蔣會學(xué),李虎田,王國軍,楊榮東, 羅德維,宋 煒

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司,北京 102209;2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401326)

Al-Zn-Mg-Cu 系合金有超硬鋁之稱,一般抗拉強(qiáng)度在500 MPa以上[1],是目前用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的工業(yè)用強(qiáng)度最高的鋁合金系列,由于其綜合性能優(yōu)異,在航空航天用結(jié)構(gòu)材料中占主要地位[2-6]。Al-Zn-Mg-Cu系合金是以1923-1926 年德國科學(xué)家Sander和Meissner對Al-Zn-Mg系合金的研究為基礎(chǔ)發(fā)展起來的[7]。1939年,日本學(xué)者五十嵐將Cr加入Al-Zn-Mg-Cu合金中開發(fā)出了一種超硬鋁合金,這種合金具有很高的強(qiáng)度和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能,成為該系合金中最先在飛機(jī)制造業(yè)上的應(yīng)用者。美國于 1943 年開發(fā)出了 7075合金,并應(yīng)用于B-29 轟炸機(jī)上[8]。1971年,美國Alcoa公司用Zr代替7075合金中的合金元素Cr,開發(fā)出具有高強(qiáng)度、較高韌性和較好的抗腐蝕性能的7050合金。1978年,美國Alcoa公司與Boeing公司合作,對7050合金的成分限和熱處理制度進(jìn)行了調(diào)整,設(shè)計(jì)出了新型的鋁合金7150。上世紀(jì)80年代,Alcoa公司在7150合金基礎(chǔ)上,提高Zn/Mg值,研制成功7055合金,強(qiáng)度大大提高。2003年,美國Alcoa公司為空客公司開發(fā)出的用于制造A380客機(jī)整體化、大型化結(jié)構(gòu)鍛件用7085合金,因其具有高強(qiáng)、高韌和優(yōu)異的耐腐蝕性以及低的淬火敏感性而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[9-11]。

隨著國產(chǎn)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,對航空用 Al-Zn-Mg-Cu 系合金提出了更高的要求[12]。目前高強(qiáng)鋁合金厚板或鍛件的生產(chǎn)方式主要是將大規(guī)格鑄錠通過熱軋或鍛造的方式實(shí)現(xiàn)的[13-14],而大規(guī)格高強(qiáng)鋁合金鑄錠則主要通過直接水冷半連續(xù)鑄造法(DC鑄造)生產(chǎn),熔鑄過程中夾渣、化合物的引入及氣孔、疏松的產(chǎn)生都有可能成為缺陷而影響厚板或鍛件的探傷合格率。本文針對影響鍛件探傷合格率的含Ti化合物聚集問題,在系統(tǒng)分析鍛件本體探傷缺陷、熔鑄過程不同位置處熔體質(zhì)量、含Ti化合物聚集產(chǎn)生環(huán)節(jié)及原因的基礎(chǔ)上給出了含Ti化合物聚集形成機(jī)制,并完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,旨在為含Ti化合物聚集問題的解決及鍛件探傷合格率的提升提供相關(guān)數(shù)據(jù)、機(jī)理支撐。

1 試驗(yàn)方法

本研究中所用材料為國內(nèi)某鋁加工企業(yè)生產(chǎn)的Al-Zn-Mg-Cu系合金鍛件(探傷報(bào)廢)。將帶有探傷缺陷的樣品加工成30 mm×30 mm×80 mm并帶有5 mm的V型缺口的沖擊試樣。試樣表面經(jīng)砂紙拋光以去除加工痕跡,室溫下在ZBC2302-C沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn),沖擊功為250 J,試驗(yàn)過程如圖1所示。首先采用OLYMPUS-SZ61體式顯微鏡對沖擊斷口進(jìn)行宏觀觀察,找到平臺缺陷,之后采用JSM-6480掃描電子顯微鏡對平臺缺陷進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

圖1 沖擊試驗(yàn)過程示意圖

熔體質(zhì)量評價采用PoDFA裝置(Porous Disc Filtration Apparatus)進(jìn)行離線評價,該裝置為加拿大鋁業(yè)公司基于壓濾原理開發(fā)[15-17],如圖2所示。它是利用壓力使熔體通過超細(xì)陶瓷過濾器,在濾器表面形成濾餅,對濾餅取樣進(jìn)行金相觀察確定夾雜物的類型,經(jīng)定量金相計(jì)算濾餅中夾雜數(shù)量及濾餅面積,進(jìn)而得出單位面積內(nèi)的夾雜數(shù)量。這種方法能夠檢測夾雜物的數(shù)量同時確定夾雜物類型,可以有針對性地指導(dǎo)調(diào)整熔體處理工藝,目前已在歐美國家的鋁合金加工廠中廣泛應(yīng)用。

