摘 要 ：時效是鋁合金性能提升的關鍵工序，通過時效后的鋁合金硬度、強度和抗腐蝕性能均有顯著提升。根據AMS2750E航空標準要求， 本文對鋁合金航空板材的時效工藝、溫控系統進行了研究總結。

 

    鋁合金在經過淬火后，其塑性有所上升，強度和硬度等性能并不能直接達到非常優，再經過一定時間的自然時效或人工時效后，鋁合金的強度和硬度顯著提升，而塑性則有所下降。但自然時效所需要的時間非常長，為盡快達到鋁合金時效后性能指標要求，采用時效爐設備和不同的時效工藝成為了捷徑。而AMS2750E航空標準，對鋁合金時效過程中的溫度控制、過程記錄和報表都有所規定，為使鋁合金板材滿足航空市場認證，本文對此進行了總結，為更好實現鋁合金板材三級時效的實現提供參考。

 

    1 鋁合金航空板材時效熱處理工藝

    7系鋁合金又稱硬質鋁合金，為鋁鎂鋅銅合金，硬度大、強度高，常應用于飛機制造行業，其三級時效熱處理工藝大致包括三個過程 ：

 

    （1）時效的非常好個過程是進行T6態的峰值時效，時效后尺寸為3nm~4nm的具有部分彌散η'相的共格析出物在晶粒內部形成，與此同時，較大的鏈狀非共格η相析出物沿晶界形成[1] 。這種晶界的組織結構，產生的高強鋁合金對剝落腐蝕性能以及應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，保溫足夠時間需要20 h~24h。

 

    （2）時效的第二個過程是做回歸處理，即在低于固溶處理的溫度下，高于T6態處理溫度進行短時加熱。此種狀態時，在回歸溫度下晶內析出的η'相進行分解，并有部分η'相合并聚集，不再連續分布[2] 。晶界組織轉變成類似于T73狀態的組織，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力腐蝕性能，但是強度有所降低 ；工藝溫度大概為175℃ ~260℃左右，保溫時間需要1h~6h。

 

    （3）時效的第三個過程是再進行T6態時效，使細小彌散的部分共格η'相在晶粒內部重新析出，此時的晶界組織與過時效態的晶界組織相似，但晶界仍為不連續的非共格析出相，在晶粒內部形成了類似于時效到非常大強度的組織。工藝溫度大概為120℃左右，保溫足夠時間需要20 h~24h。

 

    要達到理想的組織結構，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到±3℃的水平，第三階段爐溫均勻性要達到±2.5℃的水平 ；第二，材料在爐內的升溫速度有一定的要求，升溫速度20~50℃ /小時 ；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。此項要求很關鍵，主要是為了非常大程度保留第二階段形成的組織結構[3] 。

 

    2 溫控系統

    鋁合金航空板材為了獲得需要的組織結構與良好的綜合性能，對時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，時效爐的溫控系統對于產品熱處理質量至關重要。

 

    2.1 系統組成

    溫度控制采用PLC模塊進行自動控制，根據對目標溫度（爐溫或料溫）的比較，PLC系統能通過PID對每區的加熱器進行調節控制，并且每區的加熱用電量均有單獨電表計量，而且能在上位機上顯示、記錄。PLC控溫具有溫差比例控制和定溫、定時控制功能，并允許料溫參于溫差比例控制，因此爐溫控制功能強，控制精度高，熱處理制品質量好。

 

    爐子的每區有2支N型雙芯熱電偶用來測量及監控爐氣溫度，分別安裝在熱風溫度的高端和低端，熱電偶外部為金屬套管，金屬套管爐內部分須安裝縮徑裝置，每點安裝1個鎧裝熱電偶連接端子箱，連接端子采用美標N型熱電偶連接頭。雙芯熱電偶的一支進入控制系統，另一支接入無紙記錄儀，記錄儀采用40通道、精度0.1級。同時為滿足2750E航空標準，控制、報警采用雙獨立系統。記錄儀給出的超高溫報警信號不經過PLC控制系統，并可發出聲光色報警信號。

 

    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，每根鎧裝熱電偶側部間距小于76mm處留有一個校溫孔，用于2750E標準中SAT精準度測試。

 

    2.2 爐溫均勻性測試（TUS）系統

    （1）功能要求 ：用于現場熱處理設備爐溫均勻性數據采集與均勻性報告的生成，同時可用于現場多區熱處理設備的系統精度測試（SAT）的數據采集。

 

    （2）數據記錄儀要求 ：通道數不能少于40個通道，匹配N/K/J/T/E/S/B/R等ITS90溫標標準化的熱電偶信號，精度滿足（含冷端）：≤±0.6℃或±0.1%t，符合AMS 2750E要求 ：每個通道須具有單獨的冷端補償，記錄儀的采集記錄間隔不小于1分鐘，每個通道可單獨進行校準和調整 ；源數據采用加密方式，電子數據不可修改，使用專用軟件方可進行數據的下載、查看與管理，確保數據的可追溯性。

 

    （3）系統軟件要求 ：軟件具有數據分析、運算和判定功能，可實現TUS數據的摘要，判定爐溫的非常大值、非常小值以及對應位置，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，可判定過沖時刻、過沖熱電偶位置，以及過沖時刻溫度值 ；軟件可實現對每支測試熱電偶與每個測試儀器通道的誤差進行修正，生成的報告均為修正后的數據 ；軟件的數據須滿足ASTME29以及國內計量數據修約的規定，生成報告的內容須完全滿足AMS2750E的要求，并且包含修正后的測試數據及相應的圖表。

 

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

 

    （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分度校準組件各1套，快速校準組件各1套 ；所用于制作測試線纜的補償導線、延長線、接插件符合ASTM E230/ASTM E1129，補償導線和延長導線要有ISO17025/UKAS/CNAS實驗室出具的首尾校準報告，精度≤±0.6℃ @0-50℃。

 

    （6）校準的要求 ：原廠校準實驗室（實驗室須具有ISO/UKAS/CNAS資質）提供的校準報告，每個通道校準點不得少于6個 ；具備CNAS資質的第三方校準報告一份 ：N和K分度，每種分度號校準40個通道，每個通道校準點不得少于6個。

 

    （7）報告的要求 ：結合AMS2750E、NadCap AC審核檢查單、NadCap熱處理審核手冊、NadCap發布的高溫測量指南以及Nadcap公告等對爐溫均勻性測試數據記錄儀的要求要點，規范數據記錄儀出具的的校準報告，降低NadCap審核出現不符合項的風險。

 

    3 熱電偶及補償導線

    為確保溫度控制系統精度和爐溫均勻性±3℃的要求，熱電偶需提供ISO17025/UKAS校準實驗室出具的原材料首尾校準報告，另外提供中測院單根校準報告。

 

    （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）熱電偶補償導線要求 ：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精度和爐溫均勻性±1.5℃的要求，所有用于測溫熱電偶及精準測試熱電偶均需符合以上精度要求，同時所有與PLC模塊連接的熱電偶都通過爐體現場安裝的冰點恒溫儀，輸出信號采用數字通訊方式，保證熱電偶冷端溫度的精確，減小環境因素造成的誤差。

 

    4 結論

    根據鋁合金航空板材三級時效工藝，結合AMS2750E標準的要求，時效爐的溫控系統需要達標建設，才能保證鋁合金板材在進行航空認證時，時效處理工藝及設備的順利通過。