7xxx系高强铝合金厚板断口平台缺陷的研究

蒋会学，长海博文，郭世杰，李亚芳

(1.中铝科学技术研究院，北京100062；2.苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026)



7xxx系高强铝合金厚板断口平台缺陷的研究

蒋会学1,2，长海博文1,2，郭世杰2，李亚芳2

(1.中铝科学技术研究院，北京100062；2.苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026)

研究以80mm厚7xxx系合金板材的冲击断口为研究对象，采用扫描电镜结合能谱分析，考察了断口上平台缺陷的宏观形貌及平台区域所含夹杂物种类，并分析了产生平台缺陷的可能原因。结果表明，平台缺陷呈淡褐色，形状为不规则的长条状，长度方向尺寸通常可达2～3mm；平台缺陷的局部区域含有较多的夹杂物(氧化物、含铁相等)；平台缺陷产生的原因可能为渣气伴生，即铸锭中气孔夹杂共存，轧制过程中气孔沿轧制方向变形，两侧金属由于气体的存在始终不能接触焊合而形成平台缺陷。

7xxx系合金；厚板；断口平台

7xxx系高强铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域的主要结构材料。现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求[1]。随着大飞机等项目的实施，国内对高品质的高强铝合金厚板的需求日益凸显。铝合金厚板主要指板材厚度在35～80mm的板材，厚度在80～200mm的板材称为特厚板，厚度为200～1100mm的板材称为极厚板[2]。铝合金厚板主要应用在航空工业相关的国民经济领域，主要用于生产飞机的机身、机翼、尾翼和蒙皮等部件[3]。7050铝合金是7xxx系铝合金的一种，具有高强度、宜加工、优异的耐腐蚀和疲劳性能，广泛应用于航空航天等工业中，其厚板是航空航天工业的主要结构材料之一[4,5]，其中7050厚板已大量用于机身框架翼梁和尾翼等部件。

随着现代飞机逐渐向大型、高速、重载、长寿命和高安全性方向发展，且飞机结构材料主要承受循环加载，因此对材料的抗疲劳性能提出了更高的要求。目前高强铝合金厚板的生产方式主要是将大规格铸锭通过热轧的方式实现的[6]，而大规格高强铝合金铸锭则主要通过直接水冷半连续铸造法(DC铸造)生产，熔铸过程中夹杂物的引入及气孔、疏松的产生都有可能成为疲劳裂纹源而影响厚板的疲劳性能[7]。本文针对影响厚板疲劳性能的断口平台缺陷，利用体式显微镜和扫描电镜对断口平台特征进行了研究，分析了平台的形貌特点及平台上夹杂的种类及来源，并给出了可能产生平台缺陷的原因，旨在为平台缺陷的控制及疲劳性能的改善提供相关依据。

1 试验方法

本研究中所用材料为国内某铝加工厂提供的厚度为80mm的7xxx系合金板材(板材断口检测结果为不合格)，合金成分如表1所列。选取三块板材加工成尺寸为10mm×10mm×55mm并带有2mm的V型缺口的标准冲击试样。试样表面经砂纸抛光以去除加工痕迹，室温下在ZBC2302-C冲击试验机上进行冲击试验，冲击功为250J，试验过程如图1所示。首先采用OLYMPUS-SZ61体式显微镜对冲击断口进行宏观观察，找到平台缺陷，之后采用JSM-6480扫描电子显微镜对平台缺陷进行形貌观察和能谱分析。

图1 冲击试验过程示意图

ZnMgCuCrFeSiAl5.7～5.92.4～2.61.6～1.80.22～0.24≤0.15≤0.10余量

2 结果与讨论

2.1 平台缺陷宏观形貌

体式镜下，冲击断口处平台缺陷的宏观形貌如图2所示。由图中可以看出平台缺陷区域有颜色的变化，与Al基体颜色不同，平台区域呈淡褐色形状不规则的长条状，长度方向尺寸通常可达2～3mm，且长度方向与轧制方向基本保持一致，经分析可知缺陷在轧制过程中经变形拉长。

(a)试样a (b) 试样b (c) 试样c 图2 板材冲击断口宏观形貌Fig.2 Impact fracture morphology of plate

2.2 平台缺陷分类

在扫描电镜下对体式镜下发现的淡褐色平台区域进行形貌观察，并通过能谱分析其化学成分。观察平台发现，与基体相比，平台缺陷处第二相数量较少，每个平台上均含有至少一种夹杂物，可见夹杂物是平台缺陷的一个主要特征，因此根据夹杂物的种类对平台缺陷进行分类。通过能谱分析判断平台上夹杂物主要有氧化物、含Ti颗粒、含Fe相等。根据夹杂物来源及成分可将平台缺陷上的夹杂物分为以下几类。

2.2.1 氧化物

图3和图4分别对应斑块状氧化物夹杂和颗粒状氧化物夹杂。背散射电子像下观察试样a平台缺陷上的夹杂物，深灰色斑块上堆积分布着颗粒状夹杂物，尺寸在几微米至二十几微米之间。能谱分析可知夹杂物主要成分为O和Al，同时含有少量的Mg和Zn，推断其为Al2O3夹杂。试样c平台缺陷夹杂物呈颗粒状镶嵌于铝基体中，形状不规则，尺寸为几个微米。能谱分析可知，其主要成分为Al、Mg和O，因此推测该颗粒状氧化物夹杂为MgAl2O4和Al2O3。

