分享：铝合金气瓶泄漏原因

在对某铝合金气瓶进行常温压力循环试验时,在压力为2～65 MPa的条件下循环约1万次后气瓶发生泄漏,泄漏处存在裂纹。开裂铝合金气瓶的外径为388 mm,壁厚为8 mm,长度为2 300 mm,工作压力为52 MPa。该气瓶的制作工艺流程为：铝管旋压收口→固溶时效处理→机械加工→缠绕→固化→自紧水压→成瓶。在铝合金气瓶泄漏部位取样,试样的弧长为240 mm,长度为200 mm(见图1)。笔者采用一系列理化检验方法对铝合金气瓶的开裂原因进行分析,以避免该类问题再次发生。

图 1 铝合金气瓶泄漏部位的宏观形貌

1. 理化检验1.1 宏观观察

对试样的内壁和外壁进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知： 气瓶内壁可见较多的点状缺陷,泄漏部位内壁存在明显的裂纹,裂纹上存在点状缺陷,其他部位的点状缺陷处也可见裂纹。

图 2 试样内壁和外壁的宏观形貌

在试样泄漏部位的断口处取样,对试样进行宏观观察,结果如图3所示。由图3可知：断裂面较为平整,裂纹贯穿整个壁厚；断口由2条裂纹汇聚而成,裂纹1和裂纹2均起源于气瓶内壁。

图 3 泄漏部位断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

在开裂气瓶上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂气瓶的化学成分满足GB/T 3190—2008 《变形铝及铝合金化学成分》的要求。

Table 1. 开裂气瓶的化学成分分析结果

项目

质量分数

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

实测值

0.56

0.27

0.20

0.09

0.9

0.25

0.004

0.047

标准值

0.40～0.8

≤0.7

0.15～0.40

≤0.15

0.8～1.2

0.04～0.35

≤0.25

≤0.015

1.3 力学性能测试

在气瓶泄漏部位取样,对试样进行力学性能测试,结果如表2所示。由表2可知：开裂气瓶的力学性能满足GB/T 6893—2010 《铝及铝合金拉(轧)制无缝管》的要求。

Table 2. 开裂气瓶的力学性能测试结果

项目

抗拉强度/MPa

规定塑性延伸强度/MPa

断后伸长率/%

实测值

287

318

15.5

标准值

≥240

≥290

≥10

1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析

在断口处截取试样,对试样进行SEM分析,结果如图4所示。由图4可知：裂纹源1和裂纹源2均为点源,起始于内壁的点状缺陷处,2个裂纹源处均附有异物；裂纹扩展区可见大致平行的疲劳辉纹,符合疲劳断裂的形貌特征。

图 4 断口处的SEM形貌

对裂纹源处的异物进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知：异物中含有较高含量的S、Cl、O等腐蚀性元素,说明异物为腐蚀产物,内壁的点状缺陷为点腐蚀坑,裂纹起源于点腐蚀坑。

图 5 裂纹源处异物的能谱分析结果

裂纹内壁其他部位点状缺陷的能谱分析结果如图6所示。由图6可知：其他部位点状缺陷的能谱分析结果与裂纹源区的异物一致,都含有较高含量的S、Cl、O等腐蚀性元素。

图 6 裂纹内壁其他部位点状缺陷的能谱分析结果

1.5 金相检验

在开裂气瓶上截取金相试样,将试样进行镶嵌、磨抛后置于光学显微镜下观察,试样的抛光态微观形貌如图7所示。由图7可知：裂纹由内壁点腐蚀坑底部向外壁扩展。

图 7 试样的抛光态微观形貌

将试样进行腐蚀处理,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图8所示。由图8可知：试样的显微组织为α(Al)＋AlFeMnSi相＋Mg2Si相,显微组织无异常。

图 8 试样的显微组织形貌

2. 综合分析

由上述理化检验结果可知,开裂铝合金气瓶的化学成分和显微组织均符合相关标准要求,气瓶内壁可见大量点状缺陷,泄漏部位的裂纹起源于气瓶内壁的点状缺陷处,裂纹扩展区可见大致平行的疲劳辉纹,符合疲劳断裂的形貌特征。裂纹源区的点状缺陷处存在较高含量的S、Cl等腐蚀性元素,说明异物为腐蚀产物。由金相检验结果可知,裂纹由内壁点腐蚀坑底部向外壁扩展。

开裂铝合金瓶内壁接触了含S、Cl元素的腐蚀性介质,材料中的质点相与腐蚀性介质相互作用,使气瓶内壁形成了点腐蚀坑,在对气瓶进行循环压力试验时,点腐蚀坑内部产生了应力集中,形成疲劳裂纹源[1],在交变载荷的作用下,气瓶发生了疲劳开裂,裂纹不断扩展直至穿透整个壁厚,最终导致气瓶发生泄漏。

3. 结论

铝合金气瓶发生泄漏的原因为：气瓶内壁接触了腐蚀性介质,使气瓶内壁产生了点腐蚀坑,在循环压力试验过程中,点腐蚀坑作为疲劳裂纹源,使气瓶在交变应力作用下发生疲劳扩展,裂纹不断扩展并穿透壁厚,最终造成气瓶泄漏。

文章来源——材料与测试网

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