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(zhèn)漁，丁 杰，朱宜杰，李宵飛

（山東南山鋁業(yè)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(chǎn)厚板、型材、鍛件和線材等多種產(chǎn)品。7050 鋁合金常采用過時效狀態(tài)，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(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)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(chǎn)任務(wù)。這是首次試制大規(guī)格的7050 鍛管，試制中出現(xiàn)了超標超聲波點狀缺陷導(dǎo)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(jīng)實際生產(chǎn)驗證，解決方法切實有效。

鍛管探傷點狀缺陷問題，經(jīng)咨詢多位同行業(yè)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(diào)整鍛造操作來控制超聲波探傷點狀缺陷未見相關(guān)文獻記錄和報道，本文所述尚屬首次，可為相關(guān)研究提供參考。

1 問題描述

1.1 鍛管信息

合金狀態(tài)：7050-T74；鍛管執(zhí)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(tài)：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(guī)格，按內(nèi)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(qū)別在于小內(nèi)孔鍛管不進行馬架擴孔，而大內(nèi)孔鍛管則需要，其余工序相同。大內(nèi)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(fā)現(xiàn)及情況介紹

鍛管鍛造結(jié)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(jīng)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(xiàn)了超標超聲波單點和多點缺陷。首批共生產(chǎn)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(chǎn)，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(nèi)壁之間，更接近內(nèi)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(nèi)。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(jié)果。

表1 鍛造超聲波探傷結(jié)果

圖1 鍛管示意圖

經(jīng)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(fā)現(xiàn)：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(nèi)成分組成進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)裂縫內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(nèi)，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(jīng)分析是氧化膜。同熔次鑄錠生產(chǎn)的鍛管，只有小部分出現(xiàn)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(jù)熔煉爐號、錠節(jié)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(fù)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(xiàn)超標點狀缺陷后，同熔煉爐次鑄錠再次復(fù)驗低倍和斷口，經(jīng)檢查氧化膜合格。

同熔次鑄錠生產(chǎn)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(jīng)檢查原材料和同熔次鑄錠投產(chǎn)情況，分析原材料的氧化膜缺陷可能只是產(chǎn)生超標點狀缺陷的一個次要原因，主要原因是某個工序?qū)⒀趸び牲c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(xiàn)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(shù)按標準AMS 2772 制定，是成熟的工藝參數(shù)，已用于多個型號的7050-T74 的鍛件。經(jīng)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(shè)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?qū)е碌?，而是多個工序共同作用的結(jié)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(shù)按鍛造及加熱規(guī)程制定，經(jīng)檢查鍛造工序記錄，實測工藝參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)拔長至一定尺寸，然后送進拔長下一部分，持續(xù)循環(huán)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(zhuǎn)。一個道次結(jié)束后旋轉(zhuǎn)90°再次從頭到尾直線拔長，持續(xù)循環(huán)拔長至最終尺寸。

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

2.4 小結(jié)

經(jīng)檢查原材料、熱處理及鍛造工序，形成初步結(jié)論：不良的芯軸拔長操作能夠?qū)Ⅻc狀氧化膜撕裂為長條狀，經(jīng)熱處理過程缺陷被放大，形成了超標點狀缺陷。

為了驗證結(jié)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(jīng)討論分析，改進芯軸拔長過程，內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)由三點變成四點，使變形區(qū)受力狀態(tài)更加均勻?qū)ΨQ。

（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(yù)熱溫度提高，鍛造V 型砧、馬杠（芯軸）預(yù)熱溫度提高至300 ℃～400 ℃。

4 產(chǎn)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(fā)現(xiàn)超標點狀缺陷，試制成功。隨即投產(chǎn)了5根鍛管，熱處理后探傷同樣合格。連續(xù)7根鍛管均合格，達到預(yù)期目標。緊接著批次投產(chǎn)，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(chǔ)上減少了雜質(zhì)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(nèi)外壁沿長度方向同步走料。當送進方式由直線送進變?yōu)樾D(zhuǎn)送進，料溫已降低，外壁走料快，內(nèi)壁走料慢，外壁金屬變形量大，內(nèi)壁金屬變形量小，1/2 壁厚與內(nèi)壁之間出現(xiàn)變形量差異的過渡帶。過渡帶會扭曲、變形，導(dǎo)致鑄錠內(nèi)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(nèi)。

熱處理固溶是一個急速冷卻的過程，內(nèi)應(yīng)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(jié)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(nèi)應(yīng)力會撕裂已有的冶金缺陷，形成探傷不合格，造成產(chǎn)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(chǎn)出合格的大型鍛管。