殷建鋒，馮新，李佳，趙文俠，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，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）

鈦合金密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能良好，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工等領(lǐng)域[1]。鈦具有很高的化學(xué)活性，能與幾乎所有的鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)，鑄造鈦合金表面易產(chǎn)生污染層，污染層的存在往往會(huì)使鑄件表面產(chǎn)生裂紋，表面污染層還明顯影響到材料的疲勞性能、斷裂韌性和沖擊性能[2]，通過(guò)酸洗、噴砂等方式可以有效去除表面污染層[3]。鈦合金機(jī)械加工過(guò)程中，表面易沾染油污，除油工序是保證零件潔凈以及保證零件熱處理時(shí)不會(huì)因油污使材料表面產(chǎn)生污染的重要步驟，使毛坯和零件能均勻地涂敷保護(hù)涂料和潤(rùn)滑劑，保證零件的焊接質(zhì)量[4]。熒光檢驗(yàn)是鈦合金零件廣泛采用的表面缺陷檢驗(yàn)方法，熒光檢驗(yàn)對(duì)于鈦合金零件表面狀態(tài)要求較嚴(yán)，零件表面殘留的污物對(duì)熒光檢驗(yàn)影響很大[5]，因此，鈦合金零件的表面質(zhì)量對(duì)材料的檢測(cè)、后處理、材料性能及使用壽命有著重要影響，對(duì)鈦合金零件表面狀態(tài)的研究具有重要意義。文中以鑄造表面存在黑色斑點(diǎn)的某ZTA15鈦合金零件為研究對(duì)象，利用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀對(duì)零件鑄造表面形貌和成分進(jìn)行了分析，對(duì)導(dǎo)致鑄造表面產(chǎn)生黑色斑點(diǎn)的質(zhì)量異常原因進(jìn)行分析，并提出了表面質(zhì)量改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料取自某批次鑄造表面存在黑色斑點(diǎn)的ZTA15鈦合金零件，ZTA15鈦合金仿制于俄羅斯BT20Л鑄造鈦合金，其名義成分為 Ti-6Al- 2Zr-1Mo-1V，屬于近α型鈦合金[6]，其化學(xué)成分見(jiàn)表1[7]，毛坯為熔模精密鑄造+熱等靜壓+退火+噴砂狀態(tài)，零件為機(jī)加工+退火狀態(tài)。噴砂材料為棕剛玉砂，牌號(hào)A，規(guī)格 54#，化學(xué)成分見(jiàn)表 2，噴砂壓力為 0.2～0.4 MPa，噴砂時(shí)間為8～10 s。

零件鑄造表面外觀見(jiàn)圖1，表面顯示密集黑點(diǎn)。取樣位置見(jiàn)圖2，1#, 3#試樣為鑄造表面，2#試樣為機(jī)加工表面，通過(guò)線切割取樣，1#, 2#試樣經(jīng)過(guò)超聲波清洗、研磨、拋光、腐蝕處理后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品縱向微觀組織形貌，3#試樣經(jīng)過(guò)超聲波清洗處理后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品表面形貌，并使用能譜分析儀對(duì)1#, 2#, 3#試樣進(jìn)行成分分析。

表1 ZTA15合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of ZTA15 alloy (mass fraction) %

表2 棕剛玉砂的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of brown corundum sand (mass fraction) %

圖1 零件鑄造表面外觀Fig.1 Casting surface of parts

圖2 取樣位置Fig.2 Sampling position

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀分析

1#和 2#試樣的微觀組織形貌見(jiàn)圖3和圖 4，3#試樣表面微觀形貌見(jiàn)圖 5?？梢钥闯?，1#試樣表面凹凸不平，有顆粒狀物體嵌入進(jìn)基體（圖3b和3c中白色箭頭標(biāo)注），也有顆粒狀物體附著于鑄造表面（圖3d中白色箭頭標(biāo)注），2#試樣表面平整度較高，未發(fā)現(xiàn)有顆粒狀物質(zhì)嵌入基體，近表面的微觀組織正常，3#試樣表面有較多的顆粒狀物質(zhì)嵌入到基體（圖 5c中白色箭頭標(biāo)注），同時(shí)表面也有顆粒狀物體附著于鑄造表面（圖5d中白色箭頭標(biāo)注）。

2.2 能譜分析

1#試樣能譜成分分析結(jié)果見(jiàn)圖6，圖6a結(jié)果顯示1#試樣外表面Al和O含量較高，表明試樣表面局部嵌入了以氧化鋁為主的顆粒物，圖6b結(jié)果顯示1#試樣的表面（縱向）存在厚度約0.3～0.4 μm的白亮層，從線掃描的結(jié)果來(lái)看，Al和O元素的含量偏高。圖6c結(jié)果顯示 1#試樣表面嵌入物成分與基體成分明顯不同，point 1處主要成分為Al, O元素，含有少量的Ti, Mg, V, Mo元素，可以判斷嵌入物為棕剛玉顆粒，point 1和point 2位置均不含C元素，圖6d結(jié)果顯示1#試樣表面顆粒物主要成分為C元素，并含有少量的Ti, Al等合金元素，可以判斷顆粒物為碳黑。

