超硬鋁合金蓋子爆裂原因分析及工藝改進

■張英

彈射座椅是飛行員在出現(xiàn)緊急情況時應(yīng)急救生的主要裝置。某廠生產(chǎn)的某型彈射座椅殼體組件中的蓋子零件，設(shè)計使用材料和熱處理狀態(tài)為LC9CS（7A09 T6），技術(shù)條件為GB/T3191—1998。從20世紀70年代定型生產(chǎn)至今，原材料一直定點從某國營大廠采購，回廠后不再進行熱處理。加工完成組裝后，整個殼體組件需進行模擬油壓驗收試驗，設(shè)計耐壓強度為≥23.5MPa。廠內(nèi)的加工過程一直嚴格執(zhí)行 “定設(shè)備、定工藝、固定專人加工”的“三定”原則，近30年來該產(chǎn)品的質(zhì)量一直較穩(wěn)定。

某批次的殼體組件加工完成后，在進行模擬耐壓自檢試驗時，有兩發(fā)殼體在剛達到規(guī)定載荷后就發(fā)生了破壞，爆裂件均為蓋子零件。為分析蓋子爆裂的原因，進一步探索超硬鋁合金組織與性能的關(guān)系，我公司進行了大量的對比試驗分析。

本次提交模擬耐壓試驗的蓋子共兩個批次，每個批次參與耐壓試驗的蓋子零件有20個。開裂的4個蓋子使用的均為A批次的原材料，同時試驗的B批次原材料加工的所有蓋子均完好。B批次原材料為庫存剩余材料，用其加工的產(chǎn)品在連續(xù)兩年的軍檢驗收中都合格，A批次材料為首次使用。經(jīng)查，1999年蓋子零件也發(fā)生過一批類似的開裂事故，故對本次和1999年爆裂的蓋子碎片一并進行了對比分析。

1. 斷口宏觀分析

本次碎裂的4個蓋子宏觀形貌相似，橫向均從蓋子壁上第一條螺紋的底徑處向外斷裂；縱向從六方螺母根部圓角處碎裂（見圖1）。縱向斷口呈纖維狀（見圖2），橫向斷口呈細膩的結(jié)晶狀（見圖3）。1999年爆裂蓋子的碎裂部位及斷口形貌均與本次失效件十分相似（見圖4）。斷口平整干凈，所有斷面上均未發(fā)現(xiàn)材料夾雜等冶金缺陷。

2. 顯微組織分析

圖1 碎裂蓋子宏觀形貌

取本次開裂的蓋子碎片3件， 1999年開裂的蓋子碎片2件以及A批次原材料和B批次原材料高倍試樣各兩件，進行顯微組織檢查。所有試樣的顯微組織均為正常的α+強化相組織，均未發(fā)現(xiàn)過燒組織，顯微組織均符合GB/T3191—1998技術(shù)條件要求。通過組織對比發(fā)現(xiàn)，本次失效的蓋子碎片和1999年開裂蓋子碎片的顯微組織具有一個共同特征，就是顯微組織中的強化相數(shù)量較多，且有明顯的沿晶分布特征。顯微組織如圖5~圖7所示。

3. 能譜分析

對本次及1999年碎裂蓋子的晶界物質(zhì)進行了能譜分析，發(fā)現(xiàn)晶界物質(zhì)為材料的強化相，主要是Mg/Zn相、Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相等。

4. 原材料化學成分及力學性能檢測

分別取三批材料的蓋子碎片，進行化學成分對比試驗，如表1所示，化學成分均符合技術(shù)條件要求。

原材料入廠復(fù)驗時的力學性能檢測結(jié)果及組織不良根力學性能對比（見表2）。可見，組織不良根棒材的綜合力學性能顯著下降，但均符合GB/T3191—1998技術(shù)條件要求。

在A批次材料中挑選組織形態(tài)不同的棒材進行力學性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)同批材料不同組織形態(tài)（晶界的多少、強化相的數(shù)量及分布不同）的棒材上，力學性能特別是強度差異較大。顯微組織中強化相有沿晶分布特征的棒材，其強度顯著下降。

5. 分析與討論

對于鋁合金的顯微組織，目前的標準無論是國標還是國軍標，均只要求檢查有無過燒組織。對第二相（強化相）的大小、多少及分布形態(tài)均無量化要求。按照標準要求本次試驗中所有試樣的顯微組織均合格。

