航天用鋁合金棒材的選用現(xiàn)狀與質(zhì)量控制

李麗、穆玉玲、張繼明、夏連福 /中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

鋁合金密度低，具有良好的抗腐蝕性、可焊接性和輕量性等特點(diǎn)，在航空、航天及許多國防工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。鋁合金棒材為航天通用性最強(qiáng)的原材料之一，主要用于彈箭體結(jié)構(gòu)件及氣密件等重要零部件，如果在使用過程中發(fā)生質(zhì)量問題，由于其涉及面廣、處理難度大，會(huì)嚴(yán)重影響型號(hào)的研制及批生產(chǎn)任務(wù)。筆者梳理了近幾年鋁棒暴露出的質(zhì)量問題，對(duì)問題的機(jī)理原因進(jìn)行了深入剖析與提煉總結(jié)，結(jié)合鋁棒的生產(chǎn)制造過程及關(guān)鍵控制工序，從源頭把控，加強(qiáng)通用鋁材在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，以減少通用鋁材在驗(yàn)證、使用過程中的失效故障，提高原材料質(zhì)量可靠性，并提出了有針對(duì)性的質(zhì)量管控措施，對(duì)航天系統(tǒng)內(nèi)鋁合金棒材的質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)作用。

一、鋁棒選用現(xiàn)狀

常規(guī)使用的鋁合金棒材主要包含2×××系合金、5×××系合金、7×××系合金。

1.2×××系鋁合金

2×××系鋁合金是以銅為主要合金元素的鋁合金，典型合金系為Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn，均屬于可熱處理強(qiáng)化合金。因合金強(qiáng)度高，被稱為硬鋁合金，耐熱性能和加工性能良好，但耐蝕性不如其他鋁合金，在一定條件下會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。Al-Cu-Mg合金的典型應(yīng)用代表為2A12和2A14。Al-Cu-Mn系合金的典型代表為2219，特點(diǎn)是工藝性能好，易于焊接，且斷裂韌性高。2×××系鋁合金廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)用，但由于合金存在鐵和硅等雜質(zhì)，可生成粗大的脆性雜質(zhì)項(xiàng)，嚴(yán)重影響了合金的斷裂韌性和厚板的短橫向性能。因此，通過降低雜質(zhì)含量及調(diào)整合金化元素含量，開發(fā)出一系列高強(qiáng)高韌性Al-Cu-Mg合金，為了進(jìn)一步提高焊接性能，相繼開發(fā)了2219、2021、2004鋁合金，目前應(yīng)用最廣泛的是2219鋁合金。

2.5×××系鋁合金

5×××系鋁合金是以鎂為主要合金元素的鋁合金，屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金。該系合金密度小，屬于中高強(qiáng)度鋁合金，疲勞性能和焊接性能良好，耐海洋大氣腐蝕性好，其使用溫度不高于65℃，典型合金牌號(hào)為5A06。

3.7×××系鋁合金

7×××系鋁合金是以鋅為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。強(qiáng)度高于2×××系鋁合金，為超高強(qiáng)度鋁合金。典型合金系為Al-Zn-Mg-Cu,合金的屈服強(qiáng)度接近于抗拉強(qiáng)度，屈服比高，比強(qiáng)度高，但塑性和高溫強(qiáng)度低，宜做常溫、120℃以下使用的承力結(jié)構(gòu)件，合金易于加工，有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性。

該系合金是航空航天領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料，航天航空器的輕量化要求鋁合金結(jié)構(gòu)材料具有更高的強(qiáng)度并保持高韌性和高應(yīng)力腐蝕抗力。在7×××鋁合金中，7075合金是最早應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋁合金。7475鋁合金是在7075合金的基礎(chǔ)上，通過減少鐵和硅雜質(zhì)元素的含量研制出的新一代高純超高強(qiáng)度鋁合金，由于提高了純度，合金的斷裂韌度得到了提高，具有良好的綜合性能。7050合金通過優(yōu)化合金元素成分，獲得更好的綜合性能，與7075合金相比具有較高的強(qiáng)度，較好的斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能和淬透性，是目前綜合性能很好的材料之一。

20世紀(jì)90年代，通過進(jìn)一步優(yōu)化合金元素成分，降低雜質(zhì)元素含量得到了更高強(qiáng)度、較強(qiáng)斷裂韌性的7055合金。最新研制的7085合金主要用作鍛件，與7×××系其他鋁合金相比具有高強(qiáng)度、高抗疲勞性能、高抗應(yīng)力腐蝕性能與剝落性能、低淬火敏感性等一系列優(yōu)良性能，已是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。我國目前應(yīng)用的7A04、7A09合金是與7075合金最相近的鋁合金。近年來選用的不同牌號(hào)、規(guī)格、狀態(tài)的鋁棒幾百種，選用標(biāo)準(zhǔn)占比如圖1所示。

