鍛造變形對消除7050合金大型鍛管超聲波探傷缺陷的工藝研究

王雪強，叢鎮漁，丁 杰，朱宜杰，李宵飛

（山東南山鋁業股份有限公司，煙臺 265700）

0 前言

7050 鋁合金是可熱處理強化的高強度變形鋁合金，可生產厚板、型材、鍛件和線材等多種產品。7050 鋁合金常采用過時效狀態，使合金在保持較高強度的水平下，具有韌性好、疲勞強度高和抗應力腐蝕性能好等優良綜合性能。

我司承接了某型號用7050-T74 大型鋁合金鍛管試制生產任務。這是首次試制大規格的7050 鍛管，試制中出現了超標超聲波點狀缺陷導致報廢的問題，針對此問題，進行了分析，并提出了解決辦法，經實際生產驗證，解決方法切實有效。

鍛管探傷點狀缺陷問題，經咨詢多位同行業工程師，得到的觀點基本一致：歸類為冶金缺陷。對此類缺陷的認識及解決措施：控制熔煉過程，提高熔體純潔度、采取過濾、除氣，加強攪拌等方式來減少夾雜物、氣體等冶金缺陷。處理方案也基本一致：機加工去除，無法去除則報廢。而通過調整鍛造操作來控制超聲波探傷點狀缺陷未見相關文獻記錄和報道，本文所述尚屬首次，可為相關研究提供參考。

1 問題描述

1.1 鍛管信息

合金狀態：7050-T74；鍛管執行標準：AMSA-22771；鍛管的典型尺寸：長度3 070 mm，外徑612 mm，壁厚50 mm；交付狀態：熱處理+粗加工+超聲波探傷；超聲波探傷標準：GJB 1580A—2019中A級。

1.2 工藝路線

鍛管有多種規格，按內孔尺寸分為大小兩類，兩類鍛管均存在超標點狀缺陷。兩類鍛管成型工藝的區別在于小內孔鍛管不進行馬架擴孔，而大內孔鍛管則需要，其余工序相同。大內孔鍛管的工藝路線如下：

下料→60 MN 壓機鑄錠改鍛→60 MN 壓機反擠壓→鋸切反擠壓筒底→60 MN 壓機馬架擴孔→60 MN 壓機芯軸拔長→鋸切長度端頭→60 MN 壓機馬架擴孔→熱處理前粗加工→超聲波探傷→固溶→時效→取樣→理化檢測→最終粗加工→超聲波探傷→驗收入庫。

1.2 超標超聲波探傷點狀缺陷的發現及情況介紹

鍛管鍛造結束后在熱處理前粗加工至壁厚80 mm，整體見光。粗加工后外圓面超聲波探傷，滿足GJB 1580A—2019中A級探傷標準。但經熱處理（固溶+時效）、粗加工至交付尺寸（壁厚50 mm）后外圓面探傷，部分鍛管出現了超標超聲波單點和多點缺陷。首批共生產了15根鍛管，5根因為點狀缺陷超標而報廢，不合格率33.3%，隨即停產，查找分析原因。

超聲波探傷圖中描述了點狀缺陷分布情況。從壁厚看，缺陷分布在1/2 壁厚與內壁之間，更接近內壁。從長度看，長度多個位置均存在，但兩端頭缺陷很少，主要分布在中間1 500 mm范圍內。圖1為鍛管示意圖，表1 為4 根典型超標鍛管超聲波探傷結果。

表1 鍛造超聲波探傷結果

圖1 鍛管示意圖

經探傷定位，對多個點狀缺陷取樣、解剖分析。借助掃描電鏡和金相顯微鏡發現：點狀缺陷微觀形貌基本一致，均為長條的裂縫，典型部位金相圖如圖2 所示。對裂縫內成分組成進行能譜分析，發現裂縫內主要成分為Al2O3，即氧化膜。氧化膜是鋁合金中常見冶金缺陷，形貌通常是點狀，與此次鍛管中發現的長條狀氧化膜形貌有明顯差別。

圖2 缺陷金相圖

氧化膜形成機理：鋁合金熔煉和鑄造過程中，熔體表面與空氣接觸，因高溫氧化反應形成氧化膜，并覆蓋在熔體表面，當熔體表面的氧化膜被破碎并卷入熔體內，最后留在鑄錠中形成氧化膜缺陷[1]。

2 原因分析

2.1 原材料/鑄錠檢查及分析

點狀缺陷經分析是氧化膜。同熔次鑄錠生產的鍛管，只有小部分出現了超標點狀缺陷，懷疑某根鑄錠頭尾切除量不夠，缺陷未去除干凈。

根據熔煉爐號、錠節號查找坯料在原始鑄錠的位置。探傷不合格的5 根鍛管，2 根坯料的位置靠近原始鑄錠頭部，3 根坯料的位置接近鑄錠中間；探傷合格的10 根鍛管，坯料位置在原始鑄錠頭、中、尾均有分布。

隨即檢查原材料。原材料為扁鑄錠，原材料入廠復驗合格、報告齊全。低倍和斷口的氧化膜檢查均符合GJB 2351—1995 中Ⅰ類鍛件要求。出現超標點狀缺陷后，同熔煉爐次鑄錠再次復驗低倍和斷口，經檢查氧化膜合格。

