镶铸管铸造工艺铸件无损检测分析

鞠忠强，张美娟，张军威，王本志，张光，郄喜望

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 10094；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）

钛合金精密铸件是集现代材料科学、化学科学、真空冶金学、高精度加工技术、高分辨率和高准确度的无损检测技术以及计算机辅助设计及制造技术等实现的高技术产品。目前世界上只有少数几个国家掌握了该项技术。钛及其合金由于具有比强度高、稳定性好及无磁性等优异性能，短时间内就成为航空航天领域、能源领域、化学领域等方面不可缺少的材料，被誉为“太空金属”。目前，钛合金已成为先进飞机、发动机结构设计的重要应用材料，其使用水平的高低已成为体现飞机、发动机结构选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机、发动机寿命、飞行性能和低油耗的一个重要方面。提升钛合金复杂铸件的精密铸造技术成为飞机、发动机结构用钛合金的主要发展方向[1—2]。

作为飞机发动机的主要结构材料之一，是影响飞机战术性能的一个重要方面。在航空发动机上得到了大量应用，如CFM56发动机、CF34发动机、F22和F35等先进战机、C-17大型运输机、X(AMC-X)新型中程运输机都大量使用了钛合金铸件[3—4]。特别是在军用战斗机上，钛合金铸件的应用是提高机型性能的主要方向，在国外三代战斗机上，钛合金用量占机体结构重量比为 20%～25%，在第四代战斗机 F-22上已高达41%，其应用呈大幅度上升趋势[5]。

随着钛合金材料在现代战斗机结构中用量的增加，超规格、高性能、大型钛合金整体制件的研制需求迫切，大型整体精铸件因为显著地减少零件、组合件和紧固件数量，并且为减轻整体重量而多制成薄壁铸件，钛合金铸件的形体和结构越来越复杂，其壁部要制成夹层带有异型空腔的薄壁结构，以减轻重量和保证整体刚性[6]。同时亦要取消外部盘绕的许多回形油路、气路，而将其置于铸件内部，使其体积更加紧凑，外形整齐，气道、油道通畅，维护简便和工作安全可靠。此类内部含有细长孔道的钛合金铸件通常采用金属型芯，将钛管预先安装在铸型内，经浇注冷却后金属管镶铸在铸件内或选用空心可熔金属芯形成细孔，此工艺虽然解决了管路结构铸件成形问题，但管路部位无法按常规的 X射线双片透照和表面对标来判定铸造缺陷，同时贸然进行缺陷排除后铸件修复可能性小，造成产品率上升。文中对镶铸钛管工艺制备铸件的无损检测评定进行分析与研究，形成镶铸钛管工艺铸件的检验要求及依据。

1 试验

1.1 铸件结构特点

以某型发动机采用镶铸法制备含细长孔的钛合金精密铸件为例，开展镶铸工艺及无损检验研究，铸件结构见图1。铸件存在大面积的薄板结构，中心为较厚大的立柱结构，在周向存在三根非线性辐射方向的油管结构，内径为Φ8,Φ6 mm，行程超过300 mm，具体结构见图2。

图1 铸件结构Fig.1 Casting structure

图2 管状结构Fig.2 Tubular structure.

1.2 铸造主导工艺

由于铸件存在非线性的管路结构和大面积的薄壁结构，为保证铸件的完整成形采用镶铸钛管+熔模精密铸造工艺制备，在铸件浇注成形工序采用离心浇铸工艺，提高钛合金的充型能力，确保铸件完整成形。镶铸钛管规格型号为TA2纯钛管，壁厚为1 mm，铸件基体材料为ZTC4钛合金。制备流程见图3。

1.3 成形工艺模拟

采用单件小模组的组模方式，降低型壳制备过程由于大尺寸型壳对型壳质量的影响。在厚大的大圆盘部位设置浇口，中心以镶铸钛管对应的中心厚大部位增加副浇口，保证浇注顺序从铸件厚大部位开始充型，提高浇注系统的开放性和金属液的充型能力。在浇注方式上采用离心方式浇注，浇注示意图见图4，进一步提高钛合金的充型能力，保证在镶铸管部位（局部冷铁性质）能够完整成形，浇注参数见表1。

