鋁鋰合金超塑成形/擴散連接技術(shù)研究進展

王增宇 李 媛 王 斌 李 升 李細鋒* 梁承鏘

(1. 上海交通大學，上海 200030； 2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；3. 北京星航機電裝備有限公司，北京 100074； 4. 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，東莞 523460)

0 引言

目前輕質(zhì)金屬材料在生產(chǎn)生活上的應用日益廣泛，如航空航天、汽車及軌道交通、船舶、電子電器等，這使得工業(yè)領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料的需求更為迫切，質(zhì)量要求也更為提高。滿足航空航天要求的金屬材料一般需要具備高強度、低密度的特性，鋁鋰合金滿足以上條件，而且比彈性模量較高，是理想的航空航天材料。目前鋁鋰合金已經(jīng)被用來制造飛機的機身框架、襟翼翼肋、電子設(shè)備蓋扳、飛機檢修艙門等重要結(jié)構(gòu)。鋰元素是最輕的金屬元素，鋁鋰合金中的鋰元素含量每提高1%，合金密度就會降低3%，同時彈性模量會提高6%，這大大提高了材料的拉伸強度、塑性和抗疲勞性能。但鋁鋰合金的成形性差，容易開裂，各向異性比傳統(tǒng)鋁合金更明顯，因此采用傳統(tǒng)的成形方式效果不好。超塑成形技術(shù)(Superplastic forming，簡稱SPF)是一種鋁鋰合金薄壁中空構(gòu)件的制造工藝，它是通過形變熱處理的方式獲得細晶組織，從而實現(xiàn)鋁鋰合金的超塑性。這種成形方式不僅能夠降低成本，減輕重量，還能夠提高結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性和可靠性，因此可以為我國的航空航天工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

超塑成形技術(shù)是指在特定溫度和應變速率條件下的材料會呈現(xiàn)超塑性，利用氣壓差將材料壓入模具內(nèi)部實現(xiàn)成形的一種加工工藝。擴散連接(Diffusion bonding，簡稱DB)技術(shù)是指相互接觸的表面在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)過一定的時間后結(jié)合層原子間相互擴散，形成整體的可靠連接的過程。SPF/DB工藝就是兩種技術(shù)的相互結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩種成形工藝的優(yōu)勢，成形復雜的中空結(jié)構(gòu)件。該技術(shù)可以減輕結(jié)構(gòu)件的整體重量，使一些復雜的結(jié)構(gòu)整體化，提高其整體的穩(wěn)定性，而且大大縮短了制造周期，降低了制造成本。SPF/DB工藝在鈦合金中的應用范圍較大，在鋁鋰合金的應用范圍較小。根本原因在于，室溫下鋁鋰合金表面極易形成一層致密穩(wěn)定的氧化膜，且在擴散連接過程中氧化膜既不分解也不溶解于基體，嚴重阻礙鋁原子的相互擴散。因此對鋁鋰合金擴散連接的研究已成為當前的學術(shù)研究熱點之一。

鋁鋰合金SPF/DB工藝的難點主要在擴散連接。鋁鋰合金的擴散連接與鈦合金有所不同，鈦合金表面較薄的氧化膜可在高溫下溶解于基體中，使得鈦合金的SPF/DB過程容易進行，而鋁鋰合金表面的氧化膜卻極穩(wěn)定，具有“舊膜難去，新膜易生”的特點。對鋁鋰合金表面進行有效處理，消除氧化膜對擴散連接過程的不利影響，獲得可靠的擴散連接界面是鋁鋰合金SPF/DB技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 鋁鋰合金超塑成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外鋁鋰合金超塑成形技術(shù)發(fā)展歷程

