某ZTA15鈦合金零件鑄造表面質量異常分析

殷建鋒，馮新，李佳，趙文俠，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發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）

鈦合金密度小、比強度高、耐腐蝕性強、力學性能良好，是一種優良的結構材料，已廣泛應用于航空、航天、化工等領域[1]。鈦具有很高的化學活性，能與幾乎所有的鑄型材料發生界面反應，鑄造鈦合金表面易產生污染層，污染層的存在往往會使鑄件表面產生裂紋，表面污染層還明顯影響到材料的疲勞性能、斷裂韌性和沖擊性能[2]，通過酸洗、噴砂等方式可以有效去除表面污染層[3]。鈦合金機械加工過程中，表面易沾染油污，除油工序是保證零件潔凈以及保證零件熱處理時不會因油污使材料表面產生污染的重要步驟，使毛坯和零件能均勻地涂敷保護涂料和潤滑劑，保證零件的焊接質量[4]。熒光檢驗是鈦合金零件廣泛采用的表面缺陷檢驗方法，熒光檢驗對于鈦合金零件表面狀態要求較嚴，零件表面殘留的污物對熒光檢驗影響很大[5]，因此，鈦合金零件的表面質量對材料的檢測、后處理、材料性能及使用壽命有著重要影響，對鈦合金零件表面狀態的研究具有重要意義。文中以鑄造表面存在黑色斑點的某ZTA15鈦合金零件為研究對象，利用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀對零件鑄造表面形貌和成分進行了分析，對導致鑄造表面產生黑色斑點的質量異常原因進行分析，并提出了表面質量改進措施。

1 試驗材料和方法

試驗材料取自某批次鑄造表面存在黑色斑點的ZTA15鈦合金零件，ZTA15鈦合金仿制于俄羅斯BT20Л鑄造鈦合金，其名義成分為 Ti-6Al- 2Zr-1Mo-1V，屬于近α型鈦合金[6]，其化學成分見表1[7]，毛坯為熔模精密鑄造+熱等靜壓+退火+噴砂狀態，零件為機加工+退火狀態。噴砂材料為棕剛玉砂，牌號A，規格 54#，化學成分見表 2，噴砂壓力為 0.2～0.4 MPa，噴砂時間為8～10 s。

零件鑄造表面外觀見圖1，表面顯示密集黑點。取樣位置見圖2，1#, 3#試樣為鑄造表面，2#試樣為機加工表面，通過線切割取樣，1#, 2#試樣經過超聲波清洗、研磨、拋光、腐蝕處理后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品縱向微觀組織形貌，3#試樣經過超聲波清洗處理后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品表面形貌，并使用能譜分析儀對1#, 2#, 3#試樣進行成分分析。

表1 ZTA15合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of ZTA15 alloy (mass fraction) %

表2 棕剛玉砂的化學成分（質量分數）Tab.2 Chemical composition of brown corundum sand (mass fraction) %

圖1 零件鑄造表面外觀Fig.1 Casting surface of parts

圖2 取樣位置Fig.2 Sampling position

2 結果與討論

2.1 微觀分析

1#和 2#試樣的微觀組織形貌見圖3和圖 4，3#試樣表面微觀形貌見圖 5。可以看出，1#試樣表面凹凸不平，有顆粒狀物體嵌入進基體（圖3b和3c中白色箭頭標注），也有顆粒狀物體附著于鑄造表面（圖3d中白色箭頭標注），2#試樣表面平整度較高，未發現有顆粒狀物質嵌入基體，近表面的微觀組織正常，3#試樣表面有較多的顆粒狀物質嵌入到基體（圖 5c中白色箭頭標注），同時表面也有顆粒狀物體附著于鑄造表面（圖5d中白色箭頭標注）。

2.2 能譜分析

1#試樣能譜成分分析結果見圖6，圖6a結果顯示1#試樣外表面Al和O含量較高，表明試樣表面局部嵌入了以氧化鋁為主的顆粒物，圖6b結果顯示1#試樣的表面（縱向）存在厚度約0.3～0.4 μm的白亮層，從線掃描的結果來看，Al和O元素的含量偏高。圖6c結果顯示 1#試樣表面嵌入物成分與基體成分明顯不同，point 1處主要成分為Al, O元素，含有少量的Ti, Mg, V, Mo元素，可以判斷嵌入物為棕剛玉顆粒，point 1和point 2位置均不含C元素，圖6d結果顯示1#試樣表面顆粒物主要成分為C元素，并含有少量的Ti, Al等合金元素，可以判斷顆粒物為碳黑。

