為慶祝中國共產黨（dǎng）成立100周年，《特種鑄（zhù）造及（jí）有色合金》期刊特別籌劃航空航（háng）天輕量化合金專（zhuān）題，目前該專（zhuān）題已經發表在《特種鑄（zhù）造及有色合金》2021年第41卷第07期上。本文作者：張美娟（juān）1, 2, 3 ，郤喜望1, 2, 3 ，吳國（guó）清4 ，南海1, 2 ，仉宇5;單位為1. 中國航發北京航空材料（liào）研究院；2. 北京市******鈦合金精密成型工程（chéng）技（jì）術研究中心（xīn）；3. 北（běi）京百慕航材（cái）高科技有限公司；4. 北京航空航天大學；5. 航空工業信息中心。
｜導讀｜
■采用組織定量評估（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（le）鑄件本體組織評估中試樣選取及觀察原則。結果表明，鑄件本體表層、中心層和截麵獲得的晶粒尺（chǐ）寸均值、晶粒尺寸分布半高寬（kuān）均隨鑄件厚度增加（jiā）呈線性增大的趨勢（shì），表層及中心層的晶粒尺寸分布相似並（bìng）呈正態分（fèn）布的特點，截麵組（zǔ）織分布呈偏態分布的特點。結合鈦合金鑄件特點，在大型複雜精密鈦（tài）合金鑄（zhù）件本體（tǐ）組織評估中，建議統一（yī）采用表層組織（zhī）來評估鑄件組織的均勻性。
關鍵詞：鈦合金；鑄件；組織；統計；晶粒度
隨著我國大型飛機（jī）的研製和（hé）適航******體係（xì）的完善，對大型（xíng）複（fù）雜精密鈦合金鑄件（jiàn）等飛機關（guān）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。對大型鈦（tài）合金鑄（zhù）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（sù）的影響，鑄件表層組織（zhī）、中心層組織、截（jié）麵組織均不一致。目前通過金相法獲得的鑄件微觀組織為二（èr）維圖像（xiàng），無法反映鑄件實際晶（jīng）粒的三維形貌特征，剖切方（fāng）式的不同也會導致較大差異。對於鑄件本體如何剖（pōu）取組織試樣，如（rú）何選擇觀察（chá）麵，還沒有統一的標準或（huò）規範；實際工作中，選（xuǎn）擇哪個麵進行鑄件的（de）解剖分析，充（chōng）滿了不（bú）確定性；鑄件表層組織、中心層組織、截麵（miàn）組織之間的關係如何（hé），還缺乏相關研究。對鈦合金鑄（zhù）件而言，酸（suān）洗後的外觀組織（zhī）清晰可見，可（kě）通過（guò）手（shǒu）持顯微鏡獲得較（jiào）為清晰的（de）晶粒（lì）尺寸信息。建立鑄（zhù）件（jiàn）表層-中心層-截麵晶粒（lì）尺寸間的相關性，不僅可以實現利用表層（céng）組織預測鑄件內（nèi）部的組（zǔ）織分布特征，還為開展鑄（zhù）件組織的無損評（píng）估提供了可能。
以某ZTC4鈦合金機匣為研究對象，機（jī）匣采用熔模精密鑄造方（fāng）法製備，型殼為氧化物陶瓷型殼（麵層（céng）為氧化釔塗料漿），重力澆注。機匣各部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內外環等複雜結構（gòu），在典型區域A~F取樣並進行試驗分析，見圖1。
（a）機匣照片 （b）機匣解剖試樣
圖1 ZTC4鈦合（hé）金機匣鑄件
鑄件的化學成分見表1，符合GB/T15073-1994要求。
參照無損評估（gū）拍照（zhào）區域對鑄件對應位（wèi）置（zhì）進行解（jiě）剖（pōu）取樣和金相檢測，作為對比（bǐ），腐蝕劑組成為1%的HF+3%的HNO3+96%的H2O。采用CARL ZEISS型（xíng）金相顯微鏡按照GB/T5168-2008執（zhí）行高倍組織檢驗，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（lì）度測定及評估方法對每個區進行晶粒統計分析，其中每個區統計的晶粒數量不低於（yú）600個。
1 試驗結果與分析
鑄件（jiàn）A區表層、截（jié）麵、中心層的典型金相組織見圖2，圖2d為中（zhōng）心層金相組織照片圖像處理後的（de）晶粒信息。可以看出，鑄件A區表層晶粒（lì）尺寸較為粗大，中心層晶粒略小，截麵晶粒分布（bù）較表層、中心層更不均勻（yún），這與鈦合金鑄件凝（níng）固速度較快有關。
（a）表層
（c）中心（xīn）層
（b）截（jié）麵
（d）中心層（céng）晶粒信息
圖（tú）2 鑄件表層/中心層/截麵金相組織和晶粒信息（xī）照片（A區）
