5A90合金板材空氣爐中間退火工藝研究

耿麗博，毛雪晶，羅 鹍，游 文

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

5A90 鋁鋰合金為作為典型的Al-Mg-Li 系鋁合金，是國產化密度最低的鋁合金[1-2]。同時該合金還具有高彈性模量、高比強度、高比剛度以及優(yōu)良的耐腐蝕性能，是在飛行器壁板、垂尾、承力桁條等關鍵零件中獲得了較為成熟的應用，滿足了我國航空航天飛行器的輕量化需求[3]。5A90鋁鋰合金板材的生產工序繁雜，目前西南鋁5A90 合金板材生產時需多次進行鹽浴中間淬火。鋁鋰合金材料在鹽浴爐中進行熱處理時，鹽浴槽一旦超溫，就有發(fā)生爆炸的風險，存在極大安全隱患。本文對5A90 板材空氣爐中間退火工藝進行了研究，為5A90 鋁鋰合金的工業(yè)化生產提供更多工藝選擇。

1 實驗材料及方法

實驗材料為7.0 mm 厚度的5A90 合金板材，材料化學成分見表1。

表1 5A90合金化學成分（質量分數(shù)/%）

退火實驗在箱式空氣熱處理爐中進行，工業(yè)規(guī)格退火試制則采用10 t 級空氣循環(huán)爐，退火后在1 650 mm軋機冷軋。實驗方案見表2。拉伸試樣的取樣方向均為板材縱向（L方向），每組至少3個平行試樣。

表2 退火實驗方案

2 實驗結果與討論

2.1 退火溫度對力學性能的影響

380～520 ℃退火溫度實驗具體力學性能如表3及圖1所示。隨著退火溫度的升高，材料的抗拉強度、屈服強度不斷降低，延伸率則先升高后降低，450～460 ℃退火時，綜合力學性能最佳。

圖1 退火溫度對5A90板材力學性能的影響

表3 不同退火溫度下的力學性能

2.2 退火保溫時間對力學性能的影響

退火保溫時間實驗具體力學性能結果見表4。50～70 min 保溫后，5A90 板材的力學性能相差很小，退火保溫70 min較佳。

表4 不同退火保溫時間下的力學性能

2.3 退火冷卻速度對力學性能的影響

退火冷卻速度實驗力學性能如表5 及圖2 所示。隨爐緩冷的材料強度與延伸率隨冷卻速度的提高整體呈上升趨勢，快速空冷的力學性能遠高于隨爐緩冷。5A90 合金板材空氣爐退火的最佳冷卻方式為直接出爐快速空冷。

圖2 退火冷卻速度對5A90板材力學性能的影響

表5 不同退火冷卻速度下的力學性能

材料的加工塑性與合金成分和中間退火有關。合金成分方面，5A90因高Li、高Mg含量造成塑性較差。退火工藝方面，溫度和冷卻速度會影響析出相的種類、尺寸大小及體積分數(shù)，5A90 合金退火過程會析出大尺寸、大體積分數(shù)的脆性S（Al2Mg-Li）相和大量Al3Li 相，以及Al3Li/Al3Zr 的復合相，脆性S相會嚴重降低塑性。因此5A90 合金退火要選擇合適的退火溫度和冷卻速度，盡量減少脆性相的析出，包括限制脆性相的體積分數(shù)和尺寸大小[4]。

2.4 顯微組織分析

對空氣爐退火后的5A90 板材進行顯微組織分析，結果表明，5A90 板材表層形成一層發(fā)灰的、與基體有清晰界限的組織（圖3），而原始熱軋板上并沒有該層組織。能譜分析（圖4）發(fā)現(xiàn)該層組織與其他區(qū)域相比Mg 含量減少，表明其Li 含量同樣減少，即板材表面形成了脫鋰層[5]。

圖3 退火后5A90板材的金相組織

圖4 5A90空氣爐退火板材能譜分析結果

表6 顯示了不同退火冷卻速度下5A90 板材的脫鋰層檢測結果。5A90 合金板材空氣爐退火不同冷卻速度下，脫鋰層有差異。快速空冷的脫鋰層厚度約為35～55 μm，而不同冷卻速度隨爐緩冷的板材的脫鋰層厚度相當，均大于快速空冷。

表6 退火冷卻速度實驗脫鋰層檢測結果

2.5 脫鋰層的形成及影響

取空氣爐退火后的板材試樣進行薄膜XRD 檢測，結果見圖5。經(jīng)物相PDF 卡片庫比對分析，表面白色物質為LiH。證明400～500 ℃加熱時，5A90 合金中的Li 由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域逸散，表層的Li 與空氣中的H2O、H2反應生成LiH 附著在板材表面[6]，反應又會促進Li 的逸出，板材表層就形成了少Li的脫鋰層組織。處于高溫環(huán)境下時間越長脫鋰層越厚。

圖5 表面薄膜XRD檢測結果

為驗證上述脫鋰層組織對板材的影響，將7.0 mm 5A90 合金熱軋板進行空氣爐退火工業(yè)化試制，圖6、圖7為空氣爐退火、冷軋后的3.0 mm、1.0 mm厚度的5A90 板材顯微組織。結合表7 力學性能可以發(fā)現(xiàn)，空氣爐退火試制的不同厚度5A90 板材力學性能均滿足國軍標，且有一定富余量。同個厚度規(guī)格的板材脫鋰層厚度有所差異。脫鋰層厚度相等時，板材的力學性能也高低不一。這表明了脫鋰層與板材力學性能的相關性較小。5A90 合金板材力學性能的差異可能主要受到軋制變形量、熱處理強化相析出、加工硬化效應等的影響[7-8]。

圖6 空氣爐退火試制的3.0 mm厚度板材金相組織

圖7 空氣爐退火試制的1.0 mm厚度板材金相組織

表7 所試制的5A90-T6板材力學性能與脫鋰層厚度

3 結論

（1）對于5A90鋁鋰合金熱軋板，空氣爐退火工藝為450～460 ℃，保溫70 min，出爐快速空冷時，可獲得最佳綜合力學性能。

（2）空氣爐退火的5A90板材表面存在一層發(fā)灰的、與基體組織界限清晰的組織，厚度為微米級別，經(jīng)檢測為脫鋰層組織。

（3）脫鋰層組織對力學性能的影響較小。