鋁合金包鋁那些事兒

供稿|菅金鑫，杜森 / JIAN Jin-xin, DU Sen

內(nèi)容導(dǎo)讀

在日常的生活中，小到餐具、家用電器，大到汽車、船舶、航天飛機，均可看到鋁合金的身影。鋁合金因其質(zhì)量輕、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的機械力學性能等特點，已經(jīng)完全融入人們的生產(chǎn)和生活中，發(fā)揮著不可替代的作用。鋁合金包鋁是指將高純鋁包裹在硬鋁合金外表面，由于鋁是活潑金屬，與空氣接觸的部分會形成一層致密的氧化鋁薄膜，從而對硬鋁合金起到良好的耐腐蝕保護。由于純鋁較軟，硬鋁合金硬度較高，二者物理化學性質(zhì)差異較大，直接在硬鋁合金表面軋制一層純鋁會導(dǎo)致包鋁不均勻、包鋁層斷裂等缺陷，因此對硬鋁合金的包鋁工藝有一定要求。硬鋁合金經(jīng)過包鋁工藝、退火及固溶熱處理及變形處理后，既具有良好機械性能又具有良好的耐腐蝕性能。本文介紹了鋁合金的發(fā)展狀況、飛機蒙皮材料的選擇、鋁合金包鋁工藝及其后續(xù)處理工藝，使人們能更好地了解航空鋁合金包鋁材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著鋁合金材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模與技術(shù)水平方面不斷突破，2019年我國鋁產(chǎn)量居世界首位。我國自行研制的高強韌鑄造鋁合金、第三代鋁鋰合金、高性能鋁合金型材的性能均達到國際先進水平，在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域不斷走在世界前列。需要指出的是，雖然我國已經(jīng)可以自主生產(chǎn)航空包鋁合金，但是與美國等國家生產(chǎn)的航空包鋁合金在損傷容限性能、最大容許變形量，還有板材的延展性等關(guān)鍵性能上還有一定的差距，在航天飛機的部分關(guān)鍵材料、核心零件部分仍不能自給。為解決鋁合金材料的“卡脖子”問題，仍需提高我國的自主創(chuàng)新能力，建立產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)勢互補、密切合作機制，縮短生產(chǎn)周期，形成持續(xù)創(chuàng)新能力，實現(xiàn)從材料大國向材料強國的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。

鋁合金發(fā)展現(xiàn)狀

鋁作為地殼中含量最多的金屬元素，直到19世紀才被人類使用，因鋁具有密度小、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)良特性，如今鋁的產(chǎn)量已超過銅，成為產(chǎn)量排名第二的金屬。金屬鋁較為活潑，在自然界中很難以單質(zhì)的形態(tài)存在，通常以氧化物/化合物的形式存在。質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好是金屬鋁的兩大主要優(yōu)勢，金屬鋁及其合金也因此成為航空航天領(lǐng)域的理想材料。

純鋁材料的強度較低，自身力學性能較差，研究者嘗試在純鋁中添加特定含量的其他金屬元素制備鋁合金來改變純鋁的物理化學性質(zhì)，使鋁合金材料既擁有純鋁的輕質(zhì)、導(dǎo)熱等特性，又具有優(yōu)異的強度及綜合力學性能。

1906年，德國科學家Alfred在鋁中加入少量的Mg和Cu，制備得到堅韌的Al-Cu-Mg鋁合金材料，通過時效處理來提升自身的性能[1-2]。初期，美鋁公司發(fā)明生產(chǎn)的Al-8Cu合金材料被萊特兄弟用在第一架飛機上作為曲軸箱體材料，這也是鋁合金首次應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。隨著對鋁合金材料研究的深入，鋁合金的強度不斷提升，開始得到全球航空工業(yè)界的普遍重視，高強鋁合金以其優(yōu)異的綜合性能在商用飛機上的使用量已經(jīng)達到其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80%以上。

鋁合金中元素種類以及含量配比的不同會產(chǎn)生具有不同性能的材料。鋁合金按照成分組成可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，其中變形鋁合金對成分要求較高，性能也更加優(yōu)異。按照主添加元素的不同可以將變形鋁合金分為七種系列，其中2xxx系和7xxx系鋁合金因其優(yōu)異的機械性能而廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。

