航天用鋁合金棒材的選用現狀與質量控制

李麗、穆玉玲、張繼明、夏連福 /中國運載火箭技術研究院

鋁合金密度低，具有良好的抗腐蝕性、可焊接性和輕量性等特點，在航空、航天及許多國防工業領域中的應用越來越廣泛。鋁合金棒材為航天通用性最強的原材料之一，主要用于彈箭體結構件及氣密件等重要零部件，如果在使用過程中發生質量問題，由于其涉及面廣、處理難度大，會嚴重影響型號的研制及批生產任務。筆者梳理了近幾年鋁棒暴露出的質量問題，對問題的機理原因進行了深入剖析與提煉總結，結合鋁棒的生產制造過程及關鍵控制工序，從源頭把控，加強通用鋁材在生產過程中的質量控制，以減少通用鋁材在驗證、使用過程中的失效故障，提高原材料質量可靠性，并提出了有針對性的質量管控措施，對航天系統內鋁合金棒材的質量控制具有一定的指導作用。

一、鋁棒選用現狀

常規使用的鋁合金棒材主要包含2×××系合金、5×××系合金、7×××系合金。

1.2×××系鋁合金

2×××系鋁合金是以銅為主要合金元素的鋁合金，典型合金系為Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn，均屬于可熱處理強化合金。因合金強度高，被稱為硬鋁合金，耐熱性能和加工性能良好，但耐蝕性不如其他鋁合金，在一定條件下會發生晶間腐蝕。Al-Cu-Mg合金的典型應用代表為2A12和2A14。Al-Cu-Mn系合金的典型代表為2219，特點是工藝性能好，易于焊接，且斷裂韌性高。2×××系鋁合金廣泛應用于航空、航天領用，但由于合金存在鐵和硅等雜質，可生成粗大的脆性雜質項，嚴重影響了合金的斷裂韌性和厚板的短橫向性能。因此，通過降低雜質含量及調整合金化元素含量，開發出一系列高強高韌性Al-Cu-Mg合金，為了進一步提高焊接性能，相繼開發了2219、2021、2004鋁合金，目前應用最廣泛的是2219鋁合金。

2.5×××系鋁合金

5×××系鋁合金是以鎂為主要合金元素的鋁合金，屬于不可熱處理強化鋁合金。該系合金密度小，屬于中高強度鋁合金，疲勞性能和焊接性能良好，耐海洋大氣腐蝕性好，其使用溫度不高于65℃，典型合金牌號為5A06。

3.7×××系鋁合金

7×××系鋁合金是以鋅為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理可強化鋁合金。強度高于2×××系鋁合金，為超高強度鋁合金。典型合金系為Al-Zn-Mg-Cu,合金的屈服強度接近于抗拉強度，屈服比高，比強度高，但塑性和高溫強度低，宜做常溫、120℃以下使用的承力結構件，合金易于加工，有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性。

該系合金是航空航天領域重要的結構材料，航天航空器的輕量化要求鋁合金結構材料具有更高的強度并保持高韌性和高應力腐蝕抗力。在7×××鋁合金中，7075合金是最早應用的超高強度鋁合金。7475鋁合金是在7075合金的基礎上，通過減少鐵和硅雜質元素的含量研制出的新一代高純超高強度鋁合金，由于提高了純度，合金的斷裂韌度得到了提高，具有良好的綜合性能。7050合金通過優化合金元素成分，獲得更好的綜合性能，與7075合金相比具有較高的強度，較好的斷裂韌性、抗應力腐蝕性能和淬透性，是目前綜合性能很好的材料之一。

20世紀90年代，通過進一步優化合金元素成分，降低雜質元素含量得到了更高強度、較強斷裂韌性的7055合金。最新研制的7085合金主要用作鍛件，與7×××系其他鋁合金相比具有高強度、高抗疲勞性能、高抗應力腐蝕性能與剝落性能、低淬火敏感性等一系列優良性能，已是當前國內外研究的熱點。我國目前應用的7A04、7A09合金是與7075合金最相近的鋁合金。近年來選用的不同牌號、規格、狀態的鋁棒幾百種，選用標準占比如圖1所示。

圖1 鋁棒選用標準占比圖

鋁合金棒材主要選用標準為GB/T3191-1998《鋁及鋁合金擠壓棒材》，占總量的近80%。GJB2054-1994《航空航天用鋁合金棒材規范》、GJB3539-1999《鍛件用鋁合金棒材規范》為少量選用標準，用量不足總量的12%。

二、存在問題及原因分析

1.問題梳理

近幾年鋁合金棒材發生的質量問題（見表1），發生各種缺陷的種類占比圖（見圖2）。

圖2 缺陷種類占比圖

表1 質量問題統計表

產品暴露問題階段為到貨驗證和使用加工兩大階段。產生的問題為原材料缺陷存在氣孔、夾雜、夾渣、縮尾、粗晶環等，材料標準均為GB/T3191-1998。到貨復驗合格的鋁棒在加工制造過程中仍然會暴露出質量問題，影響產品的正常使用。

