ZTC4钛合金铸件剖切控制方法

高富辉，丁盼，杨冬丽，史成龙，闫金

（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）

钛是飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料，被誉为“太空金属”[1]。铸造钛合金按相分的组成可分为α合金、近α合金、α+β合金及β合金[2]，其中(α+β)钛合金中的 ZTC4合金(Ti-6Al-4V)在中高温环境下具有良好的综合性能，是航空结构件选用最广泛的钛合金材料。北京航空材料研究院控股的北京百慕航材高科技股份有限公司（简称百慕高科），承担了国内几乎所有航空发动机和飞机型号的科研生产任务，为航空发动机和飞行器提供了大量的 ZTC4钛合金铸件[3]。国内铸件材料标准大部分基于国军标GJB 2986A—2007的规定，以往客户一般只要求使用与铸件同炉浇注的附铸试棒进行化学成分、力学性能检测，实现对新研或批产铸件的材料控制，然而，附铸试棒的热成形状态与实际铸件往往有较大差别，并不能完全代表铸件的实际性能。近年来，国内客户也开始慢慢关注铸件剖切的性能指标，及研究铸件批生产过程的质量控制。对于ZTC4合金材料，国内不乏大量的基础及工程应用研究，但对于ZTC4钛合金铸件的工业化认证及批产控制，尚没有统一的标准进行定义和规定。

百慕高科是国内唯一一家通过AS9100宇航质量体系认证及NADCAP特殊过程认证的钛合金铸造企业，经过十几年的产品开发与发展，相继成为法国Safran集团、Airbus公司、美国GE公司、英国R&R公司等世界主要飞机及发动机制造商的钛合金铸件供应商，成功批产了CFM56发动机系列支板、轴承支座、A320/NEO肋板、吊挂、LEAP套件等钛合金结构铸件，并且是目前国内少数能制造大型复杂薄壁铸件的公司，如用于LEAP发动机低压压气机的大型中介机匣铸件，直径1.1 m，最小壁厚2 mm。民用航空发动机服役寿命长达几十年，一些关键零件与发动机同寿命，对材料的稳定性及安全性有极高的要求。为保证钛合金铸件首件的各项性能及尺寸符合设计指标，以及批产后每批次产品质量一致性，国外航空发动机制造商对首件及周期性剖切提出了明确的规定，以确保铸造工艺过程的稳定及可靠。文中通过分析国外宇航客户对航空发动机及飞机用ZTC4钛合金铸件的首件工业化认证和批产周期性剖切的技术要求，为国内航空钛铸件的研制和批产管理提供借鉴。

1 剖切控制方法

国外主要飞机及发动机制造商对ZTC4钛合金铸件首件及周期性剖切测试的要求见表1。对钛合金铸件供应商首次提供的新产品，均要求对首件进行剖切认证，在首件批准后可以根据铸件的不同等级规定不同的周期性剖切要求。由表1可以看出，化学成分、室温拉伸、沾污层、晶粒度及显微疏松等金相检测即能满足大部分铸件的剖切控制要求。剖切的目的是为了证明铸件的化学及力学性能、组织均匀性、晶粒水平以及对复杂结构盲区的尺寸、无损探伤测试和外观检验满足设计要求以及验证过程的稳定性。对于周期剖切频率，可以按照首件、第 25件、第 75件、第100件，然后每200件或至少每年1件的频率进行工艺稳定性验证。

剖切件必须能代表其生产过程，经过了所有关键的工序。所有测试要求在认证的试验室进行，测试标准可以为客户要求或 ASTM 标准。剖切结果要求进行分析，不仅需符合各项性能要求，对于符合要求但有较大波动的测试结果，需结合工艺、试样状态与测试方法进行分析，并形成剖切报告。

表1 国外主要飞机及发动机制造商首件及周期剖切测试要求Tab.1 FAI and periodic cut-up requirement of foreign civil aircraft and engine manufacturer

