某艦炮瞄準(zhǔn)裝置ZL205A底座斷裂原因分析

毛 軍，王劍安，張 蕾，梁春棟，汪 瑋，張文興

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.中央軍委裝備發(fā)展部裝備技術(shù)合作局，北京 100000；3.中國人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠，山東 青島 266042；4.湛江艦船裝備技術(shù)保障大隊(duì)，廣東 湛江 524000)

某型艦炮瞄準(zhǔn)裝置安裝于艦船主甲板船舷邊，露天布置。在裝艦使用3年后，該型裝備陸續(xù)出現(xiàn)射擊時(shí)底座斷裂故障，故障現(xiàn)象相同。該底座的材料為ZL205A鑄造鋁合金，S鑄造、T6狀態(tài)、Ⅱ類鑄件。為查明斷裂原因，將裝備分解，對斷裂底座進(jìn)行了全面的檢查、檢測、分析和判斷。

1 強(qiáng)度校核

采用設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)中射擊試驗(yàn)時(shí)的最大實(shí)測值加速度121g和脈寬0.75 ms、沿側(cè)向施加載荷，對底座的動態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析校核計(jì)算。計(jì)算模型是包括底座、安裝基座、螺釘、銷釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)的組件整體，經(jīng)等效質(zhì)心后導(dǎo)入ANSYS Workbench中，定義接觸、約束底座底面3個(gè)方向的位移，采用高階二次單元劃分網(wǎng)絡(luò)[1]，并對底座底部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，結(jié)果顯示底座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷釘孔的棱邊，最大等效應(yīng)力為387 MPa，小于材料ZL205A的抗拉強(qiáng)度470 MPa[2]，安全系數(shù)為1.2，滿足使用要求，如圖1、2所示。

2 理化分析

2.1 宏觀檢查

斷裂底座的宏觀形貌如圖3所示，斷裂部位在底部螺釘、銷釘連接處。底面嚴(yán)重腐蝕，表面有白色粉沫、蝕坑、裂紋，未見明顯的塑性變形，腐蝕形貌如圖4所示。

2.2 力學(xué)性能檢測

按GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》的規(guī)定，對未腐蝕部位取力學(xué)性能試樣進(jìn)行檢測，試樣抗拉強(qiáng)度和伸長率的平均值分別373 MPa、3.3%，不低于GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》的規(guī)定值470 MPa、3%的65%和40%，試樣檢測結(jié)果如表1所示。

表1 試樣力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.3 化學(xué)成分檢測

對未腐蝕部位取化學(xué)成分試樣進(jìn)行檢測，除雜質(zhì)元素Si含量超標(biāo)，其余均符合GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》的規(guī)定要求，試樣檢測結(jié)果如表2所示。

表2 試樣化學(xué)成分檢測結(jié)果 單位：%

2.4 金相分析

沿壁厚方向的截面斷口取金相試樣，拋光后在顯微鏡下觀察，基體內(nèi)存在較多的疏松缺陷，如圖5所示。

按照J(rèn)B/T 7946.3—1999《鑄造鋁合金針孔》規(guī)定進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，試樣經(jīng)腐蝕、清洗、干燥后對照分級標(biāo)準(zhǔn)圖片作目視比較，確定試樣的針孔度等級為5級，等級較低。斷口部分區(qū)域發(fā)生腐蝕，有沿?cái)嗫诒砻嫦蚧w內(nèi)部延伸的裂紋，試樣表面整體被腐蝕減薄，局部區(qū)域已發(fā)展成大的蝕坑，存在沿晶界特征的晶間腐蝕，并且在蝕坑的底部晶間腐蝕裂紋向下發(fā)展，呈網(wǎng)狀或鋸齒狀分布，裂紋尖端呈分叉形貌，如圖6所示。

采用混合酸侵蝕后觀察，沿?cái)嗫诒砻嫦蚧w延伸的裂紋沿晶界擴(kuò)展，裂紋呈分叉形貌，具有應(yīng)力腐蝕特征，如圖7所示。試樣金相組織為：α(Al)+彌散相+塊狀化合物相，按照J(rèn)B/T 7946.4—1999《鑄造鋁合金金相鑄造鋁銅合金晶粒度》規(guī)定進(jìn)行顯微檢驗(yàn)，單位面積晶粒數(shù)約為22個(gè)/mm2，確定試樣的晶粒度等級為3.5級，晶粒大小適中，如圖8所示。

2.5 掃描電鏡形貌觀察及能譜分析

對斷裂底座表面腐蝕形貌及覆蓋的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察，部分區(qū)域腐蝕產(chǎn)物已發(fā)生龜裂、脫落，腐蝕坑內(nèi)可見裂紋沿晶界擴(kuò)展，并且有分叉現(xiàn)象。對表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖9所示，產(chǎn)物中各元素的重量百分比含量Wt及原子數(shù)百分含量At如表3所示。

