7B04鋁合金鍛件中的探傷缺陷

程思?jí)簦瑴貞c紅，林順巖，李 霜，馮 旺

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

7B04 鋁合金是一種由7A04 鋁合金高純化發(fā)展形成、以Al為基體、主要添加Zn、Mg和Cu元素的可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，具有高強(qiáng)度、高硬度的優(yōu)點(diǎn)，因此其鍛件被廣泛用于制作航空航天工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)受力件。然而，鍛件中的缺陷會(huì)造成產(chǎn)品零件性能大幅度降低，制約著合金鍛件用作結(jié)構(gòu)受力件的應(yīng)用。因此，在7B04 鋁合金鍛件成品交貨前，都必須進(jìn)行A級(jí)水浸探傷。為提高鍛件產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率，分析鍛件主要探傷缺陷的類型和特征、研究鍛件探傷缺陷產(chǎn)生的原因并采取有效的措施消除或減少探傷缺陷顯得尤為重要。

鋁合金探傷缺陷研究一直是提高鋁合金內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。王飛[1]等采用超聲相控陣、工業(yè)CT、滲透及金相分析等多種檢測(cè)方法對(duì)航天7A04 鋁合金鍛件缺陷進(jìn)行了定性分析，結(jié)果表明造成鍛件不合格的原因?yàn)樵牧蠆A雜缺陷。孫榮濱[2]研究了鋁合金結(jié)構(gòu)件中化合物偏析缺陷的形成機(jī)制、形貌特征與危害，用高頻點(diǎn)聚焦、水浸探頭超聲波探傷方法，檢測(cè)了特殊結(jié)構(gòu)件中化合物偏析缺陷，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了剖傷驗(yàn)證、定性分析。關(guān)風(fēng)雷[3、4]等人介紹了鋁合金材料氧化膜缺陷形成機(jī)制及特征，研究了鋁合金鍛件氧化膜缺陷的分布規(guī)律，并結(jié)合鋁合金鍛件生產(chǎn)中超聲波探傷實(shí)踐給出了具有代表性的氧化膜超聲波探傷波形、剖傷低倍圖譜、斷口圖譜。劉金霞[5]等人對(duì)7A09 鋁合金棒材探傷缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，確定了缺陷為金屬化合物；并通過控制金屬添加劑、中間合金質(zhì)量，調(diào)整合金的化學(xué)成分，提高熔鑄溫度，加強(qiáng)過濾等預(yù)防措施，降低了產(chǎn)生7A09鋁合金棒材探傷缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。唐劍[6]等人研究了7B04 合金中形成氧化膜的原因，在采用高效除氣和過濾工藝有效除去非金屬氧化物和氫的同時(shí)，解決了凈化后熔體供流轉(zhuǎn)注過程中的二次污染問題，有效防止了7B04合金鑄錠氧化膜缺陷的產(chǎn)生。

本課題在借鑒前期研究的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了7B04 鋁合金鍛件探傷缺陷的類型和特征，并通過鍛件缺陷的定位、打斷口對(duì)不同探傷缺陷組織進(jìn)行了微觀觀察和定性分析，希望能探明鍛件產(chǎn)生缺陷的原因，為優(yōu)化制定7B04 合金鍛件生產(chǎn)加工工藝提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)方法

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選取不滿足A 級(jí)水浸探傷要求的7B04 鋁合金鍛件成品進(jìn)行重新探傷定位、標(biāo)記、取樣、打斷口，對(duì)典型樣品斷口面進(jìn)行宏觀形貌觀察，并采用日立SN3400掃描電子顯微鏡觀察合金斷口微觀組織，采用牛津能譜儀定性分析缺陷的組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋁及其合金在熔煉過程中，鋁熔體中存在的夾雜物、氣體等會(huì)影響熔體純凈度，導(dǎo)致鑄錠易產(chǎn)生氣泡、氣孔、夾雜、疏松、裂紋等缺陷，對(duì)鑄件性能或后續(xù)加工產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性、疲勞性能、抗蝕性、陽(yáng)極氧化性和外觀品質(zhì)等均有顯著影響。對(duì)鋁合金鑄錠、制品進(jìn)行低倍、高倍組織檢測(cè)和氫含量控制等手段是保證鋁合金鑄錠制品質(zhì)量的第一道防線；超聲波探傷無損檢測(cè)是保證鋁合金制品性能的最后一道防線，可以有效發(fā)現(xiàn)合金制品內(nèi)部的組織缺陷。

