铸件薄壁尺寸效应的研究成果

周 杨 朱春雷

(1.中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457；2.中国钢研科技集团公司，北京100081)

随着航空领域提高推重比的迫切以及微机械行业的蓬勃发展，薄壁铸件得到了广泛的应用，零部件壁厚甚至达到微米级。这些零部件薄壁部位的力学性能通常不同于标准试样的力学性能。而这些部件的薄壁区通常是使用性能的薄弱环节，其力学性能直接决定着该整体机械的使用性能和寿命。为了准确评价薄壁零部件的使用性能和寿命，有必要明确薄壁对材料力学性能的影响。我们结合尺寸效应的定义及分类，以高温合金薄壁尺寸效应为例详述了薄壁对高温合金力学性能的影响，并分析了造成薄壁尺寸效应的原因，同时提出改善薄壁尺寸效应对材料力学性能的影响。

1 铸件尺寸效应的定义及分类

尺寸效应是指零部件截面尺寸的变化造成热学行为和凝固组织的变化，从而引起其性能偏离的作用。广义的截面尺寸效应包括薄截面和厚截面的作用。但人们更加关注的是薄截面尺寸效应，特别在航空发动机制造业以及微机械领域中，部分薄壁零部件力学性能直接决定了机械整体的使用性能和寿命。

按照影响尺寸效应因素的复杂程度可以分为[1]：纯薄截面尺寸效应和截面尺寸复杂效应。纯薄截面尺寸效应是指在化学成分、晶体取向、显微组织和实验环境相同的条件下考察截面厚度变化对力学性能的影响。通常是从已测定取向的整块单晶切取不同的试样，保证材料的枝晶间距、显微偏析和显微疏松等冶金参数一致。截面尺寸复杂效应是指除了试样截面尺寸效应外，还包括试样的几何形状(如有棱边的板状试样和圆形的管状试样)、截面尺寸的变化引起的显微组织变化(如偏析、显微疏松、枝晶尺寸和取向偏离等)，以及试样表面完整性(包括氧化、合金贫化、涂层和表面加工损伤)和蠕变实验误差[2]。总之复合尺寸效应涉及试样加工、冶金和实验各个环节。实际的应用中，在考虑铸件的实际使用性能和寿命时需要综合考虑其复杂尺寸效应的影响。尺寸效应的分类还有其他几种，但针对铸造零部件，该分类较为准确、全面。

2 高温合金薄壁铸件尺寸效应的研究概况

高温合金由于具有优良的高温力学性能等特点而被广泛应用于航空、航天和汽车等领域的热端部件。为进一步提高发动机的效率要求提高其推重比，薄壁铸件的应用较为关键。近半个世纪以来，人们对单晶[2～6]、定向凝固[7]和普通铸造[8]高温合金的薄截面尺寸效应进行了大量的研究，获得大量不同截面尺寸的性能数据。

Seetharaman[3]研究了无涂层PWA1484单晶纯薄截面尺寸效应，厚度分别为0.38 mm、0.76 mm、1.52 mm、3.18 mm。结果表明薄截面对1%应变时间无明显影响，但对断裂寿命有明显影响，尤其在760℃中温下截面厚度影响最剧烈，由此可见单晶存在薄壁尺寸效应。Doner[2]为了进一步研究各个环节的影响，制备了四种不同几何形状的CMSX-3单晶试样，详细研究了的复合尺寸效应对持久性能的影响。结果表明：薄壁试样的持久寿命都比标准试样的持久寿命低，试样的几何形状对薄壁试样持久寿命无影响，但取样位置对持久性能产生明显影响。这是因为不同的取样位置，试样的显微组织、显微偏析、缺陷特征都不同。单晶合金没有晶界，它只受亚晶和枝晶的影响。郑运荣[1]通过综合分析几种单晶试样的尺寸效应认为：由于单晶的凝固速度比普通铸造叶片要低得多，因此枝晶较粗大。薄壁单晶叶片的一次枝晶干间距通常在250 μm左右，当壁厚为0.5 mm时，在壁厚方向上一次枝晶干的数目小于2，裂纹极易切断主干而穿透薄壁，这是单晶薄试样持久性能低于标准试样的重要原因。尽管随着单晶样品尺寸的减小，由于凝固速度提高，枝晶间距和枝晶间γ相尺寸减小[4、5]，从理论角度上讲，其强度应该升高，但实际上其强度和持久寿命降低了[2、3]，显然这是由于样品尺寸效应的影响。

