7B04鋁合金特殊用途板材的熱處理技術(shù)研究

劉世雷，陳 雷，劉洪雷，袁丹丹，臧家吉，張祥斌

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的部件性能要求越來(lái)越高，飛機(jī)零件生產(chǎn)向著整體化、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展。國(guó)外研制的蠕變時(shí)效成型技術(shù)就是針對(duì)上述要求開(kāi)發(fā)的一種新的材料成型方法。飛機(jī)的整體壁板就是用蠕變時(shí)效成型方法生產(chǎn)的受力構(gòu)件。它是將傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的骨架結(jié)構(gòu)、連接單元和蒙皮制成一體，具有結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、整體集成化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展的需要[1]。

蠕變時(shí)效成型是指在人工時(shí)效的同時(shí)，給一個(gè)低于鋁合金屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，使其發(fā)生一定變形的金屬成型加工方法。將鋁合金在彈性應(yīng)力作用下加熱到一定溫度(人工時(shí)效溫度)進(jìn)行蠕變，從而得到具有一定形狀的整體結(jié)構(gòu)件，同時(shí)得到所需的性能[2]。此技術(shù)被歐美等國(guó)家應(yīng)用于機(jī)翼翼面等重要部件的成型。開(kāi)展該項(xiàng)目的研究，可以使我國(guó)掌握同類鋁合金先進(jìn)成型技術(shù)[3]。

本次試驗(yàn)主要根據(jù)蠕變成型工藝對(duì)材料性能的要求，對(duì)7B04鋁合金熱軋態(tài)板材進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效工藝研究，并通過(guò)力學(xué)性能、電導(dǎo)率和微觀組織結(jié)構(gòu)觀察，獲得最佳時(shí)效工藝，為后期蠕變成型材料提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以7B04鋁合金熱軋板作為預(yù)時(shí)效的研究對(duì)象，板材厚度為50 mm，化學(xué)成分如表1所示。蠕變成型要求狀態(tài)為T(mén)7451，抗拉強(qiáng)度為490 MPa～560 MPa，屈服強(qiáng)度為420 MPa～500 MPa，伸長(zhǎng)率不小于7%，電導(dǎo)率不小于20.88 MS/m。

表1 7B04鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 7B04 aluminum alloy(wt/%)

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)7B04鋁合金熱軋板進(jìn)行470 ℃60 min固溶處理，室溫水冷卻。根據(jù)7B04鋁合金蠕變成型性能需要，進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效，研究不同時(shí)效工藝對(duì)合金組織和性能的影響。時(shí)效工藝參數(shù)如表2所示[4]。

表2 時(shí)效工藝參數(shù)Table 2 Ageing process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直接二級(jí)時(shí)效和停放3h后再二級(jí)時(shí)效對(duì)7B04鋁合金性能的影響

1)直接二級(jí)時(shí)效

合金經(jīng)第一級(jí)120 ℃8 h時(shí)效后分別直接升溫至160 ℃和180 ℃進(jìn)行第二級(jí)時(shí)效處理，其力學(xué)性能隨第二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。電導(dǎo)率隨第二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。由圖1中可知，當(dāng)?shù)诙?jí)時(shí)效溫度為160 ℃時(shí)，在10 h～19 h時(shí)效時(shí)間內(nèi)，合金的屈服強(qiáng)度超過(guò)了420 MPa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)540 MPa；當(dāng)?shù)诙?jí)時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)，在相同的二級(jí)時(shí)效時(shí)間內(nèi)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比第二級(jí)時(shí)效溫度為160 ℃的低，但伸長(zhǎng)率較高。由此可見(jiàn)，隨著二級(jí)時(shí)效溫度的升高，合金的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而塑性則有所提高，其性能結(jié)果均滿足蠕變時(shí)效成型后的力學(xué)性能要求。

圖1 直接二級(jí)時(shí)效后合金的力學(xué)性能隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Strength and elongation as a function of second-stage ageing time after continuous ageing

圖2 直接二級(jí)時(shí)效后合金的電導(dǎo)率隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化Fig.2 Conductivity as a function of second-stage ageing time after continuous ageing

由圖2可見(jiàn)，在相同時(shí)效時(shí)間內(nèi)，第二級(jí)時(shí)效溫度較高時(shí)，合金的電導(dǎo)率較高；當(dāng)?shù)诙?jí)時(shí)效溫度為160 ℃時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)?shù)诙?jí)時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，電導(dǎo)率先增加后下降，時(shí)效16 h電導(dǎo)率達(dá)到最大值23.71 MS/m。

