導讀
針對鈦合金殼體鑄件對流道表面品質要求高，選用石墨陶瓷複合鑄型來保證鑄件流道表面品質，同時，利用鑄造模擬軟體對鑄件澆注系統進行最佳化設計，避免大尺寸縮孔缺陷的產生，提升鑄件內部品質，並結合軟體計算及理論分析，闡明陶瓷材料提升鑄件流道表面品質的機理。
鈦及鈦合金具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕等一系列的優異效能，被稱以“太空金屬”、“海洋金屬”的。為了進一步拓展其應用範圍，在普通合金的基礎上，透過降低間隙元素的含量，得到了ELI（extra low interstitial，超低間隙元素）鈦合金，在強度降低的同時韌性得到顯著提高，被廣泛應用於低溫工程、醫療、海洋工程等重要領域。
TC4ELI鈦合金就是在TC4合金的基礎上，透過控制間隙元素C、N、O及雜質元素Fe的含量而獲得。圖1為某商業航天裝備低溫使用的關鍵構件--鈦合金殼體鑄件。材質為ZTC4ELI鈦合金。該鑄件的流道具有流體力學型面，為保證殼體的設計效能，對錶面品質要求很高，由於結構限制，只能透過鑄造方法實現近淨成形，同時要避免出現表面缺陷，一旦出現超標缺陷，將無法進行修復。採用石墨陶瓷複合型工藝方法，獲得了內部品量、表面品質、尺寸精度、理化效能均滿足要求的殼體鑄件。
（a）鑄件外部 （b）鑄件內部
圖1 鈦合金殼體鑄件
鈦合金殼體鑄件輪廓尺寸為585mm×386mm×291mm，流道為不規則變截面，基本壁厚僅為4mm，流道的表面粗糙度要求不大於3.2 μm。結合結構特點，工藝採用熔模型和機加石墨型兩種，熔模鑄造需要分別製備金屬模具和水溶型芯，雖能保證流道表面粗糙度，但蠟模的尺寸精度較難保證，在成本及週期上不具有優勢。機加石墨型工藝採用的是電極石墨材料，透過機械加工再組合裝配成鑄型的方式，優點是分型多樣，可實現鑄型的快速製備，缺點是石墨材料導熱速率快，退讓性差，鑄件表面易出現冷隔、流痕、裂紋等缺陷，嚴重影響鑄件流道表面品質。針對這個問題，採用石墨陶瓷複合鑄型，外模選用電極石墨，內芯選用陶瓷材料，陶瓷的導熱速率遠低於石墨，可極大地降低鑄型激冷效應，這樣就可以保證鑄件流道表面粗糙度，同時，陶瓷還具有易潰散性，相較於石墨，澆注後鑄型的清理難度大大降低，有利於保證流道的表面品量。
1 澆注工藝設計及鑄型製備
根據鑄件的結構特點，澆注系統採用於底注式，透過均勻分佈的筋板實現鑄件的完整充型。使用鑄造模擬軟體對澆注系統進行模擬，發現有縮孔，主要集中在出口法蘭端面、上法蘭端面、中間法蘭3處，見圖2。受鑄件本身結構限制，鑄件在充型過程存在窄截面充型厚截面區域，導致鑄件在厚大法蘭區域形成獨立熱節，易形成縮孔。
圖2最佳化前鑄件縮孔位置
針對上述情況，對澆注系統進行最佳化，在出口法蘭處設定冒口，同時增設工藝筋，形成更穩定的鑄件結構，提高充型品質的同時可減小出口法蘭的變形傾向；從鑄件上、中法蘭結構看，中法蘭的縮孔處為獨立的熱節區，即使在上法蘭處設定冒口也無法完全解決中法蘭處的縮孔問題，因此需要增設補縮通道，使上法蘭處的冒口可以對中法蘭進行補縮，同時在靠近澆口處增加充型通道，使金屬液能實現快速充型，見圖3，補縮通道及充型通道在熱壓之後透過機加工方式去除。最佳化後的澆注系統見圖4。
圖3 鑄件充型和補縮通道示意圖
圖4 殼體鑄件澆注系統
對最佳化後的澆注系統重新進行模擬模擬，邊界條件與最佳化前相同，結果發現上述3處的縮孔缺陷完全集中在冒口處，鑄件中的縮孔缺陷得以消除，見圖5。
圖5 最佳化後鑄件縮孔位置
2 鑄型設計及製備