2 结果分析

2.1 化学成分

化学成分剖切取样分析的目的是确保金属原材料的可靠以及铸造过程对铸件最终化学成分无影响。剖切件的化学成分分析一般要求在主要受热区取样，铸造厂也可根据其经验建议选取其他位置。对于一般等级的铸件，只需按规范进行常规元素的化学分析，取样部位也没有特殊规定。对于机匣等最大直径超过1 m的大型结构复杂的关键承力件，为了验证铸件各部位的成分均匀性及铸造工艺过程的可靠性，一方面要求在铸件多个区域取样，如浇口、冒口部位，以及本体重要承力部位等。另一方面还对合金的其他杂质含量提出更具体要求，以避免在合金熔炼、浇注过程中，钛合金与接触的坩埚、陶瓷型壳等可能发生的接触性污染。

LEAP发动机的中介机匣在首件剖切验证程序中就选择了铸件4个位置，浇道盘1个位置附铸化学成分试块，同时选择了铸件本体5个位置剖切取样分别进行化学成分检测，LEAP机匣化学成分剖切取样见图 1。

化学成分检测结果见表2，附铸试块与铸件本体剖切取样测试结果基本一致，波动很小。浇道盘上的附铸试棒与铸件上的附铸试棒化学成分没有显著不同，从铸件5个不同位置剖切取样检测结果一致，成分均匀性很好。

另外，LEAP机匣首件剖切还对以下13种微量元素进行了检测，结果见表3，单个元素的质量分数均小于0.1%，13个元素总量小于0.37%，符合技术规范要求，验证了首件合金熔炼及铸造过程的可靠性。

图1 LEAP机匣化学成分剖切取样Fig.1 Chemical analysis sampling sketch of LEAP fan frame hub

表2 LEAP机匣不同部位取样化学成分结果对比（质量分数）Tab.2 Chemical analysis result of LEAP fan frame hub sampled from different zone %

表3 LEAP机匣微量杂质元素检测结果（质量分数）Tab.3 Trace impurity element analysis result of LEAP fan frame hub %

2.2 力学性能

GJB 2896A—2007和国外对力学性能的要求大多限于常规力学性能指标，如抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率以及高温拉伸测试，对于一些关键承力件，国外客户还要求进行疲劳性能、断裂韧性测试等。GJB 2896A—2007及国外客户主要力学性能标准见表4，其中客户F的各项力学性能标准引用了AMS4992B。

表4 GJB 2896A—2007及国外客户主要力学性能标准Tab.4 Main mechanical property requirements of GJB 2896A—2007 and foreign customers

国军标 GJB 2896A—2007对于附铸试棒的抗拉强度要求为890 MPa，对于铸件本体剖切的试样，性能允许低 5%，与国外标准基本处于同一水平，但其并没有明确要求对铸件进行剖切取样测试，也没有剖切相关的详细规定。国外则明确规定了从铸件本体剖切取样的具体要求，对于关键承力铸件，在首件验证阶段，还有必要在铸件不同位置以及浇道盘不同位置上附铸试棒进行测试，以验证不同取样位置对力学性能的影响，并积累经验数据，便于制定批生产周期剖切取样规则。

力学性能分析剖切取样方法遵循以下几个原则：① 取样位置应选取晶粒较为粗大铸件的厚大部位，无损检测结果显示缺陷较多的部位，因为随着铸件厚度的增加，铸件晶粒尺寸急剧增大，铸件的力学性能如强度、塑性、抗疲劳及断裂性能等将被恶化，而往往厚大部位补缩较难，势必需要进行补焊处理，如果补焊处理不当，极易影响材料性能[4—5]，因此应选取能代表其性能最差的状态剖切取样测试； ②取样位置考虑铸件结构，如环形件在选取试样时，如果做4个测试，则按90°均布，如果做3个测试，按120°进行取样，如果做2个测试，按180°进行取样，试样取样方向也做出相应规定，包括轴向、切线方向、径向方向； ③试样加工规格及测试条件使用ASTM E8/E8M，由于此标准在2004年以前的版本是分英制和公制的，因此国外选用试棒直径有0.25英寸（6.35 mm）或6 mm圆棒，标距长度选取4d或5d。当铸件壁厚较小，不足以切取试棒时，可以选用等比例较小直径的试棒或者板状试样。

国内文献针对不同直径拉伸试样对性能的影响作了一些研究，蒲晓妮等[6]认为由于不同直径的试样显微组织结构和试棒加工时表面硬化层的影响，导致抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率均随试样直径增大而下降，胡世军[7]等也认为随着试样直径的增大，抗拉强度、屈服强度和伸长率逐渐减少，但张浩等[8]在TC4丝材上的实验结果却得到相反的结论。影响力学性能结果的因素很多，如何减少实验条件差异的影响及选用更合理的试棒直径需要进一步开展研究工作。

