航空用高品質7050鋁合金大扁錠成型技術研究

王 劍，徐正權

(西南鋁業（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點，是航空航天、軍事和交通領域的主要結構材料[1，2]。

從“七五”開始，我國即持續將“高強鋁合金”作為攻關課題項目立項，組織材料生產研制單位、材料應用研究單位等國內優勢科研院所聯合開展7×××系合金研究。目前，利用數值模擬仿真技術對鑄造過程中的溫度場、流場、濃度場、應力場等進行模擬，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生的工藝研發傾向也已成為研究熱點[3]。在工業規模化批量生產7050合金材料時發現，隨著加工材截面積增大，合金鑄錠規格相應增大，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 合金材料的規模化批量產出及其在高性能要求場合的應用。這其中的主要原因就在于航空用7050 合金大規格優質錠坯制備技術與裝備技術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7050 合金大規格優質鑄錠制備技術研究是很有必要的。

1 航空用7050合金扁錠現狀分析

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%，鑄態強度高。該合金具有很寬的結晶溫度范圍，固液相區溫度寬至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晶時在固液區強度低和線收縮大。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生各種裂紋，導致工業化生產大規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間寬和非平衡結晶等特點，晶內和晶界處均有較多粗大的第二相，尤其是沿晶界處連續分布著共晶組織[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 區域和中心部位存在晶粒粗大、樹枝晶發達現象。粗、細晶粒區域有較為明顯界限，在鑄錠斷面較大區域內也存在成分偏析，大規格鑄錠存在這種現象更甚。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、寬凝固結晶溫度范圍及樹枝晶發達和含有易氧化元素等特性決定了鑄錠內部還存在極為嚴重的顯微疏松、氧化夾雜等內部冶金缺陷，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下，即可發現鑄錠內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、晶粒間或發達的枝晶間位置、復雜化合物處等位置。分布在鑄錠晶界或枝晶間的疏松其內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，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級探傷后發現，板材探傷合格率較低；斷口解剖檢查時經常出現目視可見缺陷，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缺陷和在線加入Al-Ti-C細化劑帶來的Ti、C 元素富集引發缺陷，其它硅酸鹽夾雜、鐵銹夾雜、熔劑夾渣等為偶發缺陷。

2 扁錠成型技術研究

2.1 化學成分優化

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。鋁熔體中雜質含量高時，位錯及晶格畸變數量增加，不但降低了合金的塑性，而且增大了合金組織的內應力，故應對鋁合金的雜質元素Fe、Si 進行嚴格控制[7]。實際生產時，控制Fe/Si≥1.2，以抑制有害針狀β 相（Fe2Si2Al9）的產生，使之生成危害較小的骨骼狀α相（FeSi3Al12），縮小合金的脆性區，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

2.2.1 結晶器

結晶器形狀對鑄錠成型影響巨大，目前常用的結晶器形狀有直面、V形面、圓弧面，材質為6061鍛鋁或預拉伸厚板。經過長時間驗證，三種結晶器各有所長，直面結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種結晶器沒有絕對之優劣差異，可以根據需求自由選擇使用。2.2.2底座

底座設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，常用的底座有雙曲面底座、深底座和平底座，材質有鋼鐵、鋁質。

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，即鑄造底座不僅應與鑄錠初始階段翹曲變形程度、鑄錠底部裂紋等密切相關，還應與初始液穴形態的生成相關聯。經過研究自主開發優化設計（400～600）mm×（1 120～2 000）mm 系列扁錠結晶器工裝，將結晶器底座設計成上表面光滑的雙曲凹面形狀，優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生裂紋，使鑄錠出結晶器時逐漸見水，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量及位置進行重新布置，調整了結晶器小面形狀及冷卻水箱結構和在線潤滑油供給回路，設計了防止鑄錠出結晶器后扭曲和傾倒的相應結構（見圖1）。實踐驗證，該鑄造工裝經過逐步優化完善后，其結晶器和底座結構設計合理，為7050合金鑄造生產奠定了良好基礎。

2.3 自動化鑄造工藝研究

鑄錠開頭以及穩態工藝參數直接影響鑄錠能否成型，因此制定合適的工藝參數異常關鍵。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；穩態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 優化前后鑄錠底座形貌

2.3.1鑄錠底部裂紋預防

在7050 合金扁錠的熔鑄生產試驗中發現，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 合金鑄造生產初期常出現底部裂紋，裂紋出現概率近60%，導致鑄造過程不能繼續進行。我們仔細分析鑄造開頭時鑄錠的凝固情況，發現鑄錠底部從結晶器出來見水直接冷卻時，會產生收縮翹曲變形。當底座形狀不當及結晶器冷卻不均勻、收縮翹曲不對稱或翹曲量不夠或鑄錠內應力沒有得到釋放時，鑄造過程就可能產生后續裂紋；當底部翹曲量過大，又會撕裂鋪底部引發底部裂紋或漏鋁。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展，使得鑄造不能繼續進行。通過優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律，采取鑄錠開頭弱冷技術手段，有效控制鑄錠開頭階段應力大小，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，多數情況下出現在鑄造開始階段。該類型裂紋不會愈合，一旦出現只能停止鑄造重新開頭。統計分析這種大面裂紋絕大多數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，加上鑄錠與結晶器摩擦阻力、鑄錠底部翹曲變形及刮水導致內應力變化等因素綜合影響，使得7050 合金鑄造凝固結晶時鑄錠收縮受阻而出現這種大面裂紋。

針對裂紋多數源自大面局部的原因，我們采取了以下系列預防措施：充分烘烤轉注工具，減少水分和熔體反應生成的氧化渣；控制鑄錠正常液穴形成前的冷卻水壓和鑄造速度，減小鑄錠開頭段內應力變化；降低結晶器內液面波動幅度、保證結晶器在線潤滑油量和均勻性，以減小鑄錠和結晶器壁摩擦阻力；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，微調結晶器內分流袋尺寸及形狀，改變熔體供流充型的流動能力。經過上述措施整改以后，鑄造過程中出現鑄錠大面裂紋的概率大大減少。

2.3.3 穩態鑄造工藝參數優化

當7050 合金鑄錠能夠穩定鑄造成形后，要在保證鑄造成型基礎上獲取高冶金質量的鑄錠，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，結晶速度增大，晶內結構細化，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對鑄錠顯微疏松情況的影響，每個參數試驗3熔次，試驗結果取其平均值，結果見圖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。生產實踐中可在兼顧鑄造成型和生產效率的基礎上，適當調低各規格扁錠鑄造速度，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晶速度、晶內結構和第二相狀態，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應力。試驗表明，調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；底座伸入結晶器高度；結晶器水路及油路的清潔、通暢程度；結晶器內表面干凈光潔程度；分流袋安裝位置、尺寸；塞棒、下注管安裝位置以及擋渣環安裝位置，等等。

3 結論

（1）鑄錠成型性好壞取決于合金本身性質，7050合金成型極難。

（2）在標準要求的化學成分范圍內適當優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，Fe/Si 比也異常關鍵。

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

（4）合理的鑄造工藝參數對鑄錠成型起著至關重要的作用，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定，成型率得到極大提高，達到97%以上。