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自從20世紀(jì)80年代中期以來，大型、薄壁、復(fù)雜、整體、精密鑄件的制造，已經(jīng)成為國外航空、航天飛行器用的鈦合金結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，這類鑄件整體結(jié)構(gòu)性好，可靠性高，重量輕，加工成本低，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于這類鑄件外廓尺寸大，壁薄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)近凈形鑄造的難度很大，只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有這種先進(jìn)鑄造技術(shù)。對于這種薄壁鈦合金鑄造產(chǎn)品而言，在凝固生長過程中，受鑄件壁厚、凝固順序等因素的影響，鑄件表層組織、心部組織均不一致。同時，鈦合金薄壁鑄件表層組織、心部組織之間的關(guān)系，對性能分布的影響如何，還缺乏相關(guān)研究。近年來，隨著我國大型民航客機(jī)研制項目的啟動，對大型薄壁精密鑄件的研究、研制及應(yīng)用提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

對于結(jié)構(gòu)材料，其內(nèi)部微觀組織特征決定了材料的性能，通過對典型薄壁精密鑄件微觀組織與性能分布的分析，可以建立ZTC4鈦鑄件組織與性能的相關(guān)性。據(jù)此，結(jié)合生產(chǎn)實際，以某ZTC4鈦合金典型薄壁件為研究對象，根據(jù)結(jié)構(gòu)壁厚不同對該鑄造鈦合金不同位置的組織分析，對典型鑄件的顯微組織進(jìn)行了定量表征及統(tǒng)計，并對鑄件各區(qū)域的室溫拉伸性能、沖擊性能和顯微硬度進(jìn)行了測試，分析其組織和性能分布特征。

選取某典型ZTC4鈦合金薄壁鑄件為評估對象，其化學(xué)成分滿足表1要求，金相組織為典型的魏氏組織，具有粗大等軸的原始β晶粒，其中鑲嵌以片狀α相，每個β晶粒由若干個片狀α群集組成，α群集由成束狀平行分布的α片層構(gòu)成，α片層又被β片層由中間層隔開。

表 1 ZTC4 鑄造鈦合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

實驗按照《GB/T 5168-2008鈦合金高低倍組織檢驗方法》執(zhí)行，設(shè)備采用德國CARL ZEISS科研級數(shù)字全自動正置金相顯微鏡Axio Imager. M2m 和Cam-z 手持式金相顯微鏡對試樣進(jìn)行金相觀察，其中手持式顯微鏡僅用來對酸洗后的鑄件表面進(jìn)行低倍拍攝，金相顯微鏡同時用來對處理好的鑄件試樣進(jìn)行低倍和高倍拍攝。

選取某艙門ZTC4鈦合金典型鑄件為實驗研究對象，如圖1所示，在鑄件如圖所示位置進(jìn)行取樣。為了全面表征鑄件組織分布情況，對薄壁鑄件各區(qū)及典型位置處表層（垂直于壁厚方向）和心部（垂直于壁厚方向）進(jìn)行隨機(jī)取樣。采用10 mm×10 mm的組織取樣標(biāo)準(zhǔn)，并計算鑄件各區(qū)面積比例。底部薄區(qū)（圖1A區(qū)）是底面最薄的梯形區(qū)域，厚度約2.6 mm；橫筋（圖1B 區(qū)）：厚度約3 mm；斜筋（圖1C區(qū)）厚度約5 mm；底部厚區(qū)（圖1D 區(qū)）厚度約6.4 mm。

圖 1 某典型鈦合金薄壁鑄件

在力學(xué)性能取樣時，考慮到鑄件壁薄、復(fù)雜程度不高，且關(guān)注的是鑄件的最小壁厚區(qū)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的交界區(qū)，由于各區(qū)尺寸厚度均不能滿足航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，故采用非標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣代替，切取的拉伸試樣和沖擊試樣如圖2所示，厚度均與薄壁件各區(qū)壁厚保持一致，除試樣厚度外保證其余尺寸統(tǒng)一。

