摘 要 ：時(shí)效是鋁合金性能提升的關(guān)鍵工序，通過時(shí)效后的鋁合金硬度、強(qiáng)度和抗腐蝕性能均有顯著提升。根據(jù)AMS2750E航空標(biāo)準(zhǔn)要求， 本文對鋁合金航空板材的時(shí)效工藝、溫控系統(tǒng)進(jìn)行了研究總結(jié)。

 

    鋁合金在經(jīng)過淬火后，其塑性有所上升，強(qiáng)度和硬度等性能并不能直接達(dá)到非常優(yōu)，再經(jīng)過一定時(shí)間的自然時(shí)效或人工時(shí)效后，鋁合金的強(qiáng)度和硬度顯著提升，而塑性則有所下降。但自然時(shí)效所需要的時(shí)間非常長，為盡快達(dá)到鋁合金時(shí)效后性能指標(biāo)要求，采用時(shí)效爐設(shè)備和不同的時(shí)效工藝成為了捷徑。而AMS2750E航空標(biāo)準(zhǔn)，對鋁合金時(shí)效過程中的溫度控制、過程記錄和報(bào)表都有所規(guī)定，為使鋁合金板材滿足航空市場認(rèn)證，本文對此進(jìn)行了總結(jié)，為更好實(shí)現(xiàn)鋁合金板材三級時(shí)效的實(shí)現(xiàn)提供參考。

 

    1 鋁合金航空板材時(shí)效熱處理工藝

    7系鋁合金又稱硬質(zhì)鋁合金，為鋁鎂鋅銅合金，硬度大、強(qiáng)度高，常應(yīng)用于飛機(jī)制造行業(yè)，其三級時(shí)效熱處理工藝大致包括三個(gè)過程 ：

 

    （1）時(shí)效的非常好個(gè)過程是進(jìn)行T6態(tài)的峰值時(shí)效，時(shí)效后尺寸為3nm~4nm的具有部分彌散η'相的共格析出物在晶粒內(nèi)部形成，與此同時(shí)，較大的鏈狀非共格η相析出物沿晶界形成[1] 。這種晶界的組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的高強(qiáng)鋁合金對剝落腐蝕性能以及應(yīng)力腐蝕開裂性能具有很高的敏感性 ；工藝溫度大概為120℃左右，保溫足夠時(shí)間需要20 h~24h。

 

    （2）時(shí)效的第二個(gè)過程是做回歸處理，即在低于固溶處理的溫度下，高于T6態(tài)處理溫度進(jìn)行短時(shí)加熱。此種狀態(tài)時(shí)，在回歸溫度下晶內(nèi)析出的η'相進(jìn)行分解，并有部分η'相合并聚集，不再連續(xù)分布[2] 。晶界組織轉(zhuǎn)變成類似于T73狀態(tài)的組織，這樣的晶界組織雖然改善了合金的抗剝落腐蝕性能和抗應(yīng)力腐蝕性能，但是強(qiáng)度有所降低 ；工藝溫度大概為175℃ ~260℃左右，保溫時(shí)間需要1h~6h。

 

    （3）時(shí)效的第三個(gè)過程是再進(jìn)行T6態(tài)時(shí)效，使細(xì)小彌散的部分共格η'相在晶粒內(nèi)部重新析出，此時(shí)的晶界組織與過時(shí)效態(tài)的晶界組織相似，但晶界仍為不連續(xù)的非共格析出相，在晶粒內(nèi)部形成了類似于時(shí)效到非常大強(qiáng)度的組織。工藝溫度大概為120℃左右，保溫足夠時(shí)間需要20 h~24h。

 

    要達(dá)到理想的組織結(jié)構(gòu)，首先，熱處理的溫度控制要精確，非常好階段、第二階段爐溫均勻性要達(dá)到±3℃的水平，第三階段爐溫均勻性要達(dá)到±2.5℃的水平 ；第二，材料在爐內(nèi)的升溫速度有一定的要求，升溫速度20~50℃ /小時(shí) ；第三，第二階段保溫完成后，材料必須整體快速冷卻，即冷卻要均勻、快速，冷卻速度≥200℃ /小時(shí)。此項(xiàng)要求很關(guān)鍵，主要是為了非常大程度保留第二階段形成的組織結(jié)構(gòu)[3] 。

