薄壁ZTC4钛合金铸件表层与心部组织性能分析

发布时间:2022-06-16

作者:铸造工程

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编辑导语:选取某薄壁ZTC4钛合金精密铸件为研究对象,对铸件典型位置的表层和心部显微组织进行了分析与统计,并对铸件各部位在室温下的强度、塑性、冲击韧性、显微硬度等性能进行了测试,分析了其组织和性能分布特征,建立了铸件组织与性能的相应关系。结果表明:薄壁铸件和厚大铸件的表层组织与心部组织分布趋势基本一致,随着铸件壁厚的增加,其表层和心部组织β晶粒平均尺寸均呈近似线性增大的趋势,铸件组织的粗化会导致其综合力学性能下降。

自从20世纪80年代中期以来,大型、薄壁、复杂、整体、精密铸件的制造,已经成为国外航空、航天飞行器用的钛合金结构件制造技术的发展趋势,这类铸件整体结构性好,可靠性高,重量轻,加工成本低,在航空航天领域内具有广阔的应用前景。然而由于这类铸件外廓尺寸大,壁薄,结构复杂,实现近净形铸造的难度很大,只有少数发达国家拥有这种先进铸造技术。对于这种薄壁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、心部组织均不一致。同时,钛合金薄壁铸件表层组织、心部组织之间的关系,对性能分布的影响如何,还缺乏相关研究。近年来,随着我国大型民航客机研制项目的启动,对大型薄壁精密铸件的研究、研制及应用提出了更高的要求和挑战。


对于结构材料,其内部微观组织特征决定了材料的性能,通过对典型薄壁精密铸件微观组织与性能分布的分析,可以建立ZTC4钛铸件组织与性能的相关性。据此,结合生产实际,以某ZTC4钛合金典型薄壁件为研究对象,根据结构壁厚不同对该铸造钛合金不同位置的组织分析,对典型铸件的显微组织进行了定量表征及统计,并对铸件各区域的室温拉伸性能、冲击性能和显微硬度进行了测试,分析其组织和性能分布特征。


01

试验材料与方法

选取某典型ZTC4钛合金薄壁铸件为评估对象,其化学成分满足表1要求,金相组织为典型的魏氏组织,具有粗大等轴的原始β晶粒,其中镶嵌以片状α相,每个β晶粒由若干个片状α群集组成,α群集由成束状平行分布的α片层构成,α片层又被β片层由中间层隔开。

表 1 ZTC4 铸造钛合金元素含量(质量分数,%)

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实验按照《GB/T 5168-2008钛合金高低倍组织检验方法》执行,设备采用德国CARL ZEISS科研级数字全自动正置金相显微镜Axio Imager. M2m 和Cam-z 手持式金相显微镜对试样进行金相观察,其中手持式显微镜仅用来对酸洗后的铸件表面进行低倍拍摄,金相显微镜同时用来对处理好的铸件试样进行低倍和高倍拍摄。

选取某舱门ZTC4钛合金典型铸件为实验研究对象,如图1所示,在铸件如图所示位置进行取样。为了全面表征铸件组织分布情况,对薄壁铸件各区及典型位置处表层(垂直于壁厚方向)和心部(垂直于壁厚方向)进行随机取样。采用10 mm×10 mm的组织取样标准,并计算铸件各区面积比例。底部薄区(图1A区)是底面最薄的梯形区域,厚度约2.6 mm;横筋(图1B 区):厚度约3 mm;斜筋(图1C区)厚度约5 mm;底部厚区(图1D 区)厚度约6.4 mm。

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图 1 某典型钛合金薄壁铸件

在力学性能取样时,考虑到铸件壁薄、复杂程度不高,且关注的是铸件的最小壁厚区、复杂结构中的交界区,由于各区尺寸厚度均不能满足航空工业标准试样尺寸,故采用非标准小尺寸试样代替,切取的拉伸试样和冲击试样如图2所示,厚度均与薄壁件各区壁厚保持一致,除试样厚度外保证其余尺寸统一。

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图 2 薄壁铸件拉伸试样和冲击试样

室温拉伸试验按照《GB/T 228-2010金属材料室温拉伸试验方法》 执行,加载速率为0.05 mm/min,每个位置测试5根拉伸试样,得出拉伸试验应力应变曲线,通过室温拉伸试验得到铸件的抗拉强度、屈服强度和伸长率等力学性能指标。冲击试验采用NI750C型冲击试验机进行冲击试验,设备最大冲击能量为750 J, 分辨力为0.4 J。硬度测量采用HBRV-187.5型布洛维硬度计检测显微硬度取样位置位于各区表层和心部。


02

试验结果与讨论

2.1 ZTC4 钛合金铸件表层组织与心部组织相关性分析

对比铸件整体表层及心部 β 晶粒尺寸的分布结果(如图3),分析ZTC4钛铸件的β晶粒最大尺寸、最小尺寸和平均尺寸的表层与心部两条曲线的变化趋势,可见铸件表层和心部组织分布趋势基本一致。铸件表层组织β晶粒的最大尺寸为4.4 mm,最小尺寸为0.3 mm,平均尺寸为1.1 mm;心部组织β晶粒的最大尺寸为 4.4 mm,最小尺寸为0.3 mm,平均尺寸为0.9 mm。在平均尺寸的表层曲线参数中,期望值(xc)=10.5,标准差(σ)=3.3,半高宽=7.8;心部曲线参数中,期望值(xc)=8.8,标准差(σ)=4.6,半高宽=8.5,对比两者曲线参数发现,在均值方面,表层高于心部0.1 mm,铸件组织表层β晶粒平均尺寸较心部高0.1 mm,在标准差与半高宽方面,表层均低于心部,说明薄壁铸件整体表层组织β晶粒平均尺寸的分布范围和曲线波动性高于心部。对比晶粒不规则度分布曲线发现,表层均值大于心部,说明心部组织β晶粒分布更加规则。因此,薄壁ZTC4铸件中,同一区域的表层组织β晶粒平均尺寸高于心部,且心部晶粒较表层晶粒形状更加规则。

