7B04 鋁合金鍛件探傷缺陷分析

文/王永強·中航金屬材料理化檢測科技有限公司三原分公司

Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金具有良好的綜合性能，尤其擁有超高強度的預拉伸板被廣泛用于航空航天等零件的制造。7B04 作為其中一種時效強化合金，可以通過選擇合適的固溶、時效熱處理工藝制度的方式，獲得較高強度、斷裂韌性及優良的抗應力腐蝕性能。7B04 合金常用于預拉伸板、鍛件結構件，材料中的氧化膜缺陷將大大降低缺陷處的性能，影響材料性能。

本文中7B04 自由鍛件主要工藝流程為：下料→鍛造→酸洗→機加→探傷→粗加工→熱處理→精加工→探傷→理化→酸洗→終檢→入庫。該鍛件在超聲波探傷時發現有長條形缺陷，本文通過對探傷發現的長條形缺陷進行定位，解剖后對其進行低倍組織、高倍組織檢驗、斷口面分析，使用掃描電鏡對缺陷組織和正常組織進行了能譜分析，最后判定該長條形缺陷為氧化膜。

圖1 鍛件及缺陷部位

理化檢驗

超聲波無損探傷

對鍛件的上下端面進行超聲波無損探傷，在端頭部位發現有長條形缺陷，缺陷定位埋深90mm，長約30mm，缺陷為內部缺陷如圖1 所示，需進一步解剖分析。

依據超聲探傷結果劃定缺陷部位，切取分析試塊，并對試塊各面進行加工。對分析試塊各面進行復探，進一步確認位置。由于長條形缺陷沿縱向分布，方向與主探傷面一致，因此在缺陷部位沿垂直于主探傷面切取低倍試塊進行加工。

低倍組織檢驗

將切取的橫向低倍試塊加工后腐蝕(腐蝕劑為15%的NaOH 水溶液)，并用光洗劑(20%的HNO3水溶液)洗滌腐蝕產物，觀察低倍組織如圖2 所示。

圖2 缺陷處橫向低倍組織(紅圈為缺陷位置)

橫向低倍組織均勻細小，晶粒度為GB/T 3246.2 -2012 的一級，在橫向低倍試塊中心處(探傷缺陷埋深位置)發現一長約3mm 的黑色短線狀缺陷。除此之外，無疏松、非金屬夾雜、異金屬夾雜、白斑、縮尾、氣孔等其他肉眼可見的冶金缺陷。

高倍組織檢驗

在低倍試塊上劃定高倍試塊取樣位置(紅圈為缺陷位置)，如圖3 所示。

圖3 高倍取樣位置

將橫向高倍試塊經磨制拋光和腐蝕(腐蝕劑為HF:HCl:HNO3:H2O=2:3:5:190)后，觀察高倍組織如圖4 所示。

從圖4 中高倍組織圖上可以看出，缺陷呈黑色不連續短線狀包留物、渦紋狀，缺陷處晶粒均勻細小，除此之外無化合物聚集及過熱、過燒現象。

圖4 缺陷處高倍組織

斷口檢驗

在高倍試樣切取一小段斷口試樣，將斷口在缺陷處沿縱向打斷，斷口形貌如圖5 所示。

圖5 缺陷縱向斷口

從縱向斷口上看，斷面寬度基本均勻，缺陷斷面上分布有黃褐色塊狀物，呈平臺狀，與基體的斷口有明顯的界限。

表1 缺陷與基體的斷口能譜結果比對(wt%)

電鏡與能譜分析

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，并將斷口的缺陷處與基體進行能譜比對，結果如圖6 和表1 所示。譜圖1 和譜圖2 為基體斷口處，譜圖3 和譜圖4 為缺陷斷口處。

圖6 缺陷處斷口形貌

從斷口的電鏡組織與能譜結果可看出，該缺陷含有大量的氧化物，主要成分為氧化鋁。

結果分析

在鋁合金鑄造熔煉過程中，在熔體表面與空氣接觸發生高溫氧化反應形成氧化膜，在熔煉、澆注過程中帶入到鑄錠中，最終在鍛造過程中變形而拉長和斷裂。

氧化膜是鋁合金材料中最常見的一種組織缺陷，它的生成使得金屬不連續，將降低產品力學性能和疲勞性能，在受到沖擊載荷時，容易在氧化膜處失效，使得產品失效。

結束語

在生產中，采用超聲波無損探傷能夠準確對氧化膜缺陷部位和分布進行定位，選擇合適的超聲波探傷工作面，甚至可以對氧化膜進行定量，再通過低倍組織、高倍組織、斷口與能譜分析可對這種影響組織不連續性的缺陷進行準確定性，對生產給予有力的支持、對質量給予強有力的保證。一般來說氧化膜在鋁合金中較為常見，均是熔煉時帶來的，并在鍛造時沿變形方向展成薄片狀。在熔煉過程中應當控制熔鑄和攪拌等工序，防止表面氧化物卷入熔體內，所以防止氧化膜可從熔煉和澆注方面采取適當的措施。