锻造变形对消除7050合金大型锻管超声波探伤缺陷的工艺研究

王雪强，丛镇渔，丁 杰，朱宜杰，李宵飞

（山东南山铝业股份有限公司，烟台 265700）

0 前言

7050 铝合金是可热处理强化的高强度变形铝合金，可生产厚板、型材、锻件和线材等多种产品。7050 铝合金常采用过时效状态，使合金在保持较高强度的水平下，具有韧性好、疲劳强度高和抗应力腐蚀性能好等优良综合性能。

我司承接了某型号用7050-T74 大型铝合金锻管试制生产任务。这是首次试制大规格的7050 锻管，试制中出现了超标超声波点状缺陷导致报废的问题，针对此问题，进行了分析，并提出了解决办法，经实际生产验证，解决方法切实有效。

锻管探伤点状缺陷问题，经咨询多位同行业工程师，得到的观点基本一致：归类为冶金缺陷。对此类缺陷的认识及解决措施：控制熔炼过程，提高熔体纯洁度、采取过滤、除气，加强搅拌等方式来减少夹杂物、气体等冶金缺陷。处理方案也基本一致：机加工去除，无法去除则报废。而通过调整锻造操作来控制超声波探伤点状缺陷未见相关文献记录和报道，本文所述尚属首次，可为相关研究提供参考。

1 问题描述

1.1 锻管信息

合金状态：7050-T74；锻管执行标准：AMSA-22771；锻管的典型尺寸：长度3 070 mm，外径612 mm，壁厚50 mm；交付状态：热处理+粗加工+超声波探伤；超声波探伤标准：GJB 1580A—2019中A级。

1.2 工艺路线

锻管有多种规格，按内孔尺寸分为大小两类，两类锻管均存在超标点状缺陷。两类锻管成型工艺的区别在于小内孔锻管不进行马架扩孔，而大内孔锻管则需要，其余工序相同。大内孔锻管的工艺路线如下：

下料→60 MN 压机铸锭改锻→60 MN 压机反挤压→锯切反挤压筒底→60 MN 压机马架扩孔→60 MN 压机芯轴拔长→锯切长度端头→60 MN 压机马架扩孔→热处理前粗加工→超声波探伤→固溶→时效→取样→理化检测→最终粗加工→超声波探伤→验收入库。

1.2 超标超声波探伤点状缺陷的发现及情况介绍

锻管锻造结束后在热处理前粗加工至壁厚80 mm，整体见光。粗加工后外圆面超声波探伤，满足GJB 1580A—2019中A级探伤标准。但经热处理（固溶+时效）、粗加工至交付尺寸（壁厚50 mm）后外圆面探伤，部分锻管出现了超标超声波单点和多点缺陷。首批共生产了15根锻管，5根因为点状缺陷超标而报废，不合格率33.3%，随即停产，查找分析原因。

超声波探伤图中描述了点状缺陷分布情况。从壁厚看，缺陷分布在1/2 壁厚与内壁之间，更接近内壁。从长度看，长度多个位置均存在，但两端头缺陷很少，主要分布在中间1 500 mm范围内。图1为锻管示意图，表1 为4 根典型超标锻管超声波探伤结果。

表1 锻造超声波探伤结果

图1 锻管示意图

经探伤定位，对多个点状缺陷取样、解剖分析。借助扫描电镜和金相显微镜发现：点状缺陷微观形貌基本一致，均为长条的裂缝，典型部位金相图如图2 所示。对裂缝内成分组成进行能谱分析，发现裂缝内主要成分为Al2O3，即氧化膜。氧化膜是铝合金中常见冶金缺陷，形貌通常是点状，与此次锻管中发现的长条状氧化膜形貌有明显差别。

图2 缺陷金相图

氧化膜形成机理：铝合金熔炼和铸造过程中，熔体表面与空气接触，因高温氧化反应形成氧化膜，并覆盖在熔体表面，当熔体表面的氧化膜被破碎并卷入熔体内，最后留在铸锭中形成氧化膜缺陷[1]。

2 原因分析

2.1 原材料/铸锭检查及分析

点状缺陷经分析是氧化膜。同熔次铸锭生产的锻管，只有小部分出现了超标点状缺陷，怀疑某根铸锭头尾切除量不够，缺陷未去除干净。

根据熔炼炉号、锭节号查找坯料在原始铸锭的位置。探伤不合格的5 根锻管，2 根坯料的位置靠近原始铸锭头部，3 根坯料的位置接近铸锭中间；探伤合格的10 根锻管，坯料位置在原始铸锭头、中、尾均有分布。

随即检查原材料。原材料为扁铸锭，原材料入厂复验合格、报告齐全。低倍和断口的氧化膜检查均符合GJB 2351—1995 中Ⅰ类锻件要求。出现超标点状缺陷后，同熔炼炉次铸锭再次复验低倍和断口，经检查氧化膜合格。

