為慶祝中國共產(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(zhuān)題，目前該專(zhuān)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 ，吳國清4 ，南海1, 2 ，仉宇5;單位為1. 中國航發(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。

｜導讀｜

■采用組織定量評估技術(shù)，對某大型鈦合金鑄件產(chǎn)品各區域的組織進(jìn)行定量評估，對比分析了鑄件表層組織和內部組織的相關(guān)性，探討了鑄件本體組織評估中試樣選取及觀(guān)察原則。結果表明，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(xiàn)性增大的趨勢，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)。結合鈦合金鑄件特點(diǎn)，在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，建議統一采用表層組織來(lái)評估鑄件組織的均勻性。

關(guān)鍵詞：鈦合金；鑄件；組織；統計；晶粒度

隨著(zhù)我國大型飛機的研制和適航******體系的完善，對大型復雜精密鈦合金鑄件等飛機關(guān)鍵結構件的質(zhì)量評估和監控成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對大型鈦合金鑄造產(chǎn)品而言，在凝固生長(cháng)過(guò)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(guò)金相法獲得的鑄件微觀(guān)組織為二維圖像，無(wú)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 )導致較大差異。對于鑄件本體如何剖取組織試樣，如何選擇觀(guān)察面，還沒(méi)有統一的標準或規范；實(shí)際工作中，選擇哪個(gè)面進(jìn)行鑄件的解剖分析，充滿(mǎn)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。對鈦合金鑄件而言，酸洗后的外觀(guān)組織清晰可見(jiàn)，可通過(guò)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)現利用表層組織預測鑄件內部的組織分布特征，還為開(kāi)展鑄件組織的無(wú)損評估提供了可能。

以某ZTC4鈦合金機匣為研究對象，機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。機匣各部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內外環(huán)等復雜結構，在典型區域A~F取樣并進(jìn)行試驗分析，見(jiàn)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(jiàn)表1，符合GB/T15073-1994要求。

參照無(wú)損評估拍照區域對鑄件對應位置進(jìn)行解剖取樣和金相檢測，作為對比，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執行高倍組織檢驗，獲得鑄件表層（統一指外表層）、中心層、截面組織照片，利用鈦合金鑄件組織晶粒度測定及評估方法對每個(gè)區進(jìn)行晶粒統計分析，其中每個(gè)區統計的晶粒數量不低于600個(gè)。

1 試驗結果與分析

鑄件A區表層、截面、中心層的典型金相組織見(jiàn)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）

圖3為鑄件各區域表層、截面、中心層和鑄件整體晶粒尺寸分布曲線(xiàn)，各區域的表層-中心層-截面晶粒尺寸分布具體指標見(jiàn)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。當鑄件厚度較小時(shí)，晶粒間相互競爭，生長(cháng)受抑制，晶粒尺寸普遍偏小，且分布范圍較窄。隨著(zhù)鑄件壁厚增加，晶粒生長(cháng)空間增大，整體晶粒尺寸偏大，且分布范圍較寬?？梢?jiàn)，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，并隨鑄件壁厚呈現規律性變化。

（a）整體

公司在國內知名專(zhuān)家教授的引領(lǐng)帶動(dòng)下，組建了一支國內******的超精密技術(shù)研發(fā)團隊，研發(fā)團隊在超精密機床的單元技術(shù)、切削機理和工藝、成套技術(shù)及應用工藝方面具備豐富的技術(shù)經(jīng)驗和實(shí)踐積累?？蔀?a href="http://www.helplink.cn/">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 鑄件各區域及整體晶粒尺寸均值分布曲線(xiàn)

圖4為鑄件晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄件厚度的變化?？梢钥闯?，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(xiàn)性增大趨勢。隨著(zhù)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(xiàn)近似平行，而截面組織的半高寬增長(cháng)曲線(xiàn)與表層/中心層差異隨著(zhù)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，與澆注溫度、工藝、材料本身性能等因素有關(guān)。通過(guò)擬合獲得的相關(guān)參數見(jiàn)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，并呈現正態(tài)分布的特點(diǎn)，可以用表層組織評估預測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，并呈現偏態(tài)分布的特點(diǎn)。在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點(diǎn)，建議統一采用表層組織來(lái)評估鑄件組織的均勻性，這也為將來(lái)利用鑄件表層組織酸洗后清晰可見(jiàn)的特點(diǎn)對鑄件進(jìn)行組織分布狀況的無(wú)損評估提供了可能。

2 結論

（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(xiàn)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(guān)性，并呈現正態(tài)分布的特點(diǎn)，可以用表層組織評估預測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，并呈現偏態(tài)分布的特點(diǎn)。

（3）在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點(diǎn)，建議統一采用表層組織來(lái)評估鑄件組織的均勻性。

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