ZTC4鈦合金鑄件剖切控制方法

高富輝，丁盼，楊冬麗，史成龍，閆金

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鈦是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料，被譽(yù)為“太空金屬”[1]。鑄造鈦合金按相分的組成可分為α合金、近α合金、α+β合金及β合金[2]，其中(α+β)鈦合金中的 ZTC4合金(Ti-6Al-4V)在中高溫環(huán)境下具有良好的綜合性能，是航空結(jié)構(gòu)件選用最廣泛的鈦合金材料。北京航空材料研究院控股的北京百慕航材高科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱百慕高科），承擔(dān)了國(guó)內(nèi)幾乎所有航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)型號(hào)的科研生產(chǎn)任務(wù)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器提供了大量的 ZTC4鈦合金鑄件[3]。國(guó)內(nèi)鑄件材料標(biāo)準(zhǔn)大部分基于國(guó)軍標(biāo)GJB 2986A—2007的規(guī)定，以往客戶一般只要求使用與鑄件同爐澆注的附鑄試棒進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新研或批產(chǎn)鑄件的材料控制，然而，附鑄試棒的熱成形狀態(tài)與實(shí)際鑄件往往有較大差別，并不能完全代表鑄件的實(shí)際性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)客戶也開(kāi)始慢慢關(guān)注鑄件剖切的性能指標(biāo)，及研究鑄件批生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制。對(duì)于ZTC4合金材料，國(guó)內(nèi)不乏大量的基礎(chǔ)及工程應(yīng)用研究，但對(duì)于ZTC4鈦合金鑄件的工業(yè)化認(rèn)證及批產(chǎn)控制，尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義和規(guī)定。

百慕高科是國(guó)內(nèi)唯一一家通過(guò)AS9100宇航質(zhì)量體系認(rèn)證及NADCAP特殊過(guò)程認(rèn)證的鈦合金鑄造企業(yè)，經(jīng)過(guò)十幾年的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與發(fā)展，相繼成為法國(guó)Safran集團(tuán)、Airbus公司、美國(guó)GE公司、英國(guó)R&R公司等世界主要飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的鈦合金鑄件供應(yīng)商，成功批產(chǎn)了CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)系列支板、軸承支座、A320/NEO肋板、吊掛、LEAP套件等鈦合金結(jié)構(gòu)鑄件，并且是目前國(guó)內(nèi)少數(shù)能制造大型復(fù)雜薄壁鑄件的公司，如用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)的大型中介機(jī)匣鑄件，直徑1.1 m，最小壁厚2 mm。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年，一些關(guān)鍵零件與發(fā)動(dòng)機(jī)同壽命，對(duì)材料的穩(wěn)定性及安全性有極高的要求。為保證鈦合金鑄件首件的各項(xiàng)性能及尺寸符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，以及批產(chǎn)后每批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商對(duì)首件及周期性剖切提出了明確的規(guī)定，以確保鑄造工藝過(guò)程的穩(wěn)定及可靠。文中通過(guò)分析國(guó)外宇航客戶對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)用ZTC4鈦合金鑄件的首件工業(yè)化認(rèn)證和批產(chǎn)周期性剖切的技術(shù)要求，為國(guó)內(nèi)航空鈦鑄件的研制和批產(chǎn)管理提供借鑒。

1 剖切控制方法

國(guó)外主要飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商對(duì)ZTC4鈦合金鑄件首件及周期性剖切測(cè)試的要求見(jiàn)表1。對(duì)鈦合金鑄件供應(yīng)商首次提供的新產(chǎn)品，均要求對(duì)首件進(jìn)行剖切認(rèn)證，在首件批準(zhǔn)后可以根據(jù)鑄件的不同等級(jí)規(guī)定不同的周期性剖切要求。由表1可以看出，化學(xué)成分、室溫拉伸、沾污層、晶粒度及顯微疏松等金相檢測(cè)即能滿足大部分鑄件的剖切控制要求。剖切的目的是為了證明鑄件的化學(xué)及力學(xué)性能、組織均勻性、晶粒水平以及對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)盲區(qū)的尺寸、無(wú)損探傷測(cè)試和外觀檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求以及驗(yàn)證過(guò)程的穩(wěn)定性。對(duì)于周期剖切頻率，可以按照首件、第 25件、第 75件、第100件，然后每200件或至少每年1件的頻率進(jìn)行工藝穩(wěn)定性驗(yàn)證。

