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北京军工零件加工航空航天大型复杂精密ZT

时间:2022-08-30 10:17:05 点击:17次

为庆祝中国共产党成立100周年,《特种铸造及有色合金》期刊特别筹划航空航天轻量化合金专题,目前该专题已经发表在《特种铸造及有色合金》2021年第41卷第07期上。本文作者:张美娟1, 2, 3 ,郄喜望1, 2, 3 ,吴国清4 ,南海1, 2 ,仉宇5;单位为1. 中国航发北京航空材料研究院;2. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心;3. 北京百慕航材高科技有限公司;4. 北京航空航天大学;5. 航空工业信息中心。

导读

采用组织定量评估技术,对某大型钛合金铸件产品各区域的组织进行定量评估,对比分析了铸件表层组织和内部组织的相关性,探讨了铸件本体组织评估中试样选取及观察原则。结果表明,铸件本体表层、中心层和截面获得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高宽均随铸件厚度增加呈线性增大的趋势,表层及中心层的晶粒尺寸分布相似并呈正态分布的特点,截面组织分布呈偏态分布的特点。结合钛合金铸件特点,在大型复杂精密钛合金铸件本体组织评估中,建议统一采用表层组织来评估铸件组织的均匀性。

关键词:钛合金;铸件;组织;统计;晶粒度

随着我国大型飞机的研制和适航认证体系的完善,对大型复杂精密钛合金铸件等飞机关键结构件的质量评估和监控成为亟待解决的关键问题之一。对大型钛合金铸造产品而言,在凝固生长过程中,受铸件壁厚、凝固顺序等因素的影响,铸件表层组织、中心层组织、截面组织均不一致。目前通过金相法获得的铸件微观组织为二维图像,无法反映铸件实际晶粒的三维形貌特征,剖切方式的不同也会导致较大差异。对于铸件本体如何剖取组织试样,如何选择观察面,还没有统一的标准或规范;实际工作中,选择哪个面进行铸件的解剖分析,充满了不确定性;铸件表层组织、中心层组织、截面组织之间的关系如何,还缺乏相关研究。对钛合金铸件而言,酸洗后的外观组织清晰可见,可通过手持显微镜获得较为清晰的晶粒尺寸信息。建立铸件表层-中心层-截面晶粒尺寸间的相关性,不仅可以实现利用表层组织预测铸件内部的组织分布特征,还为开展铸件组织的无损评估提供了可能。

以某ZTC4钛合金机匣为研究对象,机匣采用熔模精密铸造方法制备,型壳为氧化物陶瓷型壳(面层为氧化钇涂料浆),重力浇注。机匣各部位壁厚为4~40mm,具有板筋交接、内外环等复杂结构,在典型区域A~F取样并进行试验分析,见图1。

(a)机匣照片 (b)机匣解剖试样

图1 ZTC4钛合金机匣铸件

铸件的化学成分见表1,符合GB/T15073-1994要求。

参照无损评估拍照区域对铸件对应位置进行解剖取样和金相检测,作为对比,腐蚀剂组成为1%的HF+3%的HNO3+96%的H2O。采用CARL ZEISS型金相显微镜按照GB/T5168-2008执行高倍组织检验,获得铸件表层(统一指外表层)、中心层、截面组织照片,利用钛合金铸件组织晶粒度测定及评估方法对每个区进行晶粒统计分析,其中每个区统计的晶粒数量不低于600个。

1 试验结果与分析

铸件A区表层、截面、中心层的典型金相组织见图2,图2d为中心层金相组织照片图像处理后的晶粒信息。可以看出,铸件A区表层晶粒尺寸较为粗大,中心层晶粒略小,截面晶粒分布较表层、中心层更不均匀,这与钛合金铸件凝固速度较快有关。

(a)表层

(c)中心层

(b)截面

(d)中心层晶粒信息

图2 铸件表层/中心层/截面金相组织和晶粒信息照片(A区)

