某ZTA15钛合金零件铸造表面质量异常分析

殷建锋，冯新，李佳，赵文侠，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）

钛合金密度小、比强度高、耐腐蚀性强、力学性能良好，是一种优良的结构材料，已广泛应用于航空、航天、化工等领域[1]。钛具有很高的化学活性，能与几乎所有的铸型材料发生界面反应，铸造钛合金表面易产生污染层，污染层的存在往往会使铸件表面产生裂纹，表面污染层还明显影响到材料的疲劳性能、断裂韧性和冲击性能[2]，通过酸洗、喷砂等方式可以有效去除表面污染层[3]。钛合金机械加工过程中，表面易沾染油污，除油工序是保证零件洁净以及保证零件热处理时不会因油污使材料表面产生污染的重要步骤，使毛坯和零件能均匀地涂敷保护涂料和润滑剂，保证零件的焊接质量[4]。荧光检验是钛合金零件广泛采用的表面缺陷检验方法，荧光检验对于钛合金零件表面状态要求较严，零件表面残留的污物对荧光检验影响很大[5]，因此，钛合金零件的表面质量对材料的检测、后处理、材料性能及使用寿命有着重要影响，对钛合金零件表面状态的研究具有重要意义。文中以铸造表面存在黑色斑点的某ZTA15钛合金零件为研究对象，利用扫描电子显微镜、能谱分析仪对零件铸造表面形貌和成分进行了分析，对导致铸造表面产生黑色斑点的质量异常原因进行分析，并提出了表面质量改进措施。

1 试验材料和方法

试验材料取自某批次铸造表面存在黑色斑点的ZTA15钛合金零件，ZTA15钛合金仿制于俄罗斯BT20Л铸造钛合金，其名义成分为 Ti-6Al- 2Zr-1Mo-1V，属于近α型钛合金[6]，其化学成分见表1[7]，毛坯为熔模精密铸造+热等静压+退火+喷砂状态，零件为机加工+退火状态。喷砂材料为棕刚玉砂，牌号A，规格 54#，化学成分见表 2，喷砂压力为 0.2～0.4 MPa，喷砂时间为8～10 s。

零件铸造表面外观见图1，表面显示密集黑点。取样位置见图2，1#, 3#试样为铸造表面，2#试样为机加工表面，通过线切割取样，1#, 2#试样经过超声波清洗、研磨、抛光、腐蚀处理后在扫描电子显微镜下观察样品纵向微观组织形貌，3#试样经过超声波清洗处理后在扫描电子显微镜下观察样品表面形貌，并使用能谱分析仪对1#, 2#, 3#试样进行成分分析。

表1 ZTA15合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of ZTA15 alloy (mass fraction) %

表2 棕刚玉砂的化学成分（质量分数）Tab.2 Chemical composition of brown corundum sand (mass fraction) %

图1 零件铸造表面外观Fig.1 Casting surface of parts

图2 取样位置Fig.2 Sampling position

2 结果与讨论

2.1 微观分析

1#和 2#试样的微观组织形貌见图3和图 4，3#试样表面微观形貌见图 5。可以看出，1#试样表面凹凸不平，有颗粒状物体嵌入进基体（图3b和3c中白色箭头标注），也有颗粒状物体附着于铸造表面（图3d中白色箭头标注），2#试样表面平整度较高，未发现有颗粒状物质嵌入基体，近表面的微观组织正常，3#试样表面有较多的颗粒状物质嵌入到基体（图 5c中白色箭头标注），同时表面也有颗粒状物体附着于铸造表面（图5d中白色箭头标注）。

2.2 能谱分析

1#试样能谱成分分析结果见图6，图6a结果显示1#试样外表面Al和O含量较高，表明试样表面局部嵌入了以氧化铝为主的颗粒物，图6b结果显示1#试样的表面（纵向）存在厚度约0.3～0.4 μm的白亮层，从线扫描的结果来看，Al和O元素的含量偏高。图6c结果显示 1#试样表面嵌入物成分与基体成分明显不同，point 1处主要成分为Al, O元素，含有少量的Ti, Mg, V, Mo元素，可以判断嵌入物为棕刚玉颗粒，point 1和point 2位置均不含C元素，图6d结果显示1#试样表面颗粒物主要成分为C元素，并含有少量的Ti, Al等合金元素，可以判断颗粒物为碳黑。

