馮 旺

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

0 前言

7075 合金屬于超高強(qiáng)鋁合金，具有高的比強(qiáng)度和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、船舶等領(lǐng)域。為了防止帶有缺陷的板材制品投入使用，國(guó)防及航空工業(yè)提出使用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋁合金板材的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查，鋁合金制造企業(yè)一般采用水浸式自動(dòng)化超聲波檢測(cè)設(shè)備對(duì)特殊用途的鋁合金板材進(jìn)行質(zhì)量控制[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，7075合金預(yù)拉伸厚板在水浸探傷時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)因密集型探傷缺陷導(dǎo)致板材報(bào)廢的問題。研究探傷缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，制定針對(duì)性解決措施已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 樣品來源

在7075-T651 鋁合金預(yù)拉伸厚板中，板厚為150～200 mm的厚板易出現(xiàn)密集型探傷缺陷，從而導(dǎo)致報(bào)廢。單個(gè)缺陷當(dāng)量超φ2.0 mm，探傷缺陷位于板材厚度心部，且探傷缺陷主要存在于板材寬度中間區(qū)域。在板材長(zhǎng)度方向探傷缺陷呈密集型分布，典型水浸探傷圖譜見圖1。圖1（a）和圖1（b）均存在探傷缺陷，圖1（a）探傷缺陷嚴(yán)重，圖1（b）探傷缺陷程度較圖1（a）輕微。從現(xiàn)場(chǎng)取了一塊探傷報(bào)廢樣品，板材規(guī)格為180 mm×1 620 mm×3 100 mm，取樣寬度為1/2板寬，對(duì)探傷缺陷樣品進(jìn)行了低倍、顯微組織、斷口等綜合檢測(cè)分析。

圖1 水浸探傷圖譜

2 檢測(cè)儀器

試驗(yàn)所用的儀器為L(zhǎng)EICA DMI5000M光學(xué)顯微鏡、LEICA DVM6 數(shù)碼顯微鏡、S-3400N 掃描電鏡和牛津能譜儀。

3 探傷缺陷分析

3.1 低倍組織分析

取板材寬度邊部探傷正常部位、板材1/2 寬度探傷缺陷部位橫截面試片，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3246.2《變形鋁及鋁合金制品低倍組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行低倍浸蝕試驗(yàn)，低倍組織見圖2。厚度中部區(qū)域典型體視鏡形貌見圖3（樣品低倍面在體視鏡下觀察到的規(guī)則條紋為銑刀痕）。

圖2 橫截面低倍組織

圖3 低倍面體視鏡形貌

從圖2、圖3可以看出，板材1/2寬度樣品厚度中部區(qū)域（距表層80～100 mm）低倍面可見較多無規(guī)律分布的黑色不規(guī)則針孔，尺寸約為100～500 μm，針孔均沿晶界分布，低倍面其余部位未見類似針孔現(xiàn)象；板材寬度邊部樣品厚度不同部位均未見針孔現(xiàn)象。

3.2 斷口面掃描電鏡觀察

取板材寬度邊部探傷正常部位試片并于1/2 厚度打開人工斷口，同時(shí)取板材1/2 寬度部位試片并于1/2厚度探傷缺陷部位、1/4厚度正常部位打開人工斷口。斷口面宏觀形貌、典型電鏡形貌及典型部位能譜分析結(jié)果見圖4。

從圖4 可以看出，板材寬度中部樣品1/2 厚度探傷缺陷區(qū)域斷口面較粗糙，斷口面宏觀可見較多小尺寸白亮點(diǎn)。經(jīng)掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口面白亮點(diǎn)部位表面較光滑，邊界輪廓清晰，干凈未見異物，微區(qū)成分為7075 合金基體成分，斷口面白亮點(diǎn)呈軋制過程中未焊合顯微疏松形貌特征；板材寬度邊部1/2厚度、板材寬度中部1/4厚度探傷正常部位斷口面宏觀均未見白亮點(diǎn)現(xiàn)象，經(jīng)掃描電鏡觀察，斷口面均未見冶金缺陷。

3.3 顯微組織分析

在板材寬度邊部、距板寬邊部200 mm、距板寬邊部400 mm、距板寬邊部600 mm以及距板寬邊部800 mm處分別取樣，將1/2厚度縱截面磨制成高倍試樣，經(jīng)Keller 試劑浸蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，典型顯微組織見圖5。

圖5 板材寬度方向不同部位1/2厚度顯微組織

從圖5可以看出，樣品厚度心部探傷缺陷部位存在較多形狀不規(guī)則的微孔，微孔均沿晶界分布且邊界輪廓較明顯，微孔周邊晶粒組織流向較紊亂，伴隨輕微的拉裂痕跡；在板材寬度方向，越靠近板材寬度中部，微孔數(shù)量及尺寸呈增加趨勢(shì)，與鑄錠顯微疏松分布規(guī)律一致。

