徐秋發(fā)，李東東，李阿妮，李 煦，谷勝民，齊昊幀

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076)

由于鋁合金陽極氧化工藝簡單，容易操作，且防腐效果較好，因此被廣泛用于航天鋁合金產(chǎn)品的表面處理。某航天金屬殼體鍛件材質(zhì)為5A06鋁合金，陽極氧化后有兩批次鍛件各一件產(chǎn)品在大端面局部區(qū)域出現(xiàn)了幾條不規(guī)則形狀的淺灰黑色條紋。在這之前，該類鍛件表面從未出現(xiàn)異常條紋現(xiàn)象，并且到貨復(fù)驗的低倍組織檢驗階段也未觀察到該現(xiàn)象。

從以往的研究報道中可知，鋁合金表面異常條紋現(xiàn)象主要是由以下原因造成的：一是在鑄造工序造成的化合物偏析[1-7]或雜質(zhì)相[8-10]，二是鋁合金變形程度不均勻[11-14]，三是均勻處理不當[15]，四是陽極氧化處理不當[16]，五是加工較深的刀痕[7]。這些報道主要涉及鋁合金型材、板材和管材等產(chǎn)品，很少有文獻報道鋁合金自由鍛件表面出現(xiàn)異常條紋現(xiàn)象。5A06鋁合金鍛件陽極氧化后的異常條紋從外觀上很難判斷條紋的性質(zhì)、產(chǎn)生原因。因此，有必要對該鍛件表面異常條紋進行分析，確定異常條紋的性質(zhì)和形成原因，明確異常條紋對鍛件性能的影響程度，為產(chǎn)品是否可正常使用提供依據(jù)。

1 宏觀形貌

兩件5A06鋁合金鍛件宏觀局部異常條紋形貌分別如圖1所示。在鍛件的大端面局部區(qū)域分別存在約4～7條淺灰黑色條紋，條紋呈不規(guī)則形狀。在鍛件的其他部位未見明顯條紋。

圖1 5A06鋁合金鍛件異常條紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of abnormal stripes on the surface of 5A06 aluminum alloy forgings

2 硬度測試

由于鍛件表面異常條紋帶的寬帶較窄，因此只能通過測定淺灰色條紋處和正常部位的硬度值來間接表明異常條紋對其性能的影響程度。

采用便攜式硬度計對圖1a鍛件表面異常條紋部位和正?；w區(qū)域進行硬度測試。從鍛件外圓向內(nèi)逐漸測試，選取4條痕跡明顯的條紋痕跡，每條條紋測試3個點，取平均值。條紋部位和正?；w區(qū)域測試結(jié)果分別見表1和表2。從表1和表2數(shù)據(jù)可知，不同條紋痕跡線和正常基體不同區(qū)域的硬度值均存在較小的差別，且由外到內(nèi)硬度值均呈現(xiàn)逐漸變小趨勢，符合金屬材料變形規(guī)律，條紋痕跡區(qū)域的平均硬度(73.8 HB)與正常區(qū)域的平均硬度(73.6 HB)幾乎一致。

表1 異常條紋的硬度Table 1 Hardness of abnormal stripes

表2 正?；w的硬度Table 2 Hardness of normal matrix

3 對鍛件生產(chǎn)工序復(fù)查

該鍛件是采用尺寸為Φ680 mm×1 400 mm的5A06鋁合金圓鑄錠進行鍛造。主要工藝流程：鑄錠加熱→鍛造→機加工→退火→陽極氧化→探傷→取樣→驗收→包裝交貨。

經(jīng)生產(chǎn)廠家對鍛件各個生產(chǎn)工序調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)有任何異常，鍛件出廠測試的化學(xué)成分、室溫力學(xué)性能、超聲波探傷和組織檢測也符合標準要求。用戶收到兩批次鍛件后均進行再次檢驗，檢驗結(jié)果亦符合標準要求。

4 問題定位及機制分析

通常情況，導(dǎo)致鋁合金表面陽極化出現(xiàn)色差現(xiàn)象的原因有很多。根據(jù)該兩批次鋁合金鍛件的生產(chǎn)及加工情況可知，造成該兩批次鋁合金鍛件表面出現(xiàn)條紋色差痕跡的原因可能有三種：①在機加工過程，鍛件表面存在異常加工痕跡，從而在陽極氧化后出現(xiàn)痕跡；②由陽極氧化工序產(chǎn)生，如陽極氧化前，鍛件表面存在腐蝕痕跡未清理干凈，或陽極化后表面存在積水未及時烘干等原因；③坯料在鍛造過程中，金屬沿芯軸外圓流動時造成的變形痕跡。

4.1 鍛件去除氧化膜與重新陽極氧化

自從該問題出現(xiàn)后，鍛件機加工車間和陽極氧化車間復(fù)查了相關(guān)工序，均未見異常。為了進一步驗證不是由機加工工序和陽極氧化工序?qū)е洛懠砻娈a(chǎn)生條紋色差痕跡，對一個有異常條紋的鍛件進行了去除氧化膜和再陽極氧化處理。5A06鋁合金鍛件去除氧化膜后的表面宏觀形貌如圖2所示，可見到明顯的條紋痕跡。

