蔣夢麒 ，何 博

（1.上海工程技術(shù)大學 材料工程學院，上海 201600；2.上海工程技術(shù)大學 高溫合金精密成型研究中心，上海 201600）

0 引 言

熔模精密鑄造能成型復雜結(jié)構(gòu)的鑄件，具有尺寸精度高，表面粗糙度好等特點[1,2]。傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝基于大量的迭代優(yōu)化試驗，導致鑄造工藝開發(fā)成本較高。隨著有限元軟件的發(fā)展，有限元軟件可以對鑄造過程進行模擬仿真，并逐步替代了傳統(tǒng)的經(jīng)驗性研究[3]，設(shè)計人員可以根據(jù)溫度場與應(yīng)力場等模擬結(jié)果改進鑄造工藝，提升鑄件成型質(zhì)量[4,5]。

現(xiàn)利用三維建模軟件UG建立支座的澆注系統(tǒng)模型，通過CAE軟件與三維建模軟件的接口將IGS文件導入Hypermash軟件中進行網(wǎng)格劃分，最后使用ProCAST軟件模擬支架的熔模鑄造過程，確定了鑄件內(nèi)的缺陷分布與產(chǎn)生的原因，并迭代優(yōu)化了澆注工藝，模擬結(jié)果在實際生產(chǎn)中得到驗證。

1 鑄件初始澆注工藝

支座結(jié)構(gòu)如圖1所示，為空心結(jié)構(gòu)件，其最大輪廓尺寸為186 mm×308 mm×318 mm，整體壁厚約4.5 mm，鑄件材料為鎳基合金K444，化學成分如表1所示。

圖1 支座結(jié)構(gòu)

表1 鎳基合金K444化學成分 質(zhì)量分數(shù)

利用Hypermash為鑄件與澆注系統(tǒng)劃分三角形面網(wǎng)格，并進行細化處理，支座與澆注系統(tǒng)側(cè)澆道的網(wǎng)格尺寸為1～2 mm，內(nèi)澆口網(wǎng)格尺寸為1.5～3 mm，橫澆道與澆口杯網(wǎng)格尺寸為2～4 mm。將劃分好的網(wǎng)格文件導入有限元模擬軟件ProCAST中，利用型殼功能自動生成8 mm的型殼，并自動生成體網(wǎng)格，如圖2所示。由于鑄件存在2個豎直且表面積較大的薄壁側(cè)曲面，除支座基板的冷卻方式設(shè)置為空冷外，鑄件其他部位與澆注系統(tǒng)包裹厚度分別為6 mm與12 mm的保溫棉，以此實現(xiàn)自底向上的凝固。

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計與型殼

2 模擬與試制結(jié)果

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

鑄件采用熔模鑄造，澆注時金屬液從澆口流入型腔，金屬液溫度為1 420℃，型殼預熱溫度為980℃，澆注時間為3 s，保溫4 h。模擬時界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置如下：型殼與鑄件、澆注系統(tǒng)之間的傳熱系數(shù)為300 W/（m2·K）；空冷狀態(tài)下型殼與空氣的傳熱系數(shù)為10 W/（m2·K），環(huán)境溫度為20℃；6 mm與12 mm保溫棉包裹處的傳熱系數(shù)分別為0.2 W/（m2·K）和1 W/（m2·K）。

2.2 模擬結(jié)果分析

采用ProCAST軟件模擬鑄造過程并分析，通過觀測凝固過程中各部位的固相率和缺陷類型與位置來分析澆注系統(tǒng)設(shè)計的不足。圖3所示為凝固過程的模擬結(jié)果，支座中心區(qū)域完全凝固時間約為44.6～49.7 s，邊緣部位完全凝固時間約為54.7～59.7 s，如圖3（a）所示。在t=16 s時鑄件固相率約為20%～26%，鑄件開始凝固，到25 s時鑄件整體固相率達到46%以上，在35 s時鑄件中部固相率約為66%～73%，邊緣部位固相率達到了53%，如圖3（b）所示，說明此時鑄件內(nèi)部的補縮通道已經(jīng)關(guān)閉，鑄件凝固方式為快速整體凝固。在該凝固方式下，晶粒在鑄件的大平面部位同時形核，以接近的速度長大形成發(fā)達的樹枝晶，大量枝晶連成一片形成“骨架”。困于“骨架”之中的金屬液由于在凝固時難以得到外部的金屬液補充，凝固后會在鑄件內(nèi)部形成縮松熔孔缺陷。

圖3 支座鑄件凝固過程模擬

縮松縮孔缺陷是金屬液在冷卻和凝固過程中由于收縮得不到后續(xù)的金屬液補充而產(chǎn)生[6]。Niya?ma判斷依據(jù)表明，在鑄件凝固結(jié)束時的溫度梯度G與其冷卻速度R的二次方根的比值G/R1/2可以反應(yīng)鑄件內(nèi)部的縮松與縮孔分布的函數(shù)值。當某區(qū)域的G/R1/2小于一定臨界值時，該區(qū)域就會產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。

利用ProCAST中Niyama判斷依據(jù)預測鑄件中的缺陷分布，如圖4所示，大量的缺陷分布在鑄件內(nèi)部，主要集中在鑄件中部先行凝固的區(qū)域，即圖3（a）鑄件中部凝固時間較短的區(qū)域。

圖4 初始工藝缺陷分布

2.3 試制結(jié)果

為了驗證模擬的準確性，對初始澆注方案進行了試制，澆注過程如圖5（a）所示，澆注工藝與模擬工藝保持一致。清殼處理后鑄件如圖5（b）所示，鑄件外形完整，說明該澆注溫度處于較適合的范圍，鑄件不會出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷。鑄件不存在明顯的孔穴，說明型殼的焙燒溫度與保溫時長適宜。對鑄件進行X探傷與熒光檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件側(cè)邊存在大量的穿透性疏松，缺陷產(chǎn)生部位與數(shù)值模擬一致。

