2524-T3铝合金作为第四代航空铝合金，具有较高的比强度、优异的疲劳性能和良好的耐蚀性能，主要用于制造飞行器蒙皮、机身面板以及薄壁曲零件。对于厚度为0.6~2.0mm的2524-T3铝合金薄板类变截面零件，由于零件过薄，机械加工难以满足其加工精度，而化学铣切(化铣)工艺是一 种更适合的加工方法。化学铣切是指将薄板预先确定的部分区域经化学溶液腐蚀至目标厚度，从而获得满足加工尺寸和精度要求的变截面的工艺。随着航空工业的发展，薄板类变截面零件，尤其是制孔后的化学铣切零件的需求量大幅增长，推动了化学铣切的研究。

目前，已有大量有关2A12、2A97、2195等铝合金薄板的化学铣切工艺优化和加工后材料性能的研究报道。化学铣切过程需选择合适的化铣速率和氢氧化钠浓度，控制铝离子浓度，调整化铣温度和浸蚀比等，使薄板均匀减薄并保持材料性能。对于铝合金材料，需控制铜、镁含量及两者比值，以减少均匀化后未回溶的粗大θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg)、保留晶内小尺寸的弥散T相(Al20Cu2Mn3)、降低表面粗晶的形成，从而获得较高的表面质量 ,并且还应具有良好的力学性能和耐晶间腐蚀性能 ,防止化学铣切导致表面严重腐蚀和剩余强度过低。然而，现有文献中关于2524铝合金化学铣切后性能的研究较少。为此，作者对比研究了化学铣切前后2524-T3铝合金薄板的表面形貌、拉伸性能和疲劳性能 ,提出了改善化学铣切  后薄板综合性能的方法 , 以期为薄板类零件化学铣切工艺优化提供参考。

1、  试样制备与试验方法

试验材料为厚度为1.8mm的2524-T3铝合金非包铝薄板，化学成分(质量分数/%)为0.06Si，0.12Fe，4.3Cu，1.5Mg，0.5Mn，余Al。根据HB/Z5125-2008进行化学切试验，化铣液组成为150g·L-1氢氧化钠+20g·L-1硫化钠+4g·L-1三乙醇胺，控制化学铣切过程中铝离子质量浓度为30g·L-1，温度为90~100℃，将薄板加工至原厚度的1/2。采用SPMI400D型表面粗糙度仪测定化学铣切前后试样晶粒主变形方向(L向)和垂于晶粒主变形方向(LT向)的表面粗糙度。分别沿L向和LT向截取如图1所示的板状拉伸试样，采用Instron 5887型电子万能试验机，按照GB/T 228.1-2021进行室温拉伸试验。采用JSM-7001F型场发射扫描电 镜观察微观形貌，并采用附带的能谱仪(EDS)分析微区成分。制取如图2所示的中心孔疲劳试样，模拟零件制孔后的受力状态，应力集中系数Kt为2.3。按照HB5287-1996进行疲劳试验，在距试样两端30mm处进行夹持，频率为100Hz，应力比R为0.1,采用升降试验法，循环107次不断则判定为未发生断裂。采用JSM-7001F型场发射扫描电镜观察疲劳断口表面及截面形貌。

图1 板状拉伸试样尺寸

图2 中心孔疲劳试样尺寸

2、试验结果与讨论

2. 1  对表面形貌的影响

2524-T3铝合金薄板化学铣切前沿L、LT方向的表面粗糙度分别为(0.98±0.04)，(1.02±0.05)μm，化学铣切后分别为(1.19±0.06)μm，(1.37±0.08)μm，分别提高了 21.4%，34.3%。由图3结合EDS分析结果可知：化学铣切前薄板表面存在5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg化合物及氧化物，化学铣切后表面出现大量直径为10~50μm的浅表腐蚀坑，在腐蚀坑内和周围出现部分第二相剥离后残留的微孔洞。这是因为在化学铣切过程中，薄板表面尺寸较小的晶粒被完全腐蚀，而较大的晶粒仅发生部分腐蚀，残存的晶粒和晶界在表面形成深浅不一的腐蚀坑。此外，由于试验合金内存在的微米级第二相θ相和S相的电极电位相比铝基体更正，而成为阴极，铝基体成为阳极并优先发生腐蚀而逐渐溶解，θ相和S相逐渐从基体剥离，因此在部分腐蚀坑中可观察到第二相粒子被剥离后遗留的微孔洞。化学铣切导致的腐蚀坑和微孔洞是造成表面粗糙度增大的主要原因。

