鑲鑄管鑄造工藝鑄件無損檢測分析

鞠忠強，張美娟，張軍威，王本志，張光，郄喜望

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 10094；2. 中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095）

鈦合金精密鑄件是集現代材料科學、化學科學、真空冶金學、高精度加工技術、高分辨率和高準確度的無損檢測技術以及計算機輔助設計及制造技術等實現的高技術產品。目前世界上只有少數幾個國家掌握了該項技術。鈦及其合金由于具有比強度高、穩定性好及無磁性等優異性能，短時間內就成為航空航天領域、能源領域、化學領域等方面不可缺少的材料，被譽為“太空金屬”。目前，鈦合金已成為先進飛機、發動機結構設計的重要應用材料，其使用水平的高低已成為體現飛機、發動機結構選材先進程度的重要標志之一，是影響飛機、發動機壽命、飛行性能和低油耗的一個重要方面。提升鈦合金復雜鑄件的精密鑄造技術成為飛機、發動機結構用鈦合金的主要發展方向[1—2]。

作為飛機發動機的主要結構材料之一，是影響飛機戰術性能的一個重要方面。在航空發動機上得到了大量應用，如CFM56發動機、CF34發動機、F22和F35等先進戰機、C-17大型運輸機、X(AMC-X)新型中程運輸機都大量使用了鈦合金鑄件[3—4]。特別是在軍用戰斗機上，鈦合金鑄件的應用是提高機型性能的主要方向，在國外三代戰斗機上，鈦合金用量占機體結構重量比為 20%～25%，在第四代戰斗機 F-22上已高達41%，其應用呈大幅度上升趨勢[5]。

隨著鈦合金材料在現代戰斗機結構中用量的增加，超規格、高性能、大型鈦合金整體制件的研制需求迫切，大型整體精鑄件因為顯著地減少零件、組合件和緊固件數量，并且為減輕整體重量而多制成薄壁鑄件，鈦合金鑄件的形體和結構越來越復雜，其壁部要制成夾層帶有異型空腔的薄壁結構，以減輕重量和保證整體剛性[6]。同時亦要取消外部盤繞的許多回形油路、氣路，而將其置于鑄件內部，使其體積更加緊湊，外形整齊，氣道、油道通暢，維護簡便和工作安全可靠。此類內部含有細長孔道的鈦合金鑄件通常采用金屬型芯，將鈦管預先安裝在鑄型內，經澆注冷卻后金屬管鑲鑄在鑄件內或選用空心可熔金屬芯形成細孔，此工藝雖然解決了管路結構鑄件成形問題，但管路部位無法按常規的 X射線雙片透照和表面對標來判定鑄造缺陷，同時貿然進行缺陷排除后鑄件修復可能性小，造成產品率上升。文中對鑲鑄鈦管工藝制備鑄件的無損檢測評定進行分析與研究，形成鑲鑄鈦管工藝鑄件的檢驗要求及依據。

1 試驗

1.1 鑄件結構特點

以某型發動機采用鑲鑄法制備含細長孔的鈦合金精密鑄件為例，開展鑲鑄工藝及無損檢驗研究，鑄件結構見圖1。鑄件存在大面積的薄板結構，中心為較厚大的立柱結構，在周向存在三根非線性輻射方向的油管結構，內徑為Φ8,Φ6 mm，行程超過300 mm，具體結構見圖2。

圖1 鑄件結構Fig.1 Casting structure

圖2 管狀結構Fig.2 Tubular structure.

1.2 鑄造主導工藝

由于鑄件存在非線性的管路結構和大面積的薄壁結構，為保證鑄件的完整成形采用鑲鑄鈦管+熔模精密鑄造工藝制備，在鑄件澆注成形工序采用離心澆鑄工藝，提高鈦合金的充型能力，確保鑄件完整成形。鑲鑄鈦管規格型號為TA2純鈦管，壁厚為1 mm，鑄件基體材料為ZTC4鈦合金。制備流程見圖3。

1.3 成形工藝模擬

采用單件小模組的組模方式，降低型殼制備過程由于大尺寸型殼對型殼質量的影響。在厚大的大圓盤部位設置澆口，中心以鑲鑄鈦管對應的中心厚大部位增加副澆口，保證澆注順序從鑄件厚大部位開始充型，提高澆注系統的開放性和金屬液的充型能力。在澆注方式上采用離心方式澆注，澆注示意圖見圖4，進一步提高鈦合金的充型能力，保證在鑲鑄管部位（局部冷鐵性質）能夠完整成形，澆注參數見表1。

圖3 研制流程Fig.3 Development process

圖4 澆注Fig.4 Casting

從模擬結果見圖5，澆注系統開放性能較好，鑄件只存在3處較大的縮孔。雖然圖4所示澆注示意圖中在離心澆注過程中，在離心力和重力的雙重作用下，多數底澆口沒有起到充型作用，但起到了補縮的作用，能造成順序凝固，有利于補縮，形成冶金質量較高的鑄件。

圖5 模擬結果Fig.5 Simulation results

1.4 鑄件的無損檢驗

鑄件澆注成形后，經過HIP工序消除部分縮松縮孔后，對鑄件鑲鑄鈦管部位進行 X射線無損檢測，評估其內部缺陷，具體透照工藝見表1。對于產生的缺陷進行對表，確認為內部缺陷的形貌存在沿鑲鑄管輪廓或橫貫鑲鑄管的黑線，無法從評片中確認缺陷類型，后續采用缺陷部位剖切后的光學顯微鏡和掃描電鏡分析鑲鑄件的界面組織和成分檢測，開展缺陷部位剖切及微觀對比分析，對鑄造缺陷的表征、形成機理判定。

