鈦合金鑄件基體火焰燒傷對熒光滲透檢測的影響

楊碩，王本志，張軍威，張國旺，楊闊

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，特檢中心，北京 100094；2. 中國航發北京航空材料研究院，鑄鈦中心，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）

鈦合金是一種具有無磁性、耐熱腐蝕、比強度高、抗低溫脆性好、穩定性好等特點的優良結構材料[1—2]，廣泛應用于航空、航天領域。鈦及鈦合金熔模精密鑄件，形狀可任意復雜，整體成形工藝可無余量甚至近無余量，尺寸設計下限到毫米級，具有其獨特的鑄造優越性[3—4]。

熒光滲透檢測是檢驗非疏孔性金屬和非金屬材料表面開口缺陷的方法，其采用毛細作用原理（潤濕的液體在毛細管中呈凹面并且上升，不潤濕的液體在毛細管中呈凸面并且下降的現象）[5—7]，經過滲透、去除、顯像等工序，將缺陷中的滲透液反滲到工件表面，在黑光燈下形成黃綠色缺陷顯示。熒光滲透檢測對零件表面寬度深度較小且內壁較粗糙的缺陷較敏感，對缺陷開口寬度檢測靈敏度可達到微米級[8—9]。

生產中常常遇到批次性鑄件同一位置表面裂紋反復出現的問題，導致熒光滲透檢測、清除缺陷、精整補焊、等工序返工、影響產品質量、耽誤生產進度。翻查焊接記錄，此區域基本都發生補焊，焊接性較差。觀察發現，裂紋反復出現位置多在澆冒口附近，該鑄件采用火焰切割方式去除澆冒口。初步分析原因，為節省冒口殘根去除工序安排，接近無余量切除，導致火焰切割燒到基體表面，生成不規則表面微裂紋，較高溫度下鑄件表面產生富氧α層，富氧α層硬度高、塑性低，使鈦合金在繼續變形或受力時導致表面開裂[10—12]。為進一步驗證猜想，改進工藝，針對生產現場易出現問題的兩種合金產品，進行生產跟蹤，工藝試驗安排及分析。

1 工藝試驗安排

鑄件生產從熔煉澆鑄到終檢入庫工序冗雜，熒光滲透檢測前主要工序流程：熔煉澆鑄—清殼—切割澆冒—吹砂—酸腐蝕—熱等靜壓(HIP)—吹砂—酸腐蝕—焊接—吹砂—酸腐蝕—熒光。分析熒光滲透檢測前能夠造成表面裂紋的可能工序“切割澆冒”造成冒口邊緣火焰燒傷；“熱等靜壓(HIP)”高溫作用產生熱裂紋?，F安排試驗如下： ①切割澆冒—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測，在熱等靜壓(HIP)前安排熒光滲透檢測，記錄切割完澆冒口鑄件表面狀態； ②熱等靜壓—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測，在熱等靜壓(HIP)后，焊接之前安排熒光滲透檢測，記錄熱等靜壓(HIP)后表面狀態； ③焊接—吹砂—酸腐蝕—熒光滲透檢測，在清除表面裂紋，焊接之后安排熒光滲透檢測，記錄焊接區域及熱影響區表面狀態。

采用HM-604高靈敏度熒光滲透液對鑄件進行熒光滲透檢測，滲透20 min，預清洗采用Daraclean282清洗劑，清洗時間5 min，烘干15 min，選用D-90G干粉顯像，顯像時間20 min。對以上3次熒光滲透檢測表面狀態做記錄，并做金相微觀組織觀察，匯總試驗數據比對分析。

2 試驗結果

2.1 切割澆冒口鑄件表面狀態

由于鑄件表面不允許有打磨后銀白金屬色、磨痕、氧化色等，因此對鑄件做吹砂處理，熒光滲透檢測前通常安排酸腐蝕，酸洗表面更利于熒光滲透檢測。黑、白光下表面狀態，見下圖1和圖2。可以看出，鑄件經火焰切割去除澆冒口，熒光滲透檢測發現，冒口附近規則性出現表面微裂紋，且目視可見。

