航空用2324-T39高損傷容限鋁合金板材關(guān)鍵制備技術(shù)研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：Al-Cu-Mg系航空用鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件中，是我國(guó)C919、ARJ21、Y20等軍民用飛機(jī)制備的關(guān)鍵金屬材料;2324-T39鋁合金屬于Al-Cu-Mg系合金，其生產(chǎn)過程中關(guān)鍵制備技術(shù)環(huán)節(jié)有熔鑄、均勻化、熱軋、熱機(jī)械處理，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)材料的最終力學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：2324-T39鋁合金，關(guān)鍵制備技術(shù);力學(xué)性能

1.1背景

航空用鋁合金板材主要用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件中，是我國(guó)C919、ARJ21、Y20等軍民用飛機(jī)制備的關(guān)鍵金屬材料，是工信部重點(diǎn)推動(dòng)的有色金屬新材料。航空用鋁合金中的Al-Cu-Mg系鋁合金因高損傷容限性能用于飛機(jī)下機(jī)身、下機(jī)翼結(jié)構(gòu)件，它也是強(qiáng)基工程一系列“卡脖子”重點(diǎn)突破材料之一。Al-Cu-Mg系鋁合金主要的合金元素為Cu和Mg，此外還含有一定量的Mn以及少量的Fe、Si，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。典型的Al-Cu-Mg合金主要有2X24系列。2024鋁合金是最早的用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的鋁合金之一，但其抗損傷容限性能較低。上世紀(jì)80年代中期，為獲得良好韌性和強(qiáng)度結(jié)合的鋁合金，美國(guó)波音公司在2024合金基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化合金元素，提高合金純度，開發(fā)出T39處理工藝，同時(shí)研制成功2324-T39合金厚板[1]，并獲得美國(guó)專利。2324-T39與2024-T351合金厚板相比，屈服強(qiáng)度明顯提高，而抗拉強(qiáng)度、疲勞性能又不低于后者。該合金已成為波音飛機(jī)最有特色的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，開始全面替代2024-T351產(chǎn)品，由于性能優(yōu)越，該合金已成為目前民用客機(jī)理想的主要結(jié)構(gòu)用鋁合金之一[2-3]，而國(guó)內(nèi)除對(duì)應(yīng)于2024的2A12鋁合金外，僅對(duì)2124、2324進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，還沒有形成2324-T39相應(yīng)地高損傷容限鋁合金板材研發(fā)制造及生產(chǎn)體系。

1.2Al-Cu-Mg系鋁合金中的微觀組織

Al-Cu-Mg系合金的成分設(shè)計(jì)及關(guān)鍵制備技術(shù)的突破，是以控制微觀組織的方式實(shí)現(xiàn)的。Al-Cu-Mg系合金總是由三種主要相構(gòu)成：微米級(jí)粗大金屬化合物，納米級(jí)的時(shí)效析出相（晶內(nèi)、晶界），亞微米的彌散粒子。

①微米級(jí)的粗大金屬化合物主要有在合金凝固過程中形成的含雜質(zhì)元素Fe、Si的Al7Cu2Fe、AlFeMnSi等初生相，以及非平衡凝固形成的θ（Al2Cu）、S（Al2CuMg）等。這些相基本上形成于鑄造之后的凝固過程或者鑄造之后的加工過程，在隨后的熱變形過程中，隨著合金的塑性變形而發(fā)生破碎、變形，并沿著變形方向排列成帶狀分布。粗大初生相大而硬脆，在相周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在較低的應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生開裂，成為裂紋源降低合金的斷裂韌性。

②把過渡金屬M(fèi)n元素添加到鋁合金中，鑄錠均勻化過程中，Mn與基體形成亞微米級(jí)的彌散相粒子。彌散相對(duì)合金的晶粒形狀以及再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)有影響，而晶粒結(jié)構(gòu)大大影響合金的性能。

