朱 凱,譚 瑤,鄭 旭,杜 娟,李劍飛
(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都 610091;2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401326)
航空導(dǎo)管作為各種流體的輸送管路,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的液壓系統(tǒng)、燃油及環(huán)控系統(tǒng)中,對(duì)飛機(jī)的正常工作起著重要作用。5A02鋁合金管材是國(guó)內(nèi)飛機(jī)上普遍采用的鋁合金導(dǎo)管材料。近年來(lái),5A02鋁合金導(dǎo)管在制造和服役過(guò)程中多次暴露質(zhì)量問(wèn)題。本文作者針對(duì)5A02-O鋁合金管材在生產(chǎn)過(guò)程中存在的擴(kuò)口折疊、彎曲橘皮和表面白斑等缺陷進(jìn)行分析,探究其產(chǎn)生的原因,提出了改進(jìn)措施,并驗(yàn)證了改進(jìn)效果。
管材擴(kuò)口內(nèi)表面折疊缺陷主要出現(xiàn)在外徑8 mm、6 mm規(guī)格的管材中,分析發(fā)現(xiàn),管材原材料內(nèi)表面存在貫穿縱向的皺褶,粗糙不平,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)擴(kuò)口時(shí),皺褶被錐頭碾壓形成內(nèi)表面縱向折疊,如圖1所示。
圖1 管材擴(kuò)口后內(nèi)表面縱向折疊缺陷Fig.1 Longitudinal folding defect on inner surface after flaring
管材通過(guò)毛料開(kāi)坯、軋制至一定規(guī)格后,在空心拉拔減徑工序中[1],管材的外表面受模具制約,而內(nèi)表面則是自由表面,其材質(zhì)表面的塑性變形會(huì)隨著外徑的減小而逐漸向內(nèi)表面疊加,尺寸越小,疊加越明顯,拉至外徑10 mm以下規(guī)格時(shí),這種內(nèi)表面材質(zhì)塑性變形的疊加就更為凸顯,因而形成了細(xì)小而密集的褶皺,深度約20 μm~60 μm不等。這種褶皺通過(guò)肉眼觀察不到,渦流探傷亦不能顯示,檢查手段僅限于擴(kuò)口驗(yàn)證或橫截面剖切微觀觀察才能發(fā)現(xiàn)(如圖2所示)。
圖2 管材內(nèi)表面縱向皺褶Fig.2 Longitudinal wrinkle on inner surface of the pipe
1.3.1 改進(jìn)管毛料擠壓方式
首先改進(jìn)管毛料的擠壓方式,由以前的石墨潤(rùn)滑擠壓改為無(wú)潤(rùn)滑反向擠壓[2-3],管毛料規(guī)格由φ31 mm×厚3 mm加大到φ42 mm×厚5 mm的同時(shí),增加了管毛料內(nèi)表面的光潔度,對(duì)比如圖3所示。這是因?yàn)槭珴?rùn)滑擠壓過(guò)程中,石墨主要起潤(rùn)滑芯棒的作用,避免芯棒在與鑄錠摩擦過(guò)程中發(fā)生斷裂;但石墨在高溫作用下會(huì)發(fā)生反應(yīng),滲入管材坯料內(nèi)壁,產(chǎn)生黑色的拉痕,而在后期的軋制、拉拔過(guò)程中難以去除,易形成縱向貫穿性線(xiàn)狀缺陷。
圖3 擠壓方式改進(jìn)前后的管毛料對(duì)比Fig.3 Comparison of inner surface of pipe billet before and after improvement of the extrusion method
1.3.2 調(diào)整軋制工藝
由于管坯料的尺寸增大至φ42 mm×厚5 mm,故將軋制工序由以往的一次軋制(外徑31 mm→21 mm)改為兩次軋制(外徑42 mm→31 mm→18 mm),以便實(shí)現(xiàn)后期拉拔。同時(shí)對(duì)比一次軋制和改進(jìn)后兩次軋制的管材內(nèi)表面,其光潔度均較好,如圖4所示。說(shuō)明軋制工序?qū)懿膬?nèi)表面光潔度有明顯改善,且一次軋制和兩次軋制對(duì)內(nèi)表面光潔度影響不大。
1.3.3 改進(jìn)拉拔工藝
軋制后的管材內(nèi)壁光滑無(wú)皺褶,說(shuō)明成品管內(nèi)壁的皺褶與拉拔工序關(guān)系密切。試驗(yàn)表明,管材在軋制后的拉拔工序中,隨著減徑的遞增,其內(nèi)表面皺褶越來(lái)越明顯,如圖5所示。這與管材拉拔過(guò)程中金屬塑性變形疊加相關(guān)。為減小空拉工藝給小規(guī)格管材內(nèi)表面造成的影響,分別從兩個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)。