飛機蒙皮材料的選擇

飛機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計過程中，每一個組成部分都需要針對其功能選擇特定材料，其中飛機表面材料也被稱為蒙皮材料，由于其直接與大氣接觸，對材料性能要求更為嚴格。隨著近些年航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機飛行速度越來越快，超音速的飛行時速已經(jīng)可以達到2.2 Ma(馬赫)以上，在飛行過程中機身局部區(qū)域會長時間處于150℃以上的高溫，這對飛機蒙皮材料的高溫服役性能提出更高的要求。7xxx系列鋁合金常溫下具有優(yōu)異的機械性能，但是其性能隨著溫度的升高衰減較為嚴重，無法滿足飛機表面蒙皮材料的使用需求。2024鋁合金雖然室溫下機械性能不及7050鋁合金，但其高溫服役性能較好，研究指出當工作溫度超過150 ℃時，2024鋁合金的機械性能會超過7050鋁合金，因此其常用于飛機蒙皮材料[3]。

飛機在飛行過程中蒙皮材料直接與高空大氣接觸，易被腐蝕，因而在滿足高溫服役性能的同時也要充分考慮到耐腐蝕性能。2024鋁合金的主添加元素為Cu，當Cu的質(zhì)量分數(shù)超過4%時，鋁合金基體中的析出相以Al2Cu和Al2CuMg為主，析出相附近區(qū)域極易出現(xiàn)貧Cu區(qū)。因貧Cu區(qū)與析出相間電極電位差距較大，極易發(fā)生晶間腐蝕[4]。因此2024鋁合金的耐蝕性較差，目前工業(yè)生產(chǎn)中最常見的處理手段是熱軋?zhí)幚黼A段在2024鋁合金表面軋制一層純鋁以起到提升耐腐蝕性能以及陽極保護的作用[5]。高純鋁包裹在合金外表面，由于鋁是活潑金屬，與空氣接觸的部分會形成一層致密的氧化鋁薄膜，從而對合金起到良好的耐腐蝕保護。此外，因為包鋁層相較于2A12鋁合金基體的電勢更高，起到了陽極保護的作用，即使材料表面包鋁層出現(xiàn)了細小的裂痕仍然可以對鋁合金基體合金起到保護作用[6]。

鋁合金包鋁工藝

由于純鋁較軟，2024為硬鋁合金，二者物理化學性質(zhì)差異較大，直接在2024鋁合金表面軋制一層純鋁會導(dǎo)致包鋁不均勻、包鋁層斷裂等缺陷，因此對2024鋁合金的包鋁工藝有一定要求。

在2024鋁合金加工過程中，合金板材的包鋁層處理是在熱軋初期完成的。板材包鋁層材料選取的材料為1050鋁合金(成分為Fe質(zhì)量分數(shù)0.2%～0.3%，Si質(zhì)量分數(shù)0.1%～0.3%，且Fe元素與Si元素質(zhì)量分數(shù)之和不得大于0.45%)。熱軋前對2024和1050鋁合金間的接觸面進行清潔處理，去除表面油污、鋁粉后將包鋁板材放置在合金鑄塊上、下表面，為了防止軋制板帶在軋制過程中產(chǎn)生裂邊現(xiàn)象，鑄塊在軋制前會放置兩個側(cè)面包鋁板；熱軋過程中對側(cè)面進行滾邊軋制，經(jīng)過幾個道次使得板材坯料側(cè)面焊接。側(cè)面的純鋁填充了板材邊部合金裂紋，增大了板帶邊部的塑性，減少了中溫軋制和冷軋時的裂邊、斷帶現(xiàn)象。包鋁層放置位置如圖1(a)所示，放置好之后，熱軋厚合金板帶經(jīng)過連接導(dǎo)路送至冷軋機，當板材溫度低于230 ℃時進行軋制，軋后卷取。之后剪切為板材或者經(jīng)熱處理后再進行冷軋?zhí)幚?。根?jù)國標GB167—82“可熱強化的鋁合金板”中對于鋁合金板材包鋁層的詳細要求，包鋁層要求一定的包裹率。包裹率是包鋁層質(zhì)量的重要指標。不同的材料使用環(huán)境一般會對包鋁層的包裹率提出不同的要求。圖1(b) 為包鋁層示意圖。

