航空用7075合金薄壁型材產(chǎn)品開發(fā)研究

佟明明，王義斌，王 煦

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

現(xiàn)代航空航天裝備不斷向輕量化、長壽命、高可靠性方向發(fā)展，服役性能也逐漸趨于極端化。因此，作為航空航天裝備主體構(gòu)件的輕合金大型整體構(gòu)件，必須具有超高的強度和較低的重量。航空用鋁合金由于強度高、密度小、成形性能好等優(yōu)點，成為了現(xiàn)代航空航天裝備的關(guān)鍵材[1-3]。7075合金是Al-Zn-Mg-Cu系合金，用于制造飛機結(jié)構(gòu)及其他要求強度高、抗蝕性能強的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件，如飛機上下翼面壁板、桁條、隔框等。

1 產(chǎn)品開發(fā)要求

1.1 產(chǎn)品截面及尺寸要求

產(chǎn)品截面尺寸及尺寸偏差按圖紙要求，其他尺寸按 GB/T 14846-高精級標準執(zhí)行，其斷面圖如圖1所示。

圖1 ZW-D031317斷面圖Fig.1 ZW-D031317 profile

1.2 產(chǎn)品性能及其他要求

該合金斷面產(chǎn)品為航空產(chǎn)品，對產(chǎn)品要求較高，本次采用7075合金生產(chǎn)。具體開發(fā)要求為，抗拉強度(Rm)≥503MPa，屈服強度(RP0.2)≥435MPa，伸長率(A)≥7%；低倍組織不允許有裂紋、縮尾、氣孔、光亮晶粒，不允許有點狀或針狀非金屬夾雜物和化合物偏析缺陷；高倍組織不允許過燒；電導率≥22MS/m；不應(yīng)出現(xiàn)EB～ED級的剝落腐蝕。

2 產(chǎn)品擠壓生產(chǎn)難點

本次開發(fā)的斷面合金為7075合金，該合金合金化程度高、金屬流動性差，導致變形抗力過大，擠壓工藝過程較難控制，棒溫低，合金過硬擠壓困難；棒溫過高，產(chǎn)品組織易過燒。且該合金需進行離線淬火，壁厚較薄易發(fā)生扭擰變形，型材的直線度及扭擰度很難得到保證?；谝陨蠋追矫娴拈_發(fā)難點，對整個開發(fā)過程形成較大的生產(chǎn)困難，本次生產(chǎn)主要從擠壓工藝、后期整形、淬火夾具、模具調(diào)整等幾方面進行開發(fā)研究試制。

3 試驗方法

3.1 生產(chǎn)信息情況

本次開發(fā)產(chǎn)品，合金化程度較高，擠壓難度較大，采用非標機臺擠壓生產(chǎn)，即采用600T噸位擠壓機臺改用500T噸位擠壓筒生產(chǎn)。其產(chǎn)品信息情況為，擠壓噸位660T，擠壓筒面積56.72cm2，型材斷面積1.779cm2，擠壓系數(shù)31.9。

3.2 擠壓工藝參數(shù)

7075合金薄壁型材擠壓機臺選用液壓情況較好的非標機臺生產(chǎn)，該機臺最大輸出壓力6.0MN，擠壓筒直徑由原來的105mm降為85mm，筒面積由86.5cm2減少為56.72cm2。因此，可以有效提高單位面積上的輸出壓力，最大單位輸出壓力由76kg/mm2增加到116kg/mm2，從而降低擠壓難度。本次生產(chǎn)的擠壓工藝參數(shù)為，擠壓筒溫度420℃，模具溫度450℃，鑄錠溫度408℃～411℃，擠壓速度0.3m/min～0.5m/min。

3.3 模具調(diào)整

擠壓生產(chǎn)薄壁型材，產(chǎn)品尺寸較難控制，需經(jīng)過多次修模整改。該模具為平模，且該合金金屬流動性差，擠壓較困難，在擠壓過程中易發(fā)生悶車現(xiàn)象。經(jīng)多次模具調(diào)整后將模具促流角打磨2°，去掉模具前室，增加制品流速，降低突破壓力。