圖 2 薄壁鑄件拉伸試樣和沖擊試樣

室溫拉伸試驗按照《GB/T 228-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法》 執(zhí)行，加載速率為0.05 mm/min，每個位置測試5根拉伸試樣，得出拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過室溫拉伸試驗得到鑄件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)。沖擊試驗采用NI750C型沖擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗，設(shè)備最大沖擊能量為750 J， 分辨力為0.4 J。硬度測量采用HBRV-187.5型布洛維硬度計檢測顯微硬度取樣位置位于各區(qū)表層和心部。

2.1 ZTC4 鈦合金鑄件表層組織與心部組織相關(guān)性分析

對比鑄件整體表層及心部 β 晶粒尺寸的分布結(jié)果（如圖3），分析ZTC4鈦鑄件的β晶粒最大尺寸、最小尺寸和平均尺寸的表層與心部兩條曲線的變化趨勢，可見鑄件表層和心部組織分布趨勢基本一致。鑄件表層組織β晶粒的最大尺寸為4.4 mm，最小尺寸為0.3 mm，平均尺寸為1.1 mm；心部組織β晶粒的最大尺寸為 4.4 mm，最小尺寸為0.3 mm，平均尺寸為0.9 mm。在平均尺寸的表層曲線參數(shù)中，期望值（x_c）=10.5，標(biāo)準(zhǔn)差（σ）=3.3，半高寬=7.8；心部曲線參數(shù)中，期望值（x_c）=8.8，標(biāo)準(zhǔn)差（σ）=4.6，半高寬=8.5，對比兩者曲線參數(shù)發(fā)現(xiàn)，在均值方面，表層高于心部0.1 mm，鑄件組織表層β晶粒平均尺寸較心部高0.1 mm，在標(biāo)準(zhǔn)差與半高寬方面，表層均低于心部，說明薄壁鑄件整體表層組織β晶粒平均尺寸的分布范圍和曲線波動性高于心部。對比晶粒不規(guī)則度分布曲線發(fā)現(xiàn)，表層均值大于心部，說明心部組織β晶粒分布更加規(guī)則。因此，薄壁ZTC4鑄件中，同一區(qū)域的表層組織β晶粒平均尺寸高于心部，且心部晶粒較表層晶粒形狀更加規(guī)則。

圖 3 鑄件整體表層及心部 β 晶粒尺寸分布曲線

從鑄件厚度不同區(qū)域取樣后微觀組織的定量分析結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，鑄件的各區(qū)域的表層組織β晶粒平均尺寸在0.82～1.39 mm之間，心部組織β晶粒平均尺寸在0.68～1.28 mm之間。隨著鑄件壁厚的增加，相應(yīng)該位置的表層和心部β晶粒平均尺寸呈近線性增大的趨勢，兩者增大的趨勢相接近。

圖 4 鑄件表層與心部β晶粒平均尺寸隨壁厚的變化關(guān)系

2.2 ZTC4 鈦合金鑄件組織與力學(xué)性能分析

鈦合金薄壁鑄件整體力學(xué)性能（拉伸性能、沖擊性能）和硬度的分布情況為除個別試樣外，鑄件大部分區(qū)域試樣的抗拉強(qiáng)度均在846～985 MPa，屈服強(qiáng)度均在 816～975 MPa，伸長率均在12%～20%。根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 2896A-2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄造規(guī)范》規(guī)定的ZTC4鈦合金精密鑄件退火或熱等靜壓狀態(tài)下附鑄試棒的各項性能指標(biāo)（表2），根據(jù)規(guī)定，從鑄件上切取試樣的力學(xué)性能允許比附鑄試棒的低5%判定，此薄壁鑄件的拉伸性能指標(biāo)中，抗拉強(qiáng)度96.7%的試樣、屈服強(qiáng)度76.7%的試樣、伸長率99%的試樣符合該標(biāo)準(zhǔn)。

表 2 GJB 2896A-2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄造規(guī)范》附鑄試棒的力學(xué)性能要求