图3 研制流程Fig.3 Development process

图4 浇注Fig.4 Casting

从模拟结果见图5，浇注系统开放性能较好，铸件只存在3处较大的缩孔。虽然图4所示浇注示意图中在离心浇注过程中，在离心力和重力的双重作用下，多数底浇口没有起到充型作用，但起到了补缩的作用，能造成顺序凝固，有利于补缩，形成冶金质量较高的铸件。

图5 模拟结果Fig.5 Simulation results

1.4 铸件的无损检验

铸件浇注成形后，经过HIP工序消除部分缩松缩孔后，对铸件镶铸钛管部位进行 X射线无损检测，评估其内部缺陷，具体透照工艺见表1。对于产生的缺陷进行对表，确认为内部缺陷的形貌存在沿镶铸管轮廓或横贯镶铸管的黑线，无法从评片中确认缺陷类型，后续采用缺陷部位剖切后的光学显微镜和扫描电镜分析镶铸件的界面组织和成分检测，开展缺陷部位剖切及微观对比分析，对铸造缺陷的表征、形成机理判定。

表1 X射线检测工艺Tab.1 X ray detection process

2 结果与分析

2.1 型壳制备过程镶铸管组织分析

熔模精密铸造工艺需经过型壳焙烧保证型壳高温强度，但对于钛合金，致密的钛在常温的空气中是很稳定的，而受热后便会与氧发生反应，当纯钛在1038 ℃加热30 min后，表面会形成0.102 mm厚的氧化膜，因此预埋钛管在型壳制备过程中会产生表面氧化现象，见图6。为保证铸件成形过程获得最好的融合效果，采用较低的型壳焙烧温度，防止铸件表面的严重氧化，但对于钛合金铸件的铸造过程来说，型壳强度非常关键，要保证在1600 ℃的浇注温度下的高温强度，必须保证型在足够高的测试下进行型壳焙烧，保证型壳在高温浇注过程中不溃散，因此要采用合适的焙烧温度即要保证型壳强度，也要尽量减少预埋钛管的表面氧化。说明在钛合金铸件浇注过程中，采用镶铸管工艺的钛管表面必然存在一定厚度的氧化层。

图6 钛管焙烧后表面及内部组织Fig.6 Surface and internal organization after titanium tube roasting

2.2 熔炼浇注过程模拟分析

在熔炼浇注过程中，金属液从浇口进入铸件型壳，从金属液充型过程来看，如图7所示，在钛管部位金属液是从两个固定部位开始充型，在钛管转弯的中间部位汇合形成未融合缺陷。

图7 熔炼浇注过程模拟Fig.7 Simulation of smelting casting

铸件浇注成形采用凝壳熔炼方式，金属融化时过热度相对较低，再经过浇注系统进入型壳时充型行程相对较长；同时在型中预埋的钛管相当于局部冷铁作用，因此在充型最后两股金属液交汇处易形成铸件表面的冷隔未融合缺陷，但预埋钛管成为铸件的本体结构，此缺陷在后结检测显示为铸件内部缺陷。

2.3 镶铸管部位冶金缺陷X光检测分析

从 X光底片上来看，除铸造过程产生的高密、低密、气孔、缩孔之外，在预埋钛管铸造工艺的铸件缺陷分布存在间隙缺陷，即钛管与金属液未完全融合。由于钛管结构差异，间隙缺陷在X光底片以下2种形式显示： ①沿钛管两侧的平行黑线； ②在钛管转弯处横贯钛管的圆滑黑线。钛管部位 X射线形貌见图8。

图8 钛管部位X射线形貌Fig.8 X-ray morphology of titanium tube site

从铸件结构上来看，对于管中部位的壁厚存在一定差异，不同壁结构在金属液浇注成形过程中存在局部不同的过热度差异。从理论上讲只有液态金属保证足够的热容量，才能使固态金属表面熔化，形成理想的冶金结合层，液态金属浇铸温度控制是否适宜，直接影响两金属复合界面质量，对镶铸件的工作性能将产生一定的影响。在保证铸件成形钛管不被熔化前提下，适当提高浇注温度，减少由于浇注温度太低导致冷隔等缺陷。

