兩種鑄造模擬軟件在鈦合金鑄件研制中的應(yīng)用對(duì)比

李峰，崔新鵬，王麗娟，南海,，周黔,

（1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095；2. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094）

傳統(tǒng)熔模鑄造的工藝方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化主要憑借產(chǎn)品工程師的工作經(jīng)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)，為了生產(chǎn)出合格鑄件，在正式投產(chǎn)前往往需要經(jīng)過多次試制，但是工程師對(duì)于鑄件質(zhì)量的把控缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，采用這種試錯(cuò)方法，增加了產(chǎn)品的研發(fā)周期和企業(yè)成本并且鑄件的質(zhì)量也難以保證[1—3]，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代鑄造企業(yè)數(shù)字化、高效率、低能耗的發(fā)展要求[4]。隨著 CAE仿真技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造方法結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，越來越得到鑄造企業(yè)的認(rèn)可。鑄造模擬軟件在降低企業(yè)成本、減少生產(chǎn)周期、提高鑄件質(zhì)量等方面具有重大作用，可以為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

目前商業(yè)化的鑄造模擬軟件有很多，國(guó)內(nèi)如華中科技大學(xué)的華鑄 CAE、清華大學(xué)的 FT-STAR，國(guó)外如法國(guó)ESI的ProCAST、美國(guó)的FLOW-3D、德國(guó)的MAGMA等[6]。文中針對(duì)廣泛應(yīng)用的兩種模擬軟件華鑄CAE和ProCAST來開展研究，對(duì)比分析兩種軟件在鈦合金鑄件模擬方面的差異和準(zhǔn)確性。

1 軟件特點(diǎn)

華鑄 CAE為華中科技大學(xué)自主研發(fā)的鑄造模擬軟件，自1985年起，至今已有30余年的歷史，是基于有限差分 FDM 原理來解析流動(dòng)傳熱和應(yīng)力問題，可以模擬分析大部分鑄造類型的流動(dòng)和溫度場(chǎng)分析，但是還不具備應(yīng)力場(chǎng)分析功能，文件導(dǎo)入接口也只有STL格式[7—8]。ProCast軟件為法國(guó)ESI公司開發(fā)的鑄造模擬軟件，采用有限元FEM方法來解析傳熱、流體、應(yīng)力等問題，可以預(yù)測(cè)縮孔縮松、澆不足、冷隔等鑄造缺陷，并且可以對(duì)應(yīng)力變形、微觀組織等進(jìn)行模擬仿真分析，適用于砂型、金屬型、熔模鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、連鑄等鑄造工藝[9]。兩種軟件在國(guó)內(nèi)外鑄造行業(yè)以及鑄造學(xué)術(shù)界均具有較大的影響。

兩種數(shù)值計(jì)算方法相比，有限元法適合處理復(fù)雜區(qū)域，精度高但是內(nèi)存和計(jì)算量巨大，而有限差分(FDM)不能進(jìn)行應(yīng)力分析，處理不規(guī)則區(qū)域難度大，與模型擬合較差，對(duì)區(qū)域的連續(xù)性要求較嚴(yán)[10]。兩種軟件特點(diǎn)的對(duì)比見表1[11—13]。

表1 兩種軟件特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of two kinds of software

2 數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)分析及網(wǎng)格剖分

選取的鑄件為典型的環(huán)形類鈦合金鑄件，鑄件模型及網(wǎng)格剖分見圖1，具體尺寸如下：下環(huán)半徑為141 mm，上環(huán)半徑為123 mm，高度為236 mm，下部附有3個(gè)彎管，見圖1a。華鑄CAE采用有限差分的方法剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為2 912 000個(gè)，見圖1b，可以看出，網(wǎng)格剖分邊界呈階梯狀，與模型擬合較差。Procast軟件采用有限元方法剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為2 380 287個(gè)，見圖1c，擬合較好。

圖1 鑄件模型及網(wǎng)格剖分Fig.1 Model and mesh generation of casting

2.2 參數(shù)設(shè)置

兩種軟件都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)ProCast軟件還可以根據(jù)合金成分進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，得到材料的熱物性參數(shù)。鑄件材料為 Ti-6Al-4V，模殼材料選擇硅砂（因?yàn)閮煞N軟件中的鈦合金鑄造用模殼材料熱物性數(shù)值不適合鈦合金精鑄模擬，因此模擬中選用硅砂），澆注溫度為1720 ℃，模殼預(yù)熱溫度為200 ℃，靜止?jié)沧?。鑄件材料熱物性參數(shù)見表2。

表2 鑄件材料的熱物性參數(shù)Tab.2 Parameters for thermophysical properties of casting material

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照設(shè)計(jì)的環(huán)形類鈦合金鑄件澆注系統(tǒng)工藝方案進(jìn)行了實(shí)際澆注試驗(yàn)。鑄件材質(zhì)為Ti-6Al-4V，模殼面層材料為Y2O3，背層材料為Al2O3，模殼厚度約為15 mm。采用真空自耗凝殼爐進(jìn)行了靜止?jié)沧ⅲT件成形完整，沒有出現(xiàn)跑火等澆注異常，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于模擬結(jié)果的驗(yàn)證。成形鑄件見圖2。針對(duì)澆注出的鑄件進(jìn)行了X射線無損檢測(cè)，獲得了鑄件內(nèi)部縮孔缺陷分布底片。