鋁鋰合金的超塑性研究經(jīng)歷了從理論積累到工業(yè)化應用的發(fā)展轉(zhuǎn)變，國外研究機構(gòu)己經(jīng)實現(xiàn)對工業(yè)用鋁鋰合金超塑性材料制備的突破。上世紀80年代初，PANDEY等最先研究Al-Li系合金的超塑性，探究在450℃下兩種成分幾乎相同的鋁鋰合金的超塑性變形行為，一種通過鑄錠冶金(Ingot metallurgy，簡稱IM)生產(chǎn)，另一種通過快速凝固粉末冶金(Rapid solidification powder metallurgy，簡稱PM)生產(chǎn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，IM合金表現(xiàn)出更高的超塑性變形行為，延展性也優(yōu)于PM合金。1991年英國宇航公司應用SPF技術(shù)生產(chǎn)制造EAP戰(zhàn)斗機的起落架艙門，艙門采用8090鋁鋰合金材料，使零件數(shù)量大大減少，減重20%。美國麥道公司用鋁鋰合金板材制造C-17運輸機貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達2.8 t，比用普通鋁合金減重208 kg。日本住友金屬公司與三菱公司采用鋁鋰合金超塑成形技術(shù)，制造出飛機隔板門整體結(jié)構(gòu)件。2001年加拿大曼尼托巴大學FAN等在530℃下，觀察到8090鋁鋰合金超塑板材在整個厚度橫截面包含不同微觀結(jié)構(gòu)和微觀紋理，通過對全厚度、近表面和中間厚度層的試樣進行拉伸測試，研究了超塑性行為與其微觀結(jié)構(gòu)演變的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)全厚度、近表面和中心材料的應變率敏感指數(shù)最大值分別為0.82、0.6和0.56，在ε=1×10s時，相應的延伸率為475%、420%和286%。

現(xiàn)階段致使計算機中病毒的形式有很多種，網(wǎng)絡(luò)信息的安全性受到威脅。若想要保證計算機網(wǎng)絡(luò)信息安全性，個人用戶、企業(yè)集體的合法權(quán)益得到保障，就要求計算機網(wǎng)絡(luò)信息安全管理工作人員在日常工作中，以用戶實際需求為主制定合理的網(wǎng)絡(luò)信息安全管理制度。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與推廣應用，威脅計算機網(wǎng)絡(luò)信息安全的因素在不斷增加，甚至已經(jīng)嚴重影響了個人用戶及企業(yè)集體的合法權(quán)益。所以，計算機網(wǎng)絡(luò)信息安全管理工作人員應制定相對健全的制度，保證用戶網(wǎng)絡(luò)信息安全性與利用率，盡量杜絕網(wǎng)絡(luò)信息被入侵、丟失等現(xiàn)象。

1.2 國內(nèi)鋁鋰合金超塑成形技術(shù)發(fā)展歷程

我國對超塑性鋁鋰合金的研究開始于上世紀八十年代末，東北大學、北京科技大學和中南大學等單位做了大量相關(guān)研究工作。東北大學劉志義首次將電致塑性和電致遷移理論應用于超塑變形，通過施加脈沖電流使2091鋁鋰合金的變形速率提高了40倍。北京科技大學任學平等通過在350℃～430℃下的拉伸試驗，研究了軋制2A97鋁鋰合金在多種應力狀態(tài)下的超塑成形性能。研究發(fā)現(xiàn)，提高超塑成形溫度可以改善成形零件的厚度分布，但可能會導致過度空化，而且2A97鋁鋰合金超塑性成形極限的確定不能簡單地用成形極限圖來表示，需要考慮內(nèi)部空化的附加指標。中南大學的劉曉東等采用微觀分析技術(shù)研究了具有初始帶狀晶粒的Al-Mg-Li合金超塑性變形行為和微觀組織演變過程。結(jié)果表明，在拉伸過程中，初始帶狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，并伴隨著動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶細化了晶粒尺寸，增加了大角度晶界并減少了織構(gòu)。在超塑性變形初期，位錯積累明顯，抵消了動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化效應。中南大學李紅萍等研究了細晶2050Al-Cu-Li鋁鋰合金在高溫和慢應變速率下的變形行為和顯微組織演變。結(jié)果表明，擴散蠕變是超塑性變形過程的主導機制，晶界滑動作為協(xié)調(diào)機制參與其中，鋁鋰合金的擴散傳輸主要通過晶界完成，晶內(nèi)擴散的影響不顯著。

