國內鈦合金鑄件規范標準現狀分析

北京百慕航材高科技股份有限公司□徐 莉

鈦及鈦合金具有比重小、比強度高、抗腐蝕性能強、高溫和低溫力學性能良好等優點，廣泛應用于航空、航天、艦船、化工、汽車、體育和生物醫學等各個領域。鑄造鈦合金以其優異的綜合性能和近凈成型的特點，較好實現了構件的減重和降本增效，加上熱等靜壓技術的應用，解決了鑄件的質量問題且提高了其可靠性，因此在航空、航天等行業獲得廣泛應用和快速的發展。鑄造鈦合金經過50多年的發展，現已形成GB、GJB、HB三大體系的鈦合金鑄件標準規范。

鈦合金鑄件規范中標準紛繁復雜、各級標準的要求和內容有的相互補充，有的相互交叉重復，使用者往往容易混淆，存在選擇困難。本文通過對鈦合金鑄件三大規范相關標準現狀進行分析，梳理各相關標準的異同點，讓使用者根據產品要求和條件進行必要的剪裁，以達到節省費用、縮短周期的目的，同時對鈦合金規范現狀存在的不足和后續發展提出了建議。

1 鈦合金鑄件規范標準現狀分析

目前鑄造鈦合金行業內主要是通過技術標準和規范來實現對其生產管理和控制的。我國指導鑄件生產、質量、交貨的現行有效的標準主要有2014年頒布的GB/T 6614—2014《鈦及鈦合金鑄件》 （以下簡稱國標）、2007年頒布的GJB 2896A—2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄件規范》（以下簡稱國軍標）和2012年頒布的HB 5448—2012《鈦及鈦合金熔模精密鑄件規范》（以下簡稱航標）三項標準。

GB/T 6614—2014是覆蓋我國鈦及鈦合金鑄造產品的基本規范，該標準主要在航空、航天、船舶、冶金、石油、化工、電子、醫療、體育等軍民用領域廣泛應用，性能規定要求比專用標準低或相當，故該標準對技術要求相對簡單粗放。

GJB 2896A—2007主要用于軍用裝備，是指導鈦合金精密鑄件要求、質量保證規定和交貨準備的軍用標準。

HB 5448—2012主要指導航空航天鈦合金精密鑄件標準，此標準在航空航天中引用的不多，大部分航空航天使用的還是GJB 2896A—2007。

（1） 材料標準

1）原材料

國標中新增加了ZTA9、ZTA10、ZTA15、ZTA17四種牌號鈦合金鑄件，隨著鈦合金熔煉技術的不斷發展，熔煉方法除了真空自耗，感應電渣、等離子電弧、感應凝殼、電子束熔煉等多種工藝方法均得到了較大進展，其熔煉技術也逐步應用于鈦及鈦合金熔煉，因此為適應工藝技術發展，國標、國軍標和航標均增加了母合金的熔煉方法，擴大了標準的適用范圍。

2）化學成分

國標鑄件化學成分應符合GB/T 15073《鑄造鈦及鈦合金》的規定。

國軍標、航標中鑄件化學成分都要求符合GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》和GB/T 3620.2—2007《鈦及鈦合金加工產品化學成分允許偏差》。

三大規范標準中規定了 ZTA1、ZTA5、ZTA7、ZTA15、ZTC4等五種相同牌號和化學成分，國標因為涉及范圍廣，相比國軍標和航標多了 ZTA2、 ZTA3、 ZTA9、 ZTA10、 ZTA17、ZTB32、ZTC21七種牌號。

