鋁合金水嘴失效分析與結構優化研究*

肖 瑞，陳斯文

（1. 南京電子技術研究所，江蘇 南京210039；2. 海軍裝備部駐南京地區第三軍事代表室，江蘇南京210039）

引 言

6063鋁合金屬Al-Mg-Si系鋁合金，具有密度低、可加工性能好、熱處理強度較高、導熱特性良好等諸多優點，因此常用作需承擔散熱功能的殼體原材料，在汽車、通信、軍工等領域得到廣泛應用。該型合金的失效模式一般為典型的韌性斷裂，通常的損傷形式是內部微孔洞和局部的剪切變形帶，斷口的宏觀斷裂模式是韌窩斷裂和剪切斷裂[1–10]。

某雷達T/R組件液冷散熱殼體的原材料為6063鋁合金，服役多年后在安裝水接頭的水嘴處出現了裂紋并形成滲液，影響到整機產品的可靠性，形成裝備安全隱患。本文對水嘴失效處進行了宏觀形貌和金相觀察，對掃描電鏡高倍組織和成分進行了分析，結合裝配與服役工況，對失效成因進行了研究，提出了改進及預防措施，并對水嘴處結構進行了優化，以免再次發生類似問題。

1 宏觀分析

水接頭為不銹鋼（022Cr17Ni12Mo2）材質，通過其外螺紋與水嘴上的內螺紋進行旋合裝配。對水嘴裂紋的宏觀形貌進行10倍放大觀察發現：裂紋只有一條，呈曲折狀貫穿至外表面，內外壁的裂紋長度和分布形態基本一致。故障裂紋的位置如圖1所示。

圖1 故障裂紋位置示意圖

該部件以往的裝配記錄為：該型水接頭擰入殼體水嘴時采用標準力矩扳手，力矩扳手每天有校準記錄，擰緊力矩為8 N·m；裝配完成后，進行了外觀檢查和30 min的帶壓水檢驗證，工序完成時完好。在后續考機、調試時，均未發現異常，出廠時均完好。采用20倍放大鏡逐個檢查同批次、同時段（前后6個月）生產的服役中組件（含備件）及后續生產的同類型組件殼體水嘴的外觀發現：外觀均完好，無滲漏現象。這表明該故障屬偶發、個例問題。

2 微觀組織觀察

2.1 金相組織分析

為便于進一步觀察，采用線切割的方式將已有裂紋的水接頭螺紋連接件的根部位置取下后鑲嵌制樣，如圖2所示。顯然，在水嘴上就可以觀察到一個缺陷帶，如圖2（b）所示。

圖2 水嘴裂紋取樣

采用蔡司金相顯微鏡觀察拋光后的試樣，得到如圖2（c）所示的疏松區域金相圖。該疏松區從顏色上明顯有別于兩側致密的鋁合金，同時可以觀察到大小不一的11個疏松孔貫穿于整個疏松區，其中最大的2個疏松孔洞的尺寸分別為1.04 mm×0.5 mm和0.68 mm×0.56 mm。由于水接頭底部區域的受力情況不如上部區域復雜，應力較小，因此未形成貫穿的微裂紋，可以認為是裂紋形成初期。

2.2 斷口分析

采用場發射環境掃描電子顯微鏡（Quanta 200FEG）對斷口進行觀察。斷口組織表現出2種斷裂組織，分別如圖3和圖4所示。其中圖3的組織有較大的起伏，其斷口組織高低落差較大，并且可以看到大量大小不一的韌窩及撕裂棱，表現出明顯的韌性斷裂特征——韌窩斷裂（即穿晶斷裂）。這是鋁合金在常規應力作用下最常見的一種斷裂方式。

圖3 斷口處韌窩組織

從圖4可以看到另一種完全不同的斷裂組織。相比于圖3中的韌窩斷裂組織，圖4的斷口組織平坦，可以看到撕裂棱（圖4（b）中的白亮條），但未看到韌窩，表現出一種明顯的沿晶斷裂特征。這種斷裂方式在常規應力作用下非常少見，常見于缺陷（如微孔聚集處）處受力后的斷口組織。

