2A12鋁合金板材熱處理常見缺陷

崔超群，朱海磊，黃紅武，黃天勇，毛 喆

(1.空軍裝備部駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業鄭飛公司，河南 鄭州 450005)

采用2A12鋁合金板材制成鈑金制件，板材厚度為0.5～3 mm，供應狀態為退火，在彎曲成型后進行固溶、時效熱處理，對于2A12鋁合金的固溶處理習慣上也稱之為淬火。在生產實際中，常因各種原因造成制件熱處理后不合格，嚴重時還出現制件報廢。本文對2A12鋁合金板材熱處理常見缺陷進行了總結。

1 材料成分及特性

1.1 化學成分

2A12鋁合金板材成分符合GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分標準》，具體見表1。

表1 2A12鋁合金化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 2A12 aluminumalloys(mass fraction，%)

1.2 材料特性

2A12鋁合金板材為Al-Cu-Mg系中典型的硬鋁合金，原牌號為LY12。該合金具有良好的塑性成形能力和機械加工性能，能夠獲得各種類型的制品，是航空工業中使用最廣泛的鋁合金之一[1]。因2A12存在含銅的固溶體和CuAl2相電極電位較高，當發生不均勻沉淀時，晶間四周出現含銅較低的貧化帶與含銅較高的晶粒中心形成電位差，易發生晶間腐蝕。為此，2A12的板材兩面均用純度大于99.5%的純鋁包裹，因純鋁電位低于基體，可起到陽極保護的作用。熱處理制度一般為固溶+時效，對于工作溫度超過150 ℃的制件，為保證使用期間組織和性能的穩定性而采取人工時效的方式，其余都在自然時效的狀態下應用。本研究中鈑金制件均采用自然時效的方式進行，時效后對隨爐的拉伸試樣進行檢測，要求σb≥390 MPa，金相組織檢測無過燒現象。因熱處理固溶后2 h內材料能保持良好的塑形，熱處理固溶后制件存在變形情況，一般固溶后立即進行校正，待自然時效96 h后再對拉伸試樣進行強度和金相組織的檢測。

2 常見缺陷

2.1 過燒

過燒是2A12最常見、危害最大的缺陷，輕微過燒從制件表面看不出來，嚴重過燒會導致制件出現起泡、開裂現象。實際生產中通過金相組織判斷2A12固溶后是否發生過燒，HB 5201—82《變形鋁合金過燒金相檢驗標準》將過燒的金相組織分為四種特征：共晶復熔球、晶界的局部復熔加粗、復熔三角晶界和相界面的復熔。這四種特征表示過燒的程度不斷加大，從輕微過燒到嚴重過燒，2A12鋁合金最常出現的是前三種過燒特征。

過燒是低熔點共晶融化的表現，2A12鋁合金主要有兩種共晶，即二元共晶α(Al)+CuAl2和三元共晶α(Al)+CuAl2+Al2CuMg(S相)，二元共晶的熔點為548 ℃，三元共晶的熔點為507 ℃。因此， 2A12的過燒溫度一般為507 ℃。導致過燒的原因一般有以下幾種。

2.1.1儀表控溫系統故障

2A12熱處理要求選用的設備為I類爐，即爐溫均勻性為±3 ℃，正常情況下不會達到熔點，但若儀表控溫系統出現問題，造成爐膛實際溫度比儀表顯示溫度高，或者因熱電偶及儀表故障造成溫度失控引起“跑溫”，將造成2A12固溶時發生過燒。

2.1.2材料元素含量

鋁合金的主要成分和雜質元素含量都有一個允許的波動范圍，不同批次的2A12板材，因冶煉工藝的差異，實際過燒溫度仍有波動。在生產中，曾出現一批2A12制件熱處理后出現過燒現象，對儀表控制精度、爐溫均勻性進行檢測，均符合要求，操作者設定的溫度為503 ℃，儀表監測最高點達到了505 ℃，正常情況不會發生過燒現象。為此，對該批材料進行化學成分分析，該批2A12制作中Cu含量為4.8%，Mg含量為1.7%，均為含量的上限。銅、鎂元素含量處于上限時，形成的三元共晶的數量多，降低了該批2A12制作的過燒溫度。

2.1.3制件表面污染

制件表面存在低熔點的物質，該物質熔化后粘附在制件表面，會加大制件的過燒傾向。如制件表面有油污，或者用鍍鋅鐵絲綁扎2A12進行淬火，固溶過程中，由于油污揮發、鍍鋅層熔化不僅會污染制件的包鋁層，還會引發過燒。

2.2 強度不足

一般通過對隨爐試樣進行拉伸試驗，來判定2A12固溶時效后強度是否滿足σb≥390 MPa的要求，造成強度過低一般是以下原因。

2.2.1固溶溫度低

標準HB/Z 5125《變形鋁合金熱處理》中規定2A12鋁合金薄板固溶溫度為495～503 ℃，標準GJB 1694—93《變形鋁合金熱處理規范》規定2A12固溶溫度490～500 ℃，并注明板材可采用492～502 ℃。固溶溫度越高，合金元素溶入晶格越充分，后期自然時效過程中，強化效果越高。有時為防止過燒，采取下限溫度，常會造成固溶時效后強度低的問題。