剖切件必須能代表其生產(chǎn)過(guò)程，經(jīng)過(guò)了所有關(guān)鍵的工序。所有測(cè)試要求在認(rèn)證的試驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可以為客戶要求或 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)。剖切結(jié)果要求進(jìn)行分析，不僅需符合各項(xiàng)性能要求，對(duì)于符合要求但有較大波動(dòng)的測(cè)試結(jié)果，需結(jié)合工藝、試樣狀態(tài)與測(cè)試方法進(jìn)行分析，并形成剖切報(bào)告。

表1 國(guó)外主要飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商首件及周期剖切測(cè)試要求Tab.1 FAI and periodic cut-up requirement of foreign civil aircraft and engine manufacturer

2 結(jié)果分析

2.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分剖切取樣分析的目的是確保金屬原材料的可靠以及鑄造過(guò)程對(duì)鑄件最終化學(xué)成分無(wú)影響。剖切件的化學(xué)成分分析一般要求在主要受熱區(qū)取樣，鑄造廠也可根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)建議選取其他位置。對(duì)于一般等級(jí)的鑄件，只需按規(guī)范進(jìn)行常規(guī)元素的化學(xué)分析，取樣部位也沒(méi)有特殊規(guī)定。對(duì)于機(jī)匣等最大直徑超過(guò)1 m的大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵承力件，為了驗(yàn)證鑄件各部位的成分均勻性及鑄造工藝過(guò)程的可靠性，一方面要求在鑄件多個(gè)區(qū)域取樣，如澆口、冒口部位，以及本體重要承力部位等。另一方面還對(duì)合金的其他雜質(zhì)含量提出更具體要求，以避免在合金熔煉、澆注過(guò)程中，鈦合金與接觸的坩堝、陶瓷型殼等可能發(fā)生的接觸性污染。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的中介機(jī)匣在首件剖切驗(yàn)證程序中就選擇了鑄件4個(gè)位置，澆道盤1個(gè)位置附鑄化學(xué)成分試塊，同時(shí)選擇了鑄件本體5個(gè)位置剖切取樣分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，LEAP機(jī)匣化學(xué)成分剖切取樣見(jiàn)圖 1。

化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，附鑄試塊與鑄件本體剖切取樣測(cè)試結(jié)果基本一致，波動(dòng)很小。澆道盤上的附鑄試棒與鑄件上的附鑄試棒化學(xué)成分沒(méi)有顯著不同，從鑄件5個(gè)不同位置剖切取樣檢測(cè)結(jié)果一致，成分均勻性很好。

另外，LEAP機(jī)匣首件剖切還對(duì)以下13種微量元素進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3，單個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.1%，13個(gè)元素總量小于0.37%，符合技術(shù)規(guī)范要求，驗(yàn)證了首件合金熔煉及鑄造過(guò)程的可靠性。

圖1 LEAP機(jī)匣化學(xué)成分剖切取樣Fig.1 Chemical analysis sampling sketch of LEAP fan frame hub

表2 LEAP機(jī)匣不同部位取樣化學(xué)成分結(jié)果對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical analysis result of LEAP fan frame hub sampled from different zone %

表3 LEAP機(jī)匣微量雜質(zhì)元素檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Trace impurity element analysis result of LEAP fan frame hub %

2.2 力學(xué)性能

GJB 2896A—2007和國(guó)外對(duì)力學(xué)性能的要求大多限于常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率以及高溫拉伸測(cè)試，對(duì)于一些關(guān)鍵承力件，國(guó)外客戶還要求進(jìn)行疲勞性能、斷裂韌性測(cè)試等。GJB 2896A—2007及國(guó)外客戶主要力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4，其中客戶F的各項(xiàng)力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)引用了AMS4992B。

表4 GJB 2896A—2007及國(guó)外客戶主要力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Main mechanical property requirements of GJB 2896A—2007 and foreign customers

