熔模精密铸造是钛合金的主要生产方式[1-6]，该方式能够提供浇注过程所需的真空环境及惰性型壳，并且所浇铸的结构件尺寸精度高、机械加工余量小、金属利用率大[7-9]。 随着熔模精密铸造工艺的成熟与发展以及热等静压技术的广泛应用，钛及钛合金铸件的品质现已接近或达到了变形钛合金的水平，因此在工业生产中，用熔模精密铸件代替锻件更为经济适用。 且随着计算机和数值模拟技术的快速发展， 钛合金铸造过程的模拟分析已经越来越普遍，充型、凝固、应力模拟，铸造缺陷预测，以及微观组织模拟已成为钛合金铸造领域的研究热点。
朱小平[10]和张铭杰[11]分别进行了熔炼浇注工艺优化、3D 打印熔模研究、 铸造模拟仿真和陶瓷型壳制备等试验， 成功浇注了直径超1 100 mm 的大型ZTC4 钛合金机匣铸件。 刘鸿羽等[12]通过研究ZTA15钛合金铸件与氧化钇铸型的界面反应现象，发现采用酸洗工艺能够有效去除铸件表面200～500 μm 的富氧扩散层(α 层)和组织过渡区。贾志伟等[13]采用分体熔模铸造加真空电子束焊接的工艺方案，实现了长度超过1 260 mm 具有复杂三通道狭长内腔结构的大型进气道铸件的成功制备。 时俊克[14]研发了离心熔模铸造充型与凝固数值模拟求解器，能够针对ZTA15 钛合金复杂薄壁铸件在铸造过程可能出现的缺陷进行预测，进而优化铸造工艺参数，实现平稳充型，减少缩孔和疏松缺陷。程亚珍等[15]根据模拟仿真结果，优化了某薄壁复杂钛合金铸件的浇注系统，在易产生缩孔的位置添加冒口后，成功将缩孔缺陷引入冒口并未造成应力场变化。 然而，熔模精密铸造钛合金工艺仍存在一些亟需改进的地方，例如细长管路结构件的薄壁区疏松和壁厚不均、管路铸件的稳定性和一致性等问题。
组合管路是航空发动机输油管路结构件，选用材质为ZTC4 钛合金，零件加工后需进行打压测试，即放入水中并通入压力为1.2 MPa(表压)的空气，保持2 min， 不允许出现泄露和目视可见的永久变形[16]。然而在熔模精铸过程中，管路区域由于冷却速度较快易导致金属液补缩不及时，并且管路内部的细窄腔体结构使得型壳的制作难度较大，面层与加固层浆料易在此处出现涂挂不均匀、不充分、干燥不彻底的现象，从而导致铸件管路处易出现壁厚不均匀和管路薄壁区易产生疏松缺陷等问题[16-19]。 因此，通过浇注系统设计优化和生产工艺把控，提升管路结构钛合金铸件的冶金质量是很有必要的。
基于此， 本文以ZTC4 钛合金组合管路为工艺研究对象，根据前期研制阶段铸件表现出的问题，分别从增设工艺孔、增加辅浇数量、优化浇道结构等角度对浇注系统进行多轮优化迭代，并使用ProCAST数值模拟软件对优化后的浇注系统进行模拟验证。同时从型壳制备工艺、 焊接工装等方面对生产工艺进行优化， 为解决钛合金铸件管路结构区域冶金缺陷提供技术支持， 也为数值模拟方法在钛合金熔模精铸领域的应用拓展提供参考。
1 实验材料与方法
1.1 案例产品结构分析
ZTC4 组合管路铸件属于管路类结构件， 产品铸造难度极大，结构方面：直径15 mm 管路长约300 mm，最小壁厚为1.5 mm，两端及两端侧壁上含有装配法兰，呈非规则回转体；冶金方面：薄壁管路区域较长，不易成形，易出现疏松等内部缺陷，热结主要存在于两端厚大法兰处， 不易补缩且冶金质量要求极高，尤其是对密封性、壁厚公差、管路表面质量、夹杂、针孔及气孔等有极为严格的要求；尺寸方面：侧壁上的法兰导致该铸件的结构不对称，极易产生弯曲变形，同时管路狭窄且较长，极易偏芯导致壁厚不均。该产品尺寸精度要求高，尤其是管路接口位置。 铸件三维几何实体如图1a 所示，铸件外形尺寸为50 mm×300 mm×50 mm。 管路最小壁厚1.5 mm，最大壁厚为4.8 mm， 端面圆形法兰直径为43 mm，侧面方形法兰尺寸为33 mm×33 mm，铸件轴向直线度要求偏差≤0.3 mm， 方形法兰管路与主管路之间呈90°。铸件壁厚分布如图1b 所示，生产过程中测量壁厚时采用超声波测厚仪， 采样方案如图1c所示。
图1 案例产品图示：(a)产品三维结构；(b)壁厚分析示意图；(c)壁厚分析采样位置示意图
Fig.1 Case product schematic diagram:(a)3D diagram of the casting;(b)casting thickness analysis diagram;(c)schematic diagram of the sampling position for wall thickness analysis
