2A12铝合金板材热处理常见缺陷

2021-06-28崔超群朱海磊黄红武黄天勇

热处理技术与装备 2021年3期

崔超群，朱海磊，黄红武，黄天勇，毛喆

(1.空军装备部驻郑州地区军事代表室，河南郑州 450005； 2.航空工业郑飞公司，河南郑州 450005)

采用2A12铝合金板材制成钣金制件，板材厚度为0.5～3 mm，供应状态为退火，在弯曲成型后进行固溶、时效热处理，对于2A12铝合金的固溶处理习惯上也称之为淬火。在生产实际中，常因各种原因造成制件热处理后不合格，严重时还出现制件报废。本文对2A12铝合金板材热处理常见缺陷进行了总结。

1 材料成分及特性

1.1 化学成分

2A12铝合金板材成分符合GB/T 3190—2008《变形铝及铝合金化学成分标准》，具体见表1。

表1 2A12铝合金化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2A12 aluminumalloys(mass fraction，%)

1.2 材料特性

2A12铝合金板材为Al-Cu-Mg系中典型的硬铝合金，原牌号为LY12。该合金具有良好的塑性成形能力和机械加工性能，能够获得各种类型的制品，是航空工业中使用最广泛的铝合金之一[1]。因2A12存在含铜的固溶体和CuAl2相电极电位较高，当发生不均匀沉淀时，晶间四周出现含铜较低的贫化带与含铜较高的晶粒中心形成电位差，易发生晶间腐蚀。为此，2A12的板材两面均用纯度大于99.5%的纯铝包裹，因纯铝电位低于基体，可起到阳极保护的作用。热处理制度一般为固溶+时效，对于工作温度超过150 ℃的制件，为保证使用期间组织和性能的稳定性而采取人工时效的方式，其余都在自然时效的状态下应用。本研究中钣金制件均采用自然时效的方式进行，时效后对随炉的拉伸试样进行检测，要求σb≥390 MPa，金相组织检测无过烧现象。因热处理固溶后2 h内材料能保持良好的塑形，热处理固溶后制件存在变形情况，一般固溶后立即进行校正，待自然时效96 h后再对拉伸试样进行强度和金相组织的检测。

2 常见缺陷

2.1 过烧

过烧是2A12最常见、危害最大的缺陷，轻微过烧从制件表面看不出来，严重过烧会导致制件出现起泡、开裂现象。实际生产中通过金相组织判断2A12固溶后是否发生过烧，HB 5201—82《变形铝合金过烧金相检验标准》将过烧的金相组织分为四种特征：共晶复熔球、晶界的局部复熔加粗、复熔三角晶界和相界面的复熔。这四种特征表示过烧的程度不断加大，从轻微过烧到严重过烧，2A12铝合金最常出现的是前三种过烧特征。

过烧是低熔点共晶融化的表现，2A12铝合金主要有两种共晶，即二元共晶α(Al)+CuAl2和三元共晶α(Al)+CuAl2+Al2CuMg(S相)，二元共晶的熔点为548 ℃，三元共晶的熔点为507 ℃。因此， 2A12的过烧温度一般为507 ℃。导致过烧的原因一般有以下几种。

2.1.1仪表控温系统故障

2A12热处理要求选用的设备为I类炉，即炉温均匀性为±3 ℃，正常情况下不会达到熔点，但若仪表控温系统出现问题，造成炉膛实际温度比仪表显示温度高，或者因热电偶及仪表故障造成温度失控引起“跑温”，将造成2A12固溶时发生过烧。

2.1.2材料元素含量

铝合金的主要成分和杂质元素含量都有一个允许的波动范围，不同批次的2A12板材，因冶炼工艺的差异，实际过烧温度仍有波动。在生产中，曾出现一批2A12制件热处理后出现过烧现象，对仪表控制精度、炉温均匀性进行检测，均符合要求，操作者设定的温度为503 ℃，仪表监测最高点达到了505 ℃，正常情况不会发生过烧现象。为此，对该批材料进行化学成分分析，该批2A12制作中Cu含量为4.8%，Mg含量为1.7%，均为含量的上限。铜、镁元素含量处于上限时，形成的三元共晶的数量多，降低了该批2A12制作的过烧温度。

2.1.3制件表面污染

制件表面存在低熔点的物质，该物质熔化后粘附在制件表面，会加大制件的过烧倾向。如制件表面有油污，或者用镀锌铁丝绑扎2A12进行淬火，固溶过程中，由于油污挥发、镀锌层熔化不仅会污染制件的包铝层，还会引发过烧。

2.2 强度不足

一般通过对随炉试样进行拉伸试验，来判定2A12固溶时效后强度是否满足σb≥390 MPa的要求，造成强度过低一般是以下原因。

2.2.1固溶温度低

标准HB/Z 5125《变形铝合金热处理》中规定2A12铝合金薄板固溶温度为495～503 ℃，标准GJB 1694—93《变形铝合金热处理规范》规定2A12固溶温度490～500 ℃，并注明板材可采用492～502 ℃。固溶温度越高，合金元素溶入晶格越充分，后期自然时效过程中，强化效果越高。有时为防止过烧，采取下限温度，常会造成固溶时效后强度低的问题。