鈦合金鑄造中實際應用最廣泛的材料為中溫中強合金ZTC4、ZTA15和工業純鈦，高溫和高強合金及其他牌號和用途的合金相對較少。

3）力學性能

室溫力學性能的對比情況見表1。

表1 室溫力學性能對比

從表中可以看出三大規范標準相同牌號合金的力學性能中技術參數基本一致，個別的指標如ZTA1的伸長率國標要求還嚴格一些，為大于等于20%。

另外國標和航標對高溫力學性能試驗沒有規定，由供需雙方商定，國軍標對ZTA7、ZTC3、ZTC4三種牌號高溫力學性能提供了技術參數。

（2） 工藝標準

1）熱處理

鈦合金鑄件熱處理工藝主要是退火。

退火在這三項標準中沒有引用具體標準，只是在相應的章節對鑄件退火提出了退火溫度要求。

其中國標第4.9條只對退火的參數進行了規定，國軍標和航標中退火規定的參數值一樣，這兩項標準存在著相同、重復的要求。

另外還有關于熱處理規范的具體標準見表2。

表2 熱處理標準

表2中各標準主要用途和特點如下：

b）HB 7750—2004大部分引用 GJB 3763A—2004中的工藝參數，增加了真空熱處理工藝材料、技術安全內容要求。

c）HB/Z 137—2014規定了鈦合金熱處理用的設備和介質、工藝要求和工藝參數、檢驗、質量控制和技術安全，在HB/Z 137—1988版的基礎上增加了航空鈦及鈦合金近20多年41個新牌號和相應的熱處理工藝，增加了鈦合金β退火、準β退火、三重退火等新型工藝；增加了術語、熱處理爐有效工作區溫度容差、熱透時間、熱透后保溫時間、淬火裝置和介質等的質量控制要求；增加了鈦合金淬火延溫時間、鈦合金β轉變溫度、加熱介質和冷卻介質、真空熱處理、保溫時間的計算方法、淬火和其他要求、檢驗內容、重復熱處理的規定和技術安全。該標準是目前比較完善的熱處理工藝說明書。

2）熱等靜壓

HB/Z 234—2014規定了鈦合金鑄件熱等靜壓的工藝材料、設備及工裝夾具、工藝控制、質量控制、技術安全。在HB/Z 234—1993的基礎上，增加了ZTA1、ZTA5、ZTA15、ZTC6鈦合金鑄件的熱等靜壓工藝、增加了對工裝夾具、設備的要求，滿足了航空航天熱等靜壓鑄件的指導需求。

3）酸洗

鈦合金鑄件酸洗相關工藝目前國標和國軍標都沒有相關的標準，只有HB/Z 344—2001《鈦合金酸洗工藝及質量檢驗》一項標準。該標準規定了鈦合金的酸洗工藝材料、工藝設備、工藝程序、工藝要求、質量檢驗、質量控制和技術安全。經過17年的發展，酸洗材料及工藝設備都在不斷發展，有必要進行修訂完善。目前鑄件廠家多以企業標準進行酸洗的控制。

企業戰略管理領域“競爭優勢”的概念最早由英國經濟學家錢伯林提出，后來波特又將其引入到國家區域競爭研究領域[8]。競爭優勢理論與絕對優勢理論、相對優勢理論和資源稟賦等基本理論一脈相承，均屬于競爭力理論研究的基礎理論。

4）焊接補焊

國標焊接修補在標準中有具體的條款規定，國軍標和航標都規定按HB/Z 348—2001《鈦及鈦合金鑄件補焊工藝及檢驗》進行檢驗，此標準對鑄件補焊前的準備 （人員、設備、材料、場地、補焊缺陷的清理、鑄件補焊前的存放）、補焊工藝、鑄件補焊后的清理、鑄件補焊后的熱處理、鑄件補焊后的質量檢驗、質量控制等方面進行了詳細的規定。但該標準中僅給出了ZTC3、ZTC4、ZTC5三個基本牌號及其對應填料牌號合金元素要求，對于α系列ZTA15合金、β系列ZTB32等鑄造合金沒有具體要求，需要補充完善。

（3） 檢測標準

1）化學成分

目前國內鈦合金化學成分分析方法主要有GB/T 4698和HB 5297兩項標準。兩項標準的化學分析方法見表3。

對海綿鈦、鈦及鈦合金化學分析方法國家標準GB/T 4698經歷了1984年、1996年、2017年三個版本，1984年版本主要以容量法和分光光度法為主，每種元素只有一個分析方法，這對不同含量元素的測定會帶來誤差。1996、2017版是在原來測定方法上增加了新技術原子吸收光譜法和電感耦合等離子體原子發射光譜法列入到標準分析方法中，大大的提高了標準的實用性和可操作性。

表3 鈦合金標準化學分析方法對照表

對鈦合金化學分析方法航空標準HB 5297經歷了1984年、2001年兩個版本，1984年版本的特點是根據各元素的特點和含量高低，采用重量法、容量法、光度法、原子吸收法、微壓法、庫侖法等，所用分析的技術方法多樣，可根據不同情況采用不同方法，實用性強。隨著技術的發展，2001版將在日常分析測試中已經不用的庫侖法、真空抽取法從標準中刪除，為使該標準更具有實用性，增加了六種方法，見表4。其中第1、第2、第3種方法是在充分試驗基礎上制定的方法，第4、第5、第6種方法是根據航空材料研究院的企業標準，并經課題參加單位復驗后制定的方法。另外航空標準HB 7716對鈦合金化學成分光譜分析方法進行了規定。

