航空用2324-T39高損傷容限鋁合金板材關鍵制備技術研究

蔡鵬程

摘 要：Al-Cu-Mg 系航空用鋁合金主要用于飛機機翼、機身結構件中，是我國 C919、ARJ21、Y20 等軍民用飛機制備的關鍵金屬材料;2324-T39 鋁合金屬于 Al-Cu-Mg 系合金，其生產過程中關鍵制備技術環節有熔鑄、均勻化、熱軋、熱機械處理，每個環節對材料的最終力學性能均會產生重要影響。

關鍵詞：2324-T39 鋁合金，關鍵制備技術;力學性能

1.1背景

航空用鋁合金板材主要用于飛機機翼、機身結構件中，是我國 C919、ARJ21、Y20 等軍民用飛機制備的關鍵金屬材料，是工信部重點推動的有色金屬新材料。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下機身、下機翼結構件，它也是強基工程一系列“卡脖子”重點突破材料之 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結構件的鋁合金之一，但其抗損傷容限性能較低。上世紀80年代中期，為獲得良好韌性和強度結合的鋁合金，美國波音公司在 2024合金基礎上，通過優化合金元素，提高合金純度，開發出 T39 處理工藝，同時研制成功2324-T39合金厚板[1]，并獲得美國專利。2324-T39與2024-T351 合金厚板相比，屈服強度明顯提高，而抗拉強度、疲勞性能又不低于后者。該合金已成為波音飛機最有特色的先進結構材料，開始全面替代2024-T351產品，由于性能優越，該合金已成為目前民用客機理想的主要結構用鋁合金之一 [2-3]，而國內除對應于2024 的2A12鋁合金外，僅對 2124、2324 進行了初步的試驗研究，還沒有形成2324-T39相應地高損傷容限鋁合金板材研發制造及生產體系。

1.2 Al-Cu-Mg系鋁合金中的微觀組織

Al-Cu-Mg 系合金的成分設計及關鍵制備技術的突破，是以控制微觀組織的 方式實現的。Al-Cu-Mg 系合金總是由三種主要相構成：微米級粗大金屬化合物，納米級的時效析出相（晶內、晶界），亞微米的彌散粒子。

① 微米級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，在相周圍容易產生應力集中，在較低的應力下就會發生開裂，成為裂紋源降低合金的斷裂韌性。

② 把過渡金屬Mn 元素添加到鋁合金中，鑄錠均勻化過程中，Mn 與基體形 成亞微米級的彌散相粒子。彌散相對合金的晶粒形狀以及再結晶的體積分數有影響，而晶粒結構大大影響合金的性能。

③ 固溶淬火后鋁合金得到亞穩定的過飽和固溶體。因為是亞穩態，所以會 自發的進行分解，在室溫下其自發分解就是自然時效;對于 2x24 鋁合金，主要的析出序列為：SSS→GPB→S″→S′→S;這些細小彌散的納米級時效析出相是提高產品力學性能的關鍵。

1.3 關鍵制備技術

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→熱機械處理→鋸切→包裝。關鍵制備技術是熔鑄、均熱、熱軋、機械熱處理，其中機械 熱處理主要為固溶淬火、冷加工和時效。

（1）熔鑄及均熱熔鑄是合金最為關鍵的工序，鑄錠質量的好壞決定著航空產品質量的好壞。鑄造后的鑄錠需要進行均勻化熱處理，主要目的是消除網狀共晶組織。2324 合金凝固過程中會形成低熔點三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），雖然均勻化對合金組織的影響機理清晰，但不同均勻化工藝對組織中可溶性初生相回溶效果影響的相關研究并不多見。均勻化是基于高溫下的保溫行為，本質上是原子的擴散運動，遵循第一擴散定律，均勻化過程中主要工藝參數是加熱溫度和保溫時間，均勻化過程中，擴散系數與溫度的關系可用 Arrenius 公式表示如下：D=D0exp式中：D 是與溫度無關的系數;Q為擴散激活能;R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度;從公式可以看出，溫度越高，擴散系數越大，原子擴散速度越快，偏析越容易消除，因此為了加速均勻化過程，應在確保不過燒的前提下，提高均勻化溫度。

（2）熱軋

熱軋是在再結晶溫度以上進行的熱加工方式，是生產過程中關鍵的一步，對最終板材的性能有著很大影響。實際上熱軋分為加熱和軋制兩個過程。加熱是將鋸切、銑面后的鑄錠加熱到再結晶溫度以上，保證熱軋的順利進行。熱軋是將鑄造組織軋制成拉長的帶狀組織。在變形過程中會伴隨著動態回復和再結晶，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控板材的組織以及軋后板材的儲能大小，為后續的固溶處理做好準備;同時;熱軋會使 組織產生各向異性，組織的各向異性最終體現在板材性能的各向異性上。

（3）熱機械處理

熱機械處理（Thermo-mechanical treatment，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，同時保證強度不降低的處理方法。根據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效析出的最終熱機械處理。通常熱機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，形成相互纏結的位錯胞壁，促進最終的時效析出。在本研究中，為方便工業化大生產，更有利的方式是采用“固溶淬火+（自然時效）+預變形+ 自然時效”的方式進行，這可看作是低溫析出的最終熱機械處理過程。

熱軋板材經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。為后續冷變形后時效析出作 準備，過飽和度越高，時效析出動力越強，強度越高。合金所采用的與常規熱處理不同的熱機械處理工藝是其組織及性能表現獲得高強度和高斷裂韌性的關鍵。此工藝的特點是在固溶淬火后有一定程度的冷變形，冷變形的主要目的是在合金中產生大量位錯，促進析出相在位錯線上析出，產生析出強化，提高板材強度。

參考文獻

[1] 鄭鵬，鄭玉珍.2324──新型高強高韌鋁合金[J].航空制造工程，1994（10）：20-23 .

[2] 鄭鵬，魏暉. 穩定化對新型2324高純鋁合金組織性能的影響[J]. 航空材料學報，1994，14（4）：15-20.

[3] 趙剛. 高純硬鋁 2324-T39 厚板組織性能的研究[J]. 有色礦冶，1999，015（005）：41-45.