為了不破壞產(chǎn)品，現(xiàn)場檢驗人員采用手持光譜儀對條紋痕跡區(qū)域和正?；w區(qū)域進行成分測試，檢測結(jié)果顯示，條紋痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的化學(xué)元素及其含量均沒有差異。

圖2 異常條紋鍛件去除氧化膜后的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of abnormal stripe forgings after oxidation film removing

利用砂紙將鍛件表面局部條紋痕跡打磨掉(見圖3)。對打磨掉條紋痕跡的鍛件重新進行陽極氧化。重新陽極氧化后，在打磨掉條紋痕跡的鍛件表面區(qū)域又呈現(xiàn)出灰黑色條紋痕跡，如圖4所示。

圖3 異常條紋經(jīng)砂紙打磨后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of abnormal stripes after sandpaper grinding

圖4 重新陽極化后的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology after re-anodizing

從以上去除氧化膜和重新陽極氧化的試驗和分析結(jié)果可知，5A06鋁合金鍛件表面出現(xiàn)異常條紋痕跡的原因不是由機加工工序和陽極氧化工序造成的。因此，鍛件表面條紋痕跡只可能是由鍛件在鍛造過程中產(chǎn)生的變形痕跡。

4.2 鍛件鍛造過程分析

從鍛件生產(chǎn)工藝中可知，鑄錠加熱后，需要經(jīng)過三次多方鍛，然后進行中心沖孔，沖孔后帶芯軸進行滾鍛，滾鍛的過程是擴內(nèi)、外直徑(沖孔后中間還有鼓肚)，經(jīng)過滾鍛后上、下端頭尺寸一致(如圖5所示)。當水壓機平砧下壓，毛坯的金屬受壓力后，沿著中心芯軸向兩邊流動，形成弧形流線(如圖6所示)，水壓機每壓下一次，坯料轉(zhuǎn)動30°后繼續(xù)加壓，直至內(nèi)、外徑達到要求值。鍛造后的鍛件毛坯見圖7所示。因加壓時受力點有間距，每個截面的外層和內(nèi)層在變形流動時有一定的差異，表現(xiàn)出沿受力變形方向的弧形痕跡，在陽極化后晶粒也有一定的取向，形成條紋痕跡色差。

圖5 鍛造沖孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of forging and punching

圖6 鍛造流線示意圖Fig.6 Schematic diagram of forging streamline

由于該鍛件是一件一件單獨滾鍛的，每件下壓的程度和角度都有一定的差異，所產(chǎn)生的金屬流動方向、變形程度也不盡相同，有些鍛件流線比較清晰，有些鍛件流線輕微一些。流線輕微的鍛件在陽極化后沒有表現(xiàn)出明顯的條紋痕跡。

圖7 鍛造后的鍛件毛坯Fig.7 Blank after forging

由圖1中對鍛件表面條紋痕跡角度的測量結(jié)果可知，其角度約為30°，與鍛件鍛造過程中轉(zhuǎn)動角度吻合，進一步印證了鍛件表面條紋痕跡應(yīng)是由鍛造環(huán)節(jié)造成的變形痕跡。

4.3 分析與討論

從以上分析可知，造成兩批次5A06鋁合金鍛件表面出現(xiàn)條紋痕跡的直接原因是坯料在鍛造過程中鍛件局部變形程度大，導(dǎo)致金屬沿芯軸外圓流動時形成變形痕跡。鍛件去除氧化膜后用手持光譜儀檢測結(jié)果表明，痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的化學(xué)成分沒有差異，說明這種變形痕跡不會影響鍛件的化學(xué)成分，只會影響鍛件變形痕跡區(qū)域的晶粒取向。當變形痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的晶粒取向存在一定區(qū)別時，在陽極氧化階段，鍛件表面生成的氧化膜層次、形態(tài)等不同，而不同的氧化膜對可見光的反射效果不同，進而導(dǎo)致在鍛件外觀上呈現(xiàn)了條紋色差痕跡。

由條紋痕跡區(qū)域與正常區(qū)域鍛件表面硬度測試結(jié)果可知，兩個區(qū)域的平均硬度幾乎相同，說明5A06鋁合金鍛件表面條紋痕跡不影響鍛件的力學(xué)性能。

綜合以上分析可知，兩個鍛件表面條紋痕跡不影響產(chǎn)品化學(xué)成分和力學(xué)性能，用戶可以正常使用。

5 結(jié) 論

1)通過對5A06鋁合金鍛件生產(chǎn)、檢測、機加工及陽極氧化過程的復(fù)查和驗證，該鍛件表面異常痕跡產(chǎn)生的原因是由生產(chǎn)廠鍛造鍛件坯料過程中，由于金屬沿芯軸外圓流動時產(chǎn)生的變形痕跡，在后續(xù)的陽極氧化過程呈現(xiàn)出灰黑色條紋痕跡。

2)鍛造變形痕跡對產(chǎn)品的力學(xué)性能無影響，用戶可以正常使用。