圖4 兩種軋制工藝的管材內(nèi)表面對(duì)比Fig.4 Comparison of inner surface between the two rolling processes
圖5 管材拉拔減徑過(guò)程中內(nèi)表面皺褶情況Fig.5 Inner surface wrinkle of the pipe during drawing and diameter reducing
1)減小每道次拉拔變形量
單純?cè)黾油嘶饘?duì)皺褶改善不明顯,因此除增加退火外,考慮增加拉拔道次,減少每道次的拉拔變形量,從而控制皺褶的產(chǎn)生和疊加。
拉拔工序由原來(lái)外徑21 mm→15 mm→11.5 mm→8 mm→6 mm,調(diào)整為外徑18 mm→15 mm→12 mm→10 mm→8 mm→6 mm。經(jīng)過(guò)調(diào)整后,管材內(nèi)表面皺褶得到改善,但外徑8 mm管材內(nèi)表面已處于臨界點(diǎn),由外徑8 mm空拉至6 mm進(jìn)一步疊加皺褶,內(nèi)表面質(zhì)量已不能得到保證。內(nèi)表面褶皺情況如圖6所示。
圖6 增加拉拔道次后外徑為8 mm和6 mm的管材內(nèi)表面情況Fig.6 Inner surface of 8 mm and 6 mm pipes after increasing drawing passes
2)增加堿蝕洗工序
為解決外徑6 mm管材皺褶問(wèn)題,在以上工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上,采取了增加表面堿蝕洗來(lái)改善管材內(nèi)表面質(zhì)量。由于鋁合金在堿性溶液中的反應(yīng)速度與鋁離子濃度成反比,即鋁離子濃度越高,反應(yīng)速度越慢。鋁管內(nèi)表面的褶皺根部位置生成的鋁離子比褶皺尖端的鋁離子擴(kuò)散速度慢,因此褶皺尖端與堿的反應(yīng)速度快于褶皺根部的,在堿性溶液中可以實(shí)現(xiàn)去除褶皺的目的[4-5]。
基于此制定工藝:毛料退火→空拉至外徑10 mm→除油→熱水洗→堿蝕→水洗(2次)→中和→水洗(2次)→烘干→減徑退火→空拉至外徑8 mm→空拉至外徑6 mm→矯直→成品清洗→成品退火→成品檢驗(yàn)。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證,堿蝕對(duì)管材表面缺陷有一定的改善效果,可有效控制外徑為6 mm的管材內(nèi)表面皺褶,如圖7所示。
圖7 堿洗后外徑為6 mm的管材內(nèi)表面Fig.7 Inner surface of the 6mm pipe after alkali washing
彎曲橘皮缺陷表現(xiàn)為管材經(jīng)彎曲后,在彎曲的外表面出現(xiàn)類(lèi)似橘皮一樣的粗糙皺褶[6-7]。
對(duì)比驗(yàn)證橘皮缺陷的管材和未出現(xiàn)橘皮缺陷的管材,晶粒度偏大是導(dǎo)致出現(xiàn)橘皮的主要原因,如圖8所示。而與管材的彎曲速度、彎曲半徑關(guān)系不大。晶粒度粗大與管材退火工藝不當(dāng)有關(guān)。
將導(dǎo)管表面晶粒度(低倍晶粒度)控制等級(jí)提升至不大于1級(jí),管材熱處理采用高溫短時(shí)加熱、快速冷卻的退火工藝,有效地抑制了晶粒長(zhǎng)大速度,晶粒得以細(xì)化,該缺陷得以消除。
該缺陷主要表現(xiàn)為鋁管經(jīng)清洗除油工序的堿腐蝕后表面出現(xiàn)白斑,微觀下呈細(xì)密的腐蝕坑狀,如圖9所示。檢查對(duì)應(yīng)的原材料,在管材內(nèi)外表面存在較多的不規(guī)則油跡,油跡形態(tài)與堿腐蝕后的白斑相對(duì)應(yīng),如圖10所示。
圖9 管材表面油斑導(dǎo)致的堿腐蝕白斑Fig.9 Alkali corrosion white spots caused by oil spots on the surface
圖10 白斑對(duì)應(yīng)的原材料上油跡和腐蝕后特征Fig.10 The original inner surface with oil spots and the inner surface with white spots after corrosion
