7A09铝合金型材表面裂纹产生的原因分析

李东东，宓 莎，徐秋发，于 雷，李 煦，厉晓笑，刘 泉，杨瑞青

(1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060)

7A09铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金，是我国自行研制的高强铝合金结构材料，由于其具有优良的比强度、耐腐蚀、耐疲劳性能，被广泛应用在航空、航天、汽车等工业领域[1-3]。

某公司生产的7A09铝合金T6状态挤压型材，用户在碱洗和阳极氧化后发现有6批次中部分型材表面存在裂纹现象，每批次约有30%的型材表面存在裂纹缺陷，每根型材裂纹缺陷的位置及形貌相似，用户认为是某公司提供的铝合金型材存在表面质量问题。为了弄清这些型材表面缺陷的性质及产生原因，本文作者对7A09铝合金挤压型材进行了宏观形貌、金相组织、微观形貌的观察及对生产流程的复查。

1 裂纹形貌

选取表面存在裂纹缺陷的7A09-T6铝合金挤压型材作为分析对象，型材呈“几”字形，壁厚为2 mm，其化学成分见表1。利用体视显微镜和光学显微镜观察型材表面裂纹形貌及金相组织；采用扫描电镜及所配置的EDS能谱仪观察分析裂纹的微观形貌及成分。

表1 7A09铝合金的化学成分 (质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 7A09 aluminum alloy(wt/%)

1.1 宏观形貌

图1是型材表面裂纹缺陷的宏观形貌。由图1可见，型材上表面靠近拐角区域呈凸起现象，在凸起处可见纵向裂纹。在体视显微镜下观察，裂纹位于上表面距边缘约3 mm位置，呈断续分布，最长裂纹尺寸约为4.7 cm。

图1 裂纹形貌Fig.1 Macroscopic morphologies of cracks

1.2 微观形貌

截取型材裂纹部位的试样置于扫描电镜下观察，其微观形貌见图2所示。裂纹呈弯曲形状，进一步放大观察，裂纹的断面呈剪切韧窝形貌。

图2 裂纹微观形貌Fig.2 Micromorphology of cracks

1.3 断口形貌

采用机械方法将零件裂纹打开进行观察，其形貌见图3。

图3 裂纹断口形貌Fig.3 Fracture morphologies of crack

由图3a可以看到，裂纹断面呈斜断口(与表面约呈35°)，表面有金属光泽，未见明显的腐蚀和机械损伤痕迹，源区位于表面。从图3b的断口微观形貌中可以看到，打开后的裂纹断口形貌呈剪切韧窝形貌。以上特征表明，型材表面裂纹的开裂模式为塑性开裂。对断口进行能谱分析，主要含有Al、Mg、Cu、Zn元素，其含量符合7A09铝合金的。

1.4 组织观察

从型材的裂纹位置截取试样进行金相分析，其组织见图4。可见，试样表面存在粗晶环，粗晶环最深区域位于凸台两个拐角位置，深约1.3 mm，显微组织未见过烧缺陷，裂纹从表面起裂，沿厚度方向扩展，裂纹深度约0.1 mm。

图4 型材裂纹位置的金相组织Fig.4 Microstructure of profile at cracking

2 分析与讨论

从以上的能谱及金相分析结果可知，7A09铝合金型材的成分和组织未见异常，裂纹区域未见明显的组织缺陷。型材表面裂纹位于上表面凸起处，裂纹断口源区位于外表面，整个断面均呈剪切韧窝形貌，其开裂模式为塑性开裂。根据型材生产过程分析，裂纹应是原材料生产过程中形成的。

该型材的生产工艺流程是：配料→熔炼、铸造→铸锭机加工→均匀化退火→铸锭检验→挤压→固溶、淬火热处理→张力矫直→辊式矫直→人工时效→成品检验→包装交货。

根据裂纹形貌及型材生产过程可能产生的缺陷进行分析，铝合金挤压材的裂纹缺陷主要有挤压裂纹、淬火裂纹、矫直过程导致的应力裂纹。挤压裂纹为横向裂纹，属于热裂纹，裂纹形貌、性质与本文中的型材纵向、冷裂纹特征不一致，故可以排除挤压裂纹。淬火裂纹是淬火过程中出现的裂纹，金相形貌以热裂纹为主，存在明显沿晶开裂特征，与本文中的冷裂纹形貌区别明显，故也可排除。

人工时效过程随保温延长，型材强度逐步升高，同时残余应力逐渐降低，与产生应力开裂的机制其方向恰好相反，所以人工时效工序产生的裂纹也可排除。

人工时效前的辊式矫直工序，是采用纵向推进，矫辊不同方位对其加压进行型材截面尺寸矫正，这是唯一可产生该类裂纹的生产工序。

7A09铝合金型材出现裂纹后，生产厂立即组织人员对产生裂纹的6批次型材及其他批次型材的生产过程进行了全面复查。通过对比发现，有裂纹的批次型材与无裂纹的批次型材的生产过程存在两处不同：一是有裂纹批次的型材淬火热处理与辊式矫直间隔时间偏长；二是有裂纹批次的型材存在部分型材二次辊式矫直。

7A09铝合金属超强铝合金，挤压及淬火热处理变形较为严重，为保证型材外形尺寸精度，实际生产中，全部要进行辊式矫直。7A09铝合金在淬火热处理后具有自然时效效应，随淬火处理后停放时间的延长，型材的强度会逐步升高，尤其经过1周的自然时效过程，型材强度明显升高[4]。强度升高，矫直难度增大，一次辊式矫直后，部分型材无法达到尺寸精度要求，需要进行二次辊式矫直。同时，辊式矫直过程为冷加工，辊式矫直的辊压过程会造成局部加工硬化，强度进一步升高。因此，当型材强度升高后，在二次辊式矫直过程中，需通过加大辊间过盈度方式进一步加大矫直力，进行二次辊矫。在进行收角度处理时，由于内腔顶辊与其余两辊同时作用，产生过大拉应力，容易在型材上表面形成裂纹。裂纹一旦产生，会在后续的扩并口、压间隙、压爪板过程中扩展。

由于该型材经过固溶高温处理后，表面因氧化形成暗黑色氧化膜，并且在辊式矫直过程为防止型材表面擦划伤，需要对矫直辊涂油润滑，不可避免造成型材表面存在润滑油残留，致使裂纹处被残留润滑油填充和覆盖，所以虽然型材经100%表面检验，但却有个别次品未能有效检出，造成裂纹产品出厂。因此，为了能有效检出表面有裂纹的产品，和用户沟通后对型材成品检验前进行蚀洗处理，再100%进行表面检查，在后续的供货 3 批次型材中，客户反馈再未出现过表面裂纹现象。

3 结 论

通过对7A09铝合金型材表面裂纹的观察与分析认为：

1)型材表面的裂纹是起源于外表面，为应力开裂，产生的主要原因是由于在二次辊矫过程中，矫直力过大造成型材局部应力过大而开裂。

2)淬火热处理与辊式矫直间隔时间过长，是造成部分型材二次辊式矫直开裂的诱因。

3)型材出厂前进行蚀洗处理可在成品检验时有效检出不合格的产品，从而避免有表面裂纹的产品流入用户。