2A97鋁鋰合金薄板熱處理與蒙皮零件成形研究

朱宏斌 韓艷彬 同 博

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，西安 710089）

與傳統鋁合金材料相比，鋁鋰合金是一種低密度、高比強度、高比模量材料，且具有良好的抗腐蝕性能和損傷容限性能[1,2]。20世紀70年代，美國、法國、俄羅斯等國家分別研制了低密度型、中強耐損傷型和高強型等一系列較為成熟的鋁鋰合金產品，并在軍民用航空產品中進行了大量的裝機試驗。經過20世紀80年代、90年代的發展，鋁鋰合金材料的性能實現了較大提高，且材料在航空產品中的應用占比也逐步上升[3]。2A97鋁鋰合金是我國中南大學聯合西南鋁業（集團）有限責任公司和中國航發北京航空材料研究院自主研發的國產第三代新型鋁鋰合金，具有較好的加工性能，在航空領域具有廣闊的應用前景[4,5]。近些年，國內學者對2A97鋁鋰合金的時效行為、熱處理工藝及性能、腐蝕行為和微觀組織等方面進行了大量研究[6～10]，并對鋁鋰合金的蠕變時效成形開展了理論研究，建立了2A97鋁鋰合金的蠕變本構模型[11]，為2A97鋁鋰合金的工程應用奠定了一定的理論基礎。但2A97鋁鋰合金的工程應用研究較少，工藝規范體系等尚不夠完善，因此，亟需開展工程應用研究，探索該合金的工程應用效果，為合金的推廣提供應用基礎。本文通過對2A97鋁鋰合金熱處理工藝參數、T3板材制備與變形量控制、拉伸成形工藝等各工程環節進行研究，逐步掌握了鋁鋰合金工程應用的關鍵參數，為2A97鋁鋰合金在航空領域的應用提供了借鑒。

1 2A97鋁鋰合金薄板熱處理研究

1.1 鋁鋰合金熱處理工藝

對于蒙皮類零件的成形，熱處理除能夠提高材料的拉伸性能外，也是賦予材料最終性能的關鍵過程。目前，國產2A97鋁鋰合金薄板原材料的供貨狀態為H14狀態，該狀態無法直接作為產品的最終狀態，需進行熱處理以獲得T3狀態和T42狀態。試驗中，選用厚度為1.2mm、1.5mm，尺寸為4000mm×1000mm的板材進行T3狀態熱處理研究，首次熱處理采用硝鹽作為熱處理介質，并按表1所示工藝參數進行熱處理。

時效完成后，對每個規格的板材隨機取樣3組進行拉伸性能測試，測試結果及性能檢測標準如表2所示。

表2所示結果表明，按表1熱處理工藝參數能夠獲得合格的T3狀態鋁鋰合金板材。

表1 熱處理工藝參數

表2 拉伸性能測試結果及性能檢測標準

1.2 T3狀態板材成形與回彈變形

T3狀態板材可直接用于單曲度蒙皮的滾彎成形，H14原材料需經固溶處理、淬火、預拉伸、自然時效后方可獲得T3狀態板材。試驗采用厚度為1.5mm、2.0mm，尺寸為4200mm×2000mm的寬幅板材開展T3狀態板材制備研究，厚度為1.5mm板材的熱處理工藝參數與表1所示參數一致，厚度為2.0mm板材固溶處理時間延長至55min。在預拉伸過程中，拉伸量按板材總長的2%～3%控制，使用設備為法國ACB公司生產的某型號縱向拉伸機床，通過對多張板材的制備研究，獲得如表3所示的回彈變形數據。

測試結果表明，T3狀態板材的預拉伸回彈量介于0.3%～0.6%之間，板材厚度對回彈量影響不大。針對回彈量差異，對比拉伸過程時間長短可以得出，2A97鋁鋰合金自然時效過程快速顯著，隨放置時間的增加，拉伸時所需的載荷增大，回彈加大。當淬火后放置時間達到1.0h后，拉伸回彈可達到0.5%以上，因此，預拉伸最好在淬火后1.0h內進行。按最大3%的名義拉伸量制備的板材，拉伸量不足以完全補償毛料淬火后的變形量，可能會出現表面殘留凹陷或鼓包缺陷，影響板材表面成形質量。