图3 化学铣切前后2524-T3铝合金薄板的表面形貌

2.2  对拉伸性能的影响

由表1可见：化铣前后2524-T3铝合金薄板的室温拉伸性能相差不大，均保持在较高水平，屈服强度不低于330MPa，抗拉强度不低于460MPa，断后伸长率保持在20%以上，表明化学铣切对薄板的拉伸性能无显著影响。这是因为化学铣切仅起到减薄作用，并未改变显微组织特征；而拉伸性能对材料的表面粗糙度敏感性相对较低，与显微组织特性相关性更大，化学铣切对薄板拉伸性能无显著影响。

表 1 化铣前后2524-T3铝合金薄板的拉伸性能

2.3  对疲劳性能的影响

由图4可知，化铣前后2524-T3铝合金薄板的疲劳强度分别为153.5，138.3MPa，化铣后疲劳强度相比化铣前下降了9.9%。疲劳强度的下降可能与表面粗糙度有关，化学铣切产生的腐蚀坑使表面粗糙度提高，在承受交变载荷时腐蚀坑和大量微孔洞聚集处易产生应力集中，从而降低了疲劳性能。此外，薄板在制造过程中会产生残余压应力，这些压应力会对微孔洞和微裂纹等制造缺陷起到一定的压合作用，虽然对拉伸性能无明显影响，但对疲劳性能有益；经化学铣切减薄后，残余压应力释放，压合作用减弱，微裂纹和微孔洞易成为疲劳裂纹源，最终导致疲劳性能下降。

图4 化铣前后中心孔疲劳试样疲劳强度升降图

由图5可知，在交变载荷的作用下，中心孔疲劳试样在垂直于受力方向的孔边缘处发生了横断，这应是孔周围应力集中导致的。由图6可见：疲劳裂纹源位于孔壁和试样表面合围而成的区域；裂纹萌生后向试样内部扩展，在裂纹扩展区可观察到大量的韧窝，第二相粒子数量众多且尺寸集中在5~10μm，裂纹扩展路径清晰，可观察到明显的疲劳条带；瞬断区主要为粗糙的“晶粒”状结构，主要呈现脆性断裂特征。

图5 化铣后中心孔疲劳试样宏观断裂形貌

图6 化铣后中心孔疲劳试样的疲劳断口形貌

综上所述，化学铣切会造成疲劳性能下降。根 据其影响机制，提出下述改进方法：

在2524-T3铝合金的成分范围内，适当调整铜、镁含量，或是添加稀土元素，从而改善第二相的成分和分布，减少富铜、富镁粗大第二相的生成；

优化2524-T3铝合金薄板的轧制过程和热处理工艺，减少铸锭均匀化或固溶过程中未回溶的粗大结晶相，降低化学铣切前后的表面粗糙度差异 ;

可对化学铣切后的薄板进行表面喷丸处理，使表面重新产生残余压应力，从而在一定程度上改善疲劳性能。

3、结  论

2524-T3铝合金薄板经化学铣切后的表面粗糙度提高。化学铣切前薄板表面存在尺寸为 5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg化合物及氧化物，化学铣切后薄板表面出现大量直径为 10~50μm的浅表腐蚀坑，还有第二相AlCuMg粒子部分溶解剥离残留的微孔洞。

化铣前后薄板的室温拉伸性能差异较小 , 均保持较高水平，屈服强度不低于330MPa，抗拉强度不低于460MPa，断后伸长率保持在20%以上。

化铣前后2524-T3铝合金薄板的疲劳强度 分别为153.5，138.3MPa，化铣后疲劳强度相比化铣前下降了9. 9%。

作者：雷越,陈高红,郝敏

工作单位：中国航发北京航空材料研究院 

来源：《机械工程材料》2024年5期