鏡像銑和化學銑切對2A12鋁合金表面完整性與疲勞行為的影響

史建猛,張海寶,張月玲,賈天一,王新磊,陳奕志,劉道新

(1.中航西安飛機工業集團股份有限公司,西安 710089;2.西北工業大學民航學院,西安 710072)

0 引 言

2A12鋁合金具有密度低、比強度高、加工性能好等優點,廣泛用于制造飛機蒙皮等航空結構件[1]。目前,加工飛機蒙皮所應用的最廣泛的技術是化學銑切(簡稱化銑);化銑是一種利用酸、堿、鹽等化學溶液與金屬產生化學反應,通過腐蝕的方法實現金屬表面材料的去除,并獲得需要的形狀和尺寸結構件的加工方法。化銑技術具有工藝簡單、加工件宏觀上平整、變形量小、適用于大面積加工、無切削應力、效率高等突出優勢。但化銑工藝過程繁雜,對于復雜結構難以達到精準控制,同時可能會造成鋁合金表面出現晶間腐蝕、點腐蝕缺陷,不利于金屬材料的疲勞性能,并且存在環境污染問題[2-3]。鏡像銑是近年來發展起來的一項新型加工技術,在加工過程中刀具和支撐頭如同鏡像般分布于零件兩側,始終在同一法矢方向同步運動,支撐頭為薄壁件提供局部支撐,提高加工區域剛性,抑制振動,減小變形[4-6];同時,支撐頭上可以集成傳感器,在線測量零件變形量、剩余壁厚等信息,使得加工誤差實時補償成為可能[7]。鏡像銑在解決大型薄壁件的高效精密綠色加工、節能、適用材料廣等方面優勢突出,在替代化銑作為飛機蒙皮加工技術方面具有巨大潛力。

不同的加工工藝會對工件表面完整性和服役性能產生不同程度的影響[8]。BAYOUMI等[9]研究發現,傳統銑削加工表面粗糙度對工件疲勞性能有重要影響。MADARIAGA 等[10]研究表明,銑刀尺寸對Inconel 718合金工件表面完整性和疲勞性能有明顯的影響。武導俠等[11]研究發現,隨著車削進給率的增大,GH4169高溫合金表面粗糙度增加,疲勞壽命降低。趙文碩等[12]研究發現,在銑削過程中當刀具的磨損量大于0.15 mm 時,會嚴重影響FGH96合金工件的表面完整性,進而影響其疲勞壽命。季文彬等[13]研究發現,增材件經合適工藝銑削加工后,其表面完整性得到改善,可抑制疲勞裂紋的萌生和擴展。JOUINI等[14]采用適當的切削工藝使工件表面粗糙度降低,由此提高其疲勞抗力。目前,有關鏡像銑方面的研究主要集中在裝備研發和工藝優化方面[15-21],在航空領域用于加工鋁合金蒙皮的研究較少。為此,作者對比研究了金剛石刀具與硬質合金刀具鏡像銑以及化銑對2A12-T4鋁合金表面完整性和疲勞性能的影響規律,探究加工表面完整性與疲勞性能的內在關聯機制。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚2 mm 的2A12-T4鋁合金板,化學成分如表1所示,熱處理狀態為固溶+自然時效,其屈服強度為276 MPa,抗拉強度為461 MPa,斷后伸長率為13.6%,彈性模量為75 GPa。在試驗材料上截取尺寸如圖1所示的等厚度平板試樣和下陷試樣,分別采用鏡像銑和化銑工藝對其進行加工。

圖1 等厚度平板試樣和下陷試樣的尺寸Fig.1 Dimension of equal thickness flat sample(a)and depression sample(b)