1.3 重復熱處理對板材性能的影響研究

鋁合金復雜雙曲蒙皮可通過增加預拉伸成形，或重復熱處理后再成形提高零件與成形模胎的貼合度，2A97-H14鋁鋰合金不允許進行預拉伸和重復熱處理，造成試驗件一次成形質量合格率低。試驗采用相同溫度和保溫時間，對同規格板材進行重復熱處理并按0.5%、1.0%名義拉伸量進行預拉伸，自然時效至T42狀態后進行機械性能測試，測試結果如表4所示。

表4測試結果表明，重復熱處理會影響2A97鋁鋰合金板材的機械性能，整體呈現小幅下降趨勢，但材料性能均高于材料標準要求性能值。隨名義拉伸量的增大，板材性能參數呈現下降趨勢，且名義拉伸量對性能參數的影響大于重復熱處理的影響。

2 2A97鋁鋰合金蒙皮零件成形工藝研究

2.1 單曲度蒙皮零件成形工藝研究

試驗中以制備完成的T3板材作為零件原始毛料，按零件中性層展開面銑切零件展開毛料，對厚度為1.5mm、2.5mm的T3狀態板材進行滾彎成形工藝試驗。通過3次成形試驗發現，2A97鋁鋰合金滾彎成形與鋁合金零件滾彎成形的主要差異在于鋁鋰合金回彈較大，試驗對象需多次調整滾軸下壓量補償回彈。按切面樣板檢測發現，零件與切面樣板的貼合度能夠滿足航空鈑金產品的間隙要求，其貼合間隙可控制在0.5mm范圍內。

表3 T3板材制備回彈變形數據

表4 機械性能測試結果

2.2 雙曲度蒙皮零件成形工藝研究

試驗中，以同向雙曲和異向雙曲試驗件作為研究對象，選用厚度為1.5mm和2.0mm的H14狀態板材進行淬火熱處理，使用法國ACB公司生產的某型號縱向拉伸機床和橫向拉伸機床分別研究了橫向拉伸成形、縱向拉伸成形工藝。拉伸試驗發現，厚度2.0mm規格的2A97鋁鋰合金板材很難通過人力完成鉗口夾持，主要原因是板材熱處理后變形較大，材料自身時效過程顯著且硬化速度快，造成毛料很難進入鉗口。拉伸過程中按4%的名義拉伸量進行控制，發現該拉伸量不足以完全補償毛料淬火后的變形量，但試驗件表面已出現滑移線，表面殘留輕微凹陷或鼓包，深度或高度在1.2mm以內。雙曲度蒙皮零件淬火后的拉伸成形工藝過程主要包括卸料、周轉、修邊、夾持、拉伸環節，單件成形時間約為1.5h，目前，2A97鋁鋰合金國內工藝規范允許零件成形孕育期為1.0h，可見現有成型時間難以滿足零件成形規范要求。

3 結 論

（1）按表1所列熱處理工藝制備的T3板材，其材料性能明顯高于材料標準驗收值，表明該熱處理工藝能夠獲得合格的T3板材。

（2）T3板材制備過程中產生的回彈與板材厚度關系不明顯，隨板材淬火后放置時間的延長，板材回彈量增大，1.0h以內成形的板材其回彈量在0.3%～0.6%。

（3）單曲度蒙皮通過調整滾軸下壓量可以獲得貼合精度0.5mm以內的試件，雙曲度蒙皮成形時間難以滿足成形規范孕育期控制要求，且試件表面容易產生質量缺陷，1.5h后材料冷作硬化，缺陷難以修復。

（4）材料經多次重復熱處理后性能輕微下降，但整體高于性能驗收標準。隨名義拉伸量的增加，板材性能呈下降趨勢。

參考文獻

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