同熔次铸锭生产的其他锻件，超声波探伤均符合A级，且氧化膜检查合格，其形貌均是点状，不是长条状。

经检查原材料和同熔次铸锭投产情况，分析原材料的氧化膜缺陷可能只是产生超标点状缺陷的一个次要原因，主要原因是某个工序将氧化膜由点状变成长条状。

锻管热处理前探伤，符合A级，而超标点状缺陷均是热处理后出现的，怀疑是热处理过程出了问题，随即检查热处理过程。

2.2 热处理过程检查及分析

热处理工艺参数按标准AMS 2772 制定，是成熟的工艺参数，已用于多个型号的7050-T74 的锻件。经查看热处理记录，装炉要求、间距、炉温曲线等均符合热处理工艺要求。

固溶处理炉符合AMS 2750 中Ⅱ级，时效炉符合AMS 2750 中Ⅰ级，锻管热处理过程中设备运行正常，没有超温、超时等异常情况。

热处理过程正常，原因分析陷入停滞，再次开会讨论，提出新的观点：缺陷可能不是某个工序导致的，而是多个工序共同作用的结果。锻造和热处理工序涉及锻件组织变化，热处理检查正常，随即检查锻造工序。

2.3 锻造工序检查及分析

锻造工艺参数按锻造及加热规程制定，经检查锻造工序记录，实测工艺参数均符合工艺要求。

对锻造操作进行了对比，改锻、反挤压、扩孔三个锻造工序的操作差别很小，基本一致，而芯轴拔长操作差别较大。

芯轴拔长有两种操作：旋转送进+直线送进混合拔长、单一直线送进拔长。拔长说明如下：

旋转送进：拔长一个道次，按V砧宽度把锻管分为多部分，每部分长约2/3 砧子宽度，从头开始以90°旋转拔长至一定尺寸，然后送进拔长下一部分，持续循环拔长至最终尺寸。

直线送进：拔长一个道次，从头到尾中间过程不旋转。一个道次结束后旋转90°再次从头到尾直线拔长，持续循环拔长至最终尺寸。

对比芯轴拔长过程有重要发现：探伤不合格的锻管，芯轴拔长方式均是直线送进+旋转送进，且以旋转送进为主；而经直线送进拔长的锻管探伤均合格，没有发现超标点状缺陷。

2.4 小结

经检查原材料、热处理及锻造工序，形成初步结论：不良的芯轴拔长操作能够将点状氧化膜撕裂为长条状，经热处理过程缺陷被放大，形成了超标点状缺陷。

为了验证结论的准确性，完善芯轴拔长操作后投料试制。

3 改进芯轴拔长过程

经讨论分析，改进芯轴拔长过程，内容如下：

（1）拔长方式。芯轴拔长采用直线送进拔长。具体操作是维持八方拔长，一个道次从头到尾直线送进，即使最后倒棱、整形阶段也保持直线送进，将旋转送进列为违禁操作。

（2）提高操作一致性。工艺中明确锻造火次、变形量、使用工具。芯轴拔长工具由上平砧、下V 型砧改为双V 型砧，受力点数由三点变成四点，使变形区受力状态更加均匀对称。

（3）加强润滑。芯轴拔长前，V 型砧、马杠（芯轴）均匀涂抹油基石墨，减小摩擦力，利于锻件走料。

（4）提高坯料及工装温度，增大塑性，减小变形抗力。坯料在芯轴拔长加热温度按其合金锻造温度的上限控制，加热温度由440 ℃提高至450 ℃[2]。工装预热温度提高，锻造V 型砧、马杠（芯轴）预热温度提高至300 ℃～400 ℃。

4 产品验证

改进芯轴拔长操作后，先试制了2根锻管，锻管热处理后探伤合格，没有发现超标点状缺陷，试制成功。随即投产了5根锻管，热处理后探伤同样合格。连续7根锻管均合格，达到预期目标。紧接着批次投产，投入了10 根锻管，10 根锻管最终探伤也合格。探伤合格率由66.7%提升至100%，改进措施达到了理想效果。

5 分析讨论

7050 是超硬铝，是在7075 铝合金基础上减少了杂质Fe、Si、Mn、Ti，提高了Cu，增加了Zr[3]，塑性较其它系列铝合金差。芯轴拔长过程中锻管如果直线送进，内外壁沿长度方向同步走料。当送进方式由直线送进变为旋转送进，料温已降低，外壁走料快，内壁走料慢，外壁金属变形量大，内壁金属变形量小，1/2 壁厚与内壁之间出现变形量差异的过渡带。过渡带会扭曲、变形，导致铸锭内部原有的微小缺陷被放大，热处理前探伤，缺陷仍然在合格探伤标准内。

热处理固溶是一个急速冷却的过程，内应力增大，被拉长的氧化膜被撕裂，形成更长的裂纹缺陷，热处理后加工后探伤，缺陷超标。

6 结论

不良的芯轴拔长变形方式会放大已有的冶金缺陷，固溶过程的内应力会撕裂已有的冶金缺陷，形成探伤不合格，造成产品报废。芯轴拔长采用直线送进方式，提高砧具、料温，能够避免缺陷的放大，生产出合格的大型锻管。