雷越，郝敏，陳高紅，伊琳娜，臧金鑫

（1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2 北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

百年航空奮斗史，亦是百年鋁材開(kāi)發(fā)史。航空用鋁合金材料結(jié)構(gòu)件歷經(jīng)多代發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出合金牌號(hào)多樣化、制造工藝創(chuàng)新化、構(gòu)件尺寸大型化的趨勢(shì)。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，7050，7075，7055 等牌號(hào)鋁合金相繼從實(shí)驗(yàn)室探索、小批試制走向工業(yè)化量產(chǎn)，現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)飛機(jī)體系制造中。7B50-T7751 鋁合金作為近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的鋁合金材料，具有高強(qiáng)度、耐壓縮、耐腐蝕等良好的綜合性能，適用于制造承受壓縮載荷的主承力構(gòu)件如飛機(jī)機(jī)翼壁板、加強(qiáng)筋、起落架支撐部件等［1-2］。

在大規(guī)格構(gòu)件制造中，寬展的幅度勢(shì)必制約整體構(gòu)件的尺寸和規(guī)模。采用寬幅板材（寬度2.5～3 m）制造大規(guī)格構(gòu)件可通過(guò)機(jī)加工一體成型，避免焊接拼接過(guò)程中產(chǎn)生的焊縫和母材性能差異，在保障大規(guī)格構(gòu)件性能穩(wěn)定的同時(shí)，有效提高了生產(chǎn)效率。板材的較大寬幅通常由橫向軋制工藝實(shí)現(xiàn)，可能導(dǎo)致板寬中心位置與邊緣位置存在一定的組織和性能差異，橫向疲勞特性也會(huì)有所改變，因此，寬幅板材本身的不均勻性和疲勞性能需要重點(diǎn)關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了7B50-T7751 厚板不均勻性的報(bào)道，但僅局限于厚度方向的研究，而關(guān)于該合金較大寬幅板材的橫向疲勞性能則鮮有報(bào)道。7B50-T7751 厚板在熱軋過(guò)程中，如果使板材進(jìn)行充分回復(fù)、釋放變形儲(chǔ)能可在不同厚度位置保留變形織構(gòu)［3］，變形織構(gòu)有效提升了合金的力學(xué)性能，同時(shí)增加了各向異性。從板材表面到中心，大角度晶界所占比例逐漸增加，0°～10°小角度晶界所占比例下降［4］，黃銅Brass 織構(gòu)、S 織構(gòu)、立方織構(gòu)強(qiáng)度增加，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)降低，但中心易出現(xiàn)大尺寸再結(jié)晶晶粒［5］。晶粒內(nèi)部較粗大的第二相粒子沿L，LT，ST 向隨機(jī)分布［6］，提高回歸再時(shí)效（retrogression and re-aging，RRA）的回歸溫度或延長(zhǎng)回歸時(shí)間均會(huì)使中厚板心部及表層組織的晶內(nèi)和晶界析出相粗化并析出穩(wěn)定η-MgZn2相，而T7751 工藝并不能緩解 7B50 鋁合金厚板心部和表層的性能差異，僅可使表層和心部的強(qiáng)度、電導(dǎo)率滿足實(shí)際工況要求［7］。一些創(chuàng)新工藝?yán)缢募?jí)時(shí)效工藝［8］、非等溫時(shí)效［9］、電脈沖處理［10］、超聲波表面軋制［11］等也可達(dá)到或提高7B50-T7751 鋁合金厚板的綜合性能和組織均勻性。

