前言
随着航天、航空等领域的高速发展，对高性能铝合金提出了越来越高的要求。7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金，该合金具有机械性能好、良好的耐磨性[1]、耐腐蚀、比强度高等特点，主要用于航空航天、机械设备、模具加工、交通运输等重要结构上的材料[2-3]。
目前我司生产7075大规格圆铸锭存在通裂的情况，随着铸锭规格的加大，裂纹倾向尤为严重，造成废品增多，20年成棒率为90.61%，21年成棒率为92.71%，22年成棒率为82.64%，成棒率呈下降趋势。而对2022年度因铸造缺陷报废的7075铝合金大直径圆铸锭进行统计，结果表明，在存在缺陷的18个铸次当中，裂纹缺陷的铸次为13个，占废品总量的72.2%，由此可见，裂纹是影响成棒率的主要因素，所以降低裂纹的倾向性成为重要问题。
1、7075铝合金大直径圆铸锭裂纹缺陷产生的原因
1.1 7075铝合金特性对其大直径铸锭裂纹倾向的影响
7075铝合金化学成分应符合表1规定。
表1 7075铝合金化学成分（质量分数，%）
Al-Zn-Mg-Cu系合金是目前变形铝合金中强度最高的合金系，由于该系合金具有比较严重的应力腐蚀倾向性，所以在合金中大部分采用加入铜、锰、铬的方法来改善合金的耐腐蚀性，并且加入钛、锆改善铸锭和再结晶组织。根据生产实际可以看出，Al-Zn-Mg-Cu系合金由于结晶温度范围宽、固液区塑性低，具有极大的形成热裂纹和疏松的倾向性。
1.2铸造工艺参数对7075铝合金大直径圆铸锭裂纹倾向性的影响
1.2.1铸造温度对7075铝合金大直径圆铸锭裂纹倾向性的影响
由于7075铝合金合金化程度高，结晶温度范围宽，因此铸造性能差。铸造温度较高，以降低形成疏松的倾向性和冷隔，同时降低一些合金化元素生成金属化合物一次晶的几率。研究显示，提高铸造温度使液穴内的溫度梯度增加，合金容易形成粗大晶粒组织或羽毛状晶：液穴深度会随着铸造温度的提高而变大，但是与此同时固液两相区的宽度变小[4]。此外生产经验也显示铸造温度对铸锭的表面质量有显著的影响，铸造温度过低可能增大气孔、夹渣、氧化膜缺陷的可能性，而这些缺陷存在，会产生应力集中，增加铸锭开裂倾向。铸造温度过高，会易产生粗大晶粒，使铸锭的热裂倾向性增加。
1.2.2 铸造速度对7075铝合金大直径圆铸锭裂纹倾向性的影响
铸造速度直接影响7075铝合金大直径圆铸锭的过渡带宽窄、结晶速度和液穴深度。铸锭的液穴深度与铸造速度成正比，当铸造速度增大时液穴深度也随之增大，会产生较大的收缩应力，易产生热裂纹。如果把铸造速度提高到使铸锭凝固层的拉伸变形发生在具有足够塑性的温度区间（高于200-300℃），则铸锭就不会发生冷裂纹[5]。
2、7075铝合金7075铝合金大直径圆铸锭裂纹缺陷的预防措施
2.1 7075铝合金化学成分控制
在硅含量较低时，提高铁含量，合金的热脆性下降，裂纹的倾向性降低，因为铁含量的提高，导致了脆性区的范围的缩小，从而提高了合金抗热裂纹的能力。配料按照表2要求。7075合金圆铸锭规格为φ498mm
表2 7075铝合金化学成分（质量分数，%）
2.2 7075铝合金大直径圆铸锭的铸造工艺控制
2.2.1 7075铝合金大直径圆铸锭的铸造工艺控制
（1）选择热顶铸造工艺进行φ498mm规格圆铸锭铸造。因为热顶铸造具有下列特点[6]：因为热顶结晶器的有效结晶高度小,铸锭冷却速度提高，使铸锭晶内结构更为细薄，也使铸锭的液穴变浅，过渡带变窄,因而铸锭密度提高，化学成分沿铸锭截面的分布更为均匀，力学性能高（尤其是铸锭边部)。
（2）7075铝合金大直径圆铸锭铸造工艺参数由表3优化成表4，提高了铸造温度，降低了铸造速度，裂纹倾向性明显降低。
表3 7075实心圆铸锭铸造工艺参数
