淬火介質(zhì)參數(shù)對(duì)鋁合金板材殘余應(yīng)力水平的影響研究

孫 鵬，任 凱，劉一天

（隆達(dá)鋁業(yè)（武漢）有限公司，湖北 武漢 430000）

鋁合金具有高比強(qiáng)度、高模量、高耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高端領(lǐng)域［1］。在變形鋁合金制備加工過(guò)程中，淬火過(guò)程是十分重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，其可以形成過(guò)飽和固溶體，從而在后續(xù)的時(shí)效熱處理過(guò)程中充分沉淀析出，實(shí)現(xiàn)較高的綜合性能。然而，為了形成理想的過(guò)飽和固溶體，通常需要較高的淬火強(qiáng)度，導(dǎo)致淬火后形成較高的殘余應(yīng)力水平［2］。

淬火參數(shù)會(huì)影響淬火殘余應(yīng)力的分布與水平，其中一個(gè)重要影響因素是淬火介質(zhì)，介質(zhì)種類、介質(zhì)溫度和介質(zhì)濃度等。常用的淬火介質(zhì)有水、PAG溶液、淬火油、鹽溶液等，ZHANG等對(duì)不同淬火介質(zhì)種類下的冷卻能力和表面殘余應(yīng)力進(jìn)行研究［3］，發(fā)現(xiàn)冷卻能力大小依次為鹽溶液、水、淬火油，油淬后的殘余應(yīng)力水平最低。最常用的淬火介質(zhì)是室溫水，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水溫獲得不同的冷卻速率，從而產(chǎn)生不同水平的淬火殘余應(yīng)力［4］。LIN等對(duì)不同水溫淬火表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了鉆孔法測(cè)試［5］，結(jié)果表明水溫從40℃升至80℃時(shí)7075鋁合金厚板殘余應(yīng)力水平降低了30%。PAG由于在水中具有逆溶性，可以有效地抑制高溫段的冷卻速率，達(dá)到降低殘余應(yīng)力水平的目的。申坤等采用鉆孔法和X射線衍射法對(duì)2A12鋁合金表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試［6］，結(jié)果顯示PAG溶液淬火后殘余應(yīng)力明顯降低。Jeanmart等在研究70 mm厚度7075鋁合金厚板的厚向應(yīng)力分布時(shí)［7］，發(fā)現(xiàn)采用80℃水淬時(shí)表面和心部應(yīng)力消減率都達(dá)到60%。本文采用鉆孔法測(cè)試不同淬火介質(zhì)、不同水溫以及不同濃度PAG溶液的淬火殘余應(yīng)力，分析淬火介質(zhì)對(duì)殘余應(yīng)力水平與分布的影響規(guī)律，為淬火介質(zhì)的選擇提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

采用鋁合金板材固溶制度為470～475℃/2 h，所有試驗(yàn)組均采用浸入式淬火。在浸入式淬火過(guò)程中，為保證過(guò)程穩(wěn)定、可控及可重復(fù)，轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)不超過(guò)3 s，淬火過(guò)程無(wú)任何攪拌與外界干擾，容器保持一致，冷卻水量充足，淬火結(jié)束溫升小于3℃。

淬火態(tài)殘余應(yīng)力測(cè)試采用鉆孔法，鉆孔法測(cè)試設(shè)備為濟(jì)南西格馬RSD1型殘余應(yīng)力鉆孔裝置和ASMB2-32型靜態(tài)應(yīng)變采集設(shè)備，用于應(yīng)變采集的三軸應(yīng)變花型號(hào)為BSF120-1.5CA-T，靈敏度1.08±0.5%，阻值120±0.5Ω，鉆孔法測(cè)試設(shè)備主要包括靜態(tài)應(yīng)變采集設(shè)備和鉆孔設(shè)備。

