国内钛合金铸件规范标准现状分析

2018-12-19北京百慕航材高科技股份有限公司

机械工业标准化与质量 2018年12期

北京百慕航材高科技股份有限公司□徐莉

钛及钛合金具有比重小、比强度高、抗腐蚀性能强、高温和低温力学性能良好等优点，广泛应用于航空、航天、舰船、化工、汽车、体育和生物医学等各个领域。铸造钛合金以其优异的综合性能和近净成型的特点，较好实现了构件的减重和降本增效，加上热等静压技术的应用，解决了铸件的质量问题且提高了其可靠性，因此在航空、航天等行业获得广泛应用和快速的发展。铸造钛合金经过50多年的发展，现已形成GB、GJB、HB三大体系的钛合金铸件标准规范。

钛合金铸件规范中标准纷繁复杂、各级标准的要求和内容有的相互补充，有的相互交叉重复，使用者往往容易混淆，存在选择困难。本文通过对钛合金铸件三大规范相关标准现状进行分析，梳理各相关标准的异同点，让使用者根据产品要求和条件进行必要的剪裁，以达到节省费用、缩短周期的目的，同时对钛合金规范现状存在的不足和后续发展提出了建议。

1 钛合金铸件规范标准现状分析

目前铸造钛合金行业内主要是通过技术标准和规范来实现对其生产管理和控制的。我国指导铸件生产、质量、交货的现行有效的标准主要有2014年颁布的GB/T 6614—2014《钛及钛合金铸件》（以下简称国标）、2007年颁布的GJB 2896A—2007《钛及钛合金熔模精密铸件规范》（以下简称国军标）和2012年颁布的HB 5448—2012《钛及钛合金熔模精密铸件规范》（以下简称航标）三项标准。

GB/T 6614—2014是覆盖我国钛及钛合金铸造产品的基本规范，该标准主要在航空、航天、船舶、冶金、石油、化工、电子、医疗、体育等军民用领域广泛应用，性能规定要求比专用标准低或相当，故该标准对技术要求相对简单粗放。

GJB 2896A—2007主要用于军用装备，是指导钛合金精密铸件要求、质量保证规定和交货准备的军用标准。

HB 5448—2012主要指导航空航天钛合金精密铸件标准，此标准在航空航天中引用的不多，大部分航空航天使用的还是GJB 2896A—2007。

（1）材料标准

1）原材料

国标中新增加了ZTA9、ZTA10、ZTA15、ZTA17四种牌号钛合金铸件，随着钛合金熔炼技术的不断发展，熔炼方法除了真空自耗，感应电渣、等离子电弧、感应凝壳、电子束熔炼等多种工艺方法均得到了较大进展，其熔炼技术也逐步应用于钛及钛合金熔炼，因此为适应工艺技术发展，国标、国军标和航标均增加了母合金的熔炼方法，扩大了标准的适用范围。

2）化学成分

国标铸件化学成分应符合GB/T 15073《铸造钛及钛合金》的规定。

国军标、航标中铸件化学成分都要求符合GB/T 3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》和GB/T 3620.2—2007《钛及钛合金加工产品化学成分允许偏差》。

三大规范标准中规定了 ZTA1、ZTA5、ZTA7、ZTA15、ZTC4等五种相同牌号和化学成分，国标因为涉及范围广，相比国军标和航标多了 ZTA2、 ZTA3、 ZTA9、 ZTA10、 ZTA17、ZTB32、ZTC21七种牌号。

钛合金铸造中实际应用最广泛的材料为中温中强合金ZTC4、ZTA15和工业纯钛，高温和高强合金及其他牌号和用途的合金相对较少。

3）力学性能

室温力学性能的对比情况见表1。

表1 室温力学性能对比

从表中可以看出三大规范标准相同牌号合金的力学性能中技术参数基本一致，个别的指标如ZTA1的伸长率国标要求还严格一些，为大于等于20%。

另外国标和航标对高温力学性能试验没有规定，由供需双方商定，国军标对ZTA7、ZTC3、ZTC4三种牌号高温力学性能提供了技术参数。

（2）工艺标准

1）热处理

钛合金铸件热处理工艺主要是退火。

退火在这三项标准中没有引用具体标准，只是在相应的章节对铸件退火提出了退火温度要求。

其中国标第4.9条只对退火的参数进行了规定，国军标和航标中退火规定的参数值一样，这两项标准存在着相同、重复的要求。

另外还有关于热处理规范的具体标准见表2。

表2 热处理标准

表2中各标准主要用途和特点如下：

b）HB 7750—2004大部分引用 GJB 3763A—2004中的工艺参数，增加了真空热处理工艺材料、技术安全内容要求。

c）HB/Z 137—2014规定了钛合金热处理用的设备和介质、工艺要求和工艺参数、检验、质量控制和技术安全，在HB/Z 137—1988版的基础上增加了航空钛及钛合金近20多年41个新牌号和相应的热处理工艺，增加了钛合金β退火、准β退火、三重退火等新型工艺；增加了术语、热处理炉有效工作区温度容差、热透时间、热透后保温时间、淬火装置和介质等的质量控制要求；增加了钛合金淬火延温时间、钛合金β转变温度、加热介质和冷却介质、真空热处理、保温时间的计算方法、淬火和其他要求、检验内容、重复热处理的规定和技术安全。该标准是目前比较完善的热处理工艺说明书。

