取樣方式對(duì)航空鋁合金鍛件性能評(píng)價(jià)結(jié)果的影響

周小軍, 王宇鋒, 王 飛, 陳 來(lái), 田 進(jìn), 李 俊

[1.魏橋(蘇州)輕量化研究院有限公司, 蘇州 215132;2.航空工業(yè)貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司, 安順 561000;3.貴州新安航空機(jī)械有限責(zé)任公司, 安順 561000]

鋁合金已大量應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域[1-4]。目前,鋁合金在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量占比為70%～80%,在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量占比為40%～60%[5]。作為經(jīng)典的輕金屬材料,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),鋁合金仍將為航空航天領(lǐng)域最主要的結(jié)構(gòu)材料。鋁合金鍛件用量約占航空航天用鋁合金總量的15%,雖然所占比例不大,但鍛件都是承受大載荷、對(duì)力學(xué)性能要求高的關(guān)鍵部件[6]。由于用途特殊,大多數(shù)航空鋁合金鍛件都具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀異形的特點(diǎn),因此鋁合金鍛件不同部位及方向的力學(xué)性能存在較大差異。力學(xué)性能檢測(cè)試樣的取樣方式對(duì)評(píng)價(jià)鍛件的力學(xué)性能至關(guān)重要,取樣方式如果不合理就很可能對(duì)鍛件性能判定結(jié)果造成嚴(yán)重偏差[7]。擠壓或冷拉(軋)產(chǎn)品有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的切取部位和方向進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定,鍛件的取樣方式通常由用戶和供方協(xié)商確定。

筆者以7055鋁合金飛機(jī)輪轂鍛件為例,檢測(cè)了輪轂底部不同取樣位置、不同取樣方向、不同規(guī)格試樣的室溫力學(xué)性能,結(jié)合輪轂鍛件毛坯、零件圖以及鍛件毛坯的鍛造流線,分析了各種取樣方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,最后探討了航空鋁合金鍛件拉伸試樣取樣方式的依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料為7055鋁合金,主要化學(xué)成分為Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu,具體成分見(jiàn)GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》。鍛造設(shè)備為3 000 t四柱油壓機(jī),熱處理爐為DL09-1208型淬火爐和DL09-1198型時(shí)效爐。力學(xué)性能檢測(cè)設(shè)備為XD-120A型拉伸試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

選用規(guī)格為160 mm×455 mm(直徑×長(zhǎng)度)的7055鋁合金擠壓棒材進(jìn)行試驗(yàn),采用胎膜鍛造方式在3 000 t液壓機(jī)上分兩道次將棒材鍛壓成輪轂毛坯,鍛造溫度為(440±10) ℃;對(duì)鍛造毛坯進(jìn)行粗車和去掉飛邊后,再對(duì)其進(jìn)行熱處理,熱處理采用雙級(jí)固溶(450 ℃/3 h+475 ℃/3 h)和雙級(jí)時(shí)效制度(120 ℃/8 h+160 ℃/24 h);熱處理結(jié)束后在輪轂上切取力學(xué)試樣,根據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》制備標(biāo)準(zhǔn)試樣,在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)試樣的力學(xué)性能;另外切取輪轂截面,將其打磨并拋光后,用溫度為80 ℃,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液腐蝕試樣15 min,觀察輪轂毛坯的鍛造流線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 航空鋁合金鍛件取樣方式

對(duì)力學(xué)性能檢測(cè)試樣的取樣方式進(jìn)行規(guī)定是合理評(píng)價(jià)零件或材料性能的基礎(chǔ)。管材、棒材和型材都屬于基礎(chǔ)原材料, GB/T 16865—2013 《變形鋁、鎂及其合金加工制品 拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》和GB/T 2975—2018 《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》中已對(duì)力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。擠壓材取樣位置如圖1所示,通常只規(guī)定擠壓材的縱向性能,且截面為相對(duì)規(guī)則的形狀,因此取樣位置都在相應(yīng)的幾何對(duì)稱部位。對(duì)于鍛件,很難在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定毛坯的取樣位置[8],而且鍛件有其特殊性,難以標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 擠壓材取樣位置示意