為提高鉆孔法測(cè)試精確度，降低測(cè)試誤差影響，需規(guī)范鉆孔法測(cè)試過(guò)程操作，如下：（1）使用600＃砂紙打磨試樣表面，打磨后用酒精與脫脂棉清洗表面，保證待測(cè)表面的光潔度；（2）在應(yīng)變花底面均勻涂抹膠水，粘貼時(shí)輕輕擠壓應(yīng)變花，使應(yīng)變花與試樣表面充分且均勻接觸，凝固后在應(yīng)變花外側(cè)粘貼屏蔽固定圈，將應(yīng)變花引出線與屏蔽導(dǎo)線焊接在固定圈上，再將導(dǎo)線連接至靜態(tài)應(yīng)變采集儀，最后將補(bǔ)償試樣連接補(bǔ)償通道，打開應(yīng)變儀，觀察應(yīng)變示數(shù)是否存在異常與波動(dòng)；（3）采用顯微鏡對(duì)中應(yīng)變花中心孔，之后固定鉆具。鉆孔前采用Φ1.5 mm的端銑刀銑去應(yīng)變花中心區(qū)域。通過(guò)2 mm墊片確定深度定位圈位置，先用Φ1 mm麻花鉆鉆孔，后用Φ1.5 mm麻花鉆擴(kuò)孔，最后待應(yīng)變示數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)；（4）拆卸鉆具，通過(guò)孔深和對(duì)中度判斷測(cè)試結(jié)果的有效性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水溫對(duì)淬火殘余應(yīng)力的影響

不同水溫下表面淬火殘余應(yīng)力如圖1所示，可以看出隨著水溫的升高，表面淬火殘余應(yīng)力逐漸降低，水溫低于60℃時(shí)緩慢降低，之后迅速降低。20、40、60、80℃水淬的x向分應(yīng)力（長(zhǎng)向）分別為-172.5、-158.1、-132.6、-69.8 MPa，y向分應(yīng)力（寬向）分別為-198.8、-176.6、-150.0、-80.3 MPa，x向分應(yīng)力略低于y向分應(yīng)力。不同水溫下表面殘余應(yīng)力降低比例見(jiàn)表1，由表1可知，相對(duì)于20℃水淬應(yīng)力，40、60、80℃水淬的x向分應(yīng)力分別下降8.4%、23.1%和59.5%，y向分應(yīng)力分別下降11.2%、23.6%和59.6%。

表1 不同水溫下表面殘余應(yīng)力降低比例

圖1 不同水溫下表面淬火殘余應(yīng)力

2.2 PAG溶液濃度對(duì)淬火殘余應(yīng)力的影響

不同PAG濃度下表面淬火殘余應(yīng)力如圖2所示，可以看出隨著PAG濃度的升高，表面淬火殘余應(yīng)力逐漸降低，濃度低于5%時(shí)迅速降低，之后緩慢降低。5%、10%和15%PAG溶液淬火的x向分應(yīng)力分別為-97.2、-79.0、-46.7 MPa，y向分應(yīng)力分別為-126.1、-98.4、-80.7 MPa。不同PAG濃度下表面殘余應(yīng)力降低比例見(jiàn)表2，由表2可知，相對(duì)于20°C水淬應(yīng)力，5%、10%和15%PAG濃度下的x向應(yīng)力分別下降43.7%、53.2%和72.9%，y向應(yīng)力分別下降36.6%、50.5%和59.4%。

表2 不同PAG濃度下表面殘余應(yīng)力降低比例 %

圖2 不同PAG濃度下表面淬火殘余應(yīng)力

2.3 介質(zhì)種類對(duì)淬火殘余應(yīng)力的影響

不同淬火介質(zhì)下表面淬火殘余應(yīng)力如圖3所示，10%NaCl＋KNO3溶液淬火的x向和y向分應(yīng)力分別為-196.0 MPa和-239.9 MPa，可以看出不同淬火介質(zhì)的淬火強(qiáng)度順序?yàn)椋?0%NaCl＋KNO3溶液＞20℃水＞5%PAG溶液。不同淬火介質(zhì)下表面殘余應(yīng)力降低比例見(jiàn)表3，由表3可知，相對(duì)于20℃水淬應(yīng)力，鹽溶液淬火的x向和y向分應(yīng)力分別上升13.6%和20.7%，5%PAG溶液淬火的x向和y向分應(yīng)力分別下降43.7%和36.6%。

