鋁合金鍛件端面線狀缺陷分析與控制

李東東，王 影，谷勝民，王唐超，劉 濤，林德健

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076;2.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

變形鋁合金因其具有比強度高、導熱性好、導電性能高及耐腐蝕等優(yōu)點，已被廣泛用于航天、航空等領(lǐng)域［1-3］。對于受力大、力學性能要求高的重要鋁合金零部件，多數(shù)采用鍛造加工方法來制造，鍛造加工不但能獲得所需的零件形狀，而且可以改善材料內(nèi)部的組織，使金屬流線均勻連續(xù)地沿鍛件外形分布，從而充分發(fā)揮材料的性能潛力［4-5］。

折疊是鍛件的主要缺陷之一，它不僅破壞了鍛件表面的完整性，使得鍛件的承載能力降低，而且可能成為疲勞源，導致部件在此產(chǎn)生疲勞斷裂。國內(nèi)外學者借助三維建模、有限元分析技術(shù)對鍛件折疊缺陷的形成機理等方面進行了大量的研究，取得了大量的研究成果。然而，實踐證明:對鍛件折疊缺陷進行鑒別、分析最為有效的方法是剖切。尤其是大型鍛件，通過剖切對缺陷進行分析，準確地掌握缺陷的類型和特征，從而采用針對有效地預(yù)防措施，避免后續(xù)的資源浪費，是一項十分有意義的工作。

5A06 鋁合金自由鍛件呈錐筒狀，車加工過程中在鍛件的大端端面發(fā)現(xiàn)“線狀缺陷”。該鍛件為航天器用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，工作于高量級振動和高壓級的惡劣力學環(huán)境下，如果將帶有缺陷的零件裝配到航天器上，很有可能引發(fā)嚴重失效事故。本研究通過對此鍛件進行形貌觀察，以及斷口、成分、硬度、金相組織分析，結(jié)合此鍛件的制造工藝，對此線狀缺陷的形成原因進行了分析研究，并針對此類缺陷，提出了有效的剔除措施，對實際工程應(yīng)用具有一定的指導作用。

1 鍛件結(jié)構(gòu)與缺陷位置

該5A06 鋁合金自由鍛件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鍛件大端外徑為536 mm，內(nèi)徑為382 mm;小端外徑為472 mm，內(nèi)徑為318 mm;鍛件高度為457 mm。鍛件為退火狀態(tài)供應(yīng)，制造工藝為:鑄錠加熱→自由鍛造→沖孔→環(huán)鍛→加工→退火→驗收。

鍛件在車加工為零件的過程中(鍛件大端面在高度方向車加工去除約10 mm，外徑單邊車加工去除約15 mm)，在鍛件大端端面目視發(fā)現(xiàn)線狀缺陷，缺陷在鍛件上的位置如圖1 所示。

圖1 鍛件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the forging

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 形貌觀察

缺陷的宏觀形貌如圖2 所示。缺陷總長度約為180 mm，目視觀察缺陷在大端端面呈斷續(xù)的直線狀。

利用掃描電鏡對缺陷微觀形貌進行觀察，結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，缺陷形貌為類似張口較小的“裂紋”，缺陷部分區(qū)域存在明顯的“掉塊”現(xiàn)象。

2.2 斷口分析

將缺陷區(qū)域從鍛件上切取下來，采用機械方法將缺陷打開，對缺陷斷面進行分析，缺陷斷面形貌如圖4 所示。整個斷面分為“缺陷斷面”和“人工斷面”2 個區(qū)域，區(qū)域間有明顯的分界線?！叭毕輸嗝妗睙o金屬光澤，呈黃色;“人工斷面”有金屬光澤，呈亮灰色。

利用掃描電鏡對“缺陷斷口”和“人工斷口”進行分析，斷口微觀形貌見圖5，可見，“缺陷斷口”呈顆粒狀，無斷裂形貌(圖5a);“人工斷口”呈韌窩形貌(圖5b)。

2.3 金相分析

沿缺陷深度方向在缺陷的尾部附近截取試樣，制備縱剖面金相試樣進行金相分析?？梢娙毕輩^(qū)域有較多的灰色顆粒物(圖6a、圖6b)，對顆粒物進行EDS 分析，結(jié)果顯示，顆粒物主要含有O、Al、Mg 元素(圖6c)，為基體的氧化產(chǎn)物。

圖2 缺陷宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the defect

圖3 缺陷部分區(qū)域微觀形貌Fig.3 Micro morphology of the defect

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Morphology of the fracture

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Micro morphologies of the fracture surface