圖1 鋁棒選用標(biāo)準(zhǔn)占比圖

鋁合金棒材主要選用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3191-1998《鋁及鋁合金擠壓棒材》，占總量的近80%。GJB2054-1994《航空航天用鋁合金棒材規(guī)范》、GJB3539-1999《鍛件用鋁合金棒材規(guī)范》為少量選用標(biāo)準(zhǔn)，用量不足總量的12%。

二、存在問題及原因分析

1.問題梳理

近幾年鋁合金棒材發(fā)生的質(zhì)量問題（見表1），發(fā)生各種缺陷的種類占比圖（見圖2）。

圖2 缺陷種類占比圖

表1 質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)表

產(chǎn)品暴露問題階段為到貨驗(yàn)證和使用加工兩大階段。產(chǎn)生的問題為原材料缺陷存在氣孔、夾雜、夾渣、縮尾、粗晶環(huán)等，材料標(biāo)準(zhǔn)均為GB/T3191-1998。到貨復(fù)驗(yàn)合格的鋁棒在加工制造過程中仍然會(huì)暴露出質(zhì)量問題，影響產(chǎn)品的正常使用。

到貨驗(yàn)收階段的主要問題為粗晶環(huán)，主要是在棒材擠壓和熱處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生，由于后期尾部切除不徹底遺留到產(chǎn)品中，檢測手段為尾端低倍抽檢；使用加工階段的主要問題為夾渣缺陷，由于生產(chǎn)廠切除頭尾不徹底導(dǎo)致，在到貨驗(yàn)收環(huán)節(jié)通過尾端低倍抽檢檢測。因此，現(xiàn)行的檢測方法不能有效地將缺陷檢出。

2.原因分析

一是標(biāo)準(zhǔn)選用不合理。由于選用標(biāo)準(zhǔn)的繼承性，存在選用老舊標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，因此鋁棒選用最廣的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3191-1998，該標(biāo)準(zhǔn)為一般用途鋁棒標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定氣孔、氧化膜均不檢測；少量選用GJB2054-1994相對(duì)于GB3191-1998增加了氣孔、氧化膜、光亮晶粒的要求，GJB3539-1999在GJB2054-1994，對(duì)氧化膜及成層要求更加嚴(yán)格。因此，按照GB/T3191-1998生產(chǎn)的鋁棒不適用于彈箭體結(jié)構(gòu)件及氣密件等關(guān)重件的使用。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)上述缺陷的檢測方法是低倍抽樣檢測，檢測結(jié)果代表整批的性能。超聲波探傷為全數(shù)檢測，能夠最大限度地檢出材料內(nèi)缺陷，但超聲探傷要求在國標(biāo)、國軍標(biāo)中均無明確規(guī)定，因此鋁棒雖按標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)合格，卻不能將缺陷有效檢出。

國標(biāo)GB/T3191-1998和國軍標(biāo)GJB 2054-1994及GJB 3539-1999中規(guī)定的檢測內(nèi)容（見表2）。

表2 鋁棒主要標(biāo)準(zhǔn)的檢測內(nèi)容及差異性

二是源頭控制不嚴(yán)格。梳理鋁棒在到貨驗(yàn)收及使用過程處暴露出的質(zhì)量問題，結(jié)合鋁合金棒材的生產(chǎn)工藝，熔鑄—鑄錠加熱—一次擠壓—熱處理—張力矯直—切頭尾取樣—切成品—輥式矯直—成品檢查，出現(xiàn)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要是熔鑄、擠壓、熱處理及切頭尾。氣孔、夾雜、氧化膜缺陷在熔鑄過程產(chǎn)生。

氣孔的產(chǎn)生主要是熔煉階段除氣不徹底，鋁合金熔體中的氫氣是在高溫下合金熔體與周圍環(huán)境中的水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后吸附或擴(kuò)散、溶解到合金熔體中所導(dǎo)致。

夾雜物以非金屬夾雜為主，在宏觀組織中為黑色條狀、片狀或塊狀，主要來自熔劑、爐渣、爐襯中的氧化物、碳化物、硫化物，當(dāng)其進(jìn)入熔體并除渣不徹底時(shí)，會(huì)夾雜并留存到制品中。

