不同工艺下ZTC4钛合金铸件微观组织研究

郄喜望，冯新，吴国清，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095；4. 北京航空航天大学，北京 100191）

自从20世纪80年代中期以来，大型、薄壁、复杂、整体、精密铸件制造已经成为国外航空、航天飞行器用的钛合金精铸结构件制造技术的发展趋势[1—5]，这类铸件整体结构性好、可靠性高、重量轻、加工成本低，在航空航天领域内具有广阔的应用前景。然而由于这类铸件外廓尺寸大、壁薄、结构复杂，实现近净形铸造的难度很大，只有少数发达国家拥有这种先进铸造技术。另外，由于铸件结构、铸造工艺、凝固顺序等因素影响，铸件截面厚度变化范围大，不同厚度处的组织具有较大差异，进而带来铸件性能的差异，影响到铸件的综合性能[6—8]。随着我国发展大型飞机项目的启动和适航认证体系的逐步建立和完善，对于零部件，尤其是关键部件性能出了更高的要求，也对大型薄壁复杂非对称精密铸件的研制、应用和综合评定提出了更高的要求和挑战[9—10]。

对于结构材料，其内部微观组织特征决定了材料的性能[11—13]，通过对大型薄壁复杂整体精密铸件微观组织的定量分析，可以在无法取样的部位，仅通过组织评定，达到间接评价其力学性能的目的。据此，文中结合生产实际，以ZTC4钛合金大型铸件为研究对象，通过铸件整体分析，根据结构壁厚不同将ZTC4钛合金铸件分为厚大区（A区）、中厚区（B区）、薄壁区（C区）和厚薄转接区（D区），对该铸造钛合金不同位置试样的β晶粒及α片层间距进行定量分析。通过对铸件不同部位的组织分析，探索大型复杂薄壁钛合金铸件组织分布特征，为铸件成形的精确控制提供基础，也为我国大型薄壁复杂钛合金铸件的设计、制造、综合评定和服役提供更加量化的规范。

1 试验

1.1 材料

由于铸件结构、工艺等因素对铸件组织影响较大，选取工信部民机预研项目所研制的大型薄壁复杂钛合金典型铸件为研究对象，见图1。

分别采用3种不同浇注工艺获得该典型铸件，并将其编号为1#, 2#, 3#铸件，其工艺参数区别主要是型壳预热温度及离心转速，具体见表1，其中1#铸件型壳预热温度最高；2#铸件离心转速为 0，最低；3#铸件工艺参数为1#及2#铸件的中间值。

根据大型复杂钛合金铸件不同壁厚进行取样：厚大区（A 区：25～28 mm）、中厚区（B 区：12～15 mm）、薄壁区（C区：3mm）、薄厚转接区（D 区：3～20 mm），试样选取截面见图2。

1.2 方法

图1 钛合金典型铸件Fig.1 Typical titanium alloy casting

表1 3种不同浇注工艺参数Tab.1 Parameters of three different types of casting

图2 对应典型铸件的取样位置Fig.2 Sampling position of corresponding typical casting

采用体积比组分为1% HF+3% HNO3+96% H2O的 Kroll浸蚀剂对试样就行处理，在 Axio Observer Alm金相显微镜上对试样进行金相观察。同时，由于钛合金自身的结晶特点，ZTC4钛合金具有粗大的晶粒组织，且每个α群集由若干片取向相同的α和β片层组成，因此，β晶粒尺寸与α片层间距均是ZTC4钛合金重要的组织特征参数之一。据此，文中按照北京航空航天大学轻合金实验室制定的铸造钛合金β晶粒及α片层间距定量流程[14—15]，重点对β晶粒尺寸与α片层间距进行定量化分析。

2 结果分析及讨论

2.1 组织形貌及定量分析结果

文中只取1#铸件进行组织形貌分析。分别采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对铸件各区的组织形貌进行低倍和高倍观察。在低倍下，可观察到铸造钛合金β晶粒；在高倍下，可观察到铸造钛合金的α片层间距。

2#铸件各区的典型组织形貌的低倍和高倍观察结果见图 3—6。在低倍下观察，可以看到 2#铸造钛合金β晶粒为等轴晶，随铸件等轴晶在铸件位置上的不同，其晶粒尺寸大小不等；在高倍下观察，可以看到2#铸造钛合金的α片层间距，其厚度随其在铸件上位置的不同而略有差异。在此，可以得到初步的观察结果，即在离心铸造工艺下，2#铸件组织形貌受铸件浇注过程、位置不同或厚薄不同等的影响，但具体影响方式、程度还需下文的组织定量分析。

图3 2-A区试样组织形貌Fig.3 Microstructure and morphology of samples in 2-A location

图4 2-B区试样组织形貌Fig.4 Microstructure and morphology of samples in 2-B location

图5 2-C区试样组织形貌Fig.5 Microstructure and morphology of samples in 2-C location

图6 2-D区试样组织形貌Fig.6 Microstructure and morphology of samples in 2-D location

2.2 铸件的组织均匀性评估

铸件的组织均匀性评估结果见图7，根据1#, 2#,3#铸件合计结果，铸件组织随壁厚的变化关系见图8，对比可见铸件不同位置取样后微观组织的定量分析结果。可以看出，铸件的组织指标如β晶粒尺寸、α片层间距与取样位置密切相关。

