鈦及鈦合金由于具有低密度、高比強度、耐腐蝕、耐高溫、低熱膨脹系數等優良性能，被廣泛應用于航空航天、航海、石油化工、醫療等領域。目前隨著人們對鈦合金產品性能需求的提高、對鈦合金鑄件及其鑄造工藝提出了更高的要求，如成型質量要求更高、鑄件體積更大、成形結構更復雜等。
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，熔模精密鑄造生產的鑄件表面質量要優于石墨型鑄造，但生產成本更高，且主要適用于中小型鑄件。針對大尺寸鈦合金鑄件的鑄造工藝，若采用熔模精密鑄造技術，制殼難度較大，且蠟模易發生變形。而石墨型鑄造工藝分型面選擇靈活、制備周期短、成型簡易，適用于大尺寸鈦合金鑄件的生產，因此采用機加工石墨型鑄造工藝。閆平通過石墨型鑄造技術成功澆注出重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到1∶10；范世璽生產的Ti321合金軸箱鑄件，輪廓尺寸為900 mm×350 mm×450 mm，該鑄件結構較為復雜，但總體質量較輕，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，但鑄件質量都不超過150 kg。
采用高速離心澆注來提高金屬液的充型效果，同時離心澆注也會在一定程度上減少鑄件內部縮松等缺陷。對于大尺寸大質量鈦合金鑄件，通常采用重力澆注來避免由于金屬液沖擊對鑄型造成破壞，但同時在失去離心力的作用下，鑄件內的缺陷數量會有所升高。
針對某大尺寸鈦合金閥體鑄件，材質為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軟件對石墨型鑄造過程進行了數值仿真模擬計算，采用重力澆注工藝，對不同澆注系統以及鑄型預熱溫度對缺陷形成的影響進行了計算和分析。根據模擬結果得出了該大尺寸鈦合金閥體鑄件的最優鑄造工藝，為同類型閥體類鑄件的鑄造工藝優化提供了依據。
1.鑄件結構分析
圖1為該閥體鑄件結構圖，內部中空，最薄壁厚約為38 mm，鑄件除法蘭為平直、環形面外，其他區域均為曲面；上下端兩法蘭同軸心，但尺寸相差約150 mm；右側法蘭軸心與上下端法蘭軸心垂直，連接處存在一定弧度，整體結構較為簡單。
圖1 閥體鑄件結構示意圖
采用機加工石墨型鑄造工藝對該大尺寸鈦合金閥體進行制備，基于模塊化設計原理，將石墨型外型及內芯分為多個獨立結構進行加工，采用螺桿、螺栓等定位方式進行組裝，保證成形鑄件的尺寸精度。
2.鑄造工藝設計及優化
采用真空自耗電極凝殼爐對鑄件進行澆注，鑄件自重約340 kg，因此金屬液熔化量需達到400 kg以上，大量金屬液在充型過程中，會對鑄型表面造成較大的沖刷，可能會產生夾雜等鑄造缺陷，因此不宜將澆口直接連接鑄件。如圖2所示，在型芯中增設內澆道，使金屬液得到緩沖，降低對成形區域的沖刷力，達到金屬液平穩充型的目的。由于閥體鑄件內部除法蘭端口處外，均為不規則曲面，因此將澆道與法蘭端口內側環形面相連，便于澆冒口的清除。
圖2 鑄件澆道設計示意圖
在內澆道設計完成后，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，造成金屬液充型時間不同，因此鑄件的凝固過程也會產生較大的差異。
圖3 三種不同組型工藝
直澆道的設計吸收了金屬液在充型過程中較大的沖擊力，使金屬液平穩快速的自上而下的充滿型腔，且底部延長的部分澆道在起到補縮作用的同時，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，由于內澆道位置的變化，金屬液充型時產生分流，進一步削弱了對石墨鑄型表面的沖刷力，金屬液從兩側進入型腔，自上而下的充型。
3.ProCAST鑄造模擬結果
3.1 組型工藝對模擬結果的影響
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、迅速，并未發現金屬液的飛濺與紊流現象產生。而組型工藝C由于內澆道位置的變化，金屬液由橫澆道向鑄件兩側分流，導致金屬液在鑄型內產生對向金屬液沖擊，產生了一定成度飛濺，而且對沖的金屬液極易產生卷氣、夾雜等缺陷。
圖4 三種組型工藝金屬液充型過程
如圖5所示，為三種不同澆注工藝的鑄造模擬結果。可以看出，鑄件內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，均位于與內澆道連接處，且鑄件內部缺陷也主要集中在內澆道中；而澆注工藝A和C 中缺陷分布均勻，較為分散，鑄件內部也存在多處缺陷。根據鑄造模擬結果可以看出，澆注工藝B中分布相對集中的缺陷，減少了打磨、焊補的工作量，鑄件整體澆注質量更高，因此最終選取組型工藝B。
圖5 三種組型工藝下鑄件內缺陷分布及數量模擬結果
3.2 鑄型預熱溫度對模擬結果的影響
為了進一步降低鑄件內部缺陷，提高鑄造質量，因此對不同鑄型預熱溫度下的澆注情況進行了ProCAST模擬。基于石墨本身的物理特性，常溫澆注會在石墨型表面產生激冷，易導致表面缺陷產生；但對于大尺寸鈦合金石墨型鑄造，過高的預熱溫度，在提高金屬液充型能力的同時，也會在石墨型中大量蓄熱，對鑄件的凝固過程產生一定影響，易造成晶粒粗大、熱節等。因此，本閥體鑄件石墨型預熱溫度設置為150 ℃和250 ℃，與常溫25 ℃時鑄件澆注模擬結果進行對比。
如圖6所示，為不同石墨型預熱溫度下，鑄件內缺陷體積的模擬結果。由于預熱溫度差異較小，模擬結果中鑄件內缺陷的分布并未發生顯著變化，但缺陷體積由初始25 ℃時的400 cm3降低到150 ℃時的375.9 cm3，又升高到250 ℃時的404.6 cm3，隨著預熱溫度的升高，呈現小幅度的先下降后上升趨勢。因此最終確定該大尺寸閥體鈦合金鑄件，石墨型預熱溫度為150 ℃。
圖6 三種鑄型溫度下鑄造模擬缺陷體積
4.生產驗證
采用600 kg容量鈦合金真空自耗電極凝殼爐，對該鈦合金鑄造閥體進行熔煉澆注，澆注工藝采用重力澆注，鑄形預熱溫度為150 ℃。實際鑄件如圖7所示。整體成形完整，尺寸精度高，內外表面均無明顯冷隔、流痕等缺陷；通過X射線檢測，發現內部缺陷位置與模擬結果基本一致，主要位于法蘭與內澆道連接處，且較為集中。
圖7 鈦合金閥體鑄件
5.結論
（1）重力澆注可以使鑄型內金屬液充型平穩，有效降低金屬液對鑄型表面的沖擊力，實現平穩、完整充型。通過ProCAST模擬結果可以看出，該大尺寸大質量鈦合金閥體鑄件通過合理的組型工藝可使鑄件內的缺陷分布更為集中，提高了鑄件整體質量。
（2）石墨型預熱可改善澆注過程中的激冷現象，提高金屬液的充型能力，但過高的溫度也會影響鑄件的凝固過程。該閥體類大尺寸鈦合金鑄件在石墨鑄型預熱溫度為150 ℃時，鑄件內的缺陷體積最小且最為集中。
作者：李重陽，劉時兵，徐凱，李鴻舉，李昕祺，岳野，劉天翼，倪嘉
單位：中國機械總院集團沈陽鑄造研究所有限公司