表1 2A12-T4鋁合金的化學成分Table 1 Chemical composition of 2A12-T4 aluminum alloy

采用化銑方法對等厚度平板試樣表面以及下陷試樣的下陷區進行加工,其他表面保持原始材料狀態。化銑加工的槽液組成為200 g·L-1氫氧化鈉+50 mL·L-1三乙醇胺+30 g·L-1硫化鈉+2 g·L-1添加劑(有機磷酸鹽)。為了對比刀具材料對鏡像銑鋁合金疲勞抗力的影響,等厚度平板試樣的一面采用普通硬質合金刀具進行鏡像銑加工,另一面采用金剛石刀具進行鏡像銑加工。下陷試樣的下陷區采用金剛石刀具進行鏡像銑加工,下陷的臺階過渡角曲率與化銑下陷試樣保持一致;其他表面部位保持原始材料狀態。試樣側面均采用普通硬質合金刀具進行傳統的機械銑削加工,然后采用機械方法進行拋光處理;對試樣棱邊進行倒圓角處理(圓角半徑0.5 mm)。試樣側面和倒圓角區的表面粗糙度Ra不大于0.4μm。

采用VEGA3 XMU 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同工藝加工后試樣的表面形貌,采用SEM附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。試樣經打磨、拋光,用質量分數15%NaOH 溶液和凱勒試劑(體積分數1%HF+2.5%HNO3+1.5%HCl)溶液腐蝕后,采用VEGA3 XMU 型掃描電子顯微鏡觀察截面顯微組織。采用InfiniteFocus System G4型測量儀對試樣的表面三維形貌和表面粗糙度Ra(輪廓偏差的算術平均值)、Rz(最大輪廓高度)進行表征。利用XL-640型X射線應力分析儀測試試樣表面的殘余應力,掃描方式為固定Ψ0(X射線入射線方位)法,Ψ0分別取0°,30°,-30°,45°,-45°,選擇半高寬法定峰;選用鉻靶,管電壓為27 k V,管電流為6 m A,衍射晶面為(211)晶面;采用平行光束,照射面積為1 mm×2 mm,使用側傾法進行測試。采用MHV-1000型顯微硬度計測試樣的截面顯微硬度,利用Knoop壓頭,載荷為0.245 N,保載時間為20 s,在距表面50μm 范圍內采用剝層法測表面硬度,距表面距離大于50μm 時測試試樣剖面顯微硬度。按照航空標準HB 5287-1996,采用SDS100型電液伺服疲勞試驗機進行疲勞試驗,采用拉-拉加載方式,正弦波形載荷,應力比R為0.06,頻率為15 Hz,通過預先試驗確定合適的應力水平,使同一加工狀態試樣的特征疲勞壽命控制在1.5×105～4×105周次范圍,平行試樣不少于9個。疲勞試驗結束后采用VEGA3 XMU型掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口形貌。依據HB 7110-1994,計算不同試樣的細節疲勞額定強度和細節疲勞額定強度截止值。

2 試驗結果與討論

由于等厚度平板試樣和下陷試樣的加工參數均一致,使得相同加工方法下不同試樣的表面形貌、表面粗糙度、表面顯微組織、殘余應力和硬度均相同,因此僅對等厚度平板試樣進行分析。由圖2可以看出:化銑試樣表面凹凸不平,存在點蝕坑和腐蝕產物;硬質合金刀具鏡像銑試樣和金剛石刀具鏡像銑試樣表面有明顯的刀痕溝槽,但硬質合金刀具鏡像銑試樣表面溝槽較深,局部存在輕微脫層,金剛石刀具鏡像銑試樣表面平整,溝槽較淺。

圖2 不同工藝加工后試樣表面二維和三維形貌Fig.2 Surface 2D(a,c,e)and 3D(b,d,f)morphology of specimens processed by different processes:(a-b)chemical milling;(c-d)cemented carbide tool mirror milling and(e-f)diamond tool mirror milling

由圖3可見,化銑試樣的表面粗糙度最大,硬質合金刀具鏡像銑試樣次之,金剛石刀具鏡像銑試樣的表面粗糙度最小,表面粗糙度測試結果與表面形貌觀察結果一致。金剛石刀具鏡像銑試樣的Ra分別比化銑試樣和硬質合金刀具鏡像銑試樣降低了93.3%和90.9%,Rz分別降低了87.2%和81.4%。