圖5 初始試制

3 工藝優(yōu)化

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

在原有的澆注系統(tǒng)上新增9個內(nèi)澆道擴大澆注系統(tǒng)的有效補縮面積，同時新增“回”字形分布的5條橫澆道以改善鑄件的溫度梯度，使鑄件凝固方式變?yōu)轫樞蚰?。由于在初始試制的鑄件并未發(fā)現(xiàn)澆不足等現(xiàn)象，說明初始澆注工藝澆注溫度、型殼厚度、溫度等設(shè)置合理，在優(yōu)化中保留初始澆注方案。優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)設(shè)計與型殼如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)與型殼

為進一步提升內(nèi)澆口的補縮能力，在新澆注方案中撤去鑄件上包裹的保溫棉，分別采用空冷和冷鐵來增大鑄件與澆注系統(tǒng)之間的溫度梯度。其中空冷方案僅在澆注系統(tǒng)上包裹保溫棉，鑄件采用空冷，包裹方式如圖7（a）、（b）所示。冷鐵方案是在空冷方案的基礎(chǔ)上在鑄件的內(nèi)腔中放置冷鐵，冷鐵的影響區(qū)域如圖7（c）所示。

圖7 數(shù)值模擬分析邊界條件

3.2 優(yōu)化方案模擬

圖8所示為ProCAST中總體固相分數(shù)模擬結(jié)果，由圖8可知，冷鐵方案的冷卻速度大于空冷方案。空冷方案的凝固方式如圖8（a）～（d）所示，鑄件實現(xiàn)了自底向上的凝固方式。在t=93 s時，鑄件底座邊緣部分開始凝固，底部的內(nèi)澆道可以持續(xù)補縮鑄件成型。隨后鑄件側(cè)平面底部開始朝上凝固，該過程如圖8（b）～（c）所示，“口”形內(nèi)澆道中的固相率約為20%～26.7%，仍保持較高的補縮能力。約在233 s時鑄件完全凝固，此時鑄件與澆注系統(tǒng)的固相率約為24.9%。

冷鐵方案的凝固方式與空冷方案不同，如圖8（e）～（h）所示，鑄件整體幾乎同時凝固，且鑄件凝固速度大于澆注系統(tǒng)的凝固速度，如圖8（g）所示，鑄件較高的固相率是鑄件與澆注系統(tǒng)的固相率達到17.3%的原因。雖然澆注系統(tǒng)在鑄件凝固過程中一直保持較低的固相率，使內(nèi)澆道與鑄件之間的補縮通道一直存在，但是鑄件凝固過快且凝固方式接近整體凝固，鑄件內(nèi)部的金屬液難以流動，導致內(nèi)澆道的補縮能力大幅下降。

圖8 優(yōu)化方案凝固過程模擬結(jié)果

缺陷模擬結(jié)果如圖9所示，閾值取0.01，即深色部分的縮松率大于1%，在實際生產(chǎn)中大概率是缺陷產(chǎn)生的部位?？绽錆沧⒎桨钢杏猩倭咳毕莘植?，但該方案明顯優(yōu)于冷鐵方案。冷鐵方案中缺陷分布較規(guī)律，基本分布在2個內(nèi)澆道中間，如圖9（b）所示，其主要原因是冷鐵方案的鑄件凝固方式接近于整體凝固，且凝固速度較快，短時間內(nèi)金屬液難以在待成型鑄件內(nèi)部流動，使內(nèi)澆道的補縮能力大幅度下降。因此，在鑄件快速凝固過程中，先行凝固的部分會殘留大量孤立的液相區(qū)。

圖9 縮松分布模擬結(jié)果

3.3 澆注溫度優(yōu)化

為了完全消除鑄件缺陷，在空冷方案的基礎(chǔ)上對澆注溫度進一步優(yōu)化。新設(shè)置了2個澆注方案，新方案的澆注溫度分別為1 400℃與1 440℃，冷卻方式為空冷，不改變其他邊界條件。通過有限元模擬軟件ProCAST再次對澆注方案進行模擬，閾值仍取0.1，模擬結(jié)果如圖10所示，改變澆注溫度可以改善鑄件成型質(zhì)量，澆注溫度為1 400℃的澆注工藝生產(chǎn)的鑄件無明顯的缺陷分布。

圖10 新設(shè)置澆注方案縮松分布模擬結(jié)果

4 生產(chǎn)驗證

澆注后經(jīng)清殼、切割、打磨、噴砂處理后的支座如圖11（a）所示，鑄件輪廓清晰，表面平整、光滑。在X射線檢測中未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部存在縮松、縮孔等缺陷，鑄件驗收合格，如圖11（b）所示。

圖11 鑄件試制與X射線探傷檢測

5 結(jié)束語

基于支座的熔模鑄造模擬迭代優(yōu)化與試制驗證可以得出以下結(jié)論。

（1）有限元模擬軟件ProCAST可以模擬鑄造過程，通過對溫度場的分析可以掌握鑄件的充型和凝固狀態(tài)，判斷鑄件缺陷產(chǎn)生的位置與原因。

（2）豎直薄壁平面是支座類鑄件中易產(chǎn)生缺陷的部位，在較快的凝固速度下，同時凝固的方式容易在平面內(nèi)形成大量的孤立固液混合區(qū)，導致在凝固完成時鑄件內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，影響鑄件的成型質(zhì)量和性能。

（3）保溫棉加空冷的冷卻方式可以為支座提供合理的溫度梯度與凝固速度，改善鑄件側(cè)曲面的質(zhì)量。