為慶祝中國共產黨成立100周年，《特種鑄造及有色（sè）合金》期刊特別籌劃（huá）航空航天輕量化合金（jīn）專題，目前（qián）該（gāi）專題已經發表在《特種鑄造（zào）及有色合金》2021年第41卷（juàn）第（dì）07期（qī）上。本文作者：張美娟1, 2, 3 ，郤喜望1, 2, 3 ，吳國清4 ，南（nán）海1, 2 ，仉（zhǎng）宇5;單位為1. 中（zhōng）國航發北京（jīng）航空材料研究院；2. 北京市******鈦合金精密成型工程技術研究中（zhōng）心；3. 北（běi）京百慕（mù）航材高科技有限（xiàn）公司；4. 北京航空航天大學；5. 航空工業信息中心。
｜導讀｜
■采用組（zǔ）織定量（liàng）評估（gū）技術，對某大型鈦合金鑄件產品各區域的組（zǔ）織進行定（dìng）量評估，對比分析了鑄件表層組織和內部組織的相關性，探討了鑄件（jiàn）本（běn）體組織評估中試樣選取及觀察原（yuán）則。結果表明，鑄件本體表層、中心層和截麵獲得的晶粒尺寸均值（zhí）、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚（hòu）度增加呈線性增大的趨勢，表層及中心層的晶粒尺寸分布（bù）相似並呈正態分布（bù）的特點，截（jié）麵組織分（fèn）布呈偏態分布的特點。結合鈦合金鑄件特點，在大型複雜（zá）精密鈦合金鑄件本體組織評（píng）估中，建（jiàn）議統一采用表層（céng）組織來評估（gū）鑄件組織的均（jun1）勻性（xìng）。
關鍵詞（cí）：鈦合金；鑄件；組織；統計；晶粒度
隨著我國大型飛機的研製和適航******體係的（de）完善，對（duì）大型複雜精密鈦合金鑄件等飛機關鍵結構件的質量評估和監控成為亟待解決的關鍵問題之一（yī）。對大型鈦合金鑄造產品而言，在凝固生長過程中，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、截麵（miàn）組織均不一致。目（mù）前（qián）通過金相法獲得（dé）的（de）鑄件（jiàn）微觀組（zǔ）織為二維圖像，無法反映鑄件實際（jì）晶粒的三維（wéi）形貌特征，剖切方式的不同也會導（dǎo）致較大差異。對於鑄件本體如何剖取組織試樣，如何（hé）選擇觀（guān）察（chá）麵，還沒有統一的標準或規範；實際工作中，選擇哪個麵進行鑄件的解剖分析，充滿了（le）不確定性；鑄件表層組織、中心（xīn）層組織、截（jié）麵組織之間的（de）關係如何，還缺乏相關研究。對鈦合金鑄件而言，酸洗後的外觀組織清（qīng）晰可見，可通過手持顯微鏡（jìng）獲得較為清晰的晶粒尺寸信息。建立鑄件表層-中心層-截麵晶粒尺寸間（jiān）的相關性，不僅可以實現（xiàn）利用表層（céng）組（zǔ）織預測鑄件內部的組織分布特征，還為開展鑄（zhù）件組織的無損評估提供了可（kě）能。
以某ZTC4鈦合金機匣為研究對象，機匣采用熔模精密鑄造（zào）方法製備，型殼為氧化物陶瓷（cí）型（xíng）殼（麵層（céng）為氧化釔（yǐ）塗料漿），重力澆注（zhù）。機匣各部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內外環等複雜結構，在（zài）典型區（qū）域A~F取樣（yàng）並進行試驗分（fèn）析，見圖1。
（a）機匣照片 （b）機匣解剖試樣
圖1 ZTC4鈦合金機匣鑄件
鑄件的化學（xué）成分見表1，符合（hé）GB/T15073-1994要求。
參照無損評估拍照區域對鑄件對應位置進行解（jiě）剖取樣（yàng）和金相檢測，作為對比，腐蝕（shí）劑組成為1%的（de）HF+3%的HNO3+96%的H2O。采用（yòng）CARL ZEISS型（xíng）金相顯微鏡（jìng）按照GB/T5168-2008執行高倍組織檢驗（yàn），獲得鑄件表層（統一指外表層）、中心層、截麵組織照片，利用鈦合金鑄件組織晶粒度測定及評估方法對每個區（qū）進行晶粒統計分析（xī），其中每個區統計的晶粒數量不低於600個。
1 試驗結果與分（fèn）析
鑄件A區表層、截麵、中心層（céng）的典型金相組織（zhī）見圖2，圖2d為中心層金相組織照片圖（tú）像處理後的晶粒信息。可（kě）以看（kàn）出，鑄件A區表層晶粒尺寸較為粗大，中心層晶粒略小，截麵晶粒分布較表（biǎo）層、中心層更不（bú）均勻，這與鈦合金鑄件凝固（gù）速度較快有（yǒu）關（guān）。
（a）表層
（c）中心層
（b）截麵
（d）中心層晶粒信息
圖2 鑄件表層/中心層/截麵金相組織（zhī）和晶粒信息照片（A區）