國(guó)軍標(biāo) GJB 2896A—2007對(duì)于附鑄試棒的抗拉強(qiáng)度要求為890 MPa，對(duì)于鑄件本體剖切的試樣，性能允許低 5%，與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)基本處于同一水平，但其并沒(méi)有明確要求對(duì)鑄件進(jìn)行剖切取樣測(cè)試，也沒(méi)有剖切相關(guān)的詳細(xì)規(guī)定。國(guó)外則明確規(guī)定了從鑄件本體剖切取樣的具體要求，對(duì)于關(guān)鍵承力鑄件，在首件驗(yàn)證階段，還有必要在鑄件不同位置以及澆道盤不同位置上附鑄試棒進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證不同取樣位置對(duì)力學(xué)性能的影響，并積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于制定批生產(chǎn)周期剖切取樣規(guī)則。

力學(xué)性能分析剖切取樣方法遵循以下幾個(gè)原則：① 取樣位置應(yīng)選取晶粒較為粗大鑄件的厚大部位，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果顯示缺陷較多的部位，因?yàn)殡S著鑄件厚度的增加，鑄件晶粒尺寸急劇增大，鑄件的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、抗疲勞及斷裂性能等將被惡化，而往往厚大部位補(bǔ)縮較難，勢(shì)必需要進(jìn)行補(bǔ)焊處理，如果補(bǔ)焊處理不當(dāng)，極易影響材料性能[4—5]，因此應(yīng)選取能代表其性能最差的狀態(tài)剖切取樣測(cè)試； ②取樣位置考慮鑄件結(jié)構(gòu)，如環(huán)形件在選取試樣時(shí)，如果做4個(gè)測(cè)試，則按90°均布，如果做3個(gè)測(cè)試，按120°進(jìn)行取樣，如果做2個(gè)測(cè)試，按180°進(jìn)行取樣，試樣取樣方向也做出相應(yīng)規(guī)定，包括軸向、切線方向、徑向方向； ③試樣加工規(guī)格及測(cè)試條件使用ASTM E8/E8M，由于此標(biāo)準(zhǔn)在2004年以前的版本是分英制和公制的，因此國(guó)外選用試棒直徑有0.25英寸（6.35 mm）或6 mm圓棒，標(biāo)距長(zhǎng)度選取4d或5d。當(dāng)鑄件壁厚較小，不足以切取試棒時(shí)，可以選用等比例較小直徑的試棒或者板狀試樣。

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)針對(duì)不同直徑拉伸試樣對(duì)性能的影響作了一些研究，蒲曉妮等[6]認(rèn)為由于不同直徑的試樣顯微組織結(jié)構(gòu)和試棒加工時(shí)表面硬化層的影響，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均隨試樣直徑增大而下降，胡世軍[7]等也認(rèn)為隨著試樣直徑的增大，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸減少，但張浩等[8]在TC4絲材上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻得到相反的結(jié)論。影響力學(xué)性能結(jié)果的因素很多，如何減少實(shí)驗(yàn)條件差異的影響及選用更合理的試棒直徑需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

2.3 顯微金相

金相分析的內(nèi)容包括沾污層測(cè)試、組織觀察、顯微疏松以及晶粒尺寸分析。沾污層會(huì)導(dǎo)致自身裂紋萌生和拓展，會(huì)導(dǎo)致鑄件表面裂紋，還明顯影響到材料的疲勞性能、斷裂韌性和沖擊性能，危害極大，鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)均不允許有沾污層存在[9—12]。沾污層取樣位置應(yīng)選取被認(rèn)為是最熱的部位，一般可選取在澆口冒口附近的鑄件本體處，選取 3～5個(gè)部位。對(duì)沾污層的標(biāo)準(zhǔn)，各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商有不同的規(guī)定。SAFRAN和AIRBUS的要求是模擬最終鑄件狀態(tài)進(jìn)行沾污層分析，需要進(jìn)行酸洗去除量的計(jì)算，包括最厚沾污層的部位，以及在酸洗時(shí)酸液較難到達(dá)，可能去除量最少的部位，確保沾污層被去除干凈。GE則要求依據(jù)熱等靜壓后的沾污層厚度來(lái)確定酸洗量，酸洗量應(yīng)至少大于熱等靜壓后沾污層厚度的1.5倍。分析沾污層的方法有金相法和硬度法。金相法要求無(wú)沾污層，硬度法要求沾污層＜0.05 mm。硬度法按ASTM E384標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試維氏顯微硬度，在金相試塊上實(shí)施100～300 g的載荷，分別在距離被檢測(cè)面0.05, 0.5 mm及試塊中心部位測(cè)量，前兩者之間的測(cè)量硬度值不能超過(guò) 100點(diǎn)，且后兩者所測(cè)硬度值必須是一個(gè)數(shù)量級(jí)。

