飛機座椅用鎂合金材料性能的研究

李 偉

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

0 引言

隨著工業的發展，我國航空業目前進入了快速發展期[1]。目前，我國“大飛機”的研制和生產已經列入國家層面，大飛機對于一個國家的戰略布局具有至關重要的作用，而目前全世界范圍里面，只有美國、俄羅斯和歐盟少數幾個國家和地區可以生產[2～4]。研發“大飛機”，不僅可為我國經濟社會轉型做出巨大貢獻，同時對我國的國防也會起到重要的作用[1,3-5]。眾所周知，鋁合金材料是目前飛機的主體材料，航空用鋁合金如7150、2524以及7055等鋁合金均是新一代的高性能鋁合金，它的使用可滿足“大飛機”的低成本和高強度要求[4～6]。鎂合金作為最輕的工程金屬材料，其比強度明顯要高于工程塑料，其重量比鋁合金輕30%~50%，比鋼鐵輕70%以上[7,8]。同時，鎂合金具有良好的可鑄造性、切削加工性以及導熱性等一系列優點[9,10]。“大飛機”的內部結構如座艙的座椅材料，可采用比鋁合金更輕的鎂合金材料進行替代而不會損失其強度[8～10]。將鎂合金材料應用于飛機座椅材料，不僅可以提高材料的使用壽命，同時，對飛機座椅乃至整機的減重具有極其重要的作用。

基于此，本文通過對鎂合金鑄造飛機座椅材料的工藝及性能進行了研究，探討了其熱處理工藝以及宏觀微觀組織結構與性能的關系。為推廣鎂合金材料用于飛機座椅減重提供了一定的參考價值。

1 實驗

實驗采用壓鑄工藝制備飛機座椅用材料，所采用的鎂合金材料為AM51和AZ92D，其配方組成如表1所示。在熔煉鎂合金材料的時候，利用40KW的井式電阻爐進行熔煉，采取不同的處理工藝，溫度低于550℃時，不采取氣體保護熔煉。當溫度超過550℃時，采取（SF6+N2）進行保護進行熔煉，利用觀察孔觀察鎂合金熔煉程度，當熔煉的鎂合金表面開始出現熔化時，將鎂合金覆蓋劑添加進熔煉金屬中。在鎂合金開始熔化的熔煉過程中，要不斷調節保護氣體的流量，同時，要保證有足夠的鎂合金覆蓋劑，直到鎂合金全部熔化，覆蓋劑的添加量為鎂合金重量的0.5%~1.5%。在熔煉過程中，SF6氣體的濃度要進行嚴格的控制，實驗中SF6控制在0.3%~0.4%之間。在熔煉過程中，SF6與N2混合后氣體壓力的控制也同樣重要，實驗中，混合氣體壓力控制在0.01MPa~0.2MPa之間。鎂合金熔煉完成后，開始精煉處理，精煉過程中需要添加精煉劑，精煉劑的添加量為1.5%~2.5%，精煉完成后，將鎂合金靜置5min~15min后進行壓鑄。壓鑄過程中鎂合金的溫度為650℃以上、壓鑄射速為3m/s~6m/s。

飛機座椅用鎂合金材料鑄造完成后，開始對所熔煉材料的性能進行測試。在拉伸實驗過程中，在飛機座椅用材料上面取非標尺寸扁平試樣，標距為25mm，利用KM-200液壓萬能材料試驗機進行進行拉伸實驗，實驗中拉伸速度為5mm/min。利用彈性模量測試儀在拉伸試驗過程中對飛機座椅材料樣品的彈性模量進行測試。采用HV-4000型布氏硬度計測試飛機座椅材料樣品的硬度，載荷為600N，保壓時間為20s。

表1 飛機座椅用鎂合金材料化學組成 (wt/%)

2 結果分析與討論

在壓鑄飛機座椅用鎂合金材料時，配方組成不同，必然會導致鎂合金中化學成分的不同，這勢必會影響鎂合金材料的宏觀與微觀性能，如鎂合金材料的抗拉強度、硬度以及彈性模量等性能。

2.1 拉伸性能分析

實驗過程中，按照國家標準，對AM51和AZ92D兩種鎂合金材料的拉伸性能進行了測試和分析，其結果如表2所示。

表2 鎂合金材料樣品拉伸性能

從表2中可以看出，實驗中所壓鑄的AM51和AZ92D鎂合金材料的抗拉強度分別達到了240MPa和265MPa，均符合飛機座椅用材料強度要求。從表2中還可發現，AM51鎂合金的延伸率和彈性模量分別為8.9%以及39GPa，而AZ92D鎂合金的延伸率和彈性模量分別為7.9%以及43GPa，通過綜合對比兩種飛機座椅用材料性能可發現，AZ92D鎂合金更適合用做飛機座椅材料的制作。

