1 引言

7xxx系铝合金因其具有高比强度和良好的热加工性能，已成为航空航天结构件的关键材料。然而锻造过程中居高不下的开裂废品率严重制约着生产效率。现有研究表明，开裂问题主要源于凝固缺陷和微观组织不均匀性的共同作用，铸锭中心区域缓慢的冷却速率导致枝晶间补缩不足形成缩松缺陷；非平衡凝固过程促使晶界形成连续η相（MgZn₂）；从边缘到中心的晶粒尺寸差异可达4倍，形成显著的组织梯度。本文基于金相组织观察与能谱表征技术，系统建立组织梯度与开裂敏感性的关系模型，为提升锻件可靠性提供理论依据。

2 实验方法

采用半连续铸造的7050铝合金铸锭作为研究对象，铸锭经470℃×24h均匀化处理后进行锻造。首先在420℃预热，随后进行宽向墩粗，最后经7道次拔长加工。待锻件冷至室温后，用金相显微镜观察边缘、R/2及中心三区域组织，使用Keller试剂（2mL HF + 3mL HCl + 5mL HNO₃+ 190mL H₂O）进行腐蚀。通过扫描电镜配合能谱分析（加速电压20kV）表征缩松形貌及元素分布。

3 实验结果与讨论

3.1 组织梯度特征演化

从铸锭边缘到中心区域呈现显著的组织梯度演变如图1所示。缩松缺陷面积分数由边缘区的小部分区域递增至中心区的大面积区域，平均孔径也显著增加。金相观察显示晶粒形貌由边缘的细等轴晶逐渐过渡为中心区的粗大柱状晶，枝晶臂间距从9.5±2.5μm增大至42.0±8.0μm。这种梯度分布源于凝固过程的冷却速率差异：根据λ=50·t_f^0.33凝固模型（λ为枝晶臂间距，t_f为局部凝固时间），中心区t_f≈180s对应计算值λ=41.7μm，边缘区t_f≈15s对应λ=14.2μm，与实测值误差小于8%。中心区缓慢的凝固过程还导致孔洞连通率高达85%，形成连续的缺陷网络。

图1  铸锭边缘到中心组织演变及能谱分析

3.2 缩松缺陷的形成机制

能谱分析揭示所有缩松孔洞内均未检测到氧、硫、氯等渣元素特征峰（计数率<10cps），铁元素含量（0.02-0.03at.%）与基体保持一致，有效排除了外来夹杂物的成因。值得注意的是，孔洞边缘区域的锌镁原子比达到3.8±0.5，显著高于基体的2.1±0.3。这些证据共同证实：缩松缺陷本质上是溶质偏析引发的凝固收缩产物，中心区缓慢的凝固过程加剧了锌镁元素的偏析程度，促进孔洞稳定与相互连通。

3.3 晶界脆性相演变规律

晶界析出相如图2所示，呈现明显的空间梯度分布特征，边缘区η相呈分散的颗粒状，至中心区逐渐演变为连续膜状，其连续性指数从0.35递增至0.92。能谱面扫描显示中心区铜镁原子比降至1.13（边缘区为1.32），这种成分失衡直接促进了η相的粗化进程。连续分布的脆性η相在中心区形成完整的晶界覆盖层，为裂纹扩展提供了优先通道。

图2  晶界析出相及缺陷

4 开裂控制策略

为抑制组织梯度效应，实施熔体净化工艺：采用SNIF旋转除气系统配合陶瓷过滤，严格控制氢元素含量。凝固过程实施梯度冷却方案：边缘区域采用快速冷却的水冷强化，中心区施加电磁搅拌，使枝晶臂间距差缩小。创新设计三级均匀化热处理：第一阶段475℃×24h溶解低熔点MgZn₂相；第二阶段490℃×30h回溶Al₂CuMg相；第三阶段370℃×16h析出Al₃Zr弥散体，处理后残留相占比降低，η相连续性指数显著降低。锻造工艺采用宽向墩粗（实现中心缩松闭合）结合梯度控温多道次拔长，最终将锻件性能波动范大幅度降低。

5 结论

AA7050铝合金锻造开裂主要由边缘至中心的组织梯度效应驱动。中心区缓慢的凝固过程导致缩松缺陷面积分数达到边缘区的4倍，晶粒尺寸增大3倍，显著提升了应力集中敏感性。能谱数据证实缩松孔洞具有无渣元素特征，其形成本质是溶质偏析引发的凝固收缩。晶界η相的连续化与粗化形成脆性通道，加速了裂纹扩展过程。

参考文献

[1] 袁文辉等. 城轨车辆用铝合金框架失效分析[J]. 材料科学, 2023, 13(1): 33-41.

[2] GB/T 7998-2005, 铝合金晶间腐蚀测定方法[S].

[3]曾庆华等. 铝合金多向锻造方法: CN202311312433[P]. 2024.

作者简介：

1. 张恩贵（1995.02-），男，汉族，贵州遵义人，硕士研究生，工程师，研究方向：材料工程。

2. 姚芳（1995.06-），女，侗族，贵州铜仁人，硕士研究生，工程师，研究方向：铝合金成型。