5A90板材固溶热处理工艺研究

5A90板材固溶热处理工艺研究
发布时间：2021-05-12T10:23:26.033Z 来源：《基层建设》2021年第1期作者：刘虹兵[导读] 摘要：本文主要探究5A90板材固溶热处理工艺。

沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁省沈阳市 110034 摘要：本文主要探究5A90板材固溶热处理工艺。

研究过程中，在板材两侧钻孔将其固定在工装上，设置硝盐炉内温度440-470℃，将板材垂直放入后进行固溶。

研究结果表明，在5A90合金固溶处理中，最佳处理温度为440-455℃，超过455℃即存在过烧可能性，5A90合金板材保持时效时间5h即可，时间过长反而会将材料强度降低，且该合金易产生穿晶断裂，以此为相关工作者提供有益借鉴。

关键词：5A90板材；铝锂合金；固溶处理
前言：
随着国际能源价格提升，航空制造业对于比刚度与比强度高的材料具有较高要求，复合材料作为应用较快的新材料，可减轻飞机结构20%左右的质量，但成本较高，需应用专用设备，无法降解和重复应用。

而铝锂合金具有高弹性模量、低密度、高比刚度与高比强度的特点，与其他铝合金特性不同，使其在航空航天中具有广阔应用前景。

因此，可应用5A90合金作为航空制造材料，其抗腐蚀性与焊接性良好，通过固溶热处理工艺为批量生产材料奠定基础。

1材料与方法
1.1材料
选用5A90合金冷轧板材料厚1.5mm，材料化学成分含量见表1。

表1 化学成分含量
1.2方法
准备方法：在板材两侧每一侧钻孔，以铝丝穿过每侧钻孔固定板材在工装上，孔之间距离约为50mm，在硝盐炉内添加硝盐液，其成分为50%KNO3+50%NaNO3，设置炉内温度约为440-470℃，保持温度30min后，以压缩空气对硝盐液进行搅拌。

固溶处理：将安装板材的工装垂直放进硝盐炉中，保温结束后将其吊出，转移时间控制在15s内，先在10-40℃冷水中冷却2min，然后在热水40-60℃中进行3min清洗，水槽中上下运动，以此冲洗板材表面，以此使得清洗更为快捷，确保将外表冲洗干净，压缩空气吹干后，在干净泡沫垫上平方，中间放上棉纸隔开板材，移时间在15s以内，时效温度控制在115-125℃内，时间控制为5-12h[1]。

2结果与分析
2.1轧制态组织
5A90合金轧制板材金相组织中，空间组织形貌为薄饼状，轧制平面晶粒则为等轴状，横截面与纵截面均为普通轧制流线组织，存在少量再结晶晶粒[2]。

5A90轧制板在横向、纵向及轧制方向上组织存在显著差别，轧制变形后将会导致合金晶粒产生特定变化，从离散区向聚集区转变，产生了晶体学结构，宏观上则展现出各向异性。

2.2固溶温度
根据固溶热处理方法确定过烧试验温度约为450-465℃，为便于比较固溶温度对材料性能影响，在完成固溶后进行温度115-125℃保温10h时效，完成固溶后对材料进行拉伸试验，炉子控制精度在±5℃内，表明在455-475℃横向拉伸性能较低，降低了材料屈服强度（见表2）。

表2 固溶处理不同温度及时效性能
在固溶处理温度不同下，材料金相组织形貌也有所不同，不易区分轻微过烧组织，且无显著过烧情况，在更高温度下则展现出一定的过烧特征[3]。

在试验过程中，炉子控制精度在±5℃内，由于高温下过烧金相中，5A90合金的金相组织在440-455℃内显示正常，超过一定温度后则展现出过烧特点，试验中过烧结果是455-475℃（见图1）。

并且，提高淬火温度后，5A90合金材料产生一定的再结晶倾向，结果中合金晶粒组织粗化明显，表明轻微过烧5A90合金的条件下最大性能影响在于晶粒组织粗化。

（1）440℃（2）450℃
（3）460℃（4）470℃
图1 不同温度材料金相组织
而5A90合金材料在不同温度下固溶处理的拉伸性能一定范围中不受固溶温度影响，在440-455℃中拉伸性能最高（见表2），在450℃以上则产生下降情况，延伸率波动为16-18%。