鑄件的晶粒度水平一定程度上會(huì)影響鑄件的力學(xué)性能，大多數(shù)合金符合根據(jù)材料位錯(cuò)塞積理論總結(jié)出來(lái)的材料屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系，即 Hall-Petch公式，材料的屈服強(qiáng)度或硬度與晶粒直徑d-1/2為線性關(guān)系[13]，但材料的性能不僅僅與晶粒尺寸有關(guān)，鈦合金的材料性能取決于合金成分、組織狀態(tài)、相的組成分布等微觀特性[14]，同時(shí)，與試樣所包含的缺陷以及試樣加工表面狀態(tài)等均有關(guān)，因此并不是所有國(guó)外客戶都要求檢查晶粒度，可以將晶粒度檢測(cè)作為分析力學(xué)性能異常的一個(gè)因素。

晶粒檢查一般選擇能代表鑄件最熱區(qū)和最后凝固的部位，能代表鑄件不同厚度的區(qū)域，以及一些可能影響力學(xué)性能的關(guān)鍵承力部位，取樣數(shù)量一般3～5個(gè)。晶粒檢查可以在酸洗后的鑄件表面進(jìn)行宏觀晶粒檢查，也可以對(duì)鑄件剖切截面進(jìn)行微觀檢查，百慕高科對(duì)大量鑄件剖切檢測(cè)晶粒的結(jié)果大部分可以滿足表5的參考標(biāo)準(zhǔn)。

顯微疏松一般在放大倍數(shù)≥20倍的情況下進(jìn)行，檢查累積疏松面積的百分比，檢查區(qū)域根據(jù)壁厚尺寸確定，顯微疏松標(biāo)準(zhǔn)為鑄件重要區(qū)≤2%～3%，一般區(qū)≤5%～7%。有必要的情況下對(duì)力學(xué)測(cè)試斷裂試棒的截面進(jìn)行晶粒度、顯微疏松、沾污層、50倍、100倍500倍的金相組織檢查。

表5 ZTC4鈦合金晶粒尺寸參考標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Reference standard for grain size of ZTC4 titanium alloy

3 結(jié)論

1) 制定明確的首件驗(yàn)證及周期剖切控制方法，是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件材料可靠性及工藝穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證的有效手段。

2) 根據(jù)ZTC4鈦合金鑄件不同等級(jí)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)首件驗(yàn)證、周期剖切測(cè)試項(xiàng)目及頻率差別化對(duì)待。化學(xué)成分檢測(cè)、室溫拉伸、沾污層、晶粒度、顯微疏松及金相組織觀察，即能滿足大部分鑄件的剖切控制要求。

3) 首件驗(yàn)證可對(duì)剖切鑄件進(jìn)行全成分微量雜質(zhì)元素的檢測(cè)，批產(chǎn)固化鑄造過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)后，僅需在鑄件任意位置取一個(gè)試樣檢測(cè)主要元素的化學(xué)成分進(jìn)行周期剖切控制。

4) 不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件的鑄件對(duì)剖切性能指標(biāo)的要求有明顯差別，國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品應(yīng)逐步積累工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理定義力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。

5) 沾污層對(duì)鑄件的危害極大，應(yīng)建立對(duì)鑄件表面沾污層的嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)宏觀晶粒檢查及微觀晶粒測(cè)量檢查組織異常及工藝變動(dòng)，但晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)建議僅作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

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