中船集团第七二五研究所：航空ZTA15钛合金小型复杂厚壁类铸件缩孔分析及工艺改进 全球报资讯

ZTA15钛合金由于其较高的强度、良好的热稳定性和焊接性能，主要用于生产航空大型结构及多种军工型号配套铸件。但由于钛合金高的化学活性及结晶特点，在铸造时容易产生缩孔缺陷，该类缺陷降低了铸件产品壁厚的有效截面，对产品强度、刚性、韧性等力学性能指标以及抗冲击能力等有着直接影响[1~6]。本课题针对安装座批量生产中出现的缩孔，分析了形成原因，制定了改善对策，通过实际生产进行了验证，最终消除了缩孔缺陷，并根据改善经历提出了一些改进的设计思路及方法。

某型号ZTA15钛合金铸件见图1，是航空发动机关键连接件之一，其内部品质要求较高，需进行100%的X光检测，且加工后表面不允许有任何裂纹、缩孔等缺陷。此件虽然几何尺寸较小，壁厚却较厚实，局部壁厚相差大存在热节部位，极易产生缩孔、缩松等缺陷，影响铸件成品率。

航空安装座是具有对称结构的法兰连接的环形件，主要由中间呈阶梯过渡的上下圆环、法兰、实心的方形凸台等结构组成。铸件单件质量为2kg，最大轮廓尺寸为Φ180mm×115mm，铸件存

(资料图片仅供参考)

在3处壁厚较大的结构，并且都与薄壁相连，最小壁厚为5 mm，短距离壁厚变化至25mm。

安装座材质为ZTA15钛合金，名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，属于近α型钛合金，具体成分见表1，力学性能见表2。铸件尺寸公差要求达到GB/T6414-2017中的CT7级，内部质量要求符合GJB2896A-2007 Ⅱ类B级。

图1 安装座截面局部

【初始工艺】

安装座上下圆环及法兰根部薄厚过渡大，两处凸耳对称分布在基体两侧，热节点多且分散，最初的设计方案主要依靠主体圆环来补缩热节部位，在铸件底部设置两个内浇道，在上部厚壁部位设计两个对称冒口见图2。根据顺序凝固冒口补缩原则，采用热节圆比例法计算冒口尺寸，顶部热节圆直径为13.8mm，冒口颈尺寸为Φ10mm×5mm，冒口尺寸为Φ20mm×25mm。但发现冒口切割后从冒口颈根部延伸至铸件内部出现缩孔，同时通过X光探伤结果显示以及法兰盘两侧凸耳处均有缩孔，缩孔分布及特征见图3和图4。这是由于钛液经过冒口根部与铸件接触的部分形成的接触热节与流动热节，造成局部过热，从而导致冒口颈部凝固时间比铸件其他部位凝固时间长，成为铸件与冒口系统最后凝固的部位，自身得不到补缩，产生缺陷。同时铸件法兰外侧凸耳部位厚度为25 mm，相邻的法兰盘根部拐角区域厚度只有5 mm，壁厚不均匀导致凸耳厚区形成了独立的热节点，连接凸耳厚区的法兰盘根部拐角部位壁薄最先凝固，冒口及主体圆环对凸台厚区补缩通道不畅通，难以进行有效的填充，这是凸台处出现缩孔缺陷的根本原因。

