鋁合金水嘴失效分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

肖 瑞，陳斯文

（1. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京210039；2. 海軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室，江蘇南京210039）

引 言

6063鋁合金屬Al-Mg-Si系鋁合金，具有密度低、可加工性能好、熱處理強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱特性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此常用作需承擔(dān)散熱功能的殼體原材料，在汽車、通信、軍工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該型合金的失效模式一般為典型的韌性斷裂，通常的損傷形式是內(nèi)部微孔洞和局部的剪切變形帶，斷口的宏觀斷裂模式是韌窩斷裂和剪切斷裂[1–10]。

某雷達(dá)T/R組件液冷散熱殼體的原材料為6063鋁合金，服役多年后在安裝水接頭的水嘴處出現(xiàn)了裂紋并形成滲液，影響到整機(jī)產(chǎn)品的可靠性，形成裝備安全隱患。本文對(duì)水嘴失效處進(jìn)行了宏觀形貌和金相觀察，對(duì)掃描電鏡高倍組織和成分進(jìn)行了分析，結(jié)合裝配與服役工況，對(duì)失效成因進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)及預(yù)防措施，并對(duì)水嘴處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以免再次發(fā)生類似問(wèn)題。

1 宏觀分析

水接頭為不銹鋼（022Cr17Ni12Mo2）材質(zhì)，通過(guò)其外螺紋與水嘴上的內(nèi)螺紋進(jìn)行旋合裝配。對(duì)水嘴裂紋的宏觀形貌進(jìn)行10倍放大觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋只有一條，呈曲折狀貫穿至外表面，內(nèi)外壁的裂紋長(zhǎng)度和分布形態(tài)基本一致。故障裂紋的位置如圖1所示。

圖1 故障裂紋位置示意圖

該部件以往的裝配記錄為：該型水接頭擰入殼體水嘴時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)力矩扳手，力矩扳手每天有校準(zhǔn)記錄，擰緊力矩為8 N·m；裝配完成后，進(jìn)行了外觀檢查和30 min的帶壓水檢驗(yàn)證，工序完成時(shí)完好。在后續(xù)考機(jī)、調(diào)試時(shí)，均未發(fā)現(xiàn)異常，出廠時(shí)均完好。采用20倍放大鏡逐個(gè)檢查同批次、同時(shí)段（前后6個(gè)月）生產(chǎn)的服役中組件（含備件）及后續(xù)生產(chǎn)的同類型組件殼體水嘴的外觀發(fā)現(xiàn)：外觀均完好，無(wú)滲漏現(xiàn)象。這表明該故障屬偶發(fā)、個(gè)例問(wèn)題。

2 微觀組織觀察

2.1 金相組織分析

為便于進(jìn)一步觀察，采用線切割的方式將已有裂紋的水接頭螺紋連接件的根部位置取下后鑲嵌制樣，如圖2所示。顯然，在水嘴上就可以觀察到一個(gè)缺陷帶，如圖2（b）所示。

圖2 水嘴裂紋取樣

采用蔡司金相顯微鏡觀察拋光后的試樣，得到如圖2（c）所示的疏松區(qū)域金相圖。該疏松區(qū)從顏色上明顯有別于兩側(cè)致密的鋁合金，同時(shí)可以觀察到大小不一的11個(gè)疏松孔貫穿于整個(gè)疏松區(qū)，其中最大的2個(gè)疏松孔洞的尺寸分別為1.04 mm×0.5 mm和0.68 mm×0.56 mm。由于水接頭底部區(qū)域的受力情況不如上部區(qū)域復(fù)雜，應(yīng)力較小，因此未形成貫穿的微裂紋，可以認(rèn)為是裂紋形成初期。

2.2 斷口分析

采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200FEG）對(duì)斷口進(jìn)行觀察。斷口組織表現(xiàn)出2種斷裂組織，分別如圖3和圖4所示。其中圖3的組織有較大的起伏，其斷口組織高低落差較大，并且可以看到大量大小不一的韌窩及撕裂棱，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征——韌窩斷裂（即穿晶斷裂）。這是鋁合金在常規(guī)應(yīng)力作用下最常見(jiàn)的一種斷裂方式。

圖3 斷口處韌窩組織

從圖4可以看到另一種完全不同的斷裂組織。相比于圖3中的韌窩斷裂組織，圖4的斷口組織平坦，可以看到撕裂棱（圖4（b）中的白亮條），但未看到韌窩，表現(xiàn)出一種明顯的沿晶斷裂特征。這種斷裂方式在常規(guī)應(yīng)力作用下非常少見(jiàn)，常見(jiàn)于缺陷（如微孔聚集處）處受力后的斷口組織。

