yù)熱溫度，在提高金屬液充型能力的同時(shí)，也會(huì)在石墨型中大量蓄熱，對(duì)鑄件的凝固過(guò)程產(chǎn)生一定影響，易造成晶粒粗大、熱節(jié)等。因此，本閥體鑄件石墨型預(yù)熱溫度設(shè)置為150 ℃和250 ℃，與常溫25 ℃時(shí)鑄件澆注模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

　　如圖6所示，為不同石墨型預(yù)熱溫度下，鑄件內(nèi)缺陷體積的模擬結(jié)果。由于預(yù)熱溫度差異較小，模擬結(jié)果中鑄件內(nèi)缺陷的分布并未發(fā)生顯著變化，但缺陷體積由初始25 ℃時(shí)的400 cm3降低到150 ℃時(shí)的375.9 cm3，又升高到250 ℃時(shí)的404.6 cm3，隨著預(yù)熱溫度的升高，呈現(xiàn)小幅度的先下降后上升趨勢(shì)。因此最終確定該大尺寸閥體鈦合金鑄件，石墨型預(yù)熱溫度為150 ℃。

圖6　三種鑄型溫度下鑄造模擬缺陷體積

　　4.生產(chǎn)驗(yàn)證

　　采用600 kg容量鈦合金真空自耗電極凝殼爐，對(duì)該鈦合金鑄造閥體進(jìn)行熔煉澆注，澆注工藝采用重力澆注，鑄形預(yù)熱溫度為150 ℃。實(shí)際鑄件如圖7所示。整體成形完整，尺寸精度高，內(nèi)外表面均無(wú)明顯冷隔、流痕等缺陷；通過(guò)X射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷位置與模擬結(jié)果基本一致，主要位于法蘭與內(nèi)澆道連接處，且較為集中。

圖7　鈦合金閥體鑄件

　　5.結(jié)論

　?。?）重力澆注可以使鑄型內(nèi)金屬液充型平穩(wěn)，有效降低金屬液對(duì)鑄型表面的沖擊力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、完整充型。通過(guò)ProCAST模擬結(jié)果可以看出，該大尺寸大質(zhì)量鈦合金閥體鑄件通過(guò)合理的組型工藝可使鑄件內(nèi)的缺陷分布更為集中，提高了鑄件整體質(zhì)量。

　?。?）石墨型預(yù)熱可改善澆注過(guò)程中的激冷現(xiàn)象，提高金屬液的充型能力，但過(guò)高的溫度也會(huì)影響鑄件的凝固過(guò)程。該閥體類大尺寸鈦合金鑄件在石墨鑄型預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)，鑄件內(nèi)的缺陷體積最小且最為集中。

　　作者：李重陽(yáng)，劉時(shí)兵，徐凱，李鴻舉，李昕祺，岳野，劉天翼，倪嘉