楊碩，王本志，張軍威，張國(guó)旺，楊闊

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，特檢中心，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，鑄鈦中心，北京 100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鈦合金是一種具有無(wú)磁性、耐熱腐蝕、比強(qiáng)度高、抗低溫脆性好、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料[1—2]，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。鈦及鈦合金熔模精密鑄件，形狀可任意復(fù)雜，整體成形工藝可無(wú)余量甚至近無(wú)余量，尺寸設(shè)計(jì)下限到毫米級(jí)，具有其獨(dú)特的鑄造優(yōu)越性[3—4]。

熒光滲透檢測(cè)是檢驗(yàn)非疏孔性金屬和非金屬材料表面開(kāi)口缺陷的方法，其采用毛細(xì)作用原理（潤(rùn)濕的液體在毛細(xì)管中呈凹面并且上升，不潤(rùn)濕的液體在毛細(xì)管中呈凸面并且下降的現(xiàn)象）[5—7]，經(jīng)過(guò)滲透、去除、顯像等工序，將缺陷中的滲透液反滲到工件表面，在黑光燈下形成黃綠色缺陷顯示。熒光滲透檢測(cè)對(duì)零件表面寬度深度較小且內(nèi)壁較粗糙的缺陷較敏感，對(duì)缺陷開(kāi)口寬度檢測(cè)靈敏度可達(dá)到微米級(jí)[8—9]。

生產(chǎn)中常常遇到批次性鑄件同一位置表面裂紋反復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致熒光滲透檢測(cè)、清除缺陷、精整補(bǔ)焊、等工序返工、影響產(chǎn)品質(zhì)量、耽誤生產(chǎn)進(jìn)度。翻查焊接記錄，此區(qū)域基本都發(fā)生補(bǔ)焊，焊接性較差。觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋反復(fù)出現(xiàn)位置多在澆冒口附近，該鑄件采用火焰切割方式去除澆冒口。初步分析原因，為節(jié)省冒口殘根去除工序安排，接近無(wú)余量切除，導(dǎo)致火焰切割燒到基體表面，生成不規(guī)則表面微裂紋，較高溫度下鑄件表面產(chǎn)生富氧α層，富氧α層硬度高、塑性低，使鈦合金在繼續(xù)變形或受力時(shí)導(dǎo)致表面開(kāi)裂[10—12]。為進(jìn)一步驗(yàn)證猜想，改進(jìn)工藝，針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)問(wèn)題的兩種合金產(chǎn)品，進(jìn)行生產(chǎn)跟蹤，工藝試驗(yàn)安排及分析。

1 工藝試驗(yàn)安排

鑄件生產(chǎn)從熔煉澆鑄到終檢入庫(kù)工序冗雜，熒光滲透檢測(cè)前主要工序流程：熔煉澆鑄—清殼—切割澆冒—吹砂—酸腐蝕—熱等靜壓(HIP)—吹砂—酸腐蝕—焊接—吹砂—酸腐蝕—熒光。分析熒光滲透檢測(cè)前能夠造成表面裂紋的可能工序“切割澆冒”造成冒口邊緣火焰燒傷；“熱等靜壓(HIP)”高溫作用產(chǎn)生熱裂紋?，F(xiàn)安排試驗(yàn)如下： ①切割澆冒—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測(cè)，在熱等靜壓(HIP)前安排熒光滲透檢測(cè)，記錄切割完澆冒口鑄件表面狀態(tài)； ②熱等靜壓—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測(cè)，在熱等靜壓(HIP)后，焊接之前安排熒光滲透檢測(cè)，記錄熱等靜壓(HIP)后表面狀態(tài)； ③焊接—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測(cè)，在清除表面裂紋，焊接之后安排熒光滲透檢測(cè)，記錄焊接區(qū)域及熱影響區(qū)表面狀態(tài)。

采用HM-604高靈敏度熒光滲透液對(duì)鑄件進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)，滲透20 min，預(yù)清洗采用Daraclean282清洗劑，清洗時(shí)間5 min，烘干15 min，選用D-90G干粉顯像，顯像時(shí)間20 min。對(duì)以上3次熒光滲透檢測(cè)表面狀態(tài)做記錄，并做金相微觀組織觀察，匯總試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 切割澆冒口鑄件表面狀態(tài)

由于鑄件表面不允許有打磨后銀白金屬色、磨痕、氧化色等，因此對(duì)鑄件做吹砂處理，熒光滲透檢測(cè)前通常安排酸腐蝕，酸洗表面更利于熒光滲透檢測(cè)。黑、白光下表面狀態(tài)，見(jiàn)下圖1和圖2?？梢钥闯?，鑄件經(jīng)火焰切割去除澆冒口，熒光滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，冒口附近規(guī)則性出現(xiàn)表面微裂紋，且目視可見(jiàn)。

圖1 ZTC4某鑄件切割澆冒Fig.1 Cutting riser of a ZTC4 casting

圖2 ZTA15某鑄件切割澆冒Fig.2 Cutting riser of a ZTA15 casting

2.2 熱等靜壓(HIP)后鑄件表面狀態(tài)

