Aquatensid BW淬火劑在波音飛機鋁合金薄壁件中的應用

于成功，盧剛，馮雙芹，穆強

中航沈飛民用飛機有限責任公司 遼寧沈陽 110169

1 序言

水作為鋁合金薄壁件常用淬火冷卻介質之一，其弊端在于冷卻速度大，會導致零件淬火后變形嚴重，后續校形困難，使零件尺寸超差而報廢，進而造成巨大經濟損失[1]。

Aquatensid BW淬火劑原液用水稀釋后即可投入使用，根據不同的稀釋比例，可獲得介于油與水之間的任何冷卻速度[2]。與水相比，聚合物淬火劑可均勻地打破蒸汽膜，避免形成氣穴，降低最終的冷卻速度，大大減少應力的產生，進而可以避免或減少工件鋁固溶處理后出現的變形、翹曲，適用于各種鋁合金件，如鑄件、鍛件、擠壓件及軋制板件等的淬火[3]。Aquatensid BW 聚合物淬火劑與某些聚合物淬火劑相比，在同一濃度狀態下，冷卻速度略快，這樣就可在較低濃度下使用而達到同樣效果，更有利于節約成本，零件淬火時帶出量也隨之減少[4]。

目前，國外的飛機公司已經廣泛采用聚合物淬火劑進行鋁合金的淬火，國內的飛機公司基本還在使用水或油作為淬火冷卻介質。波音公司使用聚合物淬火更加廣泛，在波音公司的一個車間每年就可以節省60萬美元的校正費用[5]；成飛公司已成功使用UCONA代替水，大大減少了鋁合金熱處理變形和鈑金件校正工時（50%以上）；酒鋼集團分公司使用PAG淬火冷卻介質代替淬火油，每年降低成本87.98萬元[6]；國產C919大飛機、ARJ支線飛機對鋁合金采用聚合物淬火的應用均作出了工藝要求。

本文通過對波音飛機2024、7075鋁合金薄壁件在不同濃度Aquatensid BW淬火劑中的淬火效果、性能等進行研究，揭示了Aquatensid BW淬火劑適用于鋁合金薄壁件淬火的最優濃度范圍，為鋁合金薄壁件聚合物淬火時濃度的選取提供參考依據。

2 試驗材料及內容

2.1 試驗材料

本次試驗選取2024、7075鋁合金板材，尺寸為150mm×100mm×1.0mm。此外，選取波音項目厚度為1mm的2024、7075鋁合金兩種材料典型薄壁件在不同濃度淬火劑中進行淬火。

表1是Aquatensid BW淬火劑（原液）特性數據。Aquatensid BW淬火劑由聚烷基撐乙二醇（Polyalkylen Glycols）、羧酸混合物、胺類（非腫胺）、殺菌劑、非鐵重金屬減活化劑及水組成。最佳使用溫度為25~45℃。淬火劑溫度最高不能超過60℃，如果淬火劑溫度超過60℃，則應使其冷卻至40℃以后，才能進行下一批工件的淬火。

表1 Aquatensid BW淬火劑（原液）特性數據

2.2 試驗內容

（1）Aquatensid BW淬火劑槽液配置 為適用不同材料的熱處理，依據波音規范BAC 5602，本試驗將規定聚合物的體積濃度≤22%，選擇水以及5%、10%、15%、22%濃度的聚合物進行試驗。在試驗過程中，從濃度最低（5%）的聚合物開始配制和試驗，隨后是10%、15%、22%濃度的聚合物。每次聚合物淬火槽淬火后重新測量聚合物的濃度，重新調制槽液，保證在整個試驗過程中的聚合物濃度的變化都控制在0~－2%。

生產現場可使用便攜式折光儀測定淬火劑濃度。測試方法：打開折光儀前部鏡片上的蓋板，取一滴溶液滴在鏡片上后合上蓋板，對著光亮處通過目鏡觀察，記錄觀察到的明暗處的刻度讀數值，然后用該讀數乘以系數2.0即可得到Aquatensid BW淬火劑的濃度百分數。