2.1 典型氧化膜缺陷

圖1為7B04合金鍛件的典型氧化膜缺陷的宏觀形貌，圖2為7B04合金鍛件的典型氧化膜缺陷部位SEM電鏡形貌圖。觀察鍛件缺陷斷口形貌，發(fā)現(xiàn)缺陷斷口面部位與正常部位間有明顯分界，其特征為斷口面局部存在一處線條狀平臺(tái)，尺寸約為7 mm×0.5 mm。

能譜分析結(jié)果見表1 和表2。由圖2 及能譜結(jié)果可知，缺陷部位的O、Mg 元素明顯高于正常部位。因此，由斷口形貌及能譜結(jié)果可知，該缺陷是由氧化膜導(dǎo)致的探傷缺陷。

表1 缺陷部位能譜結(jié)果

表2 正常部位能譜結(jié)果

在鋁合金熔煉和鑄造過程中，熔體表面與空氣接觸，因高溫氧化反應(yīng)形成氧化膜，并覆蓋在熔體表面，當(dāng)熔體表面的氧化膜被破碎并卷入熔體內(nèi)，最后留在鑄錠中形成氧化膜缺陷。

一般來說，氧化膜不同程度地存在于所有鋁和鋁合金鑄錠中，但鑄錠低倍和斷口組織檢查一般不易發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓力加工和熱處理后才能形成較明顯的氧化膜缺陷。氧化膜是鋁合金材料中最常見的一種組織缺陷，它會(huì)破壞金屬組織的連續(xù)性，使產(chǎn)品性能下降，目前還沒有一種理想的熔煉和鑄造工藝能夠完全將其消除。制品受沖擊載荷時(shí)，易從氧化膜處破裂，降低材料的疲勞強(qiáng)度。

所有防止鋁熔體表面氧化膜破裂并進(jìn)入鑄錠中的工藝措施均可有效預(yù)防氧化膜探傷缺陷的產(chǎn)生：一是在鑄造過程中保持鋁液平穩(wěn)供流，使鑄造鋁液在鏡面似的氧化膜底下流動(dòng)，防止鋁液紊流、翻滾或外來破壞，如打渣、高空落物、撒熔劑粉等，甚至是電風(fēng)扇吹風(fēng)引起的液面波動(dòng)，以免造成鋁液表面氧化膜破碎；二是采用合適的過濾裝置過濾熔體，提高過濾精度，強(qiáng)化過濾效率，在不影響鑄錠其他冶金質(zhì)量的前提下，盡可能阻擋氧化膜進(jìn)入鑄錠。

圖1 典型氧化膜缺陷部位宏觀形貌

圖2 典型氧化膜缺陷部位電鏡形貌

2.2 非典型氧化膜缺陷

圖3為非典型氧化膜缺陷宏觀形貌。缺陷樣品斷口面存在一處尺寸約10.0 mm×1.3 mm 的金屬色平臺(tái)。

樣品缺陷平臺(tái)及正常部位典型電鏡形貌見圖4，其能譜結(jié)果分別見表3、表4。在掃描電鏡下觀察可知，樣品斷口面缺陷部位呈較光滑的平臺(tái)狀。能譜結(jié)果表明，缺陷部位、正常部位合金元素基本相當(dāng)。因此，由斷口形貌及能譜結(jié)果可知，該缺陷是由非典型氧化膜導(dǎo)致的探傷缺陷。

圖3 非典型氧化膜缺陷部位宏觀形貌

圖4 樣品斷口面典型電鏡形貌

表3 缺陷部位能譜結(jié)果

表4 正常部位能譜結(jié)果

非典型氧化膜缺陷可以被認(rèn)為是鋁合金制品的疏松缺陷。鋁合金疏松缺陷是在鑄造過程中產(chǎn)生的，分為氣體疏松和收縮疏松兩種形式。熔體中未除去的氣體中氫氣含量較高，氣體被隱藏在枝晶間的間隙內(nèi)。隨著結(jié)晶的進(jìn)行，樹枝晶杈互相搭接形成骨架，樹杈間的氣體和凝固時(shí)析出的氣體無法逸出而集聚，結(jié)晶后這些氣體占據(jù)的位置成為空腔，這個(gè)空腔就是由氣體形成的氣體疏松。在金屬鑄造結(jié)晶時(shí)，從液態(tài)凝固成固態(tài)，體積收縮，在樹枝晶杈間固液體金屬補(bǔ)縮不足而形成空腔，這種空腔即為收縮疏松。