表3 底座表面腐蝕產(chǎn)物中各元素含量 單位：%

將斷口經(jīng)超聲波清洗后置入掃描電子顯微鏡下觀察，斷口大部分區(qū)域被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，部分區(qū)域及螺釘孔附近斷口形貌顯示沿晶特征，為沿晶開裂。對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖10所示，產(chǎn)物中各元素的重量百分比含量Wt及原子數(shù)百分含量At如表4所示。

表4 斷口表面腐蝕產(chǎn)物中各元素含量 單位：%

2.6 XRD物相分析

對底座表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射(XRD)物相分析，腐蝕產(chǎn)物樣品的衍射圖譜顯示腐蝕產(chǎn)物主要是以Al(OH)3和金屬Al的形式存在。

2.7 透射電鏡分析

采用透射電鏡對試樣晶內(nèi)、晶界析出相分析，試樣晶內(nèi)有細(xì)小彌散的析出相，能譜分析顯示如圖11所示，其中Al的重量百分比含量Wt=88.87%、原子數(shù)百分含量At=94.88%，Cu含量Wt=10.32%、At=4.68%，晶內(nèi)析出相主要為Al2Cu相。

試樣晶界析出相被腐蝕而發(fā)生脫落，可看出晶界析出相呈連續(xù)分布，如圖12所示。

3 分析與判斷

3.1 斷裂原因初步分析

通過對底座強(qiáng)度的有限元分析校核的理論計(jì)算，再根據(jù)裝備在工廠鑒定試驗(yàn)時(shí)6 300余發(fā)射擊、在設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)時(shí)約5 000發(fā)射擊的全壽命實(shí)彈射擊試驗(yàn)考核驗(yàn)證，以及在多個(gè)海域的多種海情、海況下持續(xù)9個(gè)月的設(shè)計(jì)定型部隊(duì)海上試驗(yàn)考核驗(yàn)證，底座均未發(fā)生開裂、斷裂故障，由此可確定底座的設(shè)計(jì)強(qiáng)度(安全系數(shù))能夠滿足裝備使用要求，在正常狀態(tài)下底座不會發(fā)生斷裂。

力學(xué)性能檢測表明，底座的未腐蝕部位力學(xué)性能符合GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》規(guī)定的Ⅱ類鑄件要求。

通過宏觀檢查、金相分析、掃描電鏡形貌觀察及能譜分析、XRD物相分析和透射電鏡分析，可確定底座底部發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生，裂紋不斷擴(kuò)展、向基體內(nèi)延伸。

由以上分析可初步判斷底座斷裂是腐蝕所致。

3.2 斷裂原因深入分析

3.2.1 電偶腐蝕

該裝備安裝到位后，底部螺釘、銷釘部位存在縫隙，縫隙無防護(hù)且螺釘、銷釘與底座未隔離。Fe的電極電位為-0.58 V，Al的電極電位為-0.85 V，兩者直接接觸且電極電位差較高，電位差滿足電偶腐蝕的電位差條件[3]，在海水中形成宏電池，產(chǎn)生電偶電流，使低電位的陽極金屬Al釋放離子而加速溶解，高電位的陰極金屬Fe吸收離子而減速溶解，即產(chǎn)生電偶腐蝕。電偶腐蝕不但能對底座產(chǎn)生加速的腐蝕損壞，還會誘發(fā)危害性更加嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕[4]。

3.2.2 縫隙腐蝕

該裝備安裝到位后，底座底面與安裝面之間存在縫隙，縫隙無防護(hù)且底面無涂層保護(hù)。裝備在艦船的舷邊位置，經(jīng)常有海浪打到裝備上，海水流入縫隙后通過人工清除非常困難。海水長期浸蝕導(dǎo)致底面發(fā)生縫隙腐蝕。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)底面出現(xiàn)的嚴(yán)重腐蝕，其原因主要即為縫隙腐蝕。底面的縫隙腐蝕在專項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)中也得到了復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)證。

縫隙腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，分為初期和后期兩個(gè)階段。初期縫隙內(nèi)整個(gè)金屬表面發(fā)生腐蝕，陽極溶解Al→Al3++3e-和陰極還原O2+2H2O+4e-→ 4OH-.隨著縫隙內(nèi)因擴(kuò)散困難使得氧逐漸減少，氧化還原反應(yīng)慢慢停止。后期縫隙內(nèi)缺氧縫隙外富氧，形成供氧差異電池。縫隙內(nèi)金屬Al仍在繼續(xù)溶解為Al3+，Al3+過剩，于是縫隙外的Cl-向內(nèi)遷移，以保持電荷的平衡；同時(shí)陰極過程在縫隙外重新啟動，縫隙內(nèi)產(chǎn)生的金屬鹽開始水解:

AlCl3+3H2O=Al(OH)3↓+3HCL，

使pH值降至2～3，這又加速了縫隙內(nèi)金屬Al的溶解，也加速了縫隙外相鄰表面的氧還原，使外表面得到陰極保護(hù)，而縫隙內(nèi)金屬腐蝕加速?？p隙內(nèi)Al3+進(jìn)一步過剩后，又更加促進(jìn)了Cl-的遷入，產(chǎn)生自催化效應(yīng)[5-6]。

