摘要：铝镁合金由于耐蚀、可焊和高强等性能已形成防锈合金系列,并被广泛应用。铝镁合金属热处理不可强化的变形铝合金。从铝镁二元相图可见,在共晶温度下(450℃),镁在铝中溶解度为18.9%,随温度降低溶解度减小,时效时过渡相日与基体不共格,没有实际时效效果。但合金在时效过程中发生的组织变化对合金的耐蚀性能有严重影响。铝镁系合金虽然力学性能随镁含量增加而增加,而耐蚀性能恶化,故国外一般将镁含量控制在5%左右作为船用铝合金使用。
关键词：高镁铝合金；铸造缺陷机制；对策
1铝合金缺陷
1.1气孔
气孔是焊接过程中熔池中的气体在熔池凝固前未逸出而留下来所形成的空穴。按位置可分为表面气孔、内部气孔；气孔形成的原因主要有以下几方面：(1)焊接过程中熔池气体保护不当。(2)焊丝和母材吸附的水分。(3)焊枪喷嘴清理不及时造成保护气体紊乱。(4)厂房内湿度超标。
1.2未熔合及未焊透
未熔合是指在焊缝金属和母材之间未完全熔化和结合的部分。未熔合往往发生在焊缝底部钝边处及坡口侧壁。未焊透是焊接接头根部未完全熔透的现象。单面焊的根部和双面焊中间钝边处（如AP2）都容易产生未焊透缺陷。牵引梁焊接过程中形成末焊透的主要原因是焊接电流太小，焊接速度过快，焊接过程中焊枪角度不对。试件AP2、AP3容易出现未熔合及未焊透的缺陷。
1.3裂纹
裂纹的形态和分布特征都很复杂，裂纹具有尖锐的缺口，容易引起较高的应力集中，而且具有延伸和扩展的趋势，所以是最危险的缺陷。容易出现根部裂纹的试件是AP1和AP3，四种试件均容易出现起弧裂纹及收弧裂纹，由于四种焊缝均为多层多道焊，容易出现层间裂纹。具体的原因主要有以下几方面:(1)焊接参数选择不当。(2)焊缝设计不当焊缝与焊缝间距过小，导致焊接应力过大。(3)焊接过程中操作不当，厚板未进行焊前预热，层间温度控制不当而导致焊接应力过大。
2试验方法
试验材料为5A06铝合金航空锻环用铸锭，工艺流程为:熔炼→精炼→除气、除渣→铸造→均匀化→无损超声波探伤及理化检测。采用相控阵超声波仪，依据国标GB6519-2013A级对5A06铝合金铸锭进行水浸式相控阵超声波检测，对存在不连续的位置进行标记及锯切。使用便携式超声波探伤仪对带有长条形缺陷的小样品进行缺陷的精确定位，并对缺陷所在位置进行标记。使用铣床从平行于长条形缺陷长度的方向以0.1mm进刀量对样品进行铣削。根据第二次精确定位的数据对铣削面进行观察。将缺陷所在的区域制作成20mm×20mm×25mm的样品，并进行砂纸打磨及抛光处理，使用蔡司金相显微镜及EVO18型扫描电子显微镜对缺陷进行形貌观察，使用牛津能谱仪对缺陷进行微区成分分析。
3试验结果
3.1显微组织
从5A06铝合金铸锭中解剖出来的长条形缺陷的横截面为薄膜状，尺寸约为0.2mm×1mm，缺陷位置的显微组织特征，为细小颗粒状黑色组织，与白色基体色差明显，且在黑色颗粒状组织周围附有大量形状较规则的粗大浅褐色块状组织。远离缺陷位置经Keller试剂腐蚀30s后，可以看到是正常5A06铝合金均匀化状态组织，枝晶网状组成物已部分固溶，并从α(Al)基体中析出大量的β(Mg5Al8)等相的弥散质点。
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3.2扫描电子显微镜及能谱分析
为了更好分析缺陷的形貌与组成，分别使用二次电子及背散射电子对缺陷进行观察。观察到缺陷的形貌特征为细小颗粒状团聚物，与基体颜色有较大差别，颗粒直径约10μm，经能谱分析，主要元素是O、Mg和Al，推测夹渣主要是Mg和Al的氧化物。使用背散射电子进行观察，在夹渣周围有大量有棱角的粗大块状组织，尺寸约20μm～60μm，颜色与基体金属差别明显，并有清晰的分界线，多数为不规则的多边形界限。经能谱分析，主要元素是Al、Mg、Mn、Ti、V等。该块状组织特征符合金属夹杂特征，结合能谱分析，推测是金属间化合物。