高温下，铝熔体和空气中的氧反应形成氧化物夹杂，该种夹杂物为铝合金熔炼过程中最常见的非金属夹杂物，贯穿于铝合金熔炼、铸造各个阶段，其存在形式包括膜状、线状、颗粒状和聚集斑块状[8]。当合金元素较少时，氧化物夹杂以Al2O3为主。含Mg铝合金中，当熔体与空气接触时，除可形成Al2O3外，Mg和空气中的O反应还可形成MgO。当熔体温度高于700℃时，MgO和Al2O3可通过反应生成含Mg铝合金中的主要夹杂物-冶金学尖晶石(MgAl2O4)。

图3 试样a断口平台典型区域处夹杂物形貌及能谱分析结果

图4 试样c断口平台典型区域处夹杂物形貌及能谱分析结果

观察试样c平台缺陷上发现黑色膜状夹杂物断续分布在平台上。能谱分析可知其主要成分为Al和O，因此推测图5中氧化物主要为Al2O3(氧化膜)。在熔炼和浇铸过程中，铝熔体表面形成一层连续致密的氧化膜，可防止内部熔体继续氧化，在转炉和浇铸过程中，熔体流动使表面薄的氧化膜发生破裂、扭曲后卷入熔体中，形成氧化膜夹杂[8]。氧化物在平台上呈膜状断续分布推测可能为在轧制过程中破碎导致。

图5 试样b板材断口平台典型区域

2.2.2 含Ti颗粒

在试样c平台缺陷上除发现颗粒状氧化物夹杂，还发现弥散分布有尺寸不足一微米的亮白色颗粒。能谱分析可知除Al元素外含有较多的Ti，推测其为含Ti颗粒(图6)。铝合金熔体中存在的含Ti夹杂物大多为细化剂残留物。目前铝合金熔铸中使用的晶粒细化剂主要为Al-Ti-B细化剂，其有效成分为Al3Ti和TiB2。Al3Ti在铝熔体中溶解性好，因此在熔体中发现Al3Ti的可能性很小。细化剂添加到熔体中一段时间后，其中的有效成分TiB2颗粒易发生团聚和沉降，减弱了细化效果，团聚的TiB2可成为铝合金熔体中常见的夹杂物。

2.2.3 含Fe相

在a样品平台缺陷处除发现含氧化物颗粒外，还发现少量白色颗粒状物质。能谱分析可知该物质除Al和O元素外还含有一定量的Fe，因此推测其为Fe相，如图7所示。由图中可以看出该含Fe相尺寸在十微米以下，推测其为铝锭中的杂质Fe成分(与熔体中其他元素反应形成)。

图6 试样c断口平台典型区域处夹杂物形貌及能谱分析结果

图7 试样a断口平台典型区域处夹杂物形貌及能谱分析结果

2.3 平台缺陷定性分析

关于平台缺陷的产生，分析主要由渣气伴生引起，熔体内渣与气之间润湿性较好，使得二者容易伴生。渣气伴生时，铸锭中会出现气孔夹杂共存；轧制过程中，气孔会沿轧制方向变形，但其两侧的金属会由于气体的存在始终不能接触焊合并最终形成平台缺陷。推测认为由于气体的存在，凝固后期晶间富溶质液相很难填充进来，造成气孔及夹杂附近溶质元素贫乏，这是平台附近第二相少的原因。

3 结论

通过对Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金厚板冲击断口平台缺陷的研究，得到以下结论：

(1)平台缺陷呈淡褐色，形状为不规则的长条状，长度方向尺寸通常可达2～3mm，长度方向与轧制方向基本保持一致；

(2)平台上有夹杂物为其基本特征，按照夹杂物成分及来源可分为氧化物、含Ti颗粒、含Fe相等；

(3)平台缺陷产生的原因可能为渣气伴生，即铸锭中气孔夹杂共存，轧制过程中气孔沿轧制方向变形，两侧金属由于气体的存在始终不能接触焊合而形成平台缺陷。

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Study of Fracture Platform of High-strength 7xxx Alloy Thick Plate

JIANG Huixue1,2, Nagaumi Hiromi1,2, GUO Shijie2, LI Yafang2

(1. CHINALCO Research Institute of Science and Technology, Beijing 100062, China;2. Suzhou Institute for Non-Ferrous Metals Research Co., Ltd., Suzhou 215026, China)

The paper highlighted impact fractures of 80mm thick 7xxx alloy plate. Combined SEM with EDS, the paper studied platform defect morphology and inclusion types, and it analyzed possible cause of platform defect. The results showed that the platform defect was brown in appearance with irregularly shaped strip; the measurements were normally 2～3mm lengthwise; some inclusions such as oxides, iron phase were observed in local area of platform; gas generated with inclusions may cause platform defect, i.e. porosities in cast ingot became deformed along rolling direction in hot rolling, isolating metals around porosity from being welded together and forming platform defect.

7xxx series alloy; thick plate; fracture platform

2014-12-23

蒋会学(1983-)，男，博士，工程师，主要从事7xxx系高强铝合金的研究工作。

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0013-04