2#試樣的縱向截面能譜線掃描成分分析結果見圖7，結果顯示表面區域氧元素含量偏高，存在厚度約0.5 μm的氧化層。3#試樣表面能譜成分分析結果見圖8，結果顯示，point 1和point 2處為顆粒狀嵌入物，主要成分為Al, O, C元素，并含有少量合金元素，表面嵌入物主要為棕剛玉顆粒，其表面有少量碳污染，結合 6a—6c分析結果可知，棕剛玉顆粒嵌入鑄件基體，在鑄造表面分散分布；point 3處主要成分為Ti, Al,O, C元素，并含有少量合金元素，表面為基體材料、棕剛玉粉和碳污染的混合狀態，point 4處為顆粒主要成分為C和O元素，含有少量的Ti, Al等合金元素，顆粒物主要為碳黑，結合6d分析結果可知，碳黑顆粒物附著于鑄件表面，在鑄造表面分散分布，相比于零件機加工表面無碳黑顆粒，零件鑄造表面粗糙度大，碳黑顆粒與基體的結合力強[8]。

圖4 2#試樣SEM形貌Fig.4 SEM morphology of sample 2#

圖5 3#試樣SEM形貌Fig.5 SEM morphology of sample 3#

圖6 1#試樣能譜掃描成分分析Fig.6 Analysis of energy spectrum scanning components of sample 1#

圖7 2#試樣能譜線掃描成分分析Fig.7 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 2#

2.3 原因分析及改進措施

ZTA15鈦合金零件生產工藝流程如下：① 鑄造工序→② 噴砂→③ 入庫→④ 粗加工→⑤ 汽油清洗→⑥ 退火→⑦ 精加工→⑧ 汽油清洗→⑨ 表面鍍層→⑩ 零件。現場發現：產品在⑥退火后鑄造表面出現黑點斑點，完成⑦精加工后，在⑧汽油清洗工序黑色斑點無法清除徹底，影響⑨表面鍍層質量。研究結果表面，零件鑄造表面主要存在棕剛玉顆粒和碳黑顆粒兩種外來物質，棕剛玉顆粒來源于②噴砂工序，碳黑顆粒產生的原因是：產品完成④粗加工后，零件鑄造表面沾染的油污在⑤汽油清洗工序中清洗不潔凈，導致鑄造表面殘留的油性物質在⑥退火工序真空熱處理后析出，零件機加工表面沒有碳黑顆粒，零件鑄造表面存在分散的碳黑顆粒，附著于鑄造表面的碳黑顆粒與基體結合力較強，當覆蓋數量不斷增多就會形成積碳，碳黑顆粒對零件表面質量及鍍層質量有影響。有研究表明，積碳層與零件表面結合強度高，與一般油污、銹蝕和漆層相比，清除更加困難[9]，目前傳統的清洗方法如超聲波清洗、化學溶劑法、水射流清洗法等[10]難以把積碳表面清理干凈，而采用表面去余量的吹砂、酸洗等[3]方法雖然可以去除表面積碳，但是對零件表面粗糙度及尺寸有影響，為了不影響零件表面質量，喬玉林等[10]開展了鈦合金表面積碳的激光清洗試驗，在優選工藝參數下，可以得到較好質量的清潔表面，零件表面C含量接近于0，為文中零件表面碳黑的去除指出了一種處理方向。

表3 選區元素含量（原子數分數）Tab.3 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

圖8 3#試樣能譜線掃描成分分析Fig.8 Analysis on energy spectrum scanning components of sample 3#

表4 選區元素含量（原子數分數）Tab.4 Content of regional elements (fraction of number of atoms) %

零件表面碳黑產生的根本原因是熱處理前的清洗不到位，如要獲得高質量的表面狀態，零件表面的油污要徹底清洗干凈，應采用超聲波清洗+冷水洗+熱水洗（去離子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，超聲波清洗槽內金屬清洗劑規格為 KX-2，體積分數為 2%～4%，零件清洗干凈后保存和運輸過程中應注意表面防護，防止零件二次污染。

3 結論

1) 零件鑄造表面主要存在棕剛玉顆粒和碳黑顆粒兩種外來物質，棕剛玉顆粒來源于鑄件噴砂工序，棕剛玉顆粒嵌入鑄件基體，在鑄造表面分散分布；碳黑顆粒產生于零件鑄造表面油污清洗不潔凈真空熱處理后析出，碳黑顆粒物附著于鑄造表面，在鑄造表面分散分布，碳黑顆粒對零件表面及鍍層質量有影響。

2) 為了避免表面碳黑的產生，零件清洗工序應采用超聲波清洗+冷水洗+熱水洗（去離子水）+吹干的方式替代汽油清洗的方式，零件清洗干凈后保存和運輸過程中應注意表面防護，防止零件二次污染。

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