圖2 澆注完成后的左右半鑄件Fig.2 Left and right half of casting after pouring

4 模擬結(jié)果分析

4.1 凝固過程分析

針對(duì)環(huán)形類鈦合金鑄件實(shí)際澆注實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)工藝方案，采用兩種模擬軟件進(jìn)行了模擬充型和凝固模擬研究。溫度場(chǎng)的計(jì)算是凝固模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，Procast和華鑄CAE模擬不同時(shí)刻固相率的變化分別見圖3和圖4。可以看出兩種軟件模擬出的凝固過程基本一致，都是鑄件外壁首先開始凝固，下部彎管冷卻較快，法蘭邊及凸臺(tái)厚大區(qū)域冷卻緩慢，鑄件上的拐角及圓角散熱較差，凝固過程較為緩慢，從圖3b紅色圓環(huán)位置可以看出，凝固過程中形成了孤立液相區(qū)，補(bǔ)縮通道中斷，此處很有可能形成縮孔缺陷。

4.2 縮孔分析

鈦合金鑄造缺陷主要有縮孔、縮松、夾雜、氣孔等，對(duì)于小尺寸縮孔和氣孔可以通過熱等靜壓來壓合，而對(duì)于大尺寸縮孔必須進(jìn)行補(bǔ)焊處理[14—15]。ProCast預(yù)測(cè)的鑄件內(nèi)縮孔的位置見圖 5，按照經(jīng)驗(yàn)ProCast軟件孔隙率選擇0.3，從圖5可以看到，縮孔主要分布在鑄件外輪廓上的凸臺(tái)，彎管法蘭及鑄件左右連接的熱節(jié)處，這與凝固過程的預(yù)測(cè)相吻合。華鑄CAE預(yù)測(cè)的鑄件內(nèi)縮孔的位置見圖 6，參照ProCast孔隙率選擇0.3，可以看出，與ProCast軟件預(yù)測(cè)結(jié)果不同的是，鑄件外輪廓上的凸臺(tái)未見明顯縮孔，側(cè)冒口根部存在縮孔，其他位置基本相同。分析結(jié)果差異的原因是兩種軟件的縮孔判據(jù)不一樣，當(dāng)選擇同一孔隙率時(shí)，縮孔預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定差異。這說明針對(duì)不同的模擬軟件，孔隙率不能選取同樣的數(shù)值，否則會(huì)出現(xiàn)模擬結(jié)果局部不一致的現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證兩種軟件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)鑄件進(jìn)行了X射線探傷，檢測(cè)結(jié)果見圖7。鑄件實(shí)際縮孔位置與兩種軟件的模擬結(jié)果吻合很好，縮孔形貌多呈長(zhǎng)條圓弧狀，這證明了兩種模擬軟件都適合鈦合金精鑄模擬，可以用于鑄造工藝優(yōu)化，從而逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)和多次物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的落后工藝優(yōu)化方法，促進(jìn)鈦合金精鑄技術(shù)的數(shù)字化、智能化發(fā)展。

圖3 ProCast中鑄件凝固過程分析Fig.3 Analysis on solidification process of casting in ProCast package

圖4 華鑄CAE中鑄件凝固過程分析Fig.4 Analysis on solidification process of casting in Huazhu CAE package

圖5 ProCast預(yù)測(cè)的縮孔缺陷位置Fig.5 Shrinkage porosity prediction by ProCast

圖6 華鑄CAE預(yù)測(cè)的縮孔缺陷位置Fig.6 Shrinkage porosity location predicted by Huazhu CAE

圖7 實(shí)際縮孔位置Fig.7 Location of actual shrinkage porosity

5 結(jié)論

利用華鑄CAE和ProCast軟件對(duì)同一鈦合金鑄件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)兩種軟件在方面網(wǎng)格剖分、溫度場(chǎng)模擬、縮孔缺陷預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較，得出了以下結(jié)論。

1) 華鑄CAE采用有限差分方法，剖分網(wǎng)格簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間短，但是模型邊界擬合較差。ProCast軟件采用有限元方法，剖分網(wǎng)格復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，模型擬合精度高，能更好的反映復(fù)雜鑄件的形狀。

2) 在溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)方面，兩種軟件預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，凝固過程的變化都是鑄件外壁首先開始凝固，下部彎管冷卻較快，法蘭邊及凸臺(tái)厚大區(qū)域冷卻緩慢，鑄件上的拐角及圓角散熱較差，凝固過程較為緩慢。

3) 在縮孔位置預(yù)測(cè)方面，當(dāng)選擇同一空隙率時(shí)，兩種軟件模擬出的縮孔位置略有差異，這說明針對(duì)不同的模擬軟件，孔隙率不能選取同樣的數(shù)值，否則會(huì)出現(xiàn)模擬結(jié)果局部不一致的現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際探傷結(jié)果驗(yàn)證，兩種軟件都可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)到彎管法蘭及鑄件左右連接熱節(jié)位置的縮孔。

4) 通過ProCast軟件和華鑄CAE在同一鈦合金鑄件上應(yīng)用對(duì)比，數(shù)值模擬技術(shù)可以很好的預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)縮孔缺陷，可以顯著降低企業(yè)成本，減少重復(fù)試驗(yàn)，為解決工程問題提供極大的幫助。實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)結(jié)合兩種軟件的優(yōu)勢(shì)，在研發(fā)周期短、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度慢的條件下，可采用華鑄CAE進(jìn)行數(shù)值模擬；在研發(fā)周期長(zhǎng)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快或者需要應(yīng)力變形模擬時(shí)，可采用ProCast軟件進(jìn)行模擬。

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