航空用高品質(zhì)7050鋁合金大扁錠成型技術(shù)研究

王 劍，徐正權(quán)

(西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326)

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu系高強鋁合金是可熱處理強化型鋁合金，具有高的強韌匹配性能、良好的熱加工性能（適于軋制、擠壓和鍛造）、較好的耐腐蝕性能以及抗疲勞性能等優(yōu)點，是航空航天、軍事和交通領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料[1，2]。

從“七五”開始，我國即持續(xù)將“高強鋁合金”作為攻關(guān)課題項目立項，組織材料生產(chǎn)研制單位、材料應(yīng)用研究單位等國內(nèi)優(yōu)勢科研院所聯(lián)合開展7×××系合金研究。目前，利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)對鑄造過程中的溫度場、流場、濃度場、應(yīng)力場等進行模擬，可以大大縮短研制周期。另外，利用超聲波、電磁力等外場干擾技術(shù)打斷枝晶、增大過冷度、提高形核率、減少偏析、改變二次相的形成及分布、同時顯著細化晶粒，最終有效改善金屬的凝固組織并且減小裂紋產(chǎn)生的工藝研發(fā)傾向也已成為研究熱點[3]。在工業(yè)規(guī)模化批量生產(chǎn)7050合金材料時發(fā)現(xiàn)，隨著加工材截面積增大，合金鑄錠規(guī)格相應(yīng)增大，鑄錠裂紋廢品較多，鑄錠與加工材組織均一性下降，這是因鑄錠內(nèi)部顯微疏松、氧化夾渣、非金屬夾雜等嚴重鑄造缺陷所帶來的加工材探傷斷口廢品比例增高，從而制約了7050 合金材料的規(guī)?；慨a(chǎn)出及其在高性能要求場合的應(yīng)用。這其中的主要原因就在于航空用7050 合金大規(guī)格優(yōu)質(zhì)錠坯制備技術(shù)與裝備技術(shù)方面尚未取得突破性進展，其中尤以前者影響最大。因此，開展航空用高品質(zhì)7050 合金大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鑄錠制備技術(shù)研究是很有必要的。

1 航空用7050合金扁錠現(xiàn)狀分析

1.1 鑄造成型困難

7050 合金是Al-Zn-Mg-Cu 系高強合金，合金化元素總量超過10%，鑄態(tài)強度高。該合金具有很寬的結(jié)晶溫度范圍，固液相區(qū)溫度寬至488～629 ℃，凝固枝晶間化合物眾多，且與氧化夾雜和吸氣疏松混雜一起，造成合金鑄造凝固結(jié)晶時在固液區(qū)強度低和線收縮大。由于在合金凝固末期補縮、焊合條件惡化，再加上雜質(zhì)元素對合金脆性影響及鑄造工模具和鑄造工藝選擇不恰當，導致扁錠在鑄造時具有很大的裂紋傾向性，極難成型。

7050 鋁合金扁錠中的強化相多，有η（Mg-Zn2）、T（Al2Zn3Mg3）、S（Al2CuMg）相等，還可能存在Mg2Si、（FeMn）Al6等。在不平衡冷卻條件下，固液區(qū)增大，晶界上的強化相增多，塑性下降，增大了合金的裂紋傾向[4]。尤其是在鑄造開頭階段和鑄造過程中容易產(chǎn)生各種裂紋，導致工業(yè)化生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠的成型率很低。

1.2 鑄錠組織一致性差

由于7050 合金鑄造時具有凝固區(qū)間寬和非平衡結(jié)晶等特點，晶內(nèi)和晶界處均有較多粗大的第二相，尤其是沿晶界處連續(xù)分布著共晶組織[5]，加上合金元素擴散特性及微量元素等綜合影響作用，鑄錠斷面1/4 區(qū)域和中心部位存在晶粒粗大、樹枝晶發(fā)達現(xiàn)象。粗、細晶粒區(qū)域有較為明顯界限，在鑄錠斷面較大區(qū)域內(nèi)也存在成分偏析，大規(guī)格鑄錠存在這種現(xiàn)象更甚。這種組織、成分不均勻性會遺傳到后端，影響到鑄錠加工板材的探傷、斷口、性能等的一致性。

