飛機(jī)座椅用鎂合金材料性能的研究

李 偉

（中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)航空業(yè)目前進(jìn)入了快速發(fā)展期[1]。目前，我國(guó)“大飛機(jī)”的研制和生產(chǎn)已經(jīng)列入國(guó)家層面，大飛機(jī)對(duì)于一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略布局具有至關(guān)重要的作用，而目前全世界范圍里面，只有美國(guó)、俄羅斯和歐盟少數(shù)幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)可以生產(chǎn)[2～4]。研發(fā)“大飛機(jī)”，不僅可為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型做出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)對(duì)我國(guó)的國(guó)防也會(huì)起到重要的作用[1,3-5]。眾所周知，鋁合金材料是目前飛機(jī)的主體材料，航空用鋁合金如7150、2524以及7055等鋁合金均是新一代的高性能鋁合金，它的使用可滿足“大飛機(jī)”的低成本和高強(qiáng)度要求[4～6]。鎂合金作為最輕的工程金屬材料，其比強(qiáng)度明顯要高于工程塑料，其重量比鋁合金輕30%~50%，比鋼鐵輕70%以上[7,8]。同時(shí)，鎂合金具有良好的可鑄造性、切削加工性以及導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn)[9,10]。“大飛機(jī)”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如座艙的座椅材料，可采用比鋁合金更輕的鎂合金材料進(jìn)行替代而不會(huì)損失其強(qiáng)度[8～10]。將鎂合金材料應(yīng)用于飛機(jī)座椅材料，不僅可以提高材料的使用壽命，同時(shí)，對(duì)飛機(jī)座椅乃至整機(jī)的減重具有極其重要的作用。

基于此，本文通過(guò)對(duì)鎂合金鑄造飛機(jī)座椅材料的工藝及性能進(jìn)行了研究，探討了其熱處理工藝以及宏觀微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。為推廣鎂合金材料用于飛機(jī)座椅減重提供了一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用壓鑄工藝制備飛機(jī)座椅用材料，所采用的鎂合金材料為AM51和AZ92D，其配方組成如表1所示。在熔煉鎂合金材料的時(shí)候，利用40KW的井式電阻爐進(jìn)行熔煉，采取不同的處理工藝，溫度低于550℃時(shí)，不采取氣體保護(hù)熔煉。當(dāng)溫度超過(guò)550℃時(shí)，采?。⊿F6+N2）進(jìn)行保護(hù)進(jìn)行熔煉，利用觀察孔觀察鎂合金熔煉程度，當(dāng)熔煉的鎂合金表面開始出現(xiàn)熔化時(shí)，將鎂合金覆蓋劑添加進(jìn)熔煉金屬中。在鎂合金開始熔化的熔煉過(guò)程中，要不斷調(diào)節(jié)保護(hù)氣體的流量，同時(shí)，要保證有足夠的鎂合金覆蓋劑，直到鎂合金全部熔化，覆蓋劑的添加量為鎂合金重量的0.5%~1.5%。在熔煉過(guò)程中，SF6氣體的濃度要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，實(shí)驗(yàn)中SF6控制在0.3%~0.4%之間。在熔煉過(guò)程中，SF6與N2混合后氣體壓力的控制也同樣重要，實(shí)驗(yàn)中，混合氣體壓力控制在0.01MPa~0.2MPa之間。鎂合金熔煉完成后，開始精煉處理，精煉過(guò)程中需要添加精煉劑，精煉劑的添加量為1.5%~2.5%，精煉完成后，將鎂合金靜置5min~15min后進(jìn)行壓鑄。壓鑄過(guò)程中鎂合金的溫度為650℃以上、壓鑄射速為3m/s~6m/s。

飛機(jī)座椅用鎂合金材料鑄造完成后，開始對(duì)所熔煉材料的性能進(jìn)行測(cè)試。在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在飛機(jī)座椅用材料上面取非標(biāo)尺寸扁平試樣，標(biāo)距為25mm，利用KM-200液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中拉伸速度為5mm/min。利用彈性模量測(cè)試儀在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)飛機(jī)座椅材料樣品的彈性模量進(jìn)行測(cè)試。采用HV-4000型布氏硬度計(jì)測(cè)試飛機(jī)座椅材料樣品的硬度，載荷為600N，保壓時(shí)間為20s。

表1 飛機(jī)座椅用鎂合金材料化學(xué)組成 (wt/%)

2 結(jié)果分析與討論

在壓鑄飛機(jī)座椅用鎂合金材料時(shí)，配方組成不同，必然會(huì)導(dǎo)致鎂合金中化學(xué)成分的不同，這勢(shì)必會(huì)影響鎂合金材料的宏觀與微觀性能，如鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度、硬度以及彈性模量等性能。

2.1 拉伸性能分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)AM51和AZ92D兩種鎂合金材料的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 鎂合金材料樣品拉伸性能

從表2中可以看出，實(shí)驗(yàn)中所壓鑄的AM51和AZ92D鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了240MPa和265MPa，均符合飛機(jī)座椅用材料強(qiáng)度要求。從表2中還可發(fā)現(xiàn)，AM51鎂合金的延伸率和彈性模量分別為8.9%以及39GPa，而AZ92D鎂合金的延伸率和彈性模量分別為7.9%以及43GPa，通過(guò)綜合對(duì)比兩種飛機(jī)座椅用材料性能可發(fā)現(xiàn)，AZ92D鎂合金更適合用做飛機(jī)座椅材料的制作。

