7B04 铝合金锻件探伤缺陷分析

文/王永强·中航金属材料理化检测科技有限公司三原分公司

Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金具有良好的综合性能，尤其拥有超高强度的预拉伸板被广泛用于航空航天等零件的制造。7B04 作为其中一种时效强化合金，可以通过选择合适的固溶、时效热处理工艺制度的方式，获得较高强度、断裂韧性及优良的抗应力腐蚀性能。7B04 合金常用于预拉伸板、锻件结构件，材料中的氧化膜缺陷将大大降低缺陷处的性能，影响材料性能。

本文中7B04 自由锻件主要工艺流程为：下料→锻造→酸洗→机加→探伤→粗加工→热处理→精加工→探伤→理化→酸洗→终检→入库。该锻件在超声波探伤时发现有长条形缺陷，本文通过对探伤发现的长条形缺陷进行定位，解剖后对其进行低倍组织、高倍组织检验、断口面分析，使用扫描电镜对缺陷组织和正常组织进行了能谱分析，最后判定该长条形缺陷为氧化膜。

图1 锻件及缺陷部位

理化检验

超声波无损探伤

对锻件的上下端面进行超声波无损探伤，在端头部位发现有长条形缺陷，缺陷定位埋深90mm，长约30mm，缺陷为内部缺陷如图1 所示，需进一步解剖分析。

依据超声探伤结果划定缺陷部位，切取分析试块，并对试块各面进行加工。对分析试块各面进行复探，进一步确认位置。由于长条形缺陷沿纵向分布，方向与主探伤面一致，因此在缺陷部位沿垂直于主探伤面切取低倍试块进行加工。

低倍组织检验

将切取的横向低倍试块加工后腐蚀(腐蚀剂为15%的NaOH 水溶液)，并用光洗剂(20%的HNO3水溶液)洗涤腐蚀产物，观察低倍组织如图2 所示。

图2 缺陷处横向低倍组织(红圈为缺陷位置)

横向低倍组织均匀细小，晶粒度为GB/T 3246.2 -2012 的一级，在横向低倍试块中心处(探伤缺陷埋深位置)发现一长约3mm 的黑色短线状缺陷。除此之外，无疏松、非金属夹杂、异金属夹杂、白斑、缩尾、气孔等其他肉眼可见的冶金缺陷。

高倍组织检验

在低倍试块上划定高倍试块取样位置(红圈为缺陷位置)，如图3 所示。

图3 高倍取样位置

将横向高倍试块经磨制抛光和腐蚀(腐蚀剂为HF:HCl:HNO3:H2O=2:3:5:190)后，观察高倍组织如图4 所示。

从图4 中高倍组织图上可以看出，缺陷呈黑色不连续短线状包留物、涡纹状，缺陷处晶粒均匀细小，除此之外无化合物聚集及过热、过烧现象。

图4 缺陷处高倍组织

断口检验

在高倍试样切取一小段断口试样，将断口在缺陷处沿纵向打断，断口形貌如图5 所示。

图5 缺陷纵向断口

从纵向断口上看，断面宽度基本均匀，缺陷断面上分布有黄褐色块状物，呈平台状，与基体的断口有明显的界限。

表1 缺陷与基体的断口能谱结果比对(wt%)

电镜与能谱分析

在扫描电镜下观察断口形貌，并将断口的缺陷处与基体进行能谱比对，结果如图6 和表1 所示。谱图1 和谱图2 为基体断口处，谱图3 和谱图4 为缺陷断口处。

图6 缺陷处断口形貌

从断口的电镜组织与能谱结果可看出，该缺陷含有大量的氧化物，主要成分为氧化铝。

结果分析

在铝合金铸造熔炼过程中，在熔体表面与空气接触发生高温氧化反应形成氧化膜，在熔炼、浇注过程中带入到铸锭中，最终在锻造过程中变形而拉长和断裂。

氧化膜是铝合金材料中最常见的一种组织缺陷，它的生成使得金属不连续，将降低产品力学性能和疲劳性能，在受到冲击载荷时，容易在氧化膜处失效，使得产品失效。

结束语

在生产中，采用超声波无损探伤能够准确对氧化膜缺陷部位和分布进行定位，选择合适的超声波探伤工作面，甚至可以对氧化膜进行定量，再通过低倍组织、高倍组织、断口与能谱分析可对这种影响组织不连续性的缺陷进行准确定性，对生产给予有力的支持、对质量给予强有力的保证。一般来说氧化膜在铝合金中较为常见，均是熔炼时带来的，并在锻造时沿变形方向展成薄片状。在熔炼过程中应当控制熔铸和搅拌等工序，防止表面氧化物卷入熔体内，所以防止氧化膜可从熔炼和浇注方面采取适当的措施。