高富輝，丁盼，楊冬麗，史成龍，閆金

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

鈦是飛機的主要結構材料，也是航空發(fā)動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料，被譽為“太空金屬”[1]。鑄造鈦合金按相分的組成可分為α合金、近α合金、α+β合金及β合金[2]，其中(α+β)鈦合金中的 ZTC4合金(Ti-6Al-4V)在中高溫環(huán)境下具有良好的綜合性能，是航空結構件選用最廣泛的鈦合金材料。北京航空材料研究院控股的北京百慕航材高科技股份有限公司（簡稱百慕高科），承擔了國內幾乎所有航空發(fā)動機和飛機型號的科研生產任務，為航空發(fā)動機和飛行器提供了大量的 ZTC4鈦合金鑄件[3]。國內鑄件材料標準大部分基于國軍標GJB 2986A—2007的規(guī)定，以往客戶一般只要求使用與鑄件同爐澆注的附鑄試棒進行化學成分、力學性能檢測，實現對新研或批產鑄件的材料控制，然而，附鑄試棒的熱成形狀態(tài)與實際鑄件往往有較大差別，并不能完全代表鑄件的實際性能。近年來，國內客戶也開始慢慢關注鑄件剖切的性能指標，及研究鑄件批生產過程的質量控制。對于ZTC4合金材料，國內不乏大量的基礎及工程應用研究，但對于ZTC4鈦合金鑄件的工業(yè)化認證及批產控制，尚沒有統(tǒng)一的標準進行定義和規(guī)定。

百慕高科是國內唯一一家通過AS9100宇航質量體系認證及NADCAP特殊過程認證的鈦合金鑄造企業(yè)，經過十幾年的產品開發(fā)與發(fā)展，相繼成為法國Safran集團、Airbus公司、美國GE公司、英國R&R公司等世界主要飛機及發(fā)動機制造商的鈦合金鑄件供應商，成功批產了CFM56發(fā)動機系列支板、軸承支座、A320/NEO肋板、吊掛、LEAP套件等鈦合金結構鑄件，并且是目前國內少數能制造大型復雜薄壁鑄件的公司，如用于LEAP發(fā)動機低壓壓氣機的大型中介機匣鑄件，直徑1.1 m，最小壁厚2 mm。民用航空發(fā)動機服役壽命長達幾十年，一些關鍵零件與發(fā)動機同壽命，對材料的穩(wěn)定性及安全性有極高的要求。為保證鈦合金鑄件首件的各項性能及尺寸符合設計指標，以及批產后每批次產品質量一致性，國外航空發(fā)動機制造商對首件及周期性剖切提出了明確的規(guī)定，以確保鑄造工藝過程的穩(wěn)定及可靠。文中通過分析國外宇航客戶對航空發(fā)動機及飛機用ZTC4鈦合金鑄件的首件工業(yè)化認證和批產周期性剖切的技術要求，為國內航空鈦鑄件的研制和批產管理提供借鑒。

1 剖切控制方法

國外主要飛機及發(fā)動機制造商對ZTC4鈦合金鑄件首件及周期性剖切測試的要求見表1。對鈦合金鑄件供應商首次提供的新產品，均要求對首件進行剖切認證，在首件批準后可以根據鑄件的不同等級規(guī)定不同的周期性剖切要求。由表1可以看出，化學成分、室溫拉伸、沾污層、晶粒度及顯微疏松等金相檢測即能滿足大部分鑄件的剖切控制要求。剖切的目的是為了證明鑄件的化學及力學性能、組織均勻性、晶粒水平以及對復雜結構盲區(qū)的尺寸、無損探傷測試和外觀檢驗滿足設計要求以及驗證過程的穩(wěn)定性。對于周期剖切頻率，可以按照首件、第 25件、第 75件、第100件，然后每200件或至少每年1件的頻率進行工藝穩(wěn)定性驗證。

剖切件必須能代表其生產過程，經過了所有關鍵的工序。所有測試要求在認證的試驗室進行，測試標準可以為客戶要求或 ASTM 標準。剖切結果要求進行分析，不僅需符合各項性能要求，對于符合要求但有較大波動的測試結果，需結合工藝、試樣狀態(tài)與測試方法進行分析，并形成剖切報告。

表1 國外主要飛機及發(fā)動機制造商首件及周期剖切測試要求Tab.1 FAI and periodic cut-up requirement of foreign civil aircraft and engine manufacturer

