7075鋁合金鍛餅內(nèi)部探傷缺陷的原因分析

盧瀟涵

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

0 前言

7×××系鋁合金具有密度小、加工性能好及焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是航空航天、船舶、橋梁、大型容器、管道、車輛等領(lǐng)域中最有前途的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一[1]。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，制品的低倍組織不許有裂紋、氣孔、折疊、偏析集聚和非金屬夾雜物等缺陷[2]。為了尋找缺陷的本質(zhì)，對(duì)近期生產(chǎn)的7075合金鍛餅的斷口缺陷區(qū)域進(jìn)行宏觀、微觀觀察、電子掃描以及能譜分析，同時(shí)也與缺陷附近正常斷面的顯微組織和掃描能譜進(jìn)行分析比較，目的是為了確定缺陷的性質(zhì)并從中尋找缺陷產(chǎn)生的根本原因及預(yù)防措施，以避免今后再發(fā)生類似現(xiàn)象，為日后生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供支持和幫助。

1 試驗(yàn)方案

對(duì)缺陷斷口進(jìn)行觀察，同時(shí)對(duì)缺陷形貌特征進(jìn)行分析。

規(guī)格為φ952 mm×243 mm的7075合金自由鍛餅經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)在鍛餅內(nèi)部有超標(biāo)面積缺陷，缺陷位于鍛餅中心區(qū)域。鍛餅外圓已扒皮，沒(méi)發(fā)現(xiàn)鍛餅外圓有孔洞、壓折等缺陷。探傷缺陷埋深為119 mm，最大處當(dāng)量φ4.4 mm，缺陷具體位置如圖1所示。該失效試樣的缺口位于7075鍛餅缺陷處。

圖1 鍛餅缺陷位置示意圖

在垂直于斷口缺陷面取高倍試樣，經(jīng)制備后在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織特征，結(jié)合斷口分析確定缺陷的性質(zhì)。

對(duì)斷口缺陷和高倍試樣進(jìn)行掃描，并對(duì)缺陷進(jìn)行成分分析，以進(jìn)一步確定缺陷的性質(zhì)。

2 試驗(yàn)觀察與結(jié)果

2.1 斷口宏觀形貌觀察

圖2是缺陷斷口示意圖。從圖中發(fā)現(xiàn)，有一塊面積約為37 mm×27 mm的異物（左箭頭），它與正常斷口形貌（右箭頭）不同。在缺陷處有的部位呈黃色、有的部位呈黑色。在黑色、黃色物處用手指可以取下一些類似泥一樣的東西，并且在黑色、黃色物附近發(fā)現(xiàn)有白亮點(diǎn)且組織粗糙現(xiàn)象，從缺陷整體形貌觀察初步斷定缺陷是夾雜。為了進(jìn)一步確定夾雜的本質(zhì)和產(chǎn)生原因，將缺陷斷口的一面進(jìn)行酒精及超聲清洗，然后做進(jìn)一步分析。清洗后的斷口如圖3所示。觀察圖3發(fā)現(xiàn)有一些發(fā)黃、發(fā)黑的臟物已清洗掉，還有一些臟物仍殘留在斷裂面上，因此可以斷定該缺陷為夾雜。

圖2 缺陷一側(cè)斷口示意圖

圖3 超聲清洗后的整體斷口形貌圖

2.2 顯微組織觀察

在圖3的左側(cè)斷面切取兩塊試樣，標(biāo)為1號(hào)和2號(hào)進(jìn)行顯微組織分析，磨拋面分別垂直于斷裂面。將試樣磨拋后放在顯微鏡下觀看，其顯微組織如圖4所示。從圖4觀察可知，沿試樣的斷口邊緣有很薄一層深色物，這與斷口面上臟物相對(duì)應(yīng)。沿?cái)嗔衙嫦蚶镉袔滋幜鸭y，發(fā)現(xiàn)裂紋里有臟物。針對(duì)斷口面上的異常現(xiàn)象以及裂紋里的臟物做掃描能譜分析。

圖4 垂直斷口面的顯微組織

2.3 電子掃描和能譜分析

圖5為圖3斷裂面上黑色小圈區(qū)域里白亮處的二次電子圖片。從圖5（a）右側(cè)可發(fā)現(xiàn)有許多凸起的白亮點(diǎn)，圖5（b）為圖5（a）的能譜示意圖。針對(duì)白亮點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。表1結(jié)果反映了白亮點(diǎn)含有很高的Si、O、Al元素。圖5（c）為圖5（a）左側(cè)周圍位置的放大圖，從圖中可觀察到有許多小的疏松分布在斷裂面上。圖6為正常斷口示意圖，缺陷處斷口與正常處斷口組織形貌截然不同。圖7是圖3斷口大圈區(qū)域里缺陷的掃描示意圖，掃描結(jié)果見(jiàn)表2。表2結(jié)果顯示這些發(fā)黃、發(fā)黑夾雜的成分很復(fù)雜，多處含有很高的Si、O、Ca、Al元素，F(xiàn)e元素可能是打斷口時(shí)工具帶進(jìn)去的。掃描觀察圖4的裂紋里也含有夾雜，經(jīng)能譜分析同樣含有很高的Si、O、Al元素，這與斷口上白亮缺陷成分一致。顯微組織觀察到的裂紋是由于夾雜在隨后的變形時(shí)產(chǎn)生的。