2#試樣的縱向截面能譜線掃描成分分析結(jié)果見(jiàn)圖7，結(jié)果顯示表面區(qū)域氧元素含量偏高，存在厚度約0.5 μm的氧化層。3#試樣表面能譜成分分析結(jié)果見(jiàn)圖8，結(jié)果顯示，point 1和point 2處為顆粒狀嵌入物，主要成分為Al, O, C元素，并含有少量合金元素，表面嵌入物主要為棕剛玉顆粒，其表面有少量碳污染，結(jié)合 6a—6c分析結(jié)果可知，棕剛玉顆粒嵌入鑄件基體，在鑄造表面分散分布；point 3處主要成分為Ti, Al,O, C元素，并含有少量合金元素，表面為基體材料、棕剛玉粉和碳污染的混合狀態(tài)，point 4處為顆粒主要成分為C和O元素，含有少量的Ti, Al等合金元素，顆粒物主要為碳黑，結(jié)合6d分析結(jié)果可知，碳黑顆粒物附著于鑄件表面，在鑄造表面分散分布，相比于零件機(jī)加工表面無(wú)碳黑顆粒，零件鑄造表面粗糙度大，碳黑顆粒與基體的結(jié)合力強(qiáng)[8]。

圖4 2#試樣SEM形貌Fig.4 SEM morphology of sample 2#

圖5 3#試樣SEM形貌Fig.5 SEM morphology of sample 3#

圖6 1#試樣能譜掃描成分分析Fig.6 Analysis of energy spectrum scanning components of sample 1#

圖7 2#試樣能譜線掃描成分分析Fig.7 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 2#

2.3 原因分析及改進(jìn)措施

ZTA15鈦合金零件生產(chǎn)工藝流程如下：① 鑄造工序→② 噴砂→③ 入庫(kù)→④ 粗加工→⑤ 汽油清洗→⑥ 退火→⑦ 精加工→⑧ 汽油清洗→⑨ 表面鍍層→⑩ 零件?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品在⑥退火后鑄造表面出現(xiàn)黑點(diǎn)斑點(diǎn)，完成⑦精加工后，在⑧汽油清洗工序黑色斑點(diǎn)無(wú)法清除徹底，影響⑨表面鍍層質(zhì)量。研究結(jié)果表面，零件鑄造表面主要存在棕剛玉顆粒和碳黑顆粒兩種外來(lái)物質(zhì)，棕剛玉顆粒來(lái)源于②噴砂工序，碳黑顆粒產(chǎn)生的原因是：產(chǎn)品完成④粗加工后，零件鑄造表面沾染的油污在⑤汽油清洗工序中清洗不潔凈，導(dǎo)致鑄造表面殘留的油性物質(zhì)在⑥退火工序真空熱處理后析出，零件機(jī)加工表面沒(méi)有碳黑顆粒，零件鑄造表面存在分散的碳黑顆粒，附著于鑄造表面的碳黑顆粒與基體結(jié)合力較強(qiáng)，當(dāng)覆蓋數(shù)量不斷增多就會(huì)形成積碳，碳黑顆粒對(duì)零件表面質(zhì)量及鍍層質(zhì)量有影響。有研究表明，積碳層與零件表面結(jié)合強(qiáng)度高，與一般油污、銹蝕和漆層相比，清除更加困難[9]，目前傳統(tǒng)的清洗方法如超聲波清洗、化學(xué)溶劑法、水射流清洗法等[10]難以把積碳表面清理干凈，而采用表面去余量的吹砂、酸洗等[3]方法雖然可以去除表面積碳，但是對(duì)零件表面粗糙度及尺寸有影響，為了不影響零件表面質(zhì)量，喬玉林等[10]開(kāi)展了鈦合金表面積碳的激光清洗試驗(yàn)，在優(yōu)選工藝參數(shù)下，可以得到較好質(zhì)量的清潔表面，零件表面C含量接近于0，為文中零件表面碳黑的去除指出了一種處理方向。

表3 選區(qū)元素含量（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）Tab.3 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

圖8 3#試樣能譜線掃描成分分析Fig.8 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 3#

表4 選區(qū)元素含量（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）Tab.4 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

