镜像铣和化学铣切对2A12铝合金表面完整性与疲劳行为的影响

史建猛,张海宝,张月玲,贾天一,王新磊,陈奕志,刘道新

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司,西安 710089;2.西北工业大学民航学院,西安 710072)

0 引 言

2A12铝合金具有密度低、比强度高、加工性能好等优点,广泛用于制造飞机蒙皮等航空结构件[1]。目前,加工飞机蒙皮所应用的最广泛的技术是化学铣切(简称化铣);化铣是一种利用酸、碱、盐等化学溶液与金属产生化学反应,通过腐蚀的方法实现金属表面材料的去除,并获得需要的形状和尺寸结构件的加工方法。化铣技术具有工艺简单、加工件宏观上平整、变形量小、适用于大面积加工、无切削应力、效率高等突出优势。但化铣工艺过程繁杂,对于复杂结构难以达到精准控制,同时可能会造成铝合金表面出现晶间腐蚀、点腐蚀缺陷,不利于金属材料的疲劳性能,并且存在环境污染问题[2-3]。镜像铣是近年来发展起来的一项新型加工技术,在加工过程中刀具和支撑头如同镜像般分布于零件两侧,始终在同一法矢方向同步运动,支撑头为薄壁件提供局部支撑,提高加工区域刚性,抑制振动,减小变形[4-6];同时,支撑头上可以集成传感器,在线测量零件变形量、剩余壁厚等信息,使得加工误差实时补偿成为可能[7]。镜像铣在解决大型薄壁件的高效精密绿色加工、节能、适用材料广等方面优势突出,在替代化铣作为飞机蒙皮加工技术方面具有巨大潜力。

不同的加工工艺会对工件表面完整性和服役性能产生不同程度的影响[8]。BAYOUMI等[9]研究发现,传统铣削加工表面粗糙度对工件疲劳性能有重要影响。MADARIAGA 等[10]研究表明,铣刀尺寸对Inconel 718合金工件表面完整性和疲劳性能有明显的影响。武导侠等[11]研究发现,随着车削进给率的增大,GH4169高温合金表面粗糙度增加,疲劳寿命降低。赵文硕等[12]研究发现,在铣削过程中当刀具的磨损量大于0.15 mm 时,会严重影响FGH96合金工件的表面完整性,进而影响其疲劳寿命。季文彬等[13]研究发现,增材件经合适工艺铣削加工后,其表面完整性得到改善,可抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。JOUINI等[14]采用适当的切削工艺使工件表面粗糙度降低,由此提高其疲劳抗力。目前,有关镜像铣方面的研究主要集中在装备研发和工艺优化方面[15-21],在航空领域用于加工铝合金蒙皮的研究较少。为此,作者对比研究了金刚石刀具与硬质合金刀具镜像铣以及化铣对2A12-T4铝合金表面完整性和疲劳性能的影响规律,探究加工表面完整性与疲劳性能的内在关联机制。

1 试样制备与试验方法

试验材料为厚2 mm 的2A12-T4铝合金板,化学成分如表1所示,热处理状态为固溶+自然时效,其屈服强度为276 MPa,抗拉强度为461 MPa,断后伸长率为13.6%,弹性模量为75 GPa。在试验材料上截取尺寸如图1所示的等厚度平板试样和下陷试样,分别采用镜像铣和化铣工艺对其进行加工。

图1 等厚度平板试样和下陷试样的尺寸Fig.1 Dimension of equal thickness flat sample(a)and depression sample(b)

表1 2A12-T4铝合金的化学成分Table 1 Chemical composition of 2A12-T4 aluminum alloy

采用化铣方法对等厚度平板试样表面以及下陷试样的下陷区进行加工,其他表面保持原始材料状态。化铣加工的槽液组成为200 g·L-1氢氧化钠+50 mL·L-1三乙醇胺+30 g·L-1硫化钠+2 g·L-1添加剂(有机磷酸盐)。为了对比刀具材料对镜像铣铝合金疲劳抗力的影响,等厚度平板试样的一面采用普通硬质合金刀具进行镜像铣加工,另一面采用金刚石刀具进行镜像铣加工。下陷试样的下陷区采用金刚石刀具进行镜像铣加工,下陷的台阶过渡角曲率与化铣下陷试样保持一致;其他表面部位保持原始材料状态。试样侧面均采用普通硬质合金刀具进行传统的机械铣削加工,然后采用机械方法进行抛光处理;对试样棱边进行倒圆角处理(圆角半径0.5 mm)。试样侧面和倒圆角区的表面粗糙度Ra不大于0.4μm。

