航空結(jié)構(gòu)件鋁合金固溶時(shí)效性能研究

金 熌 ，岳玉瑩 ，何志峰，付強(qiáng)紅，陳明偉 ，王 瑞

(1.海寧紅獅寶盛科技有限公司，浙江 海寧 314400； 2.浙江清華柔性電子技術(shù)研究院，浙江 嘉興 314000)

航空結(jié)構(gòu)件鋁合金主要用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件，如飛機(jī)上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼肋、翼梁和鉚釘?shù)?50 ℃以下工作的零件。2024鋁合金是一種高強(qiáng)度硬鋁，屬于Al-Cu-Mg系鋁合金，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在淬火狀態(tài)下塑性中等，點(diǎn)焊焊接性良好，氣焊時(shí)有形成晶間裂紋的傾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低、抗腐蝕性不高，常采用陽(yáng)極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力[1]。

目前有關(guān)航空結(jié)構(gòu)件的研究主要為鈦合金、鎳合金和合金鋼等耐高溫、耐磨、高強(qiáng)度的材料，對(duì)鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的研究較少。制定航空鋁合金熱處理工藝參照的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)[2](SAE)技術(shù)團(tuán)隊(duì)編制的AMS 2770和Paul J Garcia[3]編制的RPS 12.31，高溫測(cè)量工藝參照SAE編制的AMS 2750[4]。常用的鋁合金航空結(jié)構(gòu)件熱處理工藝為：固溶+(低溫冷藏)+自然時(shí)效/低溫時(shí)效，低溫冷藏(-18 ℃)是為了保持鋁合金在固溶處理后形成的一種不穩(wěn)定狀態(tài)(AQ態(tài))，延緩鋁合金時(shí)效硬化，便于矯正鋁合金零件因固溶處理時(shí)快速冷卻導(dǎo)致的形狀和尺寸變化。熱處理后不同狀態(tài)的鋁合金材料具有不同的性能，2024鋁合金T6狀態(tài)硬度能達(dá)到72 HRB，電導(dǎo)率能達(dá)到34～44%IACS；2024鋁合金T8狀態(tài)硬度能達(dá)到74 HRB，電導(dǎo)率能達(dá)到35～42.5%IACS[5-6]。在鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中，常把零件的硬度和電導(dǎo)率作為零件質(zhì)量檢驗(yàn)的指標(biāo)，對(duì)零件的其他力學(xué)性能和腐蝕性能，特別是晶間腐蝕不作質(zhì)量管控要求。鋁合金的晶間腐蝕能導(dǎo)致航空結(jié)構(gòu)件的失效，對(duì)飛機(jī)的安全運(yùn)行存在較大隱患。通過(guò)研究鋁合金航空結(jié)構(gòu)件在不同熱處理工藝中的力學(xué)性能和腐蝕性能，對(duì)指導(dǎo)鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝、零件裝掛方式和淬火液的選擇具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為不同狀態(tài)2024鋁合金，固溶時(shí)效處理后材料為T(mén)6和T8態(tài)，見(jiàn)表1。固溶熱處理爐采用高架底開(kāi)門(mén)，淬火水槽地面行走式結(jié)構(gòu)，時(shí)效采用臺(tái)車式熱處理爐，按AMS 2750F、HB 5425等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料Table 1 Test materials

(a)固溶爐；(b)時(shí)效爐圖1 試驗(yàn)設(shè)備(a) solid solution furnace; (b) aging furnaceFig.1 Test equipment

1.2 試驗(yàn)方法

將T0、T3態(tài)2024鋁合金分別加工成9個(gè)尺寸大小為250 mm×30 mm×1.6 mm的試樣，捆綁固定在熱處理料框的端點(diǎn)和中心處，各位置的試樣依次標(biāo)記為1#、2#、3#…9#，如圖2所示，然后進(jìn)行相應(yīng)熱處理[7-8]。具體熱處理工藝見(jiàn)表2。

圖2 試樣放置位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen placement position

表2 熱處理工藝Table 2 Heat treatment process

熱處理后依據(jù)ASTM E8對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能和晶間腐蝕測(cè)試。晶間腐蝕測(cè)試要求為[6,9]：

1)在進(jìn)行腐蝕測(cè)試前，每個(gè)試樣均在94 ℃的腐蝕溶液中浸泡1 min，以產(chǎn)生均勻的表面條件。腐蝕溶液配比為：50 ml硝酸(70%)、5 ml氫氟酸(48%)和945 ml蒸餾水或去離子水。

2)腐蝕處理后的試樣用蒸餾水或去離子水沖洗，室溫下在70%濃硝酸中浸泡1 min，清除可能在試樣上的鍍銅，然后用蒸餾水或去離子水沖洗，干燥。試樣應(yīng)浸泡在每平方英寸表面積至少30 ml的溶液中進(jìn)行腐蝕。腐蝕溶液溫度為30±5 ℃，配比為:57 g氯化鈉、10 ml過(guò)氧化氫(30%)，然后采用蒸餾水或去離子水稀釋至1 L。