到貨驗收階段的主要問題為粗晶環，主要是在棒材擠壓和熱處理環節產生，由于后期尾部切除不徹底遺留到產品中，檢測手段為尾端低倍抽檢；使用加工階段的主要問題為夾渣缺陷，由于生產廠切除頭尾不徹底導致，在到貨驗收環節通過尾端低倍抽檢檢測。因此，現行的檢測方法不能有效地將缺陷檢出。

2.原因分析

一是標準選用不合理。由于選用標準的繼承性，存在選用老舊標準的現象，因此鋁棒選用最廣的標準為GB/T3191-1998，該標準為一般用途鋁棒標準，其中規定氣孔、氧化膜均不檢測；少量選用GJB2054-1994相對于GB3191-1998增加了氣孔、氧化膜、光亮晶粒的要求，GJB3539-1999在GJB2054-1994，對氧化膜及成層要求更加嚴格。因此，按照GB/T3191-1998生產的鋁棒不適用于彈箭體結構件及氣密件等關重件的使用。

標準中對上述缺陷的檢測方法是低倍抽樣檢測，檢測結果代表整批的性能。超聲波探傷為全數檢測，能夠最大限度地檢出材料內缺陷，但超聲探傷要求在國標、國軍標中均無明確規定，因此鋁棒雖按標準復驗合格，卻不能將缺陷有效檢出。

國標GB/T3191-1998和國軍標GJB 2054-1994及GJB 3539-1999中規定的檢測內容（見表2）。

表2 鋁棒主要標準的檢測內容及差異性

二是源頭控制不嚴格。梳理鋁棒在到貨驗收及使用過程處暴露出的質量問題，結合鋁合金棒材的生產工藝，熔鑄—鑄錠加熱—一次擠壓—熱處理—張力矯直—切頭尾取樣—切成品—輥式矯直—成品檢查，出現問題的關鍵環節主要是熔鑄、擠壓、熱處理及切頭尾。氣孔、夾雜、氧化膜缺陷在熔鑄過程產生。

氣孔的產生主要是熔煉階段除氣不徹底，鋁合金熔體中的氫氣是在高溫下合金熔體與周圍環境中的水蒸氣發生化學反應后吸附或擴散、溶解到合金熔體中所導致。

夾雜物以非金屬夾雜為主，在宏觀組織中為黑色條狀、片狀或塊狀，主要來自熔劑、爐渣、爐襯中的氧化物、碳化物、硫化物，當其進入熔體并除渣不徹底時，會夾雜并留存到制品中。

氧化膜是氧化鋁形成的非金屬夾雜在制品中的體現，主要是熔煉和鑄造過程中，熔體表面始終與空氣接觸，不斷進行高溫氧化而形成氧化膜或因操作不當使得浮在熔體表面的氧化皮破碎并卷入熔體內，從而留在制品中。

粗晶環產生主要與擠壓和熱處理2個因素相關。粗晶環為鋁合金棒材熱處理后經低倍檢查橫截面晶粒大小不一，周邊晶粒特別粗大，形成的環狀組織缺陷，越靠近尾端粗晶環深度越大，多與合金含量、擠壓溫度及速度、淬火溫度及保溫時間有關。廠家可通過控制合理的擠壓溫度、速度使得擠壓變形更加均勻、避免淬火溫度過高或保溫時間過長、調整合金成分，增加再結晶抑制元素等措施使合金粗晶環得到改善。某些合金合理的均勻化制度可以有效降低粗晶環深度（如6061），而部分合金不進行均勻化處理，在擠壓時粗晶環也較淺（如6A02）。廠家頭尾切除不徹底導致縮尾、夾渣的殘留。

三是檢測要求不完善。標準的合理選用和生產源頭的嚴格控制，是交付高質量鋁棒的必要條件。同時，嚴格的驗收是保證產品本質質量的重要環節。從暴露出的質量問題看，均是低倍檢查可以最大程度檢出的缺陷，主要為裂紋、氣孔、縮尾、偏析、夾雜、成層、粗晶環等缺陷。

無論是國標還是國軍標，規定的低倍檢測要求均不夠完善。在擠壓尾端進行抽樣檢測，抽取2支尾端進行檢測以代表整批的性能，但實際并不能代表其他尾端無問題，由此將質量隱患遺留到產品中。另外，超聲探傷為全數檢測，能夠最大限度地檢出材料內缺陷，但超聲探傷要求在國標、國軍標中均無明確規定。因此，鋁棒雖按標準復驗合格，但不能將缺陷有效檢出，無法滿足用戶使用要求。

