随着航空航天装备及其技术的不断发展，大型薄壁框型结构在高端装备的设计和制造中越来越常见。 这类结构通常用于航天器设计和制造过程中使用的重要构件，包括航天器的外壳、舱段、支撑架等，其质量、强度和耐用度直接关系到器件整体性能及安全。 这一类结构常采用具有高比强度、高比模量、良好的耐蚀性及热稳定性的航空钛合金材料制备而成，以确保航天器在极端环境下具备良好的强度及刚性[1-3]。 然而，由于框型架结构壁薄、尺寸大，大小尺寸极端结合，使其在铸造过程中易产生缩松缩孔、热裂及变形等铸造缺陷，在后续排缺补焊过程中又会进一步出现变形，导致铸件反复修复难以制造。 铸造缺陷的产生与工艺设计有着很大关系，过去常采用的试错法普遍依赖于人工经验，不仅试错成本高、效率低，而且工艺可重复性差，新产品开发废品率高，浇冒口系统精确设计难[4-9]。 随着计算机模拟软件的应用，通过虚拟铸造系统对铸造充型、凝固、冷却全过程进行仿真模拟，再根据模拟结果优化工艺方案，以达到减少，甚至避免铸造缺陷的目的，不仅可靠性高，同时可实现工艺设计的优化和标准化，已成为复杂铸件设计及研制过程中的重要方法[10-19]。
本文针对框型架实际铸造中出现的缺陷，利用ProCAST 有限元铸造模拟软件对其铸造过程进行数值模拟，研究了两种浇注方式：顶注式和底注式对铸件成型性能及缩松缩孔、 变形等方面的影响，得到了薄壁框型架的最佳铸造工艺，为同类薄壁复杂钛合金铸件制造提供技术参考。
1 铸件分析及设计
1.1 铸件材料与结构
产品框型架材料为ZTC4， 其化学成分见表1。铸件整体为框架型结构， 外部轮廓尺寸为348.0 mm×283.5 mm×198.0 mm，平均壁厚为3 mm，框架内有多处筋板、凸台等，铸件结构如图1 所示。 产品交付条件：要求毛胚尺寸精度高，外表面光洁，内部质量组织致密、无缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。
图1 铸件三维模型
Fig.1 3D model of the casting
表1 ZTC4化学成分
Tab.1 Chemical composition of ZTC4 (mass fraction/%)
?
1.2 浇注系统设计
形状复杂的框型架钛合金铸件，存在壁厚不均、加工面多等特点。 其浇注系统的设计要保证金属液在铸件各个部位较均衡地流动， 使热量的传导平稳进行，避免某个部位过热，导致热裂、应力集中等。根据铸件结构特点及以上分析，设计了两种浇注系统，如图2 所示。 其中图2a 为顶注浇注方式，浇注系统截面比为1.00∶1.25∶1.75，其特点是结构简单，型腔易于充满，有利于造型和实现铸件的顺序凝固；图2b为底注式浇注系统，截面比为1.00∶1.25∶2.20，其特点是充型平稳，有利于排气，同时实现自下而上的顺序凝固。为了保证模拟的准确性及效率，对模型不同部位进行面网格划分， 两种浇注系统及铸件网格尺寸均为3 mm，型壳厚度设置10 mm。
图2 浇注系统：(a)顶注式；(b)底注式
Fig.2 Gating system：(a)top gating system;(b)bottom gating system
2 数值模拟及分析
2.1 边界条件设置
ProCAST 模拟分析的边界条件与初始条件为：型壳和铸件接触面类型为COINC，界面换热系数为1 000 W/(m2·K)，浇注类型为Gravity Filling。 浇注温度为1 750 ℃，型壳初始温度为25 ℃，浇注时间3 s， 型壳材料为CBSMS-M(Chemically Bonded Shell Molding Sand-Mold)， 应力应变设置中铸件为Linear-Elastic，型壳为Rigid。
2.2 充型过程分析
两种浇注系统的充型过程模拟如图3 和4 所示。 其中图3 是顶注式不同时刻充型过程模拟，当t=0.6 s 时，合金液通过内浇道分流向底部运动，浇注速度过快， 对型壳内部产生激烈冲击； 当t=1.02 s时，合金液到达型壳底部，同一水平位置的充型状态不相同，合金液液面高低不平，这说明充型的平稳性较差，尤其是框型架筋板部位，紊流现象更加明显；当t=1.78 s 时，铸件本体充型基本完成，合金液逐渐填充上层浇注系统，直至充型结束。 这个过程中的主要问题是铸件内部出现金属液断续、紊流，金属液混乱作不规则运动，不利于充型，整个充型过程中出现浇不足、卷气现象。 图4 为底注式不同时刻充型过程模拟， 当t=1.68 s 时， 合金液已完成对直浇道、横浇道、内浇道的充型，开始从5 个内浇道向铸件本体进行充型，来自5 处的合金液汇流平稳，充型中未出现卷气；当t=2.17 s 时，合金液继续向上充型(图4b)，过程平稳；当t=2.81 s 时，整个浇注系统充型率达到99%(图4c)，未出现紊流现象。 采用以上两种浇注系统时， 浇注温度表现出由1 750 ℃到液相线1 650 ℃从上往下的变化， 充型结束时铸件各区域的温度均在液相线以上， 没有低于1 650 ℃的区域或点出现，即表明发生冷隔的概率较小，基本不会出现冷隔缺陷。