图7 铸件的组织均匀性评估结果Fig.7 Assessment result on structure uniformity of casting

晶粒组织测量数据表明（图 7、图 8所示），随着铸件厚度的增大，晶粒尺寸逐渐增大。其中，1#铸件厚大区 A区与薄壁区 C区β晶粒尺寸相差 1003 μm，α片层间距相差0.359 μm；2#铸件厚大区A区与薄壁区C区β晶粒尺寸相差2239 μm，α片层间距相差0.711 μm；3#铸件厚大区A区与薄壁区C区β晶粒尺寸相差863 μm，α片层间距相差0.535 μm。随着铸件壁厚的增加，相应的该位置的β晶粒尺寸、α片层间距呈近线性增大的趋势。

铸件浇注成形过程中，薄壁区域冷却速度快，因此薄壁区域β晶粒尺寸及α片层间距较小。离心工艺与静止浇注工艺对比，离心工艺金属液在离心力的作用下对型壳进行充型，1000 ℃以上的高温金属液与200～300 ℃型壳接触，型壳上迅速长出许多树枝晶，高的离心转速金属液充型速度快，可把生长出来的树枝晶体与高温钛液冲入其他区域，成为铸件的结晶晶核，大量晶核可由金属液带到各区域，因此组织差异较小；而静止工艺，金属液充型主要依靠金属压头，充型速度慢，对树枝晶体冲刷力小，金属液凝固晶核少，组织差异大。

在相同离心工艺下，对照工艺参数表 1，如图7所示，薄壁区域，型壳温度对β晶粒尺寸及α片层间距影响较小，薄壁区域在离心工艺下，晶粒组织快速充型凝固长成，高温型壳对其组织长大基本无影响；而对于厚大区域，较高型壳温度可使金属液冷却速度降低，厚大区域晶粒过冷度减小，最终导致了较高型壳温度厚大区域β晶粒尺寸差值增大，而平均α片层间距减小。

2.3 铸件中心、表层组织的相关性评估

图 9比较了 1#试样中心层组织和表层组织的差异，可以看出，两者的晶粒尺寸都随厚度的增加而增大。还可以看出，随厚度增加，与中心层晶粒尺寸相比，表层晶粒尺寸增速较大。

在离心工艺下，金属液充型速度快，薄壁区域凝固时间短，表层组织与中心组织晶粒尺寸差距不大。对于厚大区域，中心区域为最后凝固区，高速金属液冲刷型壳壁上形成的树枝晶，为中心最后凝固区域带来大量晶核；并且厚大区域表层组织形成后，由于中心区域未凝固，冷却速度慢，有利于晶粒的长大，因此随着铸件壁厚的增大，表层与中心区域晶粒尺寸差距加大，厚大区域表面组织晶粒尺寸大于中心区域晶粒尺寸。

2.4 不同铸件间的组织差异评估

图10对比了1#, 2#, 3#铸件试样的组织差异，可以看出，2#铸件试样的厚大区（A区）、中厚区（B区）、薄壁区（C区）、薄厚转接区（D区）和1#, 3#铸件试样相比，β晶粒尺寸均存在明显的晶粒粗大现象，分别提高了70%, 25%, 68%, 44%。

图9 1#试样中心层组织和表层晶粒尺寸随铸件壁厚的变化关系Fig.9 Changes in the relationship between grain size in core section and surface section of 1# sample and thickness of casting

图10 不同铸件的β晶粒尺寸差异评估结果Fig.10 Size discrepancy assessment result of β grain size in different castings

离心工艺，金属液充型速度快，冷却速度快，同时高速金属液中晶核多，因此离心工艺与非离心工艺对比，非离心工艺β晶粒尺寸较大。

3 结论

通过铸造钛合金β晶粒及α片层间距定量分析方法，对ZTC4钛合金铸件微观组织进行定量化分析，得到如下结论。

1) 通过对比铸件在各区的β晶粒尺寸及α片层间距统计数据，发现试样的β晶粒尺寸、α片层间距与试样在铸件中的位置相关，随着试样厚度的增加，其β晶粒尺寸、α片层间距呈线性增大的趋势。离心工艺不同壁厚组织差异优于静止工艺；浇注时，型壳预热温度较高，造成β晶粒尺寸差异大，α片层间距较小。

2) 离心工艺下，随厚度增加，与中心层晶粒尺寸相比，表层晶粒尺寸增速较大。

3) 通过对比1#, 2#和3#铸件在相同位置处试样的β晶粒尺寸、α片层间距，结果发现静止工艺的2#铸件试样的β晶粒尺寸均存在明显的晶粒粗大现象。

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