图3为铸件各区域表层、截面、中心层和铸件整体晶粒尺寸分布曲线,各区域的表层-中心层-截面晶粒尺寸分布具体指标见表2。截面组织晶粒尺寸的分布范围为8~7 502 μm,平均晶粒尺寸约为742 μm,晶粒尺寸半高宽约为1 675 μm。截面的晶粒尺寸呈偏态分布,并表现出较大的半高宽值(图3b)。随铸件壁厚的增加,截面晶粒尺寸分布的峰值呈增大趋势。当铸件厚度较小时,晶粒间相互竞争,生长受抑制,晶粒尺寸普遍偏小,且分布范围较窄。随着铸件壁厚增加,晶粒生长空间增大,整体晶粒尺寸偏大,且分布范围较宽。可见,截面组织分布状况受壁厚影响变化较大。

表层组织晶粒尺寸的分布范围为44~7 660 μm,平均晶粒尺寸约为984 μm;晶粒尺寸半高宽约为1 157μm;中心层组织晶粒尺寸分布的分布范围为17~6 868 μm,平均晶粒尺寸约为1 507 μm,晶粒尺寸半高宽约为2 021 μm。铸件表层和中心层的晶粒尺寸分布较为相似,呈正态分布,并随铸件壁厚呈现规律性变化。

(a)整体

公司在国内知名专家教授的引领带动下,组建了一支国内******的超精密技术研发团队,研发团队在超精密机床的单元技术、切削机理和工艺、成套技术及应用工艺方面具备丰富的技术经验和实践积累。可为北京精密零件加工北京铝合金异型件加工制造相关产业提供优质的技术服务。

(c)表层

(b)截面

(d)中心层

图3 铸件各区域及整体晶粒尺寸均值分布曲线

图4为铸件晶粒尺寸均值和半高宽随铸件厚度的变化。可以看出,铸件表层、截面和中心层的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高宽均随铸件厚度增加而呈线性增大趋势。随着铸件壁厚的逐渐增加,表层、中心层、截面之间的平均晶粒尺寸变化曲线近似平行,而截面组织的半高宽增长曲线与表层/中心层差异随着壁厚增加明显增大。铸件表层、截面和中心层所得的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高宽与铸件厚度的关系可分别采用下式进行拟合:

d=M1+M2h (1)

w=N1+N2h (2)

式中,d为铸件表层、截面和中心层所得的晶粒尺寸均值,mm;h为铸件厚度,mm;w为晶粒尺寸分布半高宽,mm;M1、M2、N1、N2为系数,与浇注温度、工艺、材料本身性能等因素有关。通过拟合获得的相关参数见表3。

(a)晶粒均值变化

(b)半高宽变化

图4 晶粒尺寸均值和半高宽随铸件厚度的变化

上述结果表明,铸件表层和中心层组织存在较好的相关性,并呈现正态分布的特点,可以用表层组织评估预测中心层组织的分布状况,而铸件截面组织随壁厚变化波动较大,并呈现偏态分布的特点。在大型复杂精密钛合金铸件本体组织评估中,结合钛合金铸件特点,建议统一采用表层组织来评估铸件组织的均匀性,这也为将来利用铸件表层组织酸洗后清晰可见的特点对铸件进行组织分布状况的无损评估提供了可能。

2 结论

(1)铸件表层晶粒、截面晶粒和中心层的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高宽均随铸件厚度增加而呈线性增大趋势。

(2)铸件表层组织和中心层组织存在较好的相关性,并呈现正态分布的特点,可以用表层组织评估预测中心层组织的分布状况,而铸件截面组织随壁厚变化波动较大,并呈现偏态分布的特点。

(3)在大型复杂精密钛合金铸件本体组织评估中,结合钛合金铸件特点,建议统一采用表层组织来评估铸件组织的均匀性。

引用格式:张美娟,郄喜望,吴国清,等. ZTC4钛合金铸件表层与内部组织的相关性研究[J].特种铸造及有色合金,2021,41(7):814-816.


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