张宏炜等人[7]研究了采用定向凝固无余量精铸工艺制备的形状和壁厚接近于空心涡轮叶片的管状薄壁试样的持久性能。结果表明：由于薄壁试样凝固速度较快，使枝晶间距减小(枝晶密度增大)，并使枝晶间强化相细化，补偿了因壁厚减小而导致性能下降的不利影响。同时，精铸工艺的采用减少了由于机加工带来的表面加工硬化和再结晶以及表面氧化层的影响。最终，使得薄壁试样持久性能与标准试样保持同一水平。

徐岩等人[8]研究了铸造等轴晶高温合金K417尺寸效应对高温持久性能和高温拉伸性能的影响。结果表明：铸造厚壁样品经大余量机加工得到的薄壁试样由于单位承载截面上显微疏松所占的面积更多，使得有效承载面积减少，在应力作用下显微疏松常成为裂纹源和裂纹扩展通道，使得大余量机加工试样的高温持久性能下降以及数据分散。

研究表明：当壁厚减小到一定程度时，零件的中高温持久性能将会下降。同时，尽管铸造高温合金薄壁试样的力学性能比较分散，但影响的趋势是很明显的。薄壁对单晶铸件影响最小，对定向凝固铸件影响次之，对等轴晶铸件影响最大[1、7]。薄壁尺寸效应对高温合金铸件力学性能影响的差异，其根本原因在于导致这些材料力学性能变化的尺寸效应的原因不同。

3 尺寸效应导致材料力学性能变化的原因

通过对高温合金以及铝合金[10、11]、黄铜[12]尺寸效应的研究可以发现：屈服强度、抗拉强度、持久性能随着试样厚度的减小而降低，同时，当试样壁厚减小到某一水平时，由于组织细化补偿了尺寸减小造成性能下降的不利影响，使得材料性能有所提高。

研究发现，材料尺寸效应导致力学性能下降主要有以下几个因素：

第一是多晶体塑性变形本质[13、14]。从晶体塑性变形本质来看，金属是由大量具有随机取向、尺寸、形状各向异性的晶粒构成。在金属塑性变形过程中，由于各晶粒间需要满足变形协调、应力平衡条件，同时受到每个晶粒的取向、形状、尺寸、位置等的限制，金属塑性变形是各向异性和不均匀的，各个晶粒内部的应力分布也是不均匀的。由大量取向各不相同的晶粒所组成的金属多晶体的塑性变形是各个晶粒塑性变形的综合结果，其应力场也是各个晶粒应力场的叠加。当变形量增加时，材料所承受的应力逐渐增大，局部产生应力集中，达到材料断裂强度时，材料发生断裂，即塑性失效。随着试样壁厚减小，变形区晶粒数减少，由于晶粒尺寸、形状、取向的随机分布，材料变得更加不均匀，从而在整体变形量小于标准试样变形量时，试样局部区域已经产生较大的应变和应力集中，达到材料断裂强度，出现裂纹，随后材料断裂，即试件整体呈现延伸率下降，塑性指标降低。从上述分析可以看出，薄壁试件塑性的下降主要是由于试件变形区晶粒个数较少所致，这样可以采用T/D(T为试样厚度，D为晶粒尺寸)来描述晶粒尺寸、试样尺寸对塑性的影响。

第二是自由表面效应[9～11]。研究表明[15]：当零件的厚度(或直径)较小时，尺寸效应特别明显。这与在表面层和内附层塑性变形过程中的各种结构——受力条件紧密联系，可以认为尺寸因素的影响过程不但与材料物理性质有关，而且与试样比表面积(表面积与体积比值)有关，即自由表面效应。