表2 圖3中大圈區(qū)域的能譜分析結(jié)果

圖7 斷口顏色發(fā)黃、發(fā)黑處缺陷掃描形貌

表1 圖3中小圈區(qū)域能譜分析結(jié)果

圖5 斷口白亮處缺陷掃描示意圖

圖6 7075正常斷口組織

3 夾雜和疏松的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

3.1 鍛餅夾雜和疏松產(chǎn)生的原因分析

從整個(gè)鍛餅的斷口形貌、顯微組織、掃描形貌以及能譜成分分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物成分很復(fù)雜，但無(wú)論是在發(fā)黃、發(fā)黑、乃至發(fā)白發(fā)亮的位置均含有很高的Si、Al、Ca、O元素。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和查閱相關(guān)資料分析可知，這些含有Si、Al、S、O、Ca元素的夾雜物主要來(lái)源于流槽中的保溫材料和修補(bǔ)材料。

（1）保溫材料：保溫材料采用硅酸棉，硅酸棉是耐火材料，它是以高純氧化鋁、硅石粉合成料為原料，經(jīng)電阻熔融、噴吹壓制而成的一種絮狀纖維[3]。耐火材料是一種耐熱、耐壓或耐化學(xué)侵蝕的材料，在高溫下仍能保持強(qiáng)度和形狀。通常在兩個(gè)流槽中間放置一個(gè)起除氣作用的隔板，兩個(gè)流槽搭接時(shí)，為了搭接嚴(yán)密，在搭接處鋪上硅酸棉以防鋁水滲漏，同時(shí)硅酸棉還起保溫作用。搭接后有些殘?jiān)鼤?huì)留在流槽里，如清理不凈，殘?jiān)鼤?huì)與鋁液一同流入結(jié)晶器最后留在鑄錠里。

（2）由于耐火材料具有防腐蝕、提供隔熱、承受物理應(yīng)力并防止由于熱介質(zhì)造成容器壁腐蝕等作用[4]，因此流槽多選用耐火材料。當(dāng)過(guò)濾箱后的流槽及其T形流槽內(nèi)部的實(shí)際狀況不很理想，長(zhǎng)期使用后流槽接縫老化情況嚴(yán)重，在補(bǔ)修時(shí)因?yàn)樾扪a(bǔ)處無(wú)法避免因收縮而產(chǎn)生的邊角局部翹曲及縫隙，若有脫落就容易造成渣子，而修補(bǔ)材料為耐火泥材料。因此上述這些渣子就會(huì)和鋁液一起流入結(jié)晶器里。由于耐火泥密度比鋁液密度高，這些渣子會(huì)沉在液穴底部中央，最后留在鑄錠的中心區(qū)域。因此在鍛餅中心區(qū)域就會(huì)發(fā)現(xiàn)很大的發(fā)黃發(fā)黑雜物存在。

（3）Ca元素最可能來(lái)自流槽的耐火材料本體組成成分之一CaSiO3，但流槽本體本身不易脫落。我們所看到的Ca應(yīng)該是修補(bǔ)材和流槽接合界面在修補(bǔ)材脫落時(shí)粘附少量流槽本體硅酸鈣造成的。生產(chǎn)所用的耐火泥通常由以下材料的氧化物組成：硅、鋁、鎂、鈣和鋯。其耐火泥材料符合YB/T5207-2005標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

（4）如果硅酸棉不干凈以及修補(bǔ)后干燥不徹底、有潮氣，就會(huì)在缺陷處產(chǎn)生疏松。

3.2 預(yù)防措施

（1）要保證耐火材料的質(zhì)量，不允許含有其他雜物，使用時(shí)確保材料干燥。

（2）流槽搭接好后留下的殘?jiān)枰蔑L(fēng)機(jī)或吸塵器等工具進(jìn)行殘?jiān)謇怼?/p>

（3）定期檢查流槽修補(bǔ)情況，流槽需要修補(bǔ)時(shí)要盡量做好，包括要確保修補(bǔ)處和本體的界面有充分的施壓，粘結(jié)不會(huì)脫落，并確保烘烤干燥后方可使用。

4 結(jié)論

（1）探傷發(fā)現(xiàn)的7050鍛餅中心區(qū)域的缺陷是夾雜。

（2）夾雜成分是SiO2、Al2O3、CaSiO3。

（3）該夾雜是鑄造流槽對(duì)接用耐火棉脫落的殘?jiān)约靶扪a(bǔ)流槽脫落的耐火泥顆粒。由于清理不凈，這些夾雜在后續(xù)鑄造過(guò)程中隨鋁液流入鑄錠里，最終形成鍛餅中心異物。