7A04鋁合金鍛坯開(kāi)裂原因分析

陳衛(wèi)娜 ， 卓 航 ， 李 炎 ， 李阿妮 ， 王 影

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京 100076；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

7A04鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，其硬度與低碳鋼相當(dāng)[1]，是一種使用最早最廣泛的超高強(qiáng)鋁合金。它具有較高屈強(qiáng)比和比強(qiáng)度，且在同等強(qiáng)度水平下，斷裂韌性優(yōu)于硬鋁，同時(shí)具有良好的熱加工性能，是一種綜合力學(xué)性能優(yōu)異的可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金[2]。為充分發(fā)揮該合金的性能優(yōu)勢(shì)，目前主要通過(guò)鍛造的方式進(jìn)行生產(chǎn)制造。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在7A04鋁合金的鍛造成型工藝、鍛造組織及其力學(xué)性能方面開(kāi)展了眾多探索和研究[3-6]，但對(duì)于7A04鋁合金出現(xiàn)的鍛造開(kāi)裂分析報(bào)道較少[7-10]，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的鍛裂故障分析缺乏指導(dǎo)。

7A04鋁合金鍛坯在進(jìn)行自由鍛過(guò)程中，端面出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂，開(kāi)裂位于端面心部且沿對(duì)角線擴(kuò)展，裂紋較深，打磨10 mm深度仍能看到裂紋。為找出鍛坯鍛造過(guò)程中的開(kāi)裂原因，對(duì)該開(kāi)裂鍛坯的宏觀形貌、微觀形貌進(jìn)行觀察，同時(shí)進(jìn)行能譜分析及金相分析，以確定7A04鋁鍛坯鍛造開(kāi)裂的原因，為避免出現(xiàn)同類故障提供借鑒。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

圖1是開(kāi)裂鍛坯的斷面宏觀形貌。由圖1可見(jiàn)，鍛坯端面近似長(zhǎng)方形，尺寸為185 mm×125 mm×150 mm。裂紋位于鍛坯端面中部，基本沿對(duì)角線擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為52 mm。裂紋中部打磨10 mm深度后仍可見(jiàn)裂紋。

圖1 開(kāi)裂鍛坯形貌Fig.1 Appearance of the cracked forging stock

將鍛坯沿裂紋打開(kāi)，用體式顯微鏡對(duì)斷口表面進(jìn)行宏觀觀察，形貌如圖2所示。由圖2可知，裂紋斷面區(qū)域與人工打開(kāi)的斷面區(qū)域存在明顯分界線。裂紋斷面較平坦，顏色呈黑色或亮灰色；人工斷面呈亮灰色（圖2a）。裂紋斷面存在多處面積較大的聚集態(tài)非金屬夾雜，夾雜物呈顆粒狀和塊狀（圖2b）。

圖2 鍛坯裂紋斷口表面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of forging billet crack fracture surface

1.2 微觀檢查

將7A04鍛坯斷面置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，裂紋斷面形貌見(jiàn)圖3，人工斷面形貌見(jiàn)圖4。裂紋斷面呈磨損形貌，沒(méi)有明顯的斷裂特征；斷面上存在多處面積較大的聚集態(tài)夾雜物，最大面積約2.60 mm×1.20 mm；夾雜物呈顆粒狀和塊狀，最大尺寸約0.12 mm×0.08 mm。人工斷面為致密的細(xì)晶組織，呈典型的韌窩形貌，符合7A04鋁合金塑性較好的斷裂特征，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物。

圖3 裂紋斷面微觀形貌Fig.3 Micro morphology of crack section

1.3 能譜分析

對(duì)鍛坯裂紋斷面夾雜物及人工斷面進(jìn)行能譜分析。結(jié)果表明，裂紋斷面夾雜物（圖3b中Point 1～3）主要化學(xué)成分為Al、O、Mg、Si、Fe等元素，可知該夾雜物主要是金屬氧化物，包括氧化鐵、氧化鋁和氧化鎂等；人工斷面區(qū)域（圖4中Point 4）主要化學(xué)成分為Al、6.1%Zn、1.6%Cu、1.9%Mg（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），基本符合GB/T 3190—2020對(duì)7A04化學(xué)成分的要求。

圖4 人工斷面微觀形貌Fig.4 Micro morphology of artificial fracture

1.4 金相分析

垂直鍛坯裂紋斷口表面截取金相試樣，對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，裂紋內(nèi)部存在較多的夾雜物，正常區(qū)域的基體組織中夾雜物較少。裂紋兩側(cè)變形流線紊亂、不匹配，表明鍛坯開(kāi)裂后又經(jīng)過(guò)變形過(guò)程；正常區(qū)域基體組織為正常的變形鋁合金組織，未見(jiàn)明顯的過(guò)燒、夾雜物等組織缺陷。