圖4 斷口處穿晶斷裂

2.3 斷口橫截面觀察

通過對上述斷口的觀察，可以初步判斷該水嘴斷裂的方式是原材料的鑄造缺陷導致局部產生明顯的疏松和微孔，受力時疏松和微孔形成裂紋。但需要通過斷口的切面觀察來確定裂紋的萌生位置及擴展路徑。裂紋的萌生位置及擴展路徑主要分為2種：一種是在材料內部萌生，然后向外部擴展，其主要原因是材料內部存在缺陷（如疏松、氣孔、夾雜等），這些缺陷在應力作用下，產生微裂紋，并向拉應力方向擴展，最終形成宏觀裂紋；另一種是在材料外部萌生裂紋，然后向材料內部擴展，其主要原因是材料表面因加工或意外產生了裂紋，該裂紋在應力作用下向拉應力方向擴展。

將已有裂紋的水接頭螺紋連接件的中心部分（含裂紋的區域）切下，采用金相砂紙打磨后拋光，采用場發射環境掃描電子顯微鏡（Quanta 200FEG）對金相組織進行觀察，如圖5（a）所示。先拍攝多張照片，再對其進行拼接來觀察裂紋整體的組織。這個裂紋擴展組織有以下幾個特征：1）裂紋的擴展路徑較為彎折，存在裂紋偏轉，表現出一種非脆性的裂紋擴展行為。2）材料內部存在一個類橢圓的缺陷部分，其二維尺寸約為730 μm×415 μm，其深度無法測量。由于形狀不規則，排除是氣孔的可能，推測認為是疏松或夾雜。3）裂紋的一端連接水接頭螺紋的內孔表面，另一端連接材料內部形狀不規則的缺陷部分。

對該缺陷部分進行進一步的觀察，發現缺陷部分與周圍鋁結合的部分并不光滑，也無第二相夾雜。成分分析結果表明，其內容物主要由C，O，F等元素組成，這些元素是6063鋁合金所沒有的。分析認為這是水接頭帶膠擰入水嘴時，粘結膠固化前滲入到了缺陷部分后形成的。因此可以認為，缺陷部分是材料原始組織中自帶的疏松組織。

對疏松組織與裂紋連接部分的顯微組織進行放大觀察可以看到，裂紋尖端與疏松組織已形成了連接，如圖5（b）所示。需要說明的是，裂紋一端連著材料內部的缺陷部分并不是偶然的。這個現象表明，裂紋的萌生就是從這個缺陷部分開始的，然后擴展到了材料的外表面，即這種材料內部的疏松部分是裂紋的萌生點。

圖5 裂紋組織的截面金相觀察

3 失效機理分析

從上述顯微組織的觀察結果可以看到，水嘴斷口處的6063鋁合金中存在部分疏松和微孔，這些缺陷在應力作用下成為裂紋的萌生源。根據GB/T 6892—2015《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》，T6態的6063鋁合金的屈服強度為160 MPa，抗拉強度為195 MPa。帶有疏松、微孔等缺陷的6063水嘴在裝配、服役過程中將承受以下2種應力：1）在水接頭裝配過程中，水嘴處螺紋承受預緊力；2）在服役過程中，雷達開關機導致溫度變化，使得水接頭和水嘴因材質的熱膨脹系數差異而產生熱應力（水接頭材質022Cr17Ni12Mo2鋼的熱膨脹系數為17×10?6°C?1；水嘴材質6063鋁合金的熱膨脹系數為23.4×10?6°C?1）。

水接頭安裝螺紋為M10。GB/T 3098.16—2000《緊固件機械性能不銹鋼緊定螺釘》中明確規定，奧氏體不銹鋼螺釘M10的保證力矩為14 N·m（性能等級12）。文獻[11]在研究機載電子設備常用螺釘擰緊力矩時提出，當螺釘為奧氏體不銹鋼（1Cr18Ni9Ti或1Cr17Ni2）并采用擰入鋁質螺紋的方式進行連接時，需考慮到鋁材質的抗拉強度小于螺釘的抗拉強度。為防止鋁制螺紋出現滑絲等破壞現象，M10螺釘在6061退火狀態鋁合金螺紋中的推薦擰入力矩為13.5 N·m。為簡便起見，按照材料抗拉強度與擰緊力矩成正比的關系，擰入6063（T6）鋁質螺紋的力矩推薦值為9 N·m。對照裝配環節，水接頭裝入時的擰緊力矩為8 N·m，未超過9 N·m。由此可見，力矩選用適當，預緊力不會對正常6063鋁質基材造成破壞。

