分享：7A09-T6高强铝合金流体连接器的开裂原因

流体连接器是实现流体介质传输管路接通或断开的连接器[1],适用于各种采用液体冷却方式的机箱、功率模块等之间的连接。流体连接器应用于电子设备液冷系统中,其重要性体现为[2-3]:(1)若流体连接器密封性能差,冷却液体泄漏会腐蚀附近的部件,或污染系统环境,造成绝缘,耐电压性能下降,严重时会引起电路系统短路或开路故障；(2)若流体连接器损坏,液冷系统流通不畅,流量会降低,影响冷却效果,严重时会因温升太高而烧坏系统设备。 

液冷系统在首次注液试运行时发现漏液,原因为流体连接器插头壳体开裂(见图1)。该连接器材质为7A09-T6高强铝合金,抗拉强度≥530 MPa,硬度(阳极氧化前)≥175 HV,表面硬质阳极氧化膜厚度≥40 μm,螺纹安装力矩30 N·m。笔者通过裂纹宏观和微观形貌观察、能谱检测及理论计算,对流体连接器开裂样品进行剖析,找出裂纹形成原因,并给出解决措施。 

图  1  流体连接器壳体开裂现象

Figure  1.  Cracking phenomenon of fluid connector

1.   理化检验及结果

1.1   宏观形貌观察

采用SMZ1000型体视显微镜观察壳体裂纹的宏观形貌。如图2所示：流体连接器表面光亮,未见明显的蚀坑和加工缺陷；裂纹位于壳体螺纹端,从口部萌生,沿轴向往根部扩展。采用机械方式将裂纹撑开,观察断口宏观形貌。由图3可见：A、B区呈黄黑色条带状,而C、D区呈现金属光泽,但C区可见明显的条带特征,且条带连续。由此可判断,C区成因与A、B区相似；D区可见类似韧窝的孔穴状断面,结合其颜色,可判定为外力导致的韧性断裂。综上所述,A、B区为先发生断裂的位置,进一步说明裂纹从壳体螺纹端口部向根部扩展,并贯穿壁厚。 

图  2  流体连接器表面裂纹的宏观形貌

Figure  2.  Macro-morphology of surface crack of fluid connector

图  3  流体连接器表面裂纹断口的宏观形貌

Figure  3.  Macro-morphology of surface crack fracture of fluid connector: (a) overall fracture; (b) area A and B; (c) area B and C; (d) area C and D

1.2   裂纹断口微观形貌

采用机械方式将裂纹打开,经酒精超声清洗断口后,通过S-4300型扫描电镜(SEM)和Jenesis-60型能谱仪(EDS)进行裂纹断口形貌观察和局部区域的成分分析。如图4所示：整个裂纹断口呈现脆性断裂和腐蚀特征；A、B区域微观形貌均发黑,并可见亮白色的异物,其中C和O元素含量很高,结合连接器安装过程中使用的密封胶成分,此异物应为压力作用下渗入断口的密封胶；未见异物的区域,具有明显条带特征,条带上可见细小的冰糖状沿晶形貌,该区域轮廓模糊,表明整个区域存在腐蚀,开裂经历了一定的时间；断口上存在一定含量的P和S元素,同时B区域有薄薄的覆盖层,高倍下呈龟裂形貌,C元素含量低、O元素含量高,应是腐蚀产物；C区可见较浅凹坑,凹坑边界圆滑,高倍下可见凹坑里的腐蚀形貌；D区是瞬断区,呈现韧窝和沿晶并存的形貌,未见P、S元素,C、O元素含量也很低。由此说明A、B、C区的P、S元素是由外部引入的。如图5所示,阳极氧化膜中还存在较高含量的S元素和少量的P元素,而7A09-T6高铝合金本身不含S元素。 

图  4  流体连接器裂纹断口的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology of crack fracture of fluid connector: (a) area A; (b) area B; (c) area C, low magnification; (d) area C, high magnification; (e) area D, low magnification; (f) area D, high magnification

图  5  开裂流体连接器表面阳极氧化膜的EDS分析结果

Figure  5.  EDS analysis results of anodic oxide film on the surface of cracked fluid connector