圖3 不同工藝加工后試樣的表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of specimens processed by different processes

2.2 表層顯微組織

由圖4 可知:2A12-T4 鋁合金組織中析出Cu Al2和Al2CuMg強化相[22];化銑試樣表面產生了深度約為10μm 的點蝕坑,表層出現晶間腐蝕。微觀腐蝕不均勻導致化銑試樣表面凹凸不平,粗糙度較大。EDS分析發現,化銑試樣表面點蝕坑底部(位置A)存在陰極析出的Cu Al2相,即點蝕坑的形成是微電池促進局部腐蝕的結果。而晶間腐蝕(位置B)則是晶界析出相與無沉淀析出帶及晶粒構成的微電池造成的晶間局部加速腐蝕的結果[23-25]。化銑槽液中添加硫化納可在一定程度上抑制點腐蝕和晶間腐蝕,但并不能根除這類局部腐蝕[26]。

圖4 化銑試樣的截面組織與形貌Fig.4 Section microstructure and morphology of chemical milling specimen:(a)microstructure of interior region;(b)morphology of pitting on surface and(c)morphology of intergranular corrosion on surface layer

由圖5可以看出,鏡像銑試樣表層組織未發生明顯變化,硬質合金刀具鏡像銑試樣表面存在機械加工的銑切缺口,而金剛石刀具鏡像銑試樣表面較平整,銑切痕跡較淺。

圖5 硬質合金刀具鏡像銑和金剛石刀具鏡像銑試樣的截面形貌Fig.5 Section morphology of cemented carbide tool(a)and diamond tool(b)mirror milling specimens

2.3 表層殘余應力

由圖6可以看到:化銑試樣表層存在較低的殘余拉應力,這可能是化銑腐蝕過程造成的表面缺陷及組織結構變化導致的[27-28];硬質合金刀具鏡像銑試樣表層存在較低的殘余拉應力,分布在距表面約55 mm 范圍,此后轉變為較低的殘余壓應力;金剛石刀具鏡像銑試樣表層存在較大的殘余壓應力,隨距表面距離的增大呈遞減趨勢。鏡像銑試樣表面殘余應力狀態與刀具加工導致的鋁合金表面變形及產生的溫度場有關[29]:在金剛石刀具鏡像銑過程中鋁合金粘刀情況較輕,表面溫升小,塑性變形均勻,由此引入了較大的殘余壓應力場;在硬質合金刀具鏡像銑過程中鋁合金粘刀較明顯,表面溫升大,刀痕溝槽較深,由此引入了較小的殘余拉應力場。

圖6 不同工藝加工后試樣的殘余應力分布Fig.6 Residual stress distribution of specimens processed by different processes

2.4 表層硬度

由圖7可以看出:化銑試樣表層硬度與內部相近,小幅度的波動與表層腐蝕缺陷有關;2種刀具鏡像銑試樣表層的顯微硬度均高于內部,隨距表面距離的增大呈現遞減趨勢,硬化層深度約40 mm。化銑試樣的表面顯微硬度為148 HK,硬質合金刀具鏡像銑試樣和金剛石刀具鏡像銑試樣表面硬度差異不大,分別為239,244 HK,分別比化銑試樣提高了61.5%和64.8%。在鏡像銑過程中刀具對2A12-T4鋁合金表面施加局部高應力銑削作用,造成表層塑性變形,引起表面位錯密度增大,同時表面溫升和迅速冷卻導致相變及組織細化,同時引入表面殘余應力,由此造成表面硬度高于內部[26-27]。

圖7 不同工藝加工后試樣的硬度分布Fig.7 Microhardness distribution of specimens processed by different processes