零件表面碳黑產(chǎn)生的根本原因是熱處理前的清洗不到位，如要獲得高質(zhì)量的表面狀態(tài)，零件表面的油污要徹底清洗干凈，應(yīng)采用超聲波清洗+冷水洗+熱水洗（去離子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，超聲波清洗槽內(nèi)金屬清洗劑規(guī)格為 KX-2，體積分?jǐn)?shù)為 2%～4%，零件清洗干凈后保存和運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)注意表面防護(hù)，防止零件二次污染。

3 結(jié)論

1) 零件鑄造表面主要存在棕剛玉顆粒和碳黑顆粒兩種外來(lái)物質(zhì)，棕剛玉顆粒來(lái)源于鑄件噴砂工序，棕剛玉顆粒嵌入鑄件基體，在鑄造表面分散分布；碳黑顆粒產(chǎn)生于零件鑄造表面油污清洗不潔凈真空熱處理后析出，碳黑顆粒物附著于鑄造表面，在鑄造表面分散分布，碳黑顆粒對(duì)零件表面及鍍層質(zhì)量有影響。

2) 為了避免表面碳黑的產(chǎn)生，零件清洗工序應(yīng)采用超聲波清洗+冷水洗+熱水洗（去離子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，零件清洗干凈后保存和運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)注意表面防護(hù)，防止零件二次污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王新英, 謝成木. 國(guó)內(nèi)外鈦合金精密鑄造型殼材料的發(fā)展概況[J]. 特種鑄造及有色合金, 2001, 21(3): 40—42.WANG Xin-ying, XIE Cheng-mu. Development of Shell Materials of Titanium Alloy Precision Casting at Home and Abroad[J]. Journal of Special Casting and Nonferrous Alloys, 2001, 21(3): 40—42.

[2] 李曉飛, 呂志剛, 崔旭龍. 鈦合金精密鑄件表面污染層生成機(jī)理及檢測(cè)方法[C]. 中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)精鑄分會(huì)第十一屆年會(huì)論文集, 石家莊, 中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)精鑄分會(huì), 2009.LI Xiao-fei, LYU Zhi-gang, CUI Xu-long. Formation Mechanism and Detection Method of Surface Pollution Layer of Titanium Alloy Precision Casting[C]. A Collection of the Eleventh Annual Meetings of the China Foundry Association Precision Casting Branch, Shijiazhuang, The China Foundry Association Precision Casting Branch, 2009.

[3] 謝成木. 鈦及鈦合金鑄造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005.XIE Cheng-mu. Titanium and Titanium Alloy Casting[M].Beijing: Mechanical Industry Press, 2005.

[4] 梅正蓉. 鈦合金清洗[J]. 材料保護(hù), 1988(1): 21—26.MEI Zheng-rong. Cleaning of Titanium Alloy[J]. Journal of Material Protection, 1988(1): 21—26.

[5] 周嘉梁, 王嬋. 鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件熒光檢驗(yàn)的工藝改進(jìn)[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2011, 33(8): 24—26.ZHOU Jia-liang, WANG Chan. The Process Improvement of Fluorimetric Test for Titanium Alloy Castings of Complex Structure[J]. Journal of Nondestructive Testing,2011, 33(8): 24—26.

[6] 黃旭, 朱知壽, 王紅紅. 先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2012.HUANG Xu, ZHU Zhi-shou, WANG Hong-hong. Advanced Aeronautical Titanium Alloy Materials and Applications[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2012.

[7] 中國(guó)航空材料手冊(cè). 鈦合金、銅合金[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2001.China Aviation Material Handbook. Titanium Alloy,Copper Alloy[M]. Beijing: China Standard Press, 2001.

[8] 黃艷斐, 朱岳麟, 熊常健, 等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴結(jié)焦積碳的性質(zhì)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 37(6):753—756.HUANG Yan-fei, ZHU Yue-lin, XIONG Chang-Jian, et al. Properties of Aircraft Engines’ Nozzle[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011,37(6): 753—756.

[9] 姚帥帥, 賈秀杰, 王興, 等. 面向再制造的熔鹽清洗積碳機(jī)理研究及工藝優(yōu)化[J]. 功能材料, 2015, 46(18):18121—18128.YAO Shuai-shuai, JIA Xiu-jie, WANG Xing, et al.Mechanism Research and Process Optimization on Molten Salt Cleaning Carbon Deposition of Remanufacturing Parts[J]. Journal of Functional Materials, 2015, 46(18):18121—18128.

[10] 喬玉林, 黃克寧, 梁秀兵, 等. 清洗速度對(duì)激光清洗鈦合金積碳表面的形貌與組成的影響[J]. 應(yīng)用激光, 2017,37(6): 859—864.QIAO Yu-lin, HUANG Ke-ning, LIANG Xiu-bing, et al.Influence of Cleaning Speed on the Surface Morphology and Composition of Carbon Deposited Titanium Alloy by Laser Cleaning[J]. Journal of Application Laser, 2017,37(6): 859—864.