2#试样的纵向截面能谱线扫描成分分析结果见图7，结果显示表面区域氧元素含量偏高，存在厚度约0.5 μm的氧化层。3#试样表面能谱成分分析结果见图8，结果显示，point 1和point 2处为颗粒状嵌入物，主要成分为Al, O, C元素，并含有少量合金元素，表面嵌入物主要为棕刚玉颗粒，其表面有少量碳污染，结合 6a—6c分析结果可知，棕刚玉颗粒嵌入铸件基体，在铸造表面分散分布；point 3处主要成分为Ti, Al,O, C元素，并含有少量合金元素，表面为基体材料、棕刚玉粉和碳污染的混合状态，point 4处为颗粒主要成分为C和O元素，含有少量的Ti, Al等合金元素，颗粒物主要为碳黑，结合6d分析结果可知，碳黑颗粒物附着于铸件表面，在铸造表面分散分布，相比于零件机加工表面无碳黑颗粒，零件铸造表面粗糙度大，碳黑颗粒与基体的结合力强[8]。

图4 2#试样SEM形貌Fig.4 SEM morphology of sample 2#

图5 3#试样SEM形貌Fig.5 SEM morphology of sample 3#

图6 1#试样能谱扫描成分分析Fig.6 Analysis of energy spectrum scanning components of sample 1#

图7 2#试样能谱线扫描成分分析Fig.7 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 2#

2.3 原因分析及改进措施

ZTA15钛合金零件生产工艺流程如下：① 铸造工序→② 喷砂→③ 入库→④ 粗加工→⑤ 汽油清洗→⑥ 退火→⑦ 精加工→⑧ 汽油清洗→⑨ 表面镀层→⑩ 零件。现场发现：产品在⑥退火后铸造表面出现黑点斑点，完成⑦精加工后，在⑧汽油清洗工序黑色斑点无法清除彻底，影响⑨表面镀层质量。研究结果表面，零件铸造表面主要存在棕刚玉颗粒和碳黑颗粒两种外来物质，棕刚玉颗粒来源于②喷砂工序，碳黑颗粒产生的原因是：产品完成④粗加工后，零件铸造表面沾染的油污在⑤汽油清洗工序中清洗不洁净，导致铸造表面残留的油性物质在⑥退火工序真空热处理后析出，零件机加工表面没有碳黑颗粒，零件铸造表面存在分散的碳黑颗粒，附着于铸造表面的碳黑颗粒与基体结合力较强，当覆盖数量不断增多就会形成积碳，碳黑颗粒对零件表面质量及镀层质量有影响。有研究表明，积碳层与零件表面结合强度高，与一般油污、锈蚀和漆层相比，清除更加困难[9]，目前传统的清洗方法如超声波清洗、化学溶剂法、水射流清洗法等[10]难以把积碳表面清理干净，而采用表面去余量的吹砂、酸洗等[3]方法虽然可以去除表面积碳，但是对零件表面粗糙度及尺寸有影响，为了不影响零件表面质量，乔玉林等[10]开展了钛合金表面积碳的激光清洗试验，在优选工艺参数下，可以得到较好质量的清洁表面，零件表面C含量接近于0，为文中零件表面碳黑的去除指出了一种处理方向。

表3 选区元素含量（原子数分数）Tab.3 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

图8 3#试样能谱线扫描成分分析Fig.8 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 3#

表4 选区元素含量（原子数分数）Tab.4 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

零件表面碳黑产生的根本原因是热处理前的清洗不到位，如要获得高质量的表面状态，零件表面的油污要彻底清洗干净，应采用超声波清洗+冷水洗+热水洗（去离子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，超声波清洗槽内金属清洗剂规格为 KX-2，体积分数为 2%～4%，零件清洗干净后保存和运输过程中应注意表面防护，防止零件二次污染。

3 结论

1) 零件铸造表面主要存在棕刚玉颗粒和碳黑颗粒两种外来物质，棕刚玉颗粒来源于铸件喷砂工序，棕刚玉颗粒嵌入铸件基体，在铸造表面分散分布；碳黑颗粒产生于零件铸造表面油污清洗不洁净真空热处理后析出，碳黑颗粒物附着于铸造表面，在铸造表面分散分布，碳黑颗粒对零件表面及镀层质量有影响。

2) 为了避免表面碳黑的产生，零件清洗工序应采用超声波清洗+冷水洗+热水洗（去离子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，零件清洗干净后保存和运输过程中应注意表面防护，防止零件二次污染。

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