1.2 案例产品缺陷分析
1.2.1 冶金缺陷
铸件在荧光和X 射线检验时发现大量疏松缺陷，如图2 所示。 图2a 为黑光灯下管路铸件内部荧光缺陷照片，图2b 为疏松缺陷外观照片，图2c 为铸件排除表面缺陷和内部缺陷后的照片，由图可知薄壁管路排缺面积较大，补焊修复较为困难。 其原因分析如下。
图2 管路缺陷示意图：(a)荧光显示缺陷；(b)缺陷外观示意；(c)铸件排缺后照片
Fig.2 Schematic diagram of pipeline defects:(a)fluorescence display of defects;(b)appearance of defects;(c)diagram of casting defect removal
(1)在熔模精密铸造过程中，由于组合管路内腔狭窄且尺寸较长，使得该位置在型壳制备阶段面层涂料的涂挂性和润湿性普遍低于铸件其余位置，此外，内腔空间狭窄也使得面层涂料的干燥性难以得到保证。 因此在浇注金属液充型过程中，熔融钛液与局部面层发生轻微的界面反应[8]，最终在铸件上形成上述类型的缺陷。
(2)钛合金在凝固过程中，原子间的距离减小，导致体积收缩[20-24]。 这种收缩现象如果不加以控制，会在铸件内部形成缩孔或疏松，影响铸件的力学性能和完整性。 在重力浇注模式下，为弥补凝固收缩造成的体积损失， 需要通过补缩流动来补充金属液，即在液态金属凝固过程中，由铸件的其他部分向缩孔区域流动，以完成补缩的目的[25]。而组合管路的特殊结构(图1)，使得铸件薄壁位置冷却速度较快，且补缩难度大，因此在充型和凝固过程中，金属液对该区域补缩能力不足，最终导致疏松缺陷更加严重。
1.2.2 壁厚不均现象
该产品在零件加工过程中发现管路壁厚不均现象，如图3 所示。 其原因可归结为：产品内腔狭窄深长，涂料制壳过程的型芯细长且只有两端芯头固定，在金属液对型腔进行充型时， 由于型壳内芯强度不足， 熔融钛液的冲击导致型芯发生轻微弯曲而偏向一侧，导致最终铸件管壁一侧偏厚，一侧偏薄。
图3 管路偏芯示意图
Fig.3 Pipe core deviation diagram
1.2.3 变形现象
组合管路产品细长且两端及两端侧壁上含有装配法兰，呈非规矩回转体结构，产品在无损检测缺陷的焊接修复过程中，会发生弯曲变形，同轴度无法满足设计加工要求。经分析，铸件后工序焊接缺陷或工艺孔的补焊修复过程是导致变形的主要原因。
1.3 案例产品工艺研究及设计优化
1.3.1 铸造数值模拟
基于ZTC4 合金材料的化学成分组成， 利用模拟软件的合金材料数据库等方法[26]，理论计算ZTC4合金材料在不同温度条件下热物性参数和力学性能参数，计算结果如图4 所示，ZTC4 材料化学成分如表1 所示。
表1 ZTC4合金成分
Tab.1 Chemical composition of the ZTC4 alloy(mass fraction/%)
MaterialElement TiAlVSiNOFeHCOther individual ZTC4Bal.6.323.960.0190.0090.150.220.0040.0070.1
图4 ZTC4 的热物性参数和力学性能参数：(a)热导率；(b)热晗；(c)密度；(d)弹性模量；(e)比热；(f)泊松比
Fig.4 Thermophysical parameters and mechanical properties of ZTC4:(a)conductivity;(b)enthalpy;(c)density;(d)Young's modulus;(e)specific heat;(f)Poisson's ratio
首先对铸件的裸件进行模拟， 随后经过多次迭代模拟确定产品的最佳浇注系统， 保证金属液充形过程平稳，降低金属液对型壳的冲击，控制精密铸造型壳质量，减少夹杂等冶金缺陷产生。
裸件模拟凝固顺序及微观疏松如图5 所示。 可以看出，产品的薄厚转接处缩孔、疏松倾向严重，薄壁管路上有轻微疏松显示。 根据裸件模拟的结果，在成形条件较差的区域设置辅助浇口，在模拟产生缩孔、疏松的位置(铸件厚大部位)设计合理的补缩冒口，如图6a 和b 所示。 设计的单模组浇注系统和整体浇注系统如图6c 和d 所示。