2 結果分析

2.1 化學成分

化學成分剖切取樣分析的目的是確保金屬原材料的可靠以及鑄造過程對鑄件最終化學成分無影響。剖切件的化學成分分析一般要求在主要受熱區(qū)取樣，鑄造廠也可根據其經驗建議選取其他位置。對于一般等級的鑄件，只需按規(guī)范進行常規(guī)元素的化學分析，取樣部位也沒有特殊規(guī)定。對于機匣等最大直徑超過1 m的大型結構復雜的關鍵承力件，為了驗證鑄件各部位的成分均勻性及鑄造工藝過程的可靠性，一方面要求在鑄件多個區(qū)域取樣，如澆口、冒口部位，以及本體重要承力部位等。另一方面還對合金的其他雜質含量提出更具體要求，以避免在合金熔煉、澆注過程中，鈦合金與接觸的坩堝、陶瓷型殼等可能發(fā)生的接觸性污染。

LEAP發(fā)動機的中介機匣在首件剖切驗證程序中就選擇了鑄件4個位置，澆道盤1個位置附鑄化學成分試塊，同時選擇了鑄件本體5個位置剖切取樣分別進行化學成分檢測，LEAP機匣化學成分剖切取樣見圖 1。

化學成分檢測結果見表2，附鑄試塊與鑄件本體剖切取樣測試結果基本一致，波動很小。澆道盤上的附鑄試棒與鑄件上的附鑄試棒化學成分沒有顯著不同，從鑄件5個不同位置剖切取樣檢測結果一致，成分均勻性很好。

另外，LEAP機匣首件剖切還對以下13種微量元素進行了檢測，結果見表3，單個元素的質量分數均小于0.1%，13個元素總量小于0.37%，符合技術規(guī)范要求，驗證了首件合金熔煉及鑄造過程的可靠性。

圖1 LEAP機匣化學成分剖切取樣Fig.1 Chemical analysis sampling sketch of LEAP fan frame hub

表2 LEAP機匣不同部位取樣化學成分結果對比（質量分數）Tab.2 Chemical analysis result of LEAP fan frame hub sampled from different zone %

表3 LEAP機匣微量雜質元素檢測結果（質量分數）Tab.3 Trace impurity element analysis result of LEAP fan frame hub %

2.2 力學性能

GJB 2896A—2007和國外對力學性能的要求大多限于常規(guī)力學性能指標，如抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率以及高溫拉伸測試，對于一些關鍵承力件，國外客戶還要求進行疲勞性能、斷裂韌性測試等。GJB 2896A—2007及國外客戶主要力學性能標準見表4，其中客戶F的各項力學性能標準引用了AMS4992B。

表4 GJB 2896A—2007及國外客戶主要力學性能標準Tab.4 Main mechanical property requirements of GJB 2896A—2007 and foreign customers

國軍標 GJB 2896A—2007對于附鑄試棒的抗拉強度要求為890 MPa，對于鑄件本體剖切的試樣，性能允許低 5%，與國外標準基本處于同一水平，但其并沒有明確要求對鑄件進行剖切取樣測試，也沒有剖切相關的詳細規(guī)定。國外則明確規(guī)定了從鑄件本體剖切取樣的具體要求，對于關鍵承力鑄件，在首件驗證階段，還有必要在鑄件不同位置以及澆道盤不同位置上附鑄試棒進行測試，以驗證不同取樣位置對力學性能的影響，并積累經驗數據，便于制定批生產周期剖切取樣規(guī)則。

力學性能分析剖切取樣方法遵循以下幾個原則：① 取樣位置應選取晶粒較為粗大鑄件的厚大部位，無損檢測結果顯示缺陷較多的部位，因為隨著鑄件厚度的增加，鑄件晶粒尺寸急劇增大，鑄件的力學性能如強度、塑性、抗疲勞及斷裂性能等將被惡化，而往往厚大部位補縮較難，勢必需要進行補焊處理，如果補焊處理不當，極易影響材料性能[4—5]，因此應選取能代表其性能最差的狀態(tài)剖切取樣測試； ②取樣位置考慮鑄件結構，如環(huán)形件在選取試樣時，如果做4個測試，則按90°均布，如果做3個測試，按120°進行取樣，如果做2個測試，按180°進行取樣，試樣取樣方向也做出相應規(guī)定，包括軸向、切線方向、徑向方向； ③試樣加工規(guī)格及測試條件使用ASTM E8/E8M，由于此標準在2004年以前的版本是分英制和公制的，因此國外選用試棒直徑有0.25英寸（6.35 mm）或6 mm圓棒，標距長度選取4d或5d。當鑄件壁厚較小，不足以切取試棒時，可以選用等比例較小直徑的試棒或者板狀試樣。

