張文靜，郭世杰，蔣會學，任偉才

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209；3.東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

7xxx系高強、高韌、超大規(guī)格鋁合金厚板是航空航天的主要結(jié)構(gòu)材料，特別是在我國已啟動的航空專項工程中，7xxx系合金大規(guī)格厚板的使用占鋁合金總量的60%以上，市場需求量較大。鑄錠質(zhì)量的高低與鋁材的最終質(zhì)量密切相關(guān)，因此，在高強高韌7xxx系合金厚板生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)、科學合理的對鑄錠冶金質(zhì)量進行評價至關(guān)重要[1,2]。

1 實驗材料與方法

7xxx系鋁合金熔鑄過程中，經(jīng)過精煉、扒渣、除氣和過濾，采用半連續(xù)鑄造方法制備出實驗用大規(guī)格鑄錠，鑄錠規(guī)格520mm×1620mm；元素含量(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Zn 6.49，Mg 2.542，Cu 2.132，Zr 0.1031，Si 0.006，F(xiàn)e 0.016，Mn 0.003，Ti 0.052。 采用ABB公司生產(chǎn)的Prefil-Footprinter(壓力熔體過濾潔凈度測定儀)，利用PoDFA法開展7xxx系合金熔鑄過程測渣試驗，對除氣前、過濾前、過濾后3個位置分別進行測渣取樣，利用網(wǎng)格法對測渣樣品進行定量分析，同時采用金相顯微鏡OLYMPUS GX51對7xxx系鑄錠典型夾雜物進行了金相組織觀察，通過夾雜物數(shù)據(jù)庫和掃描電鏡JOEL-6480能譜分析確定夾雜物種類。 采用YXLON微焦點X射線計算斷層掃描系統(tǒng)，利用三維成像法，通過掃描照片重構(gòu)后顯示出樣品中疏松的三維形貌，同時計算出樣品孔隙率，測量得到疏松的最大尺寸，并進行疏松定量分析。

2 夾雜物缺陷的組織及定量分析

2.1 7xxx系熔鑄過程中夾雜物的種類及含量測定

利用PoDFA法測渣儀開展了500mm×1320mm規(guī)格的7xxx系合金熔鑄過程中的測渣試驗，分別選取鑄錠熔鑄過程中除氣前、過濾前、過濾后3個位置進行取樣并利用網(wǎng)格法對測渣樣品進行定量分析，同時通過夾雜物數(shù)據(jù)庫和能譜分析確定了夾雜物種類，見表1和圖1。

表1 7xxx合金夾雜物的含量統(tǒng)計

圖1 7xxx合金熔鑄過程不同階段夾雜物的種類及含量統(tǒng)計Fig.1 Statistics on types and contents of inclusions at differentstages in melting and casting process of 7xxx alloy

圖1直觀顯示了7xxx系合金熔鑄過程不同階段夾雜物的種類及含量演變規(guī)律。從分析結(jié)果可看出，該批次7xxx系合金夾雜物含量整體控制較好，夾雜物總含量較低。除氣前夾雜物含量最高，利用網(wǎng)格法統(tǒng)計為0.034mm2/kg，除氣前夾雜物種類以細化劑顆粒TiC和Al4C3為主，過濾后夾雜物含量可穩(wěn)定控制在0.01mm2/kg以下，過濾效果良好。過濾后夾雜物種類仍以細化劑顆粒TiC和Al4C3為主，并有少量氧化膜存在，過濾后氧化膜可能由取樣過程帶入，因此不能根據(jù)氧化膜數(shù)量判斷過濾效果。

2.2 7xxx系鑄錠典型夾雜物金相形貌觀察

在7xxx系鑄錠(500mm×1320mm)的中心部位取樣進行金相微觀形貌分析，檢查其夾雜分布情況。典型夾雜物形貌如圖2所示。

圖2 7xxx鑄錠心部典型夾雜物金相形貌Fig.2 Metallographic morphology of typical inclusions in 7xxx system ingot

2.3 7xxx鑄錠典型夾雜物缺陷的掃描形貌及能譜分析

對鑄錠中心部位樣品進行金相觀察時，明確標注夾雜物缺陷位置，然后進行掃描電鏡觀察及能譜分析，典型夾雜物掃描形貌如圖3和圖4所示。

表3為圖4所示7xxx鑄錠典型夾雜物能譜成分分析結(jié)果，能譜分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物主要成分為Al、Mg和O，同時有的夾雜物含有少量的Ti、Fe。因此可判斷該顆粒狀氧化物夾雜主要為Spinel(MgAl2O4)和Al2O3、含Ti的細化劑顆粒、含F(xiàn)e相顆粒。

高溫下，當7xxx鋁合金熔體與空氣接觸時，除可形成Al2O3外，Mg和空氣中的O反應(yīng)還可形成MgO。當熔體溫度高于700℃時，MgO和Al2O3可通過反應(yīng)生成鋁合金中的主要夾雜物—冶金學尖晶石Spinel(MgAl2O4)，該種夾雜物為鋁合金熔煉過程中最常見的非金屬夾雜物，貫穿于鋁合金熔煉、鑄造各個階段，當過濾不充分或夾雜物尺寸較小時，極少量氧化物夾雜存在于鋁熔體中，并帶入最終產(chǎn)品中[3,4]。

圖3 7xxx鑄錠心部典型夾雜物掃描形貌Fig.3 Scanning morphology of typical inclusions in the core of 7xxx ingot

圖4 7xxx鑄錠心部典型夾雜物高倍掃描形貌Fig.4 High-power scanning morphology of typicalinclusions in the core of 7xxx ingot

