金 熌 ，岳玉瑩 ，何志峰，付強紅，陳明偉 ，王 瑞

(1.海寧紅獅寶盛科技有限公司，浙江 海寧 314400； 2.浙江清華柔性電子技術(shù)研究院，浙江 嘉興 314000)

航空結(jié)構(gòu)件鋁合金主要用于制作各種高負荷的零件和構(gòu)件，如飛機上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼肋、翼梁和鉚釘?shù)?50 ℃以下工作的零件。2024鋁合金是一種高強度硬鋁，屬于Al-Cu-Mg系鋁合金，可進行熱處理強化，在淬火狀態(tài)下塑性中等，點焊焊接性良好，氣焊時有形成晶間裂紋的傾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低、抗腐蝕性不高，常采用陽極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力[1]。

目前有關(guān)航空結(jié)構(gòu)件的研究主要為鈦合金、鎳合金和合金鋼等耐高溫、耐磨、高強度的材料，對鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的研究較少。制定航空鋁合金熱處理工藝參照的技術(shù)標準為美國機動車工程師學會[2](SAE)技術(shù)團隊編制的AMS 2770和Paul J Garcia[3]編制的RPS 12.31，高溫測量工藝參照SAE編制的AMS 2750[4]。常用的鋁合金航空結(jié)構(gòu)件熱處理工藝為：固溶+(低溫冷藏)+自然時效/低溫時效，低溫冷藏(-18 ℃)是為了保持鋁合金在固溶處理后形成的一種不穩(wěn)定狀態(tài)(AQ態(tài))，延緩鋁合金時效硬化，便于矯正鋁合金零件因固溶處理時快速冷卻導致的形狀和尺寸變化。熱處理后不同狀態(tài)的鋁合金材料具有不同的性能，2024鋁合金T6狀態(tài)硬度能達到72 HRB，電導率能達到34～44%IACS；2024鋁合金T8狀態(tài)硬度能達到74 HRB，電導率能達到35～42.5%IACS[5-6]。在鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中，常把零件的硬度和電導率作為零件質(zhì)量檢驗的指標，對零件的其他力學性能和腐蝕性能，特別是晶間腐蝕不作質(zhì)量管控要求。鋁合金的晶間腐蝕能導致航空結(jié)構(gòu)件的失效，對飛機的安全運行存在較大隱患。通過研究鋁合金航空結(jié)構(gòu)件在不同熱處理工藝中的力學性能和腐蝕性能，對指導鋁合金航空結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝、零件裝掛方式和淬火液的選擇具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為不同狀態(tài)2024鋁合金，固溶時效處理后材料為T6和T8態(tài)，見表1。固溶熱處理爐采用高架底開門，淬火水槽地面行走式結(jié)構(gòu)，時效采用臺車式熱處理爐，按AMS 2750F、HB 5425等相關(guān)標準配置設(shè)計、制造、驗收，如圖1所示。

表1 試驗材料Table 1 Test materials

(a)固溶爐；(b)時效爐圖1 試驗設(shè)備(a) solid solution furnace; (b) aging furnaceFig.1 Test equipment

1.2 試驗方法

將T0、T3態(tài)2024鋁合金分別加工成9個尺寸大小為250 mm×30 mm×1.6 mm的試樣，捆綁固定在熱處理料框的端點和中心處，各位置的試樣依次標記為1#、2#、3#…9#，如圖2所示，然后進行相應(yīng)熱處理[7-8]。具體熱處理工藝見表2。

圖2 試樣放置位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen placement position

表2 熱處理工藝Table 2 Heat treatment process

熱處理后依據(jù)ASTM E8對試樣進行力學性能和晶間腐蝕測試。晶間腐蝕測試要求為[6,9]：

1)在進行腐蝕測試前，每個試樣均在94 ℃的腐蝕溶液中浸泡1 min，以產(chǎn)生均勻的表面條件。腐蝕溶液配比為：50 ml硝酸(70%)、5 ml氫氟酸(48%)和945 ml蒸餾水或去離子水。

2)腐蝕處理后的試樣用蒸餾水或去離子水沖洗，室溫下在70%濃硝酸中浸泡1 min，清除可能在試樣上的鍍銅，然后用蒸餾水或去離子水沖洗，干燥。試樣應(yīng)浸泡在每平方英寸表面積至少30 ml的溶液中進行腐蝕。腐蝕溶液溫度為30±5 ℃，配比為:57 g氯化鈉、10 ml過氧化氫(30%)，然后采用蒸餾水或去離子水稀釋至1 L。

