鋁合金板材試樣低應(yīng)力縱拋方法創(chuàng)新研究

林世源，張?zhí)枠?biāo)，2，楊 斌

（1.上海華測(cè)品正檢測(cè)技術(shù)有限公司 航空材料實(shí)驗(yàn)室，上海；2.上?？频缕嚥考邢薰?試驗(yàn)中心，上海）

前言

鋁合金作為一種較為成熟的輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料在航空航天中使用量巨大，鋁合金材料一般作為結(jié)構(gòu)材料使用，比鋼有更高的強(qiáng)度和更優(yōu)異的加工性能。航空航天領(lǐng)域主要發(fā)展高強(qiáng)、高韌性和耐腐蝕性強(qiáng)的鋁合金材料以滿足航空航天嚴(yán)苛的使用條件[1-5]。高強(qiáng)鋁合金材料在波音747 客機(jī)上的應(yīng)用主要是采用7075T6 和2024T3 材料較多；在波音777 客機(jī)上采用的主要鋁合金牌號(hào)為7055T77、7150T77 和2X24T3；在空客A380 上用的先進(jìn)鋁合金為7055/7449/7085/2024/6013/5076 等合金，下機(jī)身壁板及上機(jī)身壁板都采用了鋁合金材料，其他大部分則是采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行減重。國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)ARJ21 中主要應(yīng)用料牌號(hào)主要為2X24、7050、7175、7075 等。不管在民機(jī)還是軍機(jī)中用材結(jié)構(gòu)比例仍然主要以鋁合金材料為主，鋁合金在材料成本、工藝穩(wěn)定性、綜合力學(xué)性能等方面仍具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

在輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展應(yīng)用過程中，疲勞問題是伴隨鋁合金材料應(yīng)用發(fā)展史之中的主要問題，通過疲勞數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算鋁合金材料及其零部件的使用條件，成為鋁合金應(yīng)用過程中的一個(gè)重要問題[6-10]。為了準(zhǔn)確得到鋁合金材料的疲勞壽命，制取試樣的質(zhì)量尤為重要。制樣過程要去除材料表面的殘余應(yīng)力并控制材料表面的粗糙度，需要對(duì)鋁合金材料進(jìn)行縱向拋光。目前拋光設(shè)備和相應(yīng)的拋光工藝在我國(guó)發(fā)展還不成熟。國(guó)外實(shí)驗(yàn)室相較國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室拋光設(shè)備和拋光工藝都較為成熟，為了趕超國(guó)內(nèi)外其他實(shí)驗(yàn)室，發(fā)展自己的拋光工藝顯得尤為重要。

制樣是做好實(shí)驗(yàn)的前提，本課題是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際需要，針對(duì)鋁合金材料較軟、延展性好、不耐磨的特點(diǎn)對(duì)其拋光工藝進(jìn)行研究，進(jìn)而獲得滿足實(shí)驗(yàn)室要求的拋光工藝和提高生產(chǎn)效率。

1 試驗(yàn)方法及過程

1.1 方法

原材料選用牌號(hào)為2024 厚度為4 mm 的鋁合金板材，使用中走絲線切割對(duì)其進(jìn)行機(jī)加工制樣，試樣尺寸如圖1 所示。使用不同的拋光工藝對(duì)取樣后的鋁合金板材側(cè)面進(jìn)行拋光，然后利用光學(xué)顯微鏡、萬(wàn)能工具顯微鏡、粗糙度測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)收對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)收。確保試樣尺寸、粗糙度和試樣表面質(zhì)量滿足要求。制取的疲勞試樣，縱拋表面嚴(yán)禁任何橫向劃痕和可能會(huì)干擾的人為因素，消除由于試樣制備過程所導(dǎo)致的擦傷、機(jī)加紋理、磨削紋路、劃痕或過熱。