鑄型整體為左右分模的形式，見圖6。左、右外模為機加石墨型，中間型芯為陶瓷型，陶瓷型芯與石墨型之間為間隙配合，配合精度為0~0.05mm，石墨型之間採用定位銷、耐熱鋼製螺桿等材料進行裝配定位，確保尺寸精度。
（a）左側外模 （b）右側外模+陶瓷型芯
圖6 鑄型設計模型
陶瓷型芯的面層由氧化物材料Y2O3製成，Y2O3陶瓷材料型殼具有良好的惰性，與活性較高的鈦合金熔液幾乎不發生反應，可減少鑄件表面的α粘汙層厚度，能最大限度提高鑄件表面品質，陶瓷型芯見圖7。
圖7 陶瓷型芯
3 方案驗證
3.1 熔鍊澆注
鑄型組裝完成後，按工藝進行整體預熱，預熱溫度為350±50℃，保溫2h以上，確保鑄型充分預熱，提高金屬液的充型能力，減少鑄件冷隔、流痕、裂紋等表面缺陷。澆注的鑄件見圖8。可以看出，鑄件表面呈金屬光澤，成形品質良好，符合預期。
圖8 殼體鑄件（清殼後）
3.2品質檢測
鑄件經過熱等靜壓處理後，法蘭處不存在大尺寸縮孔缺陷，最佳化後的澆注方案符合預期，有效減少了鑄件缺陷，提高了鑄件品質。鑄件流道內無超標熒光缺陷。經與粗糙度樣塊比對，流道內的表面粗糙度Ra≤3.2μm，滿足技術要求。為進一步分析石墨材料和陶瓷材料對鑄件表面品質的影響，在金屬液與鑄型內芯接觸的面隨機選取6點，位置見圖9。使用軟體分別計算出使用石墨材料和陶瓷材料時金屬液冷卻速率的曲線，見圖10。
圖9 選點位置示意圖
從圖10可以看出，當型殼分別選用石墨和陶瓷時，在剛澆注完成瞬間，金屬液冷卻速度均較快，隨後石墨型殼的鑄件凝固速率明顯快於陶瓷型殼的鑄件，當澆注完成後20s時，兩種金屬液溫度分別為1100℃以上和1250℃以上，主要原因為石墨材料的導熱速率明顯大於陶瓷材料，導致了金屬液凝固速率不同，這也是表面質量存在差異的關鍵因素。同時，在曲線中發現，靠近澆道附近的點6由於金屬液的持續過熱作用，其凝固速率明顯慢於其他位置。
（a）石墨材料
（b）陶瓷材料
圖10 石墨材料與陶瓷材料對金屬液冷卻速率的影響曲線
陶瓷型鑄件表面品質好於石墨型的主要原因為金屬液在流動過程中，前端在鑄型壁遇冷而發生凝固，但陶瓷相較於石墨導熱速率低，金屬液凝固速度慢，部分已形成的凝固層被後續的過熱金屬重新熔化，見圖11，導致流痕、冷隔等表面缺陷少，表面粗糙度值更低，其中流道內的表面品質見圖12。
圖11 金屬液充型和冷卻過程示意圖
圖12 殼體鑄件流道表面品質
3.3 尺寸檢測
使用三維鐳射掃描裝置（HandySCAN700）對鑄件進行尺寸外形檢測，結果見圖13。從比對結果可以看出，鑄件與理論模型3D比較符合度較好，流道等非加工部位與理論模型偏差在±0.2mm公差內，完全符合要求。
圖13 鑄件三維掃描比對結果
3.4 理化效能檢測
取熱等靜壓+退火狀態的附鑄試樣對鑄件的理化效能進行檢測，化學成分檢測按GB/T 4698，室溫力學效能按GB/T 228.1-2010。技術指標及實測資料見表1、表2，實測資料完全滿足技術指標要求。
4 結論
採用石墨陶瓷複合鑄型生產鈦合金殼體鑄件，可有效減少流道的表面冷隔、流痕、裂紋等缺陷，保證產品非加工區域的表面質量。藉助鑄造模擬軟體能準確判別出鑄件縮孔等缺陷位置，透過最佳化澆注系統設計，增加充型、補縮通道及冒口，能有效減少鑄件內部缺陷。透過軟體計算和理論分析，陶瓷型殼與石墨型殼相比，導熱速率更低的陶瓷型殼更能有效保證鑄件表面質量。
文獻引用格式：張洋，梁潤孜，於宗溟，等.鈦合金殼體鑄件石墨陶瓷複合型鑄造工藝研究[J].特種鑄造及有色合金2021,41(12):1 572-1 575.
