7B04鋁合金薄板成形過程中的退火工藝優(yōu)化

景 武，趙 懌，許廣興，游江海

(1.海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室，遼寧沈陽110034;2.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽110035;3.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶404100)

7B04鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁合金，廣泛用于梁、框、壁板、蒙皮及接頭等飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力件的設(shè)計(jì)及制造，其中7B04鋁合金薄板的用量很大，占機(jī)體結(jié)構(gòu)鋁合金材料比例較高。

原料板晶粒度對飛機(jī)零件性能具有至關(guān)重要的影響［1－2］。晶粒度不合格將使板材產(chǎn)生粗晶(橘皮缺陷)，對板材的疲勞性能產(chǎn)生影響;板材在制成零件的過程中，要經(jīng)過一系列變形過程，由于原材料板材的晶粒度不均勻會造成后續(xù)變形量的不一致，從而造成較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至導(dǎo)致初始裂紋的產(chǎn)生，不能滿足設(shè)計(jì)使用要求［3］。因此，飛機(jī)設(shè)計(jì)使用對7B04鋁合金原料板的晶粒度有嚴(yán)格要求(標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定合格板材的晶粒度不超過2級水平)，而采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的7B04鋁合金原料板常會出現(xiàn)晶粒度粗化現(xiàn)象。

7B04 O/OB狀態(tài)鋁合金薄板原料板的成形過程為:鋁合金鑄錠→熱軋→冷軋→切片→退火→矯直。從原料板的成形過程來看，化學(xué)成分、冷軋過程變形量和退火工藝均會對板材晶粒度產(chǎn)生影響［4］。

本文從退火工藝優(yōu)化角度，對7B04鋁合金薄板的晶粒度改善方法進(jìn)行研究，并分析采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鋁合金板的組織和性能。

1 工藝流程優(yōu)化及試驗(yàn)

在常規(guī)工藝中，7B04鋁合金薄板成形采用箱式爐退火，退火制度為:加熱至300～400℃，保溫1～2h，隨爐冷卻至250℃以下出爐空冷。

采用該工藝成形時(shí)板材在進(jìn)行箱式爐退火過程中無法對退火時(shí)間進(jìn)行精確控制，常導(dǎo)致退火時(shí)間延長，使板材晶粒粗化。針對該種情況，本文提出一種先對板材進(jìn)行快速加熱到一定溫度并水冷，然后再進(jìn)行箱式爐退火的方案。即通過快速升溫，使板材在極短時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶形成細(xì)小晶粒，然后進(jìn)行高溫全退火，緩慢冷卻，使板材內(nèi)溶解物充分沉淀，避免材料自然失效，從而得到細(xì)晶7B04板材。

優(yōu)化后的板材成形過程為:

鋁合金鑄錠→熱軋→冷軋→切片→“410℃快速加熱并水冷”+箱式爐退火→矯直。

為考察退火工藝優(yōu)化對7B04 O/OB狀態(tài)鋁合金薄板晶粒度和性能的影響，采用優(yōu)化退火工藝成形出一塊板厚度為3.5mm的7B04 OB狀態(tài)鋁合金薄板。

板材的化學(xué)成分如表1所示。

表17 B04 OB狀態(tài)鋁合金薄板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

在成形后的板材上切取試樣，觀察板材低倍組織，進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn)和剝落腐蝕試驗(yàn)，并與飛機(jī)零件設(shè)計(jì)要求指標(biāo)進(jìn)行對比。由于實(shí)際使用時(shí)板材多為T62、T74狀態(tài)，故將試樣熱處理至T62、T74狀態(tài)進(jìn)行組織觀察和拉伸性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 晶粒度

對采用退火工藝優(yōu)化生產(chǎn)的7B04 OB δ3.5mm薄板去除包鋁層和未去除包鋁層的低倍組織進(jìn)行觀察，見圖1和圖2。

從圖1、圖2中可以看出，采用退火工藝優(yōu)化生產(chǎn)的板材經(jīng)腐蝕后，無論在包鋁層還是在基體金屬中都無目視可見的粗晶組織、低倍組織無分層，板材的晶粒度均不超過2級，滿足設(shè)計(jì)使用對晶粒度的要求。

