鋁合金已大量應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。目前，鋁合金在民用飛機結(jié)構(gòu)上的用量占比為 70%~80%，在軍用飛機結(jié)構(gòu)上的用量占比為40%~60%。作為經(jīng)典的輕金屬材料，在未來相當長時間內(nèi)，鋁合金仍將為航空航天領(lǐng)域最主要的結(jié)構(gòu)材料。鋁合金鍛件用量約占航空航天用鋁合金總量的15%，雖然所占比例不大，但鍛件都是承受大載荷、對力學(xué)性能要求高的關(guān)鍵部件。由于用途特殊，大多數(shù)航空鋁合金鍛件都具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀異形的特點，因此鋁合金鍛件不同部位及方向的力學(xué)性能存在較大差異。力學(xué)性能檢測試樣的取樣方式對評價鍛件的力學(xué)性能至關(guān)重要，取樣方式如果不合理就很可能對鍛件性能判定結(jié)果造成嚴重偏差。擠壓或冷拉(軋)產(chǎn)品有相應(yīng)的國家標準,這些標準對試樣的切取部位和方向進行了詳細規(guī)定，鍛件的取樣方式通常由用戶和供方協(xié)商確定。
研究人員以7055鋁合金飛機輪轂鍛件為例，檢測了輪轂底部不同取樣位置、不同取樣方向、不同規(guī)格試樣的室溫力學(xué)性能，結(jié)合輪轂鍛件毛坯、零件圖以及鍛件毛坯的鍛造流線，分析了各種取樣方式對檢測結(jié)果的影響，最后探討了航空鋁合金鍛件拉伸試樣取樣方式的依據(jù)。
1、 試驗方法
1.1 試驗材料與設(shè)備
試驗材料為7055鋁合金，主要化學(xué)成分為Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu，具體成分見GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》。鍛造設(shè)備為3000t四柱油壓機，熱處理爐為淬火爐和時效爐。力學(xué)性能檢測設(shè)備為拉伸試驗機。
1.2 試驗過程
選用規(guī)格為160mm×455mm(直徑×長度)的7055鋁合金擠壓棒材進行試驗,采用胎膜鍛造方式在3000t液壓機上分兩道次將棒材鍛壓成輪轂毛坯，鍛造溫度為(440±10)℃；對鍛造毛坯進行粗車和去掉飛邊后，再對其進行熱處理，熱處理采用雙級固溶(450℃/3h+475℃/3h)和雙級時效制度(120℃/8h+160℃/24h)；熱處理結(jié)束后在輪轂上切取力學(xué)試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備標準試樣，在萬能拉伸試驗機上檢測試樣的力學(xué)性能；另外切取輪轂截面，將其打磨并拋光后，用溫度為80℃，質(zhì)量分數(shù)為20%的NaOH溶液腐蝕試樣15min，觀察輪轂毛坯的鍛造流線。
2、 試驗結(jié)果
2.1 航空鋁合金鍛件取樣方式
對力學(xué)性能檢測試樣的取樣方式進行規(guī)定是合理評價零件或材料性能的基礎(chǔ)。管材、棒材和型材都屬于基礎(chǔ)原材料，GB/T 16865—2013 《變形鋁、鎂及其合金加工制品 拉伸試驗用試樣及方法》和GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》中已對力學(xué)性能試驗取樣位置進行了詳細規(guī)定。擠壓材取樣位置如圖1所示，通常只規(guī)定擠壓材的縱向性能，且截面為相對規(guī)則的形狀，因此取樣位置都在相應(yīng)的幾何對稱部位。對于鍛件，很難在國家標準中明確規(guī)定毛坯的取樣位置，而且鍛件有其特殊性，難以標準化。
對于鍛件，尤其是模鍛件，在鍛造方案的制定過程中，會根據(jù)零件形狀、尺寸規(guī)格設(shè)計其模具和鍛造工序，讓金屬的變形流線與零件負載情況相契合，因此鍛件的力學(xué)性能可能處處不相同。沒有相應(yīng)的標準規(guī)定模鍛件的取樣方式，通常是用戶與鍛件提供方協(xié)商確定取樣位置。然而，必須要依據(jù)一定的原則確定取樣方式。某新型直升機鋁合金輪轂鍛件毛坯實物和剖面如圖2所示，圖2中1，2，3位置為力學(xué)性能檢測試樣位置，分別為輪轂外緣切向、輪轂壁高方向、輪轂底部徑向。在飛機滑跑過程中或者剎車時，飛機機輪外緣會受到地面切向的摩擦力，此時要確認機輪受切向載荷時的服役情況，由此確定取樣位置1;機輪輪轂外緣有一定錐度，機輪在服役過程中有向外壓出的趨勢，輪轂軸向受拉力作用，確定了取樣位置2；當飛機垂直起降或者靜止時，以地面為切面，機輪受到指向圓心的力，此時要確認機輪徑向負載情況，所以確定取樣位置3。
經(jīng)過以上分析可知，航空鋁合金鍛件取樣的依據(jù)是零件在服役過程中的受力情況。只有根據(jù)服役實際工況條件確定取樣位置，才能合理考察鍛件的性能。
2.2 取樣方向?qū)z測結(jié)果的影響
輪轂鍛坯底部徑向不同取樣方向如圖3所示，其中位置a指向圓心，為標準徑向，位置b到位置d依次偏離徑向。不同取樣方向試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。由表1可知：不同取樣方向的抗拉強度和屈服強度均滿足技術(shù)要求，這是由于7055鋁合金具有高強、高韌性能；斷后伸長率變化很大，位置a的斷后伸長率為7.8%，從位置b到位置d的斷后伸長率依次降低，位置d的斷后伸長率為3.0%，位置c和d的斷后伸長率均小于技術(shù)要求。
