7075鋁合金預拉伸厚板探傷缺陷原因分析及對策

馮 旺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7075 合金屬于超高強鋁合金，具有高的比強度和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優點，廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶等領域。為了防止帶有缺陷的板材制品投入使用，國防及航空工業提出使用超聲波檢測技術對鋁合金板材的內部質量進行檢查，鋁合金制造企業一般采用水浸式自動化超聲波檢測設備對特殊用途的鋁合金板材進行質量控制[1]。在實際生產中，7075合金預拉伸厚板在水浸探傷時經常出現因密集型探傷缺陷導致板材報廢的問題。研究探傷缺陷產生的機理，制定針對性解決措施已成為當務之急。

1 樣品來源

在7075-T651 鋁合金預拉伸厚板中，板厚為150～200 mm的厚板易出現密集型探傷缺陷，從而導致報廢。單個缺陷當量超φ2.0 mm，探傷缺陷位于板材厚度心部，且探傷缺陷主要存在于板材寬度中間區域。在板材長度方向探傷缺陷呈密集型分布，典型水浸探傷圖譜見圖1。圖1（a）和圖1（b）均存在探傷缺陷，圖1（a）探傷缺陷嚴重，圖1（b）探傷缺陷程度較圖1（a）輕微。從現場取了一塊探傷報廢樣品，板材規格為180 mm×1 620 mm×3 100 mm，取樣寬度為1/2板寬，對探傷缺陷樣品進行了低倍、顯微組織、斷口等綜合檢測分析。

圖1 水浸探傷圖譜

2 檢測儀器

試驗所用的儀器為LEICA DMI5000M光學顯微鏡、LEICA DVM6 數碼顯微鏡、S-3400N 掃描電鏡和牛津能譜儀。

3 探傷缺陷分析

3.1 低倍組織分析

取板材寬度邊部探傷正常部位、板材1/2 寬度探傷缺陷部位橫截面試片，依據標準GB/T3246.2《變形鋁及鋁合金制品低倍組織檢驗方法》進行低倍浸蝕試驗，低倍組織見圖2。厚度中部區域典型體視鏡形貌見圖3（樣品低倍面在體視鏡下觀察到的規則條紋為銑刀痕）。

圖2 橫截面低倍組織

圖3 低倍面體視鏡形貌

從圖2、圖3可以看出，板材1/2寬度樣品厚度中部區域（距表層80～100 mm）低倍面可見較多無規律分布的黑色不規則針孔，尺寸約為100～500 μm，針孔均沿晶界分布，低倍面其余部位未見類似針孔現象；板材寬度邊部樣品厚度不同部位均未見針孔現象。

3.2 斷口面掃描電鏡觀察

取板材寬度邊部探傷正常部位試片并于1/2 厚度打開人工斷口，同時取板材1/2 寬度部位試片并于1/2厚度探傷缺陷部位、1/4厚度正常部位打開人工斷口。斷口面宏觀形貌、典型電鏡形貌及典型部位能譜分析結果見圖4。

從圖4 可以看出，板材寬度中部樣品1/2 厚度探傷缺陷區域斷口面較粗糙，斷口面宏觀可見較多小尺寸白亮點。經掃描電鏡觀察，發現斷口面白亮點部位表面較光滑，邊界輪廓清晰，干凈未見異物，微區成分為7075 合金基體成分，斷口面白亮點呈軋制過程中未焊合顯微疏松形貌特征；板材寬度邊部1/2厚度、板材寬度中部1/4厚度探傷正常部位斷口面宏觀均未見白亮點現象，經掃描電鏡觀察，斷口面均未見冶金缺陷。

3.3 顯微組織分析

在板材寬度邊部、距板寬邊部200 mm、距板寬邊部400 mm、距板寬邊部600 mm以及距板寬邊部800 mm處分別取樣，將1/2厚度縱截面磨制成高倍試樣，經Keller 試劑浸蝕后，在金相顯微鏡下進行觀察，典型顯微組織見圖5。

圖5 板材寬度方向不同部位1/2厚度顯微組織

從圖5可以看出，樣品厚度心部探傷缺陷部位存在較多形狀不規則的微孔，微孔均沿晶界分布且邊界輪廓較明顯，微孔周邊晶粒組織流向較紊亂，伴隨輕微的拉裂痕跡；在板材寬度方向，越靠近板材寬度中部，微孔數量及尺寸呈增加趨勢，與鑄錠顯微疏松分布規律一致。

