超硬铝合金盖子爆裂原因分析及工艺改进

■张英

弹射座椅是飞行员在出现紧急情况时应急救生的主要装置。某厂生产的某型弹射座椅壳体组件中的盖子零件，设计使用材料和热处理状态为LC9CS（7A09 T6），技术条件为GB/T3191—1998。从20世纪70年代定型生产至今，原材料一直定点从某国营大厂采购，回厂后不再进行热处理。加工完成组装后，整个壳体组件需进行模拟油压验收试验，设计耐压强度为≥23.5MPa。厂内的加工过程一直严格执行 “定设备、定工艺、固定专人加工”的“三定”原则，近30年来该产品的质量一直较稳定。

某批次的壳体组件加工完成后，在进行模拟耐压自检试验时，有两发壳体在刚达到规定载荷后就发生了破坏，爆裂件均为盖子零件。为分析盖子爆裂的原因，进一步探索超硬铝合金组织与性能的关系，我公司进行了大量的对比试验分析。

本次提交模拟耐压试验的盖子共两个批次，每个批次参与耐压试验的盖子零件有20个。开裂的4个盖子使用的均为A批次的原材料，同时试验的B批次原材料加工的所有盖子均完好。B批次原材料为库存剩余材料，用其加工的产品在连续两年的军检验收中都合格，A批次材料为首次使用。经查，1999年盖子零件也发生过一批类似的开裂事故，故对本次和1999年爆裂的盖子碎片一并进行了对比分析。

1. 断口宏观分析

本次碎裂的4个盖子宏观形貌相似，横向均从盖子壁上第一条螺纹的底径处向外断裂；纵向从六方螺母根部圆角处碎裂（见图1）。纵向断口呈纤维状（见图2），横向断口呈细腻的结晶状（见图3）。1999年爆裂盖子的碎裂部位及断口形貌均与本次失效件十分相似（见图4）。断口平整干净，所有断面上均未发现材料夹杂等冶金缺陷。

2. 显微组织分析

图1 碎裂盖子宏观形貌

取本次开裂的盖子碎片3件， 1999年开裂的盖子碎片2件以及A批次原材料和B批次原材料高倍试样各两件，进行显微组织检查。所有试样的显微组织均为正常的α+强化相组织，均未发现过烧组织，显微组织均符合GB/T3191—1998技术条件要求。通过组织对比发现，本次失效的盖子碎片和1999年开裂盖子碎片的显微组织具有一个共同特征，就是显微组织中的强化相数量较多，且有明显的沿晶分布特征。显微组织如图5~图7所示。

3. 能谱分析

对本次及1999年碎裂盖子的晶界物质进行了能谱分析，发现晶界物质为材料的强化相，主要是Mg/Zn相、Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相等。

4. 原材料化学成分及力学性能检测

分别取三批材料的盖子碎片，进行化学成分对比试验，如表1所示，化学成分均符合技术条件要求。

原材料入厂复验时的力学性能检测结果及组织不良根力学性能对比（见表2）。可见，组织不良根棒材的综合力学性能显著下降，但均符合GB/T3191—1998技术条件要求。

在A批次材料中挑选组织形态不同的棒材进行力学性能对比试验，发现同批材料不同组织形态（晶界的多少、强化相的数量及分布不同）的棒材上，力学性能特别是强度差异较大。显微组织中强化相有沿晶分布特征的棒材，其强度显著下降。

5. 分析与讨论

对于铝合金的显微组织，目前的标准无论是国标还是国军标，均只要求检查有无过烧组织。对第二相（强化相）的大小、多少及分布形态均无量化要求。按照标准要求本次试验中所有试样的显微组织均合格。

图2 纵向断口形貌

图3 横向断口形貌

图4 1999年碎裂盖子形貌

图5 本次失效零件显微组织

图6 1999年碎裂盖子显微组织（200×）

图7 正常零件显微组织

在失效的A批次材料中，挑选出强化相分布状态不同的棒材，进行了力学性能对比试验以及产品承压能力试验。发现不同组织形态（晶界的多少、强化相的分布及数量不同）的棒料，力学性能差异较大。显微组织中强化相有沿晶分布特征的棒材，其强度显著下降，由该棒材加工的产品，部分成品达不到设计要求强度。但是，所有被检棒材的力学性能指标也都符合GB/T3191—1998技术条件要求，甚至也都符合GJB2054的要求。材料在入厂复验时只进行抽样检查，A批材料复验时被抽检的两根棒材的强度很高，然而同批材料里存在着强度偏低的棒材，由此加工的产品在耐压试验时，承载能力不足就暴露了出来。

针对以上检测结果，我们协同材料厂家的技术人员，对A、B两批材料的整个冶炼和生产过程进行了追溯。发现B批材料使用的是按国军标订货的军品专用大铸锭坯（φ630mm锭），并且铸锭在挤压成形前还经过了460℃×24h的均匀化处理。A批原材料用的是按国标订货的小铸锭坯（φ482mm锭），未进行均匀化处理。追溯棒材的热处理过程记录还发现，B批棒材使用的固溶温度偏上限约475℃，最高温度达到过480℃，而A批棒材的固溶温度为465℃。

分析认为：失效零件上沿晶界分布的强化相组织为残余可溶结晶相。通过均匀化处理可以使这种非平衡凝固形成枝晶网组织基本上转变成为均匀化组织，使晶内和晶界的强化相得以充分溶解，未溶的残留相也得到了不同程度的球化。这种均匀化组织不仅有利于合金的压力加工，还有利于合金固溶温度的提高，不易产生过烧和组织粗大，提高固溶体的过饱和程度，增强材料时效强化效果。另外，大铸锭在挤压成同等规格的棒材时，它的破碎度和变形程度要比小铸锭大，吸收的储能多，在相同温度下，第二相溶于固溶体的速度较快，固溶体的过饱和程度较高。失效件使用的A批原材料，铸锭尺寸偏小，纯净度也不如军标铸坯好，又未进行均匀化处理，固溶淬火温度也偏低等因素，使得部分铸态的枝晶网组织未被彻底打破，偏析的组织未被充分溶解和扩散而残留了下来，导致棒材和成品的力学性能降低。

表1 化学成分（质量分数） （%）

表 2

6. 预防改进措施

在进行了充分论证的基础上，双方重新鉴定了盖子材料的专用技术协议，增加了铸锭的均匀化处理要求，将技术条件由原来GB/T3191—1998改为GJB2054—1994，并按高强度组别验收。对按照新签订的技术协议采购回来的LC9CS材料，除进行常规的入厂复验外，还增加了先锋批试加工和耐压试验要求。即对每批新进厂的材料，按专用技术协议验收合格后，正式投产使用前，必须在每根棒材的头部取样加工一件盖子产品，组成先锋批。先锋批的产品加工完成后，要进行模拟耐压试验，100%合格后本批材料才能投入使用（第一次做先锋批时，每根棒材的头尾各取了一件产品进行耐压试验，头尾的样件耐压试验结果无明显差异）。使用新的技术协议已连续采购了两批LC9CS原材料，均未再发现以上的不良组织，力学性能及耐压验收也均合格，取得了良好效果。