圖2 PoDFA法離線測渣原理示意圖

針對大規(guī)格Al-Zn-Mg-Cu系合金鑄錠熔鑄線,采用PoDFA法進(jìn)行離線測渣取樣分析,熔鑄線設(shè)備布置及測渣取樣過程如圖3所示。熔鑄過程中,熔煉爐內(nèi)鋁液經(jīng)合金化后轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi),保溫爐內(nèi)進(jìn)行成分調(diào)整、精煉、靜置,溫度合適后開始鑄造,鋁液由保溫爐出口流出,先后經(jīng)在線除氣、在線過濾,在結(jié)晶器內(nèi)完成整個鑄造過程。其中在線除氣過程主要通過氬氯混合旋轉(zhuǎn)噴吹的方式除去熔體中的氫,在線過濾通常采用板式過濾。為考察熔鑄線上不同位置處夾渣種類和含量的演變規(guī)律,分別選取保溫爐出口、在線除氣后、板式過濾后三個典型位置取離線測渣樣品分析(圖3)?；跍y渣分析結(jié)果,明確含Ti化合物聚集產(chǎn)生的環(huán)節(jié)及原因。

圖3 Al-Zn-Mg-Cu系合金熔鑄產(chǎn)線布局、離線測渣取樣位置及取樣過程

2 結(jié)果與討論

2.1 鍛件本體探傷缺陷分析

取探傷報(bào)廢的鍛件本體樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后(圖1)觀察斷口形貌,如圖4(a)所示,經(jīng)低倍觀察可知,斷口樣品存在一處尺寸約約3.0 mm×0.9 mm的暗黃色平臺,圖4(b)、圖4(c)為掃描電鏡下平臺經(jīng)局部放大后的形貌照片,平臺典型區(qū)域內(nèi)存在大量細(xì)小的顆粒狀化合物聚集現(xiàn)象(圖4(c)中虛線框所示),對化合物聚集區(qū)域內(nèi)的典型位置進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表1所列,可知顆粒狀化合物為含Ti顆粒,因此有必要探究清楚產(chǎn)生含Ti化合物聚集的機(jī)理。

表1 典型位置處能譜結(jié)果 %

圖4 鍛件探傷缺陷處斷口平臺形貌照片

2.2 含Ti化合物聚集機(jī)理分析

2.2.1 粒子自發(fā)行為引起的聚集

Al-Zn-Mg-Cu系合金中含Ti化合物通常以細(xì)小顆粒形式存在,而細(xì)小顆粒在熔融鋁液中呈現(xiàn)出偏聚趨勢是其一種固有特征,如圖5所示,任何小尺寸顆粒都有聚集在一起的趨勢以減少表面能,進(jìn)而產(chǎn)生含Ti化合物聚集現(xiàn)象而影響最終鍛件產(chǎn)品的探傷合格率。這是由于相比鋁而言,含Ti顆粒更硬。單個含Ti粒子通常為亞微米尺寸,當(dāng)在掃描電子顯微鏡下觀察時,細(xì)化劑桿中的含Ti顆粒尺寸很少在2微米以上,而含Ti粒子的聚集物尺寸通常比單個粒子尺寸大一個數(shù)量級,甚至更大,極易遺傳至后部工序而產(chǎn)生缺陷。圖6給出了PoDFA法離線測渣樣品中含Ti粒子聚集的典型形貌照片,說明鋁合金熔體中含Ti顆粒自發(fā)產(chǎn)生聚集是一種較為普遍的現(xiàn)象。此外,在線除氣環(huán)節(jié)中,除氣室內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)噴吹過程會引起熔體的擾動,從而增加含Ti顆粒的碰撞機(jī)會,進(jìn)一步促進(jìn)顆粒的聚集。

圖5 含Ti顆粒聚集機(jī)理示意圖

圖6 含Ti顆粒聚集現(xiàn)象(PoDFA法離線測渣)

2.2.2 氧化膜與含Ti化合物的聚集

含Ti顆粒有聚集在一起的趨勢以減少表面能,研究發(fā)現(xiàn)含Ti粒子與氧化膜之間存在著密切的關(guān)系,即含Ti顆粒易與氧化膜伴生,這與Ti顆粒聚集的機(jī)制是相同的,即顆粒與氧化膜的伴生也會使得表面能降低。圖7給出了含Ti顆粒與氧化膜伴生的示意圖,圖8給出了PoDFA法離線測渣樣品中含Ti粒子與氧化膜伴生的典型形貌照片。

圖7 含Ti顆粒、氧化膜伴生存在示意圖

圖8 含Ti顆粒、氧化膜伴生實(shí)物照片(PoDFA法離線測渣)

