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2524-T3鋁合金作為第四代航空鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的疲勞性能和良好的耐蝕性能，主要用于制造飛行器蒙皮、機(jī)身面板以及薄壁曲零件。對(duì)于厚度為0.6~2.0mm的2524-T3鋁合金薄板類變截面零件，由于零件過(guò)薄，機(jī)械加工難以滿足其加工精度，而化學(xué)銑切(化銑)工藝是一 種更適合的加工方法。化學(xué)銑切是指將薄板預(yù)先確定的部分區(qū)域經(jīng)化學(xué)溶液腐蝕至目標(biāo)厚度，從而獲得滿足加工尺寸和精度要求的變截面的工藝。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，薄板類變截面零件，尤其是制孔后的化學(xué)銑切零件的需求量大幅增長(zhǎng)，推動(dòng)了化學(xué)銑切的研究。

 

目前，已有大量有關(guān)2A12、2A97、2195等鋁合金薄板的化學(xué)銑切工藝優(yōu)化和加工后材料性能的研究報(bào)道?；瘜W(xué)銑切過(guò)程需選擇合適的化銑速率和氫氧化鈉濃度，控制鋁離子濃度，調(diào)整化銑溫度和浸蝕比等，使薄板均勻減薄并保持材料性能。對(duì)于鋁合金材料，需控制銅、鎂含量及兩者比值，以減少均勻化后未回溶的粗大θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg)、保留晶內(nèi)小尺寸的彌散T相(Al20Cu2Mn3)、降低表面粗晶的形成，從而獲得較高的表面質(zhì)量 ,并且還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能 ,防止化學(xué)銑切導(dǎo)致表面嚴(yán)重腐蝕和剩余強(qiáng)度過(guò)低。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于2524鋁合金化學(xué)銑切后性能的研究較少。為此，作者對(duì)比研究了化學(xué)銑切前后2524-T3鋁合金薄板的表面形貌、拉伸性能和疲勞性能 ,提出了改善化學(xué)銑切  后薄板綜合性能的方法 , 以期為薄板類零件化學(xué)銑切工藝優(yōu)化提供參考。

 

1、  試樣制備與試驗(yàn)方法

 

試驗(yàn)材料為厚度為1.8mm的2524-T3鋁合金非包鋁薄板，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.06Si，0.12Fe，4.3Cu，1.5Mg，0.5Mn，余Al。根據(jù)HB/Z5125-2008進(jìn)行化學(xué)切試驗(yàn)，化銑液組成為150g·L-1氫氧化鈉+20g·L-1硫化鈉+4g·L-1三乙醇胺，控制化學(xué)銑切過(guò)程中鋁離子質(zhì)量濃度為30g·L-1，溫度為90~100℃，將薄板加工至原厚度的1/2。采用SPMI400D型表面粗糙度儀測(cè)定化學(xué)銑切前后試樣晶粒主變形方向(L向)和垂于晶粒主變形方向(LT向)的表面粗糙度。分別沿L向和LT向截取如圖1所示的板狀拉伸試樣，采用Instron 5887型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 228.1-2021進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。采用JSM-7001F型場(chǎng)發(fā)射掃描電 鏡觀察微觀形貌，并采用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。制取如圖2所示的中心孔疲勞試樣，模擬零件制孔后的受力狀態(tài)，應(yīng)力集中系數(shù)Kt為2.3。按照HB5287-1996進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，在距試樣兩端30mm處進(jìn)行夾持，頻率為100Hz，應(yīng)力比R為0.1,采用升降試驗(yàn)法，循環(huán)107次不斷則判定為未發(fā)生斷裂。采用JSM-7001F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察疲勞斷口表面及截面形貌。

圖1 板狀拉伸試樣尺寸

 

圖2 中心孔疲勞試樣尺寸

 

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2. 1  對(duì)表面形貌的影響

 

2524-T3鋁合金薄板化學(xué)銑切前沿L、LT方向的表面粗糙度分別為(0.98±0.04)，(1.02±0.05)μm，化學(xué)銑切后分別為(1.19±0.06)μm，(1.37±0.08)μm，分別提高了 21.4%，34.3%。由圖3結(jié)合EDS分析結(jié)果可知：化學(xué)銑切前薄板表面存在5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg化合物及氧化物，化學(xué)銑切后表面出現(xiàn)大量直徑為10~50μm的淺表腐蝕坑，在腐蝕坑內(nèi)和周圍出現(xiàn)部分第二相剝離后殘留的微孔洞。這是因?yàn)樵诨瘜W(xué)銑切過(guò)程中，薄板表面尺寸較小的晶粒被完全腐蝕，而較大的晶粒僅發(fā)生部分腐蝕，殘存的晶粒和晶界在表面形成深淺不一的腐蝕坑。此外，由于試驗(yàn)合金內(nèi)存在的微米級(jí)第二相θ相和S相的電極電位相比鋁基體更正，而成為陰極，鋁基體成為陽(yáng)極并優(yōu)先發(fā)生腐蝕而逐漸溶解，θ相和S相逐漸從基體剝離，因此在部分腐蝕坑中可觀察到第二相粒子被剝離后遺留的微孔洞。化學(xué)銑切導(dǎo)致的腐蝕坑和微孔洞是造成表面粗糙度增大的主要原因。

