7A04-T6鋁合金管材裂紋缺陷形成原因分析

李僜諺

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

7A04鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金，具有高的比強(qiáng)度和硬度，切削性能好，是航空航天領(lǐng)域的重要材料之一[1]。采用熔煉鑄造、均勻化熱處理、擠壓變形加工和固溶時(shí)效等加工工序，生產(chǎn)制備出φ30 mm×5 mm規(guī)格7A04-T6狀態(tài)的鋁合金管材在機(jī)加工后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別樣件出現(xiàn)裂紋。為了找出合金管材的開裂原因，對(duì)管件進(jìn)行了宏觀組織、顯微組織及斷口形貌觀察和掃描電鏡能譜分析，以確定裂紋缺陷的性質(zhì)和形成原因，也為今后避免此類缺陷的出現(xiàn)提供參考。

1 管材裂紋缺陷分析

1.1 宏觀形貌

對(duì)7A04-T6合金管材出現(xiàn)裂紋缺陷的加工件樣品進(jìn)行宏觀觀察。觀察發(fā)現(xiàn)，樣品存在一條尺寸約72 mm的縱向裂紋，且裂紋已穿透加工件壁厚，裂紋外表面局部可見一處尺寸約3 mm×1.2 mm的黑灰色物質(zhì)（圖1劃圈部位）。樣品宏觀形貌見圖1。

圖1 合金管材加工樣品宏觀形貌

將樣品開裂部位打開斷口，觀察管材斷口面的宏觀形貌，結(jié)果如圖2所示。

圖2 管材裂紋斷口面宏觀形貌

由圖2可知，樣品開裂部位的斷口面存在沿?cái)D壓方向聚集分布的黑灰色物質(zhì)，其長(zhǎng)徑尺寸約為15 mm。這些局部黑灰色物質(zhì)暴露于加工件外表面，與裂紋外表面觀察到的黑灰色物質(zhì)位置一致。

1.2 顯微組織及能譜分析

對(duì)開裂管件取高倍試樣，并進(jìn)行顯微組織觀察。獲得的典型電鏡形貌如圖3所示，能譜分析結(jié)果見表1和表2。

表2 譜圖2處黑灰色物質(zhì)能譜結(jié)果

圖3 管材裂紋斷口面典型電鏡形貌

表1 譜圖1處黑灰色物質(zhì)能譜結(jié)果

由圖3及能譜結(jié)果可知，樣品開裂部位斷口面的黑灰色物質(zhì)呈聚集顆粒狀，顆粒物主要含O、Mg、Al元素。

為明確管材裂紋缺陷的性質(zhì)及成因，在樣品黑灰色物質(zhì)部位和正常部位分別取樣（橫截面）進(jìn)行顯微組織觀察，其典型顯微組織見圖4，能譜分析結(jié)果見表3和表4。

圖4 管材裂紋缺陷部位橫截面顯微組織

表3 黑灰色物質(zhì)能譜結(jié)果

表4 正常部位能譜結(jié)果

由圖4及能譜結(jié)果可知，樣品未見過燒現(xiàn)象。樣品黑灰色物質(zhì)部位存在聚集分布的顆粒物，顆粒物主要含O、Mg、Al元素，顆粒物周邊組織流線存在輕微變形痕跡。

通過對(duì)管材裂紋缺陷的組織及能譜分析，并與管材正常部位的組織、化學(xué)成分進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明，裂紋缺陷處存在有聚集分布的黑灰色顆粒物，顆粒物主要含O、Mg、Al元素，表明此處為氧化膜夾雜。因此斷定，7A04-T6鋁合金管材加工件樣品水壓試驗(yàn)開裂是由氧化膜夾雜導(dǎo)致的。

2 分析及討論

鋁及其合金在熔煉鑄造過程中，鋁熔體中存在的夾雜物、氣體等會(huì)影響熔體純凈度，導(dǎo)致鑄錠易產(chǎn)生氣泡、氣孔、夾雜、疏松、裂紋等缺陷，對(duì)鑄件性能或鑄錠后續(xù)加工產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性、陽極氧化性和外觀品質(zhì)等均有顯著影響。提高鋁熔體的純凈度和鑄錠冶金質(zhì)量，一直是鋁加工工作者追求的目標(biāo)。

