鋁錠品位對Al-6.8Zn-2.5Mg-2.5Cu鋁合金產品的影響

供稿|馬月，李欣斌，王強，宋陽，李棠旭 / MA Yue, LI Xinbin, WANG Qiang, Song Yang, LI Tangxu

內容導讀

為了選擇最優原材料，精準管控產品質量和生產成本，本文對比分析了不同品位鋁錠對鑄錠Fe、Si 含量、顯微組織中相種類和形貌、成品板材拉伸力學性能和斷裂韌性等方面的影響，并通過理化檢測結果表征了不同品位鋁錠下產品技術指標值的變化。試驗結果表明，鋁錠品位變化后，并未對鑄錠、板材的技術指標產生明顯影響，采用低品位鋁錠投產能夠獲得滿足產品指標要求的板材。因此，將該工藝進行了固化，應用于工業化生產中。

在鋁中加入適量的其他元素配制成的鋁合金，具有強度高、塑性好、比強度大等特性，可與優質合金鋼媲美，成為優秀的輕型結構材料，有“會飛的金屬”之稱。飛機結構中鋁材占50% 以上[1]。鋁合金Al-6.8Zn-2.5Mg-2.5Cu 即是一種常用的適用于飛機材料的鋁材。

鋁錠的品位分為多個等級，等級越高，雜質元素的含量越低。根據Al-6.8Zn-2.5Mg-2.5Cu 鋁合金產品中雜質元素Fe、Si 含量的上限指標，Al 質量分數99.99%和99.95%這2 種品位的鋁錠（編號分別為1 和2）均能夠滿足要求，將這2 種品位鋁錠對產品的影響進行對比分析，選取滿足產品質量且成本最低的原材料，提升產品的市場競爭力。

試驗過程

以鋁錠品位為變量，將廢料配比、鑄錠規格、板材厚度、熱處理等工藝參數保持不變，開展生產試驗，獲得2 種鋁品位的鑄錠和板材（編號與采用的鋁錠對應，即采用1 號鋁錠制造的鑄錠和板材分別成為1 號鑄錠和1 號板材），對鑄錠進行化學成分、顯微組織及拉伸力學性能分析，對板材進行拉伸力學性能、斷裂韌性等分析。

試驗結果分析

鑄錠化學成分對比分析

對2 種鑄錠不同位置進行化學成分取樣分析，取樣位置如圖1 所示，取樣位置為鑄錠寬度的中心（1#、2#、3#）、1/4 處（4#、5#、6#）以及邊部（7#、8#、9#），化學成分分析結果如表1 所示。本文試樣編號規則為“采用鋁錠號-采樣位置”。

表1 2 種鑄錠化學成分對比分析（質量分數） %

圖1 化學成分取樣位置示意圖（單位：mm）

由表1 可知，2 種鑄錠的Si 元素含量基本相當，平均值數值差為0.002%；Fe 元素含量相差較Si 元素大，平均值數值差為0.009%，采用99.95%鋁錠的鑄錠Fe 元素含量相對高些。鋁錠品位的變化帶來了雜質元素含量的變化，后續將進一步分析這些差異對鑄錠和成品板材的影響。

鑄錠顯微組織對比分析

選取圖1 中1#、2#、3#、4#、7#號位置試樣，對2種鑄錠的顯微組織進行了對比分析，結果如圖2所示。

圖2 2 種鑄錠掃描電鏡顯微組織對比：(a) 1-1#；(b) 2-1#；(c) 1-4#；(d) 2-4#；(e) 1-7#；(f) 2-7#；(g) 1-2#；(h) 2-2#；（i）1-3#；（j）2-3#

由圖2 可知，鋁錠品位優化為99.95%后，鑄錠的顯微組織變化不大，未見富Fe 相數量的顯著增加，晶粒尺寸相差不大。從中心到邊部（1#→4#→7#、1#→2#→3#）枝晶網絡逐漸變厚，符合鑄錠結晶規律。

鑄錠顯微組織中富Fe 相對比分析

鋁錠品位的改變，帶來了成品鑄錠中Fe 元素含量的變化，在2 種品位鑄錠的心部（1#）和寬度1/4 位置（4#）處觀察到了富Fe 相，如圖3 所示。

圖3 2 種鑄錠富Fe 相的對比：(a) 1-1#；(b) 2-1#；(c) 1-4#；(d) 2-4#

由圖3 可知，2 種鑄錠心部和寬度1/4 處富Fe 相的形貌均為針片狀，尺寸與數量均相差不大，且通過圖4 能譜分析結果可知，2 種鑄錠的富Fe 相均為Al7Cu2Fe 相。含Cu 量較高的合金中，主要形成Al7Cu2Fe 相[2]，能譜分析結果與其一致。

圖4 2 種鑄錠富Fe 相的能譜分析結果：（a）1-1#；（b）2-1#；（c）1-4#；（d）2-4#

鑄錠力學性能對比分析

對2 種鑄錠進行了拉伸力學性能對比分析，取樣位置如圖5 所示，分別在鑄錠寬度的中心（11#、12#、13#）、1/4 位置（14#、15#、16#）選取試樣，力學性能分析結果見圖6。