（2）Aquatensid BW淬火劑冷卻速率測試 使用Ivf Quenchotest冷卻速度測量儀對不同濃度的淬火劑進行冷卻速率測量。

（3）熱處理工藝及測試 試片的熱處理工藝按表2進行。試片在水以及5%、10%、15%、22%Aquatensid BW淬火劑中進行淬火。淬火前，淬火劑溫度35℃，試片的淬火轉移時間≤10s。作為對比，另選取80℃的水溫進行試驗。所有試驗件及工件的淬火方式均為立式淬火。為確保濃度均勻，在淬火和取樣之前應攪拌淬火劑，必須持續不斷地循環直到淬火結束。研究表明，通過控制淬火劑濃度、溫度及攪拌速度可有效控制工件的變形[2，7-9]。在淬火后，為去除黏附在試片和料架上的淬火劑薄膜，在被攪拌的冷水中浸洗至少10min，待試片干燥后進行時效處理。

表2 熱處理工藝

熱處理后的工件需要進行硬度測試（按BAC 5650）、拉伸性能測試（按ASTM B557）和包鋁層擴散試驗（按BAC 5602）。

（4）熱處理變形量檢測 鋁合金板材經過固溶處理后，按照圖1所示從左到右進行變形量檢測，可獲得高度方向的變形量以及單一方向的變形量變化趨勢。

圖1 變形量檢測

3 試驗結果與分析

3.1 不同濃度淬火劑黏度

按照ASTM D445測定稀釋溶液的黏度，表3是35℃條件下Aquatensid BW淬火劑的濃度與折光儀讀數、黏度的對照表。隨著淬火劑濃度增加，黏度也增加。

表3 Aquatensid BW淬火劑的濃度與折光儀讀數、黏度的對照

3.2 冷卻性能

圖2是在35℃條件下，不同濃度Aquatensid BW淬火劑及水的冷卻曲線。采用Ivf Quenchotest（冷卻特性測試儀）進行測定，探頭的初始溫度為500℃。第I階段是膜態沸騰階段，此時工件剛進入淬火劑中，瞬間在工件表面產生大量的蒸汽形成一層蒸汽膜附著在工件表面，工件本身的熱量通過蒸汽膜進行傳遞，傳熱效率較低，因此工件的溫度變化不大，Aquatensid BW淬火劑此蒸汽膜階段持續時間不超過1s。有研究發現[2，10]，在聚合物溶液中蒸汽膜階段很短，有的甚至不出現蒸汽膜階段，直接進入泡沸騰階段；第II階段是泡狀沸騰階段，此時工件表面逸出的氣泡量較大，導致工件表面的蒸汽膜破裂，工件與淬火劑的熱交換驟然變大，工件的冷卻速度驟增，隨著淬火劑濃度增加，工件冷卻速度逐漸減小，泡狀沸騰持續的時間增加，這是因為聚合物的濃度越大則其黏度也越大，那么富集在工件表面的聚合物膜層就越厚，相應地聚合物水溶液的冷卻速度變小；第III階段是對流階段，此時工件表面的溫度降至淬火冷卻介質沸點以下，沸騰現象消失，此時的工件是以對流的方式繼續冷卻，并且此階段的冷卻速度變化最為平緩。因此，淬火冷卻介質的冷卻速度變化為v水＞v5%＞v10%＞v15%＞v22%。

圖2 35℃不同濃度Aquatensid BW淬火劑及水的冷卻曲線

3.3 板材變形量分析

圖3是1m m厚的2024和7075鋁合金板材在35℃、80℃水中以及不同濃度Aquatensid BW淬火劑中淬火后，板材高度方向的變形量。由圖3可以看出，2024鋁合金板材的變形方式為單邊翹曲，7075鋁合金板材的變形方式為中間凸起。2024鋁合金板材在水中淬火后的平均變形量約為2mm，7075鋁合金板材在水中淬火后的平均變形量約為6.5mm，其中在80℃水中淬火后板材的變形量最大。板材在Aquatensid BW淬火劑中的變形量均小于1mm，在10%及15%濃度淬火劑中淬火后的變形量最小。黏附在工件表面的淬火劑可以有效破壞水的蒸汽膜，從而可以保證在固溶（淬火）冷卻過程的開始階段就能得到均勻冷卻，均勻且快速的冷卻能夠有助于減小工件冷卻過程產生的內應力，并能夠有效保證工件得到良好的均勻固溶效果。

