為慶祝中國共產黨成立100周年，《特種鑄造及有色合金》期刊特別籌劃航空航天輕量化合金專題，目前該專題已經發表在《特種鑄造及有色合金》2021年第41卷第07期上。本文作者：張美娟1, 2, 3 ，郄喜望1, 2, 3 ，吳國清4 ，南海1, 2 ，仉宇5;單位為1. 中國航發北京航空材料研究院；2. 北京市******鈦合金精密成型工程技術研究中心；3. 北京百慕航材高科技有限公司；4. 北京航空航天大學；5. 航空工業信息中心。

｜導讀｜

■采用組織定量評估技術，對某大型鈦合金鑄件產品各區域的組織進行定量評估，對比分析了鑄件表層組織和內部組織的相關性，探討了鑄件本體組織評估中試樣選取及觀察原則。結果表明，鑄件本體表層、中心層和截面獲得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加呈線性增大的趨勢，表層及中心層的晶粒尺寸分布相似并呈正態分布的特點，截面組織分布呈偏態分布的特點。結合鈦合金鑄件特點，在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，建議統一采用表層組織來評估鑄件組織的均勻性。

關鍵詞：鈦合金；鑄件；組織；統計；晶粒度

隨著我國大型飛機的研制和適航******體系的完善，對大型復雜精密鈦合金鑄件等飛機關鍵結構件的質量評估和監控成為亟待解決的關鍵問題之一。對大型鈦合金鑄造產品而言，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、中心層組織、截面組織均不一致。目前通過金相法獲得的鑄件微觀組織為二維圖像，無法反映鑄件實際晶粒的三維形貌特征，剖切方式的不同也會導致較大差異。對于鑄件本體如何剖取組織試樣，如何選擇觀察面，還沒有統一的標準或規范；實際工作中，選擇哪個面進行鑄件的解剖分析，充滿了不確定性；鑄件表層組織、中心層組織、截面組織之間的關系如何，還缺乏相關研究。對鈦合金鑄件而言，酸洗后的外觀組織清晰可見，可通過手持顯微鏡獲得較為清晰的晶粒尺寸信息。建立鑄件表層-中心層-截面晶粒尺寸間的相關性，不僅可以實現利用表層組織預測鑄件內部的組織分布特征，還為開展鑄件組織的無損評估提供了可能。

以某ZTC4鈦合金機匣為研究對象，機匣采用熔模精密鑄造方法制備，型殼為氧化物陶瓷型殼（面層為氧化釔涂料漿），重力澆注。機匣各部位壁厚為4～40mm，具有板筋交接、內外環等復雜結構，在典型區域A~F取樣并進行試驗分析，見圖1。

（a）機匣照片 （b）機匣解剖試樣

圖1 ZTC4鈦合金機匣鑄件

鑄件的化學成分見表1，符合GB/T15073-1994要求。

參照無損評估拍照區域對鑄件對應位置進行解剖取樣和金相檢測，作為對比，腐蝕劑組成為1%的HF+3%的HNO3+96%的H2O。采用CARL ZEISS型金相顯微鏡按照GB/T5168-2008執行高倍組織檢驗，獲得鑄件表層（統一指外表層）、中心層、截面組織照片，利用鈦合金鑄件組織晶粒度測定及評估方法對每個區進行晶粒統計分析，其中每個區統計的晶粒數量不低于600個。

1 試驗結果與分析

鑄件A區表層、截面、中心層的典型金相組織見圖2，圖2d為中心層金相組織照片圖像處理后的晶粒信息。可以看出，鑄件A區表層晶粒尺寸較為粗大，中心層晶粒略小，截面晶粒分布較表層、中心層更不均勻，這與鈦合金鑄件凝固速度較快有關。

（a）表層

（c）中心層

（b）截面

（d）中心層晶粒信息

圖2 鑄件表層/中心層/截面金相組織和晶粒信息照片（A區）

圖3為鑄件各區域表層、截面、中心層和鑄件整體晶粒尺寸分布曲線，各區域的表層-中心層-截面晶粒尺寸分布具體指標見表2。截面組織晶粒尺寸的分布范圍為8~7 502 μm，平均晶粒尺寸約為742 μm，晶粒尺寸半高寬約為1 675 μm。截面的晶粒尺寸呈偏態分布，并表現出較大的半高寬值（圖3b）。隨鑄件壁厚的增加，截面晶粒尺寸分布的峰值呈增大趨勢。當鑄件厚度較小時，晶粒間相互競爭，生長受抑制，晶粒尺寸普遍偏小，且分布范圍較窄。隨著鑄件壁厚增加，晶粒生長空間增大，整體晶粒尺寸偏大，且分布范圍較寬。可見，截面組織分布狀況受壁厚影響變化較大。

表層組織晶粒尺寸的分布范圍為44~7 660 μm，平均晶粒尺寸約為984 μm；晶粒尺寸半高寬約為1 157μm；中心層組織晶粒尺寸分布的分布范圍為17~6 868 μm，平均晶粒尺寸約為1 507 μm，晶粒尺寸半高寬約為2 021 μm。鑄件表層和中心層的晶粒尺寸分布較為相似，呈正態分布，并隨鑄件壁厚呈現規律性變化。

（a）整體

公司在國內知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊在超精密機床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應用工藝方面具備豐富的技術經驗和實踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工制造相關產業提供優質的技術服務。

（c）表層

（b）截面

（d）中心層

圖3 鑄件各區域及整體晶粒尺寸均值分布曲線

圖4為鑄件晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄件厚度的變化。可以看出，鑄件表層、截面和中心層的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈線性增大趨勢。隨著鑄件壁厚的逐漸增加，表層、中心層、截面之間的平均晶粒尺寸變化曲線近似平行，而截面組織的半高寬增長曲線與表層/中心層差異隨著壁厚增加明顯增大。鑄件表層、截面和中心層所得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬與鑄件厚度的關系可分別采用下式進行擬合：

d=M1+M2h （1）

w=N1+N2h （2）

式中，d為鑄件表層、截面和中心層所得的晶粒尺寸均值，mm；h為鑄件厚度，mm；w為晶粒尺寸分布半高寬，mm；M1、M2、N1、N2為系數，與澆注溫度、工藝、材料本身性能等因素有關。通過擬合獲得的相關參數見表3。

（a）晶粒均值變化

（b）半高寬變化

圖4 晶粒尺寸均值和半高寬隨鑄件厚度的變化

上述結果表明，鑄件表層和中心層組織存在較好的相關性，并呈現正態分布的特點，可以用表層組織評估預測中心層組織的分布狀況，而鑄件截面組織隨壁厚變化波動較大，并呈現偏態分布的特點。在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點，建議統一采用表層組織來評估鑄件組織的均勻性，這也為將來利用鑄件表層組織酸洗后清晰可見的特點對鑄件進行組織分布狀況的無損評估提供了可能。

2 結論

（1）鑄件表層晶粒、截面晶粒和中心層的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高寬均隨鑄件厚度增加而呈線性增大趨勢。

（2）鑄件表層組織和中心層組織存在較好的相關性，并呈現正態分布的特點，可以用表層組織評估預測中心層組織的分布狀況，而鑄件截面組織隨壁厚變化波動較大，并呈現偏態分布的特點。

（3）在大型復雜精密鈦合金鑄件本體組織評估中，結合鈦合金鑄件特點，建議統一采用表層組織來評估鑄件組織的均勻性。

引用格式：張美娟，郄喜望，吳國清，等. ZTC4鈦合金鑄件表層與內部組織的相關性研究[J].特種鑄造及有色合金，2021，41（7）：814-816.