2.5 疲勞性能

化銑和鏡像銑(一面硬質合金刀具加工,一面金剛石刀具加工)等厚度平板試樣疲勞試驗的細節疲勞額定強度截止值分別為280,270 MPa,特征疲勞壽命分別為237 346,370 870周次。在95%置信度、5%失效概率下,化銑和鏡像銑等厚度平板試樣的細節疲勞額定強度分別為281.0,293.0 MPa。鏡像銑等厚度平板試樣細節疲勞額定強度比化銑等厚度平板試樣提高了4.27%。觀察發現,鏡像銑等厚度平板試樣的疲勞源均處于硬質合金刀具加工表面,表明金剛石刀具加工表面具有更高的疲勞抗力。由此可知,金剛石刀具鏡像銑取代化銑加工等厚度平板鋁合金蒙皮具有明顯的優勢。

化銑下陷試樣和金剛石刀具鏡像銑下陷試樣的細節疲勞額定強度截止值分別為220,180 MPa,特征疲勞壽命分別為237 853,256 117周次。在95%置信度、5%失效概率下,化銑下陷試樣和金剛石刀具鏡像銑下陷試樣的細節疲勞額定強度分別為183.9,225.2 MPa,即金剛石刀具鏡像銑下陷試樣的細節疲勞額定強度比化銑下陷試樣提高了22.46%。由此表明,金剛石刀具鏡像銑下陷試樣的疲勞抗力較高,采用金剛石刀具鏡像銑加工下陷鋁合金蒙皮具有突出的優勢。

由圖8可以看出:化銑等厚度平板試樣的疲勞裂紋均起源于化銑表面點蝕坑缺陷處,該區域應力集中嚴重;化銑下陷試樣疲勞裂紋在下陷臺階過渡角部位表面萌生,該區域疊加了點蝕坑和過渡角處的應力集中效應;裂紋源區均呈現準解理斷裂特征,裂紋從源區向內部呈放射狀擴展。鏡像銑等厚度平板試樣的疲勞裂紋在硬質合金刀具加工的表面刀痕溝槽底部萌生,該區域應力集中嚴重;鏡像銑下陷試樣的疲勞裂紋在下陷臺階過渡角部位次表層萌生,這與該試樣表面存在殘余壓應力密切相關;裂紋源區均呈現準解理斷裂特征,裂紋從源區向內部呈放射狀擴展。所有試樣的裂紋擴展區和瞬時斷裂區微觀形貌無明顯差異,因為這2個區域不受表面加工狀態的影響。裂紋擴展區均為準解理穿晶斷裂特征,瞬時斷裂區則為韌窩狀塑性斷裂特征。

圖8 不同試樣的疲勞斷口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphology of different specimens:(a)chemical milled equal thickness flat sample;(b)amplification of box area in Fig.(a);(c)mirror milled equal thickness flat sample;(d)amplification of box area in Fig.(c);(e)chemical milled depression sample;(f)amplification of box area in Fig.(e);(g)diamond tool mirror milled depression sample;(h)amplification of box area in Fig.(g)

2.6 分析與討論

金屬材料的疲勞性能既與其成分和組織有關,同時也與其表面完整性密切相關[28-33]。表面完整性是表面幾何、物理、化學及力學特性的綜合表現,具體包括表面形態特征、粗糙度、紋理、成分、組織、硬度、殘余應力、變形狀況等。鏡像銑和化銑對鋁合金的表面完整性影響不同,因而對其疲勞抗力的影響也存在差異;即使同為鏡像銑,所采用的刀具不同,加工試樣的表面完整性和疲勞抗力也存在明顯不同。

化銑試樣表面存在點蝕坑和晶間腐蝕損傷,表面粗糙度大,同時存在殘余拉應力,這些因素均會促進化銑2A12-T4鋁合金表面局部應力集中,從而促進疲勞裂紋的萌生與擴展,因此與鏡像銑試樣相比,化銑試樣的疲勞抗力明顯較低。鏡像銑等厚度平板試樣疲勞裂紋源位于硬質合金刀具加工表面的刀痕溝槽部位,這是因為這些部位溝槽深,應力集中嚴重,同時存在殘余拉應力,從而促進了疲勞裂紋的萌生;但該試樣的表面粗糙度低于化銑試樣,同時不存在點蝕坑和晶間腐蝕損傷,并且其硬度高于化銑試樣,疲勞裂紋萌生阻力較高,因此其疲勞抗力仍然高于化銑試樣。