 

圖3 化學(xué)銑切前后2524-T3鋁合金薄板的表面形貌

 

2.2  對(duì)拉伸性能的影響

 

由表1可見：化銑前后2524-T3鋁合金薄板的室溫拉伸性能相差不大，均保持在較高水平，屈服強(qiáng)度不低于330MPa，抗拉強(qiáng)度不低于460MPa，斷后伸長(zhǎng)率保持在20%以上，表明化學(xué)銑切對(duì)薄板的拉伸性能無(wú)顯著影響。這是因?yàn)榛瘜W(xué)銑切僅起到減薄作用，并未改變顯微組織特征；而拉伸性能對(duì)材料的表面粗糙度敏感性相對(duì)較低，與顯微組織特性相關(guān)性更大，化學(xué)銑切對(duì)薄板拉伸性能無(wú)顯著影響。

 

表 1 化銑前后2524-T3鋁合金薄板的拉伸性能

 

2.3  對(duì)疲勞性能的影響

 

由圖4可知，化銑前后2524-T3鋁合金薄板的疲勞強(qiáng)度分別為153.5，138.3MPa，化銑后疲勞強(qiáng)度相比化銑前下降了9.9%。疲勞強(qiáng)度的下降可能與表面粗糙度有關(guān)，化學(xué)銑切產(chǎn)生的腐蝕坑使表面粗糙度提高，在承受交變載荷時(shí)腐蝕坑和大量微孔洞聚集處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而降低了疲勞性能。此外，薄板在制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這些壓應(yīng)力會(huì)對(duì)微孔洞和微裂紋等制造缺陷起到一定的壓合作用，雖然對(duì)拉伸性能無(wú)明顯影響，但對(duì)疲勞性能有益；經(jīng)化學(xué)銑切減薄后，殘余壓應(yīng)力釋放，壓合作用減弱，微裂紋和微孔洞易成為疲勞裂紋源，最終導(dǎo)致疲勞性能下降。

 

圖4 化銑前后中心孔疲勞試樣疲勞強(qiáng)度升降圖

 

由圖5可知，在交變載荷的作用下，中心孔疲勞試樣在垂直于受力方向的孔邊緣處發(fā)生了橫斷，這應(yīng)是孔周圍應(yīng)力集中導(dǎo)致的。由圖6可見：疲勞裂紋源位于孔壁和試樣表面合圍而成的區(qū)域；裂紋萌生后向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，在裂紋擴(kuò)展區(qū)可觀察到大量的韌窩，第二相粒子數(shù)量眾多且尺寸集中在5~10μm，裂紋擴(kuò)展路徑清晰，可觀察到明顯的疲勞條帶；瞬斷區(qū)主要為粗糙的“晶粒”狀結(jié)構(gòu)，主要呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

 

 

圖5 化銑后中心孔疲勞試樣宏觀斷裂形貌

 

 

圖6 化銑后中心孔疲勞試樣的疲勞斷口形貌

 

綜上所述，化學(xué)銑切會(huì)造成疲勞性能下降。根 據(jù)其影響機(jī)制，提出下述改進(jìn)方法：

 

在2524-T3鋁合金的成分范圍內(nèi)，適當(dāng)調(diào)整銅、鎂含量，或是添加稀土元素，從而改善第二相的成分和分布，減少富銅、富鎂粗大第二相的生成；

 

優(yōu)化2524-T3鋁合金薄板的軋制過(guò)程和熱處理工藝，減少鑄錠均勻化或固溶過(guò)程中未回溶的粗大結(jié)晶相，降低化學(xué)銑切前后的表面粗糙度差異 ;

 

可對(duì)化學(xué)銑切后的薄板進(jìn)行表面噴丸處理，使表面重新產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而在一定程度上改善疲勞性能。

 

3、結(jié)  論

 

2524-T3鋁合金薄板經(jīng)化學(xué)銑切后的表面粗糙度提高?；瘜W(xué)銑切前薄板表面存在尺寸為 5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg化合物及氧化物，化學(xué)銑切后薄板表面出現(xiàn)大量直徑為 10~50μm的淺表腐蝕坑，還有第二相AlCuMg粒子部分溶解剝離殘留的微孔洞。

 

化銑前后薄板的室溫拉伸性能差異較小 , 均保持較高水平，屈服強(qiáng)度不低于330MPa，抗拉強(qiáng)度不低于460MPa，斷后伸長(zhǎng)率保持在20%以上。

 

化銑前后2524-T3鋁合金薄板的疲勞強(qiáng)度 分別為153.5，138.3MPa，化銑后疲勞強(qiáng)度相比化銑前下降了9. 9%。

 

作者：雷越,陳高紅,郝敏

 

工作單位：中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 

 

來(lái)源：《機(jī)械工程材料》2024年5期