3.4 鑄錠樣品顯微疏松觀察及固態(tài)氫含量分析

為明確厚板探傷缺陷與鑄錠顯微疏松之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步對(duì)探傷報(bào)廢批次厚板對(duì)應(yīng)的原始鑄錠樣品（保留的鑄錠1/4 橫截面低倍試片）進(jìn)行組織分析。取兩塊典型鑄錠樣品A和B，分別對(duì)應(yīng)軋制板材探傷缺陷嚴(yán)重（程度與圖1（a）相當(dāng)）、探傷缺陷輕微（程度與圖1（b）相當(dāng)）。鑄錠原始規(guī)格為520 mm×1 600 mm，觀測(cè)不同部位顯微疏松分布特征及疏松程度。分別在鑄錠寬度邊部、鑄錠1/4寬度以及鑄錠1/2 寬度部位的1/4 厚度、1/2 厚度處取樣，其典型顯微疏松形貌見圖6、圖7。

圖6 鑄錠樣品A不同部位顯微疏松形貌（軋制板材探傷缺陷嚴(yán)重）

圖7 鑄錠樣品B不同部位顯微疏松形貌（軋制板材探傷缺陷輕微）

從圖6可以看出，鑄錠樣品A顯微疏松程度較嚴(yán)重，1/2 厚度可見較多大尺寸網(wǎng)絡(luò)狀顯微疏松，并且越靠近鑄錠寬度中部，顯微疏松尺寸越大，最大網(wǎng)絡(luò)狀顯微疏松尺寸約為630 μm×420 μm，鑄錠1/4 厚度顯微疏松程度較輕微；鑄錠樣品B 顯微疏松程度稍輕微，與鑄錠樣品A的各部位顯微疏松相比其顯微疏松數(shù)量偏少、尺寸明顯偏小，最大網(wǎng)絡(luò)狀顯微疏松尺寸約為310 μm×250 μm；鑄錠沿寬度方向顯微疏松程度分布特征均與軋制厚板寬度方向1/2 厚度微孔數(shù)量、尺寸的變化規(guī)律相吻合。經(jīng)工藝調(diào)查，7075 厚板出現(xiàn)密集型探傷缺陷對(duì)應(yīng)鑄錠的液態(tài)氫含量為0.12～0.18 ml/100gAl，熔體氫含量偏高。進(jìn)一步對(duì)鑄錠樣品A、B 分別進(jìn)行固態(tài)氫含量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)A、B 兩鑄錠樣品固態(tài)氫含量分別為0.16 μg/g、0.13 μg/g。結(jié)果表明，鑄錠氫含量與顯微疏松程度存在明顯關(guān)聯(lián)性，鑄錠氫含量越高，顯微疏松程度越嚴(yán)重，軋制厚板探傷缺陷越明顯。

4 分析討論

顯微疏松是鋁合金鑄錠的主要缺陷之一，包括收縮疏松和氣體疏松兩類。收縮疏松是鋁合金熔體在結(jié)晶過程中由于體積收縮，在樹枝晶枝杈間因液體金屬補(bǔ)縮不充分而形成的空腔，收縮疏松一般尺寸較??；氣體疏松與熔體的氫含量有關(guān)，如果熔體中未除去的氫氣含量較高，鑄造時(shí)氫氣會(huì)隱藏在樹枝晶枝杈間隙而形成空腔[2-4]。顯微疏松的存在會(huì)破壞金屬微觀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，并且會(huì)遺傳給加工制品，對(duì)加工制品的疲勞壽命、強(qiáng)度等性能產(chǎn)生較大負(fù)面影響。

鋁合金鑄錠中的顯微疏松通過變形處理后，雖然顯微疏松能夠得到一定愈合，但對(duì)于部分高強(qiáng)度鋁合金材料來說，仍不能滿足產(chǎn)品要求。在7075預(yù)拉伸厚板的軋制過程中，因金屬變形程度比較小，鑄錠心部顯微疏松三向投影面積變化較小，小尺寸疏松會(huì)被壓合，大尺寸疏松會(huì)沿壓力加工方向被拉長(zhǎng)或展平，進(jìn)而形成尺寸較大的探傷缺陷。

試驗(yàn)結(jié)果證明，7075 合金探傷報(bào)廢批次厚板對(duì)應(yīng)的原始鑄錠液態(tài)氫含量為0.12～0.16 ml/100gAl，組織中顯微疏松嚴(yán)重，鑄錠沿寬度方向顯微疏松的分布特征與軋制厚板寬度方向微孔數(shù)量、尺寸的變化規(guī)律相吻合。鋁合金中能溶解的氣體主要是氫，熔體氫含量高是導(dǎo)致疏松嚴(yán)重的關(guān)鍵因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過調(diào)整熔鑄工藝參數(shù)，進(jìn)一步降低熔體氫含量，可以減小顯微疏松的尺寸。當(dāng)熔體液態(tài)氫含量降低至0.1 ml/100gAl以下時(shí)，鑄錠顯微疏松的尺寸和體積分?jǐn)?shù)均大幅減小，軋制厚板探傷合格。

5 結(jié)論

對(duì)7075-T651預(yù)拉伸厚板進(jìn)行水浸探傷時(shí)出現(xiàn)的密集型探傷缺陷是由顯微組織中未焊合的顯微疏松引起的，通過降低熔體氫含量可以避免出現(xiàn)顯微疏松遺傳造成的探傷缺陷問題。