关于预硬化Al-Cu-Mg合金在室温下的成形性、微观结构演变以及成形前后机械性能的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Study on room temperature formability, microstructural evolution, and mechanical properties before and after forming of pre-hardened Al-Cu-Mg alloys

航空Al-Cu-Mg合金预硬化冷成型工艺研究：提出PHCF新工艺，通过预老化处理实现室温成型无需后续热处理，提升效率5.6%，室温成型性达O temper的96.8%，并优化微观结构。

　　

滕武|孟显龙|苏洪亮|胡志立|林华

武汉工业大学光超合金国家重点实验室，中国武汉430070

摘要

O态冷成型工艺包括在室温下进行成型，随后进行固溶热处理、淬火和人工时效处理。然而，零件在淬火过程中会发生变形，这需要反复手动矫正，从而导致制造效率低下。本研究提出了一种适用于航空航天Al-Cu-Mg合金的新型预硬化冷成型（PHCF）工艺。经过PH处理后，板材可以直接在室温下成型，无需后续热处理，从而提高了制造效率。通过单轴拉伸试验对PH Al-Cu-Mg合金的机械性能进行了表征。利用Erichsen试验结合应变测量系统研究了预硬化Al–Cu–Mg合金在室温下的变形均匀性和成形性。通过维氏硬度测试评估了成型后的机械性能。与T62态相比，PH Al-Cu-Mg合金的极限抗拉强度提高了5.6%，室温下的成形性达到了O态的96.8%。采用PHCF工艺生产的拉伸件具有比O态冷成型工艺更高的显微硬度。使用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）评估了两种加工条件下Al-Cu-Mg合金的微观结构。观察到，在O态冷成型过程中，静态恢复导致了晶粒粗化和位错恢复，并在人工时效后形成了宽的沉淀自由区（PFZ）。相比之下，PHCF工艺由于采用了“成型前沉淀”的策略，产生了细化的晶粒结构、增加的位错密度和狭窄的PFZ。这些结果证实了PHCF工艺的工程可行性。

引言

Al–Cu–Mg合金具有高比强度和刚度、优异的耐腐蚀性和疲劳性能、相对较低的成本以及良好的加工性[1]、[2]。因此，它们被广泛应用于航空航天领域，特别是用于制造关键部件，如机身蒙皮、翼梁、翼肋、起落架门和导弹外壳[3]、[4]。然而，随着航空航天结构部件对高强度、高尺寸精度、细化微观结构和高效制造要求的提高，Al-Cu–Mg合金的工业应用面临更大的技术挑战[5]。作为连接材料性能与最终部件质量的核心环节，成型工艺直接影响部件的成型效率、几何精度和服务性能[6]。因此，这些工艺对于推动Al-Cu–Mg合金在航空航天领域的应用至关重要。

Al–Cu–Mg合金板材的成型工艺可以根据成型温度分为热成型、低温成型和室温成型（RTF）。热成型工艺通过提高成型温度显著增强了Al–Cu–Mg合金的塑性变形能力[7]、[8]。其中，热成型和冷模淬火（HFQ）技术具有代表性[9]。该工艺已被证明可以生产出具有复杂几何形状和相对高尺寸精度的高强度铝合金板材部件[10]、[11]。近年来，铝合金因在液氮温度下表现出双增强效应（即总伸长率和应变硬化指数同时提高）而受到广泛关注[12]。Yuan等人的研究[13]表明，在极低温度（-160?°C）下，Al-Cu合金的极限拉伸比（LDR）比室温下高50.2%。Dong等人和Wang等人[14]、[15]使用低温成型工艺成功制造了表面光滑且无裂纹的飞机薄壁部件，如翼尖蒙皮和机身开口框架。然而，尽管热成型和低温成型工艺显著提高了Al–Cu–Mg合金的成形性，但它们都依赖于极端温度条件，导致能耗高[10]、生产线改造成本高[14]，以及需要复杂的加热或低温控制系统[16]、[17]。更重要的是，成型后的部件通常仍需要后续热处理才能达到使用强度[18]、[19]。因此，极端温度成型工艺仍无法满足快速成型和成本效率的工业生产要求，限制了它们的应用范围。

目前，大多数航空航天铝合金部件供应商仍然倾向于使用低成本的RTF工艺，即W态或O态的软质板材[20]、[21]。由于W态在室温下的不稳定性和较窄的加工时间窗口，工业制造面临相当大的挑战[22]。因此，它逐渐被O态冷成型工艺所取代。如图1(a)所示，该工艺首先在室温下成型O态板材以产生满足几何要求的部件，然后结合固溶热处理（SHT）和人工时效（AA）来提高强度[11]。然而，根据Qiu等人的研究[23]，室温变形后的SHT会加剧异常晶粒生长，且这种生长非常迅速。此外，铝合金部件在淬火过程中会发生变形，容易导致翘曲，严重影响几何精度，需要手动矫正[24]。这反过来又降低了生产效率和成型质量。