圖3為鑄件各區域表層、截（jié）麵、中（zhōng）心層和鑄件整體晶粒尺寸分布曲線，各區域的表層-中心層-截麵晶（jīng）粒尺寸分（fèn）布具體指標見表（biǎo）2。截麵組織晶粒尺寸的分布範（fàn）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。截麵（miàn）的晶粒尺寸呈偏態（tài）分布（bù），並表現出較大的（de）半高寬值（圖3b）。隨鑄件壁厚的（de）增加，截麵晶粒（lì）尺寸分布的峰值呈（chéng）增大趨勢。當鑄件厚度（dù）較小時，晶（jīng）粒間相互競爭，生長受抑製，晶粒（lì）尺寸普遍（biàn）偏小，且分布範圍較窄。隨著鑄（zhù）件壁厚增加，晶粒生長空間增大，整體晶粒尺寸偏大，且分布範圍較寬。可見（jiàn），截麵（miàn）組織（zhī）分布狀況受壁厚影（yǐng）響變化較大。
表層組織晶粒尺寸（cùn）的分布範圍為44~7 660 μm，平均晶粒尺（chǐ）寸約為984 μm；晶粒尺寸半高寬約為1 157μm；中心（xīn）層組織（zhī）晶粒尺寸分布（bù）的分布範圍為17~6 868 μm，平均（jun1）晶粒尺（chǐ）寸約為（wéi）1 507 μm，晶粒尺寸半高寬約為（wéi）2 021 μm。鑄件表層和中心層的晶粒尺（chǐ）寸分布較為（wéi）相（xiàng）似，呈正態分布，並隨鑄件壁厚呈現規律性變化。
（a）整體
公司在國內（nèi）知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊在超精密（mì）機床的（de）單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應用工藝方麵（miàn）具備豐富的技術經（jīng）驗和實踐（jiàn）積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工製造相關產業提供優（yōu）質的技術（shù）服務。
（c）表層
（b）截麵
（d）中心層
圖3 鑄（zhù）件各區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（zhù）件厚度的變化。可以看出（chū），鑄件表層、截麵和中心層的晶粒尺（chǐ）寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈（chéng）線性（xìng）增大趨勢。隨著鑄（zhù）件（jiàn）壁厚的（de）逐漸增加，表層、中心層、截麵之間的平（píng）均晶（jīng）粒尺寸變化曲線近似平行，而截麵組織的半高寬增（zēng）長曲（qǔ）線與表層/中心層差異隨著壁厚增加明顯增大（dà）。鑄件表層、截（jié）麵（miàn）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（dù）的關係可分別采用下式進行擬合（hé）：
d=M1+M2h （1）
w=N1+N2h （2）
式中，d為（wéi）鑄件表（biǎo）層、截麵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為係數，與澆注溫度、工藝、材料本身性能（néng）等（děng）因素有關。通過擬合獲得的相關參（cān）數見表3。
（a）晶粒均值變化
（b）半高寬變化
圖4 晶粒尺寸均值和（hé）半高寬隨鑄件厚度（dù）的變化
上（shàng）述結果表明，鑄件表（biǎo）層和中（zhōng）心（xīn）層組織存（cún）在較好的相關性，並呈現正態（tài）分布的特點，可以用表層組織（zhī）評估預測中心層組（zǔ）織的分布狀況，而鑄件截麵組織隨壁厚變（biàn）化波動（dòng）較大，並（bìng）呈現偏態分布的特點。在大型複雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點，建議統一采用（yòng）表層組織來評估鑄件組織的均（jun1）勻性，這也（yě）為將來利用（yòng）鑄件表層組織酸洗後清（qīng）晰可見的特點對鑄（zhù）件進行組織分布狀況的無損評估提供了可能。
2 結論
（1）鑄（zhù）件表層晶粒、截麵晶粒和中心（xīn）層（céng）的晶粒尺（chǐ）寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚（hòu）度增加而呈線性增大趨勢。
（2）鑄件表層組織和中心層組織存在較好的相關性，並呈現（xiàn）正（zhèng）態分布（bù）的特點，可以用（yòng）表層組織評估預測中心（xīn）層組（zǔ）織的分布（bù）狀況，而鑄件截麵組織隨壁厚變化（huà）波動較大，並呈現（xiàn）偏態分布的特點。
（3）在大型複雜精（jīng）密鈦合金鑄件本體組織評估中（zhōng），結合鈦合金鑄件（jiàn）特點（diǎn），建議統一采（cǎi）用表層組織來評估鑄件組織（zhī）的均勻性。
引用格式：張美娟，郤喜望，吳（wú）國清，等. ZTC4鈦合金（jīn）鑄件表層與內部組織的相關性研究（jiū）[J].特種鑄（zhù）造及有色合金，2021，41（7）：814-816.
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