李 煦 李 麗 韓 露 楊 光 劉宗杰

（1 中國運載火箭技術研究院，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，并作為一種理想的結構材料在航空航天領域得到了廣泛的應用［1］。

1420鋁鋰合金鍛件是以1420合金為基體，經過鍛造、機加工、熱處理等一系列的工藝制作而成。該類鍛件一般被運用于關鍵部位，其質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。由于該類鍛件生產周期長、加工難度大、使用位置非常關鍵，因此每次發(fā)生失效均造成了嚴重的影響，其質量可靠性亟待提高。

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

1 1420鍛件典型失效模式

通過對近幾年來1420鍛件發(fā)生的失效故障進行匯總分析后發(fā)現，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鍛件在經車間加工后進行表面處理時發(fā)現部分區(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元素含量高于標準要求，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爐中完成，且全過程需采用氬氣保護與精煉。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］。

生產廠在部分熔次的熔煉過程中會根據需要補加鋁鋯中間合金，而鋯元素熔點高達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，同時如果在補加鋁鋯中間合金后熔體溫度不夠或停留時間過短，則補加的鋁鋯中間合金也不能充分熔化，鋯偏析隨后進入鑄錠，在后續(xù)的鑄造、鍛造、模鍛、熱處理等生產過程中均難以有效發(fā)現及檢測，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，為避免缺陷產生，可從熔煉工藝及配料合金的質量方面進行控制。

1.2 氧化物夾雜

某1420鍛件在進行機加工時發(fā)現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，個別切屑邊緣也存在類似物質；能譜分析結果表明異常物質主要含有Al、Mg、O和少量C元素，缺陷應為鋁、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鋁鋰合金在爐內精煉時向熔體中通入氬氣帶走熔體中的爐渣和氣體，在鑄造時也是采用氬氣對熔體進行保護，但因氬氣中仍然會溶混一定濃度的空氣，因此，熔體與氬氣接觸的表面依然會有程度較輕的氧化發(fā)生，這種氧化夾雜會隨著表面鋁液而流動，裹入熔體中，最終遺留到產品中，形成該類缺陷。

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

1.3 延遲開裂

某1420鍛件在進行機加工時發(fā)現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，裂紋解剖結果表明裂紋起源于距小端端面的內表面，斷口源區(qū)與內表面基本垂直，斷面較平直；擴展區(qū)由緩慢擴展區(qū)及快速擴展區(qū)組成，緩慢擴展區(qū)可見多條＂貝紋線＂存在，快速擴展區(qū)呈＂人字紋＂撕裂形貌，源區(qū)及擴展區(qū)大部分區(qū)域表面存在較嚴重的腐蝕現象［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為鋁的氧化物或其水合物，并存在腐蝕性介質。金相分析結果表明，除內表面存在約10～15 μm的脫鋰層外，其他包括源區(qū)在內的裂紋及斷口表面均未發(fā)現脫鋰層存在，可判斷源區(qū)微裂紋的產生及擴展不可能發(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與鍛件表面存在折疊制造缺陷有關，折疊缺陷是在鍛造變形過程中形成，成形時呈閉合狀態(tài)，水淬時受到拉應力作用缺陷處張口。

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行分析［4－5］，鍛件成形后內表面轉角處及其附近的等效應力最高，達206.5 MPa。由于鍛件在該區(qū)域存在較大的殘余應力，且 1420 鋁鋰合金對應力腐蝕較為敏感［6－7］，在自然環(huán)境下長時間存放過程中，其內表面轉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，繼而在腐蝕及應力腐蝕作用下緩慢擴展直至發(fā)生失穩(wěn)擴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，產生于鍛造階段，后續(xù)可通過機加工進行去除，且可通過相應的檢測手段有效檢出，為避免失效，應從鍛造工藝、成品處理、增加檢測工序等方面進行控制。同時由于缺陷產生原因與該類鍛件的固有屬性有關（內部的高應力及材料的應力腐蝕敏感性），到貨后的存放及加工過程也應進行相應的改進。

2 質量管控措施

1420鍛件的生產工藝流程為：熔煉→鑄造→均勻化熱處理→鑄錠檢測→鑄錠鋸切→加熱→鍛造及預制坯→坯料機加工→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，本文根據失效分析結果，針對成分偏析、氧化物夾雜、延遲開裂三類失效模式，對1420鍛件的各生產工藝流程進行全方位的質量控制并提出改進措施。

2.1 成分偏析管控

成分偏析產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行質量控制：

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

（2）在向感應爐中補加各類中間合金后，適當提高爐內溫度并保持一段時間，保證中間合金完全熔化，防止成分偏析的產生。

2.2 氧化物夾雜管控

氧化物夾雜產生于原材料的爐內精煉和鑄造階段，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行質量控制措施：

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

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

2.3 延遲開裂質量管控

延遲開裂的初始缺陷產生于鍛造階段，可通過相應的檢測手段檢出并去除，同時開裂的原因復雜，與鍛件內應力、成品的處理和倉儲環(huán)境等多方面因素均有關，因此需采取多方面的改進措施進行質量管控。

2.3.1 模鍛

在每次模鍛前加強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)生一個重要的原因就是鍛件殘余應力較高的區(qū)域存在表面缺陷，形成了裂紋源，因此對成品的表面進行處理非常重要。對鍛件成品的內外表面進行車光可有效去除其表面缺陷，同時也使后續(xù)的鍛件表面檢查能夠更加有效。

2.3.3 檢測技術控制

根據延遲開裂的失效分析結果，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。現行的表面檢查手段為目視外觀檢查，不能有效發(fā)現微小的折疊及淬火微裂紋等缺陷，針對這種情況，增加內外表面熒光檢查的項目，可有效避免表面缺陷的漏檢，防止其進一步的危害。

2.3.4 倉儲環(huán)境保障

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

2.3.5 合理化鍛件加工工藝

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

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

3 結論

通過對1420鍛件在供應與加工生產中存在問題的剖析，明確了其機理與原因，提出了以下質量管控措施。

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

（2）材料冶煉時，在向感應爐中補加各類中間合金后，適當提高爐內溫度并保持一段時間，保證中間合金完全熔化，防止成分偏析的產生。

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

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

（5）在每次模鍛前加強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）的產生，防止延遲開裂。

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

（7）增加鍛件成品內外表面熒光檢查的項目，避免表面缺陷的漏檢。

（8）鍛件存放于干燥、通風的庫房，避免露天存放，同時縮短存放時間，在鍛件到貨后盡快進行加工，減少應力腐蝕可能。

（9）鍛件在機加工完成后，及時進行時效處理，消除鍛件內應力。

［1］潘肅.鋁鋰合金的發(fā)展及其工藝特性［J］.航天工藝，1994（5）：40－43.

［2］ 蒲強亨，范云強，羅杰.1420Al－Li合金鑄錠的 DC 鑄造［J］.鋁加工，1999，22（5）：1－5.

［3］褚武揚，喬利杰，陳奇志，等.斷裂與環(huán)境斷裂［M］.北京，科學出版社，2000.

［4］汪凌云，楊文敏，黃光杰，等.1420鋁鋰合金特深模鍛件反擠壓成形過程的熱力耦合有限元分析［J］.稀有金屬材料與工程，2003，32（5）：326－329.

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