隨著鋁合金材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模與技術(shù)水平方面不斷突破，2019年我國(guó)鋁產(chǎn)量居世界首位。我國(guó)自行研制的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金、第三代鋁鋰合金、高性能鋁合金型材的性能均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域不斷走在世界前列。需要指出的是，雖然我國(guó)已經(jīng)可以自主生產(chǎn)航空包鋁合金，但是與美國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)的航空包鋁合金在損傷容限性能、最大容許變形量，還有板材的延展性等關(guān)鍵性能上還有一定的差距，在航天飛機(jī)的部分關(guān)鍵材料、核心零件部分仍不能自給。為解決鋁合金材料的“卡脖子”問(wèn)題，仍需提高我國(guó)的自主創(chuàng)新能力，建立產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、密切合作機(jī)制，縮短生產(chǎn)周期，形成持續(xù)創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)從材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。

1.   鋁合金發(fā)展現(xiàn)狀

鋁作為地殼中含量最多的金屬元素，直到19世紀(jì)才被人類使用，因鋁具有密度小、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)良特性，如今鋁的產(chǎn)量已超過(guò)銅，成為產(chǎn)量排名第二的金屬。金屬鋁較為活潑，在自然界中很難以單質(zhì)的形態(tài)存在，通常以氧化物/化合物的形式存在。質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好是金屬鋁的兩大主要優(yōu)勢(shì)，金屬鋁及其合金也因此成為航空航天領(lǐng)域的理想材料。

純鋁材料的強(qiáng)度較低，自身力學(xué)性能較差，研究者嘗試在純鋁中添加特定含量的其他金屬元素制備鋁合金來(lái)改變純鋁的物理化學(xué)性質(zhì)，使鋁合金材料既擁有純鋁的輕質(zhì)、導(dǎo)熱等特性，又具有優(yōu)異的強(qiáng)度及綜合力學(xué)性能。

1906年，德國(guó)科學(xué)家Alfred在鋁中加入少量的Mg和Cu，制備得到堅(jiān)韌的Al-Cu-Mg鋁合金材料，通過(guò)時(shí)效處理來(lái)提升自身的性能[1-2]。初期，美鋁公司發(fā)明生產(chǎn)的Al-8Cu合金材料被萊特兄弟用在第一架飛機(jī)上作為曲軸箱體材料，這也是鋁合金首次應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。隨著對(duì)鋁合金材料研究的深入，鋁合金的強(qiáng)度不斷提升，開(kāi)始得到全球航空工業(yè)界的普遍重視，高強(qiáng)鋁合金以其優(yōu)異的綜合性能在商用飛機(jī)上的使用量已經(jīng)達(dá)到其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80%以上。

鋁合金中元素種類以及含量配比的不同會(huì)產(chǎn)生具有不同性能的材料。鋁合金按照成分組成可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，其中變形鋁合金對(duì)成分要求較高，性能也更加優(yōu)異。按照主添加元素的不同可以將變形鋁合金分為七種系列，其中2xxx系和7xxx系鋁合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能而廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。