2.3 显微金相

金相分析的内容包括沾污层测试、组织观察、显微疏松以及晶粒尺寸分析。沾污层会导致自身裂纹萌生和拓展，会导致铸件表面裂纹，还明显影响到材料的疲劳性能、断裂韧性和冲击性能，危害极大，钛及钛合金标准均不允许有沾污层存在[9—12]。沾污层取样位置应选取被认为是最热的部位，一般可选取在浇口冒口附近的铸件本体处，选取 3～5个部位。对沾污层的标准，各发动机制造商有不同的规定。SAFRAN和AIRBUS的要求是模拟最终铸件状态进行沾污层分析，需要进行酸洗去除量的计算，包括最厚沾污层的部位，以及在酸洗时酸液较难到达，可能去除量最少的部位，确保沾污层被去除干净。GE则要求依据热等静压后的沾污层厚度来确定酸洗量，酸洗量应至少大于热等静压后沾污层厚度的1.5倍。分析沾污层的方法有金相法和硬度法。金相法要求无沾污层，硬度法要求沾污层＜0.05 mm。硬度法按ASTM E384标准测试维氏显微硬度，在金相试块上实施100～300 g的载荷，分别在距离被检测面0.05, 0.5 mm及试块中心部位测量，前两者之间的测量硬度值不能超过 100点，且后两者所测硬度值必须是一个数量级。

铸件的晶粒度水平一定程度上会影响铸件的力学性能，大多数合金符合根据材料位错塞积理论总结出来的材料屈服强度与晶粒尺寸的关系，即 Hall-Petch公式，材料的屈服强度或硬度与晶粒直径d-1/2为线性关系[13]，但材料的性能不仅仅与晶粒尺寸有关，钛合金的材料性能取决于合金成分、组织状态、相的组成分布等微观特性[14]，同时，与试样所包含的缺陷以及试样加工表面状态等均有关，因此并不是所有国外客户都要求检查晶粒度，可以将晶粒度检测作为分析力学性能异常的一个因素。

晶粒检查一般选择能代表铸件最热区和最后凝固的部位，能代表铸件不同厚度的区域，以及一些可能影响力学性能的关键承力部位，取样数量一般3～5个。晶粒检查可以在酸洗后的铸件表面进行宏观晶粒检查，也可以对铸件剖切截面进行微观检查，百慕高科对大量铸件剖切检测晶粒的结果大部分可以满足表5的参考标准。

显微疏松一般在放大倍数≥20倍的情况下进行，检查累积疏松面积的百分比，检查区域根据壁厚尺寸确定，显微疏松标准为铸件重要区≤2%～3%，一般区≤5%～7%。有必要的情况下对力学测试断裂试棒的截面进行晶粒度、显微疏松、沾污层、50倍、100倍500倍的金相组织检查。

表5 ZTC4钛合金晶粒尺寸参考标准Tab.5 Reference standard for grain size of ZTC4 titanium alloy

3 结论

1) 制定明确的首件验证及周期剖切控制方法，是对航空发动机铸件材料可靠性及工艺稳定性进行验证的有效手段。

2) 根据ZTC4钛合金铸件不同等级及结构特点，应对首件验证、周期剖切测试项目及频率差别化对待。化学成分检测、室温拉伸、沾污层、晶粒度、显微疏松及金相组织观察，即能满足大部分铸件的剖切控制要求。

3) 首件验证可对剖切铸件进行全成分微量杂质元素的检测，批产固化铸造过程关键工艺参数后，仅需在铸件任意位置取一个试样检测主要元素的化学成分进行周期剖切控制。

4) 不同结构特点和使用条件的铸件对剖切性能指标的要求有明显差别，国内航空产品应逐步积累工程经验数据，合理定义力学性能标准。

5) 沾污层对铸件的危害极大，应建立对铸件表面沾污层的严格控制标准。通过宏观晶粒检查及微观晶粒测量检查组织异常及工艺变动，但晶粒尺寸标准建议仅作为参考标准。

参考文献：

[1] 金和喜, 魏克湘, 李建明, 等. 航空用钛合金研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2015, 25(2): 280—292.JIN He-xi, WEI Ke-xiang, LI Jian-ming, et al. Research Development of Titanium Alloy in Aerospace Industry[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(2):280—292.