圖1 包鋁層示意圖[7]：(a)包鋁板和側(cè)面包鋁板的放置；(b) 合金板材斷面示意圖

式中，A為包鋁層厚度；B為合金層厚度。

鋁合金包鋁板熱處理

熱軋后鋁合金包鋁板仍不能滿足使用要求，需要進行熱處理以提高機械性能。常見熱處理包括退火處理和固溶處理。退火處理是把鋁合金加熱到一定溫度后保溫以消除機械加工引起的內(nèi)應(yīng)力，改善鋁合金的塑性。固溶是把鋁合金加熱到較高的溫度后，保溫一段時間，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解，然后淬入水中急冷，部分可溶相在后續(xù)時效過程均勻彌散析出形成強化相，提高合金的強度。

物質(zhì)中的任何原子都在做無規(guī)則熱運動，提高溫度后，原子運動加劇，擴散能力增強。2024鋁合金中主添加元素Cu在Al中的擴散能力在420 ℃以下受溫度影響較小，高于420 ℃時急劇增高。在鋁合金包鋁板的退火和固溶過程中退火溫度一般在300～400 ℃之間，此時Cu的擴散能力較弱，鋁合金基體中的Cu元素不會擴散至包鋁層中。而固溶溫度則可以達到500 ℃左右，在該溫度下Cu的擴散能力強，會從基體中擴散至包鋁層中，污染包鋁層，進而影響包鋁板的耐腐蝕性能。因此對于固溶處理的工藝參數(shù)有嚴格要求。

鋁合金包鋁板固溶處理

2024鋁合金固溶時，需要通過控制溫度和時間盡可能使合金中的強化元素充分回溶進入基體，但是固溶溫度過高或時間過長都會導(dǎo)致Cu從基體中擴散至包鋁層中，污染包鋁層；固溶溫度過低或時間過短則會導(dǎo)致可溶相不完全回溶。因此需要確定鋁合金包鋁板固溶處理的最佳溫度和時間。

圖2為固溶溫度495 ℃時，保溫分別為5 min和45 min的鋁合金包鋁板中2024鋁合金基體與包鋁層的界面形貌。從圖中可以看出，在相同固溶溫度下，隨著固溶時間的增長，2024鋁合金基體中的Cu元素會逐漸擴散進入包鋁層中。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當固溶保溫時間為5 min時，此時固溶保溫時間較短，基體與包鋁層之間存在清晰的界面；當固溶保溫時間達到45 min時，2024鋁合金基體中的Cu元素已經(jīng)大量擴散至包鋁層。

圖2 固溶溫度495 ℃時(a)保溫5 min和(b)保溫45 min鋁合金包鋁板界面形貌

圖3為固溶時間10 min，固溶溫度分別為475 ℃和505 ℃的鋁合金包鋁板中2024鋁合金基體與包鋁層的界面形貌。從圖中可以看出，在固溶時間10 min下，隨著固溶溫度的升高，2024鋁合金基體與包鋁層之間的界面一直清晰，僅在界面處存在少量的Cu擴散，包鋁層中沒有出現(xiàn)明顯的污染現(xiàn)象。推測這可能是因為固溶溫度的升高會導(dǎo)致Cu原子在Al中擴散能力增強，但是在較短的固溶時間下，Cu元素來不及從2024鋁合金基體中擴散深入至包鋁層中。

圖3 固溶時間10 min時固溶溫度(a)475 ℃和(b)505 ℃鋁合金包鋁板界面形貌

因此，對鋁合金包鋁板進行固溶處理的過程中，在較短的固溶時間內(nèi)，固溶溫度對于2024鋁合金基體與包鋁層界面形貌影響不大；而在相同的固溶溫度下，固溶時間的增加能顯著促使2024鋁合金基體中的Cu擴散進入包鋁層。Cu的擴散會導(dǎo)致包鋁層受到嚴重污染，無法在表面形成均勻致密的氧化鋁薄膜，降低了其對于鋁合金基體的保護效果。同時Cu元素的擴散導(dǎo)致包鋁層和2024鋁合金基體的電勢差減小，削弱包鋁層的陽極保護作用。另外，Cu元素的擴散會使2024鋁合金基體中的主添加元素含量降低，導(dǎo)致鋁合金包鋁板的機械性能下降。通常Cu元素最大擴散深度低于包鋁層厚度的75%時對合金的影響較小，所以鋁合金包鋁板的固溶處理時間不宜過長。