4析和讨论
4.1氧化夹杂物分析
铝合金中的氧化夹杂是伴随着合金的熔化到浇铸的过程中，由于炉料、变质剂和氧气、水蒸气等相互发生复杂的化学反应而产生的一类非金属(或氧化物)皮膜、片状或分散的夹杂物。氧化夹杂物一般是对铝合金熔体中各种氧化物的总称，由于铝、镁与氧的亲和力比较强，氧化夹杂主要包括MgO、Al2O3及经过一系列化学反应生成的复杂氧化物等，其中最主要的是氧化铝，以氧化膜形态存在。氧化膜只有与铝液接触的一面才是致密的，而与空气接触的一面则由于铝液与水汽反应，形成疏松的氧化物组织。国内外研究人员做了大量的试验研究氧化夹杂对铝合金含氢量、气孔及力学性能的影响。试样中10μm～20μm大小的夹杂物含量增加时，铝液中的含氢量增加。铝液中氧化夹杂的存在不仅会导致铝液吸氢的增加，而且为铝液中氢气泡的形核提供现成界面，促进铸件中气孔的形成。用Weibull分布来研究浇注过程中卷入的氧化夹杂对铝合金铸件拉伸性能的影响，认为氧化夹杂是造成铝合金铸件拉伸性能下降的主要原因。此外，夹杂物的存在破坏了基体的连续性，为疲劳裂纹萌生提供核心，并且影响裂纹的扩展过程，从而降低材料的疲劳抗力。铝合金铸锭中的夹杂是限制其使用的重要因素之一。夹杂物的形成原因很多，主要包括:原材料不清洁，使用的炉子、工具不清洁;合金精炼除渣不彻底;浇注温度过低、合金液流动性差、夹渣不能上浮;熔炼中合金成分控制不准而多次补料、冲淡、搅拌、使合金液氧化加重，并将氧化膜和熔渣带入合金液内部;浇注时合金液落差太大，增加氧化，并使氧化膜破碎而卷入合金液中。
3.2金属间化合物分析
在5×××系铝合金熔炼过程中，加入Mn元素有利于合金的抗蚀性，并且能提高合金的强度。加入少量的Ti和V能抑制再结晶和使再结晶晶粒细化。金属间化合物初晶及未熔化的高熔点纯金属晶体，熔点高且硬度高，多呈块状、片状或针状不均匀地分布合金材料的内部，降低合金的塑性，加工时容易开裂，热处理也不能消除它们，降低材料的加工性能、疲劳极限、断裂韧性、耐蚀性及表面质量。粗大金属间化合物的生成条件主要有添加的元素达到了生成初晶化合物的成分范围、铸锭的凝固温度处于化合物的生成温度范围及有充分的生长时间。在铸造凝固过程中，由于溶质再分配使局部元素富集等造成熔体成分的不均匀，给化合物的生成创造了条件，同时Mn、Ti、V等作为第三元素的加入也有很大的影响。此外，有时使用的中间合金中粗大化合物没有熔化或熔化不完全，也会随熔体进入铸锭而保留下来。当返回料或熔铸工艺不当，铸锭凝固时这些高熔点合金元素在局部富集，优先凝固形核成为粗大化合物初晶。由于反复使用返回料同时用的返回料比例较高，且熔体保温时间过长，含Mn和Ti的粗大化合物富集长大，Al和Mg的细小氧化物颗粒吸附在这些粗大化合物周围形成粗大氧化物夹渣，形成裂纹源，最终将导致铸锭开裂。
结语
由于铝合金在工业中应用的越来越广泛，对于高镁铝合金铸造技术的要求变得越来越高，而高效铝合金铸造技术的出现，不仅可以降低生产成本，还可以有效地提高生产效率。随着科学技术的不断发展，高效化高镁铝合金铸造技术将与信息化、控制技术等相结合，使铝合金的铸造技术朝着高效化、柔性化以及自动化的方向快速发展，也将在推动铝合金工业化应用的过程中发挥更大的作用。
参考文献
[1]林木森庞宝君张伟，等.5A06铝合金的动态本构关系实验[J].爆炸与冲击，2009:84－89.
[2]刘静安，单长智，侯绎，等.铝合金材料主要缺陷与质量控制[M].北京:冶金工业出版社，2014:112－114.
论文作者:黄国系
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：铝合金论文; 合金论文; 缺陷论文; 铸锭论文; 裂纹论文; 化合物论文; 过程中论文; 《基层建设》2019年第8期论文;