5A90合金板材空气炉中间退火工艺研究

耿丽博，毛雪晶，罗 鹍，游 文

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

5A90 铝锂合金为作为典型的Al-Mg-Li 系铝合金，是国产化密度最低的铝合金[1-2]。同时该合金还具有高弹性模量、高比强度、高比刚度以及优良的耐腐蚀性能，是在飞行器壁板、垂尾、承力桁条等关键零件中获得了较为成熟的应用，满足了我国航空航天飞行器的轻量化需求[3]。5A90铝锂合金板材的生产工序繁杂，目前西南铝5A90 合金板材生产时需多次进行盐浴中间淬火。铝锂合金材料在盐浴炉中进行热处理时，盐浴槽一旦超温，就有发生爆炸的风险，存在极大安全隐患。本文对5A90 板材空气炉中间退火工艺进行了研究，为5A90 铝锂合金的工业化生产提供更多工艺选择。

1 实验材料及方法

实验材料为7.0 mm 厚度的5A90 合金板材，材料化学成分见表1。

表1 5A90合金化学成分（质量分数/%）

退火实验在箱式空气热处理炉中进行，工业规格退火试制则采用10 t 级空气循环炉，退火后在1 650 mm轧机冷轧。实验方案见表2。拉伸试样的取样方向均为板材纵向（L方向），每组至少3个平行试样。

表2 退火实验方案

2 实验结果与讨论

2.1 退火温度对力学性能的影响

380～520 ℃退火温度实验具体力学性能如表3及图1所示。随着退火温度的升高，材料的抗拉强度、屈服强度不断降低，延伸率则先升高后降低，450～460 ℃退火时，综合力学性能最佳。

图1 退火温度对5A90板材力学性能的影响

表3 不同退火温度下的力学性能

2.2 退火保温时间对力学性能的影响

退火保温时间实验具体力学性能结果见表4。50～70 min 保温后，5A90 板材的力学性能相差很小，退火保温70 min较佳。

表4 不同退火保温时间下的力学性能

2.3 退火冷却速度对力学性能的影响

退火冷却速度实验力学性能如表5 及图2 所示。随炉缓冷的材料强度与延伸率随冷却速度的提高整体呈上升趋势，快速空冷的力学性能远高于随炉缓冷。5A90 合金板材空气炉退火的最佳冷却方式为直接出炉快速空冷。

图2 退火冷却速度对5A90板材力学性能的影响

表5 不同退火冷却速度下的力学性能

材料的加工塑性与合金成分和中间退火有关。合金成分方面，5A90因高Li、高Mg含量造成塑性较差。退火工艺方面，温度和冷却速度会影响析出相的种类、尺寸大小及体积分数，5A90 合金退火过程会析出大尺寸、大体积分数的脆性S（Al2Mg-Li）相和大量Al3Li 相，以及Al3Li/Al3Zr 的复合相，脆性S相会严重降低塑性。因此5A90 合金退火要选择合适的退火温度和冷却速度，尽量减少脆性相的析出，包括限制脆性相的体积分数和尺寸大小[4]。

2.4 显微组织分析

对空气炉退火后的5A90 板材进行显微组织分析，结果表明，5A90 板材表层形成一层发灰的、与基体有清晰界限的组织（图3），而原始热轧板上并没有该层组织。能谱分析（图4）发现该层组织与其他区域相比Mg 含量减少，表明其Li 含量同样减少，即板材表面形成了脱锂层[5]。

图3 退火后5A90板材的金相组织

图4 5A90空气炉退火板材能谱分析结果

表6 显示了不同退火冷却速度下5A90 板材的脱锂层检测结果。5A90 合金板材空气炉退火不同冷却速度下，脱锂层有差异。快速空冷的脱锂层厚度约为35～55 μm，而不同冷却速度随炉缓冷的板材的脱锂层厚度相当，均大于快速空冷。

表6 退火冷却速度实验脱锂层检测结果

2.5 脱锂层的形成及影响

取空气炉退火后的板材试样进行薄膜XRD 检测，结果见图5。经物相PDF 卡片库比对分析，表面白色物质为LiH。证明400～500 ℃加热时，5A90 合金中的Li 由高浓度区域向低浓度区域逸散，表层的Li 与空气中的H2O、H2反应生成LiH 附着在板材表面[6]，反应又会促进Li 的逸出，板材表层就形成了少Li的脱锂层组织。处于高温环境下时间越长脱锂层越厚。

图5 表面薄膜XRD检测结果

为验证上述脱锂层组织对板材的影响，将7.0 mm 5A90 合金热轧板进行空气炉退火工业化试制，图6、图7为空气炉退火、冷轧后的3.0 mm、1.0 mm厚度的5A90 板材显微组织。结合表7 力学性能可以发现，空气炉退火试制的不同厚度5A90 板材力学性能均满足国军标，且有一定富余量。同个厚度规格的板材脱锂层厚度有所差异。脱锂层厚度相等时，板材的力学性能也高低不一。这表明了脱锂层与板材力学性能的相关性较小。5A90 合金板材力学性能的差异可能主要受到轧制变形量、热处理强化相析出、加工硬化效应等的影响[7-8]。

图6 空气炉退火试制的3.0 mm厚度板材金相组织

图7 空气炉退火试制的1.0 mm厚度板材金相组织

表7 所试制的5A90-T6板材力学性能与脱锂层厚度

3 结论

（1）对于5A90铝锂合金热轧板，空气炉退火工艺为450～460 ℃，保温70 min，出炉快速空冷时，可获得最佳综合力学性能。

（2）空气炉退火的5A90板材表面存在一层发灰的、与基体组织界限清晰的组织，厚度为微米级别，经检测为脱锂层组织。

（3）脱锂层组织对力学性能的影响较小。