图5 裸件模拟结果：(a)凝固顺序；(b)微观缩孔、疏松显示
Fig.5 Bare part simulation results:(a)solidification sequence;(b)microshrinkage and porosity display
图6 铸造工艺优化示意图：(a)添加辅助浇口前；(b)添加辅助浇口后；(c)单模组示意；(d)整体浇注系统
Fig.6 Casting process optimization schematic:(a)before optimization;(b)after optimization;(c)single module diagram;(d)integral pouring system
如图6 所示，优化前内浇口为4 个，薄壁管路区域仅1 个③号辅浇， 优化后内浇口增加至8 个，同时薄壁管路区域有③、④、⑤、⑥、⑦5 个ϕ8 mm 辅浇，以此提高薄壁处金属液的补缩效果。 同时在上方法兰处设计专用冒口， 如图6c 上方红框内所示，增加厚大法兰处的补缩能力。
对设计好的浇注系统进行有限元模拟， 基于组合管路的实际尺寸、结构与铸造特性等因素，先建立较为合适的模壳厚度均匀、 外部环境稳定等假设条件，然后根据浇注系统和模拟软件建立有限元模型，其模型的微元化处理结果如图7 所示。 模型由3 部分组成：铸件与浇注系统、模壳、真空环境，网格类型均为四面体，网格尺寸为3 mm，微元体总网格数量为486432。
图7 几何模型的微元化结果
Fig.7 The micro-elementalization results of the geometric model
背层材料选用莫来砂，型壳厚度为10 mm，浇注温度为1 750 ℃，型壳预热温度为350 ℃，浇注完成后破空。 设计浇注系统凝固顺序及微观疏松如图8所示。
图8 模拟结果：(a)凝固顺序；(b)微观缩孔、疏松显示
Fig.8 Simulation results:(a)solidification sequence;(b)microscopic shrinkage and porosity display
图5 裸件模拟结果显示，疏松缺陷多数集中在两端法兰厚大区域，管路薄壁区域有疏松倾向需要布置合理的冒口和辅浇进行补缩，如图6c 所示单件浇注系统设计方案，顶部的多个冒口主要作用为补缩、排气，保证充型顺利。 图8 模拟结果显示，缩孔疏松等空洞类缺陷显著降低，剩余少量的内部缺陷后序可通过热等静压进行消除。
1.3.2 铸造工艺优化
(1)管路偏芯壁厚不均 针对该问题，在铸造工艺设计阶段增设工艺孔，增加芯头数量来保证内芯的强度。 如图9 所示，铸件薄壁区域增设两个直径8 mm的工艺孔，内芯芯头数量由4 个增加到6 个，新增设的两个芯头可以有效抵抗型芯弯曲，保证内芯形位。
图9 铸件工艺孔示意及新增陶瓷芯头示意
Fig.9 Casting process hole and new ceramic core head
(2)型壳制备工艺优化 ①涂挂面层浆料时，使用压缩空气对管路内腔进行吹气处理， 目的是增加面层涂料的涂挂性和润湿性，吹气压力为0.4～0.6 MPa，处理时间为10～12 h；②面层、过渡层、加固层，每层涂料在干燥过程中， 都在管路内腔插入风管通入流动空气进行局部干燥处理， 目的是保证管路内腔的涂料干燥性和外表面尽可能一致， 制壳间温度控制为20～22 ℃，干燥时间为10～12 h；③型芯内增加铁丝进行加固，如图10 所示，增加整个型芯的刚度，提高抗金属液冲击的能力，保证型芯形位符合设计要求。
图10 型芯铁丝加固
Fig.10 Core wire reinforcement
(3)焊接工装设计 针对焊接变形情况，设计相应的焊接工装，保证在焊接过程和焊接后铸件直线度满足零件加工要求，焊接工装示意如图11 所示。
图11 焊接工装Fig.11 Welding tool
2 实验结果及讨论
2.1 实验过程
整个制壳过程严格按工艺要求执行，其中脱蜡、焙烧、清洗、组装过程无异常情况。 熔炼浇注用料材质为ZTC4，起弧真空度≤0.8 Pa，熔炼真空度≤1 Pa，熔炼电流20～22 kA，熔炼电压35～45 V，随炉冷却时间45 min 以上，熔炼、浇注和清壳切割过程无异常情况发生，如图12 所示。
