6061鋁合金儲(chǔ)氫氣瓶疲勞斷口分析

何振波,楊 曼,王生朝,郭奉彬,牌君君,歐 玲,鄭云志,蹇海根,5

(1.湖南工業(yè)大學(xué)材料與先進(jìn)制造學(xué)院,湖南 株洲 412007; 2.航橋新材料科技(濱州)有限公司,山東 濱州 256600; 3.山東省先進(jìn)鋁基材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濱州 262207; 4.山東省高端鋁共同體管理運(yùn)營(yíng)有限公司,山東 濱州 256600; 5.歐科億數(shù)控精密刀具股份有限公司,湖南 株洲 412500)

6061鋁合金屬于典型可熱處理強(qiáng)化 Al-Mg-Si系合金,具有中等強(qiáng)硬度,較好的可焊性、耐蝕性、抗疲勞性、塑韌性及成型性等優(yōu)點(diǎn)[1-2],廣泛應(yīng)用于汽車零部件、集裝箱、醫(yī)療器械及建筑領(lǐng)域等[3]。

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的出臺(tái),與傳統(tǒng)鉛酸電池及鋰電池一樣,氫燃料電池也已在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前,氫的存儲(chǔ)方式有多種,高壓儲(chǔ)氫占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[4-5],我公司生產(chǎn)的高壓儲(chǔ)氫氣瓶選用6061鋁合金氣瓶管制作內(nèi)膽。由于快速充放氣體會(huì)引起較大的溫度變化,對(duì)儲(chǔ)氫材料容器強(qiáng)度和疲勞性能均有重要影響。在批量應(yīng)用前進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測(cè)試,解決快速充放時(shí)氣瓶的氫環(huán)境疲勞強(qiáng)度和基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)缺乏的問(wèn)題,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。因此,本試驗(yàn)在氫氣瓶快速充放氫疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)疲勞斷口形貌分析,深入研究6061鋁合金氣瓶管的疲勞失效機(jī)制,為儲(chǔ)氫金屬材料容器的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

圖1為經(jīng)強(qiáng)力旋壓后獲得的6061鋁合金氣瓶管實(shí)物圖,然后經(jīng)熱旋壓收口、熱處理及纏繞碳纖維后成為鋁合金氣瓶。氣瓶疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)將一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)氫罐并聯(lián)在一起,由氣動(dòng)控制閥為儲(chǔ)氫氣瓶充氣,流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)充氣速率,最高工作壓力90 MPa,最大平均充氣流量不低于3 kg/min[7]。鋁合金氣瓶的疲勞壽命達(dá)到15 000次能滿足顧客實(shí)際需求。本試驗(yàn)每5 min完成充放氣循環(huán)1次,采用工作壓力70 MPa,試驗(yàn)氣瓶?jī)杉?分別編號(hào)為1#和2#,其中,1#氣瓶循環(huán)加載13014次后斷裂失效,2#氣瓶循環(huán)13 800 N次后斷裂失效,均未能達(dá)到顧客要求。試驗(yàn)后,采用TESCAN MIRA4 LMH掃描電子顯微鏡對(duì)1#和2#試驗(yàn)樣品進(jìn)行斷口形貌分析,并借助One Max 50能譜儀對(duì)斷口面上一些夾雜物進(jìn)行能譜分析,確定其失效原因并制定改進(jìn)措施。

圖1 6061鋁合金氣瓶管旋壓實(shí)物圖Fig.1 Spinning materials of 6061 aluminum alloy tank

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀斷口

1#和2#鋁合金氣瓶斷裂的位置均為鋁瓶直段部位,截取疲勞裂紋源附近區(qū)域進(jìn)行觀察,圖2a中箭頭所示位置斷口宏觀形貌如虛線橢圓所示。由圖2a可以看出,1#裂紋沿鋁瓶縱向分布,表面裂紋為弧形狀,整個(gè)宏觀斷口呈現(xiàn)明顯的剪切特征,斷口與表面大約成45°。2#鋁合金氣瓶裂紋的疲勞裂紋源明顯,且呈多裂紋源特征,圖2b所示。

2.2 微觀形貌

圖3為1#氣瓶疲勞失效斷口微觀形貌圖。由圖3a可知,裂紋萌生于氣瓶自由表面附近,為單一裂紋源,裂紋源區(qū)面積較小,未發(fā)現(xiàn)夾雜物、孔洞等明顯有利于啟裂的缺陷。在裂紋擴(kuò)展初期,部分解理斷裂和疲勞循環(huán)加載裂紋擴(kuò)展特征非常明顯(圖3b)。疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)域裂紋擴(kuò)展呈放射狀分布,但沒(méi)有觀察到典型的疲勞輝紋,這可能跟疲勞循環(huán)加載試樣過(guò)早斷裂有關(guān),如圖3c、3d所示。

圖3 1#氣瓶斷口微觀形貌Fig.3 Microscopic fracture morphologies of tank 1

圖4為1#氣瓶?jī)?nèi)表面裂紋形貌圖。由圖4可以看到,在裂紋路徑上有多個(gè)明顯的異物,長(zhǎng)度尺寸在0.908 mm～2.662 mm范圍內(nèi),裂紋沿壓入物與基體材料的界面處穿過(guò)。這些硬質(zhì)的壓入物并不是疲勞裂紋起源的位置,而是在擴(kuò)展過(guò)程中起橋接連通作用,從而大大加速了材料的失效進(jìn)程。

圖4 1#氣瓶?jī)?nèi)表面裂紋形貌Fig.4 Inner surface cracks of tank 1

圖5為2#氣瓶疲勞失效斷口微觀形貌圖。在疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),裂紋呈放射性擴(kuò)展態(tài),且可以觀察到明顯的疲勞輝紋和二次裂紋(圖5c箭頭所指),這與1#斷口的觀察結(jié)果不同。

圖5 2#氣瓶斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic fracture morphologies of tank 2

3 措 施

6061鋁合金氣瓶裂紋源位置未發(fā)現(xiàn)夾雜物、孔洞等冶金缺陷,判定疲勞裂紋的產(chǎn)生主要為外來(lái)因素所致,對(duì)此制定以下改進(jìn)措施:外觀進(jìn)行100%檢驗(yàn);對(duì)表面缺陷利用砂紙進(jìn)行打磨,砂紙規(guī)格不低于240目;旋壓前對(duì)內(nèi)外表面吹掃一遍,清除表面可能存在的異物。采取以上措施后生產(chǎn)的6061鋁合金氣瓶的疲勞壽命達(dá)到了客戶要求。

4 結(jié) 論

1)循環(huán)加載過(guò)程中,6061鋁合金氣瓶裂紋源萌生于氣瓶自由表面或個(gè)別粗晶相處,裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜物、孔洞等冶金缺陷,異物壓入導(dǎo)致材料局部應(yīng)力集中,起到橋接聯(lián)通的作用加速材料失效斷裂。

2)在實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)外觀100%檢驗(yàn)、表面打磨及清理后,生產(chǎn)的6061鋁合金氣瓶的疲勞壽命達(dá)到客戶要求,現(xiàn)已進(jìn)入穩(wěn)定供貨階段。