對(duì)于鍛件,尤其是模鍛件,在鍛造方案的制定過(guò)程中,會(huì)根據(jù)零件形狀、尺寸規(guī)格設(shè)計(jì)其模具和鍛造工序,讓金屬的變形流線與零件負(fù)載情況相契合,因此鍛件的力學(xué)性能可能處處不相同。沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模鍛件的取樣方式,通常是用戶與鍛件提供方協(xié)商確定取樣位置。然而,必須要依據(jù)一定的原則確定取樣方式[9]。某新型直升機(jī)鋁合金輪轂鍛件毛坯實(shí)物和剖面如圖2所示,圖2中1,2,3位置為力學(xué)性能檢測(cè)試樣位置,分別為輪轂外緣切向、輪轂壁高方向、輪轂底部徑向。在飛機(jī)滑跑過(guò)程中或者剎車時(shí),飛機(jī)機(jī)輪外緣會(huì)受到地面切向的摩擦力,此時(shí)要確認(rèn)機(jī)輪受切向載荷時(shí)的服役情況,由此確定取樣位置1;機(jī)輪輪轂外緣有一定錐度,機(jī)輪在服役過(guò)程中有向外壓出的趨勢(shì),輪轂軸向受拉力作用,確定了取樣位置2;當(dāng)飛機(jī)垂直起降或者靜止時(shí),以地面為切面,機(jī)輪受到指向圓心的力,此時(shí)要確認(rèn)機(jī)輪徑向負(fù)載情況[10],所以確定取樣位置3。

圖2 某新型直升機(jī)鋁合金輪轂鍛件毛坯實(shí)物和剖面示意

經(jīng)過(guò)以上分析可知,航空鋁合金鍛件取樣的依據(jù)是零件在服役過(guò)程中的受力情況。只有根據(jù)服役實(shí)際工況條件確定取樣位置,才能合理考察鍛件的性能。

2.2 取樣方向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響

輪轂鍛坯底部徑向不同取樣方向如圖3所示,其中位置a指向圓心,為標(biāo)準(zhǔn)徑向,位置b到位置d依次偏離徑向。不同取樣方向試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知:不同取樣方向的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求,這是由于7055鋁合金具有高強(qiáng)、高韌性能[11];斷后伸長(zhǎng)率變化很大,位置a的斷后伸長(zhǎng)率為7.8%,從位置b到位置d的斷后伸長(zhǎng)率依次降低,位置d的斷后伸長(zhǎng)率為3.0%,位置c和d的斷后伸長(zhǎng)率均小于技術(shù)要求。

圖3 輪轂鍛坯底部徑向不同取樣方向示意

表1 不同取樣方向試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)鍛件來(lái)說(shuō),斷后伸長(zhǎng)率與鍛造變形方式密切相關(guān),與金屬鍛造流線有關(guān),平行流線(順流線)方向的斷后伸長(zhǎng)率最大,垂直流線方向的斷后伸長(zhǎng)率最小。YS-T479—2005 《一般工業(yè)用鋁合金鍛件》和GJB 2351—1995 《航空航天用鋁合金鍛件規(guī)范》中規(guī)定的順流線方向與非順流線方向的斷后伸長(zhǎng)率相差最大可以達(dá)到85%。輪轂底部的流線為放射狀,試樣a與流線完全平行,試樣b與流線形成一定角度,從c到d,試樣與鍛造流線的角度越來(lái)越大。因此,試樣a對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率最大,由b到d依次減小。美國(guó)航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,試樣軸線與鍛造流線的夾角不能超過(guò)15°。綜合分析可知,圖3中取樣位置a滿足正確的徑向取樣規(guī)則,其余位置均不符合要求,檢測(cè)結(jié)果也不能正確反映機(jī)輪輪轂鍛坯徑向的性能。

2.3 取樣位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

輪轂毛坯橫截面如圖4所示,e、f、g、h是輪轂橫截面上4個(gè)不同取樣部位,e靠近鍛坯表面,g基本在截面的幾何位置,f和h位于幾何中心兩側(cè)。表2為上述4個(gè)部位的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由表2可知:位置e的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率都是最小的,且斷后伸長(zhǎng)率小于技術(shù)要求,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也剛好滿足技術(shù)要求;位置f和h的力學(xué)性能相當(dāng),位置g的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略低于f和h位置,但完全滿足技術(shù)要求。