國內文獻針對不同直徑拉伸試樣對性能的影響作了一些研究，蒲曉妮等[6]認為由于不同直徑的試樣顯微組織結構和試棒加工時表面硬化層的影響，導致抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率均隨試樣直徑增大而下降，胡世軍[7]等也認為隨著試樣直徑的增大，抗拉強度、屈服強度和伸長率逐漸減少，但張浩等[8]在TC4絲材上的實驗結果卻得到相反的結論。影響力學性能結果的因素很多，如何減少實驗條件差異的影響及選用更合理的試棒直徑需要進一步開展研究工作。

2.3 顯微金相

金相分析的內容包括沾污層測試、組織觀察、顯微疏松以及晶粒尺寸分析。沾污層會導致自身裂紋萌生和拓展，會導致鑄件表面裂紋，還明顯影響到材料的疲勞性能、斷裂韌性和沖擊性能，危害極大，鈦及鈦合金標準均不允許有沾污層存在[9—12]。沾污層取樣位置應選取被認為是最熱的部位，一般可選取在澆口冒口附近的鑄件本體處，選取 3～5個部位。對沾污層的標準，各發(fā)動機制造商有不同的規(guī)定。SAFRAN和AIRBUS的要求是模擬最終鑄件狀態(tài)進行沾污層分析，需要進行酸洗去除量的計算，包括最厚沾污層的部位，以及在酸洗時酸液較難到達，可能去除量最少的部位，確保沾污層被去除干凈。GE則要求依據熱等靜壓后的沾污層厚度來確定酸洗量，酸洗量應至少大于熱等靜壓后沾污層厚度的1.5倍。分析沾污層的方法有金相法和硬度法。金相法要求無沾污層，硬度法要求沾污層＜0.05 mm。硬度法按ASTM E384標準測試維氏顯微硬度，在金相試塊上實施100～300 g的載荷，分別在距離被檢測面0.05, 0.5 mm及試塊中心部位測量，前兩者之間的測量硬度值不能超過 100點，且后兩者所測硬度值必須是一個數量級。

鑄件的晶粒度水平一定程度上會影響鑄件的力學性能，大多數合金符合根據材料位錯塞積理論總結出來的材料屈服強度與晶粒尺寸的關系，即 Hall-Petch公式，材料的屈服強度或硬度與晶粒直徑d-1/2為線性關系[13]，但材料的性能不僅僅與晶粒尺寸有關，鈦合金的材料性能取決于合金成分、組織狀態(tài)、相的組成分布等微觀特性[14]，同時，與試樣所包含的缺陷以及試樣加工表面狀態(tài)等均有關，因此并不是所有國外客戶都要求檢查晶粒度，可以將晶粒度檢測作為分析力學性能異常的一個因素。

晶粒檢查一般選擇能代表鑄件最熱區(qū)和最后凝固的部位，能代表鑄件不同厚度的區(qū)域，以及一些可能影響力學性能的關鍵承力部位，取樣數量一般3～5個。晶粒檢查可以在酸洗后的鑄件表面進行宏觀晶粒檢查，也可以對鑄件剖切截面進行微觀檢查，百慕高科對大量鑄件剖切檢測晶粒的結果大部分可以滿足表5的參考標準。

顯微疏松一般在放大倍數≥20倍的情況下進行，檢查累積疏松面積的百分比，檢查區(qū)域根據壁厚尺寸確定，顯微疏松標準為鑄件重要區(qū)≤2%～3%，一般區(qū)≤5%～7%。有必要的情況下對力學測試斷裂試棒的截面進行晶粒度、顯微疏松、沾污層、50倍、100倍500倍的金相組織檢查。

表5 ZTC4鈦合金晶粒尺寸參考標準Tab.5 Reference standard for grain size of ZTC4 titanium alloy

3 結論

1) 制定明確的首件驗證及周期剖切控制方法，是對航空發(fā)動機鑄件材料可靠性及工藝穩(wěn)定性進行驗證的有效手段。

2) 根據ZTC4鈦合金鑄件不同等級及結構特點，應對首件驗證、周期剖切測試項目及頻率差別化對待?；瘜W成分檢測、室溫拉伸、沾污層、晶粒度、顯微疏松及金相組織觀察，即能滿足大部分鑄件的剖切控制要求。

3) 首件驗證可對剖切鑄件進行全成分微量雜質元素的檢測，批產固化鑄造過程關鍵工藝參數后，僅需在鑄件任意位置取一個試樣檢測主要元素的化學成分進行周期剖切控制。

4) 不同結構特點和使用條件的鑄件對剖切性能指標的要求有明顯差別，國內航空產品應逐步積累工程經驗數據，合理定義力學性能標準。

5) 沾污層對鑄件的危害極大，應建立對鑄件表面沾污層的嚴格控制標準。通過宏觀晶粒檢查及微觀晶粒測量檢查組織異常及工藝變動，但晶粒尺寸標準建議僅作為參考標準。

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