2.4 间隙缺陷部位组织分析

从两黑线缺陷部位取样，在显微组织见图9，存在着断续的间隙。沿钛管两侧的平行黑线是金属液与钛管没有融合形成的缝隙，在钛管转弯处横贯钛管的圆滑黑线是在浇注成形过程中有两股金属液交汇，形成的间隙和金属液相交时未完全融合的未融合现象。

对间隙部位进行SEM和EDS分析，基体与钛管的未融合缺陷见图 10。可知在中间的间隙部位是 Ti和 O的富集相，应该是钛管在浇注前的型壳制备过程中出现的表面氧化，在浇注过程中进一步加剧氧化，形成氧化层，影响金属液与钛管的融合效果。

图9 缺陷位置显微组织金相Fig.9 Microstructure metallographic phase in defective position

图10 缺陷部位SEM和EDS分析Fig.10 SEM and EDS analysis of defective position

3 结论

以含细长孔的钛合金精密薄壁铸件为背景，分析研制过程中，采用镶铸管工艺制备铸件的形貌、铸件浇注过程数值模拟、铸件 X光检测及缺陷部位显微组织SEM和EDS，研究采用镶铸管工艺制备铸件的镶铸界面未融合缺陷的表征，为此类产品冶金质量评价提供依据，主要结论如下。

1) 采用镶铸钛管铸造钛合金铸件，由于镶铸管部位结构不同和浇注过程充型过程的不同，钛管部位融合效果存在差异，存在未融合现象。

2) 在型壳制备过程中，镶铸管存在表面氧化现象，在铸件浇注成形过程中，氧化层不利于浇注过程的物理扩散形为，易产生微观间隙。

3) 由于镶铸钛管表面氧化和浇注过程中，金属液充型或多股金属液充型交汇，形成镶铸管部位出现未融合缺陷。

4) 微观间隙和内部局部未融合等缺陷可以通过X射线检测，微观间隙在X光底片下显示为沿镶铸管轮廓的黑线，局部未融合缺陷在 X光底片下显示为可横贯镶铸管的圆滑黑线。

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] 常辉, 周廉, 王向东. 我国钛工业与技术进展及展望[J].航空材料学报, 2014, 34(4): 37—43.CHANG Hui, ZHOU Lian, WANG Xiang-dong. Development and Future of Chinese Titanium Industry and Technology[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014,34(4): 37—43.

[3] 何春艳, 张利军. 国内外高温钛合金的发展与应用[J].世界有色金属, 2016(1): 21—25.HE Chun-yan, ZHANG Li-jun. Development and Application of High Temperature Titanium Alloy at Home and Abroad[J]. Nonferrous Metal, 2016(1): 21—25.

[4] 刘全明, 张朝晖, 刘世锋, 等. 钛合金在航空航天及武器装备领域的应用与发展[J]. 钢铁研究学报, 2015,27(3): 1—3.LIU Quan-ming, ZHANG Chao-hui, LIU Shi-feng. Application and Development of Titanium Alloy in Aerospace and Weapon Equipment Field[J]. Journal of Steel Research, 2015, 27(3): 1—3.

[5] 王华明, 张述泉, 王向明. 大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战[J]. 中国激光, 2009, 36(12): 3204—3206.WANG Hua-ming, ZHANG Shu-quan, WANG Xiangming. The Development of Laser Direct Manufacture of Large Titanium Alloy Structural Parts and Challenge[J].China Laser, 2009, 36(12): 3204—3206.

[6] 肖树龙, 陈玉勇, 朱洪艳. 大型复杂薄壁钛合金铸件熔模精密铸造研究现状及发展[J]. 稀有金属材料与工程,2006, 35(5): 678—681.XIAO Shu-long, CHEN Yu-yong, ZHU Hong-yan. The Research Status and Development of Precision Casting of Large Complex Thin-walled Titanium Alloy Castings[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(5):678—681.