7075 鋁合金鍛件表面氣泡分析

馬龍飛， 孫 亮， 董劉穎， 劉兆偉， 段英冶

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽，111003）

鋁合金鍛造件具有精密度高、內(nèi)部組織均勻、抗沖擊性能良好、耐腐蝕好等特點，7075 鋁合金鍛造件兼顧高強度的優(yōu)點，主要應用在航空航天領域[1-3]。崔金棟[4]采用DEFORM 軟件對7050 鋁合金鍛造工藝進行模擬優(yōu)化，降低產(chǎn)生缺陷的幾率。蘇玉潔[5]和高明偉等[6]分析了7N01 鋁合金板材氣泡缺陷產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)缺陷處存在著大量密集的化合物初晶，是鑄造工藝不合理造成的，可以避免，解決措施是在鑄造時，對漏斗進行充分預熱，并適當提高鑄造溫度。

在近期的研究中發(fā)現(xiàn)7075 鋁合金擠壓棒經(jīng)鍛造后出現(xiàn)有沿擠壓方向最長為2.4 mm 的表面氣泡；在棒材圓周方向上，一側氣泡較多，另一側較少；已破裂的氣泡顏色比基體暗，無金屬光澤。本文通過對生產(chǎn)情況進行調查、基材及缺陷部位進行分析，找出氣泡的形成原因并提出解決方法。

圖 1 7 075 鋁合金擠壓棒鍛造后表面氣泡Fig. 1 Surface bubbles of the 7 075 aluminum alloy extruded rod after forging

圖 2 氣泡處內(nèi)表面SEM 圖Fig. 2 SEM images of the inner surface of the bubbles

1 實驗方法

對7075 鋁合金擠壓棒材經(jīng)鍛造后沿著氣泡縱向、橫向剖開，使用光學顯微鏡（optical microscopy，OM） 、 和 掃 描 電 子 顯 微 鏡（ scanning electronic microscope，SEM）觀察氣泡及基體相接部位的內(nèi)部形貌、顯微組織，并對內(nèi)表面取點，采用能譜分析儀（energy disperse spectroscopy，EDS）測量各元素含量。在帶有表面氣泡的棒材的橫截面方向上切取試樣，用來檢查基體是否存在疏松、夾雜以及過燒等缺陷。為驗證氣泡是否為基體氫含量過高所致，將鍛件表皮車去1 mm 后重新固溶處理。具體擠壓工藝參數(shù)為：鑄錠溫度400～420 ℃，擠壓筒溫度400 ℃，擠壓速度0.4～0.8 m/min，淬火冷卻方式為水冷，模具類型為單孔平模，模具溫度為420 ℃。

2 實驗結果

2.1 試樣表面形貌

圖 1 為試樣表面照片。由圖 1 可看出，擠壓棒材淬火后表面呈橢圓狀、不等距連續(xù)排列，外表面光滑，內(nèi)表面粗糙，大小不一。試樣直徑在 2～4.5 mm 之間，氣泡外皮厚度大約0.2～0.5 mm，個別較大氣泡中心處呈凹陷狀。從圖1（b）可看出，氣泡內(nèi)部出現(xiàn)凹凸不平的表面隆起，與型材表面形成較小的空腔，呈團絮狀聚集氣泡內(nèi)部，可能是因為進入污物導致，受到高溫后產(chǎn)生氣體并且膨脹，導致金屬表皮與型材分離。

2.2 氣泡內(nèi)部組織

將有完整氣泡的部分橫向剖開發(fā)現(xiàn)其腔內(nèi)為灰白色，亦無光澤。圖2 為氣泡內(nèi)表面SEM 圖，呈層狀、撕裂狀形貌，為典型的沿晶斷裂形貌。橫剖后氣泡為皮下隆起的空腔結構，呈硬性撕裂狀，上下面邊緣吻合，部分氣泡周圍存在一些大小不等的裂紋痕跡。

圖3 為EDS 觀察取點位置，在有氣泡處內(nèi)部取點進行成分測試，結果如表1 所示，發(fā)現(xiàn)氣泡處與基體成分基本相同，說明氣泡不是異物和夾雜導致的。

圖 3 EDS 觀察取點位置Fig.3 Positions for EDS analysis

表 1 EDS 分析結果（質量分數(shù)/%）Tab.1 EDS analysis results (mass fraction/%)