1.3   金相检验

将开裂的壳体固封、研磨与抛光,采用凯勒试剂进行刻蚀,制作金相试样,在LV500型金相显微镜下观察壳体的显微组织和裂纹。 

由图6可见：流体连接器开裂壳体的组织为细小晶粒,且晶粒内部可见较多亚晶粒,是未完全再结晶的组织；晶界上分布着黑色点状第二相(Al2CuMg、CuAl2、Al7Cu2Fe等)；横截面上的裂纹沿着晶界或亚晶界扩展。开裂位置附近还可见小裂纹,小裂纹从外螺纹表面萌生,沿晶界扩展；在其他位置还发现长度较大(约450 μm)的内部裂纹,裂纹内部存在褶皱,C、O元素含量较高。 

图  6  开裂流体连接器横截面的显微组织

Figure  6.  Microstructure of cross section of cracked fluid connector: (a) cracking position; (b) near the outer surface; (c) near the cracking position; (d) inside the shell

2.   开裂原因分析

形貌观察结果显示,裂纹断口呈现龟裂、泥状的腐蚀形貌,开裂位置呈冰糖状沿晶形貌,金相检验结果也显示多条沿晶裂纹。可以认为,连接器的失效模式为应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是在拉应力和腐蚀环境共同作用下所引起的一种低应力腐蚀性断裂,需具备3个条件：材料具有应力腐蚀敏感性；存在一定的腐蚀环境；应力源(包括装配应力和自身残余应力等)。 

2.1   材料的应力腐蚀敏感性

有关研究表明,添加Zn、Mg、Cu、Li等元素将纯铝合金化制成高强铝合金后,尽管其强度及硬度得以提高,但应力腐蚀敏感性也增大[4]。7A09-T6高铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金,由于其本身成分及组织的特点,其应力腐蚀倾向超过其他合金,尤以人工时效状态(T6)最为显著[5-7]。T6时效处理的7系铝合金虽然强度可达到最大,但抗应力腐蚀性却达到最低[8]。对T6和T74(固溶热处理后经过时效)处理的7B04铝合金35 mm厚板的耐应力腐蚀性能研究表明[9],T6状态7B04铝合金的临界应力腐蚀强度因子(KISCC)为120 MPa,而T74状态7B04铝合金的KISCC为300 MPa,约是T6状态的2.5倍,且应力腐蚀裂纹扩展速率也明显降低。因此,流体连接器壳体设计采用7A09-T6高强铝合金,不可避免地引入了由材料自身带来的应力腐蚀开裂风险。 

此外,壳体表面硬质阳极氧化膜层与基体铝合金为异种材料,力学性能尤其是硬度存在较大差异,壳体阳极氧化前硬度要求≥175 HV,氧化膜显微硬度≥300 HV[10]。在外力作用下,膜层与基体材料的变形不能同步协调进行,这将导致膜层表面产生微观裂纹。微裂纹尖端应力集中,扩展时首先导致膜层开裂,而后到达铝合金基体界面处,使基体暴露在腐蚀环境中。在有水分的情况下,在阳极氧化后残留的和应力的共同作用下,形成自腐蚀电池,根据阳极溶解理论[11],相对于膜破损的表面,膜未破损的表面作为阳极,金属原子溶解成为离子,形成沟形裂纹。当裂纹向深处发展时,应力集中于裂纹尖端,使附近区域发生塑性变形,阻碍膜的再生,加快阳极溶解。在应力作用下,裂纹继续发展,最终导致金属开裂。 

2.2   腐蚀环境

EDS结果显示,氧化腐蚀区域检测出含量较高的S元素(3.52%),硬质阳极氧化膜表面检测出较高含量的S元素(8.08%),而7A09-T6高铝合金本身不含S元素。考虑流体连接器壳体采用了硫酸硬质阳极氧化表面处理工艺,可能是阳极氧化工艺中所用硫酸溶液残留引入的。此外,城市工业大气中SO2对铝合金应力腐蚀开裂的影响最大[12-13]。大气中的硫化物(SO2,SO3等)也是引起铝合金发生腐蚀的主要污染物之一。已有试验证明,SO2对铝合金腐蚀起到加速作用[14],SO2溶解于金属表面液膜后,使液膜内腐蚀介质酸性增加,合金氧化膜被腐蚀破坏,进一步发生阳极溶解反应,基体溶解。 

环境温度和相对湿度也是影响高强铝合金应力腐蚀敏感性的外在因素[12,15-16]。对于铝合金,潮湿大气也是典型的应力腐蚀介质[5,17]。在环境相对湿度一定的情况下,温度越高合金越容易发生应力腐蚀开裂。结合流体连接器的使用环境,不能排除环境温度和相对湿度的影响。 

