為慶祝中國(guó)共產(chǎn)黨成立100周年，《特種鑄造及有色合金》期刊特別籌劃航空航天輕量化合金專題，目前該專題已經(jīng)發(fā)表在《特種鑄造及有色合金》2021年第41卷第07期上。本文作者：張美娟1, 2, 3 ，郄喜望1, 2, 3 ，吳國(guó)清4 ，南海1, 2 ，仉宇5;單位為1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院；2. 北京市******鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心；3. 北京百慕航材高科技有限公司；4. 北京航空航天大學(xué)；5. 航空工業(yè)信息中心。

｜導(dǎo)讀｜

■采用組織定量評(píng)估技術(shù)，對(duì)某大型鈦合金鑄件產(chǎn)品各區(qū)域的組織進(jìn)行定量評(píng)估，對(duì)比分析了鑄件表層組織和內(nèi)部組織的相關(guān)性，探討了鑄件本體組織評(píng)估中試樣選取及觀察原則。結(jié)果表明，鑄件本體表層、中心層和截面獲得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加呈線性增大的趨勢(shì)，表層及中心層的晶粒尺寸分布相似并呈正態(tài)分布的特點(diǎn)，截面組織分布呈偏態(tài)分布的特點(diǎn)。結(jié)合鈦合金鑄件特點(diǎn)，在大型復(fù)雜精密鈦合金鑄件本體組織評(píng)估中，建議統(tǒng)一采用表層組織來評(píng)估鑄件組織的均勻性。

關(guān)鍵詞：鈦合金；鑄件；組織；統(tǒng)計(jì)；晶粒度

隨著我國(guó)大型飛機(jī)的研制和適航******體系的完善，對(duì)大型復(fù)雜精密鈦合金鑄件等飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量評(píng)估和監(jiān)控成為亟待解決的關(guān)鍵問題之一。對(duì)大型鈦合金鑄造產(chǎn)品而言，在凝固生長(zhǎng)過程中，受鑄件壁厚、凝固順序等因素的影響，鑄件表層組織、中心層組織、截面組織均不一致。目前通過金相法獲得的鑄件微觀組織為二維圖像，無法反映鑄件實(shí)際晶粒的三維形貌特征，剖切方式的不同也會(huì)導(dǎo)致較大差異。對(duì)于鑄件本體如何剖取組織試樣，如何選擇觀察面，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范；實(shí)際工作中，選擇哪個(gè)面進(jìn)行鑄件的解剖分析，充滿了不確定性；鑄件表層組織、中心層組織、截面組織之間的關(guān)系如何，還缺乏相關(guān)研究。對(duì)鈦合金鑄件而言，酸洗后的外觀組織清晰可見，可通過手持顯微鏡獲得較為清晰的晶粒尺寸信息。建立鑄件表層-中心層-截面晶粒尺寸間的相關(guān)性，不僅可以實(shí)現(xiàn)利用表層組織預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部的組織分布特征，還為開展鑄件組織的無損評(píng)估提供了可能。

以某ZTC4鈦合金機(jī)匣為研究對(duì)象，機(jī)匣采用熔模精密鑄造方法制備，型殼為氧化物陶瓷型殼（面層為氧化釔涂料漿），重力澆注。機(jī)匣各部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內(nèi)外環(huán)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在典型區(qū)域A~F取樣并進(jìn)行試驗(yàn)分析，見圖1。

（a）機(jī)匣照片 （b）機(jī)匣解剖試樣

圖1 ZTC4鈦合金機(jī)匣鑄件

鑄件的化學(xué)成分見表1，符合GB/T15073-1994要求。

參照無損評(píng)估拍照區(qū)域?qū)﹁T件對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行解剖取樣和金相檢測(cè)，作為對(duì)比，腐蝕劑組成為1%的HF+3%的HNO3+96%的H2O。采用CARL ZEISS型金相顯微鏡按照GB/T5168-2008執(zhí)行高倍組織檢驗(yàn)，獲得鑄件表層（統(tǒng)一指外表層）、中心層、截面組織照片，利用鈦合金鑄件組織晶粒度測(cè)定及評(píng)估方法對(duì)每個(gè)區(qū)進(jìn)行晶粒統(tǒng)計(jì)分析，其中每個(gè)區(qū)統(tǒng)計(jì)的晶粒數(shù)量不低于600個(gè)。

1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鑄件A區(qū)表層、截面、中心層的典型金相組織見圖2，圖2d為中心層金相組織照片圖像處理后的晶粒信息?？梢钥闯?，鑄件A區(qū)表層晶粒尺寸較為粗大，中心層晶粒略小，截面晶粒分布較表層、中心層更不均勻，這與鈦合金鑄件凝固速度較快有關(guān)。

