7050鋁合金斷口平臺缺陷研究

劉 強，李丹丹，馮 旺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7050鋁合金屬于7×××系列Al-Zn-Mg-Cu高強度合金，具有密度高、韌性好、抗腐蝕能力強等優良綜合性能[1]，是航空領域最常用的鋁合金材料之一。該合金常被用于制造飛機機體承力結構件，包括艙壁、機身框架、機翼蒙皮等[2]。

隨著現代飛機逐漸向大型、高速、重載、長壽命和高安全性方向發展，且飛機結構材料主要承受循環加載，因此對材料的抗疲勞性能提出了更高的要求[3]。目前，7050鑄錠主要通過直接水冷半連續鑄造法（DC鑄造） 生產，熔鑄過程中易引入夾雜物和氣孔等，這些都有可能成為疲勞裂紋源而影響厚板的疲勞性能[4]。

本文針對影響疲勞性能的7050 鋁合金斷口平臺缺陷問題，利用體視顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對斷口平臺特征進行了研究，分析了平臺的形貌特點及平臺微區成分，并給出了產生平臺缺陷的原因，旨在為平臺缺陷的控制及疲勞性能的改善提供相關依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料：本研究中所用材料為國內某鋁加工廠提供的7050 合金斷口，已知該斷口取自探傷不合格區域，且斷口檢測結果為不合格。目視平臺部位與基體顏色不同。

試驗方法：在體視鏡下對樣品平臺缺陷進行宏觀觀察，之后采用掃描電鏡對平臺缺陷進行形貌觀察和能譜分析。

2 試驗結果及分析

2.1 平臺缺陷宏觀形貌

體視鏡下，斷口處平臺缺陷的宏觀形貌如圖1 所示。由圖中可以看出平臺部位輪廓清晰，表面光滑，與基體顏色不同。平臺缺陷尺寸分別約為2.7 mm×0.5 mm和6.0 mm×0.9 mm，且其長度方向與變形方向基本保持一致。經分析可知，缺陷在變形過程中經變形拉長。

圖1 斷口面宏觀形貌

2.2 平臺缺陷分類

在掃描電鏡下對體視鏡下發現的平臺區域進行形貌觀察，并通過能譜分析其化學成分。觀察平臺發現，平臺部位邊界輪廓清晰，表面較光滑。通過能譜分析平臺部位微區成分，發現平臺缺陷主要分為以下兩類：含氣型氧化膜，微區成分與正常位置成分一致，未見異常；含鈦夾雜，即微區成分中含有Ti元素。下面對這兩種平臺缺陷進行分析。

2.2.1 含氣型氧化膜

圖2 是1#樣品斷口面典型電鏡形貌。可以看出，圖2（a）圖中樣品斷口部位平臺形貌和圖1中1#樣品平臺形貌相一致；放大之后，由圖2（b）圖可見平臺部位較為平整、干凈；在更高倍數下觀察，組織觀察更為細致（見圖2（c））。

圖2 1#樣品斷口面典型電鏡形貌

由EDS能譜分析儀對低倍數下斷口平臺部位和正常位置區域分別進行掃描，結果如表1 和表2 所示。可以看出，平臺部位微區成分與正常部位相當。由此可知，本平臺缺陷由含氣型氧化膜引起。

表1 1#樣品平臺部位能譜結果

表2 1#樣品正常部位能譜結果

2.2.2 含鈦夾雜

圖3 是2#樣品斷口面典型電鏡形貌。可以看出，圖3（a）圖中樣品斷口部位平臺形貌和圖1中2#樣品平臺形貌相一致；放大之后，由圖3（b）圖可見平臺部位較為干凈；在更高倍數下觀察，圖3（c）圖中有許多細小顆粒物。

圖3 2#樣品斷口面典型電鏡形貌

由EDS能譜分析儀對低倍數下斷口平臺部位和正常位置區域分別進行掃描，結果如表3、表4 和表5所示。可以看出，平臺部位與正常位置化學成分存在差異，平臺部位含鈦元素；在高倍數下對細小顆粒物進行EDS能譜分析，可以看出，細小顆粒物為含鈦質點。通過分析可知，本平臺缺陷由含鈦夾雜引起。

表3 2#樣品平臺部位能譜結果

表4 2#樣品平臺部位能譜結果

表5 2#樣品正常部位能譜結果

2.3 平臺缺陷定性分析

含氣型氧化膜引起的平臺缺陷是鑄錠熔鑄過程中形成的氣孔造成的。氣孔會使材料的致密性、抗拉強度和疲勞極限等機械性能明顯下降。在加工過程中氣孔發生變形，其兩側的金屬由于氣體的存在始終不能接觸焊合并最終形成平臺缺陷。

含鈦夾雜引起的平臺缺陷是由于渣氣伴生造成的。熔體內渣與氣之間潤濕性較好，使得二者容易伴生。由于大多數夾雜物與金屬基體在彈性性能上有較大的差別，所以在金屬變形過程中，夾雜物周圍就會產生愈來愈大的應力集中，從而使之開裂或使夾雜物同基體的連結遭到破壞[5]。渣氣伴生時，鑄錠中會出現氣孔夾雜共存，在加工過程中，會形成平臺缺陷。

3 結論

（1）平臺缺陷與基體顏色不同，形狀不規則，尺寸分別約為2.7 mm×0.5 mm 和6.0 mm×0.9 mm，長度方向與變形方向基本保持一致，并且平臺部位邊界輪廓清晰，表面較光滑。

（2）根據平臺部位微區成分，平臺缺陷可分為兩類：含氣型氧化膜（微區成分與正常位置成分一致）和含鈦夾雜（微區成分中含有Ti元素）。

（3）含氣型氧化膜引起的平臺缺陷是由于鑄錠熔鑄過程中形成的氣孔形成的。在加工過程中氣孔發生變形，其兩側的金屬由于氣體的存在始終不能接觸焊合并最終形成平臺缺陷。

（4）含鈦夾雜引起的平臺缺陷是由于渣氣伴生造成的。熔體內渣與氣之間潤濕性較好，使得二者容易伴生。渣氣伴生時，鑄錠中會出現氣孔夾雜共存，在加工過程中，會形成平臺缺陷。