2618 鋁合金自由鍛件的裂紋分析

文／林劍，王哲，張帥·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

劉婧雯·中航金屬材料理化檢測科技有限公司

2618 鋁合金屬于Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系鍛造鋁合金，可進行熱處理強化，由于其具有較高的耐熱性以及較好的冷熱加工性能，使用溫度可達200℃～250℃，被廣泛應用于航空發動機及汽車工業的零部件中。某鋁合金鍛件經由自由鍛造工藝生產，其棒材直徑為φ210mm，鍛造成167mm×120mm×215mm(流線方向)的方坯，后經固溶處理(530℃～536℃，保溫4h)+人工時效(190℃～200℃，保溫20h)。后續線切割下料—粗加工—精加工時，發現了裂紋及掉塊缺陷，如圖1 所示。為查找缺陷產生的原因，進行了檢驗和分析。

圖1 零件缺陷宏觀形貌

理化檢驗與結果

斷口

⑴斷口形貌。

1#零件沿裂紋打開，其內部斷口表面呈灰黑色，氧化較為嚴重，且裂紋尾部氧化程度比裂紋擴展部位氧化嚴重。裂紋擴展方向如圖2(a)所示，由于加工原因，裂紋源已被加工掉，裂紋擴展末端斷口顏色較深，裂紋已基本貫穿整個零件，只有邊緣少許部分完整，呈新鮮斷口形貌。

2#零件裂紋內部斷口表面呈灰黑色，氧化較為嚴重，新鮮斷口呈銀亮色，裂紋內部污染較為嚴重，裂紋尾部斷口顏色較深，氧化程度比裂紋擴展部位氧化嚴重，如圖2(b)所示。

圖2 零件缺陷斷口形貌

3#零件掉塊內部呈灰黑色，氧化較為嚴重，斷口內部污染物可能是由于機加工過程冷卻液進入造成，具體見圖2(c)。

⑵掃描電鏡及能譜。

采用Vega3-XMU 掃描電子顯微鏡進行檢測，1#零件裂紋內部主要是鋁的氧化物，裂紋內部氧化較嚴重，且裂紋末端氧化比裂紋擴展區氧化更為嚴重。裂紋內部其余合金元素含量與新鮮斷口元素含量無明顯差異，如圖3、表1 所示。

表1 1#斷口能譜結果

圖3 1#斷口掃描電鏡形貌

2#零件裂紋內部氧元素含量高于正常基體，在區域1處，Fe、Ni 元素含量略高于正常基體，此外，其余合金元素與正常基體無明顯差異，具體見圖4 及表2。

表2 2#斷口能譜結果

圖4 2#斷口掃描電鏡形貌

3#零件裂紋經掃描電鏡觀察，掉塊內部無冶金缺陷，由能譜結果分析可知，掉塊內部氧元素含量較多，其余元素含量與正常組織基本相同，如圖5 及表3 所示。

表3 3#斷口能譜結果

圖5 3#斷口掃描電鏡形貌

低倍組織

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采用10%NaOH 水溶液對零件進行腐蝕，1#零件低倍組織均勻一致，無粗晶現象，無冶金缺陷，組織形貌如圖6 所示。

圖6 1#低倍組織形貌

顯微組織

⑴拋光態。

選取零件端面進行觀察，經過磨制、拋光后，分別觀察裂紋附近及遠離裂紋區域組織形貌，1#、2#零件組織均未見異常，裂紋附近顯微組織晶粒均勻，無過熱過燒現象，具體如圖7 所示。

圖7 拋光態組織形貌

⑵腐蝕態。

零件端面用腐蝕液(HF:HCl:HNO3:H2O=2:3:5:250)腐蝕后，分別觀察裂紋附近及遠離裂紋區域組織形貌，1#零件腐蝕態組織顯示裂紋附近組織與遠離裂紋區域組織無明顯差異，未見過熱過燒組織，化合物呈彌散分布，晶粒大小均勻；2#零件腐蝕態組織顯示晶粒均勻，未見過熱過燒現象，具體如圖8 所示。

圖8 腐蝕態組織形貌

分析及改進措施

鍛件加工工序為自由鍛—熱處理(T61)—理化—機加工，由于1#零件裂紋內部斷口氧化嚴重，而2618 熱處理產生的裂紋多呈龜裂，所以該裂紋是在熱處理之前產生。零件裂紋尾部氧化嚴重，可能是由于熱處理冷卻水以及機加冷卻液所含污染物較多，堆積在裂紋尾部，使得該部位氧化較嚴重。此外，由于裂紋源已被加工掉，無法確認開裂原因，但裂紋擴展主要為應力擴展特征，裂紋可能是由于鍛造折疊引發應力集中或者終鍛溫度過低導致的。2#零件裂紋缺陷也屬于此類。

3#零件掉塊內部呈灰黑色，氧化較為嚴重，且未發現冶金缺陷，斷口成分除了氧元素，其他元素含量無異常。分析認為，3#零件掉塊缺陷與1#零件裂紋缺陷屬于同一種缺陷，預估是由于周圍裂紋已被加工去除，剩下部分較小，在機加應力作用下形成掉塊。

綜上所述，認為三個零件產生的缺陷屬于同一種，均因應力集中而產生于熱處理之前，具體原因有：⑴鍛件變形時沿截面變形量不均勻，易導致鍛造折疊；⑵鍛件終鍛溫度過低，冷卻時其內部溫度分布不均勻，導致熱脹冷縮不均勻，產生的殘余應力較大；⑶鍛件變形過程中，錘擊過重且變形速率過快，急劇變形導致應力集中。

根據以上分析及模擬結果，采取的主要措施有：⑴調整原材料規格，由原來的直徑φ210mm 調整為φ150mm；⑵嚴格保證鍛件終鍛溫度不低于380℃；⑶工藝明確鍛造時必須輕擊，防止過重；⑷鍛造完成后增加超聲波探傷工序，提高產品的質量。采取以上措施后生產的鍛件未出現此類問題。

結論

⑴鋁合金鍛件機加過程中出現的裂紋、掉塊缺陷是鍛造過程產生的。

⑵鋁合金鍛件的裂紋、掉塊缺陷是由于鍛造折疊引發應力集中或者終鍛溫度過低導致的。

⑶調整鍛件的原材料規格，鍛造過程錘擊須輕擊，且控制鍛件的終鍛溫度，防止產生鍛造缺陷。