7B04铝合金锻件中的探伤缺陷

程思梦，温庆红，林顺岩，李 霜，冯 旺

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

7B04 铝合金是一种由7A04 铝合金高纯化发展形成、以Al为基体、主要添加Zn、Mg和Cu元素的可热处理强化的铝合金，具有高强度、高硬度的优点，因此其锻件被广泛用于制作航空航天工业的重要结构受力件。然而，锻件中的缺陷会造成产品零件性能大幅度降低，制约着合金锻件用作结构受力件的应用。因此，在7B04 铝合金锻件成品交货前，都必须进行A级水浸探伤。为提高锻件产品的质量和成品率，分析锻件主要探伤缺陷的类型和特征、研究锻件探伤缺陷产生的原因并采取有效的措施消除或减少探伤缺陷显得尤为重要。

铝合金探伤缺陷研究一直是提高铝合金内部质量应用研究的热点。王飞[1]等采用超声相控阵、工业CT、渗透及金相分析等多种检测方法对航天7A04 铝合金锻件缺陷进行了定性分析，结果表明造成锻件不合格的原因为原材料夹杂缺陷。孙荣滨[2]研究了铝合金结构件中化合物偏析缺陷的形成机制、形貌特征与危害，用高频点聚焦、水浸探头超声波探伤方法，检测了特殊结构件中化合物偏析缺陷，并对检测结果的准确性进行了剖伤验证、定性分析。关风雷[3、4]等人介绍了铝合金材料氧化膜缺陷形成机制及特征，研究了铝合金锻件氧化膜缺陷的分布规律，并结合铝合金锻件生产中超声波探伤实践给出了具有代表性的氧化膜超声波探伤波形、剖伤低倍图谱、断口图谱。刘金霞[5]等人对7A09 铝合金棒材探伤缺陷产生的原因进行了分析，确定了缺陷为金属化合物；并通过控制金属添加剂、中间合金质量，调整合金的化学成分，提高熔铸温度，加强过滤等预防措施，降低了产生7A09铝合金棒材探伤缺陷的风险。唐剑[6]等人研究了7B04 合金中形成氧化膜的原因，在采用高效除气和过滤工艺有效除去非金属氧化物和氢的同时，解决了净化后熔体供流转注过程中的二次污染问题，有效防止了7B04合金铸锭氧化膜缺陷的产生。

本课题在借鉴前期研究的基础上重点研究了7B04 铝合金锻件探伤缺陷的类型和特征，并通过锻件缺陷的定位、打断口对不同探伤缺陷组织进行了微观观察和定性分析，希望能探明锻件产生缺陷的原因，为优化制定7B04 合金锻件生产加工工艺提供依据和参考。

1 试验方法

生产现场选取不满足A 级水浸探伤要求的7B04 铝合金锻件成品进行重新探伤定位、标记、取样、打断口，对典型样品断口面进行宏观形貌观察，并采用日立SN3400扫描电子显微镜观察合金断口微观组织，采用牛津能谱仪定性分析缺陷的组成。

2 试验结果及分析

铝及其合金在熔炼过程中，铝熔体中存在的夹杂物、气体等会影响熔体纯净度，导致铸锭易产生气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，对铸件性能或后续加工产品的强度、塑性、疲劳性能、抗蚀性、阳极氧化性和外观品质等均有显著影响。对铝合金铸锭、制品进行低倍、高倍组织检测和氢含量控制等手段是保证铝合金铸锭制品质量的第一道防线；超声波探伤无损检测是保证铝合金制品性能的最后一道防线，可以有效发现合金制品内部的组织缺陷。

2.1 典型氧化膜缺陷

图1为7B04合金锻件的典型氧化膜缺陷的宏观形貌，图2为7B04合金锻件的典型氧化膜缺陷部位SEM电镜形貌图。观察锻件缺陷断口形貌，发现缺陷断口面部位与正常部位间有明显分界，其特征为断口面局部存在一处线条状平台，尺寸约为7 mm×0.5 mm。

能谱分析结果见表1 和表2。由图2 及能谱结果可知，缺陷部位的O、Mg 元素明显高于正常部位。因此，由断口形貌及能谱结果可知，该缺陷是由氧化膜导致的探伤缺陷。

表1 缺陷部位能谱结果

表2 正常部位能谱结果

在铝合金熔炼和铸造过程中，熔体表面与空气接触，因高温氧化反应形成氧化膜，并覆盖在熔体表面，当熔体表面的氧化膜被破碎并卷入熔体内，最后留在铸锭中形成氧化膜缺陷。

一般来说，氧化膜不同程度地存在于所有铝和铝合金铸锭中，但铸锭低倍和断口组织检查一般不易发现，经压力加工和热处理后才能形成较明显的氧化膜缺陷。氧化膜是铝合金材料中最常见的一种组织缺陷，它会破坏金属组织的连续性，使产品性能下降，目前还没有一种理想的熔炼和铸造工艺能够完全将其消除。制品受冲击载荷时，易从氧化膜处破裂，降低材料的疲劳强度。

所有防止铝熔体表面氧化膜破裂并进入铸锭中的工艺措施均可有效预防氧化膜探伤缺陷的产生：一是在铸造过程中保持铝液平稳供流，使铸造铝液在镜面似的氧化膜底下流动，防止铝液紊流、翻滚或外来破坏，如打渣、高空落物、撒熔剂粉等，甚至是电风扇吹风引起的液面波动，以免造成铝液表面氧化膜破碎；二是采用合适的过滤装置过滤熔体，提高过滤精度，强化过滤效率，在不影响铸锭其他冶金质量的前提下，尽可能阻挡氧化膜进入铸锭。