采用VEGA3 XMU 型扫描电子显微镜(SEM)观察不同工艺加工后试样的表面形貌,采用SEM附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。试样经打磨、抛光,用质量分数15%NaOH 溶液和凯勒试剂(体积分数1%HF+2.5%HNO3+1.5%HCl)溶液腐蚀后,采用VEGA3 XMU 型扫描电子显微镜观察截面显微组织。采用InfiniteFocus System G4型测量仪对试样的表面三维形貌和表面粗糙度Ra(轮廓偏差的算术平均值)、Rz(最大轮廓高度)进行表征。利用XL-640型X射线应力分析仪测试试样表面的残余应力,扫描方式为固定Ψ0(X射线入射线方位)法,Ψ0分别取0°,30°,-30°,45°,-45°,选择半高宽法定峰;选用铬靶,管电压为27 k V,管电流为6 m A,衍射晶面为(211)晶面;采用平行光束,照射面积为1 mm×2 mm,使用侧倾法进行测试。采用MHV-1000型显微硬度计测试样的截面显微硬度,利用Knoop压头,载荷为0.245 N,保载时间为20 s,在距表面50μm 范围内采用剥层法测表面硬度,距表面距离大于50μm 时测试试样剖面显微硬度。按照航空标准HB 5287-1996,采用SDS100型电液伺服疲劳试验机进行疲劳试验,采用拉-拉加载方式,正弦波形载荷,应力比R为0.06,频率为15 Hz,通过预先试验确定合适的应力水平,使同一加工状态试样的特征疲劳寿命控制在1.5×105～4×105周次范围,平行试样不少于9个。疲劳试验结束后采用VEGA3 XMU型扫描电子显微镜观察疲劳断口形貌。依据HB 7110-1994,计算不同试样的细节疲劳额定强度和细节疲劳额定强度截止值。

2 试验结果与讨论

由于等厚度平板试样和下陷试样的加工参数均一致,使得相同加工方法下不同试样的表面形貌、表面粗糙度、表面显微组织、残余应力和硬度均相同,因此仅对等厚度平板试样进行分析。由图2可以看出:化铣试样表面凹凸不平,存在点蚀坑和腐蚀产物;硬质合金刀具镜像铣试样和金刚石刀具镜像铣试样表面有明显的刀痕沟槽,但硬质合金刀具镜像铣试样表面沟槽较深,局部存在轻微脱层,金刚石刀具镜像铣试样表面平整,沟槽较浅。

图2 不同工艺加工后试样表面二维和三维形貌Fig.2 Surface 2D(a,c,e)and 3D(b,d,f)morphology of specimens processed by different processes:(a-b)chemical milling;(c-d)cemented carbide tool mirror milling and(e-f)diamond tool mirror milling

由图3可见,化铣试样的表面粗糙度最大,硬质合金刀具镜像铣试样次之,金刚石刀具镜像铣试样的表面粗糙度最小,表面粗糙度测试结果与表面形貌观察结果一致。金刚石刀具镜像铣试样的Ra分别比化铣试样和硬质合金刀具镜像铣试样降低了93.3%和90.9%,Rz分别降低了87.2%和81.4%。

图3 不同工艺加工后试样的表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of specimens processed by different processes

2.2 表层显微组织

由图4 可知:2A12-T4 铝合金组织中析出Cu Al2和Al2CuMg强化相[22];化铣试样表面产生了深度约为10μm 的点蚀坑,表层出现晶间腐蚀。微观腐蚀不均匀导致化铣试样表面凹凸不平,粗糙度较大。EDS分析发现,化铣试样表面点蚀坑底部(位置A)存在阴极析出的Cu Al2相,即点蚀坑的形成是微电池促进局部腐蚀的结果。而晶间腐蚀(位置B)则是晶界析出相与无沉淀析出带及晶粒构成的微电池造成的晶间局部加速腐蚀的结果[23-25]。化铣槽液中添加硫化纳可在一定程度上抑制点腐蚀和晶间腐蚀,但并不能根除这类局部腐蚀[26]。

图4 化铣试样的截面组织与形貌Fig.4 Section microstructure and morphology of chemical milling specimen:(a)microstructure of interior region;(b)morphology of pitting on surface and(c)morphology of intergranular corrosion on surface layer

由图5可以看出,镜像铣试样表层组织未发生明显变化,硬质合金刀具镜像铣试样表面存在机械加工的铣切缺口,而金刚石刀具镜像铣试样表面较平整,铣切痕迹较浅。

图5 硬质合金刀具镜像铣和金刚石刀具镜像铣试样的截面形貌Fig.5 Section morphology of cemented carbide tool(a)and diamond tool(b)mirror milling specimens

