為慶祝中國共產黨成立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題，目前該（gāi）專題已經（jīng）發表在《特（tè）種鑄造及有（yǒu）色合金》2021年第（dì）41卷第07期上。本文作者：張美娟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（kōng）材料研究院；2. 北京市******鈦合金精密（mì）成型工程技術（shù）研究中心（xīn）；3. 北京百慕航材高科技有（yǒu）限公（gōng）司；4. 北（běi）京航空航天大學；5. 航空工業信息中心。
｜導（dǎo）讀｜
■采用組織定量評（píng）估技術（shù），對（duì）某大型鈦合金鑄件產品各區域的組織進行定量評估，對比分析了鑄件表層組織和內（nèi）部（bù）組織的相關性，探討了鑄件本體組（zǔ）織評估中試樣（yàng）選取及觀察原（yuán）則（zé）。結果表（biǎo）明，鑄件本體表層、中心層和截麵獲得的晶粒尺寸均值（zhí）、晶粒尺寸分（fèn）布半高寬均隨鑄件厚度增加呈（chéng）線性（xìng）增大的趨勢，表層及中心層的晶粒尺寸分布相似並呈正態（tài）分布的特點，截麵組織分布呈偏態分布的特點。結合鈦合金鑄件特點（diǎn），在大型複雜（zá）精密鈦合金鑄件本（běn）體組織評估中，建議統一采用表層組織來評（píng）估鑄件組織（zhī）的均（jun1）勻（yún）性。
關鍵詞：鈦合金（jīn）；鑄件；組（zǔ）織；統計；晶粒度
隨著我國大型（xíng）飛（fēi）機的研製和適（shì）航（háng）******體係的完善，對大型複雜精密（mì）鈦（tài）合金（jīn）鑄件等飛機關鍵結構件（jiàn）的質（zhì）量評（píng）估和監控成為亟待解決（jué）的關鍵問題之一。對大型鈦合金鑄造產品而言（yán），在凝固生（shēng）長過程中，受鑄件壁厚、凝固順（shùn）序等因素的影響，鑄件表層組織、中心層組（zǔ）織、截麵組織均不一致（zhì）。目前通過金相法獲得的鑄件微觀組織（zhī）為（wéi）二維圖像，無（wú）法反映鑄件（jiàn）實際晶粒的（de）三維形貌特（tè）征，剖切方式的不同也會導（dǎo）致較大差異。對於鑄件本體如何剖取（qǔ）組織試樣，如何選擇觀察麵，還沒有統一（yī）的標準或規（guī）範；實際工作中（zhōng），選擇哪個（gè）麵進行鑄件的解剖分析，充滿了不確定（dìng）性；鑄件表層（céng）組織、中心層組織、截麵組織之間的關係如何，還缺乏相關研究。對鈦合（hé）金（jīn）鑄件而言，酸洗後的外觀組織清晰可見，可通過手持顯微鏡獲得較為清晰的晶粒尺寸信（xìn）息。建立鑄件表層（céng）-中心層-截麵晶粒尺寸間的相關性（xìng），不僅可以實現利用（yòng）表層（céng）組織預測鑄件內部的組織分布特征，還為開展鑄（zhù）件組織的無損評估（gū）提（tí）供了可能。
以某ZTC4鈦合金機（jī）匣為研究對象，機匣采用熔模精密鑄造方法製備，型殼為（wéi）氧化物陶（táo）瓷型殼（麵層為氧化（huà）釔塗料漿），重（chóng）力澆注。機匣各（gè）部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內（nèi）外環等複雜結構，在典型區域A~F取樣並進行試驗分（fèn）析，見圖1。
（a）機匣照片 （b）機匣解剖試樣
圖1 ZTC4鈦合金機匣鑄（zhù）件
鑄件的（de）化學成分見表1，符合GB/T15073-1994要求。
參照無損評估拍照區（qū）域對鑄件（jiàn）對應位置進行解剖取樣和金（jīn）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（huò）得鑄件表層（統一（yī）指（zhǐ）外表層）、中心層、截麵組織照片，利（lì）用鈦合金鑄件組織晶粒度（dù）測定及（jí）評估方法（fǎ）對每個區進（jìn）行晶粒統計分析，其中每個區統計的晶粒數（shù）量不低於600個。
1 試（shì）驗結果與分析
鑄件A區表層、截麵、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後的（de）晶（jīng）粒信息。可（kě）以（yǐ）看出，鑄件A區表層晶粒尺寸較為（wéi）粗大，中（zhōng）心層晶粒略小，截麵晶粒分布較表層、中心層更不均勻，這與鈦合金鑄件凝固速度較快有關。
（a）表層
（c）中心層
（b）截麵（miàn）
（d）中心層晶粒信息
圖2 鑄件表層/中心層/截麵金（jīn）相組織和晶粒信息照片（A區）