位置OMgAlCuZnFeTi點112.4822.8456.982.305.41//點21.977.0754.6124.312.649.39/點31.554.7283.952.547.24//點42.367.5375.974.458.26/1.43區(qū)域5/2.5089.232.485.80//點61.768.8068.967.0213.46//

在顆粒狀氧化物夾雜中，能譜分析可知除Al元素外還含有Ti，推測其為含Ti顆粒。鋁合金熔體中存在的含Ti夾雜物大多為細化劑殘留物。該批次鋁合金熔鑄中使用的晶粒細化劑主要為Al-Ti-C細化劑，其有效成分為TiC和Al3Ti[5]。其中的TiC顆粒為淺棕色顆粒物，研究表明，在高溫下長時間保溫，鋁熔體中的TiC可轉(zhuǎn)變?yōu)锳l4C3，減弱細化效果的同時形成新的夾雜物。細化劑添加到熔體中一段時間后，其中的有效成分顆粒易發(fā)生團聚和沉降，減弱了細化效果，團聚的TiC和Al4C3成為鋁合金熔體中常見的夾雜物[6,7]。在顆粒狀氧化物夾雜中，還發(fā)現(xiàn)少量亮白色顆粒狀物質(zhì)(圖5)。

圖5 7xxx鑄錠心部典型夾雜物高倍掃描形貌Fig.5 High-power scanning morphology of typical inclusionsin the core of 7xxx ingot

能譜分析可知該物質(zhì)除Al和O元素外還含有一定量的Fe，因此推測其為Fe相，可能為鋁錠中的雜質(zhì)或熔煉過程使用的工具代入的Fe元素中與熔體中其他元素反應(yīng)形成。表4為圖5所示7xxx鑄錠典型夾雜物能譜成分分析結(jié)果，能譜分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物主要成分為Al和O，通過成分及形貌推測該類型夾雜物主要為Al2O3(氧化膜)。在熔煉和澆鑄過程中，鋁熔體表面形成一層連續(xù)致密的氧化膜，可防止內(nèi)部熔體繼續(xù)氧化，在轉(zhuǎn)爐和鑄造過程中，熔體流動使表面薄的氧化膜發(fā)生破裂、扭曲后卷入熔體中，在鑄錠中形成氧化膜夾雜[8]。

表4 圖5所示典型夾雜物能譜成分分析結(jié)果(wt./%)

3 顯微疏松缺陷的形貌及定量分析

傳統(tǒng)的疏松定量分析方法為金相法，疏松的三維形貌使得金相法分析時所分析平面的位置對疏松數(shù)量、尺寸產(chǎn)生很大影響。為克服這種影響，在鑄錠心部取樣加工成尺寸為15.0mm×15.0mm×5.0mm(鑄造方向)樣品，采用三維成像法(X射線斷層掃描)通過掃描照片重構(gòu)后顯示出樣品中疏松的三維形貌，同時計算出樣品孔隙率，測量得到疏松的最大尺寸，并進行疏松定量分析[9]。

通過統(tǒng)計，圖6所示鑄錠心部樣品的孔隙率為0.017%，數(shù)密度(單位體積內(nèi)疏松個數(shù))為4.56個/μm，平均等效直徑60.5μm，S向疏松最大尺寸110μm，同時選取典型疏松給出相應(yīng)的三維特征(體積、等效直徑、最長徑)進行比較。如圖7所示，典型疏松1體積為0.0006 mm3，等效直徑為103μm，S向最大尺寸為100μm；典型疏松2體積為0.0004 mm3，等效直徑為92μm，S向最大尺寸為73μm。

圖6 7xxx鑄錠心部疏松空間分布及不同尺寸區(qū)間疏松分布概率Fig.6 Spatial distribution of core porosity and probability of loosening distribution in different sizes of 7xxx ingot

圖7 7xxx鑄錠心部典型疏松三維形貌Fig.7 Three-dimensional morphology of typical loose core of 7xxx ingot

通過不同尺寸區(qū)間疏松分布概率、累積分布概率統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該批次鑄錠以等效直徑在0～76μm區(qū)間內(nèi)疏松分布概率達90%，等效直徑大于110μm區(qū)間內(nèi)疏松分布概率為0，該批次7xxx鑄錠疏松控制水平較好。小尺寸疏松在熱變形過程中容易焊合，不會對國產(chǎn)厚板綜合性能產(chǎn)生不利的影響[10-13]。

4 結(jié)論

(1)本文通過利用PoDFA法測渣儀進行了7xxx合金大規(guī)格鑄錠熔鑄過程中不同階段夾雜物的種類及定量分析，除氣前夾雜物含量最高，利用網(wǎng)格法統(tǒng)計為0.034mm2/kg，夾雜物種類以細化劑顆粒(TiC)和Al4C3為主，過濾后渣含量可穩(wěn)定控制在0.01mm2/kg以下，說明熔體處理過程采用板式過濾的工藝優(yōu)良，過濾效果穩(wěn)定，需要在后續(xù)使用過程中鋁液通過量達到一定程度時及時進行過濾板更換，保證穩(wěn)定的過濾效果。

(2)通過疏松的三維形貌和空間分布分析可以看出，該批次鑄錠內(nèi)疏松數(shù)目較少，通過不同尺寸區(qū)間疏松分布概率、累積分布概率統(tǒng)計，鑄錠以等效直徑在0～76μm區(qū)間內(nèi)疏松分布概率達90%，疏松控制水平較好。在大規(guī)格鑄錠鑄造過程中通過優(yōu)化熔體凈化處理及鑄造工藝等環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)對顯微疏松的穩(wěn)定控制，從而全面提高鋁合金鑄錠質(zhì)量。