航空用2324-T39高损伤容限铝合金板材关键制备技术研究

蔡鹏程

摘 要：Al-Cu-Mg 系航空用铝合金主要用于飞机机翼、机身结构件中，是我国 C919、ARJ21、Y20 等军民用飞机制备的关键金属材料;2324-T39 铝合金属于 Al-Cu-Mg 系合金，其生产过程中关键制备技术环节有熔铸、均匀化、热轧、热机械处理，每个环节对材料的最终力学性能均会产生重要影响。

关键词：2324-T39 铝合金，关键制备技术;力学性能

1.1背景

航空用铝合金板材主要用于飞机机翼、机身结构件中，是我国 C919、ARJ21、Y20 等军民用飞机制备的关键金属材料，是工信部重点推动的有色金属新材料。航空用铝合金中的 Al-Cu-Mg 系铝合金因高损伤容限性能用于飞机下机身、下机翼结构件，它也是强基工程一系列“卡脖子”重点突破材料之 一。Al-Cu-Mg 系铝合金主要的合金元素为Cu和Mg，此外还含有一定量的 Mn 以及少量的 Fe、Si，属于可热处理强化铝合金。典型的 Al-Cu-Mg 合金主要有 2X24 系列。2024 铝合金是最早的用于飞机结构件的铝合金之一，但其抗损伤容限性能较低。上世纪80年代中期，为获得良好韧性和强度结合的铝合金，美国波音公司在 2024合金基础上，通过优化合金元素，提高合金纯度，开发出 T39 处理工艺，同时研制成功2324-T39合金厚板[1]，并获得美国专利。2324-T39与2024-T351 合金厚板相比，屈服强度明显提高，而抗拉强度、疲劳性能又不低于后者。该合金已成为波音飞机最有特色的先进结构材料，开始全面替代2024-T351产品，由于性能优越，该合金已成为目前民用客机理想的主要结构用铝合金之一 [2-3]，而国内除对应于2024 的2A12铝合金外，仅对 2124、2324 进行了初步的试验研究，还没有形成2324-T39相应地高损伤容限铝合金板材研发制造及生产体系。

1.2 Al-Cu-Mg系铝合金中的微观组织

Al-Cu-Mg 系合金的成分设计及关键制备技术的突破，是以控制微观组织的 方式实现的。Al-Cu-Mg 系合金总是由三种主要相构成：微米级粗大金属化合物，纳米级的时效析出相（晶内、晶界），亚微米的弥散粒子。

① 微米级的粗大金属化合物主要有在合金凝固过程中形成的含杂质元素 Fe、Si 的Al7Cu2Fe、AlFeMnSi 等初生相，以及非平衡凝固形成的 θ（Al2Cu）、S（Al2CuMg）等。这些相基本上形成于铸造之后的凝固过程或者铸造之后的加工过程，在随后的热变形过程中，随着合金的塑性变形而发生破碎、变形，并沿着变形方向排列成带状分布。粗大初生相大而硬脆，在相周围容易产生应力集中，在较低的应力下就会发生开裂，成为裂纹源降低合金的断裂韧性。

② 把过渡金属Mn 元素添加到铝合金中，铸锭均匀化过程中，Mn 与基体形 成亚微米级的弥散相粒子。弥散相对合金的晶粒形状以及再结晶的体积分数有影响，而晶粒结构大大影响合金的性能。

③ 固溶淬火后铝合金得到亚稳定的过饱和固溶体。因为是亚稳态，所以会 自发的进行分解，在室温下其自发分解就是自然时效;对于 2x24 铝合金，主要的析出序列为：SSS→GPB→S″→S′→S;这些细小弥散的纳米级时效析出相是提高产品力学性能的关键。

1.3 关键制备技术

高损伤容限铝合金板材工艺路线为：熔铸→均热→锯切→铣面→热轧→热机械处理→锯切→包装。关键制备技术是熔铸、均热、热轧、机械热处理，其中机械 热处理主要为固溶淬火、冷加工和时效。

（1）熔铸及均热熔铸是合金最为关键的工序，铸锭质量的好坏决定着航空产品质量的好坏。铸造后的铸锭需要进行均匀化热处理，主要目的是消除网状共晶组织。2324 合金凝固过程中会形成低熔点三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），虽然均匀化对合金组织的影响机理清晰，但不同均匀化工艺对组织中可溶性初生相回溶效果影响的相关研究并不多见。均匀化是基于高温下的保温行为，本质上是原子的扩散运动，遵循第一扩散定律，均匀化过程中主要工艺参数是加热温度和保温时间，均匀化过程中，扩散系数与温度的关系可用 Arrenius 公式表示如下：D=D0exp式中：D 是与温度无关的系数;Q为扩散激活能;R为摩尔气体常数;T为绝对温度;从公式可以看出，温度越高，扩散系数越大，原子扩散速度越快，偏析越容易消除，因此为了加速均匀化过程，应在确保不过烧的前提下，提高均匀化温度。

（2）热轧

热轧是在再结晶温度以上进行的热加工方式，是生产过程中关键的一步，对最终板材的性能有着很大影响。实际上热轧分为加热和轧制两个过程。加热是将锯切、铣面后的铸锭加热到再结晶温度以上，保证热轧的顺利进行。热轧是将铸造组织轧制成拉长的带状组织。在变形过程中会伴随着动态回复和再结晶，通过控制热轧前的加热制度、开轧温度、轧制道次、轧制速度和终轧温度来调控板材的组织以及轧后板材的储能大小，为后续的固溶处理做好准备;同时;热轧会使 组织产生各向异性，组织的各向异性最终体现在板材性能的各向异性上。

（3）热机械处理

热机械处理（Thermo-mechanical treatment，TMT）是一种合理地利用塑性变形和铝合金的脱溶沉淀相变来改善其塑韧性，同时保证强度不降低的处理方法。根据脱溶沉淀相的析出可分为高温析出的中间热处理和低温时效析出的最终热机械处理。通常热机械处理是通过热处理形成弥散分布的粒子，这些粒子钉扎变形过程中的位错，形成相互缠结的位错胞壁，促进最终的时效析出。在本研究中，为方便工业化大生产，更有利的方式是采用“固溶淬火+（自然时效）+预变形+ 自然时效”的方式进行，这可看作是低温析出的最终热机械处理过程。

热轧板材经固溶处理及随后的快速冷却，即为固溶淬火。固溶处理的原则是，在不过烧的情况下，将合金中残留的一次相及在均匀化退火或热轧过程中形成的二次相尽可能多地溶入基体，得到过饱和的固溶体。为后续冷变形后时效析出作 准备，过饱和度越高，时效析出动力越强，强度越高。合金所采用的与常规热处理不同的热机械处理工艺是其组织及性能表现获得高强度和高断裂韧性的关键。此工艺的特点是在固溶淬火后有一定程度的冷变形，冷变形的主要目的是在合金中产生大量位错，促进析出相在位错线上析出，产生析出强化，提高板材强度。

参考文献

[1] 郑鹏，郑玉珍.2324──新型高强高韧铝合金[J].航空制造工程，1994（10）：20-23 .

[2] 郑鹏，魏晖. 稳定化对新型2324高纯铝合金组织性能的影响[J]. 航空材料学报，1994，14（4）：15-20.

[3] 赵刚. 高纯硬铝 2324-T39 厚板组织性能的研究[J]. 有色礦冶，1999，015（005）：41-45.