图12 熔模铸造过程：(a)型壳制备；(b)熔炼浇注；(c)清壳切割
Fig.12 Investment casting process:(a)shell preparation;(b)smelting casting;(c)clear shell cutting
2.2 实验结果
清壳切割后对组合管路进行实时成像扫描，优化前后对比如图13 所示，图13a 和b 分别为工艺优化前后偏芯、壁厚尺寸分布情况。
图13 壁厚成像示意：(a)工艺优化前；(b)工艺优化后
Fig.13 Imaging of wall thickness:(a)before process optimization;(b)after process optimization
由图13a 可明显观察到， 工艺优化前管路铸件明显偏芯，且管路两侧壁厚偏差严重，两根管路铸件壁厚偏差分别为0.29 和0.35 mm。 图13b 为工艺优化后管路铸件成像扫描图，由图可知铸件已基本无偏芯情况，且壁厚偏差值较小，两根管路铸件壁厚偏差分别为0.02 和0.03 mm。 在生产现场的铸件初检工序，分别对工艺优化前后的管路铸件(未校形、未补焊)随机抽取200 件，进行壁厚统计对比。 该铸件尺寸公差要求为HB 6103-2004 CT7 级， 即壁厚为1.5 mm 时，其公差为±0.37 mm，同时铸件协议要求铸件管路同轴度偏差≤0.3 mm，生产时对同轴度进行加严0.25 mm 控制，即同轴度偏差应≤0.05 mm，因此工艺自行设定壁厚偏差≥0.10 mm， 即同轴度偏差≥0.05mm 的管路铸件为壁厚不均。 统计结果如表2 所示。 由图13 和表2 统计结果可知，通过增设工艺孔、优化浇铸工艺等方式，有效解决了偏芯、管路壁厚不均等问题。
表2 工艺优化前后管路铸件壁厚不均统计
Tab.2 Statistics on uneven wall thickness of pipeline castings before and after process optimization
Proportion of uneven wall thickness pieces Beforeoptimization0.331 mm17085%After optimization0.027 mm63%Average value of wall thickness deviation Number of uneven wall thickness pieces
对工艺优化后的管路铸件进行清壳切割、 去除浇冒口、热等静压处理，随后对管路铸件进行荧光检验和X 射线检验，检测结果如图14 所示。
图14 工艺优化后管路铸件无损检测结果：(a)荧光检测；(b)管路外观图；(c)X 射线检测
Fig.14 Nondestructive testing results of pipeline castings after process optimization:(a)fluorescence detection;(b)pipeline appearance;(c)X-ray inspection
由图14 与图2 对比可知，工艺优化后铸件管路内荧光缺陷明显减少，目视无明显疏松缺陷，由图14c X 射线检测结果可知， 管路热等静压后冶金质量较好，无缩孔疏松等冶金缺陷。 统计得工艺优化前后铸件出现明显疏松缺陷的概率分别为73%和2%。
经生产验证， 工艺优化后组合管路铸件合格率由71%提升至85%以上， 且返工返修次数减少，生产周期缩短，证明优化方案有效，模拟结果准确。
3 结论
(1)增设工艺孔可有效提高型芯刚性，提高型壳在熔炼浇注过程中抵抗金属液冲击的能力，组合管路壁厚偏差平均值由0.331 mm 降低到0.027 mm，壁厚不均比例由85%降低到3%。
(2)增设辅浇可高效对薄壁管路区域进行充型、补缩，通过对铸件进行无损检测，薄壁管路冶金质量明显提升，管路内出现疏松缺陷的概率由73%降低到2%，铸件的合格率提升至85%以上。
(3)焊接工装能有效防止铸件焊接变形。
(4)本文铸造工艺设计优化方案明确、有效、易实施，ZTC4 组合管路冶金质量明显提升。
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