中間退火對2E12鋁合金組織和性能的影響

鄭林峰,陳 忱,曹瑤琴,伊琳娜

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.北京航空材料研究院,北京 10095)

0 引言

鋁合金具有比強度、比剛度高，塑性優良，鑄造和可切削性也較好等優點，已成為航空工業不可缺少的原材料。目前鋁合金為使用最廣泛的航空、航天用結構材料[1-2]。在民用飛機結構上的用量達到70%～80%，在軍用飛機結構上的用量達到40%～60%[3-5]。

2E12(相當于國外2524)薄板是新一代機身蒙皮用損傷容限型鋁合金，與傳統2024鋁合金相比，在其他性能相當的情況下，疲勞裂紋擴展速率低一個數量級[6]。與傳統的2A12合金相比，該合金薄板和型材可在T3狀態下直接成形為機身蒙皮、桁條類零件。采用2E12鋁合金直接成形各類零件可顯著提高構件使用壽命，大大降低制造成本，目前已廣泛應用于國外F-35、A380及各種航空器中對損傷有特殊要求的結構[7-17]，國內大客飛機上也已部分選用。

2E12鋁合金在直升機上主要用于角盒、支架、蒙皮、普通框、平板等結構，用于替代2A12合金。2A12合金在某型直升機上的使用情況見圖1。由圖1可知，盡管鋁合金在直升機上主要以O態供應為主，但T4態零件數量也相對較多，采用2E12-T3代替2A12-T4可免除T42熱處理過程，將會大大降低制造成本。本文針對直升機用2E12薄板在研制過程中出現的技術問題，通過對比分析不同熱處理工藝板材的顯微組織以及力學性能，研究中間退火工藝對板材顯微組織及性能的影響。

圖1 某型直升機不同規格2A12鋁合金使用情況

1 試驗方法及材料

1.1 材料及處理工藝

本試驗所用材料為西南鋁廠生產的2.5mm 厚的2E12鋁合金薄板，其化學成分如表1所示。

表1 2E12鋁合金化學成分要求

薄板的制備流程見圖2，其中在冷軋至3.6mm后分兩種工藝：①繼續冷軋至2.5mm；②引入一次中間退火后冷軋至2.5mm。對比兩種不同工藝，以研究冷軋中間退火對2E12板材的晶粒和織構的影響規律以及對板材耐損傷性能的影響規律。

圖2 2E12鋁板的兩種制備工藝流程

1.2 試驗方法

在鑲樣機上將切好的待觀察試樣鑲好，用120#、400#、500#、800#水磨砂紙粗磨，再用800#、1000#、1200#金相砂紙細磨，然后進行機械拋光。將拋光好的金相樣品分別用乙醇和清水清洗并吹干，用1%HF+1.5%HCl+1%HNO3的混合酸水溶液浸蝕15s～20s，再用清水清洗并吹干。采用Leica DMILM光學顯微鏡對其顯微組織進行觀察。

在CMr5105型電子萬能試驗機上進行接頭的拉伸強度試驗，疲勞裂紋擴展速率測定采用中心穿透裂紋(CCT)試樣在MTS810-IOOKN電液伺服疲勞試驗機進行。試驗采用虛力控制，正弦波加載，頻率為6Hz，應力比R=0 I，試驗條件為室溫、空氣環境，結果取3個平行試樣的擬合值。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

表2為冷軋后引入中間退火和未采用中間退火兩批板材的力學性能檢測結果，由表2可知兩批板材的基本力學性能(σb、σ0.2、δ10、ΔK)基本相當，但裂紋擴展速率(da/dN)差異較大。引入中間退火工藝的板材裂紋擴展速率明顯低于未采用中間退火工藝的板材，未引入中間退火工藝的板材裂紋擴展速率指標不合格。

表2 兩批板材性能

2.2 微觀組織觀察及分析

冷軋后采取中間退火以及未采取中間退火所制備的兩批2.5mm規格2E12板材的縱截面、橫截面晶粒形貌如圖3、圖4所示，其中a為未采取中間退火工藝的縱截面組織，b為采取中間退火后的縱截面組織，c、d分別為未采取中間退火和采取中間退火后的橫截面組織。由圖可見冷軋后引入中間退火的板材組織粗大，局部區域發生了再結晶，大部分晶粒內部仍然保持變形組織；未采用中間退火的板材形成了細小的晶粒。這是由于冷軋后引入中間退火消除了加工硬化以及冷變形過程中積累的形變儲存能,改善了織構的分布方式;未采用中間退火的板材由于冷變形量較大,使晶粒破碎形成較多形核點，并積累了較多的形變儲存能，在后續退火過程中發生了完全再結晶，形成了細小的等軸晶粒。

圖4 兩種工藝板材橫截面金相組織形貌

2.3 原理分析

對引入中間退火的板材試樣開展原位觀察試驗，如圖5所示。根據觀察結果構建了裂紋擴展模型，如圖6所示。觀察結果表明裂紋在晶內優先沿一定的晶面生長，裂紋優先沿滑移面擴展。因此裂紋通過晶界從一個晶粒向另一個晶粒擴展時，當兩個晶粒內有利的滑移面之間存在位向差時，裂紋要想橫過晶界進入另一個晶粒，并繼續沿著有利的滑移面擴展時，裂紋必定發生扭轉，如圖5所示。相鄰晶粒內，兩個有利的滑移面之間的取向差是控制裂紋橫過晶界生長的關鍵因素。滑移面之間的取向差表現為兩個滑移面與晶界相交的跡線之間的夾角α，如圖6所示。Α的大小反映裂紋橫過晶界擴展的阻力大小。因為在晶界上只有楔形區(abc圍成)斷開才能使裂紋穿過晶界，當α角很大時，裂紋無法橫過晶界到達另外一個晶粒內的有利滑移面上，因此終止于晶界，最終沿晶界迅速開裂導致耐損傷性能降低。

圖5 引入中間退火工藝的板材裂紋擴展原位觀察

圖6 裂紋擴展模型

由上述分析可知，冷軋后引入中間退火使板材組織保留了不完全再結晶的嵌套組織，使得相鄰晶粒取向不至差別太大，降低了裂紋擴展的阻力，使裂紋不至于在晶界上終止而沿晶界迅速擴展，最終降低了板材的裂紋擴展速率，提高板材的耐損傷性能。

3 結論

1) 冷軋后引入中間退火工藝獲得不同的顯微組織，但不影響板材的強度、塑性以及韌性；

2) 冷軋后引入中間退火工藝可以顯著提高板材的損傷容限，降低裂紋擴展速率；

3) 獲取細小的等軸晶粒在提升強度、塑性的同時會引入大角度晶界，使相鄰晶粒取向差增大，反而提高了裂紋擴展速率。

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