钛及钛合金因具有比强度高、密度低、膨胀系数小、生物相容性优及塑韧性好等优势，被广泛运用于民生及军工等领域，如，航天、航空、医疗保健及化工等产业[1-2]。 在砂型铸造过程中，钛合金因具有较强的活泼性与砂型发生反应，故不能使用砂型铸造的方式，只能采用石墨型和熔模精密真空铸造进行铸造。 采用熔模精密真空铸造出的钛合金铸件尺寸精度高，表面质量优，故应用越来越广泛[3-5]。 王非等[6]对ZTC4 钛合金支板熔模铸造工艺进行了研究，认为氧化锆陶瓷型芯可作为钛合金狭小型腔部位的主要材质，水力清洗效果优于机械法和碱洗法。夏兴川等[7]对钛合金髋关节铸造工艺进行了研究，通过数值模拟与试验验证表明金属型离心铸造工艺方案的可行性。 翟宇龙等[8]针对钛合金离心泵泵体铸造过程中存在的气缩孔缺陷问题展开研究，优化工艺后铸件中气缩孔缺陷得到有效控制。 贾志伟等[9]通过分析大型复杂钛合金进气道铸件制定了合理的“分体熔模精密铸造+真空电子束焊接”的铸件成形工艺方案，解决了大型复杂三通道狭长内腔结构的铸件完整成形问题。 付景宇等[10]采用机加工石墨型铸造工艺，结合模拟仿真技术，确定了ZTA5 钛合金框形底座铸件的浇注系统设计和浇注参数，得到了合格铸件。 陈正阳等[11]以某钛合金异形薄壁件为研究对象，结合ProCAST 有限元分析软件最终获得合格的异形薄壁件。 程亚珍等[12]利用数值模拟技术对某薄壁复杂钛合金铸件的温度场、应力场进行了模拟，确定了适合于生产该铸件的铸造工艺。 宁兆生等[13]利用ProCAST 有限元分析软件对叶轮铸件进行了模拟和分析，最终生产出了高精度优质纯钛叶轮铸件。 冉兴等[14]对大型复杂钛合金熔模铸造技术进行了调研，详细论述了铸件尺寸精度及铸件质量控制的技术难点及应对措施。 李飞等 [15] 利用Pro-CAST 软件对中介机匣的铸造工艺及其缩松等缺陷进行了模拟分析, 通过离心铸造技术制备了冶金品质优良中介机匣铸件。 司永超等[16]研究了一种镂空薄壁环状ZTC4 框架的熔模铸造工艺， 利用华铸CAE 软件对该铸件进行了数值模拟,得到了质量合格的铸件。 综上所述，大多数学者对薄壁件熔模铸造工艺研究较少。
Y 型管为航天器燃料的输送管道， 对航天器的服役寿命及其关键，钛合金因其具有密度低和抗腐蚀性能良好等优点，使薄壁Y 型管在保持足够强度的同时，实现了轻量化设计，有效减轻了航天器的整体重量， 并且在恶劣环境下仍能保持良好的性能。 但是由于Y 型管壁厚较薄，在熔模铸造过程中存在变形、冷隔等铸造风险。
数值模拟技术不仅能使模拟的结果直观显示，而且能辅助工艺人员在铸造过程中对Y 型管铸件生产工艺的设计过程进行分析，结合技术工人现有的经验，只需经过少量的试验就可完成Y 型管铸件工艺参数方案的优化，进而提高Y 型管产品的合格率及使用寿命，降低工程技术成本[17-21]。
本文以钛合金Y 型管为研究对象， 利用Pro-CAST 软件对铸件在不同浇注温度、 不同模壳温度条件下的熔模铸造工艺进行了数值模拟分析， 得到最优的浇注方案，并对其进行了试验，获得了高精度优质的钛合金Y 型管铸件，进而提升了Y 型管产品的合格率及使用寿命。
1 实验材料与方法
1.1 铸件结构分析及实验方法
选用ZTC4 作为本次Y 型管模拟和实验材料，化学成分如表1 所示。 利用三维造型软件对其进行几何建模和壁厚分析，几何模型如图1 所示。 铸件尺寸为302 mm×180 mm×318 mm，属于中型、薄壁类铸件，铸件平均壁厚为3～5 mm，壁厚分析结果示意图如图2 所示。选用莫来砂作为型壳材料，型壳厚度12 mm， 根据ZTC4 合金材料的化学成分， 利用JmatPro 软件和ProCAST 软件的合金材料数据库等方法，理论计算ZTC4 合金材料的热物性参数，其结果如图3 所示。
表1 ZTC4 化学成分
Tab.1 Chemical composition of the ZTC4 alloy (mass fraction/%)
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图1 几何模型
Fig.1 Schematic diagram of geometric model
图2 壁厚分析结果
Fig.2 Schematic diagram of wall thickness
图3 ZTC4 材料的热物性参数：(a)密度；(b)热导率；(c)焓；(d)比热
Fig.3 Thermophysical parameters of the ZTC4 material：(a)density;(b)thermal conductivity;(c)enthalpy;(d)specific heat
1.2 铸件浇注系统及实验方案
选用底注式浇注系统对钛合金Y 型管进行数值模拟及试验验证， 浇注系统示意图如图4 所示。基于钛合金Y 型管的实际尺寸、结构与铸造特性等因素，建立适宜的假设条件(模壳厚度均匀、外部环境稳定等)，利用三维造型软件对铸件和浇注系统进行模型处理，最后借助ProCAST 软件建立有限元模型，其模型微元化结果如图5 所示。
图4 Y 型管浇注系统
Fig.4 Schematic diagram of the Y-shaped pipe pouring system
图5 Y 型管模型微元化结果
Fig.5 Schematic diagram of the mesh of the Y-shaped tube model
模型由铸件与浇注系统，模壳，真空环境3 部分组成，网格类型均为四面体，微元体总网格数为397 万，选用模壳温度和浇注温度作为试验的变量，试验方案如表2 所示。
