7xxx系高強(qiáng)鋁合金厚板斷口平臺缺陷的研究

蔣會學(xué)，長海博文，郭世杰，李亞芳

(1.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院，北京100062；2.蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026)

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7xxx系高強(qiáng)鋁合金厚板斷口平臺缺陷的研究

蔣會學(xué)1,2，長海博文1,2，郭世杰2，李亞芳2

(1.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院，北京100062；2.蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026)

研究以80mm厚7xxx系合金板材的沖擊斷口為研究對象，采用掃描電鏡結(jié)合能譜分析，考察了斷口上平臺缺陷的宏觀形貌及平臺區(qū)域所含夾雜物種類，并分析了產(chǎn)生平臺缺陷的可能原因。結(jié)果表明，平臺缺陷呈淡褐色，形狀為不規(guī)則的長條狀，長度方向尺寸通?？蛇_(dá)2～3mm；平臺缺陷的局部區(qū)域含有較多的夾雜物(氧化物、含鐵相等)；平臺缺陷產(chǎn)生的原因可能為渣氣伴生，即鑄錠中氣孔夾雜共存，軋制過程中氣孔沿軋制方向變形，兩側(cè)金屬由于氣體的存在始終不能接觸焊合而形成平臺缺陷。

7xxx系合金；厚板；斷口平臺

7xxx系高強(qiáng)鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，對高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度和綜合性能提出了更高的要求[1]。隨著大飛機(jī)等項(xiàng)目的實(shí)施，國內(nèi)對高品質(zhì)的高強(qiáng)鋁合金厚板的需求日益凸顯。鋁合金厚板主要指板材厚度在35～80mm的板材，厚度在80～200mm的板材稱為特厚板，厚度為200～1100mm的板材稱為極厚板[2]。鋁合金厚板主要應(yīng)用在航空工業(yè)相關(guān)的國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼和蒙皮等部件[3]。7050鋁合金是7xxx系鋁合金的一種，具有高強(qiáng)度、宜加工、優(yōu)異的耐腐蝕和疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)中，其厚板是航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料之一[4,5]，其中7050厚板已大量用于機(jī)身框架翼梁和尾翼等部件。

隨著現(xiàn)代飛機(jī)逐漸向大型、高速、重載、長壽命和高安全性方向發(fā)展，且飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料主要承受循環(huán)加載，因此對材料的抗疲勞性能提出了更高的要求。目前高強(qiáng)鋁合金厚板的生產(chǎn)方式主要是將大規(guī)格鑄錠通過熱軋的方式實(shí)現(xiàn)的[6]，而大規(guī)格高強(qiáng)鋁合金鑄錠則主要通過直接水冷半連續(xù)鑄造法(DC鑄造)生產(chǎn)，熔鑄過程中夾雜物的引入及氣孔、疏松的產(chǎn)生都有可能成為疲勞裂紋源而影響厚板的疲勞性能[7]。本文針對影響厚板疲勞性能的斷口平臺缺陷，利用體式顯微鏡和掃描電鏡對斷口平臺特征進(jìn)行了研究，分析了平臺的形貌特點(diǎn)及平臺上夾雜的種類及來源，并給出了可能產(chǎn)生平臺缺陷的原因，旨在為平臺缺陷的控制及疲勞性能的改善提供相關(guān)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

本研究中所用材料為國內(nèi)某鋁加工廠提供的厚度為80mm的7xxx系合金板材(板材斷口檢測結(jié)果為不合格)，合金成分如表1所列。選取三塊板材加工成尺寸為10mm×10mm×55mm并帶有2mm的V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。試樣表面經(jīng)砂紙拋光以去除加工痕跡，室溫下在ZBC2302-C沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊功為250J，試驗(yàn)過程如圖1所示。首先采用OLYMPUS-SZ61體式顯微鏡對沖擊斷口進(jìn)行宏觀觀察，找到平臺缺陷，之后采用JSM-6480掃描電子顯微鏡對平臺缺陷進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