2.3 組織分析

圖4 為圓棒的低倍組織，未發(fā)現(xiàn)氣孔、疏松、夾雜等缺陷，但在圓棒表皮下發(fā)現(xiàn)有細小的分層缺陷，類似成層（見箭頭所指處）。觀察高倍組織圖發(fā)現(xiàn)距離表層0.18～0.30 mm 有裂紋存在，與低倍組織圖上觀察到的成層缺陷吻合，如圖5（a）所示。分析其偏光組織可知，制品表層下一定厚度發(fā)生再結晶，且晶粒異常長大，裂紋沿晶界分布，如圖5（b）所示。表層再結晶晶界處結合力弱導致分層缺陷，氣泡與分層的形成原因相同，即表面氣泡為分層缺陷的另一種表現(xiàn)形式，當空腔壓力增大到一定程度時發(fā)生破裂。

圖 4 棒材低倍組織Fig. 4 Microstructure of the bar at low magnification

圖 5 邊部光學組織圖Fig. 5 Optical microstructure of the edge

2.4 熱處理驗證

為驗證是否為基體氫含量過高導致熱處理過程產(chǎn)生氣泡，對試樣進行重新固溶熱處理，制度（465±5）℃×1 h+（480±5）℃×1.5 h，若重新固溶后仍出現(xiàn)氣泡，則為基材氫含量過高；若無氣泡產(chǎn)生，則為擠壓或后續(xù)工序產(chǎn)生。對車皮 1 mm 后的鍛件重新固溶后表面狀態(tài)如圖 6 所示，無氣泡出現(xiàn)，表明氣泡并非由基材氫含量高造成的。

圖 6 車皮重新固溶后棒材表面宏觀圖Fig.6 Macroscopic surface image of the re-solution treated bar after turning

3 氣泡形成原因分析討論

棒材產(chǎn)生氣泡的原因可能有以下幾種：（1）基材氫含量高，在重新加熱或熱處理時聚集長大，在材料表面分布無規(guī)律，將材料表面一層車削后重新熱處理仍會出現(xiàn)[7]。（2）因軋制、擠壓等加工過程中導致的夾雜、成層等缺陷，使得基材存在空腔、分層或裂縫，在熱處理后的冷卻過程中，因空腔壓力增大，會在材料表面表現(xiàn)為氣泡缺陷[8]。（3）加熱爐或熱處理爐潮濕或棒材表面不干燥，在加熱或熱處理后，C、H、O 等物質汽化并與高溫鋁反應生成氣泡，沿晶界和晶格間隙擴散至金屬表層內(nèi)。這種氣泡一般都在材料表層1～2 mm 內(nèi)，氣泡非常細小，分布密度大[9]。（4）材料過燒，也會產(chǎn)生氣泡缺陷，但因過燒導致的氣泡，一般制品表面顏色發(fā)暗[10]。

氣泡內(nèi)成分與基材成分基本相同，因此排除了夾雜等導致氣泡發(fā)生的可能[11]。根據(jù)氣泡出現(xiàn)的規(guī)律及位置，推測為材料在加熱過程中發(fā)生再結晶及晶粒異常長大，在淬火過程中，棒材的內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應力超過晶界結合的極限強度時產(chǎn)生了分層現(xiàn)象[12]。在快速冷卻過程中，因局部空腔壓力增大，結合薄弱的晶界形成破壞性裂紋，最終以氣泡形式表現(xiàn)出來[13]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，為消除這種表面氣泡，要合理控制淬火溫度或熱變形溫度，減少加工變形量及表面變形不均勻性，合理匹配擠壓工具、擠壓參數(shù)避免表面粗晶層形成[14-15]。

4 結 論

（1）7075 鋁合金鍛件表面氣泡屬于表皮分層氣泡，不是表面夾雜氣泡。

（2）7075 鋁合金鍛件表面產(chǎn)生氣泡的機制是軋制、擠壓等加工過程中，基材存在空腔、分層或裂縫，在熱處理后的冷卻過程中，因空腔壓力增大，結合薄弱的晶界形成破壞性裂紋，最終以氣泡形式表現(xiàn)出來。

（3）7075 鋁合金鍛件表面產(chǎn)生氣泡的原因是軋制、擠壓、熱處理等工藝參數(shù)不合理，使得加工變形量過大以及表面變形不均勻。

（4）適當控制生產(chǎn)鑄錠的溫度并降低擠壓速度，熱處理盡量采用分級固溶方式，這樣有利于減少或消除表皮分層氣泡。