大型钛合金铸件成形工艺研究
来源：特铸杂志 2023-05-22 11:15:10
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天飞行器结构件。为适应高马赫飞行速度，飞行器进气道被设计成异形曲面中空结构，具有轮廓尺寸大、壁厚薄、通道截面形状不规则等结构特点，采用“铸造+焊接+加工”工艺可以制造出大型薄壁复杂的钛合金结构件。
北京航空材料研究院股份有限公司贾志伟高工在2023年第43卷第04期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“大型复杂钛合金进气道铸件成形工艺研究”的文章，文章通过分析大型复杂钛合金进气道铸件的结构特点、技术要求和技术难点，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。结合ProCAST数值模拟软件进行铸造成形工艺优化，设计了合理的浇注系统，实现了两段分体铸件的铸造完整成形。采用真空电子束整体焊接方法，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，最终生产出长度为1 260 mm的进气道钛合金铸件。
(资料图片)
【产品分析】
进气道铸件采用ZTA15钛合金，其化学成分及力学性能见表1和表2。图1为进气道铸件的示意图。其轮廓尺寸为1260 mm×335 mm×130 mm，质量为46.2 kg；其结构为三通道狭长空腔结构，结构复杂，外型面为渐变壁厚的扇形曲面，内腔通过两个3.0 mm的隔板贯穿整体形成三个通道，每个通道最小截面尺寸约为97 mm×52 mm，网格面上的壁厚为3.0 mm。
图1 进气道铸件示意图
进气道铸件扇形曲面的外型面和两端口部为机加工面，网格面和内腔通道为非加工面，完全由铸造工艺来保证。由于铸件长高比大（9.5:1），最小壁厚薄3.0mm，不利于铸造完整成形，长度方向上易发生弯曲变形；通道截面的壁厚突变大，最大壁厚达41 mm，容易形成缩孔、缩松；除此之外，三通道内腔狭长，铸件长度方向上的中间位置若产生铸造缺陷，将会导致无损检测及内腔缺陷修复困难极大。
【工艺选择】
因进气道铸件结构复杂、壁厚薄以及尺寸精度等级高，同时为满足内腔流道气体流通顺畅的工况保证内腔表面粗糙度要求小于6.3μm，采用熔模精密铸造成形。若采用整体铸造完整成形工艺，由于内腔通道狭窄，金属型模具抽芯困难且壁厚均匀性差，型壳内腔干燥困难易产生鼓胀，通道内产生缺陷难以排除和修复；尺寸易弯曲变形，经综合分析，将进气道铸件采用分体铸造+整体焊接的方式来成形。
为便于进气道铸造成形、无损检测及尺寸控制，将铸件分为前段460 mm和后段800mm两部分，见图2。钛合金铸件线收缩率的准确度直接关系到铸件的尺寸精度，线收缩受合金成分、铸型材料和铸型类型以及铸件结构。综合考虑蜡模收缩、铸型的阻碍以及合金成分等因素，结合铸件实际的结构和尺寸，拟定两段铸件的X长度、Y宽度、Z高度方向收缩率分别定为1.0%、1.2%、1.5%。
图2 分段铸件示意图
采用ProCAST模拟仿真软件对铸件充型、凝固模拟，分析铸件模拟成形品质和缩孔。依据铸造工艺方案，制定模拟仿真主要参数见表3。
根据铸件壁厚大、轮廓尺寸要求高等特点，对铸件进行无浇注系统的凝固热节模拟分析，确定铸件凝固热节部位。凝固热节模拟结果见图3。结果表明，前段和后段铸件的扇形曲面上下部位均存在长条状的孤立液相区（黄色区域），这些部位若得不到足够的金属液补缩，极易产生缩孔、缩松缺陷，将会导致铸件热等静压后形成压坑，增加铸件表面补焊修复量和修复难度，进而影响铸件内腔表面质量，因此在浇注系统设计时需要重点关注。
（a） 前段（b）后段
图3 铸件凝固热节
铸件的浇注系统是钛液充填型腔的重要通道，关系到铸件品质的关键环节。依据铸件凝固热节模拟结果，结合铸件结构特点和技术难点，制定进气道铸件的浇注系统和组模工艺方案，模拟铸件金属液充型过程，分析缩孔分布，并制定工艺方案迭代优化，将缩孔进行有效补缩。
为保证铸件三通道狭长内腔的型壳通风干燥，采用底注式浇注系统，将蜡模平躺组焊于横浇道上并设置合理的浇冒口；同时将蜡模倾斜一定的角度，保证金属液充型平稳，实现顺序凝固和排气通畅，避免产生大面积气孔。以后段为例（前段组模方案与后段相同），铸件组模工艺方案见图4。扇形曲面上部设置12个冒口，下部设置18个浇口。
图4 铸件组模方案
图5为铸件充型过程模拟结果。可以看出，充型开始至3.6 s时首先完全充满整个横浇道，金属液上升过程中流动平稳，从浇口底部往上顺序流动；4.8s时充型一半；5.9s时铸件本体及冒口完全充满。从充型结果来看，金属液充型过程较为平稳，设计合理。图6为铸件缩孔位置模拟结果，孔隙率设为30，深蓝色区域为缩孔位置，可以看出扇形曲面上部两侧的凝固热节通过设置冒口能够有效提缩至铸件本体外，基本消除了缩孔缺陷。而在扇形曲面下部两侧的外浇口与铸件连接根部由于得不到金属液补充，形成较大的缩孔，最大缩孔体积大小为5.76cm3，最小缩孔体积大小为0.74cm3，缩孔平均直径大于10mm，根据研究经验这些缩孔均很难通过热等静压进行压扁愈合，铸件热等静压后将会在内腔表面形成大压坑，增加了内腔表面凹坑补焊修复技术难度。