基于寬度方向協(xié)同厚度方向的不均勻性考慮，本工作以成品寬度2.5 m、厚度80 mm 的7B50-T7751 寬幅鋁合金厚板為研究對(duì)象，著重研究其不同寬度位置（寬度中心、寬度邊緣）和不同厚度位置（1/4 厚度、1/2厚度）的組織與性能，并就橫向疲勞性能與同厚度7050-T7451 鋁合金板材進(jìn)行了對(duì)比分析和討論，以期為各類飛行器選材、大規(guī)格零件制造及輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為80 mm 規(guī)格寬幅7B50 鋁合金板材和同厚度7050 鋁合金板材，材料信息如表1 所示。參照AMS 2355，室溫拉伸、壓縮、斷裂韌度、組織觀察試樣在7B50-T7751 厚板1/4 厚度（簡(jiǎn)稱T/4）和1/2 厚度（簡(jiǎn)稱T/2）位置、寬度邊緣（簡(jiǎn)稱Edge）和寬度中心（簡(jiǎn)稱W/2）分別切取，取樣示意圖如圖1 所示，圖中灰色部分表示試樣的取樣位置，力學(xué)性能每組取3 個(gè)平行試樣。疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣在7B50-T7751 和7050-T7451 厚板T/4，W/2 位置切取，中值疲勞壽命曲線（S-N曲線）取棒形Kt=1 和Kt=3 試樣，每組45 個(gè)平行試樣，實(shí)驗(yàn)采用的應(yīng)力比為0.06，最大循環(huán)周次為107，置信度95%。疲勞裂紋擴(kuò)展速率采用C（T）試樣，每組3 個(gè)平行試樣。性能測(cè)試采用MTS 力學(xué)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，組織觀察采用JSM-7001F 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，EBSD 數(shù)據(jù)利用TSL OIM軟件處理。

圖1 寬幅7B50-T7751 厚板不同位置取樣示意圖Fig.1 Sampling diagram at different positions of ultra-wide 7B50-T7751 plate

表1 實(shí)驗(yàn)材料信息Table 1 Information of experimental materials

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 寬幅7B50-T7751 厚板性能不均勻性

寬幅7B50-T7751 板材不同位置、不同方向的拉伸性能如圖2（a）所示?？梢?jiàn)，L，LT，ST 三個(gè)方向上的拉伸性能優(yōu)異。在L 和LT 方向上，1/2 厚度的拉伸屈服強(qiáng)度分別達(dá)到568 MPa 和545 MPa，抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到612 MPa 和591 MPa。在ST 方向上，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到521 MPa 和593 MPa。不同寬度和厚度位置的拉伸性能不同，在L方向上，1/4 厚度寬度中心和邊緣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度無(wú)明顯差異，但均低于1/2 厚度性能，屈服強(qiáng)度低4～20 MPa，抗拉強(qiáng)度低18～40 MPa。1/2 厚度邊緣的拉伸性能高于中心，屈服強(qiáng)度高15 MPa，抗拉強(qiáng)度高20 MPa。在LT 方向上，1/4 厚度不同寬度位置抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高于1/2 厚度，屈服強(qiáng)度高6～11 MPa，抗拉強(qiáng)度高6～13 MPa。在ST 方向上，寬度邊緣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于寬度中心約20 MPa。

圖2 寬幅7B50-T7751 厚板不同位置與不同方向的力學(xué)性能（a）拉伸性能；（b）壓縮性能；（c）斷裂韌度Fig.2 Mechanical properties at different positions and orientations of ultra-wide 7B50-T7751 plate（a）tensile properties；（b）compressive properties；（c）fracture toughness

