壁厚和鑄造缺陷對ZTA15 鈦合金組織及性能的影響

韓云飛，袁兵兵，孫 冰，劉義輝，喬海濱，李渤渤

（1.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司,河南 洛陽 471000；2.中國船舶集團有限公司第七二五研究所,河南 洛陽 471000）

0 引言

鑄造鈦合金與其他的鑄造合金一樣，其性能有較大的分散度，這種分散度通過熱等靜壓可獲得較大改善，鑄件壁厚對力學性能有一定的影響，特別是塑性，這主要是由于冷卻速度不同造成顯微組織不同和薄壁鑄件冷卻速度快，得不到很好的補縮，易形成分散的縮松引起的[1]。熔模精密鑄造鈦合金經常出現縮松、縮孔、氣孔和夾雜等各類缺陷，也影響鑄件的性能，通過熱等靜壓（HIP）處理，使鑄件內部的封閉氣孔、縮松被壓實閉合，并擴散結合成致密的組織，提高鑄件的力學性能[2?3]。

ZTA15 鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，屬于近α 型鈦合金[4]，與俄羅斯BT20 和BT20JI合金相似[5?6]。隨著熱等靜壓和熱處理工藝的應用，ZTA15 鈦合金鑄件的性能基本接近其變形件，應用于航天、航空等領域的大型結構件[7]。

目前，國內外對鈦合金組織及性能的研究主要集中在鍛軋鈦合金上，針對鑄造鈦合金組織及性能的研究少有報道。工業(yè)化生產的鈦合金鑄件結構復雜，存在薄壁和厚壁交接情況，以往采用圓柱形試棒檢測組織和性能，其橫截面是固定的，無法準確反映鑄件薄壁區(qū)域的組織和性能，筆者選用ZTA15 鈦合金制備鑄態(tài)和HIP 態(tài)的圓柱形及啞鈴形試棒，分別模擬不同壁厚鑄件，采用室溫拉伸、顯微組織觀察、晶粒度評定、X 射線探傷、掃描電鏡（SEM）及能譜分析等方法，研究了壁厚和鑄造缺陷對其組織及性能的影響，支撐了ZTA15 鈦合金鑄件的推廣應用。

1 試驗方法

本試驗所用ZTA15 鈦合金試棒（鑄態(tài)）采用熔模精密鑄造工藝制備，首先制作了圓柱形及啞鈴形的耐火材料型殼，然后使用VAC-150 真空自耗電極凝殼爐澆鑄成型，澆鑄制度：電流22～23 kA、真空度<0.9 Pa，電壓40 V。圓柱形及啞鈴形試棒的最小橫截面不同，分別為?16 mm 和?8 mm，在滿足標準拉伸試樣尺寸的前提下，啞鈴形試棒更能體現鑄件厚薄交接的實際狀態(tài)，借此研究壁厚對鈦合金組織及性能的影響，如圖1 所示。

圖1 圓柱形和啞鈴形試棒Fig.1 Cylindrical and dumbbell shaped test bars

圓柱形及啞鈴形鑄態(tài)試棒進行熱等靜壓處理（HIP 態(tài)），熱等靜壓制度：在100～140 MPa 氬氣壓力下，溫度920 ℃±10 ℃，保溫2～2.5 h，隨爐冷至300 ℃ 以下。

首先使用MG226 高頻恒壓X 射線機檢測鑄態(tài)和HIP 態(tài)的圓柱形及啞鈴形試棒的內部缺陷情況，然后各隨機加工5 根標準拉伸試樣，如圖2 所示。使用250 kN 材料試驗機在室溫下進行拉伸試驗，各得到5 組力學性能數據，并取其平均值。使用Quanta650 掃描電子顯微鏡和Genesis X 射線能譜儀對拉伸試樣斷口分別進行形貌觀察和能譜分析。

圖2 標準拉伸試樣Fig.2 Standard tensile samples

從鑄態(tài)和HIP 態(tài)的圓柱形試棒橫向截面（?16 mm）隨機切取3 個金相試樣；從鑄態(tài)和HIP 態(tài)的啞鈴形試棒最小橫向截面（?8 mm）隨機切取3 個金相試樣，取樣位置如圖1 所示。使用OLYMPUS GX71 金相顯微鏡按照GB/T 5168?2020《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗方法》、GB/T 6611?2008《鈦及鈦合金術語和金相圖譜》和GB/T 6394?2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行顯微組織觀察及晶粒度檢測。

從試棒上切取屑樣和塊樣進行化學成分檢驗，檢驗結果見表1，滿足GJB2896A?2007 標準要求。

表1 ZTA15 鈦合金化學成分Table 1 The chemical compositions of ZTA15 titanium alloy %

2 試驗結果與分析

2.1 ZTA15 鈦合金鑄態(tài)組織和性能

2.1.1 ZTA15 鈦合金鑄態(tài)顯微組織和晶粒度

圓柱形及啞鈴形試棒的鑄態(tài)顯微組織均為針狀α+晶間β+晶界α，具備典型的網籃組織特征，β 相快速冷卻轉變?yōu)獒槧瞀?相，α 相在晶界出現，原生β 晶粒轉變成長，在一些地方呈編織狀，如圖3、4 所示。