圖3為鑄件各區域表層、截麵、中心層和鑄件整體（tǐ）晶粒尺寸分布曲線，各區域的表層-中心層-截麵晶粒尺寸分布具體指標見（jiàn）表2。截麵（miàn）組（zǔ）織晶粒尺寸的分布（bù）範圍為（wéi）8~7 502 μm，平均晶粒尺寸約為742 μm，晶粒尺（chǐ）寸半高寬約為1 675 μm。截麵的晶粒尺寸呈偏態分布，並表現出較大的半高（gāo）寬值（圖3b）。隨鑄件壁厚的增加，截麵（miàn）晶粒尺寸分（fèn）布的峰值（zhí）呈增大趨勢。當鑄件厚度較（jiào）小時，晶粒間相（xiàng）互競爭，生長受抑（yì）製，晶粒尺寸普遍偏小，且分布範圍較窄。隨著鑄件（jiàn）壁厚增加（jiā），晶（jīng）粒生長（zhǎng）空間（jiān）增大，整體晶粒尺（chǐ）寸偏大，且分布範圍較寬。可見，截麵組織分布狀況受壁厚影響變化較（jiào）大。
表層組織晶粒（lì）尺寸的分（fèn）布範圍為44~7 660 μm，平均晶粒尺寸約為984 μm；晶粒尺寸半高寬約為1 157μm；中心（xīn）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（cùn）半高寬約為2 021 μm。鑄件表層和中心層的晶粒尺寸分（fèn）布（bù）較為相似，呈正態（tài）分布，並隨鑄件壁厚（hòu）呈現規律性變化。
（a）整體
公（gōng）司在國內知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的超精密技（jì）術研發（fā）團隊，研發團隊在超（chāo）精（jīng）密機床的單元技術、切削（xuē）機理和工藝、成套技術及應用工藝方麵具（jù）備豐富的技術經驗和實踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工製（zhì）造相關產業提供優質的技術服務。
（c）表層
（b）截麵
（d）中心層
圖3 鑄件各區（qū）域及（jí）整體（tǐ）晶粒尺寸均值分布曲線
圖4為鑄件（jiàn）晶粒尺寸均（jun1）值和半高寬隨鑄件厚度的變化。可以看出（chū），鑄（zhù）件表層、截麵和中心層的晶粒尺寸均值、晶（jīng）粒尺寸分（fèn）布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈線性增大趨勢。隨著鑄件壁厚的逐（zhú）漸增加，表層、中心層、截麵之間的平均晶粒尺寸變化曲線近似平行，而截麵（miàn）組（zǔ）織的半高寬增長曲線與表層/中心層差異隨著壁（bì）厚增加明顯增大。鑄件表層、截麵和中心層所得的晶粒尺寸均值、晶粒（lì）尺寸分布半高寬與鑄件厚度的關係可分別采（cǎi）用下式進行擬合（hé）：
d=M1+M2h （1）
w=N1+N2h （2）
式中，d為鑄（zhù）件表層、截麵和中心層所得的晶粒尺寸均值，mm；h為鑄件厚（hòu）度，mm；w為晶粒尺（chǐ）寸分布半高（gāo）寬，mm；M1、M2、N1、N2為係數，與（yǔ）澆注溫度、工藝、材料本（běn）身性能等因素有關。通過擬合獲得的相關（guān）參數見表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（gāo）寬（kuān）隨鑄（zhù）件厚（hòu）度的變化
上述（shù）結（jié）果表明，鑄件表層和中心層組織存在較（jiào）好的相關（guān）性，並呈現正態分布的特點，可以用表層組織評估預測中心層（céng）組織的分布狀況，而鑄件截麵組織隨壁厚變化波動較大，並呈現偏態分布的特點。在大（dà）型複雜精密鈦合金鑄件本體組織（zhī）評估中，結合鈦合金鑄件特點，建議統一采用表層組織來評估（gū）鑄件組織的均勻性，這也為將來利用鑄件表層組織酸洗後清晰可見的特點對鑄件進行組織分布狀況（kuàng）的無損評估提供了可能。
2 結論
（1）鑄件表（biǎo）層（céng）晶粒（lì）、截麵晶粒和中心層的晶粒尺寸均值、晶粒（lì）尺寸分布半高寬均隨鑄件（jiàn）厚度增加而呈線性增大趨勢。
（2）鑄件表層組織（zhī）和中心層（céng）組織存在較好的相關性，並呈現正態分布的特點，可以用表層組織評估預測中心層組織的分布狀況，而鑄件截麵組織（zhī）隨壁厚變化（huà）波動較大，並呈現偏態分布的特點。
（3）在大型複雜精密（mì）鈦（tài）合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點，建議統一采用表層組織來評估（gū）鑄件組織的均勻性。
引用格（gé）式：張美（měi）娟，郤喜望，吳國清，等. ZTC4鈦合金鑄件表層與內部組織的相關性研究[J].特種（zhǒng）鑄造（zào）及（jí）有色合金，2021，41（7）：814-816.
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