因此，综合和考虑拉伸性能指标及试验中温控温差在±5℃内，则固溶处理中最佳温度为440-455℃。

2.3时效时间
5A90合金固溶温度控制在450摄氏度中，分析时效时间控制影响（见表3）。

表3 时效时间影响
通过上述分析可知，5A90合金板材保持时效时间10h即可，材料拥有
良好强塑性，将时效时间延长可能会增加再结晶程度，进而降低组织强化效应，减少材料强度。

5A90合金存在显著时效强化与硬化特点，主要是由于合金中强化相δ的长大与析出，其界面能是14mJ/m，所以形核能较低，导致后续在较高温时效中存在大量弥散，δ也随之长大，构成较小尺寸析出相，强化了δ与基体共格，仅有0.08%的点阵错配度，能够阻止错位移动，进而提高合金强度。

在5A90合金中，Mg 强化作用较小，主要是固溶强化提供了强度贡献，但合金中Mg含量较高，可能降低Al中Li的固溶度，进而推动析出δ，增大了δ相体积分数。

因此，5A90合金强化主要是源于δ体积分数，析出众多δ方能使合金具有时效特点。

2.4力学性能与断口分析
5A90铝合金经过10h热处理达到了抗拉强度峰值，此时硬化曲线相同，拉伸断裂后断口垂直于主断面二次裂纹，通过高倍观察发现，端口位置存在诸多近等轴小韧窝，以断裂肌理而言，以微孔聚集型裂纹为主要断裂方式，切断了大部分晶粒，所以根据扩展裂纹途径而言，断裂方式使穿晶型断裂，尽管断裂前存在细小塑性变形，却不明显，断口为脆性与韧性混合断裂。

5A90合金断裂方式在于晶内与晶界强度差值，晶界强度超过晶内后，沿晶内裂纹扩展，产生穿晶断裂，晶界强度在晶内以下，则沿晶界扩展裂纹，产生沿晶断裂[4]。

5A90合金由于强化相δ尺寸小，未达到错位从切过到绕过的尺寸，易出现晶内强度不足情况，所以产生穿晶断裂。

在拉断5A90中易变形基体首先在较大刚度的第二相粒子四周进行塑性流动，引起微空隙形核，导致第二相与基体界面裂开构成空洞，空洞连接后则会形成裂纹，产生断裂。

3讨论与分析
5A90铝锂合金相较于其他铝合金材料更轻，为已知最轻的结构材料铝合金，作为结构材料应用中对于航天器重量减少具有积极促进作用，广泛应用在航天产品中，特别是飞船型号作为轻质结构材料，可制造蒙皮结构件。

为了提高5A90合金材料应用效果，则需采取固溶热处理方式进行加工。

本次研究中，他讨论了5A90铝锂合金在进行固溶热处理中固溶温度、时效对铝合金影响，明确5A90合金固溶处理中最佳温度为440-455℃，超过455℃即存在过烧可能性，将会造成晶粒粗大，5A90合金板材保持时效时间10h即可，材料拥有良好强塑性，时间过长反而会将材料强度降低，且该合金易产生穿晶断裂，需加以注意。

总结：
参考文献：
[1]傅进,雷超,边天军,郜阳,曹晓,任斐,李恒.5A90铝锂合金的蠕变时效行为及机理[J].上海航天(中英文),2020,37(03):22-31.
[2]杨晓禹,高宝亭,刚建伟,刘慧婷,郑维民,康民.2219铝合金T87状态板材生产过程中的热处理工艺研究[J].轻合金加工技
术,2019,47(06):30-35.
[3]张思平,王旭东,冯朝辉.5A90铝锂合金型材的时效处理工艺及性能研究[J].铝加工,2018(06):27-31.
[4]赖小明,王国峰,张玉良,王博,顾义斌,易卓勋,王少华.基于5A90板材的电致裂纹修复模拟研究[J].精密成形工程,2018,10(06):107-111.。