目前采用在線精煉除氣和在線過濾可以將鋁合金鑄錠的氫含量控制在較低的水平，基本上能有效地消除因氣體疏松形成的探傷缺陷。但合金的收縮疏松分布較為分散，鑄錠高、低倍檢測(cè)表現(xiàn)不明顯。其典型特征是：在合金鑄錠變形加工和熱處理后，鑄錠中的氫會(huì)大量析出，并易在氧化膜、未壓合的疏松處析出聚集，形成較光滑的平臺(tái)狀非典型氧化膜探傷缺陷。

提高合金熔體的純凈度、降低熔體氣含量可有效減少非典型氧化膜探傷缺陷，如：選擇合理的在線精煉除氣工藝參數(shù)，防止二次造渣污染；加強(qiáng)熔體在線過濾，降低氣體附著物；在設(shè)備允許的條件下，盡可能增大加工變形量；選擇合適的熱處理溫度及保溫時(shí)間等工藝措施，可降低非典型氧化膜探傷缺陷出現(xiàn)的概率。

2.3 含Ti化合物缺陷

圖5為含Ti化合物樣品宏觀形貌。各樣品斷口面均存在一處尺寸大小不一的淡黃色平臺(tái)，尺寸分別為3.84 mm×1.89 mm、2.09 mm×1.42 mm、3.15 mm×1.52 mm。

在掃描電鏡下觀察，各樣品斷口面平臺(tái)部位典型電鏡形貌見圖6，其能譜結(jié)果分別見表5～表8。由圖6斷口形貌及能譜結(jié)果可知，各樣品缺陷部位呈較光滑平臺(tái)狀，缺陷部位較正常部位均含有較多Ti元素。因此，3個(gè)樣品缺陷均是含Ti化合物導(dǎo)致的探傷缺陷。

圖5 含Ti化合物缺陷部位宏觀形貌

圖6 各樣品斷口面典型電鏡形貌

表5 樣品1缺陷部位能譜結(jié)果

表6 樣品2缺陷部位能譜結(jié)果

表7 樣品3缺陷部位能譜結(jié)果

表8 正常部位能譜結(jié)果

7B04 鋁合金是雜質(zhì)含量較低的高純化鋁合金，出現(xiàn)含F(xiàn)e、Si等粗大化合物探傷缺陷的概率很小。目前，人們對(duì)鋁合金用中間合金（如Al-Zr、Al-Cr 等）的質(zhì)量控制及組織遺傳性大多有較深刻的認(rèn)識(shí)和管控措施，所以合金制品形成含Zr、Cr初生晶化合物探傷缺陷的概率也不大。

從鋁合金化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)來看，一般對(duì)Ti含量控制范圍較寬。出于控制合金鑄錠晶粒和鑄造成型的考慮，會(huì)適當(dāng)增加含Ti的鋁合金晶粒細(xì)化劑的用量，尤其是合金廢料的循環(huán)使用，導(dǎo)致合金制品中的Ti 含量越來越高。鋁合金晶粒細(xì)化劑主要有Al-Ti-B、Al-Ti-C 絲或塊等，其產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。由于含Ti的化合物有難熔、易聚集的特性，在熔鑄鋁合金的熔煉溫度和添加方式下，粗大的化合物未溶解或不能充分溶解，聚集的含Ti化合物沒有彌散分布，遺傳到鋁合金鑄錠中，就形成了含Ti的化合物探傷缺陷。

在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)生產(chǎn)或外購(gòu)的晶粒細(xì)化劑進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，建立分級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)所有鋁合金晶粒細(xì)化劑嚴(yán)格分級(jí)使用；嚴(yán)格控制添加的晶粒細(xì)化劑用量；進(jìn)一步優(yōu)化晶粒細(xì)化劑的添加工藝等。

3 結(jié)論

（1）7B04鋁合金鍛件探傷缺陷主要有典型氧化膜缺陷（O、Mg、Al）、非典型氧化膜缺陷（一般為含氣型）和含Ti化合物缺陷三種類型。

（2）優(yōu)化合金熔煉鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)合金熔體純凈化，可降低或消除典型氧化膜探傷缺陷。

（3）優(yōu)化在線精煉除氣、在線過濾工藝，降低鑄錠含氫量，進(jìn)一步優(yōu)化合金加工變形工藝、熱處理工藝，可減少非典型氧化膜探傷缺陷出現(xiàn)的概率。

（4）優(yōu)化在線細(xì)化工藝，分級(jí)使用晶粒細(xì)化劑，并嚴(yán)格控制細(xì)化劑的添加量，可明顯降低含Ti化合物探傷缺陷出現(xiàn)的概率，提高合金的成品率。