圖2（b），（c）分別所示為寬幅7B50-T7751 板材不同位置、不同方向的壓縮性能和斷裂韌度?？梢?jiàn)，在L和LT 方向上，1/2 厚度的壓縮屈服強(qiáng)度Rpc0.2分別達(dá)到575 MPa 和587 MPa。L，LT 向不同位置的壓縮性能變化與拉伸性能趨勢(shì)相同。值得注意的是，屈服強(qiáng)度是材料的固有屬性，L 向的壓縮屈服強(qiáng)度與拉伸屈服強(qiáng)度相近，但LT 向的壓縮屈服強(qiáng)度高于拉伸屈服強(qiáng)度30～40 MPa，這可能與拉壓變形條件、軋制流線結(jié)構(gòu)和晶粒的縱橫比有關(guān)［12］。L-T 向和T-L 向的斷裂韌度KIC可分別達(dá)到30.16 MPa·m1/2和26.47 MPa·m1/2，1/2 厚度斷裂韌度均高于1/4 厚度，L-T 向高3.71～5.21 MPa·m1/2，T-L 向高2.77～3.13 MPa·m1/2。同厚度位置、不同寬度位置的斷裂韌度差異不明顯，在1 MPa·m1/2以內(nèi)，但T-L 向的斷裂韌度均勻性相對(duì)優(yōu)于L-T 向。

綜合拉伸、壓縮、斷裂韌度性能，80 mm 厚寬幅7B50-T7751 板材在不同寬度位置存在一定的各向異性，LT 方向上的性能均勻性優(yōu)于L 方向。1/4 厚度不同寬度位置性能無(wú)明顯差異，但1/2 厚度寬度邊緣性能優(yōu)于寬度中心。

2.2 寬幅7B50-T7751 厚板組織不均勻性

寬幅7B50-T7751 厚板不同位置的縱截面電子背散射衍射（EBSD）組織如圖3 所示。若定義平均晶粒取向差小于1°為再結(jié)晶組織，統(tǒng)計(jì)不同位置的變形組織和再結(jié)晶組織含量、織構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，從厚度1/4 到1/2，晶粒尺寸逐漸增大且伴隨著不同程度的再結(jié)晶。1/4 厚度寬度中心的變形組織面積分?jǐn)?shù)比邊緣位置低5.4%，且未形成明顯的織構(gòu)組織，織構(gòu)強(qiáng)度較低。1/2 厚度不同寬度位置組織差異較大，寬度中心以再結(jié)晶組織為主，變形組織面積分?jǐn)?shù)僅為33.2%，而邊緣以變形組織為主，面積分?jǐn)?shù)達(dá)到了84.8%，寬度中心和邊緣均形成了強(qiáng)織構(gòu)組織。

圖3 寬幅7B50-T7751 厚板不同位置EBSD 組織（a）W/2，T/4；（b）edge，T/4；（c）W/2，T/2；（d）edge，T/2；（e）［001］向反極圖Fig.3 EBSD microstructures at different positions of ultra-wide 7B50-T7751 plate（a）W/2，T/4；（b）edge，T/4；（c）W/2，T/2；（d）edge，T/2；（e）inverse pole figure of ［001］

表2 寬幅7B50-T7751 不同位置組織統(tǒng)計(jì)Table 2 Microstructure statistics at different positions of ultra-wide 7B50-T7751

組織差異可能與制造過(guò)程中的軋制變形均勻性有關(guān)，軋制過(guò)程中，板坯表面受到強(qiáng)烈的剪應(yīng)力使晶粒破碎，變形程度從厚度表面至1/2 厚度逐漸增大［13］。對(duì)于寬幅厚板，在寬度中心位置，由于1/4 厚度層變形較大，在熱軋過(guò)程中易于發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，大量消耗了變形儲(chǔ)能，使后續(xù)熱處理過(guò)程發(fā)生再結(jié)晶的能量不足，從而保留了軋態(tài)組織［6］。相對(duì)而言，1/2 厚度層在熱軋過(guò)程中處于變形死區(qū)，變形量相對(duì)1/4 厚度層小，由于變形儲(chǔ)能有限，在熱軋過(guò)程中較少發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，但在后續(xù)的熱處理過(guò)程由于能量積累會(huì)發(fā)生明顯的再結(jié)晶，因而1/2 厚度位置以再結(jié)晶組織為主導(dǎo)。與寬度中心不同，在邊緣位置，1/2 厚度層與1/4 厚度層變形組織含量遠(yuǎn)超再結(jié)晶組織含量。這可能是由制造過(guò)程中的橫向軋制產(chǎn)生的組織特性。