图3 顶注充型过程：(a)t=0.6 s;(b)t=1.02 s;(c)t=1.78 s
Fig.3 Results of top filling：(a)t=0.6 s;(b)t=1.02 s;(c)t=1.78 s
图4 底注充型过程：(a)t=1.68 s;(b)t=2.17 s;(c)t=2.81
Fig.4 Results of bottom filling：(a)t=1.68 s;(b)t=2.17 s;(c)t=2.81
2.3 凝固过程与缺陷分布
浇注过程中， 铸件的凝固情况直接影响成形质量， 两种浇注系统的凝固时间及缺陷分布如图5 所示。 图5a 和b 显示顶注浇注系统中，内浇道凝固时间早于铸件中间肋板与侧壁凝固，导致铸件本体靠近中、底部的合金液由于没有得到充足的补充而发生自收缩。 总缩松率分布显示最终缺陷分布于肋板与肋板和筋交接位置，且离散性强，顶注式浇注系统设计充型紊流，同时存在卷气现象，因此凝固过程中铸件内部缩孔缩松比较明显。图5c 和d 的底注浇注系统显示凝固顺序由上向下、 由外向内进行， 同时顶部冒口合理设计实现了较好的补缩功能。 从凝固中的总缩松率可以看出， 铸件内部无缺陷，80%以上的缩孔缩松集中分布在冒口、浇注系统中。
图5 不同浇注方式下凝固时间及缺陷分布：(a,b)顶注式；(c,d) 底注式
Fig.5 Solidification time and distribution of shrinkage porosity of castings processed with different gating systems：(a,b)top gating system;(c,d)bottom gating system
2.4 有效应力分布
有效应力模拟结果如图6 所示，图6a 显示顶注式浇注系统下框架的转角(R)处及肋板与侧壁交接处的应力较大， 超过了750 MPa， 此时凝固过程结束，易出现冷裂纹。 而在底注式条件下，大的应力主要集中在防变形筋区域，如图6b 所示，铸件主体部分应力分布均匀，且低于屈服应力，不易发生开裂。
图6 不同浇注方式下有效应力：(a)顶注式；(b)底注式
Fig.6 Effective stress of castings processed with different gating systems：(a)top gating system;(b)bottom gating system
2.5 变形结果分析
位移模拟结果如图7 所示，图7a 显示顶注方式下铸件本体总变形量超过1 mm，主要集中在开口及内壁处；图7b 显示底注方式下开口处总变形量降低到0.5 mm 以下， 且变形主要在冒口及冒口所在平面。
图7 不同浇注方式下位移分布：(a)顶注式；(b)底注式
Fig.7 Displacement of castings processed with different gating systems：(a)top gating system;(b)bottom gating system
3 实验结果
依据上述计算机模拟仿真结果， 分别采用顶注式和底注式设计方案，采用静浇工艺，实行同炉浇注，保证浇注工艺的一致性，跟踪铸件浇注成形及缩孔结果，分析模拟仿真可行性和准确性。
3.1 表面质量
铸件浇注成形完整，无欠注、鼓包、冷隔等缺陷，如图8 所示。 表明顶注式及底注式浇注系统合理可行，均可以实现铸造完整成形，试验结果与模拟仿真预测结果吻合。
图8 铸件毛胚：(a)顶注式；(b)底注式
Fig.8 Castings processed with different gating systems：(a)top gating system;(b)bottom gating system
3.2 冶金质量
完成浇注成形后，采用X 探伤对铸件内部质量检测，统计结果如表2 所示。 采用顶注浇注系统浇注成形的铸件内部缩孔较多，主要分布在铸件本体肋板转角、 肋板与筋交接热节位置以及凸台位置，缩孔位置和体积与计算机模拟结果基本吻合；采用底注浇注系统浇注成形的铸件内部质量整体较好，仅有一处较大的缩孔分布在外壁与筋交接的热节位置。 铸件经过表面喷砂处理后进行热等静压处理，热等静压工艺为130～140 MPa 氩气压力下，920 ℃、保温2.0～2.5 h，随炉冷却至300 ℃以下。 铸件内部缩松、缩孔在热等静压处理时可以被熔合，大尺寸的缩孔在热等静压工艺后，表面会出现静压坑，结果如图9 所示。 采用顶注浇注系统浇注成形的铸件静压后表面出现多处静压坑； 采用底注浇注系统浇注成形的铸件热等静压后表面仅有1 处静压坑， 可以通过焊补的方式进行修复。
图9 热等静压后X 光探伤标识缺陷位置
Fig.9 Location of defects identified via X-ray detection after hot isostatic pressing
表2 X 探伤缩孔缺陷统计
Tab.2 X testing shrinkage hole defect statistics
?