3.2.3 晶間腐蝕

金相分析顯示，底座存在沿晶界特征的晶間腐蝕。底座材料為ZL205A，為Al-Cu系鑄造鋁合金，它具有晶間腐蝕的敏感性[7-8]。該底座選材時(shí)主要考慮其高強(qiáng)度特點(diǎn)和裝備減重的要求，而未過多關(guān)注其材料晶間腐蝕傾向。

晶間腐蝕的機(jī)理是，材料基體內(nèi)電位較高的雜質(zhì)元素與電位較低的沿晶界產(chǎn)生的無沉淀析出帶形成微電池，造成無沉淀析出帶溶解、晶界腐蝕[9]。晶間腐蝕發(fā)生后，腐蝕沿著晶粒的邊界或鄰近區(qū)域發(fā)展，產(chǎn)生沿晶裂紋，晶粒間的結(jié)合被破壞，材料的力學(xué)性能大幅降低。

3.2.4 應(yīng)力腐蝕

金相分析顯示，沿?cái)嗫诒砻嫦蚧w延伸的裂紋具有應(yīng)力腐蝕特征。

底座在鑄造和機(jī)加后會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，底部螺釘、銷釘連接處會受到應(yīng)力，腐蝕產(chǎn)物的沉積、擠壓會產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力與海水共同作用時(shí)，應(yīng)力的差別導(dǎo)致材料內(nèi)部形成電位差，致使底座發(fā)生應(yīng)力腐蝕[10]。應(yīng)力腐蝕裂紋在材料內(nèi)部擴(kuò)展，使底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大下降，最終發(fā)生突然斷裂。

3.2.5 腐蝕疲勞

在腐蝕的過程中，陽極鋁釋放離子而溶解Al→Al3++3e-，陰極H+吸收離子而析氫3H++3e-→3/2 H2↑，這便使材料的部分塑性損失，表面能降低，脆性增加，產(chǎn)生氫脆，導(dǎo)致材料腐蝕疲勞[11]。

3.3 斷裂原因

由以上分析可知，該裝備底座底面無涂層保護(hù)、縫隙無防護(hù)、螺釘銷釘與底座未隔離，底座材料具有腐蝕敏感性，材料中雜質(zhì)超標(biāo)，鑄件質(zhì)量不高、內(nèi)部存在缺陷，裝備使用環(huán)境條件惡劣，維護(hù)保養(yǎng)困難等，這些因素共同作用導(dǎo)致了底座在長期受到海水侵蝕后，發(fā)生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，使底座內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、力學(xué)性能下降、表面能降低，最終在艦炮射擊的沖擊、振動下發(fā)生突然斷裂。

通過對ZL205A材料試樣和瞄準(zhǔn)裝置底座同時(shí)進(jìn)行的專項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)，包括酸性鹽霧-太陽輻射-模擬海水飛濺-沖擊振動4個(gè)子試驗(yàn)的循環(huán)，共持續(xù)1 440 h，結(jié)果顯示隨著時(shí)間增長，ZL205A試樣出現(xiàn)腐蝕并不斷加劇，其抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，最終降至240 MPa.試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和彈性模量的保持率均呈下降趨勢，分別降至70%、79%、56%和90%，表明腐蝕已嚴(yán)重影響了ZL205A的力學(xué)性能。瞄準(zhǔn)裝置底座在試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)了腐蝕的產(chǎn)生及發(fā)展過程。

理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證同時(shí)表明腐蝕是引起底座斷裂的真正原因。

4 改進(jìn)措施

通過以上分析可知底座斷裂是腐蝕所致，為了避免腐蝕、防止底座發(fā)生斷裂，可采用以下措施進(jìn)行改進(jìn)：

1)增加防護(hù)措施，采用微弧氧化+涂漆+涂膠的體系工藝進(jìn)行防護(hù)，避免腐蝕發(fā)生。

2)優(yōu)選材料，采用ZL114A(Al-Si合金)替代ZL205A(Al-Cu合金)，避免材料的晶間腐蝕敏感性。

3)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕。對銷釘孔的棱邊進(jìn)行倒圓角處理，減小尖角引起的應(yīng)力集中[12]，進(jìn)一步提高底座結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

4)優(yōu)化加工工藝，更換鑄造廠家，提高鑄件質(zhì)量，消除腐蝕隱患。

5 結(jié)束語

隨著我國艦船裝備防腐技術(shù)的研究與發(fā)展，對Al-Cu系鑄造鋁合金的認(rèn)識越來越深入，其易發(fā)生晶間腐蝕的特性越來越被重視。在艦船裝備中選用Al-Cu系鑄造鋁合金時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注腐蝕防護(hù)，應(yīng)盡量在艙內(nèi)或防護(hù)罩中使用，如果露天使用則必須采取針對電偶腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等的防護(hù)措施，可采用多涂層防護(hù)和濕式涂膠密封隔離，并嚴(yán)格對易腐蝕部位進(jìn)行定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng)。