7055鋁合金鍛件開裂的原因及預防措施

解豪杰，岳戰(zhàn)國，王亞安,姜建堂，郭飛毅

(1.西安航空制動科技有限公司，陜西 興平 713100； 2.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

7055鋁合金具有高強度、高屈強比、高硬度等優(yōu)點，同時該合金材料也存在易偏析、易開裂等缺點。7055鋁合金已在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應用，常用于制造飛機機身、機翼梁等結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品[1-3]。

7055鋁合金鍛件生產(chǎn)工藝流程：下料(使用噴射成型擠壓棒材)→加熱(使用電爐)→自由鍛出坯(使用自由鍛液壓機)→加工鍛坯(使用立式車床)→加熱(使用電爐)→等溫鍛造(使用油壓機)→去毛刺→熱處理(T73制度，使用鋁合金淬火爐、鋁合金時效爐)→機械加工。鍛件剖面如圖1所示。

圖1 鍛件剖面Fig.1 Profile of forgings

鍛件在進行機械加工時發(fā)現(xiàn)其中一鍛件小端面出現(xiàn)目視可見裂紋，經(jīng)渦流探傷檢查，發(fā)現(xiàn)該鍛件小端面共四處裂紋，開裂部位顏色發(fā)黑，見圖2所示。問題發(fā)生后，對該批次進行檢查，共發(fā)現(xiàn)該批次有4個鍛件出現(xiàn)裂紋，且裂紋均位于鍛件小端相同部位。

圖2 鍛件開裂部位Fig.2Cracking position of forgings

通過檢測、仿真等手段分析了裂紋發(fā)生的原因，同時制定了可以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的預防措施，消除了鍛件開裂現(xiàn)象。

1 鍛件開裂的原因

1.1 金相組織分析

使用金相顯微鏡對鍛件開裂處進行金相組織分析，結(jié)果如圖3所示。裂紋兩側(cè)組織未見明顯差異，組織為鋁基體上均勻分布少量的顆粒狀強化相，晶界分布第二相，晶粒細小均勻，晶粒度約為9級。裂紋曲折，局部存在分叉，高倍可見裂紋沿晶擴展，如圖3c所示。

圖3 裂紋金相組織Fig.3 Crack microstructure

1.2 斷口分析

打開鍛件裂紋觀察斷口，原始裂紋斷口端面呈現(xiàn)暗灰色，存在若干臺階，人為斷口為明亮色。將斷口經(jīng)無水乙醇+超聲波儀清洗后，用掃描電子顯微鏡進行觀察，斷面大部分區(qū)域可見柱狀覆蓋物，無明顯斷口特征，部分區(qū)域未被柱狀物覆蓋，微觀呈沿晶分離特征，如圖4所示。鍛件裂紋處無宏觀塑性變形，為脆性裂紋。

圖4 斷口形貌Fig.4 Fracture morphology

1.3 能譜分析

為進一步分析斷口柱狀覆蓋物，對斷面進行能譜分析，譜圖位置如圖5所示，分析結(jié)果如表1所示。

表1 圖5位置的能譜結(jié)果Table 1 Energy spectrum results of 4 points in Fig.5

圖5 能譜譜圖位置Fig.5 Positions of energy spectrum

通過能譜分析結(jié)果可知，沿晶分離區(qū)域主要為7055鋁合金固有元素，被輕微氧化，柱狀覆蓋物主要為Al氧化物，具有高溫氧化特征。

綜上所述，經(jīng)過斷口分析、能譜分析、金相分析可知，鍛件裂紋為脆性裂紋，無過燒現(xiàn)象，裂紋局部有分叉現(xiàn)象、高倍下呈延晶擴展特征，斷口表面有高溫氧化特征。鍛件開裂于高溫，且裂紋開裂后經(jīng)歷過高溫。經(jīng)工藝過程分析，判斷裂紋開裂發(fā)生于熱處理淬火階段。

2 仿真分析

由于裂紋開裂于鍛件熱處理過程中，故對鍛件淬火進行仿真分析。重點研究鍛件小端結(jié)構(gòu)及淬火水溫對鍛件開裂的影響。

2.1 小端結(jié)構(gòu)仿真

將鍛件加熱到475 ℃、小端向下垂直淬火。仿真過程對鍛件小端邊角位置的溫度變化以及鍛件整體的溫度場進行分析?？紤]到開裂發(fā)生的位置以及小端邊角應力集中效應，選定平頭、倒角、圓角三種結(jié)構(gòu)方案，對鍛件小端結(jié)構(gòu)進行溫度變化過程的追蹤對比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 20 ℃水溫淬火鍛件不同結(jié)構(gòu)下拉應力云圖Fig.6 Pull-down stress cloud of forgings with different structures at 20 ℃ water temperature quenching