3)浸泡結(jié)束后，將試樣取出進行清洗和干燥，再放入配比為：2.5 ml硝酸(70%)、1.5 ml濃縮鹽酸、1.0 ml氫氟酸(48%)和95 ml蒸餾水或去離子水的腐蝕液中浸泡6～20 s。采用金相顯微鏡進行組織觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學性能

對不同位置的T6態(tài)試樣(水冷卻)和T8態(tài)試樣進行力學性能測試，結(jié)果見表3，T6態(tài)和T8態(tài)試樣的力學性能對比曲線圖如圖3所示。

表3 T6態(tài)和T8態(tài)試樣力學性能Table 3 Mechanical propertiesof T6 and T8state samples

對比分析發(fā)現(xiàn)，T6態(tài)和T8態(tài)試樣的抗拉強度均在69 Ksi左右，5#試樣的抗拉強度最小；T6態(tài)和T8態(tài)試樣的屈服強度分別為56 Ksi和63 Ksi左右，5#試樣的屈服強度最??；T6態(tài)和T8態(tài)試樣的延伸率分別約為10%和8%，T6態(tài)延伸率稍高于T8態(tài)延伸率，說明T6態(tài)塑性比T8態(tài)塑性要好。

試驗所用的固溶和時效熱處理爐溫度均勻性控制在±3 ℃，熱處理爐的溫度均勻性良好。但在溫度均勻性測試報告中固溶和時效熱處理爐的溫度最低點均出現(xiàn)在5#位置，該結(jié)果正好與T6態(tài)和T8態(tài)試樣力學性能最低點均出現(xiàn)在5#位置一致。T6態(tài)試樣采用固溶+自然時效+人工時效工藝，T8態(tài)試樣采用固溶+冷加工變形+自然時效+人工時效工藝，由于熱處理工藝相同，所以T6態(tài)和T8態(tài)試樣的抗拉強度接近；但T8態(tài)試樣增加了冷加工變形工序，會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象[10]，從而使T8態(tài)試樣的屈服強度高于T6態(tài)、塑性低于T6態(tài)。

圖3 T6態(tài)和T8態(tài)試樣強度和延伸率對比圖Fig.3 Comparison of strength and elongation of T6 and T8 state samples

2.2 腐蝕性能

將T6態(tài)(水冷卻)、T6態(tài)(聚合物冷卻)和T8態(tài)的5#試樣進行腐蝕性能分析對比，結(jié)果如圖4、5所示。

表4 5#試樣腐蝕數(shù)據(jù)對比表Table 4 Comparison tableof corrosiondata for 5# samples

從表4可以看出，試樣的最大晶間腐蝕深度依次為T6態(tài)(水冷卻)>T8態(tài)>T6態(tài)(聚合物冷卻)，晶間腐蝕區(qū)域面積比例依次為T8態(tài)>T6態(tài)(水冷卻)>T6態(tài)(聚合物冷卻)，T6態(tài)(聚合物冷卻)試樣的腐蝕性能最好。T6態(tài)(聚合物冷卻)試樣在固溶處理淬火過程中使用15%濃度的乙二醇聚合物淬火液，相比水冷卻，乙二醇淬火液的冷卻系數(shù)較高，冷卻效果和速率比水強。由于鋁合金高溫固溶后，在越最短的時間內(nèi)冷卻淬火，淬火液冷卻系數(shù)[11-12]越高，晶間腐蝕敏感性越低[13-15]，耐腐蝕性能表現(xiàn)越好，即聚合物冷卻的T6態(tài)試樣晶間腐蝕深度和腐蝕區(qū)域比例最低。

(a,b)T6態(tài)(水冷卻)；(c,d)T6態(tài)(聚合物冷卻)；(e,f)T8態(tài)圖4 5#試樣的腐蝕深度(a,b)T6 state (water cooling)；(c,d)T6 state (polymer cooling)；(e,f)T8 stateFig.4 Corrosion depth of 5# sample

(a)T6態(tài)(水冷卻)；(b)T8態(tài)；(c)T6態(tài)(聚合物冷卻)圖5 5#試樣的晶間腐蝕區(qū)域面積比例圖(a)T6 state (water cooling);(b)T8 state;(c)T6 state (polymer cooling)Fig.5 Area ratio of intergranular corrosion area of 5# sample

3 結(jié)論

1)2024鋁合金固溶時效處理時，爐膛中間位置處試樣的力學性能最低，T6態(tài)和T8態(tài)的試樣抗拉強度接近，但T8態(tài)試樣的的屈服強度高于T6態(tài)、塑性低于T6態(tài)。

2)2024鋁合金固溶冷卻淬火時，乙二醇聚合物淬火試樣的抗晶間腐蝕性能比水冷卻淬火試樣的強，T6態(tài)聚合物冷卻試樣的晶間腐蝕不明顯。