2.3 表层残余应力

由图6可以看到:化铣试样表层存在较低的残余拉应力,这可能是化铣腐蚀过程造成的表面缺陷及组织结构变化导致的[27-28];硬质合金刀具镜像铣试样表层存在较低的残余拉应力,分布在距表面约55 mm 范围,此后转变为较低的残余压应力;金刚石刀具镜像铣试样表层存在较大的残余压应力,随距表面距离的增大呈递减趋势。镜像铣试样表面残余应力状态与刀具加工导致的铝合金表面变形及产生的温度场有关[29]:在金刚石刀具镜像铣过程中铝合金粘刀情况较轻,表面温升小,塑性变形均匀,由此引入了较大的残余压应力场;在硬质合金刀具镜像铣过程中铝合金粘刀较明显,表面温升大,刀痕沟槽较深,由此引入了较小的残余拉应力场。

图6 不同工艺加工后试样的残余应力分布Fig.6 Residual stress distribution of specimens processed by different processes

2.4 表层硬度

由图7可以看出:化铣试样表层硬度与内部相近,小幅度的波动与表层腐蚀缺陷有关;2种刀具镜像铣试样表层的显微硬度均高于内部,随距表面距离的增大呈现递减趋势,硬化层深度约40 mm。化铣试样的表面显微硬度为148 HK,硬质合金刀具镜像铣试样和金刚石刀具镜像铣试样表面硬度差异不大,分别为239,244 HK,分别比化铣试样提高了61.5%和64.8%。在镜像铣过程中刀具对2A12-T4铝合金表面施加局部高应力铣削作用,造成表层塑性变形,引起表面位错密度增大,同时表面温升和迅速冷却导致相变及组织细化,同时引入表面残余应力,由此造成表面硬度高于内部[26-27]。

图7 不同工艺加工后试样的硬度分布Fig.7 Microhardness distribution of specimens processed by different processes

2.5 疲劳性能

化铣和镜像铣(一面硬质合金刀具加工,一面金刚石刀具加工)等厚度平板试样疲劳试验的细节疲劳额定强度截止值分别为280,270 MPa,特征疲劳寿命分别为237 346,370 870周次。在95%置信度、5%失效概率下,化铣和镜像铣等厚度平板试样的细节疲劳额定强度分别为281.0,293.0 MPa。镜像铣等厚度平板试样细节疲劳额定强度比化铣等厚度平板试样提高了4.27%。观察发现,镜像铣等厚度平板试样的疲劳源均处于硬质合金刀具加工表面,表明金刚石刀具加工表面具有更高的疲劳抗力。由此可知,金刚石刀具镜像铣取代化铣加工等厚度平板铝合金蒙皮具有明显的优势。

化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度截止值分别为220,180 MPa,特征疲劳寿命分别为237 853,256 117周次。在95%置信度、5%失效概率下,化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度分别为183.9,225.2 MPa,即金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度比化铣下陷试样提高了22.46%。由此表明,金刚石刀具镜像铣下陷试样的疲劳抗力较高,采用金刚石刀具镜像铣加工下陷铝合金蒙皮具有突出的优势。

由图8可以看出:化铣等厚度平板试样的疲劳裂纹均起源于化铣表面点蚀坑缺陷处,该区域应力集中严重;化铣下陷试样疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位表面萌生,该区域叠加了点蚀坑和过渡角处的应力集中效应;裂纹源区均呈现准解理断裂特征,裂纹从源区向内部呈放射状扩展。镜像铣等厚度平板试样的疲劳裂纹在硬质合金刀具加工的表面刀痕沟槽底部萌生,该区域应力集中严重;镜像铣下陷试样的疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位次表层萌生,这与该试样表面存在残余压应力密切相关;裂纹源区均呈现准解理断裂特征,裂纹从源区向内部呈放射状扩展。所有试样的裂纹扩展区和瞬时断裂区微观形貌无明显差异,因为这2个区域不受表面加工状态的影响。裂纹扩展区均为准解理穿晶断裂特征,瞬时断裂区则为韧窝状塑性断裂特征。

图8 不同试样的疲劳断口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphology of different specimens:(a)chemical milled equal thickness flat sample;(b)amplification of box area in Fig.(a);(c)mirror milled equal thickness flat sample;(d)amplification of box area in Fig.(c);(e)chemical milled depression sample;(f)amplification of box area in Fig.(e);(g)diamond tool mirror milled depression sample;(h)amplification of box area in Fig.(g)