表1 X射線檢測工藝Tab.1 X ray detection process

2 結果與分析

2.1 型殼制備過程鑲鑄管組織分析

熔模精密鑄造工藝需經過型殼焙燒保證型殼高溫強度，但對于鈦合金，致密的鈦在常溫的空氣中是很穩定的，而受熱后便會與氧發生反應，當純鈦在1038 ℃加熱30 min后，表面會形成0.102 mm厚的氧化膜，因此預埋鈦管在型殼制備過程中會產生表面氧化現象，見圖6。為保證鑄件成形過程獲得最好的融合效果，采用較低的型殼焙燒溫度，防止鑄件表面的嚴重氧化，但對于鈦合金鑄件的鑄造過程來說，型殼強度非常關鍵，要保證在1600 ℃的澆注溫度下的高溫強度，必須保證型在足夠高的測試下進行型殼焙燒，保證型殼在高溫澆注過程中不潰散，因此要采用合適的焙燒溫度即要保證型殼強度，也要盡量減少預埋鈦管的表面氧化。說明在鈦合金鑄件澆注過程中，采用鑲鑄管工藝的鈦管表面必然存在一定厚度的氧化層。

圖6 鈦管焙燒后表面及內部組織Fig.6 Surface and internal organization after titanium tube roasting

2.2 熔煉澆注過程模擬分析

在熔煉澆注過程中，金屬液從澆口進入鑄件型殼，從金屬液充型過程來看，如圖7所示，在鈦管部位金屬液是從兩個固定部位開始充型，在鈦管轉彎的中間部位匯合形成未融合缺陷。

圖7 熔煉澆注過程模擬Fig.7 Simulation of smelting casting

鑄件澆注成形采用凝殼熔煉方式，金屬融化時過熱度相對較低，再經過澆注系統進入型殼時充型行程相對較長；同時在型中預埋的鈦管相當于局部冷鐵作用，因此在充型最后兩股金屬液交匯處易形成鑄件表面的冷隔未融合缺陷，但預埋鈦管成為鑄件的本體結構，此缺陷在后結檢測顯示為鑄件內部缺陷。

2.3 鑲鑄管部位冶金缺陷X光檢測分析

從 X光底片上來看，除鑄造過程產生的高密、低密、氣孔、縮孔之外，在預埋鈦管鑄造工藝的鑄件缺陷分布存在間隙缺陷，即鈦管與金屬液未完全融合。由于鈦管結構差異，間隙缺陷在X光底片以下2種形式顯示： ①沿鈦管兩側的平行黑線； ②在鈦管轉彎處橫貫鈦管的圓滑黑線。鈦管部位 X射線形貌見圖8。

圖8 鈦管部位X射線形貌Fig.8 X-ray morphology of titanium tube site

從鑄件結構上來看，對于管中部位的壁厚存在一定差異，不同壁結構在金屬液澆注成形過程中存在局部不同的過熱度差異。從理論上講只有液態金屬保證足夠的熱容量，才能使固態金屬表面熔化，形成理想的冶金結合層，液態金屬澆鑄溫度控制是否適宜，直接影響兩金屬復合界面質量，對鑲鑄件的工作性能將產生一定的影響。在保證鑄件成形鈦管不被熔化前提下，適當提高澆注溫度，減少由于澆注溫度太低導致冷隔等缺陷。

2.4 間隙缺陷部位組織分析

從兩黑線缺陷部位取樣，在顯微組織見圖9，存在著斷續的間隙。沿鈦管兩側的平行黑線是金屬液與鈦管沒有融合形成的縫隙，在鈦管轉彎處橫貫鈦管的圓滑黑線是在澆注成形過程中有兩股金屬液交匯，形成的間隙和金屬液相交時未完全融合的未融合現象。

對間隙部位進行SEM和EDS分析，基體與鈦管的未融合缺陷見圖 10。可知在中間的間隙部位是 Ti和 O的富集相，應該是鈦管在澆注前的型殼制備過程中出現的表面氧化，在澆注過程中進一步加劇氧化，形成氧化層，影響金屬液與鈦管的融合效果。

圖9 缺陷位置顯微組織金相Fig.9 Microstructure metallographic phase in defective position

圖10 缺陷部位SEM和EDS分析Fig.10 SEM and EDS analysis of defective position

3 結論

以含細長孔的鈦合金精密薄壁鑄件為背景，分析研制過程中，采用鑲鑄管工藝制備鑄件的形貌、鑄件澆注過程數值模擬、鑄件 X光檢測及缺陷部位顯微組織SEM和EDS，研究采用鑲鑄管工藝制備鑄件的鑲鑄界面未融合缺陷的表征，為此類產品冶金質量評價提供依據，主要結論如下。

1) 采用鑲鑄鈦管鑄造鈦合金鑄件，由于鑲鑄管部位結構不同和澆注過程充型過程的不同，鈦管部位融合效果存在差異，存在未融合現象。

2) 在型殼制備過程中，鑲鑄管存在表面氧化現象，在鑄件澆注成形過程中，氧化層不利于澆注過程的物理擴散形為，易產生微觀間隙。

3) 由于鑲鑄鈦管表面氧化和澆注過程中，金屬液充型或多股金屬液充型交匯，形成鑲鑄管部位出現未融合缺陷。

4) 微觀間隙和內部局部未融合等缺陷可以通過X射線檢測，微觀間隙在X光底片下顯示為沿鑲鑄管輪廓的黑線，局部未融合缺陷在 X光底片下顯示為可橫貫鑲鑄管的圓滑黑線。

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