T6熱處理工藝對泡沫鋁夾芯板壓縮性能的影響

黃 鵬,韓楠丁,孫 溪,馮展豪,祖國胤

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料加工工程系,遼寧 沈陽 110819; 2.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽 110031)

泡沫鋁夾芯板由金屬面板和芯層泡沫鋁組成[1-3]。芯層泡沫鋁是一種以鋁或鋁合金為金屬骨架,內(nèi)部包含大量孔洞的低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、高比表面積的多孔金屬材料。泡沫鋁夾芯板的力學(xué)性能與界面結(jié)合方式、面板厚度、泡孔尺寸、泡孔形狀、芯層密度等因素有關(guān)[4-6]。以往大部分研究都是通過改變這些因素來得到不同性能的泡沫鋁夾芯板。

對于已經(jīng)制備成型的泡沫鋁夾芯板,可以通過熱處理來改善其力學(xué)性能?，F(xiàn)階段對于泡沫鋁的熱處理已有一些報(bào)道。J.Banhart和J.Baumeuster等[7]對由粉末冶金法制備的2014(AlCu4SiMg)鋁合金泡沫鋁進(jìn)行熱處理試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)在固溶處理后進(jìn)行長時(shí)間的低溫時(shí)效能夠改善2014鋁合金泡沫的強(qiáng)度;D.Lehmhus等[8-9]對AA6061鋁合金閉孔泡沫鋁進(jìn)行了固溶時(shí)效處理,結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)固溶時(shí)效處理可以明顯地提高壓縮強(qiáng)度;曹曉卿等[10-11]對Al-Mg-Si合金泡沫鋁、Al-Cu-Mg合金泡沫鋁及Al-Mg合金泡沫鋁分別進(jìn)行了T6熱處理研究,結(jié)果表明,經(jīng)T6強(qiáng)化處理后Al-Mg-Si合金泡沫鋁和Al-Cu-Mg合金泡沫鋁的動(dòng)、靜態(tài)壓縮強(qiáng)度均得到提高、平臺(tái)區(qū)縮短、一定應(yīng)變下吸能密度提高,但熱處理對Al-Mg合金性能沒有影響;楊旭東等[12]對6061鋁合金泡沫鋁進(jìn)行T6熱處理發(fā)現(xiàn),經(jīng)510 ℃固溶、190 ℃時(shí)效處理后的泡沫鋁強(qiáng)度及吸能量都得到提高。對于由粉末冶金法制備的芯層成分為AlSi6Mg4Cu4的泡沫鋁夾芯板的熱處理研究還沒有相關(guān)報(bào)道,本研究探究了固溶時(shí)間、固溶溫度、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間這四個(gè)因素對泡沫鋁夾芯板的影響。通過掃描電鏡觀察這些因素對芯層微觀組織的影響,通過泡沫鋁夾芯板的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)探究熱處理工藝對其力學(xué)性能的影響。以此確定最佳的熱處理工藝制度,為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 泡沫鋁夾芯板的制備

本研究采用包套軋制-粉末冶金法制備泡沫鋁夾芯板,制備工藝流程如圖1所示,包括混料、型腔設(shè)計(jì)與制備、粉末的裝填與密封、預(yù)制坯的軋制、邊部低致密區(qū)的切割、發(fā)泡預(yù)制坯的表面處理、發(fā)泡等過程。型腔殼體采用。尺寸為650 mm×600 mm×6 mm的3003鋁合金面板,殼體的空腔高度為20 mm。芯層粉末成分配比:w(Al)=85%、w(Si)=6%、w(Mg)=4%、w(Cu)=4%、w(TiH2)=1%,粉末在混料機(jī)中充分混合均勻。其中TiH2粉末在470 ℃下預(yù)處理1.5 h。通過室溫下多道次冷軋將裝粉后的坯料軋到26 mm厚,再多道次熱軋(400 ℃)將坯料軋到6.4 mm厚。熱軋后的板坯切割成120 mm×240 mm×6.4 mm的預(yù)制坯,放置在預(yù)設(shè)爐溫為620 ℃的馬弗爐內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡,整個(gè)發(fā)泡過程用模具限制樣品高度,當(dāng)檢測到樣品下表面溫度達(dá)614℃時(shí)取出。制得夾芯板樣品厚度為24 mm,其中單層面板厚度為1.7 mm。

1.2 熱處理試驗(yàn)

根據(jù)本課題組以往對泡沫鋁夾芯板芯層的研究[4],芯層中存在Al2Cu、Mg2Si等第二相。Al2Cu和Mg2Si第二相分別為Al-Mg-Cu系鋁合金和Al-Mg-Si系鋁合金在T6熱處理時(shí)的強(qiáng)化相,所以本試驗(yàn)采用T6熱處理來改善夾芯板芯層泡孔的組織性能,進(jìn)而改變泡沫鋁夾芯板的壓縮性能。