图2 原立式底注双冒口方案

（a） 冒口缩孔（b）局部

图3 安装座缩孔位置及其特征

（a） 沿法兰盘与圆环相交处（b）凸耳附近

图4 原工艺铸件内部X光探伤显像

【工艺改进1】

第1次工艺改进见图5，在原工艺的基础上，将冒口体积增至原来的2.5倍，为Φ25 mm×40 mm，采用阶梯式浇注系统，在两个厚大的侧耳底部设置底注补缩浇道，补缩浇道与主浇道相连，对法兰外侧凸耳进行单独补缩，直径为Φ15 mm×120 mm。结果表明，顶冒口尺寸增大，但冒口颈根部的缩孔缺陷并没有得到彻底解决，依旧会存在冒口下缩孔，见图6，原因是钛合金密度小，增大冒口尺寸在真空下凝固钛液压力也比较小，不足以有效补缩，并且随着冒口体积的增大，冒口与铸件相连接部分的热节也随之增大，铸件原有热节处的散热条件更加恶化，凝固时间延长，需要补缩的体积增大，热节部位在凝固过程中得不到补缩，产生缩孔。此外，通过X光探伤发现凸耳厚区的缩孔通过内浇道补缩已经消除，但在圆柱与法兰相连接的根部倒角内部仍然有缩孔，探伤结果见图7。从剖面分析，圆环及法兰盘相交处热节面积分散，且拐角处散热慢，在凸耳热节处增加补缩浇道，单个内浇道的有效补缩距离L为3.5δ，法兰盘展开为（Φ150 mm×π）约为471 mm，大于两个内浇道的补缩距离L=2×3.5×25 mm=175mm，对距离补缩区域较远的法兰根部倒角肥厚区域补缩不足，出现缺陷。因此针对以上两点分析，需要调整内浇道位置及冒口结构。

图5 第一次工艺改进方案

（a） 毛坯（b）冒口根部缩孔

图6第1次工艺改进铸件冒口根部缩孔特征

图7第1次工艺改进铸件内部沿法兰盘与圆环相交处X光探伤显像

【工艺改进2】

第二次工艺改进是将浇注位置改为法兰立式，见图8，同样采用底注，但在铸件需要补缩的三大热节部位，包括法兰侧立一端设置内浇道，缩短钛液流程，使钛液经过铸件热节处的多个内浇道迅速平稳地到达型腔，在真空凝固时热节处能够得到钛液补缩，保证内浇道的补缩效果。同时将原工艺冒口改为排气冒口，设在铸件高点薄处，减小冒口颈截面尺寸，加长冒口长度尺寸，在不增加冒口质量的同时提高了冒口的补缩能力。用华铸CAE模拟软件进行模拟验证，改进工艺后的铸件冒口根部与铸件连接处的缩孔完全引出到排气冒口中，法兰拐角位置得到补缩，铸件中没有缩孔缺陷。将改进工艺实施后，对铸件冒口根部、法兰根部及凸耳部位进行密实度解剖检查，X光探伤无缩孔，荧光渗透检验无缩松。投入批量生产，经过整体X光探伤及局部探伤，均未发现缩孔、缩松缺陷，探伤合格率达到100%，荧光检验表面品质良好，满足国军标II类铸件要求。铸件浇注后外观以及内部沿法兰盘与圆环相交处X光探伤结果见图9和图10。

(a)内浇道设置 (b)排气冒口设置

图8第2次工艺改进方案

（a） 内浇口处形貌（b）凸耳形貌

图9第2次工艺改进铸件外观形貌

图10第2次工艺改进铸件内部沿法兰盘与圆环相交处X光探伤显像

【结论】

（1）ZTA15钛合金安装座铸造工艺采用法兰垂直侧立式底注浇注方式，充型平稳，金属液迅速平稳连续地充型，在铸件顶部厚壁部分设置排气冒口，型壳中气体能够顺畅地排除，减少铸件内部的气孔、缩孔。

（2）ZTA15钛合金安装座铸造工艺采用从热节部位分散设置内浇道，内浇道设计短，防止流通热效应导致局部过热产生局部的缩孔、缩松；法兰盘侧面设置随形冒口，减小冒口截面尺寸，加高冒口颈高度，杜绝了冒口颈缩孔产生，保证了法兰及其厚大根部的内部质量。

（3）ZTA15钛合金安装座铸造工艺二次优化后，批量生产结果表明，铸件无缩孔、缩松，内部品质满足GJB 2896A-2007中II类铸件要求，X射线检测合格率达100%。

【文献引用】

孙冰,王易山,孙宏喆,等.ZTA15钛合金小型复杂厚壁类铸件的缩孔分析及工艺改进[J].特种铸造及有色合金,2023,43(1):100-103.

SUN B,WANG Y S,SUN H Z,et al.Shrinkage cavity analysis and process optimization of small and complex thick wall castings of ZTA15 titanium alloy[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2023，43(1)：100-103.

关键词：