1.3 鑄錠顯微疏松嚴重

7050 合金的高化學成分、寬凝固結(jié)晶溫度范圍及樹枝晶發(fā)達和含有易氧化元素等特性決定了鑄錠內(nèi)部還存在極為嚴重的顯微疏松、氧化夾雜等內(nèi)部冶金缺陷，極大影響著加工材疲勞韌性等性能。在鑄錠試樣未浸蝕狀態(tài)下，即可發(fā)現(xiàn)鑄錠內(nèi)部微觀上存在嚴重的疏松情況，這種顯微疏松孔洞大量存在于鑄錠1/4 厚度到心部位置、氧化夾渣缺陷位置、晶粒間或發(fā)達的枝晶間位置、復(fù)雜化合物處等位置。分布在鑄錠晶界或枝晶間的疏松其內(nèi)表面多參差不齊或呈棱角孔洞狀，這種孔洞型疏松所占比例最大，與鑄錠氫含量和合金凝固特性密切相關(guān)，最難徹底除去；另一種為各種氧化夾渣紊亂混雜型疏松，可通過控制氧化夾渣來減少；還有一種與復(fù)雜化合物聚集、混雜且分布不均勻的共晶型疏松也較難根除。

1.4 加工板材存在缺陷

對7050 合金軋制加工板材進行斷口組織檢驗和水浸A級探傷后發(fā)現(xiàn)，板材探傷合格率較低；斷口解剖檢查時經(jīng)常出現(xiàn)目視可見缺陷，影響加工板材性能和成材率。在這些缺陷中，其鑄錠心部顯微疏松遺傳的疏松氣孔缺陷所占比例最多，其次為氧化夾雜引發(fā)缺陷和在線加入Al-Ti-C細化劑帶來的Ti、C 元素富集引發(fā)缺陷，其它硅酸鹽夾雜、鐵銹夾雜、熔劑夾渣等為偶發(fā)缺陷。

2 扁錠成型技術(shù)研究

2.1 化學成分優(yōu)化

直接水冷鑄造的熱裂紋敏感性受化學成分、中間合金、細化劑加入量的影響很大[6]，因此通過優(yōu)化化學成分來提高鑄錠成型性顯得極為重要。鋁熔體中雜質(zhì)含量高時，位錯及晶格畸變數(shù)量增加，不但降低了合金的塑性，而且增大了合金組織的內(nèi)應(yīng)力，故應(yīng)對鋁合金的雜質(zhì)元素Fe、Si 進行嚴格控制[7]。實際生產(chǎn)時，控制Fe/Si≥1.2，以抑制有害針狀β 相（Fe2Si2Al9）的產(chǎn)生，使之生成危害較小的骨骼狀α相（FeSi3Al12），縮小合金的脆性區(qū)，以改善合金的熱裂紋傾向性，提高合金的鑄造性能。

2.2 鑄造工裝開發(fā)

2.2.1 結(jié)晶器

結(jié)晶器形狀對鑄錠成型影響巨大，目前常用的結(jié)晶器形狀有直面、V形面、圓弧面，材質(zhì)為6061鍛鋁或預(yù)拉伸厚板。經(jīng)過長時間驗證，三種結(jié)晶器各有所長，直面結(jié)晶器成型率相對較低，但機加工量小，加工效率高，成本低；V形面結(jié)晶器成型率相對較高，但機加工量較大，加工效率相對較低；圓弧面結(jié)晶器成型率較高，但機加工量大，加工效率較低，成品率損失也較大。因此這3種結(jié)晶器沒有絕對之優(yōu)劣差異，可以根據(jù)需求自由選擇使用。2.2.2底座

底座設(shè)計的合理與否對鑄錠成型影響極大，底座的合理性取決于其形狀和材質(zhì)，常用的底座有雙曲面底座、深底座和平底座，材質(zhì)有鋼鐵、鋁質(zhì)。