第三是铸造缺陷。在铸件中存在多种形态的缩孔和缩松，由于它们减小受力的有效承载面积，以及在缩孔和缩松处会产生应力集中现象，从而使铸件的力学性能显著降低[9]。对于一般合金铸件，特别是薄壁部件，铸造缺陷对铸件力学性能的影响非常明显。材料的尺寸效应与微裂纹、夹杂、孔洞、显微疏松以及界面脱层缺陷等分布密度及位置有关。显微疏松在试样的中心处出现的几率高于边缘处，原始尺寸大的试样显微疏松程度高于原始尺寸小的试样。显微缺陷的存在造成单位承载面积上厚壁试样显微疏松所占面积多，相应地有效承载面积减少，因此疏松常成为裂纹源和裂纹扩展的通道[8]，从而造成材料性能下降。随着试样壁厚减小，显微疏松对材料性能的影响将更为明显。并且，随着试样壁厚减小，大尺寸试样缺陷的绝对尺寸已经不能真实反映缺陷对薄壁试样性能的影响，此时，需要采用缺陷的相对尺寸来研究缺陷对薄壁试样性能的影响。

第四是表面状态。经机加工的试样存在加工硬化层、表面再结晶层和氧化层，减少了薄壁试样的有效承载面积，造成性能下降[1、7]。事实上，对于直接铸造成形不经大余量机加工的部件，前三个因素一般情况下是共同材料尺寸效应对材料性能的影响。

第五是形状几何效应。实验证明[15]，在材料的应力状态足够均匀的静态单向拉伸和压缩时，圆形试件没有正方形和矩形截面的试件强度高，环形截面试件的抗拉抗压强度比实心截面试样更差，而管状试件的强度在截面积相同时随着平均直径的增加而降低。对于不同截面形状的试样进行研究，结果表明：上屈服强度受形状的影响较大，而下屈服强度影响较小。试样肩部过渡形状的影响也是如此，随着肩部过渡趋于缓和，上屈服强度明显升高，而下屈服强度变化不大。此外，低碳钢板矩形截面的断后伸长率与断面收缩率比截面积相同的圆棒试样的值要小。

随着试样厚度和平均晶粒尺寸比值(T/D)的减小，即试样厚度方向上的晶粒数减少，试样塑性分散性增大。其原因是：当T/D较大时，即试样厚度方向晶粒数较多时，材料较为均匀，应力集中程度减小，因而延伸率较高，性能分散性较小。同时，由于晶粒个数的增加导致单个晶粒对延伸率的影响减小，因此在晶粒个数较多时，晶粒个数的变化对延伸率的影响逐渐减小，并趋于定值，即传统宏观尺度下的延伸率；当T/D较小时，即晶粒个数较少时，材料不均匀程度增加，单个晶粒的尺寸、取向和形状对整体延伸率的影响增大，因此，不同晶粒变形情况各不相同，断裂的出现也呈现随机性，由此导致作为各个晶粒变形综合效果的延伸率在一定范围内出现波动[16]。Vollertsen[17]认为，当厚度方向上晶粒小于10时，材料强度随材料尺寸减小而波动，而且此时单个晶粒的取向更为重要。

4 改善尺寸效应对材料性能影响的途径

尺寸效应对材料性能特别是薄壁试样性能的影响非常明显。为了尽可能减少尺寸效应对材料力学性能的影响，通过以上分析认为以下途径可能改善薄壁尺寸效应对铸件力学性能的影响：

(1)采用精铸无余量成形工艺，工作部位不经机加工，保证晶体完整性。在制备试样过程中极力注意避免产生表面再结晶和加工硬化层，尽量减少表面状态的影响[5]。

(3)减少铸造缺陷。在铸造过程中由枝晶凝固本性决定的分散性缩孔是不可避免的[15]。提高炉子的温度梯度可以减小单晶高温合金的一次枝晶臂间距，同时减小疏松和气孔的尺寸和数量。由于30 μm的气孔在一个0.3 mm～0.5 mm厚度截面上占到了1/10，必然会对材料性能产生非常重要的影响。因此，进一步闭合气孔和疏松对于薄截面材料更加重要。采用热等静压处理可以有效防止这些缺陷。

5 结论

尺寸效应通常造成薄壁铸件力学性能降低，而尺寸效应导致力学性能降低的因素是多方面的。在实际应用中，需要综合考虑多个因素的作用，并且有针对性的改进工艺，尽可能减少薄壁尺寸效应对铸件力学性能的影响，以便于准确评估铸件薄壁部位的力学性能。

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