圖1 ZTC4某鑄件切割澆冒Fig.1 Cutting riser of a ZTC4 casting

圖2 ZTA15某鑄件切割澆冒Fig.2 Cutting riser of a ZTA15 casting

2.2 熱等靜壓(HIP)后鑄件表面狀態

熱等靜壓(HIP)技術對于鈦合金鑄件內部縮孔排除、提高致密度、降低孔隙度應用廣泛[13]。采用高溫高壓方式，溫度為800～1000 ℃，壓力為100～180 MPa，保溫2～4 h，見圖3。因上一步試驗切割澆冒工序的表面裂紋未處理，熱等靜壓后鑄件表面裂紋依然存在，觀察可以發現，熱等靜壓前后鑄件表面裂紋的形貌、尺寸基本一致，而且并沒有衍生新的裂紋。

圖3 熱等靜壓后鑄件表面狀態Fig.3 Surface states after HIP

2.3 清缺補焊后鑄件表面狀態

對以上裂紋進行缺陷清除、焊前處理、焊接、鑄件返回吹砂、輕酸洗、熒光滲透檢測，表面狀態見下圖4，并對冒口附近鑄件基體做切片金相微觀組織觀察，見圖5和圖6。清除缺陷，焊接，表面裂紋擴大化，并且裂紋沿焊點周圍呈環形分布。對冒口邊緣焊接區做顯微觀察，測量得出，燒傷區富氧α層可達到1208 μm 縱深。

3 結果分析

由圖1和圖2可知，火焰切割去除澆冒口，冒口邊緣呈片狀裂紋分布，裂紋粗細不均且呈曲折的不規則曲線，冒口棱角裂紋呈鋸齒狀分布，從缺陷形貌可以判斷，并非鑄造前期帶來的結構裂紋，可見火焰燒傷對鑄件基體表面質量破壞嚴重。由圖 3熱等靜壓(HIP)后未衍生新的表面裂紋可知，熱等靜壓(HIP)不會產生表面裂紋，從而驗證了鑄件表面冒口附近微裂紋由于火焰切割澆冒口所致。

圖4 清缺補焊后Fig.4 State after welding repair

圖5 ZTC4某鑄件富氧α層顯微組織Fig.5 Microstructure of oxygen-enriched alpha layer for ZTC4 casting

圖6 ZTA15某鑄件富氧α層顯微組織Fig.6 Microstructure of oxygen-enriched alpha for ZTA15 casting

目前，生產現場安排的酸腐蝕工序，依據產品不同工序狀態分為較大去除量的深酸腐蝕，去除量100～500 μm，以及較小去除量的輕微酸腐蝕，去除量為5～25 μm。觀察燒傷鑄件表面顯微深度得出，酸腐蝕不足以去除因燒傷造成的鑄件表面富氧α層。

分析原因，火焰切割澆冒口，當鑄件表面溫度達到一定范圍時，氧、碳、氮等元素會擴散滲入鑄件表面，從而產生由于α穩定劑引起的污染，表面形成富集氧、碳、氮硬而脆的污染層[14—15]。富氧α層可使鈦及鈦合金鑄件在繼續變形或受力時導致表面開裂、塑性降低[10—12]，鑄件還未進行退火處理，殘余應力過大，火焰切割局部高溫，增加了相變應力，應力集中裂紋便容易產生[9]。對鑄件表面裂紋缺陷進行打磨消除，在表面處理不到位情況下，即未完全去除富氧α層進行焊接，極易導致表面開裂，因此，進行熒光滲透檢測時，形成焊接區環形補焊裂紋。

4 結論

1) ZTC4以及ZTA15兩種牌號鈦合金鑄件，火焰燒傷均產生不同程度裂紋，裂紋的生成與鑄件的成分無關。

2) 火焰切割澆冒口產生表面裂紋，同時生成一定厚度富氧α層，酸腐蝕不足以去除燒傷造成的α層，同時燒傷部位為后期補焊、熒光滲透檢測造成不必要反復。

3) 對于發生燒傷裂紋的鑄件，建議擴大清除缺陷面積，提高清除缺陷深度，保證將富氧α層完全去除，提高焊接質量。

4) 在清除表面熒光缺陷之后，可安排二次熒光滲透檢測復驗，避免表面缺陷處理不徹底造成的焊接裂紋。

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