7075铝合金锻饼内部探伤缺陷的原因分析

卢潇涵

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

0 前言

7×××系铝合金具有密度小、加工性能好及焊接性能优良等特点，是航空航天、船舶、桥梁、大型容器、管道、车辆等领域中最有前途的轻质结构材料之一[1]。根据国军标要求，制品的低倍组织不许有裂纹、气孔、折叠、偏析集聚和非金属夹杂物等缺陷[2]。为了寻找缺陷的本质，对近期生产的7075合金锻饼的断口缺陷区域进行宏观、微观观察、电子扫描以及能谱分析，同时也与缺陷附近正常断面的显微组织和扫描能谱进行分析比较，目的是为了确定缺陷的性质并从中寻找缺陷产生的根本原因及预防措施，以避免今后再发生类似现象，为日后生产工艺改进提供支持和帮助。

1 试验方案

对缺陷断口进行观察，同时对缺陷形貌特征进行分析。

规格为φ952 mm×243 mm的7075合金自由锻饼经探伤发现在锻饼内部有超标面积缺陷，缺陷位于锻饼中心区域。锻饼外圆已扒皮，没发现锻饼外圆有孔洞、压折等缺陷。探伤缺陷埋深为119 mm，最大处当量φ4.4 mm，缺陷具体位置如图1所示。该失效试样的缺口位于7075锻饼缺陷处。

图1 锻饼缺陷位置示意图

在垂直于断口缺陷面取高倍试样，经制备后在光学显微镜下观察其显微组织特征，结合断口分析确定缺陷的性质。

对断口缺陷和高倍试样进行扫描，并对缺陷进行成分分析，以进一步确定缺陷的性质。

2 试验观察与结果

2.1 断口宏观形貌观察

图2是缺陷断口示意图。从图中发现，有一块面积约为37 mm×27 mm的异物（左箭头），它与正常断口形貌（右箭头）不同。在缺陷处有的部位呈黄色、有的部位呈黑色。在黑色、黄色物处用手指可以取下一些类似泥一样的东西，并且在黑色、黄色物附近发现有白亮点且组织粗糙现象，从缺陷整体形貌观察初步断定缺陷是夹杂。为了进一步确定夹杂的本质和产生原因，将缺陷断口的一面进行酒精及超声清洗，然后做进一步分析。清洗后的断口如图3所示。观察图3发现有一些发黄、发黑的脏物已清洗掉，还有一些脏物仍残留在断裂面上，因此可以断定该缺陷为夹杂。

图2 缺陷一侧断口示意图

图3 超声清洗后的整体断口形貌图

2.2 显微组织观察

在图3的左侧断面切取两块试样，标为1号和2号进行显微组织分析，磨抛面分别垂直于断裂面。将试样磨抛后放在显微镜下观看，其显微组织如图4所示。从图4观察可知，沿试样的断口边缘有很薄一层深色物，这与断口面上脏物相对应。沿断裂面向里有几处裂纹，发现裂纹里有脏物。针对断口面上的异常现象以及裂纹里的脏物做扫描能谱分析。

图4 垂直断口面的显微组织

2.3 电子扫描和能谱分析

图5为图3断裂面上黑色小圈区域里白亮处的二次电子图片。从图5（a）右侧可发现有许多凸起的白亮点，图5（b）为图5（a）的能谱示意图。针对白亮点进行能谱分析，分析结果见表1。表1结果反映了白亮点含有很高的Si、O、Al元素。图5（c）为图5（a）左侧周围位置的放大图，从图中可观察到有许多小的疏松分布在断裂面上。图6为正常断口示意图，缺陷处断口与正常处断口组织形貌截然不同。图7是图3断口大圈区域里缺陷的扫描示意图，扫描结果见表2。表2结果显示这些发黄、发黑夹杂的成分很复杂，多处含有很高的Si、O、Ca、Al元素，Fe元素可能是打断口时工具带进去的。扫描观察图4的裂纹里也含有夹杂，经能谱分析同样含有很高的Si、O、Al元素，这与断口上白亮缺陷成分一致。显微组织观察到的裂纹是由于夹杂在随后的变形时产生的。

表2 图3中大圈区域的能谱分析结果

图7 断口颜色发黄、发黑处缺陷扫描形貌

表1 图3中小圈区域能谱分析结果

图5 断口白亮处缺陷扫描示意图

图6 7075正常断口组织

3 夹杂和疏松的产生原因及预防措施

3.1 锻饼夹杂和疏松产生的原因分析

从整个锻饼的断口形貌、显微组织、扫描形貌以及能谱成分分析发现，夹杂物成分很复杂，但无论是在发黄、发黑、乃至发白发亮的位置均含有很高的Si、Al、Ca、O元素。经现场调查和查阅相关资料分析可知，这些含有Si、Al、S、O、Ca元素的夹杂物主要来源于流槽中的保温材料和修补材料。

（1）保温材料：保温材料采用硅酸棉，硅酸棉是耐火材料，它是以高纯氧化铝、硅石粉合成料为原料，经电阻熔融、喷吹压制而成的一种絮状纤维[3]。耐火材料是一种耐热、耐压或耐化学侵蚀的材料，在高温下仍能保持强度和形状。通常在两个流槽中间放置一个起除气作用的隔板，两个流槽搭接时，为了搭接严密，在搭接处铺上硅酸棉以防铝水渗漏，同时硅酸棉还起保温作用。搭接后有些残渣会留在流槽里，如清理不净，残渣会与铝液一同流入结晶器最后留在铸锭里。

（2）由于耐火材料具有防腐蚀、提供隔热、承受物理应力并防止由于热介质造成容器壁腐蚀等作用[4]，因此流槽多选用耐火材料。当过滤箱后的流槽及其T形流槽内部的实际状况不很理想，长期使用后流槽接缝老化情况严重，在补修时因为修补处无法避免因收缩而产生的边角局部翘曲及缝隙，若有脱落就容易造成渣子，而修补材料为耐火泥材料。因此上述这些渣子就会和铝液一起流入结晶器里。由于耐火泥密度比铝液密度高，这些渣子会沉在液穴底部中央，最后留在铸锭的中心区域。因此在锻饼中心区域就会发现很大的发黄发黑杂物存在。

（3）Ca元素最可能来自流槽的耐火材料本体组成成分之一CaSiO3，但流槽本体本身不易脱落。我们所看到的Ca应该是修补材和流槽接合界面在修补材脱落时粘附少量流槽本体硅酸钙造成的。生产所用的耐火泥通常由以下材料的氧化物组成：硅、铝、镁、钙和锆。其耐火泥材料符合YB/T5207-2005标准要求[6]。

（4）如果硅酸棉不干净以及修补后干燥不彻底、有潮气，就会在缺陷处产生疏松。

3.2 预防措施

（1）要保证耐火材料的质量，不允许含有其他杂物，使用时确保材料干燥。

（2）流槽搭接好后留下的残渣需要用风机或吸尘器等工具进行残渣清理。

（3）定期检查流槽修补情况，流槽需要修补时要尽量做好，包括要确保修补处和本体的界面有充分的施压，粘结不会脱落，并确保烘烤干燥后方可使用。

4 结论

（1）探伤发现的7050锻饼中心区域的缺陷是夹杂。

（2）夹杂成分是SiO2、Al2O3、CaSiO3。

（3）该夹杂是铸造流槽对接用耐火棉脱落的残渣以及修补流槽脱落的耐火泥颗粒。由于清理不净，这些夹杂在后续铸造过程中随铝液流入铸锭里，最终形成锻饼中心异物。