2）热等静压

HB/Z 234—2014规定了钛合金铸件热等静压的工艺材料、设备及工装夹具、工艺控制、质量控制、技术安全。在HB/Z 234—1993的基础上，增加了ZTA1、ZTA5、ZTA15、ZTC6钛合金铸件的热等静压工艺、增加了对工装夹具、设备的要求，满足了航空航天热等静压铸件的指导需求。

3）酸洗

钛合金铸件酸洗相关工艺目前国标和国军标都没有相关的标准，只有HB/Z 344—2001《钛合金酸洗工艺及质量检验》一项标准。该标准规定了钛合金的酸洗工艺材料、工艺设备、工艺程序、工艺要求、质量检验、质量控制和技术安全。经过17年的发展，酸洗材料及工艺设备都在不断发展，有必要进行修订完善。目前铸件厂家多以企业标准进行酸洗的控制。

企业战略管理领域“竞争优势”的概念最早由英国经济学家钱伯林提出，后来波特又将其引入到国家区域竞争研究领域[8]。竞争优势理论与绝对优势理论、相对优势理论和资源禀赋等基本理论一脉相承，均属于竞争力理论研究的基础理论。

4）焊接补焊

国标焊接修补在标准中有具体的条款规定，国军标和航标都规定按HB/Z 348—2001《钛及钛合金铸件补焊工艺及检验》进行检验，此标准对铸件补焊前的准备（人员、设备、材料、场地、补焊缺陷的清理、铸件补焊前的存放）、补焊工艺、铸件补焊后的清理、铸件补焊后的热处理、铸件补焊后的质量检验、质量控制等方面进行了详细的规定。但该标准中仅给出了ZTC3、ZTC4、ZTC5三个基本牌号及其对应填料牌号合金元素要求，对于α系列ZTA15合金、β系列ZTB32等铸造合金没有具体要求，需要补充完善。

（3）检测标准

1）化学成分

目前国内钛合金化学成分分析方法主要有GB/T 4698和HB 5297两项标准。两项标准的化学分析方法见表3。

对海绵钛、钛及钛合金化学分析方法国家标准GB/T 4698经历了1984年、1996年、2017年三个版本，1984年版本主要以容量法和分光光度法为主，每种元素只有一个分析方法，这对不同含量元素的测定会带来误差。1996、2017版是在原来测定方法上增加了新技术原子吸收光谱法和电感耦合等离子体原子发射光谱法列入到标准分析方法中，大大的提高了标准的实用性和可操作性。

表3 钛合金标准化学分析方法对照表

对钛合金化学分析方法航空标准HB 5297经历了1984年、2001年两个版本，1984年版本的特点是根据各元素的特点和含量高低，采用重量法、容量法、光度法、原子吸收法、微压法、库仑法等，所用分析的技术方法多样，可根据不同情况采用不同方法，实用性强。随着技术的发展，2001版将在日常分析测试中已经不用的库仑法、真空抽取法从标准中删除，为使该标准更具有实用性，增加了六种方法，见表4。其中第1、第2、第3种方法是在充分试验基础上制定的方法，第4、第5、第6种方法是根据航空材料研究院的企业标准，并经课题参加单位复验后制定的方法。另外航空标准HB 7716对钛合金化学成分光谱分析方法进行了规定。

表4 HB 5297—2001中增加的化学分析方法

2）力学性能

铸件的力学性能检测主要是室温拉伸试验、高温拉伸试验、夏比摆锤冲击试验、布氏硬度试验、拉伸蠕变试验五种类型。力学性能标准见表5。一般情况下：

a）国标、国军标和航标都要求做室温拉伸试验，其中GJB 2896A—2007中要求的标准为GB/T 228—2002， GB/T 6614—2014 和 HB 5448—2012要求做室温拉伸试验的标准为现行标准GB/T 228.1—2010；

