化学铣切对6A02薄铝板性能的影响

2021-04-06周训伟巢昺轩黄向群

宇航材料工艺 2021年1期

周训伟巢昺轩黄向群郭楠

（昌河飞机工业（集团）有限责任公司，景德镇 333002）

文摘 6A02 铝合金薄板在直升机上应用较广泛，有时需进行化铣。通过采用尺寸测量、拉伸性能检测、金相分析等手段，研究了化铣对6A02 铝合金薄板厚度、表面质量、力学性能和显微组织影响。结果表明，化铣可将薄板厚度铣削变薄；溶液中的Na2S 与三乙醇胺共同作用，可降低合金元素与Al 形成的电偶腐蚀作用，使薄板表面质量改善；合金析出相的电化学性质与基体无明显差异，不会引起合金晶间腐蚀缺陷，对薄板的力学性能和显微组织无明显影响。可采用化铣对6A02薄铝板进行加工。

0 引言

铝合金由于具有密度低、耐低温、较好导热性和耐腐蚀性等特性。同时，由于装备结构轻量化的要求，铝合金已经逐渐代替了传统的钢铁，被广泛应用于航空、航天、武器装备、汽车等行业［1-4］。

化学铣切，简称化铣，也被称为化学加工、湿腐蚀等，指的是将金属材料需要加工的部位暴露于化学介质（铝合金化学铣切主要采用氢氧化钠溶液）中进行腐蚀，从而获得零件所需的形状和尺寸的一种加工方法，属于特种加工工艺［5-7］。铝合金化学铣切已在航空航天工业的零件成形过程中广泛使用，尤其是在加工飞机蒙皮等成型的板材零件时，要比用传统的机械加工方法可靠、有效，且不会产生任何加工应力［8］。其涉及的主要化学反应有：

6A02 合金属于铝-镁-硅系合金，是可热处理强化铝合金，具有中等强度和良好的塑性，生产过程中常将其处理至T62态，也是耐腐蚀性较好的一种结构材料，常用于制造飞机蒙皮等［9-10］。6A02 的铝合金薄板在直升机上较广泛应用，在生产过程中有时需要用化铣对其进行加工。许多研究者对6A02 铝合金开展了相关研究，其中部分研究者［11-14］开展了热处理工艺对6A02 铝合金性能影响的研究，李旭东、郝文魁等［15-16］对6A02 铝合金的腐蚀行为进行了研究，邢玮等［17］对6A02 铝合金疲劳微裂纹的扩展进行了研究。而对于6A02 铝合金化学铣切相关的研究相对较少。本文开展化学铣切对6A02 铝合金薄板厚度、表面质量、力学性能和显微组织影响的研究。

1 原材料性能及实验方法

1.1 原材料性能

选用6A02-O 薄铝板进行化铣试验，其化学成分如表1所示。该板材试样的化学成分均符合标准要求，其余各项性能也均合格。板材试样无内应力，在化铣或后续成型过程中无应力释放。化铣试验用薄铝板试样的具体信息见表2。

表1 原料实测化学成分Tab.1 The chemical composition of raw materials %（w）

表2 化铣试验用薄铝板的要求Tab.2 The requirements for thin aluminum sheet for chemical milling test

1.2 实验方法

1.2.1 化学铣切工艺

化铣在表面处理生产线上进行，其工艺流程为：预除油→化学除油→水洗→硝酸出光→水洗→碱清洗→水洗→硝酸出光→水洗→干燥→涂保护胶→刻型→化学铣切→水洗→硝酸出光→水洗→去保护胶。

铝合金化铣槽液及工艺参数：①槽液组成：NaOH 120～195 g/L，NaS211～26 g/L，三乙醇胺30～60 g/L，Al3+19～75 g/L，水（C 类：Cl-≤1.5×10-4）；②腐蚀速度0.03～0.05 mm/min；③铣切温度：温度99～104 ℃。

1.2.2 化铣实验方案

化学铣切前，将6A02-O（C1～C5）送去进行热处理至T62 态，之后分别选取6A02（B1～B3）和6A02（C1～C3）进行双面化学铣削试验，化学铣切后的厚度要求均为2.0 mm。化学铣切结束后，将经化铣的薄铝板材料6A02（B1～B3）、6A02（C1～C3）及未化铣的6A02（B4～B5）、6A02（C4～C5）薄铝板材料进行理化检测，具体检测项目分别为：B1、C1 检测显微组织，B2～B5、C2～C5检测抗拉强度和伸长率。

1.2.3 性能分析

拉伸性能采用Instron1342 电液伺服万能试验机，测试方法按照GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》进行。试样经切割、研磨抛光及腐蚀处理后，采用XJP-4XB 显微镜观察其金相组织，测试方法依据GB/T3246.1—2012《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》进行。