3.4 鑄錠樣品顯微疏松觀察及固態氫含量分析

為明確厚板探傷缺陷與鑄錠顯微疏松之間的關聯性，進一步對探傷報廢批次厚板對應的原始鑄錠樣品（保留的鑄錠1/4 橫截面低倍試片）進行組織分析。取兩塊典型鑄錠樣品A和B，分別對應軋制板材探傷缺陷嚴重（程度與圖1（a）相當）、探傷缺陷輕微（程度與圖1（b）相當）。鑄錠原始規格為520 mm×1 600 mm，觀測不同部位顯微疏松分布特征及疏松程度。分別在鑄錠寬度邊部、鑄錠1/4寬度以及鑄錠1/2 寬度部位的1/4 厚度、1/2 厚度處取樣，其典型顯微疏松形貌見圖6、圖7。

圖6 鑄錠樣品A不同部位顯微疏松形貌（軋制板材探傷缺陷嚴重）

圖7 鑄錠樣品B不同部位顯微疏松形貌（軋制板材探傷缺陷輕微）

從圖6可以看出，鑄錠樣品A顯微疏松程度較嚴重，1/2 厚度可見較多大尺寸網絡狀顯微疏松，并且越靠近鑄錠寬度中部，顯微疏松尺寸越大，最大網絡狀顯微疏松尺寸約為630 μm×420 μm，鑄錠1/4 厚度顯微疏松程度較輕微；鑄錠樣品B 顯微疏松程度稍輕微，與鑄錠樣品A的各部位顯微疏松相比其顯微疏松數量偏少、尺寸明顯偏小，最大網絡狀顯微疏松尺寸約為310 μm×250 μm；鑄錠沿寬度方向顯微疏松程度分布特征均與軋制厚板寬度方向1/2 厚度微孔數量、尺寸的變化規律相吻合。經工藝調查，7075 厚板出現密集型探傷缺陷對應鑄錠的液態氫含量為0.12～0.18 ml/100gAl，熔體氫含量偏高。進一步對鑄錠樣品A、B 分別進行固態氫含量檢測，發現A、B 兩鑄錠樣品固態氫含量分別為0.16 μg/g、0.13 μg/g。結果表明，鑄錠氫含量與顯微疏松程度存在明顯關聯性，鑄錠氫含量越高，顯微疏松程度越嚴重，軋制厚板探傷缺陷越明顯。

4 分析討論

顯微疏松是鋁合金鑄錠的主要缺陷之一，包括收縮疏松和氣體疏松兩類。收縮疏松是鋁合金熔體在結晶過程中由于體積收縮，在樹枝晶枝杈間因液體金屬補縮不充分而形成的空腔，收縮疏松一般尺寸較小；氣體疏松與熔體的氫含量有關，如果熔體中未除去的氫氣含量較高，鑄造時氫氣會隱藏在樹枝晶枝杈間隙而形成空腔[2-4]。顯微疏松的存在會破壞金屬微觀結構的連續性，并且會遺傳給加工制品，對加工制品的疲勞壽命、強度等性能產生較大負面影響。

鋁合金鑄錠中的顯微疏松通過變形處理后，雖然顯微疏松能夠得到一定愈合，但對于部分高強度鋁合金材料來說，仍不能滿足產品要求。在7075預拉伸厚板的軋制過程中，因金屬變形程度比較小，鑄錠心部顯微疏松三向投影面積變化較小，小尺寸疏松會被壓合，大尺寸疏松會沿壓力加工方向被拉長或展平，進而形成尺寸較大的探傷缺陷。

試驗結果證明，7075 合金探傷報廢批次厚板對應的原始鑄錠液態氫含量為0.12～0.16 ml/100gAl，組織中顯微疏松嚴重，鑄錠沿寬度方向顯微疏松的分布特征與軋制厚板寬度方向微孔數量、尺寸的變化規律相吻合。鋁合金中能溶解的氣體主要是氫，熔體氫含量高是導致疏松嚴重的關鍵因素。在實際生產中，通過調整熔鑄工藝參數，進一步降低熔體氫含量，可以減小顯微疏松的尺寸。當熔體液態氫含量降低至0.1 ml/100gAl以下時，鑄錠顯微疏松的尺寸和體積分數均大幅減小，軋制厚板探傷合格。

5 結論

對7075-T651預拉伸厚板進行水浸探傷時出現的密集型探傷缺陷是由顯微組織中未焊合的顯微疏松引起的，通過降低熔體氫含量可以避免出現顯微疏松遺傳造成的探傷缺陷問題。