航空用2324-T39高損傷容限鋁合金板材關(guān)鍵制備技術(shù)研究

蔡鵬程

摘 要：Al-Cu-Mg 系航空用鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件中，是我國(guó) C919、ARJ21、Y20 等軍民用飛機(jī)制備的關(guān)鍵金屬材料;2324-T39 鋁合金屬于 Al-Cu-Mg 系合金，其生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵制備技術(shù)環(huán)節(jié)有熔鑄、均勻化、熱軋、熱機(jī)械處理，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)材料的最終力學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：2324-T39 鋁合金，關(guān)鍵制備技術(shù);力學(xué)性能

1.1背景

航空用鋁合金板材主要用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件中，是我國(guó) C919、ARJ21、Y20 等軍民用飛機(jī)制備的關(guān)鍵金屬材料，是工信部重點(diǎn)推動(dòng)的有色金屬新材料。航空用鋁合金中的 Al-Cu-Mg 系鋁合金因高損傷容限性能用于飛機(jī)下機(jī)身、下機(jī)翼結(jié)構(gòu)件，它也是強(qiáng)基工程一系列“卡脖子”重點(diǎn)突破材料之 一。Al-Cu-Mg 系鋁合金主要的合金元素為Cu和Mg，此外還含有一定量的 Mn 以及少量的 Fe、Si，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。典型的 Al-Cu-Mg 合金主要有 2X24 系列。2024 鋁合金是最早的用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的鋁合金之一，但其抗損傷容限性能較低。上世紀(jì)80年代中期，為獲得良好韌性和強(qiáng)度結(jié)合的鋁合金，美國(guó)波音公司在 2024合金基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化合金元素，提高合金純度，開(kāi)發(fā)出 T39 處理工藝，同時(shí)研制成功2324-T39合金厚板[1]，并獲得美國(guó)專利。2324-T39與2024-T351 合金厚板相比，屈服強(qiáng)度明顯提高，而抗拉強(qiáng)度、疲勞性能又不低于后者。該合金已成為波音飛機(jī)最有特色的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，開(kāi)始全面替代2024-T351產(chǎn)品，由于性能優(yōu)越，該合金已成為目前民用客機(jī)理想的主要結(jié)構(gòu)用鋁合金之一 [2-3]，而國(guó)內(nèi)除對(duì)應(yīng)于2024 的2A12鋁合金外，僅對(duì) 2124、2324 進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，還沒(méi)有形成2324-T39相應(yīng)地高損傷容限鋁合金板材研發(fā)制造及生產(chǎn)體系。

1.2 Al-Cu-Mg系鋁合金中的微觀組織

Al-Cu-Mg 系合金的成分設(shè)計(jì)及關(guān)鍵制備技術(shù)的突破，是以控制微觀組織的 方式實(shí)現(xiàn)的。Al-Cu-Mg 系合金總是由三種主要相構(gòu)成：微米級(jí)粗大金屬化合物，納米級(jí)的時(shí)效析出相（晶內(nèi)、晶界），亞微米的彌散粒子。

① 微米級(jí)的粗大金屬化合物主要有在合金凝固過(guò)程中形成的含雜質(zhì)元素 Fe、Si 的Al7Cu2Fe、AlFeMnSi 等初生相，以及非平衡凝固形成的 θ（Al2Cu）、S（Al2CuMg）等。這些相基本上形成于鑄造之后的凝固過(guò)程或者鑄造之后的加工過(guò)程，在隨后的熱變形過(guò)程中，隨著合金的塑性變形而發(fā)生破碎、變形，并沿著變形方向排列成帶狀分布。粗大初生相大而硬脆，在相周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在較低的應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，成為裂紋源降低合金的斷裂韌性。

② 把過(guò)渡金屬M(fèi)n 元素添加到鋁合金中，鑄錠均勻化過(guò)程中，Mn 與基體形 成亞微米級(jí)的彌散相粒子。彌散相對(duì)合金的晶粒形狀以及再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)有影響，而晶粒結(jié)構(gòu)大大影響合金的性能。

③ 固溶淬火后鋁合金得到亞穩(wěn)定的過(guò)飽和固溶體。因?yàn)槭莵喎€(wěn)態(tài)，所以會(huì) 自發(fā)的進(jìn)行分解，在室溫下其自發(fā)分解就是自然時(shí)效;對(duì)于 2x24 鋁合金，主要的析出序列為：SSS→GPB→S″→S′→S;這些細(xì)小彌散的納米級(jí)時(shí)效析出相是提高產(chǎn)品力學(xué)性能的關(guān)鍵。

1.3 關(guān)鍵制備技術(shù)