圖1 沖擊試驗(yàn)過程示意圖

ZnMgCuCrFeSiAl5.7～5.92.4～2.61.6～1.80.22～0.24≤0.15≤0.10余量

2 結(jié)果與討論

2.1 平臺缺陷宏觀形貌

體式鏡下，沖擊斷口處平臺缺陷的宏觀形貌如圖2所示。由圖中可以看出平臺缺陷區(qū)域有顏色的變化，與Al基體顏色不同，平臺區(qū)域呈淡褐色形狀不規(guī)則的長條狀，長度方向尺寸通?？蛇_(dá)2～3mm，且長度方向與軋制方向基本保持一致，經(jīng)分析可知缺陷在軋制過程中經(jīng)變形拉長。

(a)試樣a (b) 試樣b (c) 試樣c 圖2 板材沖擊斷口宏觀形貌Fig.2 Impact fracture morphology of plate

2.2 平臺缺陷分類

在掃描電鏡下對體式鏡下發(fā)現(xiàn)的淡褐色平臺區(qū)域進(jìn)行形貌觀察，并通過能譜分析其化學(xué)成分。觀察平臺發(fā)現(xiàn)，與基體相比，平臺缺陷處第二相數(shù)量較少，每個(gè)平臺上均含有至少一種夾雜物，可見夾雜物是平臺缺陷的一個(gè)主要特征，因此根據(jù)夾雜物的種類對平臺缺陷進(jìn)行分類。通過能譜分析判斷平臺上夾雜物主要有氧化物、含Ti顆粒、含F(xiàn)e相等。根據(jù)夾雜物來源及成分可將平臺缺陷上的夾雜物分為以下幾類。

2.2.1 氧化物

圖3和圖4分別對應(yīng)斑塊狀氧化物夾雜和顆粒狀氧化物夾雜。背散射電子像下觀察試樣a平臺缺陷上的夾雜物，深灰色斑塊上堆積分布著顆粒狀夾雜物，尺寸在幾微米至二十幾微米之間。能譜分析可知夾雜物主要成分為O和Al，同時(shí)含有少量的Mg和Zn，推斷其為Al2O3夾雜。試樣c平臺缺陷夾雜物呈顆粒狀鑲嵌于鋁基體中，形狀不規(guī)則，尺寸為幾個(gè)微米。能譜分析可知，其主要成分為Al、Mg和O，因此推測該顆粒狀氧化物夾雜為MgAl2O4和Al2O3。

高溫下，鋁熔體和空氣中的氧反應(yīng)形成氧化物夾雜，該種夾雜物為鋁合金熔煉過程中最常見的非金屬夾雜物，貫穿于鋁合金熔煉、鑄造各個(gè)階段，其存在形式包括膜狀、線狀、顆粒狀和聚集斑塊狀[8]。當(dāng)合金元素較少時(shí)，氧化物夾雜以Al2O3為主。含Mg鋁合金中，當(dāng)熔體與空氣接觸時(shí)，除可形成Al2O3外，Mg和空氣中的O反應(yīng)還可形成MgO。當(dāng)熔體溫度高于700℃時(shí)，MgO和Al2O3可通過反應(yīng)生成含Mg鋁合金中的主要夾雜物-冶金學(xué)尖晶石(MgAl2O4)。

圖3 試樣a斷口平臺典型區(qū)域處夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

圖4 試樣c斷口平臺典型區(qū)域處夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

觀察試樣c平臺缺陷上發(fā)現(xiàn)黑色膜狀夾雜物斷續(xù)分布在平臺上。能譜分析可知其主要成分為Al和O，因此推測圖5中氧化物主要為Al2O3(氧化膜)。在熔煉和澆鑄過程中，鋁熔體表面形成一層連續(xù)致密的氧化膜，可防止內(nèi)部熔體繼續(xù)氧化，在轉(zhuǎn)爐和澆鑄過程中，熔體流動使表面薄的氧化膜發(fā)生破裂、扭曲后卷入熔體中，形成氧化膜夾雜[8]。氧化物在平臺上呈膜狀斷續(xù)分布推測可能為在軋制過程中破碎導(dǎo)致。

