劉宗杰 李 煦 李 麗 逄錦程 王志河

（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）

文 摘 為研究航天用1420鋁鋰合金底遮板表面產(chǎn)生異常亮斑的形成原因，對異常痕跡進(jìn)行了組織分析、形貌觀察、斷口能譜分析、顯微硬度測試、化學(xué)成分檢測。結(jié)果表明：底遮板表面的異常痕跡貫穿壁厚，該區(qū)域組織成分異常，為光亮晶缺陷。結(jié)合底遮板所用原材料生產(chǎn)工藝分析，發(fā)現(xiàn)此光亮晶是1420鋁鋰合金鑄錠在熔鑄過程中形成的，屬冶金類缺陷，在磷酸陽極化過程中，由于缺陷處膜層質(zhì)量較差形成了宏觀顯現(xiàn)的亮斑。

0 引言

由于航天輕量化需求不斷提高，發(fā)展高強(qiáng)輕質(zhì)合金進(jìn)行減重是國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域長期密切關(guān)注的熱點[1]。目前為止，鋰是世界上發(fā)現(xiàn)最輕的金屬元素，前期研究發(fā)現(xiàn)，向鋁合金基體中每添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Li，可降低該合金密度3%，彈性模量上升5%～6%。1420鋁鋰合金（Al-Mg-Li-Zr）是前蘇聯(lián)于20世紀(jì)60年代在LF6防銹鋁合金基礎(chǔ)上添加1.8%～2.2%的Li研制而成的合金。鋁鋰合金的屈服極限一般為280 MPa，斷裂極限一般為430 MPa，彈性模量在75 GPa以上，延伸率為8%～10%，密度為2.48～2.50 g/cm3，與常規(guī)鋁合金相比，它具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、良好的抗腐蝕和高溫力學(xué)性能等優(yōu)點[2-4]，已成為現(xiàn)代航空航天器材設(shè)計中最具競爭力的材料之一，顯示出廣闊的應(yīng)用前景[5]。

某產(chǎn)品用底遮板，在經(jīng)磷酸陽極化處理后，表面出現(xiàn)了異常白色亮斑，經(jīng)現(xiàn)場查看，底遮板上下表面均出現(xiàn)一處條狀亮斑。此底遮板所用材料為1420鋁鋰合金，技術(shù)條件為Q/SWA 12412-2004。此底遮板用于彈箭關(guān)鍵部位，一旦在使用過程中失效將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

本文通過對底遮板問題件進(jìn)行組織分析、形貌觀察、斷口能譜分析、顯微硬度測試、化學(xué)成分檢測，定位了亮斑缺陷類型，并結(jié)合此1420鋁鋰合金的生產(chǎn)工藝，對異常亮斑產(chǎn)生原因進(jìn)行定位，并分析其失效機(jī)理。

1 試驗分析

1.1 表面形貌觀察

經(jīng)目視觀察，底遮板表面覆有一層連續(xù)致密的陽極化膜，呈暗灰色。底遮板上表面距圓心約190 mm處存在一異常亮斑，呈白色條狀，尺寸約為22 mm×5 mm，在另一表面對應(yīng)區(qū)域附近亦有一處亮斑存在，底遮板其他區(qū)域表面未見異常。置于體式顯微鏡下進(jìn)一步將亮斑放大觀察，可見亮斑所在位置的陽極化膜較薄，質(zhì)量較差，如圖1所示。用砂紙對異常痕跡進(jìn)行表面打磨，打磨后亮斑不再顯現(xiàn)，采用酸液對打磨區(qū)域浸蝕后，亮斑復(fù)現(xiàn)，圖2所示為酸液浸蝕后顯現(xiàn)的亮斑，由此可見，此底遮板上下表面出現(xiàn)的亮斑有一定深度，應(yīng)是非表面缺陷。

圖1 底遮板表面亮斑宏觀形貌圖Fig.1 Macro morphology of the bright spot on the surface of bottom cover