5A02鋁合金為鋁-鎂合金,Al與O的親和力很強(qiáng),在空氣中易氧化,表面生成極薄的致密氧化膜(Al2O3或Al2O3·H2O)。除油工序的堿腐蝕采用40g/L~60 g/L濃度、50 ℃的NaOH強(qiáng)堿腐蝕,對(duì)5A02鋁合金有全面腐蝕(均勻腐蝕)作用,使鋁合金的厚度相對(duì)均勻減薄。同時(shí)NaOH能與管材表面的氧化膜反應(yīng)而生成NaAlO2和H2O,因此導(dǎo)致氧化膜的溶解。氧化膜溶解后,NaOH與Al進(jìn)一步反應(yīng)生成NaAlO2并放出H2,使鋁不斷被腐蝕。反應(yīng)式:
Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O(去除表面天然氧化膜)
2Al+2NaOH +2H2O→2NaAlO2+3H2↑(堿與基體反應(yīng))
隨著溶液中鋁離子濃度的增高,NaAlO2會(huì)水解生成Al(OH)3沉淀,反應(yīng)式:
2NaAlO2+4H2O→2Al(OH)3↓+2NaOH
管材在生產(chǎn)過(guò)程中,擠壓、軋制、拉拔等環(huán)節(jié)均會(huì)接觸潤(rùn)滑油,若油跡清除不當(dāng)在表面殘留,經(jīng)成品退火后易形成油斑,即使有機(jī)溶劑也無(wú)法去除。油斑會(huì)阻礙Al和空氣中的O反應(yīng),造成氧化膜不完整。在堿腐蝕過(guò)程中,油斑位置由于缺少氧化膜保護(hù),基體直接被腐蝕。同時(shí),由于油斑破壞氧化膜的均勻性,導(dǎo)致局部腐蝕環(huán)境閉塞,腐蝕速率及程度更劇烈。因此形成了深度更深、密度更大的腐蝕小坑,視覺(jué)上呈現(xiàn)出白斑特征。
生產(chǎn)廠家經(jīng)復(fù)查,白斑批次的管材退火前采用柴油清洗,而未管控柴油的更換頻次和每次的清洗量,導(dǎo)致清洗一定數(shù)量管材后未更換柴油而使清洗效果失效,無(wú)法去除后面管材的油斑。
改進(jìn)管材清洗工藝操作規(guī)程,成品管材增加一次清擦工序,明確規(guī)定每次清洗管材數(shù)量與浸泡時(shí)間;修改鋁合金管材檢測(cè)規(guī)程,成品管材退火后增加腐蝕檢驗(yàn)工序。
基于白斑產(chǎn)生原因和清除原理,結(jié)合表面處理工藝,在管材下料后的除油工序中,由堿腐蝕更改為脫氧(酸性,對(duì)油斑有選擇性腐蝕作用)10 min~15 min。采用的工藝流程:半成品驗(yàn)收→溶劑清洗→裝掛(→乳化清洗→溫水洗→冷水洗)→堿清洗→溫水洗→冷水洗→無(wú)鉻脫氧(10 min~15 min)→冷水洗→干燥。采用新除油工藝后管材內(nèi)表面沒(méi)有了白斑現(xiàn)象,見(jiàn)圖11。
鋁管經(jīng)除油堿腐蝕后表面白斑、花斑等問(wèn)題在生產(chǎn)過(guò)程中較為普遍,在處理該問(wèn)題期間,還暴露出導(dǎo)管制造車(chē)間在彎管后采用超聲波清洗機(jī)油,堿性的金屬清洗劑未及時(shí)清除干凈,導(dǎo)致除油后出現(xiàn)花斑的問(wèn)題。因此,導(dǎo)管零件表面潔凈度控制一方面與原材料生產(chǎn)過(guò)程有關(guān),另一方面還與使用方在導(dǎo)管存儲(chǔ)、制造、清洗等過(guò)程中的管控有關(guān),尤其是導(dǎo)管制造過(guò)程中,上道工序所附著的油質(zhì),應(yīng)采用合理有效的工藝去除。
圖11 改進(jìn)除油工藝后的管材內(nèi)表面形貌Fig.11 Morphology of inner surface after degreasing technique improvement
1)5A02-O鋁合金管材擴(kuò)口折疊缺陷與管材拉拔過(guò)程中內(nèi)表面產(chǎn)生的褶皺有關(guān)。通過(guò)改進(jìn)管毛料的擠壓方式,調(diào)整軋制工藝,增加拉拔道次和堿洗工序,消除了該缺陷。
2)5A02-O鋁合金管材彎曲橘皮缺陷與管材晶粒度偏大有關(guān),通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝、嚴(yán)格控制晶粒度級(jí)別消除了該缺陷。
3)5A02-O鋁管除油后白斑缺陷與原材料生產(chǎn)過(guò)程中油污清洗不干凈有關(guān),通過(guò)改進(jìn)清洗工藝、調(diào)整除油方式消除了該缺陷。同時(shí)導(dǎo)管在制造過(guò)程中的清洗管控也對(duì)白斑缺陷有重要的影響。