2A12-T4板材時效至T62狀態(tài)的性能控制研究

李芊卉，萬茹濤，崔 琳

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089)

2A12鋁合金是Al-Cu-Mg系中典型的硬鋁合金，其成分設(shè)計比較合理，綜合性能較好，是硬鋁中用量最多的一種合金，廣泛用于航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁和鉚釘?shù)攘悴考?A12材料為了獲得最大的硬度(最高的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度)，通常需熱處理至T6狀態(tài)[1-2]。目前市面上并無2A12-T6板材銷售，采用將2A12-O材料經(jīng)固溶處理+人工時效處理可獲得T62狀態(tài)。

材料在固溶處理后需快速冷卻，使固溶加熱時所獲得的過飽和固溶體恢復(fù)至室溫，以便促成GP區(qū)所需的擴(kuò)散溫度?？焖倮鋮s的過程中必然導(dǎo)致材料的內(nèi)外表面不同部位形成溫度差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會使材料尺寸和形狀發(fā)生變化，最終導(dǎo)致鼓動、松動和扭曲等現(xiàn)象。2A12板材快速冷卻后需要在盡可能短的時間內(nèi)完成校形，這便需要連續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)輸線、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅加重了熱處理單元設(shè)備負(fù)荷，還給零件加工單元增加了手工修復(fù)工作量。另外，有些薄板類零件在快速冷卻時，由于受沖擊過大而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，致使零件報廢，嚴(yán)重浪費(fèi)生產(chǎn)資源。

基于精益化生產(chǎn)理念，為減少操作、檢驗(yàn)人力浪費(fèi)，減少生產(chǎn)、時間資源浪費(fèi)以及降低設(shè)備能源消耗，減少因零件周轉(zhuǎn)而造成的表面擦劃傷，同時提高零件表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為此，本文對2A12-T4板材時效至T62狀態(tài)的時效工藝進(jìn)行研究，評估2A12-T4板材直接人工時效至T62狀態(tài)的可行性。

1 試驗(yàn)方案

參考標(biāo)準(zhǔn)GJB 1694A—2019[3]《變形鋁合金熱處理要求》中2A12板材時效工藝參數(shù)要求，選取三種較常出現(xiàn)不合格產(chǎn)品的板材(δ1.2 mm、δ1.5 mm、δ1.8 mm)各12個試片，在185～195 ℃時效溫度下分別保溫9、10、和12 h，每組試驗(yàn)4個試片。對試樣的電導(dǎo)率、硬度(HRBW)、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率等進(jìn)行測試，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對時效保溫時間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確定2A12-T4板材時效至T62狀態(tài)的最優(yōu)時效工藝參數(shù)。

為了排除包鋁層的影響，每組試驗(yàn)選擇其中2個試片，通過化學(xué)銑切去除包鋁層至合金表面光亮，有效去除鋁板包鋁層及表面的銹斑、劃傷[4]，化學(xué)溶液配置見表1[5]。

表1 化學(xué)溶液配置表

1.1 δ1.2 mm板材試驗(yàn)組

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 2894—1997[6]對δ1.2 mm的2A12-T4板材熱處理至T62狀態(tài)，性能檢測結(jié)果見表2。包鋁板材的導(dǎo)電率為39.9～41.0 %IACS，硬度為66.5～79.2 HRBW；去包鋁層后板材的導(dǎo)電率為41.5～42.7 %IACS，硬度為84.2～88.3 HRBW。

表2 δ1.2 mm 板材的電導(dǎo)率和硬度

1.2 δ1.5 mm板材試驗(yàn)組

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 2894—1997對δ1.5 mm的2A12-T4板材熱處理至T62狀態(tài)，性能檢測結(jié)果見表3。包鋁板材的導(dǎo)電率為40.1～42.0 %IACS，硬度為64.8～73.0 HRBW；去包鋁層后板材的導(dǎo)電率為34.8～40.2 %IACS，硬度為76.0～80.3 HRBW。