將金相試樣進行浸蝕，對缺陷附近基體的顯微組織進行觀察，缺陷縱剖面組織如圖7 所示?？梢?，缺陷深度約為5 mm，缺陷與鍛件大端端面約呈45°，斜向鍛件內(nèi)表面擴展(圖7a);缺陷兩側(cè)的變形流線不連續(xù)(圖7b);基體顯微組織正常，無過燒等組織缺陷(圖7c)。

圖6 金相分析Fig.6 Metallographic analysis

金相分析結(jié)果顯示，缺陷縱剖面形態(tài)具有折疊缺陷的典型形貌特征。

2.4 硬度檢測

對鋁鍛件基體進行維氏硬度測試，結(jié)果如表1 所示。硬度測試結(jié)果表明，鋁鍛件的狀態(tài)為退火態(tài)，符合設(shè)計要求。

圖7 缺陷縱剖面組織形貌Fig.7 Microstructure of the defect

表1 鋁鍛件基體維氏硬度測試結(jié)果Table 1 Hardness testing results of the forging HV0.2

2.5 化學成分分析

對鋁鍛件基體化學成分進行分析，結(jié)果如表2 所示。結(jié)果顯示，鋁鍛件基體化學成分符合技術(shù)標準要求。

3 分析與討論

鋁鍛件正?；w的顯微組織、成分含量及硬度均符合標準及工藝要求，未見異常。線狀缺陷的微觀形貌為類似張口較小的“裂紋”;缺陷斷面呈層片狀、黃色，無金屬光澤，并且無斷裂特征;缺陷深度延伸方向與鋁鍛件大端面呈45°，并且缺陷兩側(cè)金屬變形流線方向明顯不一致。

鍛造缺陷往往是由于金屬變形時各部分流動速度不一致引起［6-7］。折疊與裂紋是鍛造產(chǎn)品兩大質(zhì)量缺陷，據(jù)統(tǒng)計，折疊缺陷廢品占鍛件廢品總數(shù)的70%～80%，裂紋缺陷廢品占鍛件廢品總數(shù)的5%～10%［8］。折疊缺陷與裂紋缺陷在外觀上相似，折疊缺陷一般具有如下特征:1)折疊由鍛件表面向其深處擴展，造成鍛件金屬局部的不連續(xù);2)折疊與周圍金屬流線方向不一致;3)折疊兩側(cè)可能伴有氧化或脫碳現(xiàn)象［9-11］。鍛件的折疊缺陷破壞了金屬的連續(xù)性，降低了鍛件的承載能力，折疊缺陷本身又是鍛件上的一個缺口，使用過程中會造成應(yīng)力集中，成為疲勞源，會導致鍛件在此產(chǎn)生疲勞斷裂［12-13］。

根據(jù)上述分析及各項試驗結(jié)果可知，鋁鍛件端面的“線狀缺陷”為鍛造折疊缺陷。

結(jié)合此鍛件的生產(chǎn)過程及制造工藝，鍛件自由鍛造工序完成后，沖孔過程中，金屬整體具有向沖孔部位流動變形趨勢，當沖頭與鍛件中心不同心、沖壓速度過快時，鍛坯端面表面金屬向沖孔部位的金屬流動就會不均勻，產(chǎn)生凹凸不平的流動變形，表面局部區(qū)域就會產(chǎn)生高度差，從而形成凹坑。在后續(xù)的環(huán)鍛過程中，隨著環(huán)鍛變形量的不斷加大，凹坑寬度不斷減小，凹坑深度不斷加深，在環(huán)鍛變形量足夠大的情況下，端面凹坑逐步轉(zhuǎn)變成端面折疊缺陷，形成過程如圖8 所示［14］。折疊缺陷在后序的加工過程中，未能加工去除干凈，致使殘留在鍛件表面。

表2 鋁鍛件基體化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Composition of the forging (mass fraction/%)

圖8 折疊缺陷產(chǎn)生過程Fig.8 Forming process of the fold defects

4 結(jié)論

1)鋁鍛件端面的線狀缺陷為鍛造折疊缺陷。

2)鋁鍛件的正?；w的斷口、化學成分、硬度、金相組織均符合標準要求。

3)折疊缺陷破壞了鋁鍛件的金屬連續(xù)性，降低了鋁鍛件的承載能力，使用過程中會造成應(yīng)力集中，成為疲勞源，將導致鋁鍛件在此位置發(fā)生疲勞斷裂。

4)折疊缺陷形成于沖孔、環(huán)鍛工序，由端面的凹坑逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗣嬲郫B缺陷。在鋁鍛件的出廠檢驗及到貨驗收環(huán)節(jié)，增加超聲波檢測及上下端面的熒光檢查，可有效地剔除存在此類缺陷的鍛件產(chǎn)品，避免后續(xù)的加工浪費。

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