圖5 試樣b板材斷口平臺典型區(qū)域

2.2.2 含Ti顆粒

在試樣c平臺缺陷上除發(fā)現(xiàn)顆粒狀氧化物夾雜，還發(fā)現(xiàn)彌散分布有尺寸不足一微米的亮白色顆粒。能譜分析可知除Al元素外含有較多的Ti，推測其為含Ti顆粒(圖6)。鋁合金熔體中存在的含Ti夾雜物大多為細(xì)化劑殘留物。目前鋁合金熔鑄中使用的晶粒細(xì)化劑主要為Al-Ti-B細(xì)化劑，其有效成分為Al3Ti和TiB2。Al3Ti在鋁熔體中溶解性好，因此在熔體中發(fā)現(xiàn)Al3Ti的可能性很小。細(xì)化劑添加到熔體中一段時(shí)間后，其中的有效成分TiB2顆粒易發(fā)生團(tuán)聚和沉降，減弱了細(xì)化效果，團(tuán)聚的TiB2可成為鋁合金熔體中常見的夾雜物。

2.2.3 含F(xiàn)e相

在a樣品平臺缺陷處除發(fā)現(xiàn)含氧化物顆粒外，還發(fā)現(xiàn)少量白色顆粒狀物質(zhì)。能譜分析可知該物質(zhì)除Al和O元素外還含有一定量的Fe，因此推測其為Fe相，如圖7所示。由圖中可以看出該含F(xiàn)e相尺寸在十微米以下，推測其為鋁錠中的雜質(zhì)Fe成分(與熔體中其他元素反應(yīng)形成)。

圖6 試樣c斷口平臺典型區(qū)域處夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

圖7 試樣a斷口平臺典型區(qū)域處夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

2.3 平臺缺陷定性分析

關(guān)于平臺缺陷的產(chǎn)生，分析主要由渣氣伴生引起，熔體內(nèi)渣與氣之間潤濕性較好，使得二者容易伴生。渣氣伴生時(shí)，鑄錠中會出現(xiàn)氣孔夾雜共存；軋制過程中，氣孔會沿軋制方向變形，但其兩側(cè)的金屬會由于氣體的存在始終不能接觸焊合并最終形成平臺缺陷。推測認(rèn)為由于氣體的存在，凝固后期晶間富溶質(zhì)液相很難填充進(jìn)來，造成氣孔及夾雜附近溶質(zhì)元素貧乏，這是平臺附近第二相少的原因。

3 結(jié)論

通過對Al-Zn-Mg-Cu高強(qiáng)鋁合金厚板沖擊斷口平臺缺陷的研究，得到以下結(jié)論：

(1)平臺缺陷呈淡褐色，形狀為不規(guī)則的長條狀，長度方向尺寸通常可達(dá)2～3mm，長度方向與軋制方向基本保持一致；

(2)平臺上有夾雜物為其基本特征，按照夾雜物成分及來源可分為氧化物、含Ti顆粒、含F(xiàn)e相等；

(3)平臺缺陷產(chǎn)生的原因可能為渣氣伴生，即鑄錠中氣孔夾雜共存，軋制過程中氣孔沿軋制方向變形，兩側(cè)金屬由于氣體的存在始終不能接觸焊合而形成平臺缺陷。

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Study of Fracture Platform of High-strength 7xxx Alloy Thick Plate

JIANG Huixue1,2, Nagaumi Hiromi1,2, GUO Shijie2, LI Yafang2

(1. CHINALCO Research Institute of Science and Technology, Beijing 100062, China;2. Suzhou Institute for Non-Ferrous Metals Research Co., Ltd., Suzhou 215026, China)

The paper highlighted impact fractures of 80mm thick 7xxx alloy plate. Combined SEM with EDS, the paper studied platform defect morphology and inclusion types, and it analyzed possible cause of platform defect. The results showed that the platform defect was brown in appearance with irregularly shaped strip; the measurements were normally 2～3mm lengthwise; some inclusions such as oxides, iron phase were observed in local area of platform; gas generated with inclusions may cause platform defect, i.e. porosities in cast ingot became deformed along rolling direction in hot rolling, isolating metals around porosity from being welded together and forming platform defect.

7xxx series alloy; thick plate; fracture platform

2014-12-23

蔣會學(xué)(1983-)，男，博士，工程師，主要從事7xxx系高強(qiáng)鋁合金的研究工作。

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0013-04