鋁合金包鋁板的變形處理

固溶處理后的鋁合金包鋁板在機械性能以及耐腐蝕性能等方面均已到達航空飛機蒙皮材料的使用標準。但在實際使用中，鋁合金包鋁板需要進行一定程度的變形處理，以滿足飛機蒙皮的結(jié)構(gòu)要求。由于鋁合金包鋁板中的2024鋁合金基體與包鋁層機械性能差異較大，在整體材料不斷裂的情況下，過大的變形量仍會導(dǎo)致包鋁層的開裂，圖4為鋁合金包鋁板在經(jīng)過一定程度變形后的界面形貌，此時板材整體沒有斷裂，但是包鋁層由于近基體側(cè)和外表面?zhèn)茸冃尾町愝^大而發(fā)生開裂，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能無法滿足使用需求(圖5)。

圖4 2024鋁合金包鋁板界面形貌

圖5 鋁合金包鋁板的包鋁層開裂

因此，需要針對鋁合金包鋁板材料的特性，結(jié)合飛機蒙皮材料的結(jié)構(gòu)要求等因素，制定最大容許變形范圍，也就是該材料發(fā)生變形后包鋁層不被破壞的最大變形量。

通過探究變形量與鋁合金包鋁板表面形貌的關(guān)系，可以確定其最大容許變形范圍。圖6為相同固溶處理工藝下鋁合金包鋁板表面形貌隨變形量的變化，圖中顏色代表板材表面的高度，其中紅色代表凸起程度，藍色代表凹陷程度。圖6(a)為變形量為0%時鋁合金包鋁板的表面形貌，此時板材表面相對較為光滑，呈有規(guī)律的線狀凸起及凹陷；圖6(b)為變形量為20%時鋁合金包鋁板的表面形貌，此時板材表面較為粗糙，表面均勻性下降，呈無規(guī)律的點狀凸起及凹陷，形如橘皮。這種橘皮表面形貌是由于變形量過大，鋁合金包鋁板2024鋁合金基體與包鋁層變形量不一致導(dǎo)致包鋁層開裂，從而使鋁合金包鋁板的耐腐蝕性能下降，無法滿足使用需求。

圖6 固溶溫度495 ℃處理35 min時板材表面隨變形量變化：(a) 0%；(b) 20%

對不同變形量下的鋁合金包鋁板表面粗糙度進行定量檢測，如圖7所示為相同固溶處理條件下鋁合金包鋁板表面粗糙度與變形量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著變形量的增加，鋁合金包鋁板表面粗糙度對應(yīng)增加，二者基本呈現(xiàn)出線性的增長關(guān)系。

圖7 固溶溫度495 ℃時保溫35 min處理工藝下板材表面粗糙度隨變形量變化

通常認為在使用的過程中變形量最大可接受范圍是在12%～16%之間，當板材變形量大于16%之后板材表面的形貌已經(jīng)出現(xiàn)較大的橘皮缺陷，并且從金相組織觀察可以看出，表面包鋁層會出現(xiàn)斷點甚至鋸齒狀的裂痕，雖然由于陽極保護的原因此時包鋁層對板材基體還有一定的保護作用，但是此時的保護作用已經(jīng)遠遠達不到飛機蒙皮的使用標準。

結(jié)束語

2024鋁合金包鋁軋制后的固溶處理最佳溫度為495 ℃，低于該溫度的條件下由于溫度過低導(dǎo)致合金無法完全固溶，溫度過高則會導(dǎo)致性能下滑。1.5 mm厚的鋁合金包鋁板材的最佳固溶時間為35 min，固溶處理的保溫時間過長，2024鋁合金基體側(cè)的Cu元素會向包鋁層中發(fā)生元素擴散，導(dǎo)致包鋁層受到嚴重污染，無法在表面形成均勻致密的氧化鋁薄膜，降低了其對鋁合金包鋁板的保護效果，同時Cu元素的擴散導(dǎo)致包鋁層和2024鋁合金基體的電勢差減小，削弱包鋁層的陽極保護作用。2024鋁合金包鋁板的最大容許變形范圍在12%～16%之間，變形量過大會導(dǎo)致板材表面出現(xiàn)較大的橘皮，且包鋁層會出現(xiàn)斷點甚至鋸齒狀的裂痕，降低該材料的耐腐蝕性能。

2024鋁合金在經(jīng)過包鋁工藝、退火及固溶熱處理后，既具有良好的機械性能又具有良好的耐腐蝕性能，可以作為飛機蒙皮的材料，滿足航空航天技術(shù)的發(fā)展需求。