圖4 輪轂毛坯橫截面示意

表2 不同取樣位置的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由于位置e試樣貼近鍛件表面,胎膜鍛造過(guò)程中鍛件表面與模具接觸, 在二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有很大的摩擦力,使局部溫度過(guò)高,導(dǎo)致鍛坯表面有一定程度的組織損傷(晶粒粗大、毛邊裂紋等)。另外,在熱處理過(guò)程中,零件表面因?yàn)榫植繙囟冗^(guò)高會(huì)形成一層淺表層過(guò)燒組織,該組織可以成為裂紋源,導(dǎo)致零件性能下降。因此,貼近鍛件表面位置e的性能最差。由于位置f和h遠(yuǎn)離鍛坯表面,同時(shí)所在位置變形量足夠大、變形充分,且鍛造流線順暢,因此該位置的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都符合要求。雖然位置g性能不是最好的,但作為對(duì)輪轂鍛坯性能的合理評(píng)價(jià),力學(xué)性能試樣切取位置g是最合適的,一方面,位置g在輪轂零件精確尺寸的幾何中心,最能真實(shí)反映最終零件的性能,另外,根據(jù)GB/T 16865—2013規(guī)定,鍛件力學(xué)性能試樣的切取位置為厚度最大處 。

2.4 拉伸試樣規(guī)格對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

7055鋁合金輪轂鍛坯實(shí)物和流線如圖5所示,圖中i、j、k是截面上不同規(guī)格的3根試樣所在位置。表3為3個(gè)不同規(guī)格試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由表3可知:標(biāo)距為30 mm和40 mm拉伸試樣的力學(xué)性能相當(dāng),斷后伸長(zhǎng)率分別為11.5%和12.5%,而標(biāo)距為50 mm的拉伸試樣斷后伸長(zhǎng)率只有3.0%,且k號(hào)試樣斷裂的位置在標(biāo)點(diǎn)處。

圖5 7055鋁合金輪轂鍛坯實(shí)物和流線示意

表3 3個(gè)不同規(guī)格試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

通常情況下,拉伸試樣只需要滿足標(biāo)距是標(biāo)距段直徑的5倍,試樣規(guī)格不會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果,即試樣規(guī)格越大,避開(kāi)微小缺陷(夾雜、渦流等)的機(jī)會(huì)就越小,可以采集到更多零件本體材料組織,更能全面真實(shí)反映零件的性能。然而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件,切取試樣時(shí)不能穿越鍛造流線交接區(qū)或者流線方向改變區(qū)。

3 結(jié)論

(1) 在底部徑向位置取樣,方向指向圓心為標(biāo)準(zhǔn)徑向,該試樣的綜合性能最好,抗拉強(qiáng)度為576 MPa,屈服強(qiáng)度為539 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為7.8%。偏離標(biāo)準(zhǔn)徑向越多,試樣軸線與鍛造流線夾角越大,斷后伸長(zhǎng)率越小,偏離到一定程度后,斷后伸長(zhǎng)率小于技術(shù)要求。

(2) 當(dāng)拉伸試樣的切取位置太貼近鍛坯表面時(shí),該試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率均偏低,得到的檢測(cè)結(jié)果不能用來(lái)評(píng)估鍛件的真實(shí)性能。當(dāng)試樣的切取位置在變形良好區(qū)域,但又沒(méi)完全在鍛坯幾何中心時(shí),所檢測(cè)結(jié)果也不能如實(shí)反映零件的性能。

(3) 在相同的徑向位置取樣時(shí),當(dāng)拉伸試樣不穿過(guò)鍛造流線交接區(qū)時(shí),不同規(guī)格試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果并無(wú)差異,標(biāo)距為30 mm和40 mm試樣的斷后伸長(zhǎng)率分別為11.5%和12.5%,當(dāng)試樣截取位置穿過(guò)兩個(gè)方向鍛造流線交接區(qū)時(shí),斷后伸長(zhǎng)率明顯減小,標(biāo)距為50 mm試樣的斷后伸長(zhǎng)率為3.0%,且斷裂位置在標(biāo)點(diǎn)處。