圖4 斷口處穿晶斷裂

2.3 斷口橫截面觀察

通過(guò)對(duì)上述斷口的觀察，可以初步判斷該水嘴斷裂的方式是原材料的鑄造缺陷導(dǎo)致局部產(chǎn)生明顯的疏松和微孔，受力時(shí)疏松和微孔形成裂紋。但需要通過(guò)斷口的切面觀察來(lái)確定裂紋的萌生位置及擴(kuò)展路徑。裂紋的萌生位置及擴(kuò)展路徑主要分為2種：一種是在材料內(nèi)部萌生，然后向外部擴(kuò)展，其主要原因是材料內(nèi)部存在缺陷（如疏松、氣孔、夾雜等），這些缺陷在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生微裂紋，并向拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋；另一種是在材料外部萌生裂紋，然后向材料內(nèi)部擴(kuò)展，其主要原因是材料表面因加工或意外產(chǎn)生了裂紋，該裂紋在應(yīng)力作用下向拉應(yīng)力方向擴(kuò)展。

將已有裂紋的水接頭螺紋連接件的中心部分（含裂紋的區(qū)域）切下，采用金相砂紙打磨后拋光，采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200FEG）對(duì)金相組織進(jìn)行觀察，如圖5（a）所示。先拍攝多張照片，再對(duì)其進(jìn)行拼接來(lái)觀察裂紋整體的組織。這個(gè)裂紋擴(kuò)展組織有以下幾個(gè)特征：1）裂紋的擴(kuò)展路徑較為彎折，存在裂紋偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出一種非脆性的裂紋擴(kuò)展行為。2）材料內(nèi)部存在一個(gè)類橢圓的缺陷部分，其二維尺寸約為730 μm×415 μm，其深度無(wú)法測(cè)量。由于形狀不規(guī)則，排除是氣孔的可能，推測(cè)認(rèn)為是疏松或夾雜。3）裂紋的一端連接水接頭螺紋的內(nèi)孔表面，另一端連接材料內(nèi)部形狀不規(guī)則的缺陷部分。

對(duì)該缺陷部分進(jìn)行進(jìn)一步的觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷部分與周圍鋁結(jié)合的部分并不光滑，也無(wú)第二相夾雜。成分分析結(jié)果表明，其內(nèi)容物主要由C，O，F(xiàn)等元素組成，這些元素是6063鋁合金所沒(méi)有的。分析認(rèn)為這是水接頭帶膠擰入水嘴時(shí)，粘結(jié)膠固化前滲入到了缺陷部分后形成的。因此可以認(rèn)為，缺陷部分是材料原始組織中自帶的疏松組織。

對(duì)疏松組織與裂紋連接部分的顯微組織進(jìn)行放大觀察可以看到，裂紋尖端與疏松組織已形成了連接，如圖5（b）所示。需要說(shuō)明的是，裂紋一端連著材料內(nèi)部的缺陷部分并不是偶然的。這個(gè)現(xiàn)象表明，裂紋的萌生就是從這個(gè)缺陷部分開(kāi)始的，然后擴(kuò)展到了材料的外表面，即這種材料內(nèi)部的疏松部分是裂紋的萌生點(diǎn)。

圖5 裂紋組織的截面金相觀察

3 失效機(jī)理分析

從上述顯微組織的觀察結(jié)果可以看到，水嘴斷口處的6063鋁合金中存在部分疏松和微孔，這些缺陷在應(yīng)力作用下成為裂紋的萌生源。根據(jù)GB/T 6892—2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》，T6態(tài)的6063鋁合金的屈服強(qiáng)度為160 MPa，抗拉強(qiáng)度為195 MPa。帶有疏松、微孔等缺陷的6063水嘴在裝配、服役過(guò)程中將承受以下2種應(yīng)力：1）在水接頭裝配過(guò)程中，水嘴處螺紋承受預(yù)緊力；2）在服役過(guò)程中，雷達(dá)開(kāi)關(guān)機(jī)導(dǎo)致溫度變化，使得水接頭和水嘴因材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生熱應(yīng)力（水接頭材質(zhì)022Cr17Ni12Mo2鋼的熱膨脹系數(shù)為17×10?6°C?1；水嘴材質(zhì)6063鋁合金的熱膨脹系數(shù)為23.4×10?6°C?1）。

水接頭安裝螺紋為M10。GB/T 3098.16—2000《緊固件機(jī)械性能不銹鋼緊定螺釘》中明確規(guī)定，奧氏體不銹鋼螺釘M10的保證力矩為14 N·m（性能等級(jí)12）。文獻(xiàn)[11]在研究機(jī)載電子設(shè)備常用螺釘擰緊力矩時(shí)提出，當(dāng)螺釘為奧氏體不銹鋼（1Cr18Ni9Ti或1Cr17Ni2）并采用擰入鋁質(zhì)螺紋的方式進(jìn)行連接時(shí)，需考慮到鋁材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度小于螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度。為防止鋁制螺紋出現(xiàn)滑絲等破壞現(xiàn)象，M10螺釘在6061退火狀態(tài)鋁合金螺紋中的推薦擰入力矩為13.5 N·m。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，按照材料抗拉強(qiáng)度與擰緊力矩成正比的關(guān)系，擰入6063（T6）鋁質(zhì)螺紋的力矩推薦值為9 N·m。對(duì)照裝配環(huán)節(jié)，水接頭裝入時(shí)的擰緊力矩為8 N·m，未超過(guò)9 N·m。由此可見(jiàn)，力矩選用適當(dāng)，預(yù)緊力不會(huì)對(duì)正常6063鋁質(zhì)基材造成破壞。