圖2 亮斑經(jīng)打磨后的形貌圖Fig.2 Morphology of the bright spot after sanding

1.2 截面形貌及能譜分析

為進(jìn)一步觀察亮斑深度，將底遮板機(jī)械剖切以取亮斑截面處進(jìn)行制樣，將截面拋光并浸蝕后，置于金相顯微鏡下觀察，其截面形貌如圖3所示?？煽闯?，無亮斑的正常區(qū)域呈淺灰色，而亮斑區(qū)域則呈暗灰色，顏色較正常區(qū)域略深。亮斑呈平行四邊形貫穿壁厚，與板面呈22°角分布，經(jīng)測量上表面寬約2.4 mm，下表面寬約2.2 mm。由此確認(rèn)，此底遮板上下表面出現(xiàn)的亮斑非表面缺陷，其深度貫穿壁厚，為內(nèi)部缺陷。將截面試樣置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，背散射電子圖像見圖4（a），異常痕跡區(qū)域與其他痕跡區(qū)域未見明顯差異，對其進(jìn)行線掃描能譜分析，可見異常痕跡區(qū)域Mg元素略微偏低，線掃描結(jié)果見圖4（b），該區(qū)域Mg元素含量為4.6%，略低于正常區(qū)域（Mg：5.7%），但滿足技術(shù)條件要求（Mg：4.5%～6.0%），其他元素含量未見異常。

圖3 亮斑區(qū)域截面形貌圖Fig.3 Cross-sectional morphology of the bright spot

圖4 樣品截面的背散射電子圖像及線掃描Mg、Al元素分布Fig.4 Back scattered-electron image of polished cross-section of the sample and element distribution of Mg and Al by line scan

1.3 金相組織觀察

采用金相電鏡對亮斑截面組織進(jìn)行觀察，可見異常區(qū)域處組織與其他區(qū)域存在差異，正常區(qū)域為細(xì)小α組織，異常痕跡區(qū)域晶粒相對粗大，析出相相對偏少，為光亮晶組織，未見過燒現(xiàn)象，見圖5。

圖5 樣品亮斑區(qū)域的光亮晶組織及正常區(qū)域的金相組織Fig.5 Bright crystalline structure of the bright spot and microstructure of normal area of the sample

1.4 顯微硬度測試

在試樣的異常痕跡區(qū)域與其他正常區(qū)域分別再取5處進(jìn)行顯微硬度測試（HV0.05），測試結(jié)果顯示：異常區(qū)域的顯微硬度值為115～118，平均值為117；正常區(qū)域的顯微硬度值為112～122，平均值為117?？梢姰惓：圹E處與其他正常區(qū)域硬度未見差異。

1.5 化學(xué)成分分析

對異常區(qū)域及正常區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明異常痕跡處Mg含量略微偏低，但成分在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)，其他元素含量未見明顯差異，與能譜分析結(jié)果一致。

表1 化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition w/%

2 分析與討論

通過觀察與分析，底遮板在磷酸陽極化后表面出現(xiàn)的條狀亮斑經(jīng)打磨不再顯現(xiàn)，酸液浸蝕后復(fù)現(xiàn)，結(jié)合截面觀察發(fā)現(xiàn)，此白色亮斑呈平行四邊形貫穿壁厚，為內(nèi)部缺陷。化學(xué)分析及能譜成分分析結(jié)果表明，亮斑區(qū)域的Mg含量元素略低于正常區(qū)域。亮斑區(qū)域的顯微硬度與其他區(qū)域未見差異，而組織成分與其他區(qū)域存在差異：亮斑區(qū)域晶粒相對粗大，不同于正常區(qū)域的細(xì)小α組織，為光亮晶組織。

