7B04鋁合金鍛件中的探傷缺陷

程思夢，溫慶紅，林順巖，李 霜，馮 旺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

7B04 鋁合金是一種由7A04 鋁合金高純化發展形成、以Al為基體、主要添加Zn、Mg和Cu元素的可熱處理強化的鋁合金，具有高強度、高硬度的優點，因此其鍛件被廣泛用于制作航空航天工業的重要結構受力件。然而，鍛件中的缺陷會造成產品零件性能大幅度降低，制約著合金鍛件用作結構受力件的應用。因此，在7B04 鋁合金鍛件成品交貨前，都必須進行A級水浸探傷。為提高鍛件產品的質量和成品率，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部質量應用研究的熱點。王飛[1]等采用超聲相控陣、工業CT、滲透及金相分析等多種檢測方法對航天7A04 鋁合金鍛件缺陷進行了定性分析，結果表明造成鍛件不合格的原因為原材料夾雜缺陷。孫榮濱[2]研究了鋁合金結構件中化合物偏析缺陷的形成機制、形貌特征與危害，用高頻點聚焦、水浸探頭超聲波探傷方法，檢測了特殊結構件中化合物偏析缺陷，并對檢測結果的準確性進行了剖傷驗證、定性分析。關風雷[3、4]等人介紹了鋁合金材料氧化膜缺陷形成機制及特征，研究了鋁合金鍛件氧化膜缺陷的分布規律，并結合鋁合金鍛件生產中超聲波探傷實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7A09 鋁合金棒材探傷缺陷產生的原因進行了分析，確定了缺陷為金屬化合物；并通過控制金屬添加劑、中間合金質量，調整合金的化學成分，提高熔鑄溫度，加強過濾等預防措施，降低了產生7A09鋁合金棒材探傷缺陷的風險。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，解決了凈化后熔體供流轉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生。

本課題在借鑒前期研究的基礎上重點研究了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、打斷口對不同探傷缺陷組織進行了微觀觀察和定性分析，希望能探明鍛件產生缺陷的原因，為優化制定7B04 合金鍛件生產加工工藝提供依據和參考。

1 試驗方法

生產現場選取不滿足A 級水浸探傷要求的7B04 鋁合金鍛件成品進行重新探傷定位、標記、取樣、打斷口，對典型樣品斷口面進行宏觀形貌觀察，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 試驗結果及分析

鋁及其合金在熔煉過程中，鋁熔體中存在的夾雜物、氣體等會影響熔體純凈度，導致鑄錠易產生氣泡、氣孔、夾雜、疏松、裂紋等缺陷，對鑄件性能或后續加工產品的強度、塑性、疲勞性能、抗蝕性、陽極氧化性和外觀品質等均有顯著影響。對鋁合金鑄錠、制品進行低倍、高倍組織檢測和氫含量控制等手段是保證鋁合金鑄錠制品質量的第一道防線；超聲波探傷無損檢測是保證鋁合金制品性能的最后一道防線，可以有效發現合金制品內部的組織缺陷。

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，發現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，尺寸約為7 mm×0.5 mm。

能譜分析結果見表1 和表2。由圖2 及能譜結果可知，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果可知，該缺陷是由氧化膜導致的探傷缺陷。

表1 缺陷部位能譜結果

表2 正常部位能譜結果

在鋁合金熔煉和鑄造過程中，熔體表面與空氣接觸，因高溫氧化反應形成氧化膜，并覆蓋在熔體表面，當熔體表面的氧化膜被破碎并卷入熔體內，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現，經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，它會破壞金屬組織的連續性，使產品性能下降，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，易從氧化膜處破裂，降低材料的疲勞強度。

所有防止鋁熔體表面氧化膜破裂并進入鑄錠中的工藝措施均可有效預防氧化膜探傷缺陷的產生：一是在鑄造過程中保持鋁液平穩供流，使鑄造鋁液在鏡面似的氧化膜底下流動，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，甚至是電風扇吹風引起的液面波動，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，強化過濾效率，在不影響鑄錠其他冶金質量的前提下，盡可能阻擋氧化膜進入鑄錠。

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。

樣品缺陷平臺及正常部位典型電鏡形貌見圖4，其能譜結果分別見表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狀。能譜結果表明，缺陷部位、正常部位合金元素基本相當。因此，由斷口形貌及能譜結果可知，該缺陷是由非典型氧化膜導致的探傷缺陷。

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 缺陷部位能譜結果

表4 正常部位能譜結果

非典型氧化膜缺陷可以被認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。隨著結晶的進行，樹枝晶杈互相搭接形成骨架，樹杈間的氣體和凝固時析出的氣體無法逸出而集聚，結晶后這些氣體占據的位置成為空腔，這個空腔就是由氣體形成的氣體疏松。在金屬鑄造結晶時，從液態凝固成固態，體積收縮，在樹枝晶杈間固液體金屬補縮不足而形成空腔，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、低倍檢測表現不明顯。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，防止二次造渣污染；加強熔體在線過濾，降低氣體附著物；在設備允許的條件下，盡可能增大加工變形量；選擇合適的熱處理溫度及保溫時間等工藝措施，可降低非典型氧化膜探傷缺陷出現的概率。

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，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，各樣品斷口面平臺部位典型電鏡形貌見圖6，其能譜結果分別見表5～表8。由圖6斷口形貌及能譜結果可知，各樣品缺陷部位呈較光滑平臺狀，缺陷部位較正常部位均含有較多Ti元素。因此，3個樣品缺陷均是含Ti化合物導致的探傷缺陷。

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缺陷部位能譜結果

表6 樣品2缺陷部位能譜結果

表7 樣品3缺陷部位能譜結果

表8 正常部位能譜結果

7B04 鋁合金是雜質含量較低的高純化鋁合金，出現含Fe、Si等粗大化合物探傷缺陷的概率很小。目前，人們對鋁合金用中間合金（如Al-Zr、Al-Cr 等）的質量控制及組織遺傳性大多有較深刻的認識和管控措施，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。

從鋁合金化學成分控制標準來看，一般對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，會適當增加含Ti的鋁合金晶粒細化劑的用量，尤其是合金廢料的循環使用，導致合金制品中的Ti 含量越來越高。鋁合金晶粒細化劑主要有Al-Ti-B、Al-Ti-C 絲或塊等，其產品質量參差不齊。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。

在實際生產中，應對生產或外購的晶粒細化劑進行質量檢驗，建立分級質量標準，并對所有鋁合金晶粒細化劑嚴格分級使用；嚴格控制添加的晶粒細化劑用量；進一步優化晶粒細化劑的添加工藝等。

3 結論

（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）優化合金熔煉鑄造工藝，實現合金熔體純凈化，可降低或消除典型氧化膜探傷缺陷。

（3）優化在線精煉除氣、在線過濾工藝，降低鑄錠含氫量，進一步優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的概率。

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