由圖1和圖2可見(jiàn)，一級(jí)時(shí)效后直接進(jìn)行二級(jí)時(shí)效的情況下，隨著第二級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低，且第二級(jí)時(shí)效溫度為160 ℃與180 ℃的強(qiáng)度值隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)降低趨勢(shì)是相近的。

2)停放3 h后再二級(jí)時(shí)效

合金經(jīng)第一級(jí)時(shí)效后出爐空冷，冷卻至室溫后停放3 h，再分別進(jìn)行160 ℃和180 ℃第二級(jí)時(shí)效，其力學(xué)性能隨第二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化如圖3所示。電導(dǎo)率隨第二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化如圖4所示。

圖3 停放3 h進(jìn)行不同工藝二級(jí)時(shí)效后合金的力學(xué)性能Fig.3 Strength and elongation as a function of second-stage ageing time after segmented ageing(3 h in-between two stages and different parameters for two stages)

由圖3和圖4可知，隨著第二級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低，伸長(zhǎng)率略有提升，電導(dǎo)率單調(diào)升高。第二級(jí)時(shí)效溫度為180 ℃的試樣的伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率明顯高于時(shí)效溫度為160 ℃的。

圖4 停放3 h后再進(jìn)行二級(jí)時(shí)效后合金的電導(dǎo)率隨時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Conductivity as a function of second-stage ageing time after segmented ageing(3 h in-between two stages and different parameters for two stages)

綜上所述，兩種時(shí)效方式的第二級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)合金性能影響的規(guī)律是一致的。一級(jí)時(shí)效后直接二級(jí)時(shí)效的方式，第二級(jí)時(shí)效工藝為160 ℃10 h時(shí)，時(shí)效后合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，分別為457.7 MPa、568.5 MPa，電導(dǎo)率為21.0 MS/m；一級(jí)時(shí)效后室溫停放3 h再進(jìn)行二級(jí)時(shí)效，當(dāng)?shù)诙?jí)時(shí)效工藝為160 ℃10 h時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，分別為453.1 MPa、562.4 MPa，電導(dǎo)率為21.2 MS/m。由此可見(jiàn)，采用相同的二級(jí)時(shí)效工藝參數(shù)，與停放后再進(jìn)行二級(jí)時(shí)效相比，直接二級(jí)時(shí)效合金的強(qiáng)度略高，電導(dǎo)率略低。主要原因?yàn)?，在第一?jí)時(shí)效過(guò)程中，晶內(nèi)會(huì)析出大量的共格析出相粒子η′、η″相，并使基體的固溶度減小，晶格的畸變程度降低。停放后再二級(jí)時(shí)效較連續(xù)進(jìn)行二級(jí)時(shí)效，會(huì)增加一級(jí)時(shí)效降溫階段及二級(jí)時(shí)效升溫階段，該過(guò)程將促使晶內(nèi)相回熔，晶界相長(zhǎng)大，使共格析出相粒子減少[5]。

2.2 直接二級(jí)時(shí)效和停放3 h后二級(jí)時(shí)效對(duì)合金組織的影響

圖5為第二級(jí)時(shí)效工藝為160 ℃10 h時(shí)，兩種二級(jí)時(shí)效方式的試樣經(jīng)過(guò)腐蝕后放大1 000倍的金相顯微組織照片。

圖5 第二級(jí)時(shí)效工藝為160 ℃10 h時(shí)合金的金相組織照片F(xiàn)ig.5 Metallographic photographs of the alloy after the continuous and segmented second-stage ageing at 160 ℃ for 10 h

圖6為第二級(jí)時(shí)效為160 ℃10 h時(shí)，兩種時(shí)效方式的試樣的掃描電鏡照片。通過(guò)組織觀察，兩種時(shí)效方式的組織的差別不明顯。

3 結(jié) 論

1)采用470 ℃60 min固溶處理，室溫水冷卻，120 ℃8 h+160 ℃(16 h～19)h雙級(jí)時(shí)效工藝，均可滿足7B04-T7451鋁合金蠕變成型性能的要求。

2)一級(jí)時(shí)效后直接進(jìn)行二級(jí)時(shí)效和一級(jí)時(shí)效后冷卻到室溫停放3h再進(jìn)行二級(jí)時(shí)效，兩種時(shí)效方式時(shí)效后7B04鋁合金的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、電導(dǎo)率基本一致。

3)雙級(jí)時(shí)效工藝為120 ℃8 h+160 ℃10 h時(shí)，直接二級(jí)時(shí)效和停放后再二級(jí)時(shí)效的7B04鋁合金的強(qiáng)度均最高，且前者的強(qiáng)度略高于后者的，電導(dǎo)率則略低于后者的。