2.2.3 氯化物對含Ti化合物聚集的促進(jìn)作用

除自發(fā)聚集、氧化膜伴生機(jī)制,在線除氣過程氯氣的使用也可導(dǎo)致含Ti顆粒聚集,主要是由于氯氣、液態(tài)鋁及溶解其中的元素(如Ca、Mg和Na)之間的相互作用。Gudmundsson[18]分別開展了實(shí)驗(yàn)室級別和工業(yè)級別的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中向經(jīng)晶粒細(xì)化(細(xì)化劑添加量上限為10 kg/t)后的鋁熔體中通入氬氯混合氣體。盡管AlCl3在常規(guī)的熔鑄溫度下為氣態(tài),但其與鹵化物鹽可形成共晶體系,這種情況下,在熔融鋁中會存在液態(tài)氯化物相。共晶相主要為二元鹵化物KCl/KF/AlCl3。上述共晶相傾向形成與液態(tài)鋁密度差很小的液滴,液滴與含Ti粒子的碰撞會使得粒子間產(chǎn)生毛細(xì)力,從而導(dǎo)致聚集現(xiàn)象的產(chǎn)生(圖9)。同樣,含Ti粒子周圍的KF鹽也可能與KCl、AlCl3反應(yīng)形成共晶物,從而起到潤濕含Ti粒子的作用,進(jìn)一步促進(jìn)聚集(圖10)。圖11分別為除氣后、過濾后PoDFA法離線測渣取樣分析結(jié)果,觀察可知,除氣后、過濾后均發(fā)現(xiàn)了氯化物與含Ti顆粒的伴生存在,進(jìn)一步證明了氯化物對含Ti化合物聚集的促進(jìn)作用。

圖9 共晶液滴促進(jìn)含Ti顆粒聚集示意圖

圖10 潤濕作用促進(jìn)含Ti顆粒聚集示意圖

圖11 B熔次除氣后、過濾后氯化物與含Ti顆粒的聚集(PoDFA法離線測渣)

2.3 含Ti化合物聚集產(chǎn)生環(huán)節(jié)研究及聚集機(jī)制驗(yàn)證

圖12分別給出了某鋁加工企業(yè)熔鑄線上A、B兩個熔次保溫爐出口、在線除氣后、在線過濾后渣的種類及含量演變規(guī)律,可知,兩個熔次不同階段渣的種類及含量呈現(xiàn)出相似的演變規(guī)律,保溫爐出口渣的種類以含Ti顆粒為主,同時含有少量氯化物夾雜(A熔次保溫爐出口渣的含量為0.046 mm2/kg,B熔次保溫爐出口渣的含量為0.050 mm2/kg),含Ti顆粒含量高與細(xì)化劑添加位置在保溫爐出口有關(guān),離線測渣取樣位置在細(xì)化劑在線添加后;經(jīng)在線除氣后,渣的含量顯著增加(A熔次在線除氣后渣的含量為0.151 mm2/kg,B熔次在線除氣后渣的含量為0.150 mm2/kg),渣的種類仍以含Ti顆粒為主,說明含Ti顆粒聚集產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)為在線除氣過程,同時發(fā)現(xiàn)氯化物夾雜的含量也明顯增加,說明氯化物的存在會促進(jìn)Ti顆粒的進(jìn)一步聚集,進(jìn)而驗(yàn)證了前面的機(jī)理分析;經(jīng)在線過濾后,渣的含量迅速降低(A熔次在線過濾后渣的含量為0.044 mm2/kg,B熔次在線過濾后渣的含量為0.058 mm2/kg),渣的種類仍以含Ti顆粒為主。

圖12 不同熔次不同位置處渣的種類及含量

3 結(jié) 論

針對Al-Zn-Mg-Cu系合金鍛件因含Ti化合物聚集導(dǎo)致的探傷合格率低的問題,通過斷口平臺分析、聚集產(chǎn)生機(jī)制研究,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探明了含Ti化合物聚集機(jī)理:含Ti顆粒主要通過自發(fā)行為、與氧化膜的伴生及氯化物的促進(jìn)作用而產(chǎn)生聚集現(xiàn)象;并在此基礎(chǔ)上給出了含Ti化合物聚集的控制措施:細(xì)化劑添加位置由保溫爐出口添加調(diào)整為在線除氣后添加,同時減少細(xì)化劑在線添加量,一方面可以避免在線除氣過程氯化物對含Ti化合物聚集的促進(jìn)作用,同時也可減少在線除氣過程因熔體擾動、粒子碰撞機(jī)會增加而導(dǎo)致的聚集,經(jīng)工程化驗(yàn)證可有效控制含Ti化合物聚集,從而顯著提升鍛件探傷合格率。