韩云飞，袁兵兵，孙 冰，刘义辉，乔海滨，李渤渤
（1.洛阳双瑞精铸钛业有限公司,河南 洛阳 471000；
2.中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南 洛阳 471000）
铸造钛合金与其他的铸造合金一样，其性能有较大的分散度，这种分散度通过热等静压可获得较大改善，铸件壁厚对力学性能有一定的影响，特别是塑性，这主要是由于冷却速度不同造成显微组织不同和薄壁铸件冷却速度快，得不到很好的补缩，易形成分散的缩松引起的[1]。熔模精密铸造钛合金经常出现缩松、缩孔、气孔和夹杂等各类缺陷，也影响铸件的性能，通过热等静压（HIP）处理，使铸件内部的封闭气孔、缩松被压实闭合，并扩散结合成致密的组织，提高铸件的力学性能[2−3]。
ZTA15 钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，属于近α 型钛合金[4]，与俄罗斯BT20 和BT20JI合金相似[5−6]。随着热等静压和热处理工艺的应用，ZTA15 钛合金铸件的性能基本接近其变形件，应用于航天、航空等领域的大型结构件[7]。
目前，国内外对钛合金组织及性能的研究主要集中在锻轧钛合金上，针对铸造钛合金组织及性能的研究少有报道。工业化生产的钛合金铸件结构复杂，存在薄壁和厚壁交接情况，以往采用圆柱形试棒检测组织和性能，其横截面是固定的，无法准确反映铸件薄壁区域的组织和性能，笔者选用ZTA15 钛合金制备铸态和HIP 态的圆柱形及哑铃形试棒，分别模拟不同壁厚铸件，采用室温拉伸、显微组织观察、晶粒度评定、X 射线探伤、扫描电镜（SEM）及能谱分析等方法，研究了壁厚和铸造缺陷对其组织及性能的影响，支撑了ZTA15 钛合金铸件的推广应用。
本试验所用ZTA15 钛合金试棒（铸态）采用熔模精密铸造工艺制备，首先制作了圆柱形及哑铃形的耐火材料型壳，然后使用VAC-150 真空自耗电极凝壳炉浇铸成型，浇铸制度：电流22～23 kA、真空度<0.9 Pa，电压40 V。圆柱形及哑铃形试棒的最小横截面不同，分别为Ø16 mm 和Ø8 mm，在满足标准拉伸试样尺寸的前提下，哑铃形试棒更能体现铸件厚薄交接的实际状态，借此研究壁厚对钛合金组织及性能的影响，如图1 所示。
图1 圆柱形和哑铃形试棒Fig.1 Cylindrical and dumbbell shaped test bars
圆柱形及哑铃形铸态试棒进行热等静压处理（HIP 态），热等静压制度：在100～140 MPa 氩气压力下，温度920 ℃±10 ℃，保温2～2.5 h，随炉冷至300 ℃ 以下。
首先使用MG226 高频恒压X 射线机检测铸态和HIP 态的圆柱形及哑铃形试棒的内部缺陷情况，然后各随机加工5 根标准拉伸试样，如图2 所示。使用250 kN 材料试验机在室温下进行拉伸试验，各得到5 组力学性能数据，并取其平均值。使用Quanta650 扫描电子显微镜和Genesis X 射线能谱仪对拉伸试样断口分别进行形貌观察和能谱分析。
图2 标准拉伸试样Fig.2 Standard tensile samples
从铸态和HIP 态的圆柱形试棒横向截面（Ø16 mm）随机切取3 个金相试样；
从铸态和HIP 态的哑铃形试棒最小横向截面（Ø8 mm）随机切取3 个金相试样，取样位置如图1 所示。使用OLYMPUS GX71 金相显微镜按照GB/T 5168−2020《钛及钛合金高低倍组织检验方法》、GB/T 6611−2008《钛及钛合金术语和金相图谱》和GB/T 6394−2017《金属平均晶粒度测定方法》进行显微组织观察及晶粒度检测。
从试棒上切取屑样和块样进行化学成分检验，检验结果见表1，满足GJB2896A−2007 标准要求。
表1 ZTA15 钛合金化学成分Table 1 The chemical compositions of ZTA15 titanium alloy %
2.1 ZTA15 钛合金铸态组织和性能
2.1.1 ZTA15 钛合金铸态显微组织和晶粒度
圆柱形及哑铃形试棒的铸态显微组织均为针状α+晶间β+晶界α，具备典型的网篮组织特征，β 相快速冷却转变为针状α 相，α 相在晶界出现，原生β 晶粒转变成长，在一些地方呈编织状，如图3、4 所示。
图3 圆柱形试棒铸态显微组织Fig.3 As-cast microstructure of cylindrical test bar
图4 哑铃形试棒铸态显微组织Fig.4 As-cast microstructure of dumbbell shaped test bar
ZTA15 钛合金铸态α 晶粒粗大，根据 GB/T 6394−2017《金属平均晶粒度测定方法》中的比较法进行晶粒度评定，结果如图5、6 所示。
图5 铸态圆柱形试棒晶粒度Fig.5 Grain size of as-cast cylindrical test bar
