李 煦 李 麗 韓 露 楊 光 劉宗杰

（1 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）（2 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

1420鋁鋰合金具有高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成形性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，并作為一種理想的結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

1420鋁鋰合金鍛件是以1420合金為基體，經(jīng)過鍛造、機(jī)加工、熱處理等一系列的工藝制作而成。該類鍛件一般被運(yùn)用于關(guān)鍵部位，其質(zhì)量與可靠性影響巨大。但自2008年以來，其在存放及加工的過程中發(fā)生了多起失效故障。由于該類鍛件生產(chǎn)周期長、加工難度大、使用位置非常關(guān)鍵，因此每次發(fā)生失效均造成了嚴(yán)重的影響，其質(zhì)量可靠性亟待提高。

本文對這些失效故障進(jìn)行了搜集整理，并對故障產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入分析和研究，從鍛件的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、倉儲(chǔ)到加工提出了一系列的質(zhì)量管控措施。

1 1420鍛件典型失效模式

通過對近幾年來1420鍛件發(fā)生的失效故障進(jìn)行匯總分析后發(fā)現(xiàn)，1420鍛件的主要失效模式包括成分偏析、氧化物夾雜、延遲開裂三類。

1.1 成分偏析

某1420鍛件在經(jīng)車間加工后進(jìn)行表面處理時(shí)發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在色差，異常區(qū)域形貌見圖1。

圖1 成分偏析宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of segregation

缺陷處刮取試樣的能譜分析表明，缺陷處的Zr、Cu及Fe元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求，缺陷處存在以Zr元素為主的元素偏析，屬于原材料冶金缺陷，形貌及能譜圖見圖2。

圖2 成分偏析缺陷試樣形貌及能譜圖Fig.2 Morphology and energy spectrum of a sample with segregation

Al－Mg－Li－Zr系 1420 鋁鋰合金的熔煉在中頻感應(yīng)爐中完成，且全過程需采用氬氣保護(hù)與精煉。其中鋁、鎂、鋰的配料均采用高精度的鋁錠、鎂錠和鋰錠，鋯和鈹則以中間合金錠的形式加入［2］。

生產(chǎn)廠在部分熔次的熔煉過程中會(huì)根據(jù)需要補(bǔ)加鋁鋯中間合金，而鋯元素熔點(diǎn)高達(dá)1 852℃，若鋁鋯中間合金錠中鋯含量過高或存在偏析，則其在熔煉過程中不能完全熔化，同時(shí)如果在補(bǔ)加鋁鋯中間合金后熔體溫度不夠或停留時(shí)間過短，則補(bǔ)加的鋁鋯中間合金也不能充分熔化，鋯偏析隨后進(jìn)入鑄錠，在后續(xù)的鑄造、鍛造、模鍛、熱處理等生產(chǎn)過程中均難以有效發(fā)現(xiàn)及檢測，并最終遺留于制品中，從而形成該類缺陷。

綜上所述，該類缺陷屬于熔煉缺陷，產(chǎn)生于原材料熔煉階段，且后續(xù)無法被有效去除和檢出，為避免缺陷產(chǎn)生，可從熔煉工藝及配料合金的質(zhì)量方面進(jìn)行控制。

1.2 氧化物夾雜

某1420鍛件在進(jìn)行機(jī)加工時(shí)發(fā)現(xiàn)表面存在與基體明顯不同的黑色缺陷，缺陷基本呈線狀分布，一端呈不規(guī)則的凹坑狀，其形貌見圖3。

圖3 氧化物夾雜宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of oxide inclusion

將缺陷處刮取的試樣置于掃描電鏡下觀察，切屑中除正常的基體碎屑外，還存在較多的形貌類似氧化物的異常物質(zhì)，個(gè)別切屑邊緣也存在類似物質(zhì)；能譜分析結(jié)果表明異常物質(zhì)主要含有Al、Mg、O和少量C元素，缺陷應(yīng)為鋁、鎂的氧化物及其化合物（MgAl2O4尖晶石類），形貌及能譜圖見圖4。

圖4 氧化物夾雜缺陷試樣形貌及能譜圖Fig.4 Morphology and energy spectrum of a sample with oxide inclusion

1420鋁鋰合金在爐內(nèi)精煉時(shí)向熔體中通入氬氣帶走熔體中的爐渣和氣體，在鑄造時(shí)也是采用氬氣對熔體進(jìn)行保護(hù)，但因氬氣中仍然會(huì)溶混一定濃度的空氣，因此，熔體與氬氣接觸的表面依然會(huì)有程度較輕的氧化發(fā)生，這種氧化夾雜會(huì)隨著表面鋁液而流動(dòng)，裹入熔體中，最終遺留到產(chǎn)品中，形成該類缺陷。

綜上所述，該類缺陷屬于鑄造缺陷，產(chǎn)生于原材料鑄造階段，且后續(xù)無法被有效去除和檢出，為避免缺陷產(chǎn)生，可從鑄造工藝方面進(jìn)行控制。