2.   飛機(jī)蒙皮材料的選擇

飛機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一個(gè)組成部分都需要針對(duì)其功能選擇特定材料，其中飛機(jī)表面材料也被稱為蒙皮材料，由于其直接與大氣接觸，對(duì)材料性能要求更為嚴(yán)格。隨著近些年航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)飛行速度越來(lái)越快，超音速的飛行時(shí)速已經(jīng)可以達(dá)到2.2 Ma（馬赫）以上，在飛行過(guò)程中機(jī)身局部區(qū)域會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于150 ℃以上的高溫，這對(duì)飛機(jī)蒙皮材料的高溫服役性能提出更高的要求。7xxx系列鋁合金常溫下具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但是其性能隨著溫度的升高衰減較為嚴(yán)重，無(wú)法滿足飛機(jī)表面蒙皮材料的使用需求。2024鋁合金雖然室溫下機(jī)械性能不及7050鋁合金，但其高溫服役性能較好，研究指出當(dāng)工作溫度超過(guò)150 ℃時(shí)，2024鋁合金的機(jī)械性能會(huì)超過(guò)7050鋁合金，因此其常用于飛機(jī)蒙皮材料[3]。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中蒙皮材料直接與高空大氣接觸，易被腐蝕，因而在滿足高溫服役性能的同時(shí)也要充分考慮到耐腐蝕性能。2024鋁合金的主添加元素為Cu，當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%時(shí)，鋁合金基體中的析出相以Al2Cu和Al2CuMg為主，析出相附近區(qū)域極易出現(xiàn)貧Cu區(qū)。因貧Cu區(qū)與析出相間電極電位差距較大，極易發(fā)生晶間腐蝕[4]。因此2024鋁合金的耐蝕性較差，目前工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的處理手段是熱軋?zhí)幚黼A段在2024鋁合金表面軋制一層純鋁以起到提升耐腐蝕性能以及陽(yáng)極保護(hù)的作用[5]。高純鋁包裹在合金外表面，由于鋁是活潑金屬，與空氣接觸的部分會(huì)形成一層致密的氧化鋁薄膜，從而對(duì)合金起到良好的耐腐蝕保護(hù)。此外，因?yàn)榘X層相較于2A12鋁合金基體的電勢(shì)更高，起到了陽(yáng)極保護(hù)的作用，即使材料表面包鋁層出現(xiàn)了細(xì)小的裂痕仍然可以對(duì)鋁合金基體合金起到保護(hù)作用[6]。

3.   鋁合金包鋁工藝

由于純鋁較軟，2024為硬鋁合金，二者物理化學(xué)性質(zhì)差異較大，直接在2024鋁合金表面軋制一層純鋁會(huì)導(dǎo)致包鋁不均勻、包鋁層斷裂等缺陷，因此對(duì)2024鋁合金的包鋁工藝有一定要求。

在2024鋁合金加工過(guò)程中，合金板材的包鋁層處理是在熱軋初期完成的。板材包鋁層材料選取的材料為1050鋁合金（成分為Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%~0.3%，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%~0.3%，且Fe元素與Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和不得大于0.45%）。熱軋前對(duì)2024和1050鋁合金間的接觸面進(jìn)行清潔處理，去除表面油污、鋁粉后將包鋁板材放置在合金鑄塊上、下表面，為了防止軋制板帶在軋制過(guò)程中產(chǎn)生裂邊現(xiàn)象，鑄塊在軋制前會(huì)放置兩個(gè)側(cè)面包鋁板；熱軋過(guò)程中對(duì)側(cè)面進(jìn)行滾邊軋制，經(jīng)過(guò)幾個(gè)道次使得板材坯料側(cè)面焊接。側(cè)面的純鋁填充了板材邊部合金裂紋，增大了板帶邊部的塑性，減少了中溫軋制和冷軋時(shí)的裂邊、斷帶現(xiàn)象。包鋁層放置位置如圖1(a)所示，放置好之后，熱軋厚合金板帶經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)路送至冷軋機(jī)，當(dāng)板材溫度低于230 ℃時(shí)進(jìn)行軋制，軋后卷取。之后剪切為板材或者經(jīng)熱處理后再進(jìn)行冷軋?zhí)幚怼８鶕?jù)國(guó)標(biāo)GB167—82“可熱強(qiáng)化的鋁合金板”中對(duì)于鋁合金板材包鋁層的詳細(xì)要求，包鋁層要求一定的包裹率。包裹率是包鋁層質(zhì)量的重要指標(biāo)。不同的材料使用環(huán)境一般會(huì)對(duì)包鋁層的包裹率提出不同的要求。圖1(b) 為包鋁層示意圖。

式中，A為包鋁層厚度；B為合金層厚度。

4.   鋁合金包鋁板熱處理

熱軋后鋁合金包鋁板仍不能滿足使用要求，需要進(jìn)行熱處理以提高機(jī)械性能。常見(jiàn)熱處理包括退火處理和固溶處理。退火處理是把鋁合金加熱到一定溫度后保溫以消除機(jī)械加工引起的內(nèi)應(yīng)力，改善鋁合金的塑性。固溶是把鋁合金加熱到較高的溫度后，保溫一段時(shí)間，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解，然后淬入水中急冷，部分可溶相在后續(xù)時(shí)效過(guò)程均勻彌散析出形成強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度。

