7055合金熔铸工艺研究

2019-04-08张芯华

铝加工 2019年6期

张芯华

(西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

7055铝合金是航天航空新一代轻质高强结构材料，是目前变形铝合金中强度较高的合金之一，而且断裂韧性好，抗疲劳裂纹扩展能力强。目前，7055-T77制品已用于波音777客机的上翼蒙皮、机翼桁条[1]。但由于7055合金元素含量高，结晶温度范围宽，在半连续铸造过程中具有极大的热裂以及冷裂倾向。同时7055合金Zn含量很高，熔体黏度大，流动性差，凝固结晶过程气体不易析出，熔体补缩较差，容易在铸锭中形成疏松或气泡。因为黏度大，铸造过程中渣子不容易从熔体分离，造成铸锭夹渣缺陷。因此，确定合理的熔铸工艺是7055合金的技术难点之一。

我们根据7055合金的熔铸特点，并结合已有的技术经验，通过多轮工艺试验，最终突破了400mm×1320mm规格熔铸工艺，铸造出合格的铸锭。

1 试验过程及结果

1.1 试验过程

试验所用合金符合国家GB/T 3190-2008标准中对7055合金化学成分的要求，见表1。

表1 7055合金成分（质量分数/%）

一级废料使用量不超过50%，合金中所需的Cu、Mg、Zn以纯金属形式加入，Zr以Al-Zr中间合金形式加入。配料时控制ω（Si）≤0.05%，ω（Fe）≤0.08%。试验用9t熔铸机组采用天然气加热，分为熔炼炉和静置炉，铸造机为9t液压式半连续铸造机。为提高熔体质量，在静置炉内采用炉底透气砖进行连续精炼处理，在线采用SNIF除气装置除气，采用单级泡沫陶瓷板进行过滤，采用Al-3Ti-0.15C在线细化，加入量3～5kg/t。本轮试验共生产了9个熔次，铸锭规格为400mm×1320mm，从1-5熔次开始采用圆弧结晶器，具体工艺参数见表2。

表2铸造工艺参数及铸锭成型情况

1.2 试验结果

从表2可以看出7055合金铸造成型性很差，有很大的裂纹倾向性。随着铸造速度及冷却水流量的降低，铸锭开裂概率随之下降，采用圆弧结晶器有利于减少小面转角裂纹。经检测铸锭晶粒度为2.5～3.0级、氧化膜1级、疏松1级，主要合金元素Cu偏析在10%左右，Mg偏析在8%左右，Zn偏析在5%左右，铸锭边部元素含量高于铸锭心部，呈现反偏析特征。经压延加工后，板材性能满足指标要求，达到A级探伤要求。

2 熔铸工艺总结及讨论

2.1 熔炼工艺

7055合金熔炼主要解决的问题：（1）熔体Fe、Si杂质含量的控制；（2）控制和调整化学成分；（3）减少熔体氧化烧损，减少吸气和造渣。

2.1.1 熔体Fe、Si杂质含量的控制

7055合金中杂质元素Si、Fe主要生成Al7Cu2Fe、Fe2Si2Al9等相。这些相经过后续的热变形加工破碎和固溶热处理仍难以回溶，残留在最终状态合金中成为开裂源，同时消耗了合金中的主合金元素，造成合金中沉淀强化相的体积分数难以提高，对合金的综合性能造成负面影响。7055合金中Fe、Si杂质的主要来源为原材料、炉衬、铁制工具。因此，在7055合金熔炼过程中，采取了以下措施：

（1）配料时合理搭配废料、高精铝锭和普通铝锭的用量，一般高精铝锭的用量不低于40%。

（2）对接触熔体的工具必须进行喷涂钛白粉处理。

（3）每熔次必须彻底清理干净炉底及炉墙的铝渣。

2.1.2 熔体质量控制

7055合金由于合金化元素含量高、种类多，含有易氧化和增加熔体黏稠度元素，吸气造渣现象较突出。而熔体中夹渣与气体往往共生，增加熔体除气难度，熔体中大量的氢除在铸锭凝固时以气孔、孔洞形式存在外，更多是以显微疏松形式存在于铸锭中，铸锭内部显微疏松很大程度上也取决于熔体中氢含量。这些以疏松孔洞形式存在的氢，会割裂合金基体，造成铸态强度降低、铸锭开裂，同时对后端加工材的力学强度、韧性、耐疲劳、耐腐蚀性等有着决定性影响。

熔体质量的控制主要体现在熔体吸气和含渣量是否高、是否产生了过热、成分是否均匀等，这些因素会影响铸锭质量和铸造裂纹的产生。因此，7055合金在熔炼过程中采取以下措施：