圖3 2024、7075鋁合金板材高度方向變形量

3.4 典型件變形量分析

圖4是厚度為1mm典型的2024及7075鋁合金鈑金工件在不同濃度Aquatensid BW淬火劑中的變形量情況以及淬火后的變形形式。由圖4可以看出，工件淬火后的變形方式為兩端翹曲變形。2024鋁合金工件在35℃的水以及5%、10%、15%、22%Aquatensid BW淬火劑中的平均變形量分別為15mm、5.8mm、5mm、5.6mm、8mm，工件在10%及15%濃度淬火劑中的變形量較小，其中在10%濃度淬火劑中的變形量相對于在水中的變形量減小66.7%。7075鋁合金工件在水以及5%、10%、15%、22%Aquatensid BW淬火劑中的平均變形量分別為15mm、10mm、6mm、7mm、8mm，工件在10%及15%濃度淬火劑中的變形量較小，其中在10%濃度淬火劑中的變形量相對于在水中的變形量減小60%。黏附在高溫工件表面的聚合物膜，可以有效地降低在200~500℃的范圍內從工件表面到流體冷卻介質的熱流量，從而降低了工件的內應力，實現減少和控制工件固溶（淬火）冷卻變形的效果。

圖4 典型工件變形量

3.5 力學性能

圖5是2024、7075鋁合金經不同濃度Aquatensid BW淬火+時效后的拉伸性能。板材經過固溶+時效處理后，在10%及15%濃度淬火劑淬火后材料的抗拉強度最優，但相對在其他濃度的淬火劑中淬火變化不大。2024鋁合金經10%、15%Aquatensid BW淬火劑淬火后材料的伸長率較大，比經水淬的板材分別高18.3%、13.9%，比經15%Aquatensid BW淬火的板材分別高19.7%、15.2%。7075鋁合金經10%、15%Aquatensid BW淬火劑淬火后材料的伸長率較大，比經水淬的板材分別高18.4%、46.4%，比經15%Aquatensid BW淬火的板材分別高20.3%、48.8%。在10%~15%濃度內淬火劑的淬火效果最好，材料的拉伸性能最優，其主要原因是當高溫鋁合金工件浸入Aquatensid BW淬火劑時，由于受熱脫溶的聚合物具有良好的潤濕性，會黏附在高溫工件表面。10%~15%濃度的淬火劑黏附在1mm板材上的聚合物厚度是最適中的，此時板材與淬火劑的熱交換最穩定，保證了工件冷卻時過冷度的穩定性，這樣材料的組織會更加均勻，因此材料的綜合性能會更優異。

圖5 經不同濃度Aquatensid BW淬火+時效后的拉伸性能

圖6是經不同濃度淬火劑淬火后，2024（T42）及7075（T62）鋁合金板材的包鋁層擴散值分布。由圖6可以發現，經10%、15%Aquatensid BW淬火后材料的包鋁層擴散最小，經水淬后材料的包鋁層擴散最大。因此，適當的淬火劑濃度可以減少包鋁層的擴散，材料的耐蝕性有所提高。

圖7是經不同濃度淬火劑淬火后，2024（T42）及7075（T62）鋁合金板材的硬度值統計。BAC5946中對規格為1mm的2024（T42）及7075（T62）鋁合金板材的硬度值要求分別為≥57HRB和≥76HRB，經過不同濃度淬火劑淬火后進行時效的材料硬度值均滿足要求。

圖6 2024（T42）及7075（T62）包鋁層擴散值

圖7 2024（T42）及7075（T62）鋁合金板材的硬度值

4 結束語

1）35℃條件下Aquatensid BW淬火劑的濃度越高，黏度也越大。從500℃開始測量不同濃度的Aquatensid BW淬火劑冷卻速率，其冷速變化為v水＞v5%＞v10%＞v15%＞v22%，即淬火劑濃度越高，冷卻速度越慢。

2）規格為1m m的2024和7075鋁合金板材在35℃、80℃水中以及不同濃度Aquatensid BW淬火劑中淬火后，2024鋁合金板材的變形方式為單邊翹曲，7075鋁合金板材的變形方式為中間凸起，板材經過不同濃度淬火劑淬火后，板材高度方向的變形量均＜1mm，濃度在10%和15%時，板材在高度方向的變形量較小。

3）2024及7075鋁合金典型工件在10%及15%濃度的Aquatensid BW淬火劑中的變形量較小，其中在10%淬火劑中淬火后工件的變形量相對于在水中的變形量分別減小66.7%、60%。

4）當Aquatensid BW淬火劑的濃度為10%及15%時，2024（T42）及7075（T62）鋁合金的拉伸性能及硬度值最優，并且包鋁層的擴散最少，所有的性能均滿足波音規范要求。

5）厚度為1mm的鋁合金工件使用Aquatensid B W 淬火劑進行淬火，推薦使用的濃度范圍為10%~15%。