（a）充型3.6s （b）充型4.8s （c）充型5.9s
图5 铸件充型过程
图6铸件缩孔分布
图7为铸件浇冒口位置的温度场分布情况，从中可以看出，扇形曲面两外侧面的浇口和冒口之间存在颈缩部位，该部位的温度约1550℃且低于固相线温度1620℃，而浇口与铸件连接根部的温度高于固相线温度，两者的温度梯度高达约100℃，颈缩部位率先凝固，堵塞了金属液的补缩通道，导致浇口根部形成缩孔。
图7 浇冒口位置的温度场分布
为此，针对颈缩部位进行工艺优化，在扇形曲面两侧面增加5处弯形侧冒口，图8为浇口与铸件连接根部的工艺改进方案、缩孔改善效果及温度场分布情况。可以看出，在浇口根部附近采用弯形侧冒口，增大了浇口根部的补缩通道，缩孔大小得到明显改善（见图8b所示），缩孔体积大小由改进前的最大5.76cm3降低至0.41cm3，根据经验评估这样的小缩孔经过热等静压完全可以压扁愈合，不会在铸件通道内腔表面形成凹坑。因此，基于工艺优化后的方案，可进行研制生产。
图8 工艺优化方案、缩孔改善结果及温度场分布
由于分段铸件对接型面最大壁厚突变区的壁厚为41mm，壁厚突变非常大，见图9所示，若整个对接型面完全采用真空氩弧焊接方法进行对接焊，将面临焊接量大，铸件变形严重的技术风险。真空电子束焊接技术具有高真空度、高能量密度、穿透能力强、焊接速度快、易于实现计算机控制等优点，可达到焊接结构焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小，实现接头成形性及质量良好。因此，根据对接型面的结构特点，扇形曲面设计渐变的壁厚曲面，采用真空电子束焊接方法进行焊接，实现分段铸件焊接完整成形。
图9 最大壁厚突变区
针对对接型面的结构特点，设计了对接型面的电子束焊接工艺方案，如图9所示。对接型面的壁厚由3mm渐变至6mm，再由6mm渐变至10mm。该设计具有壁厚突变小，电子束焊接电流均匀，焊缝高度控制均匀。在前段和后段进行真空电子束焊接前，按照图10要求，机加工两段铸件的对接型面，保证对接型面的尺寸精度。除此之外，设计并制作对接型面的工艺试验件，摸索焊接工艺参数，基于试验件内外型面的焊缝质量，选择合理的焊接工艺参数，图11为试验件焊缝照片。
图10 电子束焊接工艺方案
图11 试验件接焊缝照片
【生产验证】
前段和后段铸件按照数值模拟优化后的铸造工艺方案，采用熔模精密铸造+重力浇注方法进行浇注，铸件整体铸造100%完整成形，无鼓胀、掉砂、粘砂等铸造表面缺陷。经X射线检测确认，铸件凝固热节部位的缩孔得到有效提缩，通过在颈缩部位增加弯形冒口，基本消除了浇口根部的缩孔，检测结果与数值模拟分析一致。采用GOM蓝光扫描设备对铸件尺寸进行分析，前段和后段铸件的实际收缩率符合设计要求。
图12为前段和后段铸件电子束焊接后的照片。可以看出，电子束焊缝高度约为1.0~2.0 mm，铸件经尺寸扫描确认，铸件整体焊接变形量≤0.5 mm，变形量小。前段和后段铸件采用真空电子束焊接后，形成完整的进气道铸件，通过精整打磨方法对铸件内外型面的焊缝余高打磨光滑平整，焊缝X光和荧光检测结果合格。经过尺寸扫描检测，进气道铸件整体轮廓度控制在±0.6 mm范围内，其余尺寸也符合铸件的精度要求。铸件化学成分和力学性能符合技术要求，见表4和表5。
图12 铸件电子束焊缝照片
【结论】
（1）基于进气道钛合金铸件的结构特点、技术难点，确定了铸件分体设计及铸造工艺方案，结合ProCAST数值模拟软件分析铸件凝固热节，设计合理的浇注系统并对浇冒系统进行优化，模拟结果与实际情况相一致，实现了两段分体铸件的铸造完整成形。
（2）进气道铸件采用分段熔模精密铸造+重力浇注+电子束焊接的工艺方案，成功研制出长度1260 mm的大型薄壁复杂异形曲面狭长三通道结构钛合金结构件，为后续生产此类铸件提供了指导和借鉴。
（3）对于结构复杂长度尺寸超过1200 mm以上的进气道类狭长内腔结构件，采用分段铸造和整体电子束焊接是一种行之有效的成形方法。
【文献引用】
贾志伟,殷建锋,鞠忠强,等.大型复杂钛合金进气道铸件成形工艺研究[J].特种铸造及有色合金,2023,43(4):570-574.
JIA Z W,YIN J F,JU Z Q,et al.Forming process of large-scale complex titanium alloy airinlet[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(4):570-574.