2.2.2固溶保温时间短

一般2A12板材在井式电炉中固溶的保温时间大约按10 min/mm计算，比一般的钢件淬火的保温时间长。实际工作中，曾出现工艺人员对2A12板材进行固溶处理时，按钢件淬火的保温时间计算，3 mm厚2A12板材，规定保温时间仅15 min，造成制件固溶时效后σb为280 MPa。发现此问题后，修订工艺文件，对制件重新进行固溶处理，σb为405 MPa。

2.2.3冷却速度慢

根据铝合金的等温分解曲线，“鼻子”温度一般在300～400 ℃之间，在此温度范围内应保持足够的冷却速度[2]。在生产中采用水作为固溶后的冷却介质。造成冷却速度慢主要是因为转移速度慢和水温过高。工件从炉门开始打开到工件最后一角浸入水中的时间为转移时间。当转移过程较长或冷却水温过高，会导致固溶体发生部分分解，从而降低时效强化效果，造成强度不足。

2.3 变形过大

造成2A12铝合金板材固溶后变形过大主要有两个原因：一是装炉时互相堆积，在加热时制件间相互挤压造成变形；二是2A12铝合金板材采用水冷淬火产生变形。生产中常利用固溶2 h内2A12可保持良好塑形的特点，水冷后立即进行校正。这种方法对形状简单的铝合金板材十分适用，但对于形状复杂的薄板制件，常会因水冷淬火变形过大而难以校正。

3 控制措施

3.1 工艺文件的控制

工艺文件应按规定进行编制、校对、审签等流程，并制定相应的职责和权限，保证工艺规程编制正确[3]。防止工艺人员因工艺参数编制错误而导致制件热处理不合格。在选择2A12板材固溶温度时，既要防止制件过烧报废，又要兼顾固溶充分能起到时效强化的效果，最好选用范围控制在495～500 ℃之间，在生产操作时，设定温度在497 ℃。

3.2设备控制

对于铝合金淬火炉，应选用I类井式电炉，还应采用“双联温度系统”，即炉内配置两支热电偶，一支热电偶安装在有效加热区内，连接温度记录仪，以便准确反映加热时间情况；另一支热电偶接控温仪表，进行炉子温度的自动控制。并将其中一支热电偶并联温度报警装置，将温度报警值设定为505 ℃，若温度超过505 ℃时，自动报警并切断电源。

鉴于2A12过烧温度与淬火温度比较接近，生产中最好使用专用设备进行固溶处理，保证设备的校检和使用都在同一温度下，减少了检定误差，同时也避免设备因在不同温度下使用而导致控温仪表在2A12固溶温度时出现偏差。

3.3 生产过程控制

规范操作步骤，加强日常监督[4]，通过强化过程控制有效保证2A12板材固溶处理质量，应从以下几个方面进行：

1)在进行2A12板材固溶处理前，应确定设备按规定进行了炉温均匀性检测；同时在每天工作的第一炉先选取试样进行，对试样固溶后立即进行金相检查，经检测无过烧后再进行零件的批量处理。

2)加强2A12板材入炉前的质量控制，要求使用汽油清洗制件表面油污，并且对需要绑扎的制件，采用铝丝绑扎，严禁使用铜丝和铁丝。

3)工件与框架、夹具或间隔物应成点或线接触，不允许有面接触[5]。零件之间应保持一定间距，保证加热时炉内空气和冷却水可在各工件之间自由循环流动。

4)控制出炉的转移速度，在开炉门和转移过程中，避免在过程中出现停留。一般2A12板材的转移时间控制在15 s以内。

5)控制水温在10～30℃，在零件入水后开启水龙头进行补水，避免零件入水后温度上升过高而影响固溶质量。

3.4 不合格品的处置

对于不合格2A12板材的处理，应针对不同不合格现象进行不同处置。

1)一般对于出现过烧组织的铝合金制件都按报废处理，但对于2A12板材来说，HB 5201—82《变形铝合金过烧金相检验标准》中4.2条规定：“LY12合金薄板淬火后组织中仅有共晶复熔球不作为报废的依据”。2A12板材仅出现共晶复熔球对其强度影响不大，只是抗腐蚀性下降，当出现此类情况时，应根据零件在产品中的使用情况，结合后期是否进行氧化、喷漆等表面防护措施，决定该批制件能否使用。

2)对于固溶时效后出现强度不够的2A12板材，应分析造成该问题的原因，是固溶温度低还是转移时间长、水温高等原因，并针对分析的原因，制定控制措施，重新进行固溶、自然时效处理。

3)对于变形过大的制件，因已经自然时效而强化，校正困难，需对制件完全退火后再进行校正。退火规范为350～410 ℃，保温1～3 h，以每小时不大于30 ℃的冷却速度随炉冷至260 ℃以下出炉空冷，经完全退火后的2A12塑形强，便于校正。校正后可重新进行固溶、自然时效处理。但在重新固溶前，应分析上次造成制件变形大的原因，若是因零件堆积加热造成的，返修时因保证零件在炉内均匀摆放，相互之间有一定间距。若因制件自身结构导致固溶水冷后易变形，可通过设计专用夹具来控制变形，也可采用聚合物淬火介质代替水冷却。