3)浸泡結(jié)束后，將試樣取出進(jìn)行清洗和干燥，再放入配比為：2.5 ml硝酸(70%)、1.5 ml濃縮鹽酸、1.0 ml氫氟酸(48%)和95 ml蒸餾水或去離子水的腐蝕液中浸泡6～20 s。采用金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

對(duì)不同位置的T6態(tài)試樣(水冷卻)和T8態(tài)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，T6態(tài)和T8態(tài)試樣的力學(xué)性能對(duì)比曲線圖如圖3所示。

表3 T6態(tài)和T8態(tài)試樣力學(xué)性能Table 3 Mechanical propertiesof T6 and T8state samples

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，T6態(tài)和T8態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度均在69 Ksi左右，5#試樣的抗拉強(qiáng)度最?。籘6態(tài)和T8態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度分別為56 Ksi和63 Ksi左右，5#試樣的屈服強(qiáng)度最??；T6態(tài)和T8態(tài)試樣的延伸率分別約為10%和8%，T6態(tài)延伸率稍高于T8態(tài)延伸率，說(shuō)明T6態(tài)塑性比T8態(tài)塑性要好。

試驗(yàn)所用的固溶和時(shí)效熱處理爐溫度均勻性控制在±3 ℃，熱處理爐的溫度均勻性良好。但在溫度均勻性測(cè)試報(bào)告中固溶和時(shí)效熱處理爐的溫度最低點(diǎn)均出現(xiàn)在5#位置，該結(jié)果正好與T6態(tài)和T8態(tài)試樣力學(xué)性能最低點(diǎn)均出現(xiàn)在5#位置一致。T6態(tài)試樣采用固溶+自然時(shí)效+人工時(shí)效工藝，T8態(tài)試樣采用固溶+冷加工變形+自然時(shí)效+人工時(shí)效工藝，由于熱處理工藝相同，所以T6態(tài)和T8態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度接近；但T8態(tài)試樣增加了冷加工變形工序，會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象[10]，從而使T8態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度高于T6態(tài)、塑性低于T6態(tài)。

圖3 T6態(tài)和T8態(tài)試樣強(qiáng)度和延伸率對(duì)比圖Fig.3 Comparison of strength and elongation of T6 and T8 state samples

2.2 腐蝕性能

將T6態(tài)(水冷卻)、T6態(tài)(聚合物冷卻)和T8態(tài)的5#試樣進(jìn)行腐蝕性能分析對(duì)比，結(jié)果如圖4、5所示。

表4 5#試樣腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 4 Comparison tableof corrosiondata for 5# samples

從表4可以看出，試樣的最大晶間腐蝕深度依次為T(mén)6態(tài)(水冷卻)>T8態(tài)>T6態(tài)(聚合物冷卻)，晶間腐蝕區(qū)域面積比例依次為T(mén)8態(tài)>T6態(tài)(水冷卻)>T6態(tài)(聚合物冷卻)，T6態(tài)(聚合物冷卻)試樣的腐蝕性能最好。T6態(tài)(聚合物冷卻)試樣在固溶處理淬火過(guò)程中使用15%濃度的乙二醇聚合物淬火液，相比水冷卻，乙二醇淬火液的冷卻系數(shù)較高，冷卻效果和速率比水強(qiáng)。由于鋁合金高溫固溶后，在越最短的時(shí)間內(nèi)冷卻淬火，淬火液冷卻系數(shù)[11-12]越高，晶間腐蝕敏感性越低[13-15]，耐腐蝕性能表現(xiàn)越好，即聚合物冷卻的T6態(tài)試樣晶間腐蝕深度和腐蝕區(qū)域比例最低。

(a,b)T6態(tài)(水冷卻)；(c,d)T6態(tài)(聚合物冷卻)；(e,f)T8態(tài)圖4 5#試樣的腐蝕深度(a,b)T6 state (water cooling)；(c,d)T6 state (polymer cooling)；(e,f)T8 stateFig.4 Corrosion depth of 5# sample

(a)T6態(tài)(水冷卻)；(b)T8態(tài)；(c)T6態(tài)(聚合物冷卻)圖5 5#試樣的晶間腐蝕區(qū)域面積比例圖(a)T6 state (water cooling);(b)T8 state;(c)T6 state (polymer cooling)Fig.5 Area ratio of intergranular corrosion area of 5# sample

3 結(jié)論

1)2024鋁合金固溶時(shí)效處理時(shí)，爐膛中間位置處試樣的力學(xué)性能最低，T6態(tài)和T8態(tài)的試樣抗拉強(qiáng)度接近，但T8態(tài)試樣的的屈服強(qiáng)度高于T6態(tài)、塑性低于T6態(tài)。

2)2024鋁合金固溶冷卻淬火時(shí)，乙二醇聚合物淬火試樣的抗晶間腐蝕性能比水冷卻淬火試樣的強(qiáng)，T6態(tài)聚合物冷卻試樣的晶間腐蝕不明顯。