2.2.2固溶保溫時間短

一般2A12板材在井式電爐中固溶的保溫時間大約按10 min/mm計算，比一般的鋼件淬火的保溫時間長。實際工作中，曾出現工藝人員對2A12板材進行固溶處理時，按鋼件淬火的保溫時間計算，3 mm厚2A12板材，規定保溫時間僅15 min，造成制件固溶時效后σb為280 MPa。發現此問題后，修訂工藝文件，對制件重新進行固溶處理，σb為405 MPa。

2.2.3冷卻速度慢

根據鋁合金的等溫分解曲線，“鼻子”溫度一般在300～400 ℃之間，在此溫度范圍內應保持足夠的冷卻速度[2]。在生產中采用水作為固溶后的冷卻介質。造成冷卻速度慢主要是因為轉移速度慢和水溫過高。工件從爐門開始打開到工件最后一角浸入水中的時間為轉移時間。當轉移過程較長或冷卻水溫過高，會導致固溶體發生部分分解，從而降低時效強化效果，造成強度不足。

2.3 變形過大

造成2A12鋁合金板材固溶后變形過大主要有兩個原因：一是裝爐時互相堆積，在加熱時制件間相互擠壓造成變形；二是2A12鋁合金板材采用水冷淬火產生變形。生產中常利用固溶2 h內2A12可保持良好塑形的特點，水冷后立即進行校正。這種方法對形狀簡單的鋁合金板材十分適用，但對于形狀復雜的薄板制件，常會因水冷淬火變形過大而難以校正。

3 控制措施

3.1 工藝文件的控制

工藝文件應按規定進行編制、校對、審簽等流程，并制定相應的職責和權限，保證工藝規程編制正確[3]。防止工藝人員因工藝參數編制錯誤而導致制件熱處理不合格。在選擇2A12板材固溶溫度時，既要防止制件過燒報廢，又要兼顧固溶充分能起到時效強化的效果，最好選用范圍控制在495～500 ℃之間，在生產操作時，設定溫度在497 ℃。

3.2設備控制

對于鋁合金淬火爐，應選用I類井式電爐，還應采用“雙聯溫度系統”，即爐內配置兩支熱電偶，一支熱電偶安裝在有效加熱區內，連接溫度記錄儀，以便準確反映加熱時間情況；另一支熱電偶接控溫儀表，進行爐子溫度的自動控制。并將其中一支熱電偶并聯溫度報警裝置，將溫度報警值設定為505 ℃，若溫度超過505 ℃時，自動報警并切斷電源。

鑒于2A12過燒溫度與淬火溫度比較接近，生產中最好使用專用設備進行固溶處理，保證設備的校檢和使用都在同一溫度下，減少了檢定誤差，同時也避免設備因在不同溫度下使用而導致控溫儀表在2A12固溶溫度時出現偏差。

3.3 生產過程控制

規范操作步驟，加強日常監督[4]，通過強化過程控制有效保證2A12板材固溶處理質量，應從以下幾個方面進行：

1)在進行2A12板材固溶處理前，應確定設備按規定進行了爐溫均勻性檢測；同時在每天工作的第一爐先選取試樣進行，對試樣固溶后立即進行金相檢查，經檢測無過燒后再進行零件的批量處理。

2)加強2A12板材入爐前的質量控制，要求使用汽油清洗制件表面油污，并且對需要綁扎的制件，采用鋁絲綁扎，嚴禁使用銅絲和鐵絲。

3)工件與框架、夾具或間隔物應成點或線接觸，不允許有面接觸[5]。零件之間應保持一定間距，保證加熱時爐內空氣和冷卻水可在各工件之間自由循環流動。

4)控制出爐的轉移速度，在開爐門和轉移過程中，避免在過程中出現停留。一般2A12板材的轉移時間控制在15 s以內。

5)控制水溫在10～30℃，在零件入水后開啟水龍頭進行補水，避免零件入水后溫度上升過高而影響固溶質量。

3.4 不合格品的處置

對于不合格2A12板材的處理，應針對不同不合格現象進行不同處置。

1)一般對于出現過燒組織的鋁合金制件都按報廢處理，但對于2A12板材來說，HB 5201—82《變形鋁合金過燒金相檢驗標準》中4.2條規定：“LY12合金薄板淬火后組織中僅有共晶復熔球不作為報廢的依據”。2A12板材僅出現共晶復熔球對其強度影響不大，只是抗腐蝕性下降，當出現此類情況時，應根據零件在產品中的使用情況，結合后期是否進行氧化、噴漆等表面防護措施，決定該批制件能否使用。

2)對于固溶時效后出現強度不夠的2A12板材，應分析造成該問題的原因，是固溶溫度低還是轉移時間長、水溫高等原因，并針對分析的原因，制定控制措施，重新進行固溶、自然時效處理。

3)對于變形過大的制件，因已經自然時效而強化，校正困難，需對制件完全退火后再進行校正。退火規范為350～410 ℃，保溫1～3 h，以每小時不大于30 ℃的冷卻速度隨爐冷至260 ℃以下出爐空冷，經完全退火后的2A12塑形強，便于校正。校正后可重新進行固溶、自然時效處理。但在重新固溶前，應分析上次造成制件變形大的原因，若是因零件堆積加熱造成的，返修時因保證零件在爐內均勻擺放，相互之間有一定間距。若因制件自身結構導致固溶水冷后易變形，可通過設計專用夾具來控制變形，也可采用聚合物淬火介質代替水冷卻。

4 結語

2A12板材的熱處理操作看似簡單，但在生產過程中稍不注意就會造成制件整批報廢，需要嚴格按照工藝規范保證2A12板材熱處理質量長期穩定可靠。