金剛石刀具鏡像銑2A12-T4鋁合金試樣表面粗糙度低,刀痕溝槽淺,表面存在數值較大和一定深度分布的殘余壓應力以及呈梯度分布的硬化層,且組織無明顯損傷,可知金剛石刀具鏡像銑試樣獲得了良好的表面完整性,試樣的疲勞裂紋萌生抗力和擴展阻力均較高,因而表現出比傳統硬質合金刀具鏡像銑試樣和化銑試樣更高的疲勞抗力。UDDIN等[34]研究發現,在銑切過程中,刀具的磨損程度是影響加工試樣表面完整性的主要因素,而金剛石刀具在加工過程中磨損程度小,因此工件表面質量好。

采用金剛石刀具對下陷試樣進行單面鏡像銑時,所獲得的良好表面完整性緩解了過渡角區域局部應力集中,故對疲勞抗力的有利影響更加凸顯,因此金剛石刀具鏡像銑試樣的細節疲勞額定強度比化銑試樣提高了22.46%。MURAKAMI等[35]利用表面形貌特征參數、殘余應力和表面顯微硬度,建立了試樣表面完整性與疲勞性能之間的映射關系,定量表征了通過引入表面殘余壓應力、降低表面粗糙度、提高表面硬度來改善工件表面完整性,提高金屬工件疲勞抗力的試驗現象,這也驗證了作者的研究成果。

綜上,金剛石刀具鏡像銑試樣獲得了比硬質合金刀具鏡像銑試樣以及化銑試樣更高的疲勞抗力,這歸因于金剛石刀具鏡像銑在試樣表面引入了數值較大、分布較深的殘余壓應力,表面硬度高于內部,表面粗糙度較低,表層組織未受到破壞,導致裂紋萌生阻力和擴展阻力均得到提高。化銑試樣表面存在的點蝕坑和晶間腐蝕缺陷及殘余拉應力促進了疲勞裂紋的萌生,硬質合金刀具鏡像銑試樣表面存在的較深刀痕溝槽和殘余拉應力也促進了疲勞裂紋的萌生。因此,采用金剛石刀具鏡像銑取代化銑應用于飛機鋁合金蒙皮加工具有突出的優勢。

3 結 論

(1) 化銑2A12-T4鋁合金試樣表面存在點蝕坑、晶間腐蝕缺陷,表面粗糙度較大,表面存在殘余拉應力,表面硬度為148 HK,與內部硬度相近。硬質合金刀具鏡像銑試樣表面的硬度為239 HK,明顯高于化銑試樣,表面粗糙度低于化銑試樣,但表面存在較深的刀痕溝槽以及一定的殘余拉應力。金剛石刀具鏡像銑試樣表面硬度為244 HK,顯著高于化銑試樣,而表面粗糙度則顯著低于化銑和硬質合金刀具鏡像銑試樣,同時表面存在數值較大的殘余壓應力。

(2) 化銑和鏡像銑等厚度平板試樣的細節疲勞額定強度分別為281.0,293.0 MPa,化銑等厚度平板試樣的疲勞源位于點蝕坑缺陷處,而鏡像銑等厚度平板試樣位于硬質合金刀具加工表面;化銑下陷試樣和金剛石刀具鏡像銑下陷試樣的細節疲勞額定強度分別為183.9,225.2 MPa,化銑下陷試樣疲勞裂紋在下陷臺階過渡角部位表面萌生,而鏡像銑下陷試樣則在過渡角部位次表層萌生。

(3) 金剛石刀具鏡像銑試樣獲得了比硬質合金刀具鏡像銑試樣以及化銑試樣更高的疲勞抗力,這歸因于金剛石刀具鏡像銑在試樣表面引入了數值較大、分布較深的殘余壓應力,同時使得表面硬度高于內部,粗糙度較低,表層組織未受到破壞,最終導致裂紋萌生阻力和擴展阻力均得到提高。