圖5 金相組織檢查Fig.5 Metallographic examination

2 分析及討論

從微觀形貌及能譜分析結(jié)果來(lái)看：人工斷口的微觀形貌為正常的韌窩形貌，化學(xué)成分符合7A04材料牌號(hào)要求；裂紋斷面呈磨損形貌、未見(jiàn)明顯的斷裂特征，存在多處面積較大的疏松態(tài)氧化物。從金相分析結(jié)果來(lái)看，正常區(qū)域基體氧化物較少（1.0級(jí)），裂紋內(nèi)部存在大量的氧化物，并且裂紋兩側(cè)變形流線紊亂、不匹配，表明開(kāi)裂后又經(jīng)過(guò)變形過(guò)程。

由以上分析可以確定，開(kāi)裂的鍛坯裂紋內(nèi)部存在大量的氧化物夾雜，需要進(jìn)一步分析這些氧化物的來(lái)源和產(chǎn)生原因。

鍛件的主要缺陷可能來(lái)自于原材料本身或鍛造過(guò)程中引入的外來(lái)物。鍛造過(guò)程中壓入的氧化物與基體材料間會(huì)有明顯的界限，而鍛坯裂紋斷口金相圖片中氧化物與基體間的界限顯然不符合這種特征。據(jù)此可以排除鍛造過(guò)程中引入外來(lái)物的可能，鍛坯中氧化物應(yīng)為原材料內(nèi)部缺陷。

鋁棒生產(chǎn)工序主要有鑄造和擠壓2個(gè)階段，根據(jù)擠壓變形規(guī)律[11-12]可知，擠壓過(guò)程中外部帶入的外來(lái)物壓入棒材表面，與本批次出現(xiàn)的多件呈心部缺陷分布特征不符，故可排除鋁棒擠壓工序引入外來(lái)物的可能性。在鑄造工序中，鋁合金熔體中的夾雜物主要有氧化鋁、氧化鎂和尖晶石夾雜，以氧化鋁、氧化鎂或者兩者的反應(yīng)產(chǎn)物為主，其中氧化鋁夾雜最多，且多以膜狀、顆粒狀和聚集斑狀形式存在[13-15]。本研究通過(guò)對(duì)斷口的宏觀及微觀觀察、能譜分析、金相組織檢查，并與人工斷口進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：此次開(kāi)裂件斷面存在的夾雜物是以氧化鐵為主，同時(shí)含有少量氧化鋁、氧化鎂。鋁合金鑄錠中以氧化鐵為主的氧化物夾雜情況較為少見(jiàn)[16]。從夾雜物產(chǎn)生的機(jī)理角度分析，由于氧化鐵在鋁水中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的置換反應(yīng)，所以在鋁水中基本不可能存在氧化鐵。但是當(dāng)鑄造過(guò)程中有少量氧化鐵類外來(lái)物掉入熔體時(shí)，墮入物易被熔體表面氧化膜包裹，而被氧化膜包裹后的氧化鐵與鋁水隔絕，將無(wú)法繼續(xù)發(fā)生置換反應(yīng)，從而會(huì)形成以氧化鐵為主的氧化膜缺陷。

根據(jù)以上分析可以推斷，本批次開(kāi)裂鍛坯中出現(xiàn)的氧化物可能是鑄造過(guò)程中氧化鐵類外來(lái)物掉入熔體被氧化膜包裹后形成的氧化膜缺陷。從人工斷面形貌來(lái)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，斷面組織為致密的細(xì)晶組織，且呈典型的韌窩形貌，說(shuō)明該鍛坯符合7A04鋁合金塑性較好的特征。但裂紋斷面的顯微形貌與人工斷面存在較大的差異，裂紋斷面存在多處面積較大的聚集態(tài)夾雜物呈大塊顆粒狀和塊狀分布，且斷面沒(méi)有體現(xiàn)出該材料具有的良好塑性斷裂特征，即在外力的作用下，塑性較好的材料基體中夾雜的脆性金屬氧化物容易發(fā)生破碎。所以從裂紋斷面分析，大量的大塊顆粒狀和塊狀的聚集態(tài)夾雜物應(yīng)是由包裹氧化鐵外來(lái)物的氧化膜在鍛造過(guò)程中破碎而成，氧化膜的破碎致使鋁合金基體的連續(xù)性被破壞，形成裂紋界面。

3 結(jié)論

1） 鍛坯開(kāi)裂是由于鍛坯內(nèi)存在金屬氧化物夾雜造成的。

2） 開(kāi)裂鍛坯斷面存在大面積的金屬氧化物夾雜，夾雜物以氧化鐵為主，同時(shí)含有少量的氧化鋁和氧化鎂。

3） 以氧化鐵為主的金屬氧化物夾雜的形成應(yīng)與外來(lái)氧化鐵物質(zhì)墜入熔體時(shí)被氧化膜包裹有關(guān)。