通過仿真研究可見，鍛件淬火初期(約0.58 s)，在結(jié)構(gòu)方案1的直角邊緣位置存在最高水平的拉應力、分布較為集中；而倒角、圓角過渡位置應力分布更加均勻。比較而言，平頭結(jié)構(gòu)容易導致應力集中，增加了局部開裂風險。

2.2 淬火水溫仿真

淬火水溫是影響應力演化過程的重要因素。仿真中選定淬火應力水平最高的平頭結(jié)構(gòu)進一步分析淬火水溫的影響。經(jīng)仿真分析可知，在不同水溫淬火，鍛件降溫曲線在最初階段存在顯著差異，淬火水溫越低，則角緣位置的冷速越快。在鍛件淬火溫度為475 ℃，淬火水溫為20 ℃、45 ℃、60 ℃時，淬火至0.58 s，角緣位置的溫度分別為161 ℃、192 ℃、235 ℃；淬火至1 s，角緣溫度分別為128 ℃、152 ℃、190 ℃?？梢姶慊鹚疁貙?gòu)件小端角緣位置的冷速有顯著影響。

因為冷速不同，所以角緣位置拉應力也有顯著差異?；诠に囘^程仿真對角緣位置應力演化行為進行了追蹤，鍛件拉應力最大值的變化曲線如圖7所示。由圖7可見，在淬火至0.58 s時，鍛件中形成最高水平的拉應力；對照應力分布云圖可知，最大拉應力出現(xiàn)在小端表面角緣位置和大端角緣位置。淬火水溫為20 ℃時，這些位置的最大拉應力可以達到約142 MPa；當水溫升高到45 ℃時，最大拉應力降低到110 MPa；水溫升高到60 ℃時，最大拉應力降低到98 MPa。

圖7 鍛件在20 ℃、45 ℃、60 ℃水淬過程中表面最大拉應力變化Fig.7 Change of maximum surface tensile stress of forgings during water quenching at 20 ℃, 45 ℃ and 60 ℃

綜上所述，7055鍛件小端裂紋問題，原因為鍛件因局部結(jié)構(gòu)不夠合理，其鍛件小端存在較尖銳部位；水溫太低，在淬火急冷過程中應力急劇升高，超過材料自身承受極限，最終導致鍛件開裂現(xiàn)象發(fā)生。

3 問題復現(xiàn)與改進

3.1 問題復現(xiàn)

確定裂紋形成的工序后，隨即進行了問題復現(xiàn)試驗。在不改變原本工藝參數(shù)的情況下，通過在各個主要工序間增加探傷檢測工序，以便更準確地判定發(fā)生開裂的工序及開裂原因。

復現(xiàn)試驗共生產(chǎn)9件鍛件，在原材料、自由鍛狀態(tài)、模鍛狀態(tài)、熱處理狀態(tài)四種階段分別增加超聲波探傷、渦流探傷、熒光探傷等檢測，精準定位裂紋發(fā)生工序。

復現(xiàn)試驗時，淬火水溫設定為40 ℃～45 ℃。試驗生產(chǎn)表明：鍛件用坯料、自由鍛狀態(tài)、模鍛狀態(tài)下的所有超聲波探傷、熒光探傷均未發(fā)現(xiàn)裂紋，但在淬火后熒光探傷時，發(fā)現(xiàn)2件鍛件小端也出現(xiàn)前述的開裂現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 鍛件熒光檢測裂紋Fig.8 Fluorescent detection of forging cracking

問題復現(xiàn)進一步證明了鍛件開裂現(xiàn)象出現(xiàn)在淬火階段，其原因為鍛件小端結(jié)構(gòu)不理想，在淬火過程中造成鍛件局部應力集中，最終導致鍛件開裂。

3.2 改進措施及效果

針對問題復現(xiàn)確定的開裂原因，制定三條優(yōu)化措施：

1)增加鍛件小端加工余量，優(yōu)化鍛件小端結(jié)構(gòu)。

2)優(yōu)化鍛造工藝過程，熱處理前進行粗加工，將小端尖銳部位變成圓滑過渡。

3)優(yōu)化熱處理參數(shù)，提高淬火時的水溫至60 ℃。

在落實上述三條改進措施后，連續(xù)三批次生產(chǎn)的鍛件均未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)7055鋁合金鍛件開裂原因：材料存在較強的開裂敏感性，同時鍛件結(jié)構(gòu)設計不合理，鍛件小端存在易導致應力集中的尖銳部位，加之淬火水溫設置較低，使鍛件小端在淬火過程中出現(xiàn)較高應力集中，最終導致鍛件開裂。

2)改善措施：淬火前對鍛件進行機械加工，鍛件小端尖銳部位進行圓滑過渡(推薦圓角半徑R≥5)，消除應力集中點；同時設置較高的淬火水溫(不低于60 ℃)。以上措施可以有效避免7055鋁合金鍛件在淬火時發(fā)生開裂。