2.2 硬度分析

實驗中，對較佳的飛機座椅用鎂合金材料AZ92D硬度性能進行了測試和分析。在鎂合金材料上鉆取圓形樣品，再對樣品進行熱處理，熱處理過程中，先在400℃對樣品進行固溶處理8h，而后再在200℃進行時效處理，時效時間分別為5h、10h、15h、20h以及25h，最后測試經過熱處理后樣品的布氏硬度值，結果如表3所示。

表3 經不同時效時間處理的AZ92D鎂合金硬度

從表3中可以發現，飛機座椅用AZ92D鎂合金材料的布氏硬度值在熱處理前后發生了一些變化，鎂合金材料材料硬度值的變化間接反映了其強度的變化。從中可以發現，經固溶處理后，飛機座椅用材料的硬度值由65增加至70.1，說明固溶處理有助于提高飛機座椅用材料的硬度值，但提高不是很明顯。這是因為，在固溶處理過程中，合金組織中β相固溶于α-Mg基體中，但在基體中，α-Mg處于過飽和狀態，使得固溶后產生的β相被過飽和的基體α-Mg相所掩蓋。同時，α-Mg固溶體的硬度值較合金組織要小，β-Mg固溶體的硬度值較合金組織要高，因而在表面同時存在α相和β相的部位其硬度值要比合金組織要高。隨著鎂合金材料經過時效處理，被α-Mg固溶體所掩蓋的β相逐漸析出，并在晶界處形成網狀分布，起到析出強化的作用。因而，經時效處理后的鎂合金材料樣品的硬度值隨之增加。但是，隨著時效處理時間的延長，析出的β相逐漸長大，這樣就造成了鎂合金材料材料樣品硬度值的降低。

2.3 微觀結構分析

圖1是Al-Mg合金相圖，從圖中可以發現，Al元素在Mg元素中的固溶度隨著溫度的升高而增加，并且，當Al元素的含量超過固溶度時，Al元素與Mg元素形成金屬間化合物Al12Mg17并在合金中析出。而經過固溶處理后的飛機座椅用鎂合金材料中的Al12Mg17完成固溶于基體中，這使得合金組織呈單相及枝狀結構。

一般情況，對合金進行熱處理的目的是，使得合金內部晶粒得到細化，從而改善合金力學性能如拉伸強度、硬度以及延伸率等。實驗中，對AZ92D飛機座椅用鎂合金材料進行固溶和時效處理后，其力學性能均要優于未熱處理的樣品。實驗中，經分析得出飛機座椅用AZ92D鎂合金材料在400進行固溶處理8h，而后在200℃進行時效處理20h后的樣品最佳。圖2是經過20h時效處理后的樣品微觀組織結構。從圖中可以發現，經過熱處理后，在基體中可以明顯觀察到網狀的枝狀增強相，同時有塊狀的晶體。結合相圖分析可知，這些主要是由α-Mg合金固溶體和位于晶體界面處的非連續網狀合金化合物Al12Mg17相組成。β相處于α相和Al12Mg17相之間，β相在熱處理的過程中析出，這種固溶與析出的綜合作用使得飛機座椅用鎂合金材料的整體力學性能得到了提高。同時，β相呈連續狀分布，較為細長，分布均勻，β相沿晶界面的網狀析出對鎂合金材料起到了一定的強化。

圖1 Al-Mg合金相圖

3 結論

1）對AM51和AZ92D兩種鎂合金鑄造所得材料樣品的力學性能研究表明，AZ92D鎂合金樣品性能較佳，其抗拉強度為265MPa，延伸率為7.9%，彈性模量為43GPa。

2）對較佳的AZ92D鎂合金材料樣品的熱處理工藝進行研究表明，當固溶處理8h，時效處理20h后，鎂合金材料樣品的布氏硬度值最高，為86.7。

圖2 經固溶8h以及時效處理20h后的鎂合金材料組織結構

3）對最佳熱處理后的AZ92D鎂合金材料樣品微觀組織研究表明鎂合金中β相處于α相和Al12Mg17相之間，β相在熱處理的過程中析出，這種固溶與析出的綜合作用使得飛機座椅用鎂合金材料的整體力學性能得到了提高。

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