2.1.2 ZTA15 钛合金铸态缺陷和室温拉伸性能
铸造钛合金存在残余应力，对材料性能存在不利影响，应在后处理状态下使用[8−9]。圆柱形及哑铃形试棒经X 射线探伤，发现其内部均存在缩松类缺陷，但哑铃型试棒缩松缺陷数量更多，如图7 所示，试棒不做任何处理，直接加工成标准拉伸试样。
图6 铸态哑铃形试棒晶粒度Fig.6 Grain size of as-cast dumbbell shaped test bar
图7 铸态试棒X 射线探伤底片Fig.7 X-ray flaw detection negative film of as-cast bar
室温拉伸力学性能见表2，与圆柱形试棒相比，哑铃形试棒的晶粒较小、缩松类缺陷较多、残余应力较大，室温拉伸强度和塑性反而较小，其中部分试样的数据不满足GJB2896A−2007 标准要求，尤其是规定非比例延伸强度和塑性，说明铸态缩松类缺陷严重影响其力学性能，对材料工程化应用不利。
表2 铸态试样室温拉伸力学性能Table 2 Tensile mechanical properties of as-cast samples at room temperature
2.2 ZTA15 钛合金HIP 态组织和性能
2.2.1 ZTA15 钛合金HIP 态显微组织和晶粒度
圆柱形及哑铃形试棒的HIP 态显微组织均为片状α+晶间β+晶界α，HIP 温度920 ℃±10 ℃，低于β 相变温度（1 000 ℃±20 ℃），其组织“遗传”于铸态组织，针状α 相明显宽化成片状，α 晶界宽化且增多，如图8、9 所示。
图8 圆柱形试棒HIP 态显微组织Fig.8 HIP microstructure of cylindrical test bar
图9 哑铃形试棒HIP 态金相显微组织Fig.9 Microstructure of HIP dumbbell shaped test bar
HIP 态α 晶粒仍然粗大，根据 GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》中的比较法，进行晶粒度评定，结果如图10、11 所示，与铸态相比，晶粒度级别均提高，尤其是哑铃形试棒，这是因为经HIP高温高压后，内部缩松类缺陷压实闭合，并扩散成致密、均匀的组织，晶粒度级别提高。
图10 HIP 态圆柱形试棒晶粒度Fig.10 Grain size of HIP cylindrical test bar
图11 HIP 态哑铃形试棒晶粒度Fig.11 Grain size of HIP dumbbell shaped test bar
2.2.2 ZTA15 钛合金HIP 态缺陷和室温拉伸性能
HIP 态圆柱形及哑铃形试棒经X 射线探伤后发现其内部缩松类缺陷已压实闭合，见图12，其室温拉伸力学性能均得到较大提高，数据分布集中，如表3 所示，哑铃形试棒力学性能稍好，这与其HIP后残余应力得到消除及晶粒度级别较高有关，在此状态下的ZTA15 钛合金适合工程化应用。
图12 HIP 态试棒X 射线探伤底片Fig.12 X-ray flaw detection negative film of HIP test bar
表3 HIP 态试样室温拉伸力学性能Table 3 Tensile mechanical properties of HIP state samples at room temperature
由表3 可知，部分哑铃形试棒的塑性指标不满足标准要求，对拉伸试样断口进行扫描电镜形貌观察，发现存在微小夹杂缺陷，如图13 所示，对夹杂缺陷进行能谱分析，发现O 和Y 元素含量较高，见图14。从断口形貌和能谱分析可知：试样断口位置存在型壳面层材料Y2O3的夹杂，内部夹杂缺陷影响了ZTA15 钛合金的室温拉伸性能，尤其是塑性。
图13 哑铃形试棒拉伸断口扫描电镜形貌Fig.13 SEM photos showing fracture appearance of dumbbell tensile sample
图14 哑铃形试棒拉伸断口能谱分析结果Fig.14 Energy spectrum analysis results of dumbbell tensile sample fracture
1）铸态ZTA15 钛合金存在残余应力和缩松类铸造缺陷，影响其力学性能，对工程化应用不利。
2）壁厚影响ZTA15 钛合金力学性能，壁薄位置晶粒度级别较高，铸态残余应力较大，力学性能反而较低，经热等静压后残余应力得到消除，力学性能稍有提高，为较佳使用状态。
3）缩松类缺陷经热等静压后压实闭合，扩散结合成致密、均匀组织，提高了力学性能，且数据分布集中。
4）夹杂类缺陷对ZTA15 钛合金的力学性能不利，尤其是塑性。
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