同熔次鑄錠生產的其他鍛件，超聲波探傷均符合A級，且氧化膜檢查合格，其形貌均是點狀，不是長條狀。

經檢查原材料和同熔次鑄錠投產情況，分析原材料的氧化膜缺陷可能只是產生超標點狀缺陷的一個次要原因，主要原因是某個工序將氧化膜由點狀變成長條狀。

鍛管熱處理前探傷，符合A級，而超標點狀缺陷均是熱處理后出現的，懷疑是熱處理過程出了問題，隨即檢查熱處理過程。

2.2 熱處理過程檢查及分析

熱處理工藝參數按標準AMS 2772 制定，是成熟的工藝參數，已用于多個型號的7050-T74 的鍛件。經查看熱處理記錄，裝爐要求、間距、爐溫曲線等均符合熱處理工藝要求。

固溶處理爐符合AMS 2750 中Ⅱ級，時效爐符合AMS 2750 中Ⅰ級，鍛管熱處理過程中設備運行正常，沒有超溫、超時等異常情況。

熱處理過程正常，原因分析陷入停滯，再次開會討論，提出新的觀點：缺陷可能不是某個工序導致的，而是多個工序共同作用的結果。鍛造和熱處理工序涉及鍛件組織變化，熱處理檢查正常，隨即檢查鍛造工序。

2.3 鍛造工序檢查及分析

鍛造工藝參數按鍛造及加熱規程制定，經檢查鍛造工序記錄，實測工藝參數均符合工藝要求。

對鍛造操作進行了對比，改鍛、反擠壓、擴孔三個鍛造工序的操作差別很小，基本一致，而芯軸拔長操作差別較大。

芯軸拔長有兩種操作：旋轉送進+直線送進混合拔長、單一直線送進拔長。拔長說明如下：

旋轉送進：拔長一個道次，按V砧寬度把鍛管分為多部分，每部分長約2/3 砧子寬度，從頭開始以90°旋轉拔長至一定尺寸，然后送進拔長下一部分，持續循環拔長至最終尺寸。

直線送進：拔長一個道次，從頭到尾中間過程不旋轉。一個道次結束后旋轉90°再次從頭到尾直線拔長，持續循環拔長至最終尺寸。

對比芯軸拔長過程有重要發現：探傷不合格的鍛管，芯軸拔長方式均是直線送進+旋轉送進，且以旋轉送進為主；而經直線送進拔長的鍛管探傷均合格，沒有發現超標點狀缺陷。

2.4 小結

經檢查原材料、熱處理及鍛造工序，形成初步結論：不良的芯軸拔長操作能夠將點狀氧化膜撕裂為長條狀，經熱處理過程缺陷被放大，形成了超標點狀缺陷。

為了驗證結論的準確性，完善芯軸拔長操作后投料試制。

3 改進芯軸拔長過程

經討論分析，改進芯軸拔長過程，內容如下：

（1）拔長方式。芯軸拔長采用直線送進拔長。具體操作是維持八方拔長，一個道次從頭到尾直線送進，即使最后倒棱、整形階段也保持直線送進，將旋轉送進列為違禁操作。

（2）提高操作一致性。工藝中明確鍛造火次、變形量、使用工具。芯軸拔長工具由上平砧、下V 型砧改為雙V 型砧，受力點數由三點變成四點，使變形區受力狀態更加均勻對稱。

（3）加強潤滑。芯軸拔長前，V 型砧、馬杠（芯軸）均勻涂抹油基石墨，減小摩擦力，利于鍛件走料。

（4）提高坯料及工裝溫度，增大塑性，減小變形抗力。坯料在芯軸拔長加熱溫度按其合金鍛造溫度的上限控制，加熱溫度由440 ℃提高至450 ℃[2]。工裝預熱溫度提高，鍛造V 型砧、馬杠（芯軸）預熱溫度提高至300 ℃～400 ℃。

4 產品驗證

改進芯軸拔長操作后，先試制了2根鍛管，鍛管熱處理后探傷合格，沒有發現超標點狀缺陷，試制成功。隨即投產了5根鍛管，熱處理后探傷同樣合格。連續7根鍛管均合格，達到預期目標。緊接著批次投產，投入了10 根鍛管，10 根鍛管最終探傷也合格。探傷合格率由66.7%提升至100%，改進措施達到了理想效果。

5 分析討論

7050 是超硬鋁，是在7075 鋁合金基礎上減少了雜質Fe、Si、Mn、Ti，提高了Cu，增加了Zr[3]，塑性較其它系列鋁合金差。芯軸拔長過程中鍛管如果直線送進，內外壁沿長度方向同步走料。當送進方式由直線送進變為旋轉送進，料溫已降低，外壁走料快，內壁走料慢，外壁金屬變形量大，內壁金屬變形量小，1/2 壁厚與內壁之間出現變形量差異的過渡帶。過渡帶會扭曲、變形，導致鑄錠內部原有的微小缺陷被放大，熱處理前探傷，缺陷仍然在合格探傷標準內。

熱處理固溶是一個急速冷卻的過程，內應力增大，被拉長的氧化膜被撕裂，形成更長的裂紋缺陷，熱處理后加工后探傷，缺陷超標。

6 結論

不良的芯軸拔長變形方式會放大已有的冶金缺陷，固溶過程的內應力會撕裂已有的冶金缺陷，形成探傷不合格，造成產品報廢。芯軸拔長采用直線送進方式，提高砧具、料溫，能夠避免缺陷的放大，生產出合格的大型鍛管。