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图 3 铸件整体表层及心部 β 晶粒尺寸分布曲线

从铸件厚度不同区域取样后微观组织的定量分析结果如图4。可以看出,铸件的各区域的表层组织β晶粒平均尺寸在0.82~1.39 mm之间,心部组织β晶粒平均尺寸在0.68~1.28 mm之间。随着铸件壁厚的增加,相应该位置的表层和心部β晶粒平均尺寸呈近线性增大的趋势,两者增大的趋势相接近。

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图 4 铸件表层与心部β晶粒平均尺寸随壁厚的变化关系


2.2 ZTC4 钛合金铸件组织与力学性能分析

钛合金薄壁铸件整体力学性能(拉伸性能、冲击性能)和硬度的分布情况为除个别试样外,铸件大部分区域试样的抗拉强度均在846~985 MPa,屈服强度均在 816~975 MPa,伸长率均在12%~20%。根据国家军用标准GJB 2896A-2007《钛及钛合金熔模精密铸造规范》规定的ZTC4钛合金精密铸件退火或热等静压状态下附铸试棒的各项性能指标(表2),根据规定,从铸件上切取试样的力学性能允许比附铸试棒的低5%判定,此薄壁铸件的拉伸性能指标中,抗拉强度96.7%的试样、屈服强度76.7%的试样、伸长率99%的试样符合该标准。


表 2 GJB 2896A-2007《钛及钛合金熔模精密铸造规范》附铸试棒的力学性能要求

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铸件整体的抗拉强度、屈服强度和伸长率分布如图5所示。可以看到,铸件整体的抗拉强度为896.7 MPa,波动范围在-3.8%~5.7%;屈服强度为828.4 MPa,波动范围在-5.6%~5.1%;伸长率为14.5%,波动范围在-13.8%~29% 之间。


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图 5 薄壁铸件整体拉伸性能分布


图6为铸件的拉伸性能随壁厚的变化规律,在此壁厚区间内,随着铸件壁厚的增加,相应的该位置的抗拉强度、屈服强度和伸长率均有增大趋势。可以看出,在铸件的拉伸性能指标中,伸长率受壁厚影响变化最明显,屈服强度最不明显。


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图 6 薄壁铸件拉伸性能随壁厚变化规律


图7为铸件整体的冲击性能分布,铸件整体的单位面积总冲击吸收能量为0.98 J/mm2,波动范围在 -8%~13%;单位面积裂纹形成功为0.84 J/mm2


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图 7 薄壁铸件冲击性能变化规律


对于此壁厚区间的ZTC4钛合金铸件,粗大的晶粒组织对室温拉伸性能影响不大,但对伸长率影响较大。这是因为钛合金的塑性变形是一种晶界行为,晶粒尺寸小,晶界数量多而短有利于晶界滑动和晶粒转动,变形应力集中得到及时松弛,有益于抑制空洞形核与长大。同时,细晶区材料的原子扩散和界面扩散协调过程更容易进行。在冲击载荷作用下,ZTC4钛合金β晶粒尺寸与单位面积总冲击功、单位面积裂纹形成功、单位面积裂纹扩展功呈负相关。根据上述理论,细晶区合金冲击韧性好,裂纹不易形成且形成后的裂纹不易扩展,由于裂纹在细晶区扩展过程中要多次改变方向,从而消耗更多的能量。


图8为铸件整体表层和心部组织硬度分布情况,表层显微硬度为340.2 HV,波动范围在-3%~3%,心部显微硬度为353.5 HV,波动范围在-8%~11%之间。而随着铸件壁厚的增加,其显微硬度呈线性下降的趋势,如图9所示。从拟合的铸件表层的显微硬度(HV1)与心部的显微硬度(HV2)与铸件壁厚(b)之间的关系式,公式(1)和公式(2)可以看出,铸件心部的硬度随壁厚的变化较表层硬度降低的趋势更明显。


HV1=347.3-2.4b (1)

HV2=358.4-3.6b (2)


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图 9 薄壁铸件显微硬度随壁厚变化规律


03

结语

(1)ZTC4钛合金铸件的表层组织与心部组织分布趋势基本一致,铸件越厚,β晶粒越大,其中表层组织β晶粒较心部晶粒增大10%~20%。随着铸件壁厚的增加,其表层和心部组织β晶粒平均尺寸均呈近线性增大的趋势,两者增大的幅度相近。


(2)对于壁厚6 mm 以内的薄壁钛合金铸件,随着壁厚的增加,铸件组织β晶粒平均尺寸呈增大趋势,相应的该位置的室温抗拉强度、屈服强度变化不明显,伸长率增大趋势明显。相应区域的单位面积总冲击能量、单位面积裂纹形成功和单位面积裂纹扩展功均有降低趋势,铸件综合力学性能下降。


(3)随着壁厚增加,铸件表层与心部的显微硬度均呈线性下降的趋势,心部的硬度随壁厚的变化较表层硬度降低的趋势更明显。