表3 δ1.5 mm板材的電導(dǎo)率和硬度

1.3 δ1.8 mm板材試驗(yàn)組

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 2894—1997對δ1.8 mm的2A12-T4板材熱處理至T62狀態(tài)，性能檢測結(jié)果見表4。包鋁板材導(dǎo)電率為41.3～43.8 %IACS，硬度為64.0～72.7 HRBW；去包鋁層后板材的導(dǎo)電率為34.8～41.5 %IACS，硬度為76.0～80.3 HRBW。

表4 δ1.8 mm板材的電導(dǎo)率和硬度

1.4 機(jī)械性能測試

三種規(guī)格的包鋁板材在185～195 ℃時效溫度下保溫10 h后，進(jìn)行機(jī)械性能測試，結(jié)果見表5。標(biāo)準(zhǔn)HB 5301—1985[7]對厚度≤2.5 mm包鋁板材的性能要求為：抗拉強(qiáng)度σb≥415 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥325 MPa，延伸率δ≥5%。由表5可知，三種規(guī)格的包鋁板材均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 機(jī)械性能測試結(jié)果

2 試驗(yàn)分析與結(jié)論

對比三種規(guī)格的板材經(jīng)時效處理后的導(dǎo)電率和硬度(見表2、表3和表4)。可以看出，δ1.5 mm的包鋁板材時效處理后整體性能較好；δ1.2 mm的包鋁板材時效至T62狀態(tài)時，硬度偏高，合格率僅為17%，導(dǎo)電率合格率為100%；而δ1.8 mm的包鋁板材時效至T62狀態(tài)時，導(dǎo)電率偏高，合格率為0，硬度合格率為100%；但三種板材去除包鋁層后的導(dǎo)電率和硬度均合格。還可以看出，三種規(guī)格的包鋁板材熱處理后，導(dǎo)電率和硬度變化趨勢完全一致，這說明板材的包鋁層對性能有較大影響。δ1.2 mm的包鋁板材，純鋁包覆量占比小，形成的氧化鋁薄，故熱處理后硬度偏低；而δ1.8 mm的包鋁板材，純鋁包覆量占比大，形成的氧化鋁厚，導(dǎo)致電阻值小，電導(dǎo)率偏高。因此，控制材料標(biāo)準(zhǔn)十分重要，需把握入廠復(fù)驗(yàn)第一道關(guān)卡。

對比不同時效時間對板材導(dǎo)電率和硬度的影響，可以看出：時效時間為9 h時，板材總合格率最高；時效時間為10 h時，板材總合格率最低。因此，選取時效保溫10 h的板材進(jìn)行機(jī)械性能測試(見表5)，但測試結(jié)果顯示包鋁板材的機(jī)械性能均合格。由于標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)范要求去包鋁板T62狀態(tài)的機(jī)械性能值，但T62狀態(tài)下硬度不合格的板材硬度值均偏高，機(jī)械性能值均為下限。因此，理論上可認(rèn)為硬度偏高的板材，其機(jī)械性能也是合格的。

對于2A12-O包鋁板材先固溶處理后人工時效至T62狀態(tài)，會出現(xiàn)導(dǎo)電率、硬度不合格的情況。本試驗(yàn)2A12-T4板材也會出現(xiàn)導(dǎo)電率、硬度不合格的情況，但若通過去除包鋁層或以機(jī)械性能為規(guī)范要求，則可合格交付。根據(jù)性能測試結(jié)果，2A12-T4板材直接時效至T62狀態(tài)是可行，可代替2A12-O板材先固溶處理后人工時效至T62狀態(tài)的工藝流程；且2A12-T4板材在185～195 ℃時效保溫9 h后，材料導(dǎo)電率和硬度檢測合格率最高。

遵循熱處理工藝的制訂應(yīng)最大限度避免熱處理缺陷，工藝流程要盡可能減少輔助工序和多余程序，減少過程中人為因素的影響，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性原則[8]。本試驗(yàn)結(jié)論已反饋頂層設(shè)計，后續(xù)將聯(lián)合開展航空類零件材料優(yōu)化工作。