氧化膜是氧化鋁形成的非金屬夾雜在制品中的體現(xiàn)，主要是熔煉和鑄造過程中，熔體表面始終與空氣接觸，不斷進(jìn)行高溫氧化而形成氧化膜或因操作不當(dāng)使得浮在熔體表面的氧化皮破碎并卷入熔體內(nèi)，從而留在制品中。

粗晶環(huán)產(chǎn)生主要與擠壓和熱處理2個(gè)因素相關(guān)。粗晶環(huán)為鋁合金棒材熱處理后經(jīng)低倍檢查橫截面晶粒大小不一，周邊晶粒特別粗大，形成的環(huán)狀組織缺陷，越靠近尾端粗晶環(huán)深度越大，多與合金含量、擠壓溫度及速度、淬火溫度及保溫時(shí)間有關(guān)。廠家可通過控制合理的擠壓溫度、速度使得擠壓變形更加均勻、避免淬火溫度過高或保溫時(shí)間過長、調(diào)整合金成分，增加再結(jié)晶抑制元素等措施使合金粗晶環(huán)得到改善。某些合金合理的均勻化制度可以有效降低粗晶環(huán)深度（如6061），而部分合金不進(jìn)行均勻化處理，在擠壓時(shí)粗晶環(huán)也較淺（如6A02）。廠家頭尾切除不徹底導(dǎo)致縮尾、夾渣的殘留。

三是檢測要求不完善。標(biāo)準(zhǔn)的合理選用和生產(chǎn)源頭的嚴(yán)格控制，是交付高質(zhì)量鋁棒的必要條件。同時(shí)，嚴(yán)格的驗(yàn)收是保證產(chǎn)品本質(zhì)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。從暴露出的質(zhì)量問題看，均是低倍檢查可以最大程度檢出的缺陷，主要為裂紋、氣孔、縮尾、偏析、夾雜、成層、粗晶環(huán)等缺陷。

無論是國標(biāo)還是國軍標(biāo)，規(guī)定的低倍檢測要求均不夠完善。在擠壓尾端進(jìn)行抽樣檢測，抽取2支尾端進(jìn)行檢測以代表整批的性能，但實(shí)際并不能代表其他尾端無問題，由此將質(zhì)量隱患遺留到產(chǎn)品中。另外，超聲探傷為全數(shù)檢測，能夠最大限度地檢出材料內(nèi)缺陷，但超聲探傷要求在國標(biāo)、國軍標(biāo)中均無明確規(guī)定。因此，鋁棒雖按標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)合格，但不能將缺陷有效檢出，無法滿足用戶使用要求。

三、建議及擬采取措施

1.標(biāo)準(zhǔn)選用

鑒于標(biāo)準(zhǔn)的差異性，在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的選用階段，避免交叉使用性能要求較高的國軍標(biāo)和適合產(chǎn)品要求的自主性標(biāo)準(zhǔn)。

2.熔煉工藝要求

精煉是除渣、除氣同時(shí)促進(jìn)合金化和細(xì)化晶粒的過程。作為鋁合金加工生產(chǎn)過程的關(guān)鍵性生產(chǎn)環(huán)節(jié)，不僅影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量，而且影響著鋁合金制品的最終使用性能。

精煉分為爐內(nèi)精煉和爐外精煉。爐內(nèi)精煉主要通過通惰性氣體或混合氣體等帶出爐渣、氣體等。一般為生產(chǎn)鋁合金制品不可缺少的通用方法，對(duì)于高質(zhì)量產(chǎn)品需要增加爐外精煉及在線除氣進(jìn)一步去除合金熔體中的氫氣，減少制品中缺陷的產(chǎn)生。

過濾是去除鋁合金熔體中夾雜物最有效和最可靠的手段，過濾方式包括玻璃布、金屬網(wǎng)、陶瓷過濾器等，最有效的為泡沫陶瓷過濾板。泡沫陶瓷過濾板具有較強(qiáng)的過濾吸附能力，能過濾10～20μm的微小顆粒夾雜并吸附不被金屬熔體潤濕的固態(tài)微細(xì)夾雜物，對(duì)于航天用產(chǎn)品，要求使用優(yōu)質(zhì)的雙層泡沫陶瓷過濾板，經(jīng)過粗細(xì)兩級(jí)的過濾，保證產(chǎn)品具有更好的潔凈度。