b）对铸件硬度只有GB/T 6614—2014在标准中进行了要求；

c）GJB 2896A—2007标准中对高温力学性能中的高温拉伸和单轴拉伸蠕变试验进行了规定；

d）另外对于不同铸件材料力学性能还会做一些具体的要求，比如：ZTC4材料的铸件会对室温和布氏硬度有详细要求，ZTA15材料的铸件会对夏比摆锤冲击试验做进一步详细的要求。

e）有时也会根据供需双方商定来规定力学性能的检测要求。

表5 力学性能标准

3）表面质量

表面质量的检测标准主要是国标、国军标和航标三大类。对应的标准见表6。

国标的检测方法就是通过表面粗糙度比较样块对铸造表面进行检测。

荧光渗透检测标准国军标GJB 2367A—2005代替GJB 593.4—1988《无损检测质量控制规范渗透检验》和GJB 2367—1995《渗透检验方法》，将GJB 593.4—1988《无损检测质量控制规范渗透检验》合并到GJB 2367A—2005。根据实施荧光渗透检测过程，增加了表面准备、暗室检验细节控制点要求。对控制参数的具体量化，增强了该标准可操作性。

荧光渗透检测标准航标HB/Z 61—1998是在HB/Z 61—1992《渗透检验说明书》和HB 5358.4—1986《航空控件渗透检验质量控制标准》的基础上修订而成的，保留原标准中先进、科学、合理的内容，对渗透检验工艺过程和材料的各种影响因素（人员、设备和仪器、材料、环境、工艺和文件等）进行了严格的控制，是提高产品质量和保证产品质量稳定的有效措施，也是一种既经济又合理的科学方法。

4）内部质量

内部质量的检测主要是国军标和航标两类。对应的标准见表7。

表6 表面质量

表7 内部质量

国军标射线检测标准GJB 1187A—2001代替GJB 593.2—1988《无损检测质量控制规范射线检验》和GJB 1187—1991《射线检验方法》，将GJB 593.2—1988《无损检测质量控制规范射线检验》标准合并到GJB 1187A—2001。

航空标准的射线照相检测标准最早是由HB/Z 60—1981《X射线检验说明书》和HB 5358.2—1986《航空控件X射线照相检验质量控制标准》两部分组成，1996年在标准修订的基础上将二者合二为一，成为集检验方法和质量控制内容为一身的综合性标准HB/Z 60—1996。其优点是既避免了两者某些技术内容的重叠交叉，又便于现场检验人员使用。

随着检测技术的发展，HB 20160—2014代替了HB/Z 60—1996，引入GJB 1187A—2001中典型透照布置的要求，增加了环形件透照次数的计算方法，同时增加了术语的定义、像质指数的扩展、直接曝光允许的不清晰度要求、电子束焊缝透照方向要求，并在质量控制要求中增加了防止零件受到铅污染等相关要求，删除了X射线机应制作曝光曲线和电压表、电流表应定期进行检定的要求以及附录D典型结构工件的透照配置，其优点是借鉴现行标准中合理有效的要求，加强对实施射线检测的科学管控。

（4）包装运输标准

GB/T 8180—2007标准规定了钛及钛合金加工产品（板材、管材、板材、带材、丝材、锻件、钛铸件）的包装、标志、运输和贮存。

2 现有钛合金铸件规范标准存在不足

（1）现有钛合金铸件规范标准体系不完善

国内铸造钛合金生产厂家的铸造方法主要有机加石墨型铸造、熔模精密铸造、特种砂型铸造三种。而综上所述目前的国内验收标准只有GJB 2896A和HB 5448《钛及钛合金熔模精密铸件规范》，这两项标准仅针对钛合金熔模精密铸件，对石墨型铸件和特种砂型铸件的相关内容没有具体的标准。

目前与客户签订技术协议中有机加石墨型和砂型钛及钛合金铸件的要求时，均是按照GJB 2896A标准来进行验收，缺乏石墨型和砂型制造的专用规范。

（2）各级标准存在交叉重复，使用者容易混淆，不利于统一，造成人力资源的重复劳动和浪费

标准是生产经营活动的依据，是重要的市场规则，必须增强统一性和权威性。目前钛合金铸件规范有国家标准、军用标准、航空标准三项，国家标准GB/T 6614—2014技术要求不够详细；航标HB 5448—2012是在 GJB 2896A—2007基础上对技术参数进行细化，企业在执行标准的过程中，存在多个标准进行选择，并且在选择时不清楚标准修订的研制背景，标准研制背景及指南信息较少，不能有效支撑标准使用。

军用标准GJB 2896A—2007和航空HB 5448—2012标准名称相同，同一标准化对象不同标准，目前军工企业在签订技术协议时，基本上都是引用GJB 2896A—2007这项标准，国军标和航标的修订都要投入大量的时间和精力，造成人力资源的重复劳动和浪费。国家应该大力发展团体标准，培养铸钛行业权威性的团体标准。