2A14合金輪轂疲勞開裂成因分析

孫 娜，何 勇，黃啟波，李 霜

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

輪轂是飛機(jī)起落架、機(jī)輪的重要組成構(gòu)件，是飛機(jī)起飛、滑行降落的主要受力構(gòu)件。輪轂的強(qiáng)度對飛機(jī)的安全和性能至關(guān)重要[1]。高強(qiáng)度的受力、復(fù)雜多變的服役環(huán)境，都對飛機(jī)輪轂的制造工藝及材料特性，提出了較高的要求。資料表明，目前飛機(jī)機(jī)輪使用過程中，80%的飛機(jī)輪轂故障原因為疲勞失效，它是引起飛機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)失效的最主要原因之一[2]。2A14鋁合金屬Al-Cu-Mg-Si 系鍛鋁，是鍛鋁中的典型合金，具有高強(qiáng)度、髙硬度的特點(diǎn)。該合金的銅元素含量和硬鋁相當(dāng)，所以也叫高強(qiáng)度硬鋁合金。2A14 合金是目前用于制造飛機(jī)輪轂的主要合金之一。

某公司生產(chǎn)的2A14-T6合金飛機(jī)輪轂在進(jìn)行疲勞滾轉(zhuǎn)實(shí)驗時，發(fā)生了開裂現(xiàn)象。本文主要對此類2A14合金輪轂開裂原因進(jìn)行了綜合分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對該公司2A14輪轂鍛件的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 試驗方法

斷口面分析：觀察輪轂開裂部位，切取開裂部位斷口，置于酒精溶液中進(jìn)行超聲清洗。清潔后用HitachiS-400掃描電鏡進(jìn)行微觀斷口觀察，加速電壓為20 kV；采用牛津X-Max能譜儀進(jìn)行成分分析。

顯微組織分析：切取開裂處裂紋源部位，鑲樣，采用自動磨樣機(jī)磨制縱截面，采用凱勒試劑進(jìn)行浸蝕；采用Leica DM 4000M 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察；采用HitachiS-400掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察，加速電壓為20 kV；采用牛津X-Max能譜儀進(jìn)行成分分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 斷口面分析

圖1 為2A14-T6 飛機(jī)輪轂疲勞失效宏觀形貌圖。經(jīng)宏觀觀察分析，圖1（a）中方框部位為輪轂疲勞開裂部位，開裂部位的裂紋源為圖1（b）中圓圈標(biāo)注部位。

圖1 飛機(jī)輪轂開裂部位宏觀形貌圖

切取圖1（b）的斷口面進(jìn)行掃描電鏡形貌分析和能譜分析，裂紋源部位掃描電鏡形貌見圖2。圖2（c）圈內(nèi)為裂紋源，圖2（a）為裂紋源部位的二次電子形貌圖，圖2（b）為裂紋源部位的背散射形貌圖。由圖2可知，裂紋源部位存在聚集分布的θ 相（Al2Cu），聚集分布的化合物尺寸約為105 μm×45 μm。疲勞裂紋起源于化合物聚集區(qū)域并向周圍徑向擴(kuò)展，斷口面呈典型的準(zhǔn)解理斷裂特征。

圖2 斷口面掃描電鏡形貌及能譜結(jié)果

2.2 顯微組織分析

取樣品裂紋源部位、磨制縱截面，樣品縱截面金相顯微組織見圖3。圖4為其掃描電鏡圖及典型化合物能譜結(jié)果。

圖3 縱截面金相顯微組織

圖4 樣品縱截面掃描電鏡圖及其能譜結(jié)果

由圖3可知，在輪轂裂紋源處縱截面顯微組織中，存在較多大尺寸化合物聚集團(tuán)，且較多化合物聚集團(tuán)的長徑尺寸超過100 μm。圖4（b）中顏色發(fā)亮的化合物（箭頭c 所指位置）的能譜結(jié)果如圖4（c）所示，主要為θ相（Al2Cu）；圖4（b）中顏色發(fā)灰的化合物（箭頭d所指位置）的能譜結(jié)果如圖4（d）所示，主要為Al12（MnSi）2（FeCu）相。

3 討論

試驗結(jié)果表明，輪轂開裂部位未見夾雜、氧化膜等冶金缺陷，未見過燒現(xiàn)象，但開裂部位存在聚集分布且尺寸較大的化合物。輪轂縱截面的基材組織中也存在化合物沿晶界聚集分布，且尺寸較大。由此可見，聚集分布的化合物引起了輪轂的疲勞開裂。