3.頭尾管理

鋁合金棒材成批驗(yàn)收，每批次由同一合金牌號(hào)、同一熔次，同一狀態(tài)、同一規(guī)格、同一熱處理爐或連續(xù)熱處理爐的鋁棒組成。需要對(duì)每批棒材進(jìn)行頭尾標(biāo)識(shí)，以確保檢測的有效性，低倍要求為擠壓尾端檢測，力學(xué)性能為擠壓頭端檢測，為使標(biāo)識(shí)更加清晰，要求生產(chǎn)廠家在擠壓頭端均勻涂滿黃色，擠壓尾端均勻涂滿綠色，并在提供的質(zhì)量證明書中注明擠壓頭、尾的數(shù)量，以確保賬物相符。

4.檢測要求

一是廠家檢測要求。

鑄錠低倍檢查。生產(chǎn)廠家在每一整根鑄錠的頭尾各切取1片進(jìn)行低倍檢查，檢查要求為低倍晶粒度不大于4級(jí)、疏松4級(jí)，不允許存在裂紋、氣孔、夾雜、羽毛晶、光亮晶粒等冶金缺陷，鑄錠的質(zhì)量控制按照軍工產(chǎn)品用鍛件的要求進(jìn)行控制。

生產(chǎn)廠家在每一整根鑄錠的尾端切取試樣進(jìn)行斷口氧化膜檢查，受檢面積不小于2000mm2,氧化膜總面積不大于4mm2，每點(diǎn)缺陷面積不大于24mm2。

成品低倍檢查。直徑大于等于20mm的棒材逐支進(jìn)行擠壓尾端低倍檢測，不允許有裂紋、氣孔、疏松、夾雜、光亮晶粒等冶金缺陷存在，氧化膜符合國軍標(biāo)要求，粗晶環(huán)、成層等擠壓缺陷按照訂貨材料標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。

超聲波探傷。直徑為10～350mm的棒材按照GJB3538-1999進(jìn)行超聲波探傷，符合A級(jí)要求。

二是到貨驗(yàn)收要求。

低倍檢查并判定。鋁棒到貨驗(yàn)收用戶可抽檢2支尾端進(jìn)行低倍檢查，當(dāng)檢查結(jié)果存在冶金缺陷時(shí)，不再進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，進(jìn)行整批退貨。

超聲波探傷。直徑為10～350mm的棒材按照GJB3538-1999進(jìn)行超聲波探傷，符合A級(jí)要求。

四、應(yīng)用與展望

一是對(duì)鋁棒發(fā)生的質(zhì)量問題進(jìn)行分析總結(jié)，主要缺陷為氣孔、夾雜、縮尾及粗精環(huán)等缺陷。二是建議生產(chǎn)廠家加嚴(yán)熔鑄質(zhì)量控制，同時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位首先應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)選用上改變觀念，關(guān)重件用鋁棒應(yīng)該選用國軍標(biāo)或適用產(chǎn)品實(shí)際使用需求的自主性產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從源頭選用高質(zhì)量的產(chǎn)品。三是完善鋁棒頭尾管理，在傳統(tǒng)的打鋼印、掛吊牌的方式上增加了顏色標(biāo)識(shí)，擠壓頭端均勻涂滿黃色，擠壓尾端均勻涂滿綠色，并嚴(yán)格控制頭尾切除量，避免將夾渣缺陷遺留到產(chǎn)品中。四是制定合理適用的檢測驗(yàn)收要求，對(duì)低倍檢查和超聲波探傷提出完善要求，系統(tǒng)地提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。五是通過措施的有效制定與實(shí)施，鋁合金棒材未再出現(xiàn)發(fā)生比例較大的夾渣、縮尾及不符合要求的粗晶環(huán)缺陷，氣孔及氧化膜夾雜也未暴露，說明標(biāo)準(zhǔn)的合理選用、完善的頭尾管理、合理的低倍檢測及超聲波探傷能有效降低缺陷的產(chǎn)生。

7×××系超高強(qiáng)鋁合金具有較高的比強(qiáng)度和硬度、良好的加工性能、較好的耐蝕性和較高的韌性，是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要發(fā)展方向。我國在超強(qiáng)鋁合金的研制還處于仿制向自主開發(fā)過度階段，自研的新品種匱乏。后續(xù)，企業(yè)應(yīng)與國內(nèi)生產(chǎn)廠家和大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行研究，從以下方面實(shí)現(xiàn)突破：一是進(jìn)一步降低鐵、硅雜質(zhì)元素含量，根據(jù)產(chǎn)品的不同用途優(yōu)化主合金元素的含量，開展合金成分精細(xì)化研究；二是開發(fā)或購進(jìn)先進(jìn)熔鑄設(shè)備，改進(jìn)熔鑄工藝，提高鑄錠品質(zhì)；三是根據(jù)產(chǎn)品的用途，研究不同的熱處理工藝以獲得需要的組織和性能。