2.6 分析与讨论

金属材料的疲劳性能既与其成分和组织有关,同时也与其表面完整性密切相关[28-33]。表面完整性是表面几何、物理、化学及力学特性的综合表现,具体包括表面形态特征、粗糙度、纹理、成分、组织、硬度、残余应力、变形状况等。镜像铣和化铣对铝合金的表面完整性影响不同,因而对其疲劳抗力的影响也存在差异;即使同为镜像铣,所采用的刀具不同,加工试样的表面完整性和疲劳抗力也存在明显不同。

化铣试样表面存在点蚀坑和晶间腐蚀损伤,表面粗糙度大,同时存在残余拉应力,这些因素均会促进化铣2A12-T4铝合金表面局部应力集中,从而促进疲劳裂纹的萌生与扩展,因此与镜像铣试样相比,化铣试样的疲劳抗力明显较低。镜像铣等厚度平板试样疲劳裂纹源位于硬质合金刀具加工表面的刀痕沟槽部位,这是因为这些部位沟槽深,应力集中严重,同时存在残余拉应力,从而促进了疲劳裂纹的萌生;但该试样的表面粗糙度低于化铣试样,同时不存在点蚀坑和晶间腐蚀损伤,并且其硬度高于化铣试样,疲劳裂纹萌生阻力较高,因此其疲劳抗力仍然高于化铣试样。

金刚石刀具镜像铣2A12-T4铝合金试样表面粗糙度低,刀痕沟槽浅,表面存在数值较大和一定深度分布的残余压应力以及呈梯度分布的硬化层,且组织无明显损伤,可知金刚石刀具镜像铣试样获得了良好的表面完整性,试样的疲劳裂纹萌生抗力和扩展阻力均较高,因而表现出比传统硬质合金刀具镜像铣试样和化铣试样更高的疲劳抗力。UDDIN等[34]研究发现,在铣切过程中,刀具的磨损程度是影响加工试样表面完整性的主要因素,而金刚石刀具在加工过程中磨损程度小,因此工件表面质量好。

采用金刚石刀具对下陷试样进行单面镜像铣时,所获得的良好表面完整性缓解了过渡角区域局部应力集中,故对疲劳抗力的有利影响更加凸显,因此金刚石刀具镜像铣试样的细节疲劳额定强度比化铣试样提高了22.46%。MURAKAMI等[35]利用表面形貌特征参数、残余应力和表面显微硬度,建立了试样表面完整性与疲劳性能之间的映射关系,定量表征了通过引入表面残余压应力、降低表面粗糙度、提高表面硬度来改善工件表面完整性,提高金属工件疲劳抗力的试验现象,这也验证了作者的研究成果。

综上,金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化铣试样更高的疲劳抗力,这归因于金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了数值较大、分布较深的残余压应力,表面硬度高于内部,表面粗糙度较低,表层组织未受到破坏,导致裂纹萌生阻力和扩展阻力均得到提高。化铣试样表面存在的点蚀坑和晶间腐蚀缺陷及残余拉应力促进了疲劳裂纹的萌生,硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力也促进了疲劳裂纹的萌生。因此,采用金刚石刀具镜像铣取代化铣应用于飞机铝合金蒙皮加工具有突出的优势。

3 结 论

(1) 化铣2A12-T4铝合金试样表面存在点蚀坑、晶间腐蚀缺陷,表面粗糙度较大,表面存在残余拉应力,表面硬度为148 HK,与内部硬度相近。硬质合金刀具镜像铣试样表面的硬度为239 HK,明显高于化铣试样,表面粗糙度低于化铣试样,但表面存在较深的刀痕沟槽以及一定的残余拉应力。金刚石刀具镜像铣试样表面硬度为244 HK,显著高于化铣试样,而表面粗糙度则显著低于化铣和硬质合金刀具镜像铣试样,同时表面存在数值较大的残余压应力。

(2) 化铣和镜像铣等厚度平板试样的细节疲劳额定强度分别为281.0,293.0 MPa,化铣等厚度平板试样的疲劳源位于点蚀坑缺陷处,而镜像铣等厚度平板试样位于硬质合金刀具加工表面;化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度分别为183.9,225.2 MPa,化铣下陷试样疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位表面萌生,而镜像铣下陷试样则在过渡角部位次表层萌生。

(3) 金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化铣试样更高的疲劳抗力,这归因于金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了数值较大、分布较深的残余压应力,同时使得表面硬度高于内部,粗糙度较低,表层组织未受到破坏,最终导致裂纹萌生阻力和扩展阻力均得到提高。