圖1 機(jī)加工試樣圖紙

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先，使用中走絲線切割對(duì)其原材料按照?qǐng)D1 所示尺寸進(jìn)行取樣，需要注意的是平行段尺寸由于要進(jìn)行拋光，取樣時(shí)要考慮拋光所去除的量，試樣尺寸要留有拋光余量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，鋁合金板材需留有0.2 mm 余量。其次，將加工后的試樣安裝在縱拋設(shè)備上，如圖2 所示。使用不同目數(shù)的砂紙對(duì)其進(jìn)行拋光，詳細(xì)的拋光工藝及拋光結(jié)果見表1。打磨速度設(shè)置為150 mm/s，砂紙滾動(dòng)速度為1 mm/s，縱拋時(shí)間設(shè)置為1 800 s。在每一道縱拋工序完成測(cè)量不同目數(shù)砂紙拋光后試樣標(biāo)距段的直徑及其減少量。所有工序完成后采用X-RAY 衍射法測(cè)試縱拋面周向與軸向的殘余應(yīng)力（1 個(gè)表面4 個(gè)表面以下）。X-RAY 衍射法殘余應(yīng)力測(cè)量要求：（1）檢測(cè)依據(jù):GB/T 7704-2017；（2）測(cè)試要求：試樣中心位置測(cè)試0 mm、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm 深度軸向和周向的殘余應(yīng)力。

表1 低應(yīng)力縱拋不同目數(shù)砂紙后試樣數(shù)據(jù)

圖2 板材試樣縱拋設(shè)備

2 結(jié)果分析

從圖3 中可以看出不同目數(shù)砂紙縱拋過后縱拋面組織的表面粗糙度有顯著差異。機(jī)加工后的原始組織表面凹凸不平，經(jīng)220 目砂紙縱拋過后，表面橫向方向有極少數(shù)劃痕，縱向有較為明顯的劃痕。隨著所使用的縱拋砂紙目數(shù)增加，橫向方向的劃痕逐漸消失，縱向方向的劃痕也逐漸減少并且越來(lái)越細(xì)。當(dāng)砂紙目數(shù)增加到1 200 目，在20 倍放大倍數(shù)下觀察到的試樣表面質(zhì)量和2 000 目砂紙縱拋和的表面質(zhì)量差別很小。為了更好的分辨二者的差異，把觀察倍數(shù)提高到50 倍，如圖4 所示。可以發(fā)現(xiàn)2 000 目數(shù)下的砂紙，縱拋過后的表面無(wú)橫向劃痕，縱向縱拋痕跡也比1 200 目砂紙更細(xì)?？v拋試樣的表面質(zhì)量要求為不允許有裂紋、加工痕跡、磕碰缺口和根切等明顯的異常情況。使用X-RAY 衍射法，依據(jù)GB/T 7704-2017檢測(cè)拋光完成后不同深度軸向和周向的殘余應(yīng)力。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，縱拋后試樣表面及一定深度的殘余應(yīng)力滿足小于800 MPa 的要求，表明此次拋光結(jié)果有效，此方案可行。表面尺寸，粗糙度和殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)表明此工藝可以滿足NADCAP AC7101/7 的制樣要求。

圖3 縱拋工藝后20 倍金相組織圖片

圖4 縱拋工藝后50 倍金相組織圖片

3 結(jié)論

本課題采用鋁合金板材進(jìn)行制樣并縱向拋光。在不同縱拋工序后測(cè)量試樣標(biāo)距斷的直徑并計(jì)算其減少量，用X-RAY 衍射法檢測(cè)拋光完成后試樣的殘余應(yīng)力。得出以下結(jié)論：

（1）加工及縱拋的試樣最終尺寸及表面質(zhì)量滿足NADCAP AC7101/7 要求，試樣光潔度和表面質(zhì)量滿足預(yù)設(shè)的要求，在完成P2000 砂紙拋光后試樣表面光潔度能達(dá)到0.2 Ra。

（2）鋁合金板材縱拋后其殘余應(yīng)力均滿足預(yù)設(shè)的要求，大小在0～800 MPa 范圍。

（3）此次針對(duì)鋁合金板材試樣低應(yīng)力縱拋工藝的驗(yàn)證，從結(jié)果看其過程可控有效，滿足要求。