表2 试验方案
Tab.2 Process scheme for the test
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2 实验结果及讨论
2.1 充型结果分析
由于充型过程不受浇注温度和模壳温度的影响， 选取方案1 下铸件的充型结果进行分析， 图6为钛合金Y 型管的充型过程示意图。 由图可知，当充型30%时， 浇注系统中的底浇盘部分开始被充型，各处合金液的上升速率不太稳定。造成合金液不平稳的原因是开始充型时大量金属液进入主浇道后方向较为紊乱， 且主浇道底部无缓冲机构。 当充型50%时，金属液开始充型铸件，左边铸件填充速率大于右边铸件填充速率， 此时浇注系统内的各处液面高度差异较大， 造成此现象的原因是金属液初始浇注位置靠左。 当充型70%时，浇注系统中金属液液面基本一致， 金属液填充平缓稳定， 当充型100%时，充型过程结束，整体浇注系统开始逐渐凝固。 由此可见， 本次充型过程初期金属液充型较为紊乱，后期充型过程较为平缓稳定。
图6 钛合金Y 型管充型过程示意图：(a)30%；(b)50%；(c)70%；(d)100%
Fig.6 Schematic diagram of the filling process of titanium alloy Y-shaped tubes：(a)filling 30%;(b)filling 50%;(c)filling 70%;(d)filling 100%
2.2 孤立液相区分析
孤立液相区是指铸件凝固过程中被已凝固金属所包围的多个封闭熔融金属区域。 孤立液相区能定量地预测铸件缩孔和缩松缺陷， 以方案1 为例，图7 为铸件孤立液相区分布示意图。
图7 铸件孤立液相区分布
Fig.7 Distribution diagram of the isolated liquid phase zone in the castings
由图7 可得，铸件在凸台位置(图中红色圆圈位置)存在孤立液相区，在凝固前凸台位置的补缩通道被截断，即凸台区域为封闭熔融金属区域，造成此现象的原因是水口的模数小于凸台位置的模数。 在实际铸造过程中， 凸台位置可能产生缩孔或缩松缺陷。
2.3 疏松分析
疏松是指铸件在凝固较缓慢的位置因微观补缩通道的堵塞而在枝晶间及枝晶晶臂间形成的细小孔洞。 图8 为在3%判比下不同试验方案铸件疏松分布示意图。
图8 3%判比下不同试验方案铸件疏松分布：(a)方案1；(b)方案2；(c)方案3；(d)方案4；(e)方案5；(f)方案6；(g)方案7；(h)方案8；(i)方案9
Fig.8 Schematic diagram of shrinkage porosity distribution in castings under different experimental schemes：(a)plan 1;(b)plan 2;(c)plan 3;(d)plan 4;(e)plan 5;(f)plan 6;(g)plan 7;(h)plan 8;(i)plan 9
由图8 和表3 可得，在3%判比下，铸件在方案7 下疏松体积最小，为1.42 cm3；在方案2 下疏松体积最大，为2.21 cm3；铸件最优试验方案为方案7。由于浇注温度和模壳温度的影响， 在凝固时铸件凝固顺序存在差异， 进而导致不同试验方案时铸件疏松体积不一致。 由铸件在不同试验方案下疏松结果可得，在保证铸件充满的情况下，浇注温度和铸件的模壳温度越低，铸件产生的疏松缺陷最少。
表3 3%判比下不同试验方案铸件疏松体积
Tab.3 Volume of shrinkage porosity in castings under different test plans at a 3% ratio
?
2.4 浇不足分析
浇注温度和模壳温度越低， 造成铸件冷隔缺陷的机率越大。在方案7 时浇注温度和模壳温度最低，方案7 下铸件浇不足示意图如图9 所示。
图9 方案9 铸件浇不足分布
Fig.9 Distribution of misrun in the casting of plan 9
由图9 可知， 铸件在方案7 下存在有轻微浇不足的风险， 根据之前模拟铸件浇不足与实际结果对比经验来看， 实际浇注的铸件可能不会存有浇不足风险，因此可对此试验方案下铸件进行实验，验证模拟结果的准确性。
2.5 工艺验证
根据模拟得到的最优试验方案， 对方案7 进行了蜡模压制、模组组焊、型壳制备、脱蜡焙烧、熔炼浇注、清壳切割、热处理、精修打磨、检验和包装发货等工序。 浇注后的铸件经DR(digital radiography)检查后内部无裂纹、缩松等冶金缺陷，如图10所示，铸件实物如图11 所示，满足相关技术协议的规定。
图10 铸件DR
Fig.10 DR image of the casting
图11 铸件实物
Fig.11 Physical image of the castings
3 结论
(1)利用三维造型软件对钛合金Y 型管进行几何建模和结构分析，通过ProCAST 模拟软件对铸件在不同试验方案下进行模拟分析，从充型、孤立液相区和疏松3 个方面分析铸件的冶金质量， 得到在浇注温度1 650 ℃和模壳温度350 ℃下铸件的质量最优。
(2)在保证中型薄壁铸件充满的情况下，铸件的浇注温度和模壳温度越低， 铸件产生的疏松也缺陷最少。
(3)通过实验验证，得到无疏松和夹杂等冶金缺陷的铸件，满足相关技术协议的规定。
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