對(duì)于寬度不超過(guò)2 m 的厚板可通過(guò)順軋多道次直接成型，但對(duì)于寬幅達(dá)到2.5 m 的板材，受鑄錠寬度制約，制造過(guò)程中必然引入橫向軋制以增加板材的寬度，橫向軋制使寬度邊緣的變形程度比寬度中心更劇烈，邊緣更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，避免了后續(xù)大量的再結(jié)晶產(chǎn)生，從而在成品態(tài)厚板保留了變形組織，使邊緣的再結(jié)晶組織含量遠(yuǎn)低于寬度中心位置。

厚板在1/2 厚度位置形成了強(qiáng)度較高的織構(gòu)，其寬度中心和邊緣的ODF 極圖如圖4 所示，結(jié)合ODF圖和軟件計(jì)算分析可知，在寬度中心位置，當(dāng)φ2=90°時(shí)，ODF 圖呈現(xiàn)出了典型強(qiáng)織構(gòu)Brass 織構(gòu)（110），當(dāng)φ2=65°時(shí)，呈現(xiàn)出強(qiáng)織構(gòu)S 織構(gòu)（123）。在邊緣位置，當(dāng)φ2=20°，35°時(shí)，ODF 圖呈現(xiàn)出了主要強(qiáng)織構(gòu)R 織構(gòu)（241）［1-12］和S 織構(gòu)（123），此外當(dāng)φ2=90°時(shí)還有一定量的Brass 織構(gòu)（110）。

圖4 寬幅7B50-T7751 厚板不同寬度位置ODF 圖（a）W/2，T/2；（b）edge，T/2Fig.4 ODF diagrams at different width positions of ultra-wide 7B50-T7751 plate（a）W/2，T/2；（b）edge，T/2

織構(gòu)類型不同與生產(chǎn)工藝及變形程度有關(guān)，不同方向軋制所產(chǎn)生的織構(gòu)相互抑制和增強(qiáng)，可以激發(fā)更多的滑移系參與滑移和交滑移，從而在不同位置產(chǎn)生了不同織構(gòu)［13］。在寬度中心位置，寬幅7B50-T7751厚板制造過(guò)程中的縱軋和橫軋交替易引起剪切變形，使S 織構(gòu)｛123｝〈634〉向Cu 取向｛011｝〈211〉轉(zhuǎn)變［14］，呈現(xiàn)出S 織構(gòu)與Brass 織構(gòu)共存的微觀組織特征。在邊緣位置，橫向軋制過(guò)程變形程度比中心位置更劇烈，對(duì)于Taylor 因子小、形變儲(chǔ)能低的織構(gòu)取向密度不明顯，而Taylor 因子大、形變儲(chǔ)能高的R 和S 織構(gòu)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)［15］。考慮到邊緣的織構(gòu)強(qiáng)度和變形組織含量均比寬度中心位置高，因此邊緣位置的整體力學(xué)性能較高。

2.3 寬幅7B50-T7751 厚板的疲勞性能

為方便直觀地評(píng)價(jià)寬幅7B50-T7751 厚板的疲勞性能，本實(shí)驗(yàn)將其與“航空王牌鋁合金”7050-T7451 厚板進(jìn)行了對(duì)比。圖5 所示為同厚度寬幅7B50-T7751厚板和7050-T7451 厚板LT 向的中值疲勞壽命S-N曲線，統(tǒng)計(jì)疲勞壽命N達(dá)到107周次的疲勞極限匯總于表3?？梢钥闯?，應(yīng)力比為0.06，應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1時(shí)，寬幅7B50-T7751 厚板LT 向的光滑試樣疲勞性能整體低于7050-T7451 厚板，在疲勞壽命達(dá)到107周次時(shí)疲勞極限為268 MPa，低于7050-T7451 厚板7.6%；當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)Kt=3 時(shí)，寬幅7B50-T7751 厚板的LT 向缺口試樣疲勞性能高于7050-T7451 厚板，在107周次時(shí)的疲勞極限為139 MPa，高于7050-T7451 厚板3.7%。