1.3 延遲開裂

某1420鍛件在進(jìn)行機(jī)加工時(shí)發(fā)現(xiàn)鍛件沿錐體母線存在貫穿性裂紋，其形貌見圖5。

圖5 延遲開裂宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of delayed cracking

采用機(jī)械方法將整條裂紋打開，其斷面宏觀形貌見圖6。裂紋的形態(tài)及走向具有典型的延遲開裂特征，裂紋解剖結(jié)果表明裂紋起源于距小端端面的內(nèi)表面，斷口源區(qū)與內(nèi)表面基本垂直，斷面較平直；擴(kuò)展區(qū)由緩慢擴(kuò)展區(qū)及快速擴(kuò)展區(qū)組成，緩慢擴(kuò)展區(qū)可見多條＂貝紋線＂存在，快速擴(kuò)展區(qū)呈＂人字紋＂撕裂形貌，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)大部分區(qū)域表面存在較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象［3］。

圖6 裂紋打開后宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of cracking inside

斷口表面能譜分析表明，除含有基體元素Al、Mg外，還含有較高的O元素，個(gè)別區(qū)域可見S元素，能譜圖見圖7，可判斷斷口表面的附著物應(yīng)為鋁的氧化物或其水合物，并存在腐蝕性介質(zhì)。金相分析結(jié)果表明，除內(nèi)表面存在約10～15 μm的脫鋰層外，其他包括源區(qū)在內(nèi)的裂紋及斷口表面均未發(fā)現(xiàn)脫鋰層存在，可判斷源區(qū)微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展不可能發(fā)生在固溶高溫淬火處理之前，而其附近可見多處折疊缺陷，推斷其形成的原因應(yīng)與鍛件表面存在折疊制造缺陷有關(guān)，折疊缺陷是在鍛造變形過程中形成，成形時(shí)呈閉合狀態(tài)，水淬時(shí)受到拉應(yīng)力作用缺陷處張口。

圖7 斷口區(qū)域能譜圖Fig.7 Energy spectrum of fracture zone

通過有限元對該類鍛件的成形進(jìn)行分析［4－5］，鍛件成形后內(nèi)表面轉(zhuǎn)角處及其附近的等效應(yīng)力最高，達(dá)206.5 MPa。由于鍛件在該區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力，且 1420 鋁鋰合金對應(yīng)力腐蝕較為敏感［6－7］，在自然環(huán)境下長時(shí)間存放過程中，其內(nèi)表面轉(zhuǎn)角處及附近存在的表面缺陷因張口較易積存水及腐蝕性介質(zhì)，繼而在腐蝕及應(yīng)力腐蝕作用下緩慢擴(kuò)展直至發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展從而形成宏觀貫穿裂紋。綜上所述，該類缺陷屬于表面缺陷，產(chǎn)生于鍛造階段，后續(xù)可通過機(jī)加工進(jìn)行去除，且可通過相應(yīng)的檢測手段有效檢出，為避免失效，應(yīng)從鍛造工藝、成品處理、增加檢測工序等方面進(jìn)行控制。同時(shí)由于缺陷產(chǎn)生原因與該類鍛件的固有屬性有關(guān)（內(nèi)部的高應(yīng)力及材料的應(yīng)力腐蝕敏感性），到貨后的存放及加工過程也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

2 質(zhì)量管控措施

1420鍛件的生產(chǎn)工藝流程為：熔煉→鑄造→均勻化熱處理→鑄錠檢測→鑄錠鋸切→加熱→鍛造及預(yù)制坯→坯料機(jī)加工→加熱→模鍛→熱處理→成品。為避免上述失效問題，保證該類鍛件的正常使用，本文根據(jù)失效分析結(jié)果，針對成分偏析、氧化物夾雜、延遲開裂三類失效模式，對1420鍛件的各生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行全方位的質(zhì)量控制并提出改進(jìn)措施。

2.1 成分偏析管控

成分偏析產(chǎn)生于原材料熔煉階段，后續(xù)無法被有效檢出或去除，因此需對冶煉的原料和工藝進(jìn)行質(zhì)量控制：

（1）生產(chǎn)廠家建立原料供應(yīng)商合格名錄，對原料供應(yīng)商提供的各類中間合金錠的成分和質(zhì)量進(jìn)行考核，使用優(yōu)質(zhì)原料進(jìn)行1420合金的冶煉；

（2）在向感應(yīng)爐中補(bǔ)加各類中間合金后，適當(dāng)提高爐內(nèi)溫度并保持一段時(shí)間，保證中間合金完全熔化，防止成分偏析的產(chǎn)生。

2.2 氧化物夾雜管控

氧化物夾雜產(chǎn)生于原材料的爐內(nèi)精煉和鑄造階段，后續(xù)也無法被有效檢出或去除，主要對其精煉和鑄造的工藝進(jìn)行質(zhì)量控制措施：