③固溶淬火后鋁合金得到亞穩(wěn)定的過飽和固溶體。因?yàn)槭莵喎€(wěn)態(tài)，所以會(huì)自發(fā)的進(jìn)行分解，在室溫下其自發(fā)分解就是自然時(shí)效;對(duì)于2x24鋁合金，主要的析出序列為：SSS→GPB→S″→S′→S;這些細(xì)小彌散的納米級(jí)時(shí)效析出相是提高產(chǎn)品力學(xué)性能的關(guān)鍵。

1.3關(guān)鍵制備技術(shù)

高損傷容限鋁合金板材工藝路線為：熔鑄→均熱→鋸切→銑面→熱軋→熱機(jī)械處理→鋸切→包裝。關(guān)鍵制備技術(shù)是熔鑄、均熱、熱軋、機(jī)械熱處理，其中機(jī)械熱處理主要為固溶淬火、冷加工和時(shí)效。

（1）熔鑄及均熱熔鑄是合金最為關(guān)鍵的工序，鑄錠質(zhì)量的好壞決定著航空產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。鑄造后的鑄錠需要進(jìn)行均勻化熱處理，主要目的是消除網(wǎng)狀共晶組織。2324合金凝固過程中會(huì)形成低熔點(diǎn)三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），雖然均勻化對(duì)合金組織的影響機(jī)理清晰，但不同均勻化工藝對(duì)組織中可溶性初生相回溶效果影響的相關(guān)研究并不多見。均勻化是基于高溫下的保溫行為，本質(zhì)上是原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，遵循第一擴(kuò)散定律，均勻化過程中主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間，均勻化過程中，擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系可用Arrenius公式表示如下：D=D0exp式中：D是與溫度無關(guān)的系數(shù);Q為擴(kuò)散激活能;R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;從公式可以看出，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，原子擴(kuò)散速度越快，偏析越容易消除，因此為了加速均勻化過程，應(yīng)在確保不過燒的前提下，提高均勻化溫度。

（2）熱軋

熱軋是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的熱加工方式，是生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的一步，對(duì)最終板材的性能有著很大影響。實(shí)際上熱軋分為加熱和軋制兩個(gè)過程。加熱是將鋸切、銑面后的鑄錠加熱到再結(jié)晶溫度以上，保證熱軋的順利進(jìn)行。熱軋是將鑄造組織軋制成拉長(zhǎng)的帶狀組織。在變形過程中會(huì)伴隨著動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，通過控制熱軋前的加熱制度、開軋溫度、軋制道次、軋制速度和終軋溫度來調(diào)控板材的組織以及軋后板材的儲(chǔ)能大小，為后續(xù)的固溶處理做好準(zhǔn)備;同時(shí);熱軋會(huì)使組織產(chǎn)生各向異性，組織的各向異性最終體現(xiàn)在板材性能的各向異性上。

（3）熱機(jī)械處理

熱機(jī)械處理（Thermo-mechanicaltreatment，TMT）是一種合理地利用塑性變形和鋁合金的脫溶沉淀相變來改善其塑韌性，同時(shí)保證強(qiáng)度不降低的處理方法。根據(jù)脫溶沉淀相的析出可分為高溫析出的中間熱處理和低溫時(shí)效析出的最終熱機(jī)械處理。通常熱機(jī)械處理是通過熱處理形成彌散分布的粒子，這些粒子釘扎變形過程中的位錯(cuò)，形成相互纏結(jié)的位錯(cuò)胞壁，促進(jìn)最終的時(shí)效析出。在本研究中，為方便工業(yè)化大生產(chǎn)，更有利的方式是采用“固溶淬火+（自然時(shí)效）+預(yù)變形+自然時(shí)效”的方式進(jìn)行，這可看作是低溫析出的最終熱機(jī)械處理過程。

熱軋板材經(jīng)固溶處理及隨后的快速冷卻，即為固溶淬火。固溶處理的原則是，在不過燒的情況下，將合金中殘留的一次相及在均勻化退火或熱軋過程中形成的二次相盡可能多地溶入基體，得到過飽和的固溶體。為后續(xù)冷變形后時(shí)效析出作準(zhǔn)備，過飽和度越高，時(shí)