[2] 周彦邦. 钛合金铸造概论[M]. 北京: 航空工业出版社,2000.ZHOU Yan-bang. Introduction to Titanium Alloy Casting[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2000.

[3] 张美娟, 南海, 鞠忠强, 等. 航空铸造钛合金及其成型技术发展[J]. 航空材料学报, 2016, 36(3):13—39.ZHANG Mei-juan, NAN Hai, JU Zhong-qiang, et al. Development of Aviation Casting Titanium Alloy and Molding Technology[J]. Journal of Aviation Materials,2016, 36(3):13—39

[4] 吴焘宇, 殷小健. 钇对 TC4合金铸造组织及力学性能的影响[J]. 铸造技术, 2015, 36(3): 562—566.WU Tao-yu, YIN Xiao-jian. Effect of Yttrium on Microstructure and Mechanical Properties of Cast Alloy TC4[J].Foundry Technology, 2015, 36(3): 562—566.

[5] 赵红凯, 王春亮, 任飞, 等. 钛合金焊接的研究进展[J].材料导报, 2007, 21(5A): 342—348.ZHAO Hong-kai, WANG Chun-liang, REN Fei, et al.Process in Research on Titanium Alloy Welding[J]. Materials Review, 2007, 21(5A): 342—348.

[6] 蒲晓妮, 李莉, 郭子靖, 等. 试样直径对TC4钛合金拉伸性能的影响[J]. 理化检验-物理分册, 2015, 51(4): 248—255.PU Xiao-ni, LI li, GUO Zi-jing, et al. Influence of Specimen Diameters on Tensile Properties of TC4 Titanium Alloy[J]. PTCA (PART A: PHY. TEST.) , 2015, 51(4):248—255.

[7] 胡世军, 张红香, 张代录. 试样制备对力学性能实验结果的影响[J]. 热加工工艺, 2013, 42(2): 76—78.HU Shi-jun, ZHANG Hong-xiang, ZHANG Dai-lu. Effect of Sample Preparation on Test Results of Mechanical Properties Experiment[J]. Hot Working Technology, 2013,42(2): 76—78.

[8] 张浩, 杨红军, 郑晓斐. 试样尺寸对TC4棒材力学性能的影响[J]. 工程技术研究, 2016(6): 107.ZHANG Hao, YANG Hong-jun, ZHENG Xiao-fei. Influence of Specimen Size on Mechanical Properties of TC4 Bar[J]. Engineering and Technological Research,2016(6): 107.

[9] 房灿峰, 刘光旭, 韩卉, 等. 铸造钛合金α层的组织与形成机理[J]. 稀有金属材料与工程, 2016, 45(7):1736—1739.FANG Can-feng, LIU Guang-xu, HAN Hui, et al. Microstructure and Formation Mechanism of α-case in Cast Titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2016, 45(7): 1736—1739.

[10] PARTHASARATHY T A, PORTER W J, BOONE S, et al. Life Prediction Under Tension of Titanium Alloys that Develop an Oxygenated Brittle Case during Use[J].Scripta Materialia, 2011, 6(5): 420—423.

[11] ZAKARIA A, KAREN P, STEVE W. Alpha-case Kinetics and Surface Crack Growth in the High-Temperature Alloy TIMETAL 834 Under Creep Conditions[J]. Metallurgical and Materials Transactions, 2012, 43(12): 4647—4654.

[12] GADDAM R, ANTTI M L, PEDERSON R. Influence of Alpha-case Layer on the Low Cycle Fatigue Properties of Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 599(2): 51—56.

[13] 路君, 曾小勤, 丁文江. 晶粒度与合金强度关系[J]. 轻金属材料, 2008(8): 59—64.LU Jun, ZENG Xiao-qin, DING Wen-jiang. The Hall-Petch Relationship[J]. Light Metal Materials, 2008(8):59—64.

[14] 刘清华. 合金元素含量对Ti-6Al-4V合金动态力学性能的影响[D]. 北京: 北京有色金属研究总院, 2012.LIU Qing-hua. Effect of the Content of Alloying Elements on Dynamic Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy[D]. Beijing: General Research Institute for Nonferrous Metals, 2012.