3.4 淬火矯直

7075合金薄壁型材制作專用淬火夾具，使用溫水(50℃±5℃)淬火，盡量采用短尺，保證淬火后型材的直線度。

3.5 熱處理制度

本產(chǎn)品采用7075-T76511的合金狀態(tài)，型材需進行離線淬火處理及過時效處理。對于7xxx系合金，為保證其腐蝕性能，采用雙級時效處理，具體熱處理制度為，淬火制度462℃×30min，時效制度120℃×5h+170℃×7h，淬火后1h內(nèi)拉伸。

4 試驗結(jié)果

4.1 型材成分

將型材產(chǎn)品進行成分檢測，符合AMS-QQ-A-200/15標準要求(表1)。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

4.2 力學性能

分別在產(chǎn)品頭尾處取兩套200mm長力學料樣，經(jīng)淬火、時效后對料樣進行力學檢測，力學檢測標準按照GB/T 288方法執(zhí)行，檢測結(jié)果如表2所示。從表2可知，型材產(chǎn)品經(jīng)力學檢測，其檢測結(jié)果完全符合AMS QQ-A-200/15標準要求。

表2 力學性能

4.3 電導率

本次試驗要求電導率≥22MS/m，經(jīng)時效后進行電導率檢測，其檢測結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，試驗要求電導率≥22MS/m，即電導率要求≥37.93%IACS，檢測結(jié)果均符合要求。

表3 電導率檢測結(jié)果

4.4 組織性能

4.4.1 低倍組織

分別切取頭端1m，尾端1.5m、2m處50mm長度試樣進行低倍檢測，檢測標準按照GB/T 3247方法執(zhí)行，其低倍檢測結(jié)果無缺陷。

4.4.2 高倍組織

切取型材頭、尾兩端樣品進行高倍組織觀察，檢測標準按照GB/T 3246方法執(zhí)行，檢測結(jié)果均未見組織過燒，如圖2所示。

圖3分別為型材經(jīng)離線淬火(462℃×30min)和時效(120℃×5h+170℃×7h)后的頭、尾兩端組織性能，圖中晶粒度等級均為7級。

(a)頭部500X高倍組織 (b)尾部500X高倍組織圖2 型材組織性能Fig.2 Profile structure property

(a)頭部100X晶粒度 (b)尾部100X晶粒度圖3 型材晶粒度Fig.3 Grain size of profile

4.5 腐蝕性能

型材產(chǎn)品要求，剝落腐蝕性能不出現(xiàn)EB～ED級。將型材產(chǎn)品取100mm料樣進行剝落腐蝕處理，腐蝕480h，顯示結(jié)果為EA級，其腐蝕表面情況如圖4所示。

圖4 剝落腐蝕表面Fig.4 Peeling off corroded surface

4.6 型材尺寸

將淬火后型材切取定尺為1.5m，上平臺后，出現(xiàn)翹腳現(xiàn)象，型材直線度不合格，需后期整形處理，其淬火后擠壓產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 淬火后擠壓型材Fig.5 Press the profile after quenching

5 總結(jié)

(1)7075合金薄壁型材擠壓工藝初定為：采用離線淬火方式，鑄錠溫度400℃～410℃、擠壓速度0.5m/min～0.5m/min、擠壓筒溫度420℃～430℃、模具溫度為450℃～460℃，淬火制度為462℃±3℃×30min，時效制度為120℃×5h+170℃×7h，淬火后需在1h內(nèi)進行拉伸校直；

(2)經(jīng)成分檢測，型材成分符合要求；

(3)7075合金擠壓型材，離線淬火后，經(jīng)過時效處理，其力學性能完全滿足AMS QQ-A-200/15標準，其屈服強度和抗拉強度均能高于標準50MPa～60MPa；

(4)型材淬火后，進行過時效處理，將型材頭尾分別進行電導率檢測，其頭部電導率檢測結(jié)果為38.56%%IACS，尾部為38.82%IACS，均滿足≥37.93%IACS的標準；

(5)7075合金在淬火后經(jīng)高倍組織檢測未出現(xiàn)過燒情況，低倍組織頭端1.5m處出現(xiàn)縮尾，其余切取位置均合格，融合口為纖維狀斷口；

(6)型材進行剝落腐蝕，在腐蝕480h后，觀察型材表面，其腐蝕結(jié)果為EA級，滿足不出現(xiàn)EB～ED級標準；

(7)型材1.5m定尺上平臺后，出現(xiàn)翹腳現(xiàn)象，直線度不合格。