基于ProCAST 的支座件熔模鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

蔣夢(mèng)麒 陳 雙 齊 兵 何 博

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院 上海 201600）

（2.上海工程技術(shù)大學(xué)高溫合金精密成型研究中心 上海 201600）

（3.上海萬(wàn)澤精密鑄造有限公司 上海 201400）

1 引言

熔模精密鑄造能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件，具有尺寸精度高、表面粗糙度好等特點(diǎn)［1～2］，被廣泛地應(yīng)用于航空航天，汽車等領(lǐng)域［3～5］。傳統(tǒng)的熔模鑄造基于大量的迭代試制實(shí)驗(yàn)之上，導(dǎo)致鑄造工藝開發(fā)成本較高。隨著近年來(lái)有限元軟件成為了分析鑄造充型、凝固和冷卻過程以及預(yù)測(cè)內(nèi)部缺陷位置和類型的有力工具［3，6～7］，設(shè)計(jì)人員利用有限元軟件預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部缺陷種類與分布［8～10］，并驗(yàn)證澆注方案的合理性［11～12］，使得鑄造工藝設(shè)計(jì)得以從傳統(tǒng)的“迭代試錯(cuò)法”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案拍铗?yàn)證法”［13］。王晉忠等［14］利用有限元模擬軟件有效地預(yù)測(cè)了缺陷的分布與種類，并依據(jù)模擬優(yōu)化了澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Sun 等［15］人運(yùn)用仿真軟件Magmasoft模擬了鎂合金鑄造充型和凝固過程，并采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以上的方法都證明了有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生與分布，可大幅度降低鑄造工藝研發(fā)成本。

本文為探究合理的支座件熔模鑄造工藝，首先利用簡(jiǎn)易的澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件進(jìn)行了試制，并對(duì)試制進(jìn)行了X射線檢測(cè)與熒光檢測(cè)，定位并分析了缺陷的位置以及缺陷產(chǎn)生的可能原因?；谠囍频慕Y(jié)果提出了3 套澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件ProCAST 替代了試驗(yàn)試制進(jìn)行工藝迭代優(yōu)化，最終確定了最佳的澆注工藝，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。

2 鑄件工藝分析及試制

支座件具有一個(gè)空心結(jié)構(gòu)，鑄件最大輪廓尺寸為186mm×308mm×318mm，整體壁厚為約4.5mm，產(chǎn)品三維模型見圖1（a）。鑄件材料為鎳基合金K444，其化學(xué)成分如表1所示。為探究鑄件的澆注工藝，對(duì)鑄件進(jìn)行了試制，試制的澆注工藝為澆注溫度1420℃；預(yù)熱溫度980℃，保溫時(shí)間5h。支座基板的冷卻方式設(shè)置為空冷，其余部位均包裹厚度為12mm 的保溫棉，期望以此實(shí)現(xiàn)自底向上凝固的凝固方式，試制澆注如圖1（b）所示。清殼處理鑄件外形完整，如圖1（c）所示。

表1 鎳基合金K444化學(xué)成分

圖1 支座件試制

利用X 射線探傷檢測(cè)技術(shù)與熒光檢測(cè)對(duì)試制件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在支座的側(cè)壁上中部存在大量穿透性縮孔缺，如圖2 所示。這說(shuō)明試制中的保溫棉包裹并未達(dá)到預(yù)期的效果，在凝固時(shí)支座側(cè)壁內(nèi)的金屬液幾乎同時(shí)形核、長(zhǎng)大，形成由固體和液體組成的糊狀混合物，而這些先行形核的晶體發(fā)展成樹枝發(fā)達(dá)的等軸晶，并很快連成一片，形成結(jié)晶骨架，將熔液分割成一個(gè)一個(gè)不相連的小熔池，難以被外部的金屬液補(bǔ)縮最終形成了縮松［16］。

圖2 X射線探傷檢測(cè)與熒光檢測(cè)

3 澆注工藝優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

基于初次試制的結(jié)果對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，三套澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖3 中所示。“回字”澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖3（a）所示，支座件冷卻方式為空冷，澆口杯頂部與橫澆道包裹12mm 保溫棉，而內(nèi)澆口與側(cè)澆道包裹6mm 保溫棉，單測(cè)內(nèi)澆口數(shù)量為9 個(gè)，兩側(cè)對(duì)稱。該方案的設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了自下而上的順序凝固與內(nèi)澆口的補(bǔ)縮面積。圖3（b）是“人字”澆注方案，該方案較于“回字”方案更為關(guān)注建立合理的溫度梯度保證凝固順序，該方案將單側(cè)內(nèi)澆口數(shù)量降低到4 個(gè)并撤除了底部的流道與內(nèi)澆口。為了補(bǔ)償由內(nèi)澆口數(shù)量減少所帶來(lái)的補(bǔ)縮能力的影響，“人字”方案增大了內(nèi)澆口的尺寸并將保溫棉從6mm 增厚到12mm?！耙蛔帧睗沧⒎桨竸t在“人字”澆注方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化溫度梯度，在鑄件兩側(cè)交叉設(shè)立內(nèi)澆口，共計(jì)5 個(gè)，同時(shí)將所有澆道包裹12mm 保溫棉期望保證澆口的補(bǔ)縮能力，澆注方案如圖3（c）～（d）所示。

