鋁合金板材試樣低應力縱拋方法創新研究

林世源，張號標，2，楊 斌

（1.上海華測品正檢測技術有限公司 航空材料實驗室，上海；2.上海科德汽車部件有限公司 試驗中心，上海）

前言

鋁合金作為一種較為成熟的輕質高強合金材料在航空航天中使用量巨大，鋁合金材料一般作為結構材料使用，比鋼有更高的強度和更優異的加工性能。航空航天領域主要發展高強、高韌性和耐腐蝕性強的鋁合金材料以滿足航空航天嚴苛的使用條件[1-5]。高強鋁合金材料在波音747 客機上的應用主要是采用7075T6 和2024T3 材料較多；在波音777 客機上采用的主要鋁合金牌號為7055T77、7150T77 和2X24T3；在空客A380 上用的先進鋁合金為7055/7449/7085/2024/6013/5076 等合金，下機身壁板及上機身壁板都采用了鋁合金材料，其他大部分則是采用碳纖維復合材料進行減重。國產大飛機ARJ21 中主要應用料牌號主要為2X24、7050、7175、7075 等。不管在民機還是軍機中用材結構比例仍然主要以鋁合金材料為主，鋁合金在材料成本、工藝穩定性、綜合力學性能等方面仍具有不可替代的優勢。

在輕質高強鋁合金的發展應用過程中，疲勞問題是伴隨鋁合金材料應用發展史之中的主要問題，通過疲勞數據來計算鋁合金材料及其零部件的使用條件，成為鋁合金應用過程中的一個重要問題[6-10]。為了準確得到鋁合金材料的疲勞壽命，制取試樣的質量尤為重要。制樣過程要去除材料表面的殘余應力并控制材料表面的粗糙度，需要對鋁合金材料進行縱向拋光。目前拋光設備和相應的拋光工藝在我國發展還不成熟。國外實驗室相較國內的實驗室拋光設備和拋光工藝都較為成熟，為了趕超國內外其他實驗室，發展自己的拋光工藝顯得尤為重要。

制樣是做好實驗的前提，本課題是根據實驗室實際需要，針對鋁合金材料較軟、延展性好、不耐磨的特點對其拋光工藝進行研究，進而獲得滿足實驗室要求的拋光工藝和提高生產效率。

1 試驗方法及過程

1.1 方法

原材料選用牌號為2024 厚度為4 mm 的鋁合金板材，使用中走絲線切割對其進行機加工制樣，試樣尺寸如圖1 所示。使用不同的拋光工藝對取樣后的鋁合金板材側面進行拋光，然后利用光學顯微鏡、萬能工具顯微鏡、粗糙度測試儀對其進行驗收對其進行驗收。確保試樣尺寸、粗糙度和試樣表面質量滿足要求。制取的疲勞試樣，縱拋表面嚴禁任何橫向劃痕和可能會干擾的人為因素，消除由于試樣制備過程所導致的擦傷、機加紋理、磨削紋路、劃痕或過熱。

圖1 機加工試樣圖紙

1.2 實驗過程

首先，使用中走絲線切割對其原材料按照圖1 所示尺寸進行取樣，需要注意的是平行段尺寸由于要進行拋光，取樣時要考慮拋光所去除的量，試樣尺寸要留有拋光余量，根據實驗室經驗，鋁合金板材需留有0.2 mm 余量。其次，將加工后的試樣安裝在縱拋設備上，如圖2 所示。使用不同目數的砂紙對其進行拋光，詳細的拋光工藝及拋光結果見表1。打磨速度設置為150 mm/s，砂紙滾動速度為1 mm/s，縱拋時間設置為1 800 s。在每一道縱拋工序完成測量不同目數砂紙拋光后試樣標距段的直徑及其減少量。所有工序完成后采用X-RAY 衍射法測試縱拋面周向與軸向的殘余應力（1 個表面4 個表面以下）。X-RAY 衍射法殘余應力測量要求：（1）檢測依據:GB/T 7704-2017；（2）測試要求：試樣中心位置測試0 mm、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm 深度軸向和周向的殘余應力。

表1 低應力縱拋不同目數砂紙后試樣數據

圖2 板材試樣縱拋設備

2 結果分析

從圖3 中可以看出不同目數砂紙縱拋過后縱拋面組織的表面粗糙度有顯著差異。機加工后的原始組織表面凹凸不平，經220 目砂紙縱拋過后，表面橫向方向有極少數劃痕，縱向有較為明顯的劃痕。隨著所使用的縱拋砂紙目數增加，橫向方向的劃痕逐漸消失，縱向方向的劃痕也逐漸減少并且越來越細。當砂紙目數增加到1 200 目，在20 倍放大倍數下觀察到的試樣表面質量和2 000 目砂紙縱拋和的表面質量差別很小。為了更好的分辨二者的差異，把觀察倍數提高到50 倍，如圖4 所示。可以發現2 000 目數下的砂紙，縱拋過后的表面無橫向劃痕，縱向縱拋痕跡也比1 200 目砂紙更細。縱拋試樣的表面質量要求為不允許有裂紋、加工痕跡、磕碰缺口和根切等明顯的異常情況。使用X-RAY 衍射法，依據GB/T 7704-2017檢測拋光完成后不同深度軸向和周向的殘余應力。根據表1 數據可以發現，縱拋后試樣表面及一定深度的殘余應力滿足小于800 MPa 的要求，表明此次拋光結果有效，此方案可行。表面尺寸，粗糙度和殘余應力的數據表明此工藝可以滿足NADCAP AC7101/7 的制樣要求。

圖3 縱拋工藝后20 倍金相組織圖片

圖4 縱拋工藝后50 倍金相組織圖片

3 結論

本課題采用鋁合金板材進行制樣并縱向拋光。在不同縱拋工序后測量試樣標距斷的直徑并計算其減少量，用X-RAY 衍射法檢測拋光完成后試樣的殘余應力。得出以下結論：

（1）加工及縱拋的試樣最終尺寸及表面質量滿足NADCAP AC7101/7 要求，試樣光潔度和表面質量滿足預設的要求，在完成P2000 砂紙拋光后試樣表面光潔度能達到0.2 Ra。

（2）鋁合金板材縱拋后其殘余應力均滿足預設的要求，大小在0～800 MPa 范圍。

（3）此次針對鋁合金板材試樣低應力縱拋工藝的驗證，從結果看其過程可控有效，滿足要求。