（a）表層

（c）中心層

（b）截面

（d）中心層晶粒信息

圖2 鑄件表層/中心層/截面金相組織和晶粒信息照片（A區(qū)）

圖3為鑄件各區(qū)域表層、截面、中心層和鑄件整體晶粒尺寸分布曲線，各區(qū)域的表層-中心層-截面晶粒尺寸分布具體指標(biāo)見表2。截面組織晶粒尺寸的分布范圍為8~7 502 μm，平均晶粒尺寸約為742 μm，晶粒尺寸半高寬約為1 675 μm。截面的晶粒尺寸呈偏態(tài)分布，并表現(xiàn)出較大的半高寬值（圖3b）。隨鑄件壁厚的增加，截面晶粒尺寸分布的峰值呈增大趨勢(shì)。當(dāng)鑄件厚度較小時(shí)，晶粒間相互競(jìng)爭(zhēng)，生長(zhǎng)受抑制，晶粒尺寸普遍偏小，且分布范圍較窄。隨著鑄件壁厚增加，晶粒生長(zhǎng)空間增大，整體晶粒尺寸偏大，且分布范圍較寬?？梢?，截面組織分布狀況受壁厚影響變化較大。

表層組織晶粒尺寸的分布范圍為44~7 660 μm，平均晶粒尺寸約為984 μm；晶粒尺寸半高寬約為1 157μm；中心層組織晶粒尺寸分布的分布范圍為17~6 868 μm，平均晶粒尺寸約為1 507 μm，晶粒尺寸半高寬約為2 021 μm。鑄件表層和中心層的晶粒尺寸分布較為相似，呈正態(tài)分布，并隨鑄件壁厚呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

（a）整體

公司在國(guó)內(nèi)知名專家教授的引領(lǐng)帶動(dòng)下，組建了一支國(guó)內(nèi)******的超精密技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在超精密機(jī)床的單元技術(shù)、切削機(jī)理和工藝、成套技術(shù)及應(yīng)用工藝方面具備豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)。

（c）表層

（b）截面

（d）中心層

圖3 鑄件各區(qū)域及整體晶粒尺寸均值分布曲線

圖4為鑄件晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄件厚度的變化。可以看出，鑄件表層、截面和中心層的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈線性增大趨勢(shì)。隨著鑄件壁厚的逐漸增加，表層、中心層、截面之間的平均晶粒尺寸變化曲線近似平行，而截面組織的半高寬增長(zhǎng)曲線與表層/中心層差異隨著壁厚增加明顯增大。鑄件表層、截面和中心層所得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬與鑄件厚度的關(guān)系可分別采用下式進(jìn)行擬合：

d=M1+M2h （1）

w=N1+N2h （2）

式中，d為鑄件表層、截面和中心層所得的晶粒尺寸均值，mm；h為鑄件厚度，mm；w為晶粒尺寸分布半高寬，mm；M1、M2、N1、N2為系數(shù)，與澆注溫度、工藝、材料本身性能等因素有關(guān)。通過擬合獲得的相關(guān)參數(shù)見表3。

（a）晶粒均值變化

（b）半高寬變化

圖4 晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄件厚度的變化

上述結(jié)果表明，鑄件表層和中心層組織存在較好的相關(guān)性，并呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點(diǎn)，可以用表層組織評(píng)估預(yù)測(cè)中心層組織的分布狀況，而鑄件截面組織隨壁厚變化波動(dòng)較大，并呈現(xiàn)偏態(tài)分布的特點(diǎn)。在大型復(fù)雜精密鈦合金鑄件本體組織評(píng)估中，結(jié)合鈦合金鑄件特點(diǎn)，建議統(tǒng)一采用表層組織來評(píng)估鑄件組織的均勻性，這也為將來利用鑄件表層組織酸洗后清晰可見的特點(diǎn)對(duì)鑄件進(jìn)行組織分布狀況的無損評(píng)估提供了可能。

2 結(jié)論

（1）鑄件表層晶粒、截面晶粒和中心層的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈線性增大趨勢(shì)。

（2）鑄件表層組織和中心層組織存在較好的相關(guān)性，并呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點(diǎn)，可以用表層組織評(píng)估預(yù)測(cè)中心層組織的分布狀況，而鑄件截面組織隨壁厚變化波動(dòng)較大，并呈現(xiàn)偏態(tài)分布的特點(diǎn)。

（3）在大型復(fù)雜精密鈦合金鑄件本體組織評(píng)估中，結(jié)合鈦合金鑄件特點(diǎn)，建議統(tǒng)一采用表層組織來評(píng)估鑄件組織的均勻性。

引用格式：張美娟，郄喜望，吳國(guó)清，等. ZTC4鈦合金鑄件表層與內(nèi)部組織的相關(guān)性研究[J].特種鑄造及有色合金，2021，41（7）：814-816.