對于全自動鑄造而言，鑄造開頭不采用純鋁鋪底，而是用鑄態(tài)塑性有限的7050 合金本體熔體鋪底，這對鑄造底座形貌提出嚴格要求，即鑄造底座不僅應(yīng)與鑄錠初始階段翹曲變形程度、鑄錠底部裂紋等密切相關(guān)，還應(yīng)與初始液穴形態(tài)的生成相關(guān)聯(lián)。經(jīng)過研究自主開發(fā)優(yōu)化設(shè)計（400～600）mm×（1 120～2 000）mm 系列扁錠結(jié)晶器工裝，將結(jié)晶器底座設(shè)計成上表面光滑的雙曲凹面形狀，優(yōu)化雙曲面曲率半徑尺寸，做到既不阻礙鑄錠自然翹曲，又不至于使翹曲過大變形產(chǎn)生裂紋，使鑄錠出結(jié)晶器時逐漸見水，逐層收縮，減少鑄錠底部凝固時的收縮抗力；對影響冷卻水流向、熱交換蒸氣作用大小和方向的底座濾水孔的數(shù)量及位置進行重新布置，調(diào)整了結(jié)晶器小面形狀及冷卻水箱結(jié)構(gòu)和在線潤滑油供給回路，設(shè)計了防止鑄錠出結(jié)晶器后扭曲和傾倒的相應(yīng)結(jié)構(gòu)（見圖1）。實踐驗證，該鑄造工裝經(jīng)過逐步優(yōu)化完善后，其結(jié)晶器和底座結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，為7050合金鑄造生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。

2.3 自動化鑄造工藝研究

鑄錠開頭以及穩(wěn)態(tài)工藝參數(shù)直接影響鑄錠能否成型，因此制定合適的工藝參數(shù)異常關(guān)鍵。開頭工藝主要涉及流量、鑄造速度、鑄造溫度、液位高度、填充速率及刮水器位置；穩(wěn)態(tài)工藝主要包括水流量、鑄造速度和鑄造溫度。如果工藝制定不好，鑄造開頭不裂則漏，裂紋問題尤為突出。

圖1 優(yōu)化前后鑄錠底座形貌

2.3.1鑄錠底部裂紋預(yù)防

在7050 合金扁錠的熔鑄生產(chǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)，影響鑄錠成型最主要的因素就是鑄錠底部裂紋和大面裂紋缺陷。在7050 合金鑄造生產(chǎn)初期常出現(xiàn)底部裂紋，裂紋出現(xiàn)概率近60%，導致鑄造過程不能繼續(xù)進行。我們仔細分析鑄造開頭時鑄錠的凝固情況，發(fā)現(xiàn)鑄錠底部從結(jié)晶器出來見水直接冷卻時，會產(chǎn)生收縮翹曲變形。當?shù)鬃螤畈划敿敖Y(jié)晶器冷卻不均勻、收縮翹曲不對稱或翹曲量不夠或鑄錠內(nèi)應(yīng)力沒有得到釋放時，鑄造過程就可能產(chǎn)生后續(xù)裂紋；當?shù)撞柯N曲量過大，又會撕裂鋪底部引發(fā)底部裂紋或漏鋁。這種底部裂紋不嚴重時可能自行愈合或借助外力愈合，嚴重時會從鑄錠底部一直向上延伸發(fā)展，使得鑄造不能繼續(xù)進行。通過優(yōu)化鑄造底座形貌尺寸，完善熔體鋪底工藝、冷卻水流量和鑄造速度的變化規(guī)律，采取鑄錠開頭弱冷技術(shù)手段，有效控制鑄錠開頭階段應(yīng)力大小，最終有效減少或消除了鑄造開頭時的底部裂紋，并且使其在7050合金扁錠鑄造生產(chǎn)后期也幾乎不見，大大提高了鑄造開頭成功率。

2.3.2 鑄錠大面裂紋預(yù)防

7050 合金扁錠鑄造時另一類主要裂紋缺陷就是大面裂紋，多數(shù)情況下出現(xiàn)在鑄造開始階段。該類型裂紋不會愈合，一旦出現(xiàn)只能停止鑄造重新開頭。統(tǒng)計分析這種大面裂紋絕大多數(shù)情況起源于鑄錠開頭階段表面冷隔、氧化膜等缺陷處，由于該缺陷處凝殼較薄，強度較低，加上鑄錠與結(jié)晶器摩擦阻力、鑄錠底部翹曲變形及刮水導致內(nèi)應(yīng)力變化等因素綜合影響，使得7050 合金鑄造凝固結(jié)晶時鑄錠收縮受阻而出現(xiàn)這種大面裂紋。