在固溶處理時(shí),較高的固溶溫度可以使強(qiáng)化相溶解度更多,但過高的固溶溫度會(huì)使晶界粗大甚至發(fā)生過燒;足夠的固溶時(shí)間可以保證強(qiáng)化相在基體中充分溶解,但過長時(shí)間同樣容易導(dǎo)致晶粒粗化。合理控制時(shí)效溫度和時(shí)間可以保證析出相能充分析出的同時(shí)避免析出相的過分長大。為了更好地確定夾芯板的固溶溫度,本試驗(yàn)將制備的泡沫鋁夾芯板的芯層和面板剝離,將芯層碾碎成粉末進(jìn)行了DSC檢測,預(yù)設(shè)溫度為600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,所得曲線如圖2所示。從圖2可知,在整個(gè)加熱過程中,曲線共出現(xiàn)兩個(gè)吸熱峰,第一個(gè)峰起始點(diǎn)為507.1 ℃、峰值為509.7 ℃;第二個(gè)峰起始點(diǎn)為540.3 ℃、峰值為550.5 ℃。根據(jù)以片研究[10-12]可知,第一個(gè)峰值溫度接近于6系鋁合金固溶溫度,說明泡沫鋁芯層部位在此溫度時(shí)可能發(fā)生了強(qiáng)化相的固溶,故將510 ℃設(shè)為泡沫鋁夾芯板熱處理時(shí)固溶溫度。

圖2 泡沫鋁夾芯板芯層部分DSC曲線

為研究固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間對泡沫鋁夾芯板材料力學(xué)性能的影響,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)四因素、三水平的正交試驗(yàn)共9組,試驗(yàn)編號(hào)為1#～9#。正交試驗(yàn)的因素水平表如表1所示。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

對熱處理后的夾芯板樣品進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn),研究熱處理工藝對夾芯板壓縮條件下的坍塌強(qiáng)度(本文指壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線中第一個(gè)應(yīng)力峰值)及吸能量的影響。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)在RGM-4100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31930-2015《金屬材料 延性試驗(yàn) 泡沫金屬壓縮試驗(yàn)方法》,設(shè)定試樣直徑為Φ60 mm,夾芯板整體厚度為H,夾芯板芯層厚度為h,如圖3所示。壓縮速度為3 mm/min,試樣在壓縮過程中由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù),繪制載荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對芯層微觀形貌的影響

圖4為不同固溶溫度下泡沫鋁夾芯板芯層泡孔壁掃描圖像。對比圖4a、b、c可知,隨著固溶溫度的升高,第二相固溶程度增大,當(dāng)固溶溫度增加至510 ℃時(shí),亮白色Al2Cu相已完全溶解,經(jīng)時(shí)效后,灰白色AlMgCu合金相與Mg2Si相的析出明顯增多;當(dāng)固溶溫度進(jìn)一步提高至525 ℃,泡沫鋁芯層中出現(xiàn)大量坑洞,如圖4d所示。

圖4 未熱處理和不同固溶溫度下保溫4 h泡孔壁掃描圖像

圖5是不同固溶時(shí)間泡沫鋁夾芯板芯層泡孔壁掃描圖像。當(dāng)固溶時(shí)間為1 h、2 h時(shí),芯層基體內(nèi)存在大量的亮白色Al2Cu相,如圖5b、c所示;當(dāng)固溶時(shí)間延長至4 h時(shí),芯層基體內(nèi)最多的相為灰白色AlMgCu相和Mg2Si相,如圖5d所示。

2.2 正交結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)安排,并測量熱處理后夾芯板試樣的坍塌強(qiáng)度和平臺(tái)應(yīng)力(本文指壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中對應(yīng)20%～40%壓縮應(yīng)變區(qū)間的壓縮應(yīng)力平均值),結(jié)果如表2所示。

本試驗(yàn)將材料的坍塌強(qiáng)度作為性能指標(biāo)進(jìn)行比較,通過計(jì)算獲得本試驗(yàn)中4種不同因素的k值、極差值R,結(jié)果如表3所示。

對比表3中時(shí)固溶溫度分別為495 ℃、510 ℃、525 ℃時(shí)材料坍塌強(qiáng)度的平均值k,結(jié)果表明，固溶溫度對夾芯板坍塌強(qiáng)度的影響十分顯著,總體表現(xiàn)為先增大后下降的趨勢。當(dāng)固溶溫度為495 ℃時(shí),夾芯板的坍塌強(qiáng)度較低,僅為3.66 MPa;當(dāng)固溶溫度升高至510 ℃時(shí),夾芯板坍塌強(qiáng)度達(dá)到了最大值5.03 MPa;當(dāng)固溶溫度為525 ℃時(shí),夾芯板坍塌強(qiáng)度下降為3.64 MPa,與495 ℃固溶時(shí)性能相當(dāng)。夾芯板在510 ℃固溶時(shí)得到最佳的力學(xué)性能,較低的溫度不利于得到過飽和固溶體,而較高的固溶溫度容易導(dǎo)致晶界粗大,所以510 ℃是夾芯板T6熱處理時(shí)的最優(yōu)固溶溫度。