2.2 硬度分析

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)較佳的飛機(jī)座椅用鎂合金材料AZ92D硬度性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。在鎂合金材料上鉆取圓形樣品，再對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，熱處理過(guò)程中，先在400℃對(duì)樣品進(jìn)行固溶處理8h，而后再在200℃進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間分別為5h、10h、15h、20h以及25h，最后測(cè)試經(jīng)過(guò)熱處理后樣品的布氏硬度值，結(jié)果如表3所示。

表3 經(jīng)不同時(shí)效時(shí)間處理的AZ92D鎂合金硬度

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)座椅用AZ92D鎂合金材料的布氏硬度值在熱處理前后發(fā)生了一些變化，鎂合金材料材料硬度值的變化間接反映了其強(qiáng)度的變化。從中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶處理后，飛機(jī)座椅用材料的硬度值由65增加至70.1，說(shuō)明固溶處理有助于提高飛機(jī)座椅用材料的硬度值，但提高不是很明顯。這是因?yàn)?，在固溶處理過(guò)程中，合金組織中β相固溶于α-Mg基體中，但在基體中，α-Mg處于過(guò)飽和狀態(tài)，使得固溶后產(chǎn)生的β相被過(guò)飽和的基體α-Mg相所掩蓋。同時(shí)，α-Mg固溶體的硬度值較合金組織要小，β-Mg固溶體的硬度值較合金組織要高，因而在表面同時(shí)存在α相和β相的部位其硬度值要比合金組織要高。隨著鎂合金材料經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，被α-Mg固溶體所掩蓋的β相逐漸析出，并在晶界處形成網(wǎng)狀分布，起到析出強(qiáng)化的作用。因而，經(jīng)時(shí)效處理后的鎂合金材料樣品的硬度值隨之增加。但是，隨著時(shí)效處理時(shí)間的延長(zhǎng)，析出的β相逐漸長(zhǎng)大，這樣就造成了鎂合金材料材料樣品硬度值的降低。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1是Al-Mg合金相圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，Al元素在Mg元素中的固溶度隨著溫度的升高而增加，并且，當(dāng)Al元素的含量超過(guò)固溶度時(shí)，Al元素與Mg元素形成金屬間化合物Al12Mg17并在合金中析出。而經(jīng)過(guò)固溶處理后的飛機(jī)座椅用鎂合金材料中的Al12Mg17完成固溶于基體中，這使得合金組織呈單相及枝狀結(jié)構(gòu)。

一般情況，對(duì)合金進(jìn)行熱處理的目的是，使得合金內(nèi)部晶粒得到細(xì)化，從而改善合金力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、硬度以及延伸率等。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)AZ92D飛機(jī)座椅用鎂合金材料進(jìn)行固溶和時(shí)效處理后，其力學(xué)性能均要優(yōu)于未熱處理的樣品。實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)分析得出飛機(jī)座椅用AZ92D鎂合金材料在400進(jìn)行固溶處理8h，而后在200℃進(jìn)行時(shí)效處理20h后的樣品最佳。圖2是經(jīng)過(guò)20h時(shí)效處理后的樣品微觀組織結(jié)構(gòu)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)熱處理后，在基體中可以明顯觀察到網(wǎng)狀的枝狀增強(qiáng)相，同時(shí)有塊狀的晶體。結(jié)合相圖分析可知，這些主要是由α-Mg合金固溶體和位于晶體界面處的非連續(xù)網(wǎng)狀合金化合物Al12Mg17相組成。β相處于α相和Al12Mg17相之間，β相在熱處理的過(guò)程中析出，這種固溶與析出的綜合作用使得飛機(jī)座椅用鎂合金材料的整體力學(xué)性能得到了提高。同時(shí)，β相呈連續(xù)狀分布，較為細(xì)長(zhǎng)，分布均勻，β相沿晶界面的網(wǎng)狀析出對(duì)鎂合金材料起到了一定的強(qiáng)化。

圖1 Al-Mg合金相圖

3 結(jié)論

1）對(duì)AM51和AZ92D兩種鎂合金鑄造所得材料樣品的力學(xué)性能研究表明，AZ92D鎂合金樣品性能較佳，其抗拉強(qiáng)度為265MPa，延伸率為7.9%，彈性模量為43GPa。

2）對(duì)較佳的AZ92D鎂合金材料樣品的熱處理工藝進(jìn)行研究表明，當(dāng)固溶處理8h，時(shí)效處理20h后，鎂合金材料樣品的布氏硬度值最高，為86.7。

圖2 經(jīng)固溶8h以及時(shí)效處理20h后的鎂合金材料組織結(jié)構(gòu)

3）對(duì)最佳熱處理后的AZ92D鎂合金材料樣品微觀組織研究表明鎂合金中β相處于α相和Al12Mg17相之間，β相在熱處理的過(guò)程中析出，這種固溶與析出的綜合作用使得飛機(jī)座椅用鎂合金材料的整體力學(xué)性能得到了提高。

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