圖2 縱向斷口形貌

圖3 橫向斷口形貌

圖4 1999年碎裂蓋子形貌

圖5 本次失效零件顯微組織

圖6 1999年碎裂蓋子顯微組織（200×）

圖7 正常零件顯微組織

在失效的A批次材料中，挑選出強化相分布狀態(tài)不同的棒材，進行了力學性能對比試驗以及產(chǎn)品承壓能力試驗。發(fā)現(xiàn)不同組織形態(tài)（晶界的多少、強化相的分布及數(shù)量不同）的棒料，力學性能差異較大。顯微組織中強化相有沿晶分布特征的棒材，其強度顯著下降，由該棒材加工的產(chǎn)品，部分成品達不到設(shè)計要求強度。但是，所有被檢棒材的力學性能指標也都符合GB/T3191—1998技術(shù)條件要求，甚至也都符合GJB2054的要求。材料在入廠復(fù)驗時只進行抽樣檢查，A批材料復(fù)驗時被抽檢的兩根棒材的強度很高，然而同批材料里存在著強度偏低的棒材，由此加工的產(chǎn)品在耐壓試驗時，承載能力不足就暴露了出來。

針對以上檢測結(jié)果，我們協(xié)同材料廠家的技術(shù)人員，對A、B兩批材料的整個冶煉和生產(chǎn)過程進行了追溯。發(fā)現(xiàn)B批材料使用的是按國軍標訂貨的軍品專用大鑄錠坯（φ630mm錠），并且鑄錠在擠壓成形前還經(jīng)過了460℃×24h的均勻化處理。A批原材料用的是按國標訂貨的小鑄錠坯（φ482mm錠），未進行均勻化處理。追溯棒材的熱處理過程記錄還發(fā)現(xiàn)，B批棒材使用的固溶溫度偏上限約475℃，最高溫度達到過480℃，而A批棒材的固溶溫度為465℃。

分析認為：失效零件上沿晶界分布的強化相組織為殘余可溶結(jié)晶相。通過均勻化處理可以使這種非平衡凝固形成枝晶網(wǎng)組織基本上轉(zhuǎn)變成為均勻化組織，使晶內(nèi)和晶界的強化相得以充分溶解，未溶的殘留相也得到了不同程度的球化。這種均勻化組織不僅有利于合金的壓力加工，還有利于合金固溶溫度的提高，不易產(chǎn)生過燒和組織粗大，提高固溶體的過飽和程度，增強材料時效強化效果。另外，大鑄錠在擠壓成同等規(guī)格的棒材時，它的破碎度和變形程度要比小鑄錠大，吸收的儲能多，在相同溫度下，第二相溶于固溶體的速度較快，固溶體的過飽和程度較高。失效件使用的A批原材料，鑄錠尺寸偏小，純凈度也不如軍標鑄坯好，又未進行均勻化處理，固溶淬火溫度也偏低等因素，使得部分鑄態(tài)的枝晶網(wǎng)組織未被徹底打破，偏析的組織未被充分溶解和擴散而殘留了下來，導(dǎo)致棒材和成品的力學性能降低。

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表 2

6. 預(yù)防改進措施

在進行了充分論證的基礎(chǔ)上，雙方重新鑒定了蓋子材料的專用技術(shù)協(xié)議，增加了鑄錠的均勻化處理要求，將技術(shù)條件由原來GB/T3191—1998改為GJB2054—1994，并按高強度組別驗收。對按照新簽訂的技術(shù)協(xié)議采購回來的LC9CS材料，除進行常規(guī)的入廠復(fù)驗外，還增加了先鋒批試加工和耐壓試驗要求。即對每批新進廠的材料，按專用技術(shù)協(xié)議驗收合格后，正式投產(chǎn)使用前，必須在每根棒材的頭部取樣加工一件蓋子產(chǎn)品，組成先鋒批。先鋒批的產(chǎn)品加工完成后，要進行模擬耐壓試驗，100%合格后本批材料才能投入使用（第一次做先鋒批時，每根棒材的頭尾各取了一件產(chǎn)品進行耐壓試驗，頭尾的樣件耐壓試驗結(jié)果無明顯差異）。使用新的技術(shù)協(xié)議已連續(xù)采購了兩批LC9CS原材料，均未再發(fā)現(xiàn)以上的不良組織，力學性能及耐壓驗收也均合格，取得了良好效果。