圖3 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)三維模型

3.2 凝固過程分析

ProCAST 中參數(shù)設(shè)置如下：1）澆注時(shí)金屬液的溫度為1420℃；2）型殼預(yù)熱溫度為980℃；3）澆注時(shí)間為4s；4）型殼與鑄件之間的傳熱系數(shù)為300W/（m2·K）；5）12mm 保溫棉與6mm 保溫棉包裹的型殼與空氣的傳熱系數(shù)分別為0.2W/（m2·K）和1W/（m2·K）；6）空冷狀態(tài)下，型殼與空氣之間的傳熱系數(shù)為10W/（m2·K），室溫20℃。

ProCAST中的Fraction solid判據(jù)表示某個(gè)階段鑄件每個(gè)區(qū)域達(dá)到固相內(nèi)部的固相率，以此可以來(lái)判斷在鑄件完全凝固前鑄件與內(nèi)澆口之間的補(bǔ)縮通道是否關(guān)閉，以及在鑄造過程中先行凝固的部位［17］。如圖4 所示，三個(gè)澆注方案整體都實(shí)現(xiàn)了自底向上的凝固方式，其中“回字”澆注方案總體冷卻速度較快，而其余兩個(gè)方案冷卻速度較為接近?！盎刈帧睗沧⒎桨附禍剌^快的原因是該方案的內(nèi)澆口區(qū)域包裹的保溫棉厚度僅為6mm，在凝固前期鑄件與澆道內(nèi)金屬液都開始凝固，從而導(dǎo)致總體固相分?jǐn)?shù)快速上升。該方案在鑄件凝固終了時(shí)內(nèi)澆口固相分?jǐn)?shù)達(dá)到了60%～66.7%，可能會(huì)存在內(nèi)澆口補(bǔ)縮能力不足的情況。而與“回字”澆注方案不同，其余兩個(gè)方案在凝固前期鑄件凝固較快，而澆道內(nèi)金屬液直至鑄件凝固終了時(shí)仍保持較低的固相率，約為33%～40%，內(nèi)澆口可以一直為鑄件提供金屬液補(bǔ)縮。但值得注意的是“一字”澆注方案的補(bǔ)縮能力并不一定優(yōu)于“回字”澆注方案，當(dāng)鑄件中的補(bǔ)縮通道閉合時(shí)金屬液在型腔中難以流動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)澆口失去補(bǔ)縮作用，如圖4（b）中的j與k所示。

圖4 固相分?jǐn)?shù)

Solidification time 判據(jù)表示鑄件各部位完全凝固的時(shí)間，可以由此明顯地判斷出鑄件的凝固方式。三套澆注方案如圖5 所示，“人字”的澆注方案有最優(yōu)的溫度梯度可以很好地使鑄件實(shí)現(xiàn)自底向上凝固，如圖5（b）所示。

圖5 凝固時(shí)間

3.3 缺陷分析

數(shù)值模擬軟件ProCAST 基于Niyama 判據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)縮松分布情況［18］，各澆注方案的模擬結(jié)果如圖6所示，圖中的閾值取值為0.01，即如圖深色部分的縮松率大于1%，在實(shí)際生產(chǎn)中大概率是缺陷產(chǎn)生的地方。如圖6（a）、（d）與圖6（c）、（f）所示，“回字”澆注方案與“一字”澆注方案鑄件內(nèi)部均有缺陷分布，內(nèi)澆口補(bǔ)縮能力不足與鑄件內(nèi)部補(bǔ)縮通道過早關(guān)閉分別是這兩組澆注方案中缺陷產(chǎn)生的原因?！叭俗帧睗沧⒎桨溉毕菁蟹植荚跐沧⑾到y(tǒng)內(nèi)部，而鑄件內(nèi)部無(wú)明顯的缺陷，說(shuō)明在該澆注方案下鑄件的孔隙率小于1%，基本滿足使用要求，如圖6（b）、（e）所示。

圖6 縮松分布模擬結(jié)果與分析

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照優(yōu)化后的方案重新進(jìn)行了小規(guī)模的試制，試制過程與支架試制件如圖7 所示，鑄件表面平整、光滑，無(wú)多肉，少肉等缺陷。在X 射線檢測(cè)如圖8 所示，未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部存在縮松、縮孔等鑄造缺陷，鑄件驗(yàn)收合格。

圖7 小批量試制

圖8 X射線探傷檢測(cè)

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于支座試制結(jié)果提出了3 套澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元模擬軟件ProCAST分別對(duì)3 套澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬及缺陷分析，主要結(jié)論如下：

1）有限元軟件ProCAST 可以準(zhǔn)確地模擬熔模鑄造的充型與凝固過程，確定鑄件內(nèi)部的缺陷種類與缺陷的分布。

2）由于鑄件中薄壁大平面區(qū)域補(bǔ)縮通道容易堵塞，易形成獨(dú)立的固液混合區(qū)從而導(dǎo)致在凝固終了時(shí)產(chǎn)生縮松缺陷。

3）通過改變澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有效地提升澆道對(duì)鑄件的補(bǔ)縮能力、改善鑄件的凝固順序，實(shí)現(xiàn)鑄件自下而上、自鑄件至澆注系統(tǒng)的凝固順序，提高鑄件質(zhì)量。