7B04铝合金特殊用途板材的热处理技术研究

2022-09-26刘世雷刘洪雷袁丹丹臧家吉张祥斌

轻合金加工技术 2022年6期

刘世雷，陈雷，刘洪雷，袁丹丹，臧家吉，张祥斌

(东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060)

随着航空工业的不断发展，对相应的部件性能要求越来越高，飞机零件生产向着整体化、长寿命的方向发展。国外研制的蠕变时效成型技术就是针对上述要求开发的一种新的材料成型方法。飞机的整体壁板就是用蠕变时效成型方法生产的受力构件。它是将传统飞机结构中的骨架结构、连接单元和蒙皮制成一体，具有结构网络化、整体集成化、结构强度大等特点，满足了现代飞机发展的需要[1]。

蠕变时效成型是指在人工时效的同时，给一个低于铝合金屈服强度的应力，使其发生一定变形的金属成型加工方法。将铝合金在弹性应力作用下加热到一定温度(人工时效温度)进行蠕变，从而得到具有一定形状的整体结构件，同时得到所需的性能[2]。此技术被欧美等国家应用于机翼翼面等重要部件的成型。开展该项目的研究，可以使我国掌握同类铝合金先进成型技术[3]。

本次试验主要根据蠕变成型工艺对材料性能的要求，对7B04铝合金热轧态板材进行双级时效工艺研究，并通过力学性能、电导率和微观组织结构观察，获得最佳时效工艺，为后期蠕变成型材料提供数据参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以7B04铝合金热轧板作为预时效的研究对象，板材厚度为50 mm，化学成分如表1所示。蠕变成型要求状态为T7451，抗拉强度为490 MPa～560 MPa，屈服强度为420 MPa～500 MPa，伸长率不小于7%，电导率不小于20.88 MS/m。

表1 7B04铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of 7B04 aluminum alloy(wt/%)

1.2 试验方法

对7B04铝合金热轧板进行470 ℃60 min固溶处理，室温水冷却。根据7B04铝合金蠕变成型性能需要，进行双级时效，研究不同时效工艺对合金组织和性能的影响。时效工艺参数如表2所示[4]。

表2 时效工艺参数Table 2 Ageing process parameters

2 试验结果分析

2.1 直接二级时效和停放3h后再二级时效对7B04铝合金性能的影响

1)直接二级时效

合金经第一级120 ℃8 h时效后分别直接升温至160 ℃和180 ℃进行第二级时效处理，其力学性能随第二级时效时间的变化见图1。电导率随第二级时效时间的变化见图2。由图1中可知，当第二级时效温度为160 ℃时，在10 h～19 h时效时间内，合金的屈服强度超过了420 MPa，抗拉强度超过540 MPa；当第二级时效温度为180 ℃时，在相同的二级时效时间内，合金的屈服强度和抗拉强度比第二级时效温度为160 ℃的低，但伸长率较高。由此可见，随着二级时效温度的升高，合金的强度呈下降趋势，而塑性则有所提高，其性能结果均满足蠕变时效成型后的力学性能要求。

图1 直接二级时效后合金的力学性能随二级时效时间的变化规律Fig.1 Strength and elongation as a function of second-stage ageing time after continuous ageing

图2 直接二级时效后合金的电导率随二级时效时间的变化Fig.2 Conductivity as a function of second-stage ageing time after continuous ageing

由图2可见，在相同时效时间内，第二级时效温度较高时，合金的电导率较高；当第二级时效温度为160 ℃时，随着时效时间的延长，电导率呈上升趋势；当第二级时效温度为180 ℃时，随着时效时间的延长，电导率先增加后下降，时效16 h电导率达到最大值23.71 MS/m。

由图1和图2可见，一级时效后直接进行二级时效的情况下，随着第二级时效保温时间的延长，合金的屈服强度和抗拉强度均降低，且第二级时效温度为160 ℃与180 ℃的强度值随时效时间的延长降低趋势是相近的。

2)停放3 h后再二级时效

合金经第一级时效后出炉空冷，冷却至室温后停放3 h，再分别进行160 ℃和180 ℃第二级时效，其力学性能随第二级时效时间的变化如图3所示。电导率随第二级时效时间的变化如图4所示。

图3 停放3 h进行不同工艺二级时效后合金的力学性能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)

由图3和图4可知，随着第二级时效保温时间的延长，合金的屈服强度和抗拉强度均降低，伸长率略有提升，电导率单调升高。第二级时效温度为180 ℃的试样的伸长率和电导率明显高于时效温度为160 ℃的。

图4 停放3 h后再进行二级时效后合金的电导率随时效时间的变化规律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)

综上所述，两种时效方式的第二级时效温度和时间对合金性能影响的规律是一致的。一级时效后直接二级时效的方式，第二级时效工艺为160 ℃10 h时，时效后合金的屈服强度和抗拉强度最大，分别为457.7 MPa、568.5 MPa，电导率为21.0 MS/m；一级时效后室温停放3 h再进行二级时效，当第二级时效工艺为160 ℃10 h时，屈服强度和抗拉强度最大，分别为453.1 MPa、562.4 MPa，电导率为21.2 MS/m。由此可见，采用相同的二级时效工艺参数，与停放后再进行二级时效相比，直接二级时效合金的强度略高，电导率略低。主要原因为，在第一级时效过程中，晶内会析出大量的共格析出相粒子η′、η″相，并使基体的固溶度减小，晶格的畸变程度降低。停放后再二级时效较连续进行二级时效，会增加一级时效降温阶段及二级时效升温阶段，该过程将促使晶内相回熔，晶界相长大，使共格析出相粒子减少[5]。