超硬鋁合金蓋子爆裂原因分析及工藝改進

■張英

彈射座椅是飛行員在出現緊急情況時應急救生的主要裝置。某廠生產的某型彈射座椅殼體組件中的蓋子零件，設計使用材料和熱處理狀態為LC9CS（7A09 T6），技術條件為GB/T3191—1998。從20世紀70年代定型生產至今，原材料一直定點從某國營大廠采購，回廠后不再進行熱處理。加工完成組裝后，整個殼體組件需進行模擬油壓驗收試驗，設計耐壓強度為≥23.5MPa。廠內的加工過程一直嚴格執行 “定設備、定工藝、固定專人加工”的“三定”原則，近30年來該產品的質量一直較穩定。

某批次的殼體組件加工完成后，在進行模擬耐壓自檢試驗時，有兩發殼體在剛達到規定載荷后就發生了破壞，爆裂件均為蓋子零件。為分析蓋子爆裂的原因，進一步探索超硬鋁合金組織與性能的關系，我公司進行了大量的對比試驗分析。

本次提交模擬耐壓試驗的蓋子共兩個批次，每個批次參與耐壓試驗的蓋子零件有20個。開裂的4個蓋子使用的均為A批次的原材料，同時試驗的B批次原材料加工的所有蓋子均完好。B批次原材料為庫存剩余材料，用其加工的產品在連續兩年的軍檢驗收中都合格，A批次材料為首次使用。經查，1999年蓋子零件也發生過一批類似的開裂事故，故對本次和1999年爆裂的蓋子碎片一并進行了對比分析。

1. 斷口宏觀分析

本次碎裂的4個蓋子宏觀形貌相似，橫向均從蓋子壁上第一條螺紋的底徑處向外斷裂；縱向從六方螺母根部圓角處碎裂（見圖1）?？v向斷口呈纖維狀（見圖2），橫向斷口呈細膩的結晶狀（見圖3）。1999年爆裂蓋子的碎裂部位及斷口形貌均與本次失效件十分相似（見圖4）。斷口平整干凈，所有斷面上均未發現材料夾雜等冶金缺陷。

2. 顯微組織分析

圖1 碎裂蓋子宏觀形貌

取本次開裂的蓋子碎片3件， 1999年開裂的蓋子碎片2件以及A批次原材料和B批次原材料高倍試樣各兩件，進行顯微組織檢查。所有試樣的顯微組織均為正常的α+強化相組織，均未發現過燒組織，顯微組織均符合GB/T3191—1998技術條件要求。通過組織對比發現，本次失效的蓋子碎片和1999年開裂蓋子碎片的顯微組織具有一個共同特征，就是顯微組織中的強化相數量較多，且有明顯的沿晶分布特征。顯微組織如圖5~圖7所示。

3. 能譜分析

對本次及1999年碎裂蓋子的晶界物質進行了能譜分析，發現晶界物質為材料的強化相，主要是Mg/Zn相、Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相等。

4. 原材料化學成分及力學性能檢測

分別取三批材料的蓋子碎片，進行化學成分對比試驗，如表1所示，化學成分均符合技術條件要求。

原材料入廠復驗時的力學性能檢測結果及組織不良根力學性能對比（見表2）?？梢?，組織不良根棒材的綜合力學性能顯著下降，但均符合GB/T3191—1998技術條件要求。

在A批次材料中挑選組織形態不同的棒材進行力學性能對比試驗，發現同批材料不同組織形態（晶界的多少、強化相的數量及分布不同）的棒材上，力學性能特別是強度差異較大。顯微組織中強化相有沿晶分布特征的棒材，其強度顯著下降。

5. 分析與討論

對于鋁合金的顯微組織，目前的標準無論是國標還是國軍標，均只要求檢查有無過燒組織。對第二相（強化相）的大小、多少及分布形態均無量化要求。按照標準要求本次試驗中所有試樣的顯微組織均合格。

圖2 縱向斷口形貌

圖3 橫向斷口形貌

圖4 1999年碎裂蓋子形貌

圖5 本次失效零件顯微組織

圖6 1999年碎裂蓋子顯微組織（200×）

圖7 正常零件顯微組織

在失效的A批次材料中，挑選出強化相分布狀態不同的棒材，進行了力學性能對比試驗以及產品承壓能力試驗。發現不同組織形態（晶界的多少、強化相的分布及數量不同）的棒料，力學性能差異較大。顯微組織中強化相有沿晶分布特征的棒材，其強度顯著下降，由該棒材加工的產品，部分成品達不到設計要求強度。但是，所有被檢棒材的力學性能指標也都符合GB/T3191—1998技術條件要求，甚至也都符合GJB2054的要求。材料在入廠復驗時只進行抽樣檢查，A批材料復驗時被抽檢的兩根棒材的強度很高，然而同批材料里存在著強度偏低的棒材，由此加工的產品在耐壓試驗時，承載能力不足就暴露了出來。

針對以上檢測結果，我們協同材料廠家的技術人員，對A、B兩批材料的整個冶煉和生產過程進行了追溯。發現B批材料使用的是按國軍標訂貨的軍品專用大鑄錠坯（φ630mm錠），并且鑄錠在擠壓成形前還經過了460℃×24h的均勻化處理。A批原材料用的是按國標訂貨的小鑄錠坯（φ482mm錠），未進行均勻化處理。追溯棒材的熱處理過程記錄還發現，B批棒材使用的固溶溫度偏上限約475℃，最高溫度達到過480℃，而A批棒材的固溶溫度為465℃。

分析認為：失效零件上沿晶界分布的強化相組織為殘余可溶結晶相。通過均勻化處理可以使這種非平衡凝固形成枝晶網組織基本上轉變成為均勻化組織，使晶內和晶界的強化相得以充分溶解，未溶的殘留相也得到了不同程度的球化。這種均勻化組織不僅有利于合金的壓力加工，還有利于合金固溶溫度的提高，不易產生過燒和組織粗大，提高固溶體的過飽和程度，增強材料時效強化效果。另外，大鑄錠在擠壓成同等規格的棒材時，它的破碎度和變形程度要比小鑄錠大，吸收的儲能多，在相同溫度下，第二相溶于固溶體的速度較快，固溶體的過飽和程度較高。失效件使用的A批原材料，鑄錠尺寸偏小，純凈度也不如軍標鑄坯好，又未進行均勻化處理，固溶淬火溫度也偏低等因素，使得部分鑄態的枝晶網組織未被徹底打破，偏析的組織未被充分溶解和擴散而殘留了下來，導致棒材和成品的力學性能降低。

表1 化學成分（質量分數） （%）

表 2

6. 預防改進措施

在進行了充分論證的基礎上，雙方重新鑒定了蓋子材料的專用技術協議，增加了鑄錠的均勻化處理要求，將技術條件由原來GB/T3191—1998改為GJB2054—1994，并按高強度組別驗收。對按照新簽訂的技術協議采購回來的LC9CS材料，除進行常規的入廠復驗外，還增加了先鋒批試加工和耐壓試驗要求。即對每批新進廠的材料，按專用技術協議驗收合格后，正式投產使用前，必須在每根棒材的頭部取樣加工一件蓋子產品，組成先鋒批。先鋒批的產品加工完成后，要進行模擬耐壓試驗，100%合格后本批材料才能投入使用（第一次做先鋒批時，每根棒材的頭尾各取了一件產品進行耐壓試驗，頭尾的樣件耐壓試驗結果無明顯差異）。使用新的技術協議已連續采購了兩批LC9CS原材料，均未再發現以上的不良組織，力學性能及耐壓驗收也均合格，取得了良好效果。