6061铝合金储氢气瓶疲劳断口分析

何振波,杨 曼,王生朝,郭奉彬,牌君君,欧 玲,郑云志,蹇海根,5

(1.湖南工业大学材料与先进制造学院,湖南 株洲 412007; 2.航桥新材料科技(滨州)有限公司,山东 滨州 256600; 3.山东省先进铝基材料与技术重点实验室,山东 滨州 262207; 4.山东省高端铝共同体管理运营有限公司,山东 滨州 256600; 5.欧科亿数控精密刀具股份有限公司,湖南 株洲 412500)

6061铝合金属于典型可热处理强化 Al-Mg-Si系合金,具有中等强硬度,较好的可焊性、耐蚀性、抗疲劳性、塑韧性及成型性等优点[1-2],广泛应用于汽车零部件、集装箱、医疗器械及建筑领域等[3]。

随着国家节能减排政策的出台,与传统铅酸电池及锂电池一样,氢燃料电池也已在新能源汽车领域得到了广泛应用。目前,氢的存储方式有多种,高压储氢占据市场绝对优势[4-5],我公司生产的高压储氢气瓶选用6061铝合金气瓶管制作内胆。由于快速充放气体会引起较大的温度变化,对储氢材料容器强度和疲劳性能均有重要影响。在批量应用前进行疲劳试验测试,解决快速充放时气瓶的氢环境疲劳强度和基础性数据缺乏的问题,具有十分重要的现实意义[6]。因此,本试验在氢气瓶快速充放氢疲劳试验的基础上,通过疲劳断口形貌分析,深入研究6061铝合金气瓶管的疲劳失效机制,为储氢金属材料容器的应用提供参考。

1 试验方法

图1为经强力旋压后获得的6061铝合金气瓶管实物图,然后经热旋压收口、热处理及缠绕碳纤维后成为铝合金气瓶。气瓶疲劳试验系统将一个或多个储氢罐并联在一起,由气动控制阀为储氢气瓶充气,流量调节装置调节充气速率,最高工作压力90 MPa,最大平均充气流量不低于3 kg/min[7]。铝合金气瓶的疲劳寿命达到15 000次能满足顾客实际需求。本试验每5 min完成充放气循环1次,采用工作压力70 MPa,试验气瓶两件,分别编号为1#和2#,其中,1#气瓶循环加载13014次后断裂失效,2#气瓶循环13 800 N次后断裂失效,均未能达到顾客要求。试验后,采用TESCAN MIRA4 LMH扫描电子显微镜对1#和2#试验样品进行断口形貌分析,并借助One Max 50能谱仪对断口面上一些夹杂物进行能谱分析,确定其失效原因并制定改进措施。

图1 6061铝合金气瓶管旋压实物图Fig.1 Spinning materials of 6061 aluminum alloy tank

2 试验结果与分析

2.1 宏观断口

1#和2#铝合金气瓶断裂的位置均为铝瓶直段部位,截取疲劳裂纹源附近区域进行观察,图2a中箭头所示位置断口宏观形貌如虚线椭圆所示。由图2a可以看出,1#裂纹沿铝瓶纵向分布,表面裂纹为弧形状,整个宏观断口呈现明显的剪切特征,断口与表面大约成45°。2#铝合金气瓶裂纹的疲劳裂纹源明显,且呈多裂纹源特征,图2b所示。

2.2 微观形貌

图3为1#气瓶疲劳失效断口微观形貌图。由图3a可知,裂纹萌生于气瓶自由表面附近,为单一裂纹源,裂纹源区面积较小,未发现夹杂物、孔洞等明显有利于启裂的缺陷。在裂纹扩展初期,部分解理断裂和疲劳循环加载裂纹扩展特征非常明显(图3b)。疲劳裂纹稳态扩展区域裂纹扩展呈放射状分布,但没有观察到典型的疲劳辉纹,这可能跟疲劳循环加载试样过早断裂有关,如图3c、3d所示。

图3 1#气瓶断口微观形貌Fig.3 Microscopic fracture morphologies of tank 1

图4为1#气瓶内表面裂纹形貌图。由图4可以看到,在裂纹路径上有多个明显的异物,长度尺寸在0.908 mm～2.662 mm范围内,裂纹沿压入物与基体材料的界面处穿过。这些硬质的压入物并不是疲劳裂纹起源的位置,而是在扩展过程中起桥接连通作用,从而大大加速了材料的失效进程。

图4 1#气瓶内表面裂纹形貌Fig.4 Inner surface cracks of tank 1

图5为2#气瓶疲劳失效断口微观形貌图。在疲劳裂纹稳态扩展区,裂纹呈放射性扩展态,且可以观察到明显的疲劳辉纹和二次裂纹(图5c箭头所指),这与1#断口的观察结果不同。

图5 2#气瓶断口微观形貌Fig.5 Microscopic fracture morphologies of tank 2

3 措 施

6061铝合金气瓶裂纹源位置未发现夹杂物、孔洞等冶金缺陷,判定疲劳裂纹的产生主要为外来因素所致,对此制定以下改进措施:外观进行100%检验;对表面缺陷利用砂纸进行打磨,砂纸规格不低于240目;旋压前对内外表面吹扫一遍,清除表面可能存在的异物。采取以上措施后生产的6061铝合金气瓶的疲劳寿命达到了客户要求。

4 结 论

1)循环加载过程中,6061铝合金气瓶裂纹源萌生于气瓶自由表面或个别粗晶相处,裂纹源区未发现夹杂物、孔洞等冶金缺陷,异物压入导致材料局部应力集中,起到桥接联通的作用加速材料失效断裂。

2)在实际生产中,通过外观100%检验、表面打磨及清理后,生产的6061铝合金气瓶的疲劳寿命达到客户要求,现已进入稳定供货阶段。