在服役過(guò)程中，雷達(dá)根據(jù)工作需要頻繁進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)，因此陣面環(huán)控機(jī)組的機(jī)內(nèi)自測(cè)試（Built in Test,BIT）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的顯示組件冷卻液的溫差變化近70°C。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，水接頭和水嘴因材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力。通過(guò)有限元仿真分析，水嘴處的熱應(yīng)力最大值約為100 MPa（如圖6所示），小于原材料的抗拉強(qiáng)度。因此，水接頭與水嘴間的熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)正常6063鋁合金基材造成破壞。

圖6 水嘴處的熱應(yīng)力仿真云圖

根據(jù)對(duì)斷口組織的分析，原材料中存在疏松、微孔等缺陷。在水接頭擰入水嘴的過(guò)程中，疏松與微孔缺陷處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但此時(shí)的集中應(yīng)力尚不足以使疏松與微孔出現(xiàn)宏觀貫穿型裂紋，這也就是在前期的裝配與測(cè)試環(huán)節(jié)水嘴處未出現(xiàn)滲漏的原因。在后期的工作過(guò)程中，水嘴處的溫度隨整機(jī)頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)等發(fā)生變化，水接頭和水嘴因原材料的熱膨脹系數(shù)不匹配出現(xiàn)熱應(yīng)力。因內(nèi)部疏松、微孔等缺陷的存在，在斷口處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使得斷口處材料的微孔發(fā)生塑性變形和微裂紋擴(kuò)展，最終使水嘴在低于其材料抗拉強(qiáng)度的情況下產(chǎn)生宏觀裂紋，形成滲漏。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述分析表明，T/R組件水嘴處的裂紋是由內(nèi)部疏松、微孔等缺陷造成的。同時(shí)，熱應(yīng)力仿真分析表明，因水嘴和水接頭材質(zhì)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力（約為100 MPa）也需要關(guān)注。該處產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件造成破壞，但仍需通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)降低熱應(yīng)力，為后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。水嘴為外徑24 mm的圓柱，其內(nèi)部為M10的內(nèi)螺紋。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將水嘴處的圓柱外徑更改為18 mm，在水嘴與殼體連接處增加R3過(guò)渡圓弧，以保證水嘴的強(qiáng)度，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Ansys Workbench有限元軟件再次對(duì)改進(jìn)后的水嘴和水接頭的熱應(yīng)力情況進(jìn)行分析。圖8給出了改進(jìn)后的水嘴和水接頭的熱應(yīng)力在溫度變化過(guò)程中的分布情況。有限元計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)調(diào)整優(yōu)化，因材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不一致形成的熱應(yīng)力明顯降低，減小到77 MPa，降低了25%。

原材料6063（T6）鋁合金的屈服強(qiáng)度為160 MPa。優(yōu)化前其熱應(yīng)力值為100 MPa，安全系數(shù)為1.6；優(yōu)化后其熱應(yīng)力值為77 MPa，安全系數(shù)為2.07。同時(shí)，根部過(guò)渡圓角的引入有效避免了應(yīng)力集中，且整體強(qiáng)度并不會(huì)因水嘴外徑減小而降低。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后熱應(yīng)力仿真分析

5 結(jié)束語(yǔ)

水嘴處斷口的宏觀、微觀組織分析表明，水嘴斷口處的疏松、微孔等原材料缺陷是裂紋萌生的源頭。由水接頭擰緊力矩導(dǎo)致的預(yù)緊力不足以使正常水嘴立即遭到破壞，這也是早期出廠前問(wèn)題未暴露的原因。在后續(xù)的服役過(guò)程中，因各自原材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，水接頭和水嘴處產(chǎn)生持續(xù)施加的熱應(yīng)力，使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，形成漏液。這正是此次T/R組件水嘴產(chǎn)生裂紋的原因。

為保證此類故障不再發(fā)生，提出以下整改措施：1）對(duì)板材的原材料進(jìn)行100%探傷，防止含微孔、疏松等缺陷的原材料流入后道生產(chǎn)工序；2）零件精加工完成后，采用10倍放大鏡對(duì)水嘴、固定支耳等重要部位進(jìn)行目視觀察；3）在后續(xù)的相應(yīng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)改進(jìn)水嘴的內(nèi)外徑比來(lái)降低熱應(yīng)力。