 

    2 溫控系統(tǒng)

    鋁合金航空板材為了獲得需要的組織結(jié)構(gòu)與良好的綜合性能，對時(shí)效過程的溫度均勻性、加熱速度、冷卻速度與均勻性都有很高的要求。因此，時(shí)效爐的溫控系統(tǒng)對于產(chǎn)品熱處理質(zhì)量至關(guān)重要。

 

    2.1 系統(tǒng)組成

    溫度控制采用PLC模塊進(jìn)行自動控制，根據(jù)對目標(biāo)溫度（爐溫或料溫）的比較，PLC系統(tǒng)能通過PID對每區(qū)的加熱器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并且每區(qū)的加熱用電量均有單獨(dú)電表計(jì)量，而且能在上位機(jī)上顯示、記錄。PLC控溫具有溫差比例控制和定溫、定時(shí)控制功能，并允許料溫參于溫差比例控制，因此爐溫控制功能強(qiáng)，控制精度高，熱處理制品質(zhì)量好。

 

    爐子的每區(qū)有2支N型雙芯熱電偶用來測量及監(jiān)控爐氣溫度，分別安裝在熱風(fēng)溫度的高端和低端，熱電偶外部為金屬套管，金屬套管爐內(nèi)部分須安裝縮徑裝置，每點(diǎn)安裝1個(gè)鎧裝熱電偶連接端子箱，連接端子采用美標(biāo)N型熱電偶連接頭。雙芯熱電偶的一支進(jìn)入控制系統(tǒng)，另一支接入無紙記錄儀，記錄儀采用40通道、精度0.1級。同時(shí)為滿足2750E航空標(biāo)準(zhǔn)，控制、報(bào)警采用雙獨(dú)立系統(tǒng)。記錄儀給出的超高溫報(bào)警信號不經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)，并可發(fā)出聲光色報(bào)警信號。

 

    鎧裝熱電偶孔采用耐高溫不銹鋼，鎧裝熱電偶與熱電偶孔須有鎖緊固定裝置，每根鎧裝熱電偶側(cè)部間距小于76mm處留有一個(gè)校溫孔，用于2750E標(biāo)準(zhǔn)中SAT精準(zhǔn)度測試。

 

    2.2 爐溫均勻性測試（TUS）系統(tǒng)

    （1）功能要求 ：用于現(xiàn)場熱處理設(shè)備爐溫均勻性數(shù)據(jù)采集與均勻性報(bào)告的生成，同時(shí)可用于現(xiàn)場多區(qū)熱處理設(shè)備的系統(tǒng)精度測試（SAT）的數(shù)據(jù)采集。

 

    （2）數(shù)據(jù)記錄儀要求 ：通道數(shù)不能少于40個(gè)通道，匹配N/K/J/T/E/S/B/R等ITS90溫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶信號，精度滿足（含冷端）：≤±0.6℃或±0.1%t，符合AMS 2750E要求 ：每個(gè)通道須具有單獨(dú)的冷端補(bǔ)償，記錄儀的采集記錄間隔不小于1分鐘，每個(gè)通道可單獨(dú)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整 ；源數(shù)據(jù)采用加密方式，電子數(shù)據(jù)不可修改，使用專用軟件方可進(jìn)行數(shù)據(jù)的下載、查看與管理，確保數(shù)據(jù)的可追溯性。

 

    （3）系統(tǒng)軟件要求 ：軟件具有數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算和判定功能，可實(shí)現(xiàn)TUS數(shù)據(jù)的摘要，判定爐溫的非常大值、非常小值以及對應(yīng)位置，以及每支測試熱電偶的非常大值、非常小值以及分布 ；針對溫度過沖，可判定過沖時(shí)刻、過沖熱電偶位置，以及過沖時(shí)刻溫度值 ；軟件可實(shí)現(xiàn)對每支測試熱電偶與每個(gè)測試儀器通道的誤差進(jìn)行修正，生成的報(bào)告均為修正后的數(shù)據(jù) ；軟件的數(shù)據(jù)須滿足ASTME29以及國內(nèi)計(jì)量數(shù)據(jù)修約的規(guī)定，生成報(bào)告的內(nèi)容須完全滿足AMS2750E的要求，并且包含修正后的測試數(shù)據(jù)及相應(yīng)的圖表。