圖5 厚板LT 向疲勞S-N 曲線Fig.5 LT orientation fatigue S-N curves of the plates

表3 N=107時(shí)的疲勞極限Table 3 Fatigue limit at N=107

寬幅7B50-T7751 厚板和7050-T7451 厚板在R=0.06 時(shí)，T-L 向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線如圖6 所示，Paris 公式相關(guān)擬合參數(shù)見(jiàn)表4?？梢钥闯觯瑧?yīng)力比為0.06 時(shí)，寬幅7B50-T7751 厚板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子ΔK=6.29～19.61 MPa·m1/2作用下，整體低于同厚度7050-T7451 板材，表明寬幅7B50-T7751 厚板的抗疲勞裂紋擴(kuò)展速率性能良好。

圖6 T-L 向厚板抗疲勞裂紋擴(kuò)展速率性能Fig.6 T-L anti-fatigue crack growth rate performance of the plates

3 分析與討論

3.1 寬幅7B50-T7751 厚板組織與性能不均勻性

寬幅7B50-T7751 厚板通過(guò)合理的加工變形和熱處理工藝可以獲得較高的強(qiáng)度以及良好的強(qiáng)韌性能匹配，但由于成品板材寬度大，受制于原始鑄錠的寬度，制造過(guò)程中僅依靠順向軋制不能實(shí)現(xiàn)大幅寬展，而需要經(jīng)過(guò)多道次的順軋和橫軋成型，這勢(shì)必會(huì)使板材產(chǎn)生組織和性能不均勻性。

組織不均勻性主要表現(xiàn)在板材邊緣的變形程度整體高于板材中心。1/4 厚度層組織差異不明顯，均為大量的變形組織伴隨部分嵌套的再結(jié)晶晶粒，且均未形成明顯的強(qiáng)織構(gòu)，這可能是由于順軋、橫軋交替強(qiáng)變形改變了原有的織構(gòu)特征，未出現(xiàn)密度高的強(qiáng)擇優(yōu)取向。1/2 厚度層的組織差異較大，寬度邊緣以變形組織為主，強(qiáng)織構(gòu)為R 織構(gòu)（241）［12］、S 織構(gòu)（123）［4］及一定量的Brass 織構(gòu)（110）［12］，寬度中心以再結(jié)晶組織為主，變形過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒在后續(xù)軋制中被進(jìn)一步拉扁拉長(zhǎng)，進(jìn)而呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向，強(qiáng)織構(gòu)主要為Brass 織構(gòu)（110）［12］和S 織構(gòu)（123）［4］。性能的不均勻性主要表現(xiàn)為厚板的寬度邊緣強(qiáng)度偏高、寬度中心強(qiáng)度偏低，1/2 厚度層斷裂韌度高、1/4 厚度層斷裂韌度低等特點(diǎn)。變形組織含量和織構(gòu)含量是影響材料強(qiáng)度的重要因素，1/4 厚度層寬度中心和邊緣的變形組織含量差異不大且無(wú)明顯的強(qiáng)織構(gòu)，因而不同寬度1/4 厚度層的力學(xué)性能較為均勻。1/2 厚度層在軋制過(guò)程中的變形程度相對(duì)低于1/4 厚度層，但熱處理后邊緣1/2厚度層保留的變形組織比1/4 厚度層高，并在不同寬度位置均形成了強(qiáng)織構(gòu)，使寬度邊緣的力學(xué)性能優(yōu)于寬度中心、1/2 厚度層力學(xué)性能優(yōu)于1/4 厚度層。