鑄件整體的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分布如圖5所示?？梢钥吹?，鑄件整體的抗拉強(qiáng)度為896.7 MPa，波動范圍在-3.8%～5.7%；屈服強(qiáng)度為828.4 MPa，波動范圍在-5.6%～5.1%；伸長率為14.5%，波動范圍在-13.8%～29% 之間。

圖 5 薄壁鑄件整體拉伸性能分布

圖6為鑄件的拉伸性能隨壁厚的變化規(guī)律，在此壁厚區(qū)間內(nèi)，隨著鑄件壁厚的增加，相應(yīng)的該位置的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均有增大趨勢?？梢钥闯?，在鑄件的拉伸性能指標(biāo)中，伸長率受壁厚影響變化最明顯，屈服強(qiáng)度最不明顯。

圖 6 薄壁鑄件拉伸性能隨壁厚變化規(guī)律

圖7為鑄件整體的沖擊性能分布，鑄件整體的單位面積總沖擊吸收能量為0.98 J/mm²，波動范圍在 -8%～13%；單位面積裂紋形成功為0.84 J/mm²，

圖 7 薄壁鑄件沖擊性能變化規(guī)律

對于此壁厚區(qū)間的ZTC4鈦合金鑄件，粗大的晶粒組織對室溫拉伸性能影響不大，但對伸長率影響較大。這是因為鈦合金的塑性變形是一種晶界行為，晶粒尺寸小，晶界數(shù)量多而短有利于晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動，變形應(yīng)力集中得到及時松弛，有益于抑制空洞形核與長大。同時，細(xì)晶區(qū)材料的原子擴(kuò)散和界面擴(kuò)散協(xié)調(diào)過程更容易進(jìn)行。在沖擊載荷作用下，ZTC4鈦合金β晶粒尺寸與單位面積總沖擊功、單位面積裂紋形成功、單位面積裂紋擴(kuò)展功呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)上述理論，細(xì)晶區(qū)合金沖擊韌性好，裂紋不易形成且形成后的裂紋不易擴(kuò)展，由于裂紋在細(xì)晶區(qū)擴(kuò)展過程中要多次改變方向，從而消耗更多的能量。

圖8為鑄件整體表層和心部組織硬度分布情況，表層顯微硬度為340.2 HV，波動范圍在-3%～3%，心部顯微硬度為353.5 HV，波動范圍在-8%～11%之間。而隨著鑄件壁厚的增加，其顯微硬度呈線性下降的趨勢，如圖9所示。從擬合的鑄件表層的顯微硬度（HV₁）與心部的顯微硬度（HV₂）與鑄件壁厚（b）之間的關(guān)系式，公式（1）和公式（2）可以看出，鑄件心部的硬度隨壁厚的變化較表層硬度降低的趨勢更明顯。

HV₁=347.3-2.4b （1）

HV₂=358.4-3.6b （2）

圖 9 薄壁鑄件顯微硬度隨壁厚變化規(guī)律

（1）ZTC4鈦合金鑄件的表層組織與心部組織分布趨勢基本一致，鑄件越厚，β晶粒越大，其中表層組織β晶粒較心部晶粒增大10%～20%。隨著鑄件壁厚的增加，其表層和心部組織β晶粒平均尺寸均呈近線性增大的趨勢，兩者增大的幅度相近。

（2）對于壁厚6 mm 以內(nèi)的薄壁鈦合金鑄件，隨著壁厚的增加，鑄件組織β晶粒平均尺寸呈增大趨勢，相應(yīng)的該位置的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度變化不明顯，伸長率增大趨勢明顯。相應(yīng)區(qū)域的單位面積總沖擊能量、單位面積裂紋形成功和單位面積裂紋擴(kuò)展功均有降低趨勢，鑄件綜合力學(xué)性能下降。

（3）隨著壁厚增加，鑄件表層與心部的顯微硬度均呈線性下降的趨勢，心部的硬度隨壁厚的變化較表層硬度降低的趨勢更明顯。