对于航空航天Al-Cu–Mg合金的RTF工艺，未充分时效的态可能可以作为软质（O/W）态的替代方案。Liu等人[25]报告称，未充分时效的Al–Cu–Mg合金的伸长率超过了20%。Chen等人[26]提出了一种结合时效热处理和室温变形的策略，使Al–Cu–Mg合金的强度和延展性优于峰值时效态，从而实现了强度和塑性的同时提高。?sterreicher等人[27]进行了等双轴拉伸试验，发现未充分时效的Al–Cu–Mg合金的成形性高于传统软质态坯料。此外，Tang等人[28]报告称，未充分时效的坯料在自然时效48小时到一个月内保持稳定的机械性能和微观结构，有效缓解了自然时效的不利影响。这些发现表明，适当的预时效处理可以调节Al–Cu–Mg合金的沉淀行为和微观结构稳定性，从而提高其室温成形性[29]。

本研究提出了一种新型的预硬化冷成型（PHCF）工艺，如图1(b)所示。在该工艺中，使用经过固溶淬火和时效硬化的合金作为板材，称为PH Al–Cu–Mg合金。PH板材可以直接在室温下成型为最终部件，无需任何额外的后续热处理即可满足使用要求。在实际生产中，板材供应商也可以制备PH板材以缩短制造过程。通过单轴拉伸和Erichsen试验对PH Al–Cu–Mg合金的机械和成型性能进行了表征。此外，还使用数字图像相关（DIC）和显微硬度测试评估了成型过程中的变形均匀性和成型后的机械性能。利用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和差示扫描量热法（DSC）研究了PH Al–Cu–Mg合金在成型前后的微观结构演变。揭示了PH Al–Cu–Mg合金的强度-延展性协同机制。这些结果可以为航空航天板材部件的制造提供理论指导和工艺支持。

材料

本研究使用的材料是由西南铝业有限公司制造的Al-Cu–Mg合金。合金板材的厚度为2.5毫米，处于O态。使用电感耦合等离子体光学发射光谱仪（型号：Agilent ICPOES730）获得了Al-Cu–Mg合金的主要化学成分，如表1所示。

成型工艺设计

图2展示了O态冷成型工艺和PHCF工艺过程中的温度曲线。

PH Al-Cu–Mg合金的机械性能

图4展示了O态合金和PH Al–Cu–Mg合金的室温工程应力-应变曲线和拉伸响应。总体而言，经过PH处理后，Al–Cu–Mg合金的强度显著提高，最大极限抗拉强度（UTS）达到475 MPa，超过了T62态（UTS：450 MPa）。与O态试样（UTS：196 MPa，伸长率：24.6%）相比，UTS的最大增幅接近144%，而拉伸伸长率有所降低。

PH温度对Al-Cu–Mg合金沉淀行为的影响

图18(a)展示了PH Al–Cu–Mg合金的DSC曲线。从热分析结果中可以识别出三种主要的热效应。在118–250?°C之间观察到的吸热峰“1”归因于预先存在的GPB区的溶解。这一观察结果与图11中显示的GPB区的TEM结果一致。在260–330?°C之间依次出现了两个放热峰“2”和“3”。根据Wang等人的研究[53]，峰“2”对应于

结论

本研究提出了一种适用于航空航天Al–Cu–Mg合金的新型PHCF工艺。研究了该工艺下Al–Cu–Mg合金的成形性、成型前后的机械性能以及微观结构特征，并将其与现有的O态冷成型工艺的结果进行了比较。

1. 在PHCF工艺中，当PH温度为80?°C且保持时间为3小时时，Al–Cu–Mg合金表现出出色的协同效应

CRediT作者贡献声明

苏洪亮：验证、资源、正式分析。胡志立：写作——审稿与编辑、资源、项目管理、方法论、资金获取。孟显龙：验证、方法论、正式分析。滕武：写作——初稿、软件、方法论、研究、正式分析。林华：写作——审稿与编辑、资源、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点科学技术项目（项目编号2024ZD0703101）、国家重点研发计划（项目编号2023YFB3307600）、国家自然科学基金（项目编号51775397、52075400）、广西科技重大专项（项目编号AA23062065、AA23062063）、湖北省自然科学基金（项目编号2023AFA069）等项目的支持。