表4 7075实心圆铸锭铸造工艺参数
（3）7075铝合金圆铸锭在铸造开始之前必须铺底，铺底后认真打渣，防止因夹渣造成应力集中导致锭头产生裂纹。为防止铸锭尾部产生裂纹，对锭尾进行回火处理。适当补缩和减少浇口部位夹渣，使浇口部位已经产生的应力得以消除[7]。
3、实施结果
上述措施在7075铝合金大直径圆铸锭生产中实施后，7075铸锭裂纹倾向性大大降低，对2023年4月-7月的7075铝合金大直径圆铸锭废品情况分析，1个批次的缺陷，裂纹缺陷废品为0个批次，缺陷倾向性降低，裂纹的倾向性也大大降低，后续生产继续跟进，固化工艺。
3.1 低倍
改良后的铸锭低倍检测全部合格，且晶粒细小均匀，无夹渣、疏松、金属间化合物和粗晶等缺陷。
图1 7075铝合金铸锭低倍组织
若肉眼不能判断内部是否含有缺陷，则在铸锭上切取低倍试片，侵蚀后观察，再打断口，观察断面无异常颜色，若存在冷裂纹，则断口颜色为深灰色或者浅灰色，若存在热裂纹，则断口存在氧化现象，颜色发黑。
图2 无裂纹断口
图3 存在裂纹断口（冷裂纹）
3.2 宏观晶粒
改良后的高倍试片经观察，7075铸锭未过烧，合格。
图4 7075铝合金铸锭高倍组织
四、总结
在7075合金大直径铸锭生产过程中，合金特性和工艺参数对7075合金大直径铸锭生产的裂纹倾向都有影响。因此，我司认真分析研究7075铝合金大直径圆铸锭倾向性的影响因素，严格把控化学成分，优化工艺参数，改变工艺参数中的铸造温度和铸造速度，铸造温度由原来的720-740℃升高到740-750℃，铸造速度由26mm/min降低至23mm/min，改变后发现裂纹倾向性大大降低，据统计分析，更改工艺参数前，23年1月-23年4月，成棒率为66.69%，更改工艺参数后，23年4月-23年7月，成棒率90.99%,成棒率明显增加，后续实际生产中我司将会认真实施，总结和完善，继续提高成棒率，继续稳定生产出下游加工工序要求的高品质7075铝合金大直径圆铸锭。
参考文献：
[1]F. M. Xu, C.W.Lawrence. G. W. Han.Compression ercep behavior of high volume fraction of SiC particles reinforced Al composite fabricated by pressure less infiltration J. Chinese Journalaf Aeronauties, 2007, 20(2):115-119.
[2]王祝堂,田荣璋、铝合金及其加工手册[M].长沙:中南大学出版社,2005.
[3]邱惠中,吴志红.航天用高性能金属材料的新进展[J]. 宇航材料工艺,1996. (4):18-23.
[4]Du Q, Eskin D G, Katgerman L. The effect of ramping casting speed and casting temperature on temperature distribution and melt flow patterns in the sump of a DC cast billet[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005,413-414:144-150.
[5]裴长世,雷延霞.7A06铝合金空心圆铸锭裂纹产生的原因及其控制措施[J].轻金属.2020(05):47-52.
[6]郝志刚,李强,殷云霞,等.7A04铝合金 φ360/130 mm 规格空心铸锭裂纹缺陷分析[J].轻合金加工技术,2011,39(7):24-28.
[7]汝继刚,赵英涛,张兆慧,等.7050铝合金铸造工艺研究[J] 新技术新工艺，1994(1)：29-30.