熱等靜壓(HIP)技術(shù)對(duì)于鈦合金鑄件內(nèi)部縮孔排除、提高致密度、降低孔隙度應(yīng)用廣泛[13]。采用高溫高壓方式，溫度為800～1000 ℃，壓力為100～180 MPa，保溫2～4 h，見(jiàn)圖3。因上一步試驗(yàn)切割澆冒工序的表面裂紋未處理，熱等靜壓后鑄件表面裂紋依然存在，觀察可以發(fā)現(xiàn)，熱等靜壓前后鑄件表面裂紋的形貌、尺寸基本一致，而且并沒(méi)有衍生新的裂紋。

圖3 熱等靜壓后鑄件表面狀態(tài)Fig.3 Surface states after HIP

2.3 清缺補(bǔ)焊后鑄件表面狀態(tài)

對(duì)以上裂紋進(jìn)行缺陷清除、焊前處理、焊接、鑄件返回吹砂、輕酸洗、熒光滲透檢測(cè)，表面狀態(tài)見(jiàn)下圖4，并對(duì)冒口附近鑄件基體做切片金相微觀組織觀察，見(jiàn)圖5和圖6。清除缺陷，焊接，表面裂紋擴(kuò)大化，并且裂紋沿焊點(diǎn)周圍呈環(huán)形分布。對(duì)冒口邊緣焊接區(qū)做顯微觀察，測(cè)量得出，燒傷區(qū)富氧α層可達(dá)到1208 μm 縱深。

3 結(jié)果分析

由圖1和圖2可知，火焰切割去除澆冒口，冒口邊緣呈片狀裂紋分布，裂紋粗細(xì)不均且呈曲折的不規(guī)則曲線，冒口棱角裂紋呈鋸齒狀分布，從缺陷形貌可以判斷，并非鑄造前期帶來(lái)的結(jié)構(gòu)裂紋，可見(jiàn)火焰燒傷對(duì)鑄件基體表面質(zhì)量破壞嚴(yán)重。由圖 3熱等靜壓(HIP)后未衍生新的表面裂紋可知，熱等靜壓(HIP)不會(huì)產(chǎn)生表面裂紋，從而驗(yàn)證了鑄件表面冒口附近微裂紋由于火焰切割澆冒口所致。

圖4 清缺補(bǔ)焊后Fig.4 State after welding repair

圖5 ZTC4某鑄件富氧α層顯微組織Fig.5 Microstructure of oxygen-enriched alpha layer for ZTC4 casting

圖6 ZTA15某鑄件富氧α層顯微組織Fig.6 Microstructure of oxygen-enriched alpha for ZTA15 casting

目前，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安排的酸腐蝕工序，依據(jù)產(chǎn)品不同工序狀態(tài)分為較大去除量的深酸腐蝕，去除量100～500 μm，以及較小去除量的輕微酸腐蝕，去除量為5～25 μm。觀察燒傷鑄件表面顯微深度得出，酸腐蝕不足以去除因燒傷造成的鑄件表面富氧α層。

分析原因，火焰切割澆冒口，當(dāng)鑄件表面溫度達(dá)到一定范圍時(shí)，氧、碳、氮等元素會(huì)擴(kuò)散滲入鑄件表面，從而產(chǎn)生由于α穩(wěn)定劑引起的污染，表面形成富集氧、碳、氮硬而脆的污染層[14—15]。富氧α層可使鈦及鈦合金鑄件在繼續(xù)變形或受力時(shí)導(dǎo)致表面開(kāi)裂、塑性降低[10—12]，鑄件還未進(jìn)行退火處理，殘余應(yīng)力過(guò)大，火焰切割局部高溫，增加了相變應(yīng)力，應(yīng)力集中裂紋便容易產(chǎn)生[9]。對(duì)鑄件表面裂紋缺陷進(jìn)行打磨消除，在表面處理不到位情況下，即未完全去除富氧α層進(jìn)行焊接，極易導(dǎo)致表面開(kāi)裂，因此，進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)時(shí)，形成焊接區(qū)環(huán)形補(bǔ)焊裂紋。

4 結(jié)論

1) ZTC4以及ZTA15兩種牌號(hào)鈦合金鑄件，火焰燒傷均產(chǎn)生不同程度裂紋，裂紋的生成與鑄件的成分無(wú)關(guān)。

2) 火焰切割澆冒口產(chǎn)生表面裂紋，同時(shí)生成一定厚度富氧α層，酸腐蝕不足以去除燒傷造成的α層，同時(shí)燒傷部位為后期補(bǔ)焊、熒光滲透檢測(cè)造成不必要反復(fù)。

3) 對(duì)于發(fā)生燒傷裂紋的鑄件，建議擴(kuò)大清除缺陷面積，提高清除缺陷深度，保證將富氧α層完全去除，提高焊接質(zhì)量。

4) 在清除表面熒光缺陷之后，可安排二次熒光滲透檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，避免表面缺陷處理不徹底造成的焊接裂紋。

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