針對裂紋多數(shù)源自大面局部的原因，我們采取了以下系列預(yù)防措施：充分烘烤轉(zhuǎn)注工具，減少水分和熔體反應(yīng)生成的氧化渣；控制鑄錠正常液穴形成前的冷卻水壓和鑄造速度，減小鑄錠開頭段內(nèi)應(yīng)力變化；降低結(jié)晶器內(nèi)液面波動幅度、保證結(jié)晶器在線潤滑油量和均勻性，以減小鑄錠和結(jié)晶器壁摩擦阻力；適當提高鋪底熔體溫度，增加熔體流動性，減少鑄錠表面冷隔缺陷；鑄造鋪底完成后快速熟練打去熔體表面渣，待熔鑄正常后不再擾動熔體表面；配合模擬仿真分析，微調(diào)結(jié)晶器內(nèi)分流袋尺寸及形狀，改變?nèi)垠w供流充型的流動能力。經(jīng)過上述措施整改以后，鑄造過程中出現(xiàn)鑄錠大面裂紋的概率大大減少。

2.3.3 穩(wěn)態(tài)鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

當7050 合金鑄錠能夠穩(wěn)定鑄造成形后，要在保證鑄造成型基礎(chǔ)上獲取高冶金質(zhì)量的鑄錠，除了合金熔體盡量高純化（除氣、過濾處理）外，另一主要影響因素就是鑄造速度和冷卻水流量。隨鑄造速度提高，冷卻強度提高，結(jié)晶速度增大，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細化，鑄錠平均性能提高。但在更高鑄造速度下，液穴變深，鑄錠中心疏松程度增大，化學成分區(qū)域的偏析也加大，也就是說鑄造速度是高性能和均勻性的一個折中平衡值。我們重點針對7050 合金鑄錠嚴重的顯微疏松情況，試驗了鑄造速度、冷卻水量、刮水板位置等工藝參數(shù)對鑄錠顯微疏松情況的影響，每個參數(shù)試驗3熔次，試驗結(jié)果取其平均值，結(jié)果見圖2、圖3和表1。

圖2 鑄造速度對疏松的影響

可以看到，隨著鑄造速度降低，鑄錠的最大疏松尺寸有所減小。這是因為鑄造速度降低時鑄錠液穴深度和過渡帶尺寸減小，鑄錠斷面成分和樹枝狀晶粒尺寸趨于均勻，提供了有利于凝固補縮的通道，增加了熔體補縮能力，使得鑄錠斷面疏松分布更均勻。生產(chǎn)實踐中可在兼顧鑄造成型和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，適當調(diào)低各規(guī)格扁錠鑄造速度，從而控制鑄錠顯微疏松情況。

鑄造冷卻水流量更多影響的是結(jié)晶速度、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)和第二相狀態(tài)，對液穴、過渡帶的影響沒有鑄造速度大。

圖3 冷卻水量對疏松影響

由于刮水板位于鑄造液穴以下已凝固固體部分處，所以它更多影響的是鑄錠已凝固部分的內(nèi)應(yīng)力。試驗表明，調(diào)低刮水板位置和增加冷卻水量對減小顯微疏松尺寸沒有助益作用，見表1。

表1 刮水板位置對疏松的影響

2.3.4鑄造前準備工作

鑄造前準備工作對鑄錠成型也有一定影響，這主要包括鑄造平臺水平、底座支撐平臺水平及底座安裝水平情況；底座伸入結(jié)晶器高度；結(jié)晶器水路及油路的清潔、通暢程度；結(jié)晶器內(nèi)表面干凈光潔程度；分流袋安裝位置、尺寸；塞棒、下注管安裝位置以及擋渣環(huán)安裝位置，等等。

3 結(jié)論

（1）鑄錠成型性好壞取決于合金本身性質(zhì)，7050合金成型極難。

（2）在標準要求的化學成分范圍內(nèi)適當優(yōu)化成分及元素之間的配比可改善鑄錠成型性。對于7050 來說，除控制好各合金元素范圍外，F(xiàn)e/Si 比也異常關(guān)鍵。

（3）工裝設(shè)計的合理性對鑄錠成型影響十分關(guān)鍵。對于7050 來說，采用圓弧面結(jié)晶器的成型性顯然好于V型結(jié)晶器和直面結(jié)晶器。

（4）合理的鑄造工藝參數(shù)對鑄錠成型起著至關(guān)重要的作用，尤其是鑄造開頭工藝。鑄造開始前的各項準備工作也比較重要，對鑄錠成型有一定影響。

通過以上幾個方面的研究和工藝改進，7050鋁合金大扁錠成型穩(wěn)定，成型率得到極大提高，達到97%以上。