1.3 鋁鋰合金超塑成形技術(shù)應用

鋁鋰合金具有優(yōu)異的超塑特性，延伸率高，作為商用金屬材料具有廣闊的應用前景。通過對多種牌號鋁鋰合金的超塑性能進行研究，所得結(jié)果如表1所示。研究表明不同成分的鋁鋰合金材料在不同的超塑性變形溫度和應變速率作用下，最終得到的延伸率也不同，這體現(xiàn)出了鋁鋰合金超塑性變形的復雜性。

表1 典型的鋁鋰合金超塑性[15]

鋁鋰合金材料屬于細晶超塑性，晶粒組織的細化及其熱穩(wěn)定性對于鋁鋰合金的超塑性十分重要。王建等發(fā)現(xiàn)相比于粗晶(平均晶粒尺寸16 μm)板材，細晶(平均晶粒尺寸8 μm)板材的空洞長大及空洞體積分數(shù)的增長較為緩慢，往往能夠得到更高的延伸率，如圖1所示。因此，晶粒細化是鋁鋰合金細晶超塑性的重要基礎(chǔ)，晶粒尺寸大小對于鋁鋰合金超塑性影響顯著。

(a) 粗晶 (b) 細晶圖1 變形量為200%時細晶與粗晶板材空洞分布情況[16]

發(fā)展鋁鋰合金的超塑成形技術(shù)不僅可以有效節(jié)約成本，而且滿足航空航天對結(jié)構(gòu)件輕量化的要求。目前，國內(nèi)外已經(jīng)可以成形出各種各樣形狀復雜的航空航天結(jié)構(gòu)件。圖2為使用2090鋁鋰合金和2091鋁鋰合金制作的超塑成形結(jié)構(gòu)件。

(a) 2090鋁鋰合金 (b) 2091鋁鋰合金圖2 超塑成形結(jié)構(gòu)件[17]

圖3 用SPF制造的2195圓柱形罐[18]

鋁鋰合金具有比模量高、低溫強度高和韌性強，以及優(yōu)異的抗疲勞裂紋擴展能力等特點，可以用于航天發(fā)射器的低溫液氧和氫燃料罐的制造。LEE等采用超塑性成形技術(shù)，使用2195鋁鋰合金制造用于航空航天的半球形低溫罐，如圖3所示。

2 鋁鋰合金擴散連接研究現(xiàn)狀

鋁鋰合金表面致密的氧化膜嚴重阻礙擴散連接過程中界面兩側(cè)原子的相互擴散。因此，對鋁鋰合金擴散連接的研究重點在于去除表面的氧化膜以及防止再生。針對鋁鋰合金擴散連接技術(shù)的研究主要集中在兩方面：一是擴散連接的工藝參數(shù)，如擴散連接溫度、壓力、時間、氣氛等，這些因素之間會相互影響和制約，在進行擴散連接實驗前應進行綜合考慮和選擇；二是鋁鋰合金連接件的表面狀態(tài)，如對表面進行物理化學處理、添加中間層、涂覆保護劑等，這些處理的目的都是為了降低氧化層帶來的不利影響。

2.1 溫度對鋁鋰合金擴散連接的影響

在上述提到的擴散連接工藝影響參數(shù)中，擴散連接溫度是最重要的。因為在任何熱激活過程中，溫度增加所引起的動力學變化會遠大于其它參數(shù)，同時溫度還會影響材料的相變、第二相析出以及再結(jié)晶過程，即溫度的變化會帶來一系列材料的物理、化學、力學及冶金性能變化。VENUGOPAL等對三種鋁合金(5083、6082、7075)的擴散連接過程進行研究，發(fā)現(xiàn)高溫能夠使第二相顆粒的分布更均勻，并且能夠減少接頭處的孔洞等缺陷，進而提高連接界面的強度，如圖4所示。WU Fan等在Gleeble-3500熱模擬機上進行了加純鋁中間層的1420鋁鋰合金在不同參數(shù)下的擴散連接，結(jié)果表明連接溫度對1420鋁鋰合金的界面微觀結(jié)構(gòu)和鍵合強度有直接影響。熱量輸入(通過連接溫度)提高了1420鋁鋰合金基材和純鋁箔的變形性能，并促進了接頭界面處合金元素的相互擴散。