（1）加料前在炉底均匀铺撒20～30kg熔剂粉，加料后在炉料上层铺撒20～30kg熔剂粉，熔体化平充分搅拌后铺撒20～30kg熔剂粉，以减少熔体的氧化、吸气和造渣。

（2）熔炼时熔体金属温度小于750℃。（3）熔体倒炉前充分搅拌。

2.1.3 化学成分控制

Zn、Mg、Cu元素是材料关键性能的决定因素，在合金中主要以固溶质子、平衡相h（Mg-Zn2）、T（Al2Mg3Zn3）以及非平衡相h′的形式存在。此外合金中还存在一定量的Al7Cu2Fe、S（Al2CuMg）相。合金元素Cu大部分溶于基体，起辅助强化作用，还可以降低晶内和晶界之间的电位差而改善应力腐蚀性能。但较高铜量和存在较多镁量时，可生成难溶化合物S（Al2CuMg）相，在铸锭均化和板材热处理时难以全部充分溶入基体，影响合金韧性疲劳性能。当合金杂质铁量较高时还生成几乎不溶的Al7Cu2Fe，对塑性性能也有相当影响。因此铜量应在保证标准成分范围内尽量控制在较下限区域。合金元素Zn、Mg构成主要强化相MgZn2、Al2Mg3Zn3等，Zn、Mg含量理应按上限控制，较高Mg量对抑制Si不利影响和提高铸造成形都有利。但提高Mg量一方面会促进生成难溶Al2CuMg，另一面也会降低Zn/Mg值，不利于合金韧性指标提高。从综合合金性能看，Mg量宜于中下限控制，Zn量宜于在中上限控制。

生产控制中要求ω（Si）＜0.05%、ω（Fe）＜0.08%，Cu含量、Mg含量位于中下限，Zn含量位于中上限[2]。

2.2熔体净化

熔体净化主要是指除气和除渣操作。本试验除气操作采用炉底透气砖对熔体持续精炼除气。除气介质为氩气，压力0.4～0.6MPa，在线采用SNIF除气设备精炼除气，整个系统除气效率达到70%～75%。除渣是通过采用泡沫陶瓷板过滤实现的，过滤精度为60ppi。实际生产中液态氢含量控制在0.08～0.10mL/100gAl范围。图1为铸锭1/2宽度处表层、1/4厚度和1/2厚度处显微疏松组织图片。从表层到心部显微疏松的尺寸增大，数量变多，最大显微疏松尺寸控制在100μm以内。

图1铸锭微观显微疏松

2.3 铸造工艺

铝合金铸造主要是解决铸锭成型问题，其次才是铸锭内部质量问题。而7055合金由于成分特点决定了容易产生铸锭裂纹，再加上扁铸锭因宽窄面的冷却强度不均而产生应力，也极易造成铸锭裂纹，因此需要合理搭配铸造工艺参数来控制铸造裂纹。

2.3.1 铸造速度控制

铸造速度过快时，液穴的深度将变深，易产生铸锭宽面裂纹；铸造速度过低时，液穴的壁厚将增加，从而导致外层收缩的阻力增加，易产生铸锭侧面裂纹。从表2可知，铸造速度从58mm/min降至54mm/min时，大面开裂的概率降低，但小面转角开裂情况没有好转。通过加大结晶器转角弧度，能降低小面转角开裂的概率。

2.3.2 铸造水冷强度控制

7055合金扁锭在半连续铸造时，铸锭裂纹对水冷强度的影响较为敏感，要求水冷强度各面均一，一次水冷强度小。这主要是由于一次水冷强度较大时，铸锭在结晶器内易形成较厚的硬壳，增加了铸锭与结晶器内壁摩擦阻力，使铸锭表面形成冷隔或产生拉痕，造成应力集中而导致铸锭开裂[2]。

在7055合金熔铸工艺研究中，采取的水冷强度控制措施主要包括：冷却水流量由26m3/h降至23m3/h，并减小铸锭的冷却强度；通过控制结晶器内有效高度来控制一次水冷强度；采用刮水器来降低对铸锭的冷却，刮水位置一般位于液穴底部。通过刮水器可以减少对已经凝固铸锭的冷却，提高铸锭温度，增加铸锭塑性。

2.3.3 铸造温度控制

在铸造温度的选择上，主要考虑两点，一是铸造温度不能过高，温度过高使液穴加深，温度梯度增大，导致铸造应力加大；反之铸造温度过低，影响金属的流动性，易产生冷隔引发铸锭侧裂；二是考虑熔体的在线精炼和过滤，温度过高对除气不利，温度过低影响过滤，对除渣不利。结合其它高Zn合金的铸造温度经验，最终选择7055合金的铸造温度为730～750℃。