對比表3中固溶時(shí)間分別為1 h、2 h、4 h時(shí)材料坍塌強(qiáng)度的平均值k,結(jié)果表明,固溶時(shí)間由1 h增長到2 h時(shí),夾芯板的坍塌強(qiáng)度未發(fā)生變化,保持在較低水平僅為3.56 MPa。繼續(xù)延長固溶時(shí)間至4 h,坍塌強(qiáng)度提高至5.22 MPa,夾芯板力學(xué)性能獲得較大幅度的提高。主要原因是較長的固溶時(shí)間有利于強(qiáng)化相的充分固溶形成較好的過飽和固溶體。因此,4 h的固溶時(shí)間是使夾芯板坍塌強(qiáng)度達(dá)到最大值的最佳固溶時(shí)間。

對比表3中時(shí)效溫度分別為165 ℃、180 ℃、195 ℃時(shí)材料坍塌強(qiáng)度的平均值k,可知夾芯板坍塌強(qiáng)度隨時(shí)效溫度的升高呈先下降后上升的變化趨勢。當(dāng)時(shí)效溫度為165 ℃時(shí),夾芯板具有最大的坍塌強(qiáng)度4.69 MPa,時(shí)效溫度升高至180 ℃時(shí)夾芯板坍塌強(qiáng)度降低至3.56 MPa,這是由于時(shí)效溫度過高發(fā)生了過時(shí)效,在一定程度上降低了夾芯板的力學(xué)性能。繼續(xù)升高時(shí)效溫度,夾芯板坍塌強(qiáng)度增長至4.08 MPa,但仍低于165 ℃時(shí)的。因此,165 ℃是夾芯板的最佳時(shí)效溫度。

對比表3中時(shí)效時(shí)間分別為4 h、8 h、16 h時(shí)材料坍塌強(qiáng)度的平均值k,結(jié)果表明,坍塌強(qiáng)度幾乎維持在同一水平線上,僅在小范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng),波動(dòng)范圍小于0.5 MPa,可見時(shí)效時(shí)間超過4 h后對夾芯板的坍塌強(qiáng)度影響較小。

由表3中的極差R可知熱處理參數(shù)對夾芯板坍塌強(qiáng)度影響大小的順序?yàn)楣倘軙r(shí)間、固溶溫度、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間。其中固溶溫度和固溶時(shí)間是T6熱處理中影響夾芯板力學(xué)性能的主要因素。最優(yōu)T6熱處理工藝是510 ℃下固溶處理4 h,165 ℃下時(shí)效處理8 h。

2.3 熱處理對吸能性能的影響

根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究T6熱處理對泡沫鋁夾芯板材料吸能性能的影響,對比制備態(tài)與最優(yōu)T6熱處理方案下夾芯板應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6a所示。觀察曲線變化特征可知,夾芯板熱處理前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似,并未改變夾芯板在壓縮條件下的變形特點(diǎn)。熱處理前,夾芯板坍塌強(qiáng)度約為5.42 MPa,經(jīng)過最優(yōu)T6熱處理方案,510 ℃4 h固溶,165 ℃8 h時(shí)效后,夾芯板坍塌強(qiáng)度提高至6.88 MPa,提高了27%。

圖6b為根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算獲得的泡沫鋁夾芯板吸能量-應(yīng)變曲線。可以看出,在相同應(yīng)變條件下,經(jīng)T6時(shí)效處理后的夾芯板能夠吸收更多的能量,當(dāng)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí),時(shí)效處理前試樣的總吸能為2.07 MJ/m3,時(shí)效處理 后試樣總吸能為2.52 MJ/m3,相比提高了22%。

3 結(jié) 論

以夾芯板坍塌強(qiáng)度為指標(biāo),采用正交試驗(yàn)優(yōu)化了芯層基體成分為AlSi6Mg4Cu4的泡沫鋁夾芯板的T6熱處理工藝參數(shù),得出如下試驗(yàn)結(jié)論:

1)固溶溫度大于510 ℃時(shí),Al2Cu相完全溶解,AlMgCu合金相與Mg2Si相的析出明顯增多;固溶時(shí)間小于2 h時(shí),芯層基體內(nèi)存在大量的亮白色Al2Cu相,固溶時(shí)間為4 h時(shí),芯層基體內(nèi)最多的相為AlMgCu合金相和Mg2Si相。

2)通過四因素三水平的正交試驗(yàn),確定了熱處理工藝參數(shù)對泡沫鋁夾芯板材料坍塌強(qiáng)度影響程度由大到小的排序?yàn)?固溶時(shí)間、固溶溫度、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間,固溶時(shí)間和固溶溫度對材料坍塌強(qiáng)度起到很大的強(qiáng)化效果。最佳熱處理制度為510 ℃4 h固溶,165 ℃8 h時(shí)效。

3)熱處理前夾芯板坍塌強(qiáng)度約為5.42 MPa,最佳熱處理制度處理后,夾芯板坍塌強(qiáng)度提高至6.88 MPa;熱處理前試樣的總吸能為2.07 MJ/m3,熱處理后試樣總吸能為2.522 MJ/m3。最佳熱處理制度使泡沫鋁夾芯板的吸能效率提升22%。