對鍛件來說，斷后伸長率與鍛造變形方式密切相關(guān)，與金屬鍛造流線有關(guān)，平行流線(順流線)方向的斷后伸長率最大，垂直流線方向的斷后伸長率最小。YS-T 479—2005 《一般工業(yè)用鋁合金鍛件》和GJB 2351—1995《航空航天用鋁合金鍛件規(guī)范》中規(guī)定的順流線方向與非順流線方向的斷后伸長率相差最大可以達到85%。輪轂底部的流線為放射狀，試樣a與流線完全平行，試樣b與流線形成一定角度，從c到d,試樣與鍛造流線的角度越來越大。因此，試樣a對應(yīng)的斷后伸長率最大，由b到d依次減小。美國航空航天材料標準規(guī)定，試樣軸線與鍛造流線的夾角不能超過15°。綜合分析可知，圖3中取樣位置a滿足正確的徑向取樣規(guī)則，其余位置均不符合要求，檢測結(jié)果也不能正確反映機輪輪轂鍛坯徑向的性能。
2.3 取樣位置對檢測結(jié)果的影響
輪轂毛坯橫截面如圖4所示，e、f、g、h是輪轂橫截面上4個不同取樣部位，e靠近鍛坯表面，g基本在截面的幾何位置，f和h位于幾何中心兩側(cè)。表2為上述4個部位的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表2可知：位置e的抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率都是最小的，且斷后伸長率小于技術(shù)要求，抗拉強度和屈服強度也剛好滿足技術(shù)要求；位置f和h的力學(xué)性能相當，位置g的抗拉強度和屈服強度略低于f和h位置，但完全滿足技術(shù)要求。
由于位置e試樣貼近鍛件表面，胎膜鍛造過程中鍛件表面與模具接觸，在二者相對運動過程中有很大的摩擦力，使局部溫度過高，導(dǎo)致鍛坯表面有一定程度的組織損傷(晶粒粗大、毛邊裂紋等)。另外，在熱處理過程中，零件表面因為局部溫度過高會形成一層淺表層過燒組織，該組織可以成為裂紋源，導(dǎo)致零件性能下降。因此，貼近鍛件表面位置e的性能最差。由于位置f和h遠離鍛坯表面，同時所在位置變形量足夠大、變形充分，且鍛造流線順暢，因此該位置的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都符合要求。雖然位置g性能不是最好的，但作為對輪轂鍛坯性能的合理評價，力學(xué)性能試樣切取位置g是最合適的，一方面，位置g在輪轂零件精確尺寸的幾何中心，最能真實反映最終零件的性能，另外，根據(jù)GB/T 16865—2013規(guī)定，鍛件力學(xué)性能試樣的切取位置為厚度最大處 。
2.4 拉伸試樣規(guī)格對檢測結(jié)果的影響
7055鋁合金輪轂鍛坯實物和流線如圖5所示，圖中i、j、k是截面上不同規(guī)格的3根試樣所在位置。表3為3個不同規(guī)格試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表3可知：標距為30mm和40mm拉伸試樣的力學(xué)性能相當，斷后伸長率分別為11.5%和12.5%，而標距為50mm的拉伸試樣斷后伸長率只有3.0%，且k號試樣斷裂的位置在標點處。
通常情況下，拉伸試樣只需要滿足標距是標距段直徑的5倍，試樣規(guī)格不會影響檢測結(jié)果，即試樣規(guī)格越大，避開微小缺陷(夾雜、渦流等)的機會就越小，可以采集到更多零件本體材料組織，更能全面真實反映零件的性能。然而對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件，切取試樣時不能穿越鍛造流線交接區(qū)或者流線方向改變區(qū)。
3、 結(jié)論
(1)在底部徑向位置取樣，方向指向圓心為標準徑向，該試樣的綜合性能最好，抗拉強度為576MPa，屈服強度為539MPa，斷后伸長率為7.8%。偏離標準徑向越多，試樣軸線與鍛造流線夾角越大，斷后伸長率越小，偏離到一定程度后，斷后伸長率小于技術(shù)要求。
(2)當拉伸試樣的切取位置太貼近鍛坯表面時，該試樣的抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率均偏低，得到的檢測結(jié)果不能用來評估鍛件的真實性能。當試樣的切取位置在變形良好區(qū)域，但又沒完全在鍛坯幾何中心時，所檢測結(jié)果也不能如實反映零件的性能。
(3)在相同的徑向位置取樣時，當拉伸試樣不穿過鍛造流線交接區(qū)時，不同規(guī)格試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果并無差異，標距為30mm和40mm試樣的斷后伸長率分別為11.5%和12.5%，當試樣截取位置穿過兩個方向鍛造流線交接區(qū)時，斷后伸長率明顯減小，標距為50mm試樣的斷后伸長率為3.0%，且斷裂位置在標點處。
作者：周小軍1，王宇鋒2，王飛3，陳來1，田進1，李俊1
單位：1.魏橋(蘇州)輕量化研究院有限公司；
2.航空工業(yè)貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司；
3.貴州新安航空機械有限責(zé)任公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第2期