圖3為鑄件各區域（yù）表層、截麵、中心層和鑄件整體晶粒（lì）尺寸分布曲線，各區域的表層-中心層-截麵晶粒尺寸分布（bù）具體指標（biāo）見表2。截麵（miàn）組織晶粒尺寸的分布範圍為8~7 502 μm，平均晶粒尺寸約為742 μm，晶（jīng）粒（lì）尺寸半高寬（kuān）約為1 675 μm。截麵的晶粒尺寸呈偏態分布，並表現出（chū）較大的半高寬值（zhí）（圖3b）。隨鑄件壁厚的增加，截麵晶粒尺寸分布的峰值呈增（zēng）大趨勢。當鑄（zhù）件厚度較小時，晶（jīng）粒（lì）間相互競（jìng）爭，生長受抑製，晶粒尺寸（cùn）普遍偏小，且分布範圍較窄。隨著鑄（zhù）件壁厚增（zēng）加，晶粒（lì）生長空間增大（dà），整體晶（jīng）粒尺寸偏（piān）大，且分布範圍較寬。可見，截麵組織分布狀況受壁（bì）厚影響變化較（jiào）大。
表（biǎo）層組織晶（jīng）粒尺寸的分布範圍為44~7 660 μm，平均晶粒尺寸約為984 μm；晶粒尺寸半高寬（kuān）約為1 157μm；中心層組織晶粒尺寸分布的分布範圍為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（zhù）件表層（céng）和（hé）中心層的晶粒尺寸分（fèn）布較為相似，呈正態分（fèn）布，並隨鑄件壁厚（hòu）呈現規律性變化。
（a）整體
公司在國內知名專家（jiā）教授的引（yǐn）領帶動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團（tuán）隊，研發團隊在超精密機床的單元技術、切削機理和工藝、成套（tào）技（jì）術及應用工藝方麵具備豐富的技術經驗和實踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型（xíng）件加工製造相（xiàng）關產業提供優質的技術服務。
（c）表層（céng）
（b）截麵
（d）中心層
圖3 鑄件各區域（yù）及整體晶粒（lì）尺寸均值分（fèn）布（bù）曲線
圖4為鑄件晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄（zhù）件厚（hòu）度的（de）變化（huà）。可以看出，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（zhù）件厚度增（zēng）加而呈線性增大趨勢。隨著鑄件壁厚的（de）逐漸（jiàn）增加，表層、中心層、截麵之間的（de）平均晶粒尺寸變化曲線近似平行，而（ér）截麵組織的（de）半高寬增長曲線與表層/中心層差異隨（suí）著壁厚增加明顯增大。鑄件表層（céng）、截麵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係可分別采用下式進行擬合：
d=M1+M2h （1）
w=N1+N2h （2）
式中，d為鑄件（jiàn）表層、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（wéi）係數，與澆注溫度、工藝、材料（liào）本身性能等因素有關。通過擬合獲得的相關參數見表3。
（a）晶（jīng）粒均（jun1）值變化
（b）半高（gāo）寬變化
圖4 晶粒尺寸均值和（hé）半高寬隨鑄件（jiàn）厚度的變化
上述結果表明，鑄件表層和中心層組織存在較（jiào）好的相關性，並呈（chéng）現正態分布的特點，可以用表（biǎo）層組織評估預測中心（xīn）層組織的分布狀況，而（ér）鑄件截麵組織隨壁厚（hòu）變化波動較大，並呈現偏態分布的（de）特點。在大型複（fù）雜精密鈦合金（jīn）鑄件本（běn）體組織評估中，結合（hé）鈦合金鑄件特點，建議統一采用表（biǎo）層（céng）組織（zhī）來評估鑄件組織的（de）均（jun1）勻（yún）性，這也為將來利（lì）用（yòng）鑄件表層組織酸（suān）洗後清晰可見的（de）特點（diǎn）對鑄件進行組織分布狀況的無損評估提供了可（kě）能。
2 結論
（1）鑄件表（biǎo）層晶粒、截麵晶粒和中心層的晶（jīng）粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高（gāo）寬均隨鑄件厚度增加而呈線性（xìng）增大趨勢。
（2）鑄件表層組織和中心層組織（zhī）存在較好的相關性，並呈現正態分布的特點，可以（yǐ）用表（biǎo）層組織評估預測中心層組織的分布狀況，而鑄件截麵組織（zhī）隨壁（bì）厚變化波動較大，並呈（chéng）現偏態分布的特點。
（3）在大型（xíng）複雜精密鈦（tài）合金鑄件本（běn）體組織評（píng）估（gū）中，結合鈦合金鑄件特點（diǎn），建議統（tǒng）一采用表層組織來評估鑄（zhù）件組織的（de）均勻性。
引用格式：張（zhāng）美娟，郤喜望，吳國清，等. ZTC4鈦合金鑄件（jiàn）表層與內部組織的相關性研（yán）究[J].特種鑄造及（jí）有色合金，2021，41（7）：814-816.
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