物質(zhì)中的任何原子都在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，提高溫度后，原子運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散能力增強(qiáng)。2024鋁合金中主添加元素Cu在Al中的擴(kuò)散能力在420 ℃以下受溫度影響較小，高于420 ℃時(shí)急劇增高。在鋁合金包鋁板的退火和固溶過(guò)程中退火溫度一般在300~400 ℃之間，此時(shí)Cu的擴(kuò)散能力較弱，鋁合金基體中的Cu元素不會(huì)擴(kuò)散至包鋁層中。而固溶溫度則可以達(dá)到500 ℃左右，在該溫度下Cu的擴(kuò)散能力強(qiáng)，會(huì)從基體中擴(kuò)散至包鋁層中，污染包鋁層，進(jìn)而影響包鋁板的耐腐蝕性能。因此對(duì)于固溶處理的工藝參數(shù)有嚴(yán)格要求。

4.1   鋁合金包鋁板固溶處理

2024鋁合金固溶時(shí)，需要通過(guò)控制溫度和時(shí)間盡可能使合金中的強(qiáng)化元素充分回溶進(jìn)入基體，但是固溶溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致Cu從基體中擴(kuò)散至包鋁層中，污染包鋁層；固溶溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短則會(huì)導(dǎo)致可溶相不完全回溶。因此需要確定鋁合金包鋁板固溶處理的最佳溫度和時(shí)間。

圖2為固溶溫度495 ℃時(shí)，保溫分別為5 min和45 min的鋁合金包鋁板中2024鋁合金基體與包鋁層的界面形貌。從圖中可以看出，在相同固溶溫度下，隨著固溶時(shí)間的增長(zhǎng)，2024鋁合金基體中的Cu元素會(huì)逐漸擴(kuò)散進(jìn)入包鋁層中。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶保溫時(shí)間為5 min時(shí)，此時(shí)固溶保溫時(shí)間較短，基體與包鋁層之間存在清晰的界面；當(dāng)固溶保溫時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，2024鋁合金基體中的Cu元素已經(jīng)大量擴(kuò)散至包鋁層。

圖3為固溶時(shí)間10 min，固溶溫度分別為475 ℃和505 ℃的鋁合金包鋁板中2024鋁合金基體與包鋁層的界面形貌。從圖中可以看出，在固溶時(shí)間10 min下，隨著固溶溫度的升高，2024鋁合金基體與包鋁層之間的界面一直清晰，僅在界面處存在少量的Cu擴(kuò)散，包鋁層中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的污染現(xiàn)象。推測(cè)這可能是因?yàn)楣倘軠囟鹊纳邥?huì)導(dǎo)致Cu原子在Al中擴(kuò)散能力增強(qiáng)，但是在較短的固溶時(shí)間下，Cu元素來(lái)不及從2024鋁合金基體中擴(kuò)散深入至包鋁層中。

因此，對(duì)鋁合金包鋁板進(jìn)行固溶處理的過(guò)程中，在較短的固溶時(shí)間內(nèi)，固溶溫度對(duì)于2024鋁合金基體與包鋁層界面形貌影響不大；而在相同的固溶溫度下，固溶時(shí)間的增加能顯著促使2024鋁合金基體中的Cu擴(kuò)散進(jìn)入包鋁層。Cu的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致包鋁層受到嚴(yán)重污染，無(wú)法在表面形成均勻致密的氧化鋁薄膜，降低了其對(duì)于鋁合金基體的保護(hù)效果。同時(shí)Cu元素的擴(kuò)散導(dǎo)致包鋁層和2024鋁合金基體的電勢(shì)差減小，削弱包鋁層的陽(yáng)極保護(hù)作用。另外，Cu元素的擴(kuò)散會(huì)使2024鋁合金基體中的主添加元素含量降低，導(dǎo)致鋁合金包鋁板的機(jī)械性能下降。通常Cu元素最大擴(kuò)散深度低于包鋁層厚度的75%時(shí)對(duì)合金的影響較小，所以鋁合金包鋁板的固溶處理時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