图1 典型氧化膜缺陷部位宏观形貌

图2 典型氧化膜缺陷部位电镜形貌

2.2 非典型氧化膜缺陷

图3为非典型氧化膜缺陷宏观形貌。缺陷样品断口面存在一处尺寸约10.0 mm×1.3 mm 的金属色平台。

样品缺陷平台及正常部位典型电镜形貌见图4，其能谱结果分别见表3、表4。在扫描电镜下观察可知，样品断口面缺陷部位呈较光滑的平台状。能谱结果表明，缺陷部位、正常部位合金元素基本相当。因此，由断口形貌及能谱结果可知，该缺陷是由非典型氧化膜导致的探伤缺陷。

图3 非典型氧化膜缺陷部位宏观形貌

图4 样品断口面典型电镜形貌

表3 缺陷部位能谱结果

表4 正常部位能谱结果

非典型氧化膜缺陷可以被认为是铝合金制品的疏松缺陷。铝合金疏松缺陷是在铸造过程中产生的，分为气体疏松和收缩疏松两种形式。熔体中未除去的气体中氢气含量较高，气体被隐藏在枝晶间的间隙内。随着结晶的进行，树枝晶杈互相搭接形成骨架，树杈间的气体和凝固时析出的气体无法逸出而集聚，结晶后这些气体占据的位置成为空腔，这个空腔就是由气体形成的气体疏松。在金属铸造结晶时，从液态凝固成固态，体积收缩，在树枝晶杈间固液体金属补缩不足而形成空腔，这种空腔即为收缩疏松。

目前采用在线精炼除气和在线过滤可以将铝合金铸锭的氢含量控制在较低的水平，基本上能有效地消除因气体疏松形成的探伤缺陷。但合金的收缩疏松分布较为分散，铸锭高、低倍检测表现不明显。其典型特征是：在合金铸锭变形加工和热处理后，铸锭中的氢会大量析出，并易在氧化膜、未压合的疏松处析出聚集，形成较光滑的平台状非典型氧化膜探伤缺陷。

提高合金熔体的纯净度、降低熔体气含量可有效减少非典型氧化膜探伤缺陷，如：选择合理的在线精炼除气工艺参数，防止二次造渣污染；加强熔体在线过滤，降低气体附着物；在设备允许的条件下，尽可能增大加工变形量；选择合适的热处理温度及保温时间等工艺措施，可降低非典型氧化膜探伤缺陷出现的概率。

2.3 含Ti化合物缺陷

图5为含Ti化合物样品宏观形貌。各样品断口面均存在一处尺寸大小不一的淡黄色平台，尺寸分别为3.84 mm×1.89 mm、2.09 mm×1.42 mm、3.15 mm×1.52 mm。

在扫描电镜下观察，各样品断口面平台部位典型电镜形貌见图6，其能谱结果分别见表5～表8。由图6断口形貌及能谱结果可知，各样品缺陷部位呈较光滑平台状，缺陷部位较正常部位均含有较多Ti元素。因此，3个样品缺陷均是含Ti化合物导致的探伤缺陷。

图5 含Ti化合物缺陷部位宏观形貌

图6 各样品断口面典型电镜形貌

表5 样品1缺陷部位能谱结果

表6 样品2缺陷部位能谱结果

表7 样品3缺陷部位能谱结果

表8 正常部位能谱结果

7B04 铝合金是杂质含量较低的高纯化铝合金，出现含Fe、Si等粗大化合物探伤缺陷的概率很小。目前，人们对铝合金用中间合金（如Al-Zr、Al-Cr 等）的质量控制及组织遗传性大多有较深刻的认识和管控措施，所以合金制品形成含Zr、Cr初生晶化合物探伤缺陷的概率也不大。

从铝合金化学成分控制标准来看，一般对Ti含量控制范围较宽。出于控制合金铸锭晶粒和铸造成型的考虑，会适当增加含Ti的铝合金晶粒细化剂的用量，尤其是合金废料的循环使用，导致合金制品中的Ti 含量越来越高。铝合金晶粒细化剂主要有Al-Ti-B、Al-Ti-C 丝或块等，其产品质量参差不齐。由于含Ti的化合物有难熔、易聚集的特性，在熔铸铝合金的熔炼温度和添加方式下，粗大的化合物未溶解或不能充分溶解，聚集的含Ti化合物没有弥散分布，遗传到铝合金铸锭中，就形成了含Ti的化合物探伤缺陷。

在实际生产中，应对生产或外购的晶粒细化剂进行质量检验，建立分级质量标准，并对所有铝合金晶粒细化剂严格分级使用；严格控制添加的晶粒细化剂用量；进一步优化晶粒细化剂的添加工艺等。

3 结论

（1）7B04铝合金锻件探伤缺陷主要有典型氧化膜缺陷（O、Mg、Al）、非典型氧化膜缺陷（一般为含气型）和含Ti化合物缺陷三种类型。

（2）优化合金熔炼铸造工艺，实现合金熔体纯净化，可降低或消除典型氧化膜探伤缺陷。

（3）优化在线精炼除气、在线过滤工艺，降低铸锭含氢量，进一步优化合金加工变形工艺、热处理工艺，可减少非典型氧化膜探伤缺陷出现的概率。

（4）优化在线细化工艺，分级使用晶粒细化剂，并严格控制细化剂的添加量，可明显降低含Ti化合物探伤缺陷出现的概率，提高合金的成品率。