表3 不同淬火介質(zhì)下表面殘余應(yīng)力降低比例%

圖3 不同淬火介質(zhì)下表面淬火殘余應(yīng)力

3 討論

調(diào)控殘余應(yīng)力的主要方式是改變表面換熱系數(shù)，表面換熱系數(shù)的調(diào)節(jié)可通過(guò)改變淬火介質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。上述不同淬火介質(zhì)參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響主要是由于不同的淬火介質(zhì)參數(shù)具有不同的換熱能力，即換熱系數(shù)分布。為了更清晰地對(duì)淬火介質(zhì)參數(shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行討論，通過(guò)反算法計(jì)算獲得的不同淬火介質(zhì)參數(shù)下的換熱系數(shù)如圖4所示，由圖4可知，隨著水溫或PAG濃度的升高，換熱系數(shù)逐漸降低，較低的換熱能力有利于抑制殘余應(yīng)力水平，從而展現(xiàn)出圖1和圖2中殘余應(yīng)力隨水溫和PAG濃度的變化規(guī)律。

圖4 不同淬火介質(zhì)參數(shù)的換熱系數(shù)對(duì)比

通過(guò)圖4對(duì)比不同淬火介質(zhì)種類的換熱系數(shù)差異，首先是20℃水和鹽溶液的換熱系數(shù)對(duì)比，由圖4可知鹽溶液的換熱系數(shù)整體高于20℃水。這是由于高溫試樣附近的液體會(huì)急劇氣化并在試樣表面形成蒸汽膜，降低試樣的冷卻速率，而鹽溶液在形成蒸汽膜的同時(shí)還會(huì)從溶液中析出鹽晶體，其存在會(huì)導(dǎo)致蒸汽膜無(wú)法完整存在，增大試樣與冷卻介質(zhì)的接觸面積，從而提高冷卻能力。

由圖4中20℃水和15%PAG溶液的換熱系數(shù)對(duì)比可知，在膜態(tài)沸騰區(qū)PAG溶液的換熱能力高于20℃水，而在核態(tài)沸騰區(qū)PAG溶液的換熱能力遠(yuǎn)低于20℃水。在淬火過(guò)程中，當(dāng)試樣周圍的淬火液溫度升到PAG溶液的濁點(diǎn)后，PAG聚合物就會(huì)從溶液中脫溶形成細(xì)小的液珠。PAG聚合物的潤(rùn)濕性較好，脫溶析出的PAG液珠易于粘附在試樣表面形成PAG膜。在膜態(tài)沸騰區(qū)，試樣表面PAG膜代替蒸汽膜傳遞熱能，大幅度提高該階段換熱能力。在核態(tài)沸騰區(qū)，PAG膜會(huì)阻礙核態(tài)沸騰換熱過(guò)程，降低試樣表面換熱效率，達(dá)到抑制淬火殘余應(yīng)力的目的。不同程度的冷卻速率主要通過(guò)控制PAG膜的覆蓋率和厚度，這是通過(guò)控制PAG濃度實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

淬火介質(zhì)參數(shù)對(duì)淬火殘余應(yīng)力的影響規(guī)律為：隨著水溫的升高，淬火殘余應(yīng)力逐漸降低，與20℃水淬相比，80℃水淬后殘余應(yīng)力降低比例約60%；隨著PAG濃度的升高，淬火殘余應(yīng)力逐漸降低，與20℃水淬相比，15%PAG淬火后殘余應(yīng)力降低比例最大達(dá)72.9%；在各淬火介質(zhì)參數(shù)下7055鋁合金厚板淬火殘余應(yīng)力水平為10%NaCl＋KNO3溶液＞20℃水＞5%PAG溶液，其中10%NaCl＋KNO3溶液淬火后應(yīng)力水平較20℃水淬提升約20%。