三、建議及擬采取措施

1.標準選用

鑒于標準的差異性，在后續標準的選用階段，避免交叉使用性能要求較高的國軍標和適合產品要求的自主性標準。

2.熔煉工藝要求

精煉是除渣、除氣同時促進合金化和細化晶粒的過程。作為鋁合金加工生產過程的關鍵性生產環節，不僅影響后續工序的加工質量，而且影響著鋁合金制品的最終使用性能。

精煉分為爐內精煉和爐外精煉。爐內精煉主要通過通惰性氣體或混合氣體等帶出爐渣、氣體等。一般為生產鋁合金制品不可缺少的通用方法，對于高質量產品需要增加爐外精煉及在線除氣進一步去除合金熔體中的氫氣，減少制品中缺陷的產生。

過濾是去除鋁合金熔體中夾雜物最有效和最可靠的手段，過濾方式包括玻璃布、金屬網、陶瓷過濾器等，最有效的為泡沫陶瓷過濾板。泡沫陶瓷過濾板具有較強的過濾吸附能力，能過濾10～20μm的微小顆粒夾雜并吸附不被金屬熔體潤濕的固態微細夾雜物，對于航天用產品，要求使用優質的雙層泡沫陶瓷過濾板，經過粗細兩級的過濾，保證產品具有更好的潔凈度。

3.頭尾管理

鋁合金棒材成批驗收，每批次由同一合金牌號、同一熔次，同一狀態、同一規格、同一熱處理爐或連續熱處理爐的鋁棒組成。需要對每批棒材進行頭尾標識，以確保檢測的有效性，低倍要求為擠壓尾端檢測，力學性能為擠壓頭端檢測，為使標識更加清晰，要求生產廠家在擠壓頭端均勻涂滿黃色，擠壓尾端均勻涂滿綠色，并在提供的質量證明書中注明擠壓頭、尾的數量，以確保賬物相符。

4.檢測要求

一是廠家檢測要求。

鑄錠低倍檢查。生產廠家在每一整根鑄錠的頭尾各切取1片進行低倍檢查，檢查要求為低倍晶粒度不大于4級、疏松4級，不允許存在裂紋、氣孔、夾雜、羽毛晶、光亮晶粒等冶金缺陷，鑄錠的質量控制按照軍工產品用鍛件的要求進行控制。

生產廠家在每一整根鑄錠的尾端切取試樣進行斷口氧化膜檢查，受檢面積不小于2000mm2,氧化膜總面積不大于4mm2，每點缺陷面積不大于24mm2。

成品低倍檢查。直徑大于等于20mm的棒材逐支進行擠壓尾端低倍檢測，不允許有裂紋、氣孔、疏松、夾雜、光亮晶粒等冶金缺陷存在，氧化膜符合國軍標要求，粗晶環、成層等擠壓缺陷按照訂貨材料標準要求執行。

超聲波探傷。直徑為10～350mm的棒材按照GJB3538-1999進行超聲波探傷，符合A級要求。

二是到貨驗收要求。

低倍檢查并判定。鋁棒到貨驗收用戶可抽檢2支尾端進行低倍檢查，當檢查結果存在冶金缺陷時，不再進行復驗，進行整批退貨。

超聲波探傷。直徑為10～350mm的棒材按照GJB3538-1999進行超聲波探傷，符合A級要求。

四、應用與展望

一是對鋁棒發生的質量問題進行分析總結，主要缺陷為氣孔、夾雜、縮尾及粗精環等缺陷。二是建議生產廠家加嚴熔鑄質量控制，同時產品設計單位首先應從標準選用上改變觀念，關重件用鋁棒應該選用國軍標或適用產品實際使用需求的自主性產品標準，從源頭選用高質量的產品。三是完善鋁棒頭尾管理，在傳統的打鋼印、掛吊牌的方式上增加了顏色標識，擠壓頭端均勻涂滿黃色，擠壓尾端均勻涂滿綠色，并嚴格控制頭尾切除量，避免將夾渣缺陷遺留到產品中。四是制定合理適用的檢測驗收要求，對低倍檢查和超聲波探傷提出完善要求，系統地提高產品的質量可靠性。五是通過措施的有效制定與實施，鋁合金棒材未再出現發生比例較大的夾渣、縮尾及不符合要求的粗晶環缺陷，氣孔及氧化膜夾雜也未暴露，說明標準的合理選用、完善的頭尾管理、合理的低倍檢測及超聲波探傷能有效降低缺陷的產生。

7×××系超高強鋁合金具有較高的比強度和硬度、良好的加工性能、較好的耐蝕性和較高的韌性，是航空航天領域應用的重要發展方向。我國在超強鋁合金的研制還處于仿制向自主開發過度階段，自研的新品種匱乏。后續，企業應與國內生產廠家和大學聯合進行研究，從以下方面實現突破：一是進一步降低鐵、硅雜質元素含量，根據產品的不同用途優化主合金元素的含量，開展合金成分精細化研究；二是開發或購進先進熔鑄設備，改進熔鑄工藝，提高鑄錠品質；三是根據產品的用途，研究不同的熱處理工藝以獲得需要的組織和性能。