圖5 鑄錠力學性能取樣位置圖（單位：mm）

圖6 2 種鑄錠力學性能對比

由圖6 可知，1 號2 號鑄錠的抗拉強度平均值分別為246.3 和238.5 MPa；屈服強度平均值分別為180.8 和160.7 MPa；延伸率平均值分別為4.52%和3.67%。2 號鑄錠的抗拉強度與1 號鑄錠基本一致，屈服強度比1 號鑄錠低10 MPa，延伸率低0.8%，鑄錠整體性能略有降低。

板材力學性能對比分析

由于板材的力學性能指標以厚度50 mm 為分界線，因此本文分別對比分析了厚度51～80 mm 板材和50 mm 及以下規格的板材力學性能，對比分析結果分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 51～80 mm 2 種工藝板材力學性能對比：（a）縱向；（b）橫向；（c）高向；（d）斷裂韌性（L-T 表示縱向，T-L 表示橫向，S-L 表示高向）

圖8 50 mm 及以下2 種工藝板材力學性能對比：（a）縱向；（b）橫向；（d）斷裂韌性（L-T 表示縱向，T-L 表示橫向）

由圖7 可知，厚度51～80 mm 的板材2 號工藝下板材的縱向抗拉強度、延伸率與1 號工藝下板材相當，屈服強度處于1 號工藝下板材的中下水平，兩工藝的抗拉和屈服強度指標與訂貨標準值相比余量較大，延伸率指標與訂貨標準值相比的余量不大；兩工藝橫向拉伸性能指標的趨勢與縱向一致；2 號工藝下板材的高向抗拉、屈服強度、延伸率指標均與1 號工藝下板材相差不大，且余量充足；2 號工藝下板材3 個方向的斷裂韌性均處于1 號工藝下板材的中上水平，余量充足。

由圖8 可知，厚度≤50 mm 的板材，2 號工藝下板材的縱向和橫向抗拉、屈服強度及延伸率指標與1 號工藝下板材相當，且余量較大；L-T 和T-L 方向的斷裂韌性處于1 號工藝下板材的中下水平，余量仍然滿足兩個單位。

根據上述分析結果可知，鋁錠品位的降低導致厚度51～80 mm 的板材屈服強度有所降低，厚度≤50mm 的板材斷裂韌性有所降低，但兩工藝的各項力學性能指標仍有余量，能夠滿足標準要求。

分析與討論

鋁錠品位變化對鑄錠Fe、Si 含量的影響

1 號鋁錠的Fe 質量分數實測值為0.001%～0.002%，Si 質量分數實測值為0.001%～0.003%，1 號鋁錠的Fe 質量分數實測值為0.0072%～0.0198%，Si 質量分數實測值為0.0073%～0.0199%之間。兩品位鋁錠的Fe、Si 含量值相差較大，但鑄造成為成品鑄錠后，Fe、Si 含量之間的差異遠比鋁錠之間的差異?。ㄒ姳?），這是由于在熔鑄過程中，會加入大量的中間合金、其他合金的廢料等原材料，這些原材料的加入，會沖淡鋁錠品位不同帶來的Fe、Si 含量差異，使最終成品鑄錠Fe、Si 含量相差不大。同時，在熔鑄過程中，攪拌、扒渣、精煉等工具均為鐵制品，這些制品的使用，也會對成品鑄錠的Fe 含量產生一定的影響，造成成品鑄錠的Fe 含量遠高于鋁錠。因此，在選擇鋁錠品位時，無須一味追求高品位，應根據投料結構、工具的使用情況等多方位進行考量。

Fe 含量的提高對鑄錠顯微組織的影響

Fe 是鋁合金中最常見的雜質元素之一。Fe 原子在鋁合金中可以形成各種形狀的Fe 相，其中以針片狀鐵相最易形成、最為常見。Fe 質量分數不大于0.2%時，富Fe 相的形態一般為漢字狀α 相；Fe 質量分數不大于0.25%時，Fe 相的形態一般為細小片狀；Fe 質量分數大于0.3%時，Fe 相的形態為粗大針片狀β 相[3]。隨著Fe 含量的增加，富Fe 相的形態發生變化。2 種鋁錠工藝下成品鑄錠的Fe 質量分數均大于0.3%，在鑄錠中均以針片狀Al7Cu2Fe 的形式存在，是其富Fe 相形貌、尺寸相差不大的主要原因。

Fe 含量的提高對鑄錠冶金質量的影響

Fe 含量增多時，大量針片狀富Fe 相在凝固過程中會影響枝晶間的金屬液的流動，阻塞枝晶間的補縮通道能，從而增加鑄錠的縮孔和疏松等缺陷[4]。

Fe 含量的提高對板材力學性能的影響

針片狀富Fe 相粗大且脆，會割裂鋁合金基體，使其產生局部應力集中而脆性增加，致使鋁合金制品塑性、韌性等明顯下降[5]，因此，對成品板材的各項性能要求較高的產品，需要對鋁合金中的Fe 元素含量進行控制。本文中的產品，現有2 種品位鋁錠工藝下產品的Fe 含量均能夠滿足最終成品板材的各項性能指標要求，且存在余量，滿足使用要求。

結論

質量分數99.99%和99.95%的鋁錠生產的產品的顯微組織、力學性能差異不大，均能夠滿足產品技術指標的要求和用戶的使用需求。而采用99.95%鋁錠作為原材料，在保證產品質量的前提下，可降低原材料的投入成本，提升公司產品在市場的競爭力，帶來可觀的經濟效益。