3.2 寬幅7B50-T7751 厚板與7050-T7451 厚板的疲勞性能

當(dāng)應(yīng)力比為0.06 時(shí)，寬幅7B50-T7751 厚板的裂紋擴(kuò)展速率比同厚度7050-T7451 板材低。這是由于T7451 相對(duì)T7751 的過(guò)時(shí)效狀態(tài)更深，T7451 態(tài)晶內(nèi)強(qiáng)化相的相對(duì)尺寸較大，數(shù)量少，而T7751 態(tài)晶內(nèi)強(qiáng)化相則相對(duì)細(xì)小彌散，在發(fā)生裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋穿晶斷裂受到的阻力更大［16］，使疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低。

T7751 屬于為改善耐腐蝕性能開(kāi)發(fā)的回歸再時(shí)效（RRA）三級(jí)時(shí)效工藝［17］，RRA 調(diào)控使晶粒內(nèi)部析出相細(xì)小彌散，但晶界析出相粗大不連續(xù)［18-19］，晶內(nèi)強(qiáng)化相與晶界析出相尺寸差距較大。T7451 屬于二級(jí)時(shí)效工藝，晶內(nèi)與晶界同時(shí)過(guò)時(shí)效，晶內(nèi)強(qiáng)化相和晶界析出相尺寸差距相對(duì)小［20］。對(duì)于Kt=1 光滑試樣，在承受交變載荷時(shí)，7B50-T7751 晶內(nèi)和晶界析出相的組織不均勻性易于在晶界粗大相處形成裂紋源。而T7451 由于晶內(nèi)和晶界析出相尺寸相對(duì)較均勻，在載荷作用下受力更均勻，因此，Kt=1 時(shí)7050-T7451 光滑試樣疲勞性能優(yōu)于7B50-T7751。而Kt=3 時(shí)缺口試樣可視為預(yù)制缺口的“裂紋擴(kuò)展速率試樣”，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力集中時(shí)，在缺口附近T7751 態(tài)晶內(nèi)析出相釘扎位錯(cuò)的能力強(qiáng)于T7451 態(tài)，從而阻礙微裂紋的產(chǎn)生，因此，Kt=3 時(shí)7B50-T7751 的疲勞性能優(yōu)于7050-T7451?；赗RA 制度與傳統(tǒng)時(shí)效制度的差異性，T7751 態(tài)鋁合金的疲勞特性有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）80 mm 規(guī)格寬幅7B50-T7751 厚板的力學(xué)性能優(yōu)異，在L 和LT 方向上，1/2 厚度的拉伸屈服強(qiáng)度分別達(dá)到568 MPa 和545 MPa，抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到612 MPa 和591 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度分別達(dá)到575 MPa 和587 MPa，L-T 向和T-L 向的斷裂韌度達(dá)到30.16 MPa·m1/2和26.47 MPa·m1/2。

（2）寬幅7B50-T7751 厚板不同寬度位置存在一定的各向異性，LT 方向上的性能均勻性優(yōu)于L 方向。1/4 厚度不同寬度位置性能無(wú)明顯差異，1/2 厚度寬度邊緣位置性能優(yōu)于寬度中心位置。厚板1/4 厚度未形成明顯的強(qiáng)織構(gòu)。在1/2 厚度寬度中心的主要織構(gòu)為S 織構(gòu)和Brass 織構(gòu)，邊緣的主要織構(gòu)為R 織構(gòu)、S 織構(gòu)和Brass 織構(gòu)。

（3）在應(yīng)力比為0.06 時(shí)，80 mm 規(guī)格寬幅7B50-T7751 厚板的T-L 向抗疲勞裂紋擴(kuò)展速率性能優(yōu)于同厚度7050-T7451 板材，LT 向光滑試樣（Kt=1）的疲勞極限低于7050-T7451 板材約7.6%，缺口試樣（Kt=3）的疲勞極限高于7050-T7451 板材約3.7%。