大量研究表明，金屬中的夾雜物、氧化膜等冶金缺陷、大尺寸聚集分布的化合物等缺陷組織的存在都會影響金屬構(gòu)件的使用壽命。基體中化合物的存在會破會基材的連續(xù)性，且飛機(jī)輪轂需要淬火處理，淬火過程中的溫度變化及相對較快的冷卻速度會使大尺寸聚集分布的化合物的界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，該應(yīng)力不僅會促進(jìn)界面間孔隙的產(chǎn)生，且被證明在疲勞加載過程中會對材料的力學(xué)行為產(chǎn)生影響，從而最終影響了受力構(gòu)件的使用壽命[3-4]。化合物尺寸的增加與其距離表面距離的增加、化合物的邊角過于尖銳等因素都會降低材料的疲勞性能[5-7]。大尺寸聚集分布的化合物的存在，則可能在輪轂使用過程中導(dǎo)致其斷裂，最終導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

根據(jù)金屬凝固原理，金屬中化合物的存在無法避免，但可以通過熱處理、變形、成分優(yōu)化等方式，減少化合物的數(shù)量，改變化合物形貌和尺寸，避免大尺寸、邊角尖銳的化合物的存在。目前針對鍛件化合物尺寸較大、破碎不充分問題，較多文獻(xiàn)指出應(yīng)采用先擠壓后鍛造的方式增加變形量，使化合物破碎的更充分。但采用先擠壓后鍛造的方式不僅會增大變形量，導(dǎo)致鍛件表層粗晶層深度增大，降低輪轂表層的強(qiáng)度，而且輪轂鍛件的過度加工會破壞輪轂鍛件流線。因此，通過先鍛造后擠壓的方式增加化合物的破碎程度，也會存在降低輪轂使用壽命的問題。

根據(jù)對輪轂鍛件的多輪工藝優(yōu)化，總結(jié)出以下工藝優(yōu)化方案。該方案不僅將90%的化合物尺寸控制在10 μm以下，同時也提高了鍛件的綜合力學(xué)性能。

（1）成分優(yōu)化：嚴(yán)格控制Fe、Si 元素的含量，降低Cu元素的含量。2A14合金中，少量的Fe元素可以細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度；但Fe 元素在鋁合金中的溶解度較低，隨著鐵含量的增加，易形成含F(xiàn)e 的化合物，該化合物一般尺寸較大、難以通過熱處理的方式減少。元素Si可以改善鑄造鋁合金的鑄造性能和耐磨性，隨Si 元素含量的增加，2A14合金中Q相的含量也增加[8]。2A14合金中，Cu元素含量越高，θ相的含量越高。可通過嚴(yán)格控制Fe、Si 等雜質(zhì)相的含量、降低Cu 元素的含量來減少化合物的形成。

（2）熱處理工藝優(yōu)化。Cu元素含量的降低減少了化合物的數(shù)量，但也導(dǎo)致2A14 合金強(qiáng)度降低。可通過優(yōu)化熱處理工藝，提高鍛件的強(qiáng)度：①固溶強(qiáng)化：工業(yè)化應(yīng)用中，在不過燒和晶粒不過分粗大的情況下，提高固溶溫度或固溶時長，盡可能獲得最大過飽和程度的固溶體，可提高合金強(qiáng)度；②時效強(qiáng)化：時效過程中會析出彌散分布的亞穩(wěn)定沉淀相，延長時效時長或提高時效溫度（應(yīng)不超過180 ℃）會增加析出的沉淀相的體積分?jǐn)?shù)，從而提高合金的強(qiáng)度。但時效時間不宜過長，時效時間過長，沉淀相的尺寸不斷長大，數(shù)量逐漸減少，對合金的強(qiáng)化作用逐漸減小，引起了合金的過時效，導(dǎo)致力學(xué)性能降低[9]。

4 結(jié)論

（1）試驗分析表明，大尺寸、聚集存在的化合物會引起輪轂疲勞開裂。化合物尺寸的增加與其距離表面距離的增加以及化合物的邊角過于尖銳，都會引起應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致輪轂鍛件疲勞開裂。

（2）通過成分控制、熱處理工藝優(yōu)化，在有效控制粗晶的前提下增大鍛件變形量等手段可以減少粗大化合物或化合物聚集團(tuán)的形成，避免化合物相邊角尖銳，進(jìn)而提高輪轂鍛件的力學(xué)性能，延長其使用壽命。