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鋁合金管材是國內(nèi)飛機(jī)上普遍采用的鋁合金導(dǎo)管材料。近年來，5A02鋁合金導(dǎo)管在制造和服役過程中多次暴露質(zhì)量問題。本文作者針對(duì)5A02-O鋁合金管材在生產(chǎn)過程中存在的擴(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。

1 管材擴(kuò)口內(nèi)表面折疊缺陷

1.1 折疊缺陷形貌

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

1.2 皺褶產(chǎn)生的原因

管材通過毛料開坯、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 改進(jìn)措施

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，由以前的石墨潤滑擠壓改為無潤滑反向擠壓[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珴櫥瑪D壓過程中，石墨主要起潤滑芯棒的作用，避免芯棒在與鑄錠摩擦過程中發(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、拉拔過程中難以去除，易形成縱向貫穿性線狀缺陷。

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)壁光滑無皺褶，說明成品管內(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)表面皺褶越來越明顯，如圖5所示。這與管材拉拔過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

單純增加退火對(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

2 彎曲橘皮缺陷

2.1 缺陷形貌

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)類似橘皮一樣的粗糙皺褶[6-7]。

2.2 缺陷產(chǎn)生的原因

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)。

2.3 改進(jìn)措施

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大速度，晶粒得以細(xì)化，該缺陷得以消除。

3 管材除油后的白斑缺陷

3.1 白斑缺陷形貌

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

3.2 產(chǎn)生的原因

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)過程中，擠壓、軋制、拉拔等環(huán)節(jié)均會(huì)接觸潤滑油，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，無法去除后面管材的油斑。

3.3 改進(jìn)措施

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)表面沒有了白斑現(xiàn)象，見圖11。

鋁管經(jīng)除油堿腐蝕后表面白斑、花斑等問題在生產(chǎn)過程中較為普遍，在處理該問題期間，還暴露出導(dǎo)管制造車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、清洗等過程中的管控有關(guān)，尤其是導(dǎo)管制造過程中，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

4 結(jié) 論

1)5A02-O鋁合金管材擴(kuò)口折疊缺陷與管材拉拔過程中內(nèi)表面產(chǎn)生的褶皺有關(guān)。通過改進(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)過程中油污清洗不干凈有關(guān)，通過改進(jìn)清洗工藝、調(diào)整除油方式消除了該缺陷。同時(shí)導(dǎo)管在制造過程中的清洗管控也對(duì)白斑缺陷有重要的影響。