（1）加大氬氣在結(jié)晶器中的流動(dòng)空間，提高關(guān)鍵部位的熔體保護(hù)效果，最大程度減少氧化的發(fā)生；

（2）在鑄造過程中加強(qiáng)對熔體狀態(tài)的監(jiān)控，確保徹底清除熔體表面的氧化浮渣，防止其進(jìn)入下一道工序形成氧化物夾雜。

2.3 延遲開裂質(zhì)量管控

延遲開裂的初始缺陷產(chǎn)生于鍛造階段，可通過相應(yīng)的檢測手段檢出并去除，同時(shí)開裂的原因復(fù)雜，與鍛件內(nèi)應(yīng)力、成品的處理和倉儲(chǔ)環(huán)境等多方面因素均有關(guān)，因此需采取多方面的改進(jìn)措施進(jìn)行質(zhì)量管控。

2.3.1 模鍛

在每次模鍛前加強(qiáng)對使用沖頭表面的檢查和清理，以減少1420鍛件中的裂紋源（折疊缺陷），防止延遲開裂。

2.3.2 成品處理

1420鍛件延遲開裂的發(fā)生一個(gè)重要的原因就是鍛件殘余應(yīng)力較高的區(qū)域存在表面缺陷，形成了裂紋源，因此對成品的表面進(jìn)行處理非常重要。對鍛件成品的內(nèi)外表面進(jìn)行車光可有效去除其表面缺陷，同時(shí)也使后續(xù)的鍛件表面檢查能夠更加有效。

2.3.3 檢測技術(shù)控制

根據(jù)延遲開裂的失效分析結(jié)果，鍛件表面缺陷未能有效檢出是后續(xù)發(fā)生開裂的重要原因之一?，F(xiàn)行的表面檢查手段為目視外觀檢查，不能有效發(fā)現(xiàn)微小的折疊及淬火微裂紋等缺陷，針對這種情況，增加內(nèi)外表面熒光檢查的項(xiàng)目，可有效避免表面缺陷的漏檢，防止其進(jìn)一步的危害。

2.3.4 倉儲(chǔ)環(huán)境保障

1420鍛件在生產(chǎn)廠家到貨之后和車間進(jìn)行加工之前，有一段存放時(shí)間，而鍛件本身存在較高殘余應(yīng)力且對應(yīng)力腐蝕較為敏感，針對這種情況，提出：1420鍛件應(yīng)存放于干燥、通風(fēng)的庫房，避免露天存放，同時(shí)應(yīng)縮短存放時(shí)間，在鍛件到貨后盡快進(jìn)行加工，減少應(yīng)力腐蝕可能。

2.3.5 合理化鍛件加工工藝

1420鍛件交由車間進(jìn)行機(jī)加工和熱處理最終達(dá)到零部件使用狀態(tài)，其加工工藝同樣會(huì)影響鍛件的質(zhì)量與可靠性。

1420鍛件在進(jìn)行機(jī)加工的過程中，出于最終零部件形狀的需要，鍛件表面部分區(qū)域會(huì)被加工成臺(tái)階、尖角等較為尖銳的形狀，由于該類鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，而表面尖銳部分又會(huì)造成應(yīng)力集中，因此在長時(shí)間的存放過程中可能會(huì)有開裂的危險(xiǎn)。為減小鍛件開裂傾向，車間應(yīng)在機(jī)加工完成后，及時(shí)對鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，消除鍛件內(nèi)應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過對1420鍛件在供應(yīng)與加工生產(chǎn)中存在問題的剖析，明確了其機(jī)理與原因，提出了以下質(zhì)量管控措施。

（1）生產(chǎn)廠家建立原料供應(yīng)商合格名錄，對原料供應(yīng)商提供的各類中間合金錠的成分和質(zhì)量進(jìn)行考核，使用優(yōu)質(zhì)原料進(jìn)行1420合金的冶煉。

（2）材料冶煉時(shí)，在向感應(yīng)爐中補(bǔ)加各類中間合金后，適當(dāng)提高爐內(nèi)溫度并保持一段時(shí)間，保證中間合金完全熔化，防止成分偏析的產(chǎn)生。

（3）精煉時(shí)，加大氬氣在結(jié)晶器中的流動(dòng)空間，提高關(guān)鍵部位的熔體保護(hù)效果，最大程度減少氧化的發(fā)生。

（4）在鑄造過程中加強(qiáng)對熔體狀態(tài)的監(jiān)控，確保徹底清除熔體表面的氧化浮渣，防止其進(jìn)入下一道工序形成氧化物夾雜。

（5）在每次模鍛前加強(qiáng)對使用沖頭表面的檢查和清理，減少1420鍛件中的折疊缺陷（裂紋源）的產(chǎn)生，防止延遲開裂。

（6）對鍛件成品的內(nèi)外表面進(jìn)行車光處理，去除其表面缺陷（裂紋源），同時(shí)也使后續(xù)的鍛件表面檢查能夠更加有效。

（7）增加鍛件成品內(nèi)外表面熒光檢查的項(xiàng)目，避免表面缺陷的漏檢。

（8）鍛件存放于干燥、通風(fēng)的庫房，避免露天存放，同時(shí)縮短存放時(shí)間，在鍛件到貨后盡快進(jìn)行加工，減少應(yīng)力腐蝕可能。

（9）鍛件在機(jī)加工完成后，及時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理，消除鍛件內(nèi)應(yīng)力。

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