圖3 圓柱形試棒鑄態(tài)顯微組織Fig.3 As-cast microstructure of cylindrical test bar

圖4 啞鈴形試棒鑄態(tài)顯微組織Fig.4 As-cast microstructure of dumbbell shaped test bar

ZTA15 鈦合金鑄態(tài)α 晶粒粗大，根據 GB/T 6394?2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的比較法進行晶粒度評定，結果如圖5、6 所示。

圖5 鑄態(tài)圓柱形試棒晶粒度Fig.5 Grain size of as-cast cylindrical test bar

2.1.2 ZTA15 鈦合金鑄態(tài)缺陷和室溫拉伸性能

鑄造鈦合金存在殘余應力，對材料性能存在不利影響，應在后處理狀態(tài)下使用[8?9]。圓柱形及啞鈴形試棒經X 射線探傷，發(fā)現其內部均存在縮松類缺陷，但啞鈴型試棒縮松缺陷數量更多，如圖7 所示，試棒不做任何處理，直接加工成標準拉伸試樣。

圖6 鑄態(tài)啞鈴形試棒晶粒度Fig.6 Grain size of as-cast dumbbell shaped test bar

圖7 鑄態(tài)試棒X 射線探傷底片Fig.7 X-ray flaw detection negative film of as-cast bar

室溫拉伸力學性能見表2，與圓柱形試棒相比，啞鈴形試棒的晶粒較小、縮松類缺陷較多、殘余應力較大，室溫拉伸強度和塑性反而較小，其中部分試樣的數據不滿足GJB2896A?2007 標準要求，尤其是規(guī)定非比例延伸強度和塑性，說明鑄態(tài)縮松類缺陷嚴重影響其力學性能，對材料工程化應用不利。

表2 鑄態(tài)試樣室溫拉伸力學性能Table 2 Tensile mechanical properties of as-cast samples at room temperature

2.2 ZTA15 鈦合金HIP 態(tài)組織和性能

2.2.1 ZTA15 鈦合金HIP 態(tài)顯微組織和晶粒度

圓柱形及啞鈴形試棒的HIP 態(tài)顯微組織均為片狀α+晶間β+晶界α，HIP 溫度920 ℃±10 ℃，低于β 相變溫度（1 000 ℃±20 ℃），其組織“遺傳”于鑄態(tài)組織，針狀α 相明顯寬化成片狀，α 晶界寬化且增多，如圖8、9 所示。

圖8 圓柱形試棒HIP 態(tài)顯微組織Fig.8 HIP microstructure of cylindrical test bar

圖9 啞鈴形試棒HIP 態(tài)金相顯微組織Fig.9 Microstructure of HIP dumbbell shaped test bar

HIP 態(tài)α 晶粒仍然粗大，根據 GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的比較法，進行晶粒度評定，結果如圖10、11 所示，與鑄態(tài)相比，晶粒度級別均提高，尤其是啞鈴形試棒，這是因為經HIP高溫高壓后，內部縮松類缺陷壓實閉合，并擴散成致密、均勻的組織，晶粒度級別提高。

圖10 HIP 態(tài)圓柱形試棒晶粒度Fig.10 Grain size of HIP cylindrical test bar

圖11 HIP 態(tài)啞鈴形試棒晶粒度Fig.11 Grain size of HIP dumbbell shaped test bar

2.2.2 ZTA15 鈦合金HIP 態(tài)缺陷和室溫拉伸性能

HIP 態(tài)圓柱形及啞鈴形試棒經X 射線探傷后發(fā)現其內部縮松類缺陷已壓實閉合，見圖12，其室溫拉伸力學性能均得到較大提高，數據分布集中，如表3 所示，啞鈴形試棒力學性能稍好，這與其HIP后殘余應力得到消除及晶粒度級別較高有關，在此狀態(tài)下的ZTA15 鈦合金適合工程化應用。

圖12 HIP 態(tài)試棒X 射線探傷底片Fig.12 X-ray flaw detection negative film of HIP test bar

表3 HIP 態(tài)試樣室溫拉伸力學性能Table 3 Tensile mechanical properties of HIP state samples at room temperature

由表3 可知，部分啞鈴形試棒的塑性指標不滿足標準要求，對拉伸試樣斷口進行掃描電鏡形貌觀察，發(fā)現存在微小夾雜缺陷，如圖13 所示，對夾雜缺陷進行能譜分析，發(fā)現O 和Y 元素含量較高，見圖14。從斷口形貌和能譜分析可知：試樣斷口位置存在型殼面層材料Y2O3的夾雜，內部夾雜缺陷影響了ZTA15 鈦合金的室溫拉伸性能，尤其是塑性。

圖13 啞鈴形試棒拉伸斷口掃描電鏡形貌Fig.13 SEM photos showing fracture appearance of dumbbell tensile sample

圖14 啞鈴形試棒拉伸斷口能譜分析結果Fig.14 Energy spectrum analysis results of dumbbell tensile sample fracture

3 結論

1）鑄態(tài)ZTA15 鈦合金存在殘余應力和縮松類鑄造缺陷，影響其力學性能，對工程化應用不利。

2）壁厚影響ZTA15 鈦合金力學性能，壁薄位置晶粒度級別較高，鑄態(tài)殘余應力較大，力學性能反而較低，經熱等靜壓后殘余應力得到消除，力學性能稍有提高，為較佳使用狀態(tài)。

3）縮松類缺陷經熱等靜壓后壓實閉合，擴散結合成致密、均勻組織，提高了力學性能，且數據分布集中。

4）夾雜類缺陷對ZTA15 鈦合金的力學性能不利，尤其是塑性。