7A04-T6铝合金管材裂纹缺陷形成原因分析

李僜谚

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

7A04铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，具有高的比强度和硬度，切削性能好，是航空航天领域的重要材料之一[1]。采用熔炼铸造、均匀化热处理、挤压变形加工和固溶时效等加工工序，生产制备出φ30 mm×5 mm规格7A04-T6状态的铝合金管材在机加工后进行水压试验，发现有个别样件出现裂纹。为了找出合金管材的开裂原因，对管件进行了宏观组织、显微组织及断口形貌观察和扫描电镜能谱分析，以确定裂纹缺陷的性质和形成原因，也为今后避免此类缺陷的出现提供参考。

1 管材裂纹缺陷分析

1.1 宏观形貌

对7A04-T6合金管材出现裂纹缺陷的加工件样品进行宏观观察。观察发现，样品存在一条尺寸约72 mm的纵向裂纹，且裂纹已穿透加工件壁厚，裂纹外表面局部可见一处尺寸约3 mm×1.2 mm的黑灰色物质（图1划圈部位）。样品宏观形貌见图1。

图1 合金管材加工样品宏观形貌

将样品开裂部位打开断口，观察管材断口面的宏观形貌，结果如图2所示。

图2 管材裂纹断口面宏观形貌

由图2可知，样品开裂部位的断口面存在沿挤压方向聚集分布的黑灰色物质，其长径尺寸约为15 mm。这些局部黑灰色物质暴露于加工件外表面，与裂纹外表面观察到的黑灰色物质位置一致。

1.2 显微组织及能谱分析

对开裂管件取高倍试样，并进行显微组织观察。获得的典型电镜形貌如图3所示，能谱分析结果见表1和表2。

表2 谱图2处黑灰色物质能谱结果

图3 管材裂纹断口面典型电镜形貌

表1 谱图1处黑灰色物质能谱结果

由图3及能谱结果可知，样品开裂部位断口面的黑灰色物质呈聚集颗粒状，颗粒物主要含O、Mg、Al元素。

为明确管材裂纹缺陷的性质及成因，在样品黑灰色物质部位和正常部位分别取样（横截面）进行显微组织观察，其典型显微组织见图4，能谱分析结果见表3和表4。

图4 管材裂纹缺陷部位横截面显微组织

表3 黑灰色物质能谱结果

表4 正常部位能谱结果

由图4及能谱结果可知，样品未见过烧现象。样品黑灰色物质部位存在聚集分布的颗粒物，颗粒物主要含O、Mg、Al元素，颗粒物周边组织流线存在轻微变形痕迹。

通过对管材裂纹缺陷的组织及能谱分析，并与管材正常部位的组织、化学成分进行了分析比较。结果表明，裂纹缺陷处存在有聚集分布的黑灰色颗粒物，颗粒物主要含O、Mg、Al元素，表明此处为氧化膜夹杂。因此断定，7A04-T6铝合金管材加工件样品水压试验开裂是由氧化膜夹杂导致的。

2 分析及讨论

铝及其合金在熔炼铸造过程中，铝熔体中存在的夹杂物、气体等会影响熔体纯净度，导致铸锭易产生气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，对铸件性能或铸锭后续加工产品的强度、塑性、疲劳强度、抗蚀性、阳极氧化性和外观品质等均有显著影响。提高铝熔体的纯净度和铸锭冶金质量，一直是铝加工工作者追求的目标。

由于铝合金对氧的高亲和力，当它们暴露在含氧和/或水分的空气中时，它们会自然地氧化。在熔体表面形成的氧化物很容易被搅拌和浇注等熔体处理过程中产生的湍流夹带到铸件中，因此合金熔体中不可避免地含有氧化物。夹带的氧化物夹杂在随后的凝固过程中形成缺陷，降低了铸件的性能。氧化物夹杂通常与气孔、热裂和裂纹等铸造缺陷有关，而这些缺陷的产生不利于材料的性能，会使强度、延展性和耐腐蚀性下降[2]。

在铝合金熔炼过程中，无论使用的热源是电能、燃气还是燃油，炉膛内的气氛通常都是氧化性的。在熔炼温度下，金属铝与炉气中的氧发生反应，生成三氧化二铝。在Al-Mg系合金熔炼过程中，除了金属铝与氧的反应外，镁也和氧发生剧烈的氧化反应，生成氧化镁。氧化镁与三氧化二铝的熔点都在2 000℃以上，它们不分解，也不溶于熔体，无法自动消除。当搅拌和熔铸操作不当时，浮在熔体表面的氧化皮被破碎并卷入熔体内，最后留在产品中[3]。

7A04铝合金中含有1.8%～2.8%的Mg元素，为合金化较高的铝合金之一。由于该合金的凝固结晶温度范围相对较宽，铸造成形裂纹倾向较大，所以在7A04铝合金生产中，对熔体的纯净度要求较高。传统的半连续铸造方式，由于高温铝熔体的氧化，不可避免地会产生α-Al2O3、γ-Al2O3氧化物和MgAl2O4尖晶石粒子（见图5）。在熔炼铸造过程中，可能因搅拌、测温等操作和熔体湍流、紊流等破坏了铝熔体表面的氧化膜，导致氧化膜被裹入铸造成品中形成氧化膜夹杂缺陷。

图5 高温铝熔体中典型氧化膜SEM照片

根据上述分析并结合能谱分析结果，可以断定7A04合金管材加工后水压试验开裂的氧化膜夹杂为含Mg的MgAl2O4尖晶石粒子。

因此，为防止铝合金产品中出现氧化膜缺陷，可以采取以下措施：（1）在铝合金熔炼铸造过程中，所有的生产工序和操作应尽可能避免破坏熔体表面的氧化膜，防止氧化膜破损而带入熔体；（2）采用熔体净化方法来降低氧化膜缺陷进入产品的概率和风险。

对于熔体净化，主要有两种途径：一是以俄罗斯为代表的氯气精炼+真空除气方式，精炼效果很好，但设备成本较高，也不适宜工业化连续生产；二是以欧洲为代表的在线熔体净化方法，即在线用旋转喷头吹气精炼再加上过滤器装置过滤，全过程同水平自动化铸造，这种方法特别适合批量化的生产[4]。目前，大多数生产企业采用的都是在线熔体净化方式。另外，严格执行操作规程和遵守生产工艺纪律，提升熔炼铸造装备水平，也可极大地降低氧化膜缺陷的发生概率，提高产品的冶金质量。

3 结论

分析及检测结果表明，7A04铝合金管材加工件样品水压试验开裂是由氧化膜夹杂引起的。国内外大量文献表明，氧化膜等夹杂物的存在，严重破坏了铝基体的连续性，降低了材料的强度和塑性，尤其是对材料的疲劳强度和断裂韧性产生严重的危害。因此铝合金熔炼过程中，提升熔炼铸造装备水平，加强熔体净化，加强操作工人的培训，防止氧化膜进入熔体，才能有效提高铝产品的冶金质量。