圖1 去除包鋁層低倍照片

圖2 未去包鋁層低倍照片

優(yōu)化后工藝成形的板材晶粒度得到細(xì)化是由于通過快速加熱升溫(到410℃)保溫，然后水冷使得合金元素部分固溶、在變形組織中形成部分過飽和固溶體，這部分過飽和固溶體在板材后續(xù)退火過程中起到了抑制板材回復(fù)再結(jié)晶的作用，從而確保了板材組織的細(xì)化，即可獲得細(xì)晶板材［5－6］。

2.2 低倍組織

對采用退火工藝優(yōu)化生產(chǎn)的7B04 δ3.5mm薄板OB、T62和T74狀態(tài)的金相組織進(jìn)行研究，結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 退火狀態(tài)金相組織

圖4 T62狀態(tài)金相組織

圖5 T74狀態(tài)金相組織

由圖3～圖5可以看出，工藝優(yōu)化后的退火態(tài)組織正常，未出現(xiàn)包鋁層擴(kuò)散;退火狀態(tài)經(jīng)淬火時(shí)效處理成T62和T74狀態(tài)后，組織正常，無過燒跡象，滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)使用要求。

2.3 力學(xué)性能

對退火工藝優(yōu)化成形的7B04δ3.5mm鋁合金OB狀態(tài)薄板進(jìn)行室溫橫向力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 板材室溫橫向力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

將退火狀態(tài)板材淬火時(shí)效至T62或T74狀態(tài)，對室溫橫向力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 板材經(jīng)淬火時(shí)效后的室溫橫向力學(xué)性能

從表2、表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，退火工藝優(yōu)化生產(chǎn)的7B04 δ3.5mm薄板OB狀態(tài)的室溫橫向力學(xué)性能及處理成T74和T62兩種狀態(tài)后的室溫橫向力學(xué)性能均能滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)使用要求。

2.4 疲勞性能

按HB5287試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)切取試樣進(jìn)行軸向疲勞性能試驗(yàn)，試樣方向:LT，試樣狀態(tài)為:T62;試樣形式:片狀試樣;試驗(yàn)條件為:Kt=1、R=0.1、f=(100 ～ 130)Hz，應(yīng)力水平為:230MPa、190MPa、160MPa;Kt=3、R=0.1、f=(100 ～ 130)Hz，應(yīng)力水平為:130MPa、100MPa、85MPa;軸向疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，軸向疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表4 室溫軸向疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖中“原始數(shù)據(jù)”取自“XX工程”材料國產(chǎn)化研究7B04 OBδ2.0mm板材的疲勞性能曲線，“新工藝”為本次采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OBδ3.5mm板材處理成T62狀態(tài)后測得的三個(gè)高應(yīng)力值的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 7B04 T62δ2.0mm、3.5mm軸向疲勞性能對比

從圖6可以看出，采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OBδ3.5mm鋁合金薄板的疲勞性能與“XX工程”材料國產(chǎn)化7B04 OBδ2.0mm板材的疲勞性能相當(dāng)，數(shù)據(jù)正常，分散性小。說明采用新工藝生產(chǎn)的7B04 T62δ3.5mm薄板的疲勞性能并未受到影響。

2.5 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 電導(dǎo)率性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OBδ3.5mm薄板處理成T74狀態(tài)后，其電導(dǎo)率性能滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)使用要求。

3 結(jié)論

1)在常規(guī)成形過程中的退火工藝基礎(chǔ)上增加“410℃快速加熱并水冷”工序新工藝，可使7B04 OB鋁合金薄板晶粒度得到改善，滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)對晶粒度不超過2級的要求;

2)采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OB鋁合金薄板及經(jīng)過淬火時(shí)效到T62和T74狀態(tài)后，組織正常，室溫力學(xué)性能良好，滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)使用要求;

3)采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OB鋁合金薄板過淬火時(shí)效到T62狀態(tài)后，疲勞性能良好，滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)要求;

4)采用新工藝生產(chǎn)的7B04 OB鋁合金薄板及經(jīng)過淬火時(shí)效到T62和T74狀態(tài)后，電導(dǎo)率滿足飛機(jī)零件設(shè)計(jì)要求。

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