(a) 5083 (b) 6082

(c) 7075圖4 520℃接頭處金屬間化合物的形貌[20]

2.2 表面粗糙度對鋁鋰合金擴散連接的影響

表面粗糙度會影響連接件的擴散連接強度，表面過于粗糙或者光滑都不利于獲得高質(zhì)量的接頭。ZURUZI等研究了表面粗糙度對6061鋁鋰合金接頭性能的影響，結(jié)果表明，相對于用1 000#砂紙研磨的樣品，研磨到180#的樣品擴散連接接頭完整性更好，因此可以通過研磨來調(diào)控金屬的表面粗糙度，從而獲得具有更高強度的擴散連接接頭。王瑞卓對5A90鋁鋰合金表面分別進行600#、800#和1 000#砂紙打磨處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)800#砂紙打磨處理后，試樣的擴散連接強度更高。如圖5所示，在520℃、2.5 h的擴散連接條件下，接頭剪切強度可以達到143 MPa。

圖5 不同表面粗糙度條件下擴散接頭剪切強度[15]

2.3 表面保護劑對鋁鋰合金擴散連接的影響

表面保護劑的涂覆能夠避免經(jīng)過氧化層去除處理的新鮮試樣表面再度被氧化。HUANG Yan等利用丙酮、苯乙烯和聚苯乙烯制備而成的有機溶劑涂覆在被清理過氧化膜的清潔試樣表面，有效防止表面再度被氧化，并且有機溶劑在達到連接溫度后能夠完全揮發(fā)。吳翼貽等采用液態(tài)膜保護法(化學腐蝕處理后將鋁鋰合金板狀試樣浸泡于無水乙醇或類似物中形成保護液膜)在非真空條件下實現(xiàn)了8090鋁鋰合金的擴散連接。李維偉在用物理和化學方法去除鋁鋰合金表面氧化膜之后，為了避免新鮮的表面接觸空氣再次被氧化，在被處理過的試樣上涂覆了一層二乙二醇二甲醚保護劑，有效保護了焊接試樣的表面。

2.4 中間層對鋁鋰合金擴散連接的影響

3 鋁鋰合金 SPF/DB 技術(shù)研究現(xiàn)狀

輕質(zhì)高強、耐用、易于加工等是飛機結(jié)構(gòu)合金材料必須具備的特性，采用SPF/DB制造的整體結(jié)構(gòu)具有成形性好、設(shè)計自由度大、成形精確、無殘余應力、零件數(shù)量少等優(yōu)點，在減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量、降低生產(chǎn)成本等方面展示出巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。這些優(yōu)點對于造價昂貴的航空件來說具有重要意義，目前此類工件已漸漸由次承載構(gòu)件向主承載構(gòu)件過渡。

3.1 國外鋁鋰合金SPF/DB技術(shù)發(fā)展歷程

圖6 同步擴散連接/超塑變形實驗裝置[31]

在國外，自二十世紀末以來，以生產(chǎn)輕質(zhì)航空航天結(jié)構(gòu)件為目標的鋁鋰合金SPF/DB技術(shù)的研究，在世界一些工業(yè)先進國家中已經(jīng)進行。英國BAE公司在1991年采用SPF/DB技術(shù)制造出首個鋁鋰合金小尺寸演示件，并研究鋁鋰合金SPF/DB技術(shù)用于軍用飛機電子設(shè)備二層板艙門的制造。SUNWOO等通過改造拉伸機設(shè)計一套同步擴散連接/超塑成形裝置，如圖6所示，對7475鋁合金進行了超塑成形同步擴散連接，在氬氣氣氛保護下得到了無氧化層且塑性的擴散界面，證明了超塑變形有利于提高鋁合金的擴散連接性能，但此方法會明顯地減薄原始材料，降低外觀結(jié)構(gòu)特性，需要在合理的結(jié)構(gòu)中利用此方法，比如在四層SPF/DB結(jié)構(gòu)中，芯板和蒙皮的減薄是在設(shè)計范圍內(nèi)。