表4 HB 5297—2001中增加的化學分析方法

2）力學性能

鑄件的力學性能檢測主要是室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、夏比擺錘沖擊試驗、布氏硬度試驗、拉伸蠕變試驗五種類型。力學性能標準見表5。一般情況下：

a）國標、國軍標和航標都要求做室溫拉伸試驗，其中GJB 2896A—2007中要求的標準為GB/T 228—2002， GB/T 6614—2014 和 HB 5448—2012要求做室溫拉伸試驗的標準為現行標準GB/T 228.1—2010；

b）對鑄件硬度只有GB/T 6614—2014在標準中進行了要求；

c）GJB 2896A—2007標準中對高溫力學性能中的高溫拉伸和單軸拉伸蠕變試驗進行了規定；

d）另外對于不同鑄件材料力學性能還會做一些具體的要求，比如：ZTC4材料的鑄件會對室溫和布氏硬度有詳細要求，ZTA15材料的鑄件會對夏比擺錘沖擊試驗做進一步詳細的要求。

e）有時也會根據供需雙方商定來規定力學性能的檢測要求。

表5 力學性能標準

3）表面質量

表面質量的檢測標準主要是國標、國軍標和航標三大類。對應的標準見表6。

國標的檢測方法就是通過表面粗糙度比較樣塊對鑄造表面進行檢測。

熒光滲透檢測標準國軍標GJB 2367A—2005代替GJB 593.4—1988《無損檢測質量控制規范 滲透檢驗》和GJB 2367—1995《滲透檢驗方法》，將GJB 593.4—1988《無損檢測質量控制規范 滲透檢驗》合并到GJB 2367A—2005。根據實施熒光滲透檢測過程，增加了表面準備、暗室檢驗細節控制點要求。對控制參數的具體量化，增強了該標準可操作性。

熒光滲透檢測標準航標HB/Z 61—1998是在HB/Z 61—1992《滲透檢驗說明書》和HB 5358.4—1986《航空控件滲透檢驗質量控制標準》的基礎上修訂而成的，保留原標準中先進、科學、合理的內容，對滲透檢驗工藝過程和材料的各種影響因素 （人員、設備和儀器、材料、環境、工藝和文件等）進行了嚴格的控制，是提高產品質量和保證產品質量穩定的有效措施，也是一種既經濟又合理的科學方法。

4）內部質量

內部質量的檢測主要是國軍標和航標兩類。對應的標準見表7。

表6 表面質量

表7 內部質量

國軍標射線檢測標準GJB 1187A—2001代替GJB 593.2—1988《無損檢測質量控制規范射線檢驗》和GJB 1187—1991《射線檢驗方法》，將GJB 593.2—1988《無損檢測質量控制規范 射線檢驗》標準合并到GJB 1187A—2001。

航空標準的射線照相檢測標準最早是由HB/Z 60—1981《X射線檢驗說明書》和HB 5358.2—1986《航空控件X射線照相檢驗質量控制標準》兩部分組成，1996年在標準修訂的基礎上將二者合二為一，成為集檢驗方法和質量控制內容為一身的綜合性標準HB/Z 60—1996。其優點是既避免了兩者某些技術內容的重疊交叉，又便于現場檢驗人員使用。

隨著檢測技術的發展，HB 20160—2014代替了HB/Z 60—1996，引入GJB 1187A—2001中典型透照布置的要求，增加了環形件透照次數的計算方法，同時增加了術語的定義、像質指數的擴展、直接曝光允許的不清晰度要求、電子束焊縫透照方向要求，并在質量控制要求中增加了防止零件受到鉛污染等相關要求，刪除了X射線機應制作曝光曲線和電壓表、電流表應定期進行檢定的要求以及附錄D典型結構工件的透照配置，其優點是借鑒現行標準中合理有效的要求，加強對實施射線檢測的科學管控。

