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        5A90合金板材空氣爐中間退火工藝研究

        2023-11-02 07:20:14耿麗博毛雪晶
        鋁加工 2023年5期
        關(guān)鍵詞:板材力學(xué)性能合金

        耿麗博,毛雪晶,羅 鹍,游 文

        (西南鋁業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,重慶 401326)

        0 前言

        5A90 鋁鋰合金為作為典型的Al-Mg-Li 系鋁合金,是國產(chǎn)化密度最低的鋁合金[1-2]。同時該合金還具有高彈性模量、高比強度、高比剛度以及優(yōu)良的耐腐蝕性能,是在飛行器壁板、垂尾、承力桁條等關(guān)鍵零件中獲得了較為成熟的應(yīng)用,滿足了我國航空航天飛行器的輕量化需求[3]。5A90鋁鋰合金板材的生產(chǎn)工序繁雜,目前西南鋁5A90 合金板材生產(chǎn)時需多次進(jìn)行鹽浴中間淬火。鋁鋰合金材料在鹽浴爐中進(jìn)行熱處理時,鹽浴槽一旦超溫,就有發(fā)生爆炸的風(fēng)險,存在極大安全隱患。本文對5A90 板材空氣爐中間退火工藝進(jìn)行了研究,為5A90 鋁鋰合金的工業(yè)化生產(chǎn)提供更多工藝選擇。

        1 實驗材料及方法

        實驗材料為7.0 mm 厚度的5A90 合金板材,材料化學(xué)成分見表1。

        表1 5A90合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

        退火實驗在箱式空氣熱處理爐中進(jìn)行,工業(yè)規(guī)格退火試制則采用10 t 級空氣循環(huán)爐,退火后在1 650 mm軋機冷軋。實驗方案見表2。拉伸試樣的取樣方向均為板材縱向(L方向),每組至少3個平行試樣。

        表2 退火實驗方案

        2 實驗結(jié)果與討論

        2.1 退火溫度對力學(xué)性能的影響

        380~520 ℃退火溫度實驗具體力學(xué)性能如表3及圖1所示。隨著退火溫度的升高,材料的抗拉強度、屈服強度不斷降低,延伸率則先升高后降低,450~460 ℃退火時,綜合力學(xué)性能最佳。

        圖1 退火溫度對5A90板材力學(xué)性能的影響

        表3 不同退火溫度下的力學(xué)性能

        2.2 退火保溫時間對力學(xué)性能的影響

        退火保溫時間實驗具體力學(xué)性能結(jié)果見表4。50~70 min 保溫后,5A90 板材的力學(xué)性能相差很小,退火保溫70 min較佳。

        表4 不同退火保溫時間下的力學(xué)性能

        2.3 退火冷卻速度對力學(xué)性能的影響

        退火冷卻速度實驗力學(xué)性能如表5 及圖2 所示。隨爐緩冷的材料強度與延伸率隨冷卻速度的提高整體呈上升趨勢,快速空冷的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于隨爐緩冷。5A90 合金板材空氣爐退火的最佳冷卻方式為直接出爐快速空冷。

        圖2 退火冷卻速度對5A90板材力學(xué)性能的影響

        表5 不同退火冷卻速度下的力學(xué)性能

        材料的加工塑性與合金成分和中間退火有關(guān)。合金成分方面,5A90因高Li、高M(jìn)g含量造成塑性較差。退火工藝方面,溫度和冷卻速度會影響析出相的種類、尺寸大小及體積分?jǐn)?shù),5A90 合金退火過程會析出大尺寸、大體積分?jǐn)?shù)的脆性S(Al2Mg-Li)相和大量Al3Li 相,以及Al3Li/Al3Zr 的復(fù)合相,脆性S相會嚴(yán)重降低塑性。因此5A90 合金退火要選擇合適的退火溫度和冷卻速度,盡量減少脆性相的析出,包括限制脆性相的體積分?jǐn)?shù)和尺寸大小[4]。

        2.4 顯微組織分析

        對空氣爐退火后的5A90 板材進(jìn)行顯微組織分析,結(jié)果表明,5A90 板材表層形成一層發(fā)灰的、與基體有清晰界限的組織(圖3),而原始熱軋板上并沒有該層組織。能譜分析(圖4)發(fā)現(xiàn)該層組織與其他區(qū)域相比Mg 含量減少,表明其Li 含量同樣減少,即板材表面形成了脫鋰層[5]。

        圖3 退火后5A90板材的金相組織

        圖4 5A90空氣爐退火板材能譜分析結(jié)果

        表6 顯示了不同退火冷卻速度下5A90 板材的脫鋰層檢測結(jié)果。5A90 合金板材空氣爐退火不同冷卻速度下,脫鋰層有差異??焖倏绽涞拿撲噷雍穸燃s為35~55 μm,而不同冷卻速度隨爐緩冷的板材的脫鋰層厚度相當(dāng),均大于快速空冷。

        表6 退火冷卻速度實驗脫鋰層檢測結(jié)果

        2.5 脫鋰層的形成及影響

        取空氣爐退火后的板材試樣進(jìn)行薄膜XRD 檢測,結(jié)果見圖5。經(jīng)物相PDF 卡片庫比對分析,表面白色物質(zhì)為LiH。證明400~500 ℃加熱時,5A90 合金中的Li 由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域逸散,表層的Li 與空氣中的H2O、H2反應(yīng)生成LiH 附著在板材表面[6],反應(yīng)又會促進(jìn)Li 的逸出,板材表層就形成了少Li的脫鋰層組織。處于高溫環(huán)境下時間越長脫鋰層越厚。

        圖5 表面薄膜XRD檢測結(jié)果

        為驗證上述脫鋰層組織對板材的影響,將7.0 mm 5A90 合金熱軋板進(jìn)行空氣爐退火工業(yè)化試制,圖6、圖7為空氣爐退火、冷軋后的3.0 mm、1.0 mm厚度的5A90 板材顯微組織。結(jié)合表7 力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn),空氣爐退火試制的不同厚度5A90 板材力學(xué)性能均滿足國軍標(biāo),且有一定富余量。同個厚度規(guī)格的板材脫鋰層厚度有所差異。脫鋰層厚度相等時,板材的力學(xué)性能也高低不一。這表明了脫鋰層與板材力學(xué)性能的相關(guān)性較小。5A90 合金板材力學(xué)性能的差異可能主要受到軋制變形量、熱處理強化相析出、加工硬化效應(yīng)等的影響[7-8]。

        圖6 空氣爐退火試制的3.0 mm厚度板材金相組織

        圖7 空氣爐退火試制的1.0 mm厚度板材金相組織

        表7 所試制的5A90-T6板材力學(xué)性能與脫鋰層厚度

        3 結(jié)論

        (1)對于5A90鋁鋰合金熱軋板,空氣爐退火工藝為450~460 ℃,保溫70 min,出爐快速空冷時,可獲得最佳綜合力學(xué)性能。

        (2)空氣爐退火的5A90板材表面存在一層發(fā)灰的、與基體組織界限清晰的組織,厚度為微米級別,經(jīng)檢測為脫鋰層組織。

        (3)脫鋰層組織對力學(xué)性能的影響較小。

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