3.3 铸件尺寸
采用三维扫描仪对铸件进行扫描检测， 评估铸件的尺寸精度，结果如图10 所示。 顶注浇注方式成形的铸件整体轮廓变形量超过了1 mm，局部面轮廓度超过3 mm；底注浇注方式成形的铸件面轮廓度可以控制在1 mm 以内， 壁厚尺寸偏差可以控制在±0.3 mm 以内，符合设计要求。
图10 尺寸测量结果：(a)顶注式；(b)底注式
Fig.10 Results of dimensional measurements of castings processed with different gating systems：(a)top gating system;(b)bottom gating system
4 结论
(1)采用同样浇注参数，底注式浇注生产的钛合金框型架相比于顶注式浇注充型过程平稳， 缩松缩孔体积较小， 减小了铸件本体肋板及壁板之间的有效应力；底注方式下开口处总变形量降低到0.5 mm以下，且变形主要是在冒口及冒口所在平面。
(2)实践表明，应用ProCAST 模拟铸件充型及凝固过程，可以准确地预测缺陷类型、大小及位置，分析有效应力及位移量，为选择高效工艺方案提供了可靠的依据。
[1] 阚延勇，苏方正，徐曦荣，刘鸿彦，吴丕杰. 工业用钛及钛合金材料的应用现状[J].上海化工，2023,48(6)：58-61.KAN Y Y,SU F Z,XU X R,LIU H Y,WU P J.Application status of industrial titanium and titanium alloy materials[J]. Shanghai Chemical Industry,2023,48(6)：58-61.
[2] 张鹏省，毛小南，赵永庆，曾卫东，洪权，李辉. 世界钛及钛合金产业现状及发展趋势[J].稀有金属快报，2007,26(10)：1-6.ZHANG P S, MAO X N, ZHAO Y Q, ZENG W D, HONG Q, LI H.Industry status and development trend of world titanium and titanium alloys[J].Rare Metals Letters,2007,26(10)：1-6.
[3] 朱知寿，王新南，童路，曹春晓. 中国航空结构用新型钛合金研究[J].钛工业进展，2007,24(6)：28-32.ZHU Z S,WANG X N,TONG L,CAO C X.Studies of new-type titanium alloys for aviation industry application in China[J].Titanium Industry Progress,2007,24(6)：28-32.
[4] 王非，李伟东.ZTC4 钛合金支板熔模铸造工艺研究[J]. 铸造技术，2020,41(10)：950-953.WANG F, LI W D. Research on investment casting process of ZTC4 titanium alloy supporting plate[J]. Foundry Technology,2020,41(10)：950-953.
[5] 王孟光. 复杂型腔结构钛合金精铸件型壳工艺研究[J]. 材料开发与应用，2014,29(4)：86-89.WANG M G. Research of precision casting titanium shell with complicated cavity structure[J]. Development and Application of Materials,2014,29(4)：86-89.
[6] 罗国军，贺同正，沈选金. 熔模精密铸造钛合金气门[J]. 铸造技术，2014,35(10)：2428-2430.LUO G J,HE T Z,SHEN X J.Investment casting of titanium alloy valve[J].Foundry Technology,2014,35(10)：2428-2430.
[7] 孙冰，刘义辉，乔海滨，孙宏喆，杨学东. 水溶蜡芯在钛合金精铸件生产中的应用[J].铸造技术，2022,43(6)：468-472.SUN B,LIU Y H,QIAO H B,SUN H Z,YANG X D.Application of water-soluble wax core in titanium alloy investment casting[J].Foundry Technology,2022,43(6)：468-472.