高損傷容限鋁合金板材工藝路線為：熔鑄→均熱→鋸切→銑面→熱軋→熱機(jī)械處理→鋸切→包裝。關(guān)鍵制備技術(shù)是熔鑄、均熱、熱軋、機(jī)械熱處理，其中機(jī)械 熱處理主要為固溶淬火、冷加工和時(shí)效。

（1）熔鑄及均熱熔鑄是合金最為關(guān)鍵的工序，鑄錠質(zhì)量的好壞決定著航空產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。鑄造后的鑄錠需要進(jìn)行均勻化熱處理，主要目的是消除網(wǎng)狀共晶組織。2324 合金凝固過(guò)程中會(huì)形成低熔點(diǎn)三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），雖然均勻化對(duì)合金組織的影響機(jī)理清晰，但不同均勻化工藝對(duì)組織中可溶性初生相回溶效果影響的相關(guān)研究并不多見(jiàn)。均勻化是基于高溫下的保溫行為，本質(zhì)上是原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，遵循第一擴(kuò)散定律，均勻化過(guò)程中主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間，均勻化過(guò)程中，擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系可用 Arrenius 公式表示如下：D=D0exp式中：D 是與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù);Q為擴(kuò)散激活能;R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;從公式可以看出，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，原子擴(kuò)散速度越快，偏析越容易消除，因此為了加速均勻化過(guò)程，應(yīng)在確保不過(guò)燒的前提下，提高均勻化溫度。

（2）熱軋

熱軋是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的熱加工方式，是生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵的一步，對(duì)最終板材的性能有著很大影響。實(shí)際上熱軋分為加熱和軋制兩個(gè)過(guò)程。加熱是將鋸切、銑面后的鑄錠加熱到再結(jié)晶溫度以上，保證熱軋的順利進(jìn)行。熱軋是將鑄造組織軋制成拉長(zhǎng)的帶狀組織。在變形過(guò)程中會(huì)伴隨著動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，通過(guò)控制熱軋前的加熱制度、開(kāi)軋溫度、軋制道次、軋制速度和終軋溫度來(lái)調(diào)控板材的組織以及軋后板材的儲(chǔ)能大小，為后續(xù)的固溶處理做好準(zhǔn)備;同時(shí);熱軋會(huì)使 組織產(chǎn)生各向異性，組織的各向異性最終體現(xiàn)在板材性能的各向異性上。

（3）熱機(jī)械處理

熱機(jī)械處理（Thermo-mechanical treatment，TMT）是一種合理地利用塑性變形和鋁合金的脫溶沉淀相變來(lái)改善其塑韌性，同時(shí)保證強(qiáng)度不降低的處理方法。根據(jù)脫溶沉淀相的析出可分為高溫析出的中間熱處理和低溫時(shí)效析出的最終熱機(jī)械處理。通常熱機(jī)械處理是通過(guò)熱處理形成彌散分布的粒子，這些粒子釘扎變形過(guò)程中的位錯(cuò)，形成相互纏結(jié)的位錯(cuò)胞壁，促進(jìn)最終的時(shí)效析出。在本研究中，為方便工業(yè)化大生產(chǎn)，更有利的方式是采用“固溶淬火+（自然時(shí)效）+預(yù)變形+ 自然時(shí)效”的方式進(jìn)行，這可看作是低溫析出的最終熱機(jī)械處理過(guò)程。

熱軋板材經(jīng)固溶處理及隨后的快速冷卻，即為固溶淬火。固溶處理的原則是，在不過(guò)燒的情況下，將合金中殘留的一次相及在均勻化退火或熱軋過(guò)程中形成的二次相盡可能多地溶入基體，得到過(guò)飽和的固溶體。為后續(xù)冷變形后時(shí)效析出作 準(zhǔn)備，過(guò)飽和度越高，時(shí)效析出動(dòng)力越強(qiáng)，強(qiáng)度越高。合金所采用的與常規(guī)熱處理不同的熱機(jī)械處理工藝是其組織及性能表現(xiàn)獲得高強(qiáng)度和高斷裂韌性的關(guān)鍵。此工藝的特點(diǎn)是在固溶淬火后有一定程度的冷變形，冷變形的主要目的是在合金中產(chǎn)生大量位錯(cuò)，促進(jìn)析出相在位錯(cuò)線上析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化，提高板材強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭鵬，鄭玉珍.2324──新型高強(qiáng)高韌鋁合金[J].航空制造工程，1994（10）：20-23 .

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[3] 趙剛. 高純硬鋁 2324-T39 厚板組織性能的研究[J]. 有色礦冶，1999，015（005）：41-45.