（4）包裝運輸標準

GB/T 8180—2007標準規定了鈦及鈦合金加工產品 （板材、管材、板材、帶材、絲材、鍛件、鈦鑄件）的包裝、標志、運輸和貯存。

2 現有鈦合金鑄件規范標準存在不足

（1）現有鈦合金鑄件規范標準體系不完善

國內鑄造鈦合金生產廠家的鑄造方法主要有機加石墨型鑄造、熔模精密鑄造、特種砂型鑄造三種。而綜上所述目前的國內驗收標準只有GJB 2896A和HB 5448《鈦及鈦合金熔模精密鑄件規范》，這兩項標準僅針對鈦合金熔模精密鑄件，對石墨型鑄件和特種砂型鑄件的相關內容沒有具體的標準。

目前與客戶簽訂技術協議中有機加石墨型和砂型鈦及鈦合金鑄件的要求時，均是按照GJB 2896A標準來進行驗收，缺乏石墨型和砂型制造的專用規范。

（2）各級標準存在交叉重復，使用者容易混淆，不利于統一，造成人力資源的重復勞動和浪費

標準是生產經營活動的依據，是重要的市場規則，必須增強統一性和權威性。目前鈦合金鑄件規范有國家標準、軍用標準、航空標準三項，國家標準GB/T 6614—2014技術要求不夠詳細；航標HB 5448—2012是在 GJB 2896A—2007基礎上對技術參數進行細化，企業在執行標準的過程中，存在多個標準進行選擇，并且在選擇時不清楚標準修訂的研制背景，標準研制背景及指南信息較少，不能有效支撐標準使用。

軍用標準GJB 2896A—2007和航空HB 5448—2012標準名稱相同，同一標準化對象不同標準，目前軍工企業在簽訂技術協議時，基本上都是引用GJB 2896A—2007這項標準，國軍標和航標的修訂都要投入大量的時間和精力，造成人力資源的重復勞動和浪費。國家應該大力發展團體標準，培養鑄鈦行業權威性的團體標準。

（3）行業之間未形成統一標準體系

現有的鈦合金鑄造行業多以企業標準、型號標準等標準對鈦合金鑄造相關過程進行規范，行業之間未能形成統一的標準體系。現有的標準中無熔煉工藝、熔煉安全操作、矯正、鑄件加工工藝技術等相關標準，而這些工藝過程對鑄件的質量及安全生產有重要的影響，有必要對這些技術進行規范，加強工藝過程對產品質量的保障。

（4）引進吸收國外標準不強

加強交流合作，國外先進協會標準轉化而來的技術要求進一步收集、整理、轉化，同時利用好現有的國標、國軍標、航標等資源，為鑄件標準的制定提供參考、依據和支持。

3 現有鈦合金鑄件規范標準發展思路及建議

通過對鈦合金鑄件規范標準現狀分析，對比了目前鈦合金鑄件規范標準體系中存在的不足，為了更好的滿足鈦合金鑄件規范標準體系，建議重點開展如下標準的修訂、制定工作：

1）制定 《鈦合金鑄件規范》標準，或者將標準分為 《鈦及鈦合金熔模精密鑄件規范》、 《石墨型鑄造鈦合金鑄件規范》和 《砂型鑄造鈦合金鑄件規范》三大類，建議制定 《石墨型鑄造鈦合金鑄件規范》和 《砂型鑄造鈦合金鑄件規范》。

2）國軍標和航標中都有鈦合金規范的相關標準，但國軍標和航標都有不完善的部分，比如：

a）國軍標GJB 3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》中對于鈦合金零件真空熱處理的工藝材料和技術內容沒有提到，而航標HB 7750—2004《鈦合金零件真空熱處理》中有詳細要求，建議完善其中一類標準，在國軍標中把 《鈦及鈦合金熱處理》中關于真空熱處理部分的技術標準完善。

b）國軍標標準體系中對鈦合金鑄件的熱等靜壓沒有相關的標準，只有航標HB/Z 234—2014《鈦合金鑄件熱等靜壓》，建議完善國軍標熱等靜壓相關標準。

3）針對行業之間未形成統一標準體系，國家應該大力發展團體標準，培養鑄鈦行業權威性的標準，軍民結合，于軍于民都可以使用。建議完善國軍標或者航標鈦合金鑄件規范的標準體系，結合技術現狀及應用需求，綜合考慮人員、資金、時間等資源，在此基礎上制定科學、合理的標準編制計劃，有計劃、有重點、分布實施。

4）鈦合金鑄件規范的標準體系應參照國外先進標準ASTM、SAE等原有標準進行制修訂。積極跟蹤國外先進標準，分析其主要技術內容和指標參數，并開展與國內標準的對比分析，并不斷完善，提出參考性結論，力爭與國際接軌。