由于鋁合金對(duì)氧的高親和力，當(dāng)它們暴露在含氧和/或水分的空氣中時(shí)，它們會(huì)自然地氧化。在熔體表面形成的氧化物很容易被攪拌和澆注等熔體處理過程中產(chǎn)生的湍流夾帶到鑄件中，因此合金熔體中不可避免地含有氧化物。夾帶的氧化物夾雜在隨后的凝固過程中形成缺陷，降低了鑄件的性能。氧化物夾雜通常與氣孔、熱裂和裂紋等鑄造缺陷有關(guān)，而這些缺陷的產(chǎn)生不利于材料的性能，會(huì)使強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性下降[2]。

在鋁合金熔煉過程中，無論使用的熱源是電能、燃?xì)膺€是燃油，爐膛內(nèi)的氣氛通常都是氧化性的。在熔煉溫度下，金屬鋁與爐氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成三氧化二鋁。在Al-Mg系合金熔煉過程中，除了金屬鋁與氧的反應(yīng)外，鎂也和氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，生成氧化鎂。氧化鎂與三氧化二鋁的熔點(diǎn)都在2 000℃以上，它們不分解，也不溶于熔體，無法自動(dòng)消除。當(dāng)攪拌和熔鑄操作不當(dāng)時(shí)，浮在熔體表面的氧化皮被破碎并卷入熔體內(nèi)，最后留在產(chǎn)品中[3]。

7A04鋁合金中含有1.8%～2.8%的Mg元素，為合金化較高的鋁合金之一。由于該合金的凝固結(jié)晶溫度范圍相對(duì)較寬，鑄造成形裂紋傾向較大，所以在7A04鋁合金生產(chǎn)中，對(duì)熔體的純凈度要求較高。傳統(tǒng)的半連續(xù)鑄造方式，由于高溫鋁熔體的氧化，不可避免地會(huì)產(chǎn)生α-Al2O3、γ-Al2O3氧化物和MgAl2O4尖晶石粒子（見圖5）。在熔煉鑄造過程中，可能因攪拌、測(cè)溫等操作和熔體湍流、紊流等破壞了鋁熔體表面的氧化膜，導(dǎo)致氧化膜被裹入鑄造成品中形成氧化膜夾雜缺陷。

圖5 高溫鋁熔體中典型氧化膜SEM照片

根據(jù)上述分析并結(jié)合能譜分析結(jié)果，可以斷定7A04合金管材加工后水壓試驗(yàn)開裂的氧化膜夾雜為含Mg的MgAl2O4尖晶石粒子。

因此，為防止鋁合金產(chǎn)品中出現(xiàn)氧化膜缺陷，可以采取以下措施：（1）在鋁合金熔煉鑄造過程中，所有的生產(chǎn)工序和操作應(yīng)盡可能避免破壞熔體表面的氧化膜，防止氧化膜破損而帶入熔體；（2）采用熔體凈化方法來降低氧化膜缺陷進(jìn)入產(chǎn)品的概率和風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于熔體凈化，主要有兩種途徑：一是以俄羅斯為代表的氯氣精煉+真空除氣方式，精煉效果很好，但設(shè)備成本較高，也不適宜工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)；二是以歐洲為代表的在線熔體凈化方法，即在線用旋轉(zhuǎn)噴頭吹氣精煉再加上過濾器裝置過濾，全過程同水平自動(dòng)化鑄造，這種方法特別適合批量化的生產(chǎn)[4]。目前，大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用的都是在線熔體凈化方式。另外，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程和遵守生產(chǎn)工藝紀(jì)律，提升熔煉鑄造裝備水平，也可極大地降低氧化膜缺陷的發(fā)生概率，提高產(chǎn)品的冶金質(zhì)量。

3 結(jié)論

分析及檢測(cè)結(jié)果表明，7A04鋁合金管材加工件樣品水壓試驗(yàn)開裂是由氧化膜夾雜引起的。國內(nèi)外大量文獻(xiàn)表明，氧化膜等夾雜物的存在，嚴(yán)重破壞了鋁基體的連續(xù)性，降低了材料的強(qiáng)度和塑性，尤其是對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此鋁合金熔煉過程中，提升熔煉鑄造裝備水平，加強(qiáng)熔體凈化，加強(qiáng)操作工人的培訓(xùn)，防止氧化膜進(jìn)入熔體，才能有效提高鋁產(chǎn)品的冶金質(zhì)量。