4.2   鋁合金包鋁板的變形處理

固溶處理后的鋁合金包鋁板在機(jī)械性能以及耐腐蝕性能等方面均已到達(dá)航空飛機(jī)蒙皮材料的使用標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際使用中，鋁合金包鋁板需要進(jìn)行一定程度的變形處理，以滿足飛機(jī)蒙皮的結(jié)構(gòu)要求。由于鋁合金包鋁板中的2024鋁合金基體與包鋁層機(jī)械性能差異較大，在整體材料不斷裂的情況下，過(guò)大的變形量仍會(huì)導(dǎo)致包鋁層的開(kāi)裂，圖4為鋁合金包鋁板在經(jīng)過(guò)一定程度變形后的界面形貌，此時(shí)板材整體沒(méi)有斷裂，但是包鋁層由于近基體側(cè)和外表面?zhèn)茸冃尾町愝^大而發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能無(wú)法滿足使用需求（圖5）。

因此，需要針對(duì)鋁合金包鋁板材料的特性，結(jié)合飛機(jī)蒙皮材料的結(jié)構(gòu)要求等因素，制定最大容許變形范圍，也就是該材料發(fā)生變形后包鋁層不被破壞的最大變形量。

通過(guò)探究變形量與鋁合金包鋁板表面形貌的關(guān)系，可以確定其最大容許變形范圍。圖6為相同固溶處理工藝下鋁合金包鋁板表面形貌隨變形量的變化，圖中顏色代表板材表面的高度，其中紅色代表凸起程度，藍(lán)色代表凹陷程度。圖6（a）為變形量為0%時(shí)鋁合金包鋁板的表面形貌，此時(shí)板材表面相對(duì)較為光滑，呈有規(guī)律的線狀凸起及凹陷；圖6（b）為變形量為20%時(shí)鋁合金包鋁板的表面形貌，此時(shí)板材表面較為粗糙，表面均勻性下降，呈無(wú)規(guī)律的點(diǎn)狀凸起及凹陷，形如橘皮。這種橘皮表面形貌是由于變形量過(guò)大，鋁合金包鋁板2024鋁合金基體與包鋁層變形量不一致導(dǎo)致包鋁層開(kāi)裂，從而使鋁合金包鋁板的耐腐蝕性能下降，無(wú)法滿足使用需求。

對(duì)不同變形量下的鋁合金包鋁板表面粗糙度進(jìn)行定量檢測(cè)，如圖7所示為相同固溶處理?xiàng)l件下鋁合金包鋁板表面粗糙度與變形量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著變形量的增加，鋁合金包鋁板表面粗糙度對(duì)應(yīng)增加，二者基本呈現(xiàn)出線性的增長(zhǎng)關(guān)系。

通常認(rèn)為在使用的過(guò)程中變形量最大可接受范圍是在12%~16%之間，當(dāng)板材變形量大于16%之后板材表面的形貌已經(jīng)出現(xiàn)較大的橘皮缺陷，并且從金相組織觀察可以看出，表面包鋁層會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)甚至鋸齒狀的裂痕，雖然由于陽(yáng)極保護(hù)的原因此時(shí)包鋁層對(duì)板材基體還有一定的保護(hù)作用，但是此時(shí)的保護(hù)作用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到飛機(jī)蒙皮的使用標(biāo)準(zhǔn)。

5.   結(jié)束語(yǔ)

2024鋁合金包鋁軋制后的固溶處理最佳溫度為495 ℃，低于該溫度的條件下由于溫度過(guò)低導(dǎo)致合金無(wú)法完全固溶，溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致性能下滑。1.5 mm厚的鋁合金包鋁板材的最佳固溶時(shí)間為35 min，固溶處理的保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，2024鋁合金基體側(cè)的Cu元素會(huì)向包鋁層中發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致包鋁層受到嚴(yán)重污染，無(wú)法在表面形成均勻致密的氧化鋁薄膜，降低了其對(duì)鋁合金包鋁板的保護(hù)效果，同時(shí)Cu元素的擴(kuò)散導(dǎo)致包鋁層和2024鋁合金基體的電勢(shì)差減小，削弱包鋁層的陽(yáng)極保護(hù)作用。2024鋁合金包鋁板的最大容許變形范圍在12%~16%之間，變形量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致板材表面出現(xiàn)較大的橘皮，且包鋁層會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)甚至鋸齒狀的裂痕，降低該材料的耐腐蝕性能。

2024鋁合金在經(jīng)過(guò)包鋁工藝、退火及固溶熱處理后，既具有良好的機(jī)械性能又具有良好的耐腐蝕性能，可以作為飛機(jī)蒙皮的材料，滿足航空航天技術(shù)的發(fā)展需求。

文章來(lái)源——金屬世界