2.3   应力源

流体连接器安装时壳体摩擦力矩如图7所示。连接器安装时拧紧力矩T(30 N·m)需要克服4个接触面的摩擦力矩[18]：连接螺母和流体连接器插头壳体螺纹之间的螺纹力矩T1；球头和插头壳体密封锥面(60°)之间的接触面摩擦力矩T2；卡环与球头接触面的摩擦力矩T3；卡环与连接螺母接触面的摩擦力矩T4。其关系满足式(1)。 

图  7  流体连接器安装摩擦力矩

Figure  7.  Friction moment of fluid connector in installation

螺纹连接是在内外螺纹的接触面和螺纹紧固件支撑面与被连接件的接触面之间产生摩擦力[19]。螺纹连接时,螺旋副上的螺纹力矩M1[20],见式(2)。 

式中：Q为作用于螺栓的轴向预紧力；d为螺纹中径(10.8 mm)；γ为螺纹升角(1.615°)；φ为螺纹副的当量摩擦角(7.4°)。 

拧紧螺纹紧固后,由螺母或螺栓头部支撑面与被连接件接触面摩擦产生的力矩M2[19-21],见式(3)。 

式中：D为螺母或螺栓头部支撑面等效直径；μ为螺母或螺栓头部支撑面与被连接件接触面摩擦因数。 

连接螺母和流体连接器插头壳体螺纹之间的螺纹力矩T1,见式(4)。 

式中：Qp为球头在插头壳体锥面上的轴向作用力。 

球头和插头壳体密封锥面(60°)之间的接触面摩擦力矩T2,见式(5)。 

式中：uw为球头和插头壳体密封锥面摩擦因数,取0.17；d1为球头-锥面密封接触等效直径,取12.5 mm； 

同理,卡环与球头接触面的摩擦力矩T3,见式(6)。 

式中：uv为卡环与球头接触面的摩擦因数,取0.15；d2为球头与卡环接触等效直径,取14.7 mm。 

同理,卡环与连接螺母接触面的摩擦力矩T4,见式(7)。 

式中：uz为卡环与连接螺母接触面的摩擦因数,取0.17；d3为连接螺母与卡环接触等效直径,取15.4 mm。 

最后,将式(4)~(7)带入式(1),得出式(8)。 

经计算,Qp=5 563.7 N,作用在插头壳体接触面上的法向力Qf=Qpsin 30°=2 780 N。 

测量安装时壳体锥面的接触痕迹(图1)宽度为1.05 mm,受力面等效直径为12.5 mm,则受压面积S=1.05×10-3×π×12.5×10-3=4.12×10-5 m2。 

壳体接触面上产生的拉应力σ=Qf/S=67.5 MPa。 

通过裂纹形貌观察和理论分析,7A09-T6高强铝合金流体连接器具备了应力腐蚀开裂的形成条件,即7A09-T6高强铝合金为应力腐蚀敏感材料,硬质阳极氧化工艺引入了腐蚀介质S元素,在潮湿环境和安装产生的拉应力作用下,材料发生应力腐蚀开裂。 

对于本工作中的流体连接器,鉴于其装机接口和使用条件已定,目前可针对材料和应力条件采取改进措施。流体连接器的服役工况对零件强度要求并不高,但材料强度与耐应力腐蚀性能往往是相互矛盾的,可以适当降低对壳体材料的强度要求,一方面可以重新指定材料的热处理工艺,由T6处理转变为T651或T76、T74处理；另一方面,可将材料更换为强度相对较低的6系铝合金,或者同时更换材料和改变热处理状态。此外,在不影响流体连接器接触密封的前提下,尽量降低短横向上的力矩,改善应力和腐蚀环境。 

3.   结论

(1)流体连接器壳体所使用的7A09-T6高强铝合金为应力腐蚀敏感材料,且硬质阳极氧化表面处理工艺引入了腐蚀介质S元素,在潮湿环境和安装产生的拉应力作用下,壳体发生了应力腐蚀开裂。 

(2)应力腐蚀裂纹宏观上呈现从壳体口部萌生,沿轴向往根部扩展,并贯穿壁厚方向；微观上表现为沿晶界扩展。 

(3)可采取以下解决措施,将其材质更换为应力腐蚀开裂敏感性较弱的6系铝合金；改变材料热处理状态,由T6状态转变为T651或T76、T74状态；使用时尽量改善应力和腐蚀环境。

文章来源——材料与测试网