3.2 國內(nèi)鋁鋰合金SPF/DB技術(shù)發(fā)展歷程

在國內(nèi)，陳閩子等采用浸鍍金屬鋅對硬鋁LY11合金表面進行改性和調(diào)整，在無中間合金層、無保護氣氛下能夠?qū)崿F(xiàn)SPF/DB工藝。結(jié)果表明，硬鋁LY11合金SPF/DB的最佳工藝條件是470℃，36 MPa，4 h。王長文等在研究2091鋁鋰合金的SPF/DB組合工藝時，采用等離子噴涂Ag作中間夾層的手段進行了兩層板波紋件的超塑成形與擴散連接復合工藝試驗研究，分析了中間層材料、厚度對擴散連接質(zhì)量的影響。王瑞卓等對5A90鋁鋰合金中空雙層結(jié)構(gòu)件SPF/DB組合工藝進行了試驗研究，確定了最佳工藝參數(shù)：540℃，2.5 h，800#，得到成形質(zhì)量良好的中空雙層結(jié)構(gòu)件，如圖7所示。

圖7 5A90鋁鋰合金SPF/DB中空雙層結(jié)構(gòu)件[15]

蔣少松等采用SPF/DB工藝制備了5A90鋁鋰合金的中空雙層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)接頭的焊合率隨著擴散連接溫度和保溫時間的增加而提高，合適的表面粗糙度對擴散界面上氧化鋁層的局部破碎至關(guān)重要。張建威利用SPF/DB工藝得到了質(zhì)量良好的2B06鋁合金雙層結(jié)構(gòu)件，如圖8所示，擴散連接區(qū)域剪切強度達到79 MPa，超塑成形區(qū)域的壁厚最大減薄小于20%。

圖8 2B06鋁合金雙層結(jié)構(gòu)件[35]

4 結(jié)論

鋁鋰合金多層中空結(jié)構(gòu)的SPF/DB技術(shù)已經(jīng)成為推動現(xiàn)代航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計概念和突破傳統(tǒng)鈑金成形的先進制造方法，該技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家航空航天結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)能力和發(fā)展?jié)摿Φ臉酥?。但目前我國自主研發(fā)的鋁鋰合金類型較少，產(chǎn)量也不高，配套的鈑金、加工裝備以及熱處理等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)還較為缺乏。因此，針對新一代航空航天結(jié)構(gòu)件整體化、輕量化和高效化等迫切需求，需要在以下方面進行深入系統(tǒng)研究：

1) 研究鋁鋰合金細晶的超塑變形行為與特性，解決工業(yè)化生產(chǎn)的鋁鋰合金板厚板晶粒組織粗大，無法實現(xiàn)超塑性變形的問題。

2) 研究鋁鋰合金擴散連接技術(shù)，解決鋁鋰合金表面致密穩(wěn)定氧化膜阻礙其擴散連接接頭質(zhì)量提升的瓶頸問題，實現(xiàn)鋁鋰合金擴散連接界面強度和焊合率的顯著提高。

3) 充分利用鋁鋰合金的高比剛度、比強度等優(yōu)異性能以及SPF/DB技術(shù)在減輕構(gòu)件質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)整體性和疲勞性能、降低生產(chǎn)成本等方面的優(yōu)越性，突破第三代鋁鋰合金板多層結(jié)構(gòu)SPF/DB關(guān)鍵技術(shù)，制造出高精度整體輕質(zhì)構(gòu)件，促進我國航空航天工業(yè)的發(fā)展。