光亮晶粒主要形成于材料熔鑄過程，主要有兩種途徑[6-9]：一是合金在鑄造時，分流盤的漏斗底部可能生成合金元素含量較低的樹枝狀晶體，當(dāng)鑄造溫度較低時，分流盤底部的結(jié)晶體不斷長大，直到質(zhì)量過大墜落至液穴底部成為浮游晶；二是鑄造機(jī)發(fā)生振動時，結(jié)晶體可能被抖落至液穴底部，與熔體一起凝固成鑄錠，形成光亮晶粒。

此底遮板所用原材料為1420鋁鋰合金，其生產(chǎn)工藝流程為：熔鑄→鑄錠檢測→鍛造加工→熱處理。經(jīng)工藝復(fù)查，此批1420鋁鋰合金采用的是雙模鑄造工藝，即兩根鑄錠共用同一結(jié)晶器蓋板和鑄造機(jī)平臺。在鑄造過程中，一側(cè)鑄錠發(fā)生了開裂，開裂引起的振動通過鑄造機(jī)平臺、結(jié)晶器蓋板等工裝傳遞至另一側(cè)結(jié)晶器內(nèi)，造成分流盤抖動，進(jìn)而使分流盤底部的結(jié)晶體墜落，隨液穴凝固后形成光亮晶粒。

綜上，底遮板在陽極化后表面出現(xiàn)亮斑的原因是該批底遮板用鑄錠在雙模鑄造的過程中其中一側(cè)發(fā)生了開裂，開裂產(chǎn)生的振動使另一側(cè)鑄錠結(jié)晶器內(nèi)分流盤底部的結(jié)晶體發(fā)生墜落，產(chǎn)生了光亮晶粒。光亮晶粒在后續(xù)的均勻化處理、鍛造變形和熱處理過程中均無法完全去除，遺留至鍛件成品中形成了晶粒粗大、合金元素含量偏低的異常區(qū)域。在磷酸陽極化的過程中，該異常區(qū)域的氧化速率與正常區(qū)域有所不同，陽極化后區(qū)域膜層質(zhì)量較差，存在色差，宏觀上即表現(xiàn)為亮斑缺陷。

3 改進(jìn)措施

為防止后續(xù)底遮板產(chǎn)品中再次出現(xiàn)光亮晶缺陷，采取以下措施可有效避免：（1）嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，尤其在鑄造過程中嚴(yán)密監(jiān)控工藝參數(shù)，防止鑄造過程中發(fā)生鑄錠開裂；（2）450 mm雙模鑄造時，當(dāng)一側(cè)鑄錠發(fā)生開裂，另一側(cè)鑄錠的對應(yīng)位置起下移200 mm（液穴深度150 mm）范圍內(nèi)切除報廢。

4 結(jié)論

底遮板在磷酸陽極化后表面出現(xiàn)的條狀亮斑為光亮晶缺陷，呈平行四邊形貫穿壁厚。亮斑區(qū)域的顯微硬度與其他區(qū)域未見差異，而組織成分存在差異：亮斑區(qū)域的Mg含量元素略低于正常區(qū)域；正常區(qū)域為細(xì)小α組織，亮斑區(qū)域晶粒相對粗大，析出相相對偏少，為光亮晶組織。結(jié)合此底遮板所用原材料1420鋁鋰合金的生產(chǎn)工藝流程分析，此光亮晶缺陷形成于原材料熔鑄過程。此批1420鋁鋰合金采用的是雙模鑄造工藝，鑄錠在雙模鑄造過程中其中一側(cè)發(fā)生開裂，使另一側(cè)鑄錠結(jié)晶器內(nèi)分流盤底部的結(jié)晶體振動墜落，隨液穴凝固后形成光亮晶粒。光亮晶粒在后續(xù)的均勻化處理、鍛造變形和熱處理過程中均無法完全去除，遺留至鍛件成品中形成了組織成分異常的亮斑。亮斑區(qū)域晶粒粗大、合金元素含量偏低，其氧化速率與正常區(qū)域有所不同，經(jīng)磷酸陽極化后該區(qū)域膜層質(zhì)量較差，存在色差，宏觀上即表現(xiàn)為亮斑缺陷。