[8] 孙冰，麻毅，乔海滨，孙宏喆，侯佩华，李渤渤，杨学东.ZTA15 钛合金精铸件漏油失效原因分析[J].铸造工程，2023,47(3)：17-20.SUN B,MA Y,QIAO H B,SUN H Z,HOU P H,LI B B,YANG X D. Analysis of oil leakage failure cause of a ZTA15 titanium alloy investment casting[J].Foundry Engineering,2023,47(3)：17-20.
[9] 杨佳静，王涛亮，崔利可，吕昌.SLS 成型技术在钛合金熔模铸造中的应用[J].铸造技术，2020,41(6)：550-552.YANG J J, WANG T L, CUI L K, LYU C. Application of SLS forming technology in investment casting of titanium alloy[J].Foundry Technology,2020,41(6)：550-552.
[10] 李婷. 钛合金熔模铸造用氧化物陶瓷型壳的制备工艺研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.LI T. Study on preparation technology of oxide ceramic shell for investment casting of titanium alloy[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013.
[11] 张攀，时朋召，谢世正，梁亮，徐李军，王明林. 高强钢板坯凝固过程模拟与工艺优化[J].钢铁钒钛，2023,44(2)：132-140.ZHANG P,SHI P Z,XIE S Z,LIANG L,XU L J,WANG M L.Solidification process simulation and process optimization of high strength steel slab [J].Iron Steel Vanadium Titanium,2023,44(2)：132-140.
[12] 程亚珍，李渤渤，孙冰，杜延乐，孙宏喆，刘茵琪. 薄壁复杂钛合金铸件熔模铸造工艺模拟及优化[J]. 特种铸造及有色合金，2022,42(6)：780-784.CHENG Y Z,LI B B,SUN B,DU Y L,SUN H Z,LIU Y Q. Numerical simulation and process optimization of investment casting process for thin-walled complex titanium alloy casting[J].Special Casting&Nonferrous Alloys,2022,42(6)：780-784.
[13] 唐平梅，周扬，姜东滨. 镍基高温合金感应锭浇注过程的数值模拟研究[J].钢铁钒钛，2022,43(4)：127-133,141.TANG P M, ZHOU Y, JIANG D B. Numerical simulation on pouring process of nickel base superalloy induction ingot[J].Iron Steel Vanadium Titanium,2022,43(4)：127-133,141.
[14] 程亚珍，郭举乐，乔海滨，孙宏喆，李渤渤，杨学东，刘茵琪. 基于数值模拟的杆状钛合金铸件熔模铸造工艺研究[J]. 材料开发与应用，2022,37(5)：37-44.CHENG Y Z,GUO J L,QIAO H B,SUN H Z,LI B B, YANG X D, LIU Y Q. Study on investment casting process of rod titanium alloy castings based on numerical simulation[J].Development and Application of Materials,2022,37(5)：37-44.
[15] 常化强，孙冰，孙宏喆，穆晓辉. 大型筒状薄壁钛合金铸件变形预防及工艺改进[J].铸造工程，2022,46(4)：7-10.CHANG H Q, SUN B, SUN H Z, MU X H. Deformation prevention and process improvement of large cylindrical thin wall titanium alloy castings[J].Foundry Engineering,2022,46(4)：7-10.
[16] 孙冰，王易山，孙宏喆，乔海滨，李渤渤，王非.ZTA15 钛合金小型复杂厚壁类铸件的缩孔分析及工艺改进[J]. 特种铸造及有色合金，2023,43(1)：102-105.SUN B, WANG Y S, SUN H Z, QIAO H B, LI B B, WANG F.Shrinkage cavity analysis and process optimization of small and complex thick-wall ZTA15 titanium alloy castings[J]. Special Casting&Nonferrous Alloys,2023,43(1)：102-105.
[17] 李辉，时建松，张爱琴.应力框热应力数值模拟及变形分析[J].铸造，2010,59(1)：38-41.LI H, SHI J S, ZHANG A Q. Numerical simulation and deformation analysis of thermal stresses in stress frame[J].Foundry,2010,59(1)：38-41.
[18] 程建国，康进武，张家锋，黄天佑，柳百成. 从凝固过程的位移数值模拟结果中提取铸件的变形[J].铸造技术，2008,29(10)：1322-1326.CHENG J G, KANG J W, ZHANG J F, HUANG T Y, LIU B C.Extraction of deformation of castings from simulated displacement results[J].Foundry Technology,2008,29(10)：1322-1326.
[19] 崔新鹏，张晨，范世玺，南海. 钛合金框架铸件铸造变形和应力的数值模拟[J].特种铸造及有色合金，2015(3)：257-259.CUI X P,ZHANG C,FAN S X,NAN H.Numerical simulation of casting deformation and stress in the Ti-alloy parts with framework structure[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2015(3)：257-259.