2 结果与讨论

2.1 化铣对6A02薄板厚度尺寸的影响

选取薄铝板材料6A02-B-δ2.5 mm、6A02-C-δ2.5 mm 进行化学铣切，化铣后的厚度要求为2.0 mm。化铣前后，在每块铝板的四周边缘分别选取两点进行厚度检测，具体情况见图1。由其可知，6A02-B、6A02-C 铝板化铣前的厚度均为负偏差，且均在对应公差范围内，符合GJB2053—1994 要求。经化铣后，材料厚度均为（2.0±0.08）mm，厚度偏差符合HB7786—2005 中的公差要求。因此，化铣可将6A02-O、6A02-T62厚度减薄至规定尺寸。

图1 6A02-B-δ2.5 mm、6A02-C-δ2.5 mm化铣前后厚度Fig.1 The thickness of 6A02-B-δ2.5 mm，6A02-C-δ2.5 mm before and after milling

2.2 化铣对6A02薄板表面质量的影响

铝合金材料6A02-B、6A02-C 化铣前后的表面质量见图2。

图2 6A02-B、6A02-C化铣前后表面质量Fig.2 The surface quality of 6A02-B，6A02-C before and after chemical milling

由图2可知，6A02-B、6A02-C 表面化铣前均存在较小划伤、凹坑等，而经化铣后，6A02-B、6A02-C表面呈金属光泽，表面粗糙度明显降低。这是因为化铣溶液中加入了添加剂NaS2和三乙醇胺。NaS2中的S 易于与合金元素Zn、Cu 等元素结合，可降低Zn、Cu 等合金元素与Al 形成的电偶腐蚀作用，铝的腐蚀起到主导作用，从而降低表面粗糙度；而三乙醇胺是一种高效的螯合剂和表面活性剂。作为螯合剂，可螯合重金属Zn、Cu等合金元素，降低S的消耗。而作为表面活性剂，可以使附着在化铣试样表面上的沉淀迅速脱离，从而增大S 与试样表面接触面积，进而降低电偶腐蚀作用，提升试样表面质量。因此，化铣能使6A02-B、6A02-C表面质量得到改善。

2.3 化铣对6A02薄板力学性能的影响

铝合金材料6A02 的铝含量达到90%以上，材料退火态（O 态）抗拉强度低、伸长率高。化铣前后，对6A02-B、6A02-C 的铝板进行抗拉强度和伸长率检测，结果如表3所示。

表3 6A02-O-B、6A02-T62-C化铣前后的力学性能Tab.3 The mechanical properties of 6A02-O-B，6A02-T62-C before and after chemical milling

由表3可知，6A02-O 化铣后B-2、B-3 与未化铣B-4、B-5 相比，抗拉强度基本无变化，延伸率稍有下降，但仍明显高于材料技术标准GJB2053-1994 的要求；对于6A02-T62 C-2～C-5，对比经过化铣的C-2、C-3 与未化铣C-4、C-5 力学性能，显示化铣前后其抗拉强度和延伸率基本无变化，且均满足标准要求，这是因为化铣没有导致6A02-B、6A02-C 铝板的晶间腐蚀产生。晶间腐蚀的发生会破坏晶粒和晶界间的结合力，引起力学性能大幅度下降。因此，化铣过程对6A02-O、6A02-T62 的材料力学性能均不会产生影响。

2.4 化铣对6A02薄板显微组织的影响

6A02-O-B、6A02-T62-C 化铣后的显微组织分别见图3～图4。由图3～图4可知，6A02-O-B 的显微组织均匀分布，而6A02-O-C 经520 ℃固溶、160 ℃时效热处理至T62 态后，有明显的晶界产生，且有增强相析出，从而使其抗拉强度大幅度提高。这是因为合金析出的总体过程为：过饱和固溶体（SSSS）→球状GP 区→亚稳针状β″相（共格）→亚稳棒状β′相（半共格）→稳定平衡β 相（Mg2Si）（非共格）［18］。当时效温度为150～160 ℃时，由于过渡相β′的界面能小，大于临界尺寸的亚稳针状β″相区长大形成过渡相β′，β′相与基体保持共格关系［19］，与稳定相β（Mg2Si）化学成分相同，从而有效地阻碍了晶体的变形，致使合金经固溶时效后强度明显提高［12］。

另外，6A02-O-B 与6A02-T62-C 显微组织均未见化铣引起的晶间腐蚀等缺陷。根据文献［20］研究，一方面是因为6A02 合金析出相的电化学性质与基体无明显差异，一般不具备晶间腐蚀的倾向；另一方面是因为Mg 和Si 主要形成强化相Mg2Si，当m（Mg）/m（Si）≥1.73 时，6A02 合金只能在晶界处形成不连续分布的Mg2Si 粒子，从而不能形成连续的腐蚀通道，致使合金无晶间腐蚀倾向。因此，结合试样力学性能分析结果，可以得出化铣过程对6A02-O-B、6A02-T62-C的显微组织无明显影响。