 

    （4）均勻性測試報(bào)告要求 ：TUS報(bào)告格式要可修改，可按照AMS2750E的要求規(guī)劃爐溫均勻性測試報(bào)告。

 

    （5）配件或附件的要求 ：K分度測試組件1套（40組），長度3m，N分度測試組件1套（40組），長度3m ；N、K分度校準(zhǔn)組件各1套，快速校準(zhǔn)組件各1套 ；所用于制作測試線纜的補(bǔ)償導(dǎo)線、延長線、接插件符合ASTM E230/ASTM E1129，補(bǔ)償導(dǎo)線和延長導(dǎo)線要有ISO17025/UKAS/CNAS實(shí)驗(yàn)室出具的首尾校準(zhǔn)報(bào)告，精度≤±0.6℃ @0-50℃。

 

    （6）校準(zhǔn)的要求 ：原廠校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室（實(shí)驗(yàn)室須具有ISO/UKAS/CNAS資質(zhì)）提供的校準(zhǔn)報(bào)告，每個(gè)通道校準(zhǔn)點(diǎn)不得少于6個(gè) ；具備CNAS資質(zhì)的第三方校準(zhǔn)報(bào)告一份 ：N和K分度，每種分度號校準(zhǔn)40個(gè)通道，每個(gè)通道校準(zhǔn)點(diǎn)不得少于6個(gè)。

 

    （7）報(bào)告的要求 ：結(jié)合AMS2750E、NadCap AC審核檢查單、NadCap熱處理審核手冊、NadCap發(fā)布的高溫測量指南以及Nadcap公告等對爐溫均勻性測試數(shù)據(jù)記錄儀的要求要點(diǎn)，規(guī)范數(shù)據(jù)記錄儀出具的的校準(zhǔn)報(bào)告，降低NadCap審核出現(xiàn)不符合項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)。

 

    3 熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線

    為確保溫度控制系統(tǒng)精度和爐溫均勻性±3℃的要求，熱電偶需提供ISO17025/UKAS校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室出具的原材料首尾校準(zhǔn)報(bào)告，另外提供中測院單根校準(zhǔn)報(bào)告。

 

    （1）爐膛熱電偶要求 ：N型雙芯鎧裝熱電偶，精度滿足 ：≤±0.8℃或0.2%t。

 

    （2）系統(tǒng)精度測試熱電偶要求 ：N型單芯鎧裝熱電偶，精度滿足 ：≤±0.8℃或0.2%t。

 

    （3）均勻性測試熱電偶要求：K型易耗型熱電偶，精度滿足：≤±1.1℃或0.4%t。

 

    （4）熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線要求 ：N分度多芯絞合型，帶屏蔽層與接地線，精度≤±0.6℃ @0-50℃。

 

    為確保溫度控制系統(tǒng)精度和爐溫均勻性±1.5℃的要求，所有用于測溫?zé)犭娕技熬珳?zhǔn)測試熱電偶均需符合以上精度要求，同時(shí)所有與PLC模塊連接的熱電偶都通過爐體現(xiàn)場安裝的冰點(diǎn)恒溫儀，輸出信號采用數(shù)字通訊方式，保證熱電偶冷端溫度的精確，減小環(huán)境因素造成的誤差。

 

    4 結(jié)論

    根據(jù)鋁合金航空板材三級時(shí)效工藝，結(jié)合AMS2750E標(biāo)準(zhǔn)的要求，時(shí)效爐的溫控系統(tǒng)需要達(dá)標(biāo)建設(shè)，才能保證鋁合金板材在進(jìn)行航空認(rèn)證時(shí)，時(shí)效處理工藝及設(shè)備的順利通過。