在服役過程中，雷達根據工作需要頻繁進行開關機，因此陣面環控機組的機內自測試（Built in Test,BIT）系統監測到的顯示組件冷卻液的溫差變化近70°C。當環境溫度變化時，水接頭和水嘴因材質的熱膨脹系數不匹配而產生熱應力。通過有限元仿真分析，水嘴處的熱應力最大值約為100 MPa（如圖6所示），小于原材料的抗拉強度。因此，水接頭與水嘴間的熱應力不會對正常6063鋁合金基材造成破壞。

圖6 水嘴處的熱應力仿真云圖

根據對斷口組織的分析，原材料中存在疏松、微孔等缺陷。在水接頭擰入水嘴的過程中，疏松與微孔缺陷處會出現應力集中的現象，但此時的集中應力尚不足以使疏松與微孔出現宏觀貫穿型裂紋，這也就是在前期的裝配與測試環節水嘴處未出現滲漏的原因。在后期的工作過程中，水嘴處的溫度隨整機頻繁開關機等發生變化，水接頭和水嘴因原材料的熱膨脹系數不匹配出現熱應力。因內部疏松、微孔等缺陷的存在，在斷口處出現應力集中的現象，使得斷口處材料的微孔發生塑性變形和微裂紋擴展，最終使水嘴在低于其材料抗拉強度的情況下產生宏觀裂紋，形成滲漏。

4 結構優化

上述分析表明，T/R組件水嘴處的裂紋是由內部疏松、微孔等缺陷造成的。同時，熱應力仿真分析表明，因水嘴和水接頭材質不同產生的熱應力（約為100 MPa）也需要關注。該處產生的熱應力不會對結構件造成破壞，但仍需通過適當的結構改進來降低熱應力，為后續設計改進提供參考。水嘴為外徑24 mm的圓柱，其內部為M10的內螺紋。通過改進設計，將水嘴處的圓柱外徑更改為18 mm，在水嘴與殼體連接處增加R3過渡圓弧，以保證水嘴的強度，如圖7所示。

圖7 結構優化

利用Ansys Workbench有限元軟件再次對改進后的水嘴和水接頭的熱應力情況進行分析。圖8給出了改進后的水嘴和水接頭的熱應力在溫度變化過程中的分布情況。有限元計算結果表明，經過調整優化，因材質的熱膨脹系數不一致形成的熱應力明顯降低，減小到77 MPa，降低了25%。

原材料6063（T6）鋁合金的屈服強度為160 MPa。優化前其熱應力值為100 MPa，安全系數為1.6；優化后其熱應力值為77 MPa，安全系數為2.07。同時，根部過渡圓角的引入有效避免了應力集中，且整體強度并不會因水嘴外徑減小而降低。

圖8 結構優化后熱應力仿真分析

5 結束語

水嘴處斷口的宏觀、微觀組織分析表明，水嘴斷口處的疏松、微孔等原材料缺陷是裂紋萌生的源頭。由水接頭擰緊力矩導致的預緊力不足以使正常水嘴立即遭到破壞，這也是早期出廠前問題未暴露的原因。在后續的服役過程中，因各自原材料的熱膨脹系數不匹配，水接頭和水嘴處產生持續施加的熱應力，使得裂紋進一步擴展，形成漏液。這正是此次T/R組件水嘴產生裂紋的原因。

為保證此類故障不再發生，提出以下整改措施：1）對板材的原材料進行100%探傷，防止含微孔、疏松等缺陷的原材料流入后道生產工序；2）零件精加工完成后，采用10倍放大鏡對水嘴、固定支耳等重要部位進行目視觀察；3）在后續的相應設計中，通過改進水嘴的內外徑比來降低熱應力。