摘 要 ：时效是铝合金性能提升的关键工序，通过时效后的铝合金硬度、强度和抗腐蚀性能均有显著提升。根据AMS2750E航空标准要求， 本文对铝合金航空板材的时效工艺、温控系统进行了研究总结。

 

    铝合金在经过淬火后，其塑性有所上升，强度和硬度等性能并不能直接达到非常优，再经过一定时间的自然时效或人工时效后，铝合金的强度和硬度显著提升，而塑性则有所下降。但自然时效所需要的时间非常长，为尽快达到铝合金时效后性能指标要求，采用时效炉设备和不同的时效工艺成为了捷径。而AMS2750E航空标准，对铝合金时效过程中的温度控制、过程记录和报表都有所规定，为使铝合金板材满足航空市场认证，本文对此进行了总结，为更好实现铝合金板材三级时效的实现提供参考。

 

    1 铝合金航空板材时效热处理工艺

    7系铝合金又称硬质铝合金，为铝镁锌铜合金，硬度大、强度高，常应用于飞机制造行业，其三级时效热处理工艺大致包括三个过程 ：

 

    （1）时效的非常好个过程是进行T6态的峰值时效，时效后尺寸为3nm~4nm的具有部分弥散η'相的共格析出物在晶粒内部形成，与此同时，较大的链状非共格η相析出物沿晶界形成[1] 。这种晶界的组织结构，产生的高强铝合金对剥落腐蚀性能以及应力腐蚀开裂性能具有很高的敏感性 ；工艺温度大概为120℃左右，保温足够时间需要20 h~24h。

 

    （2）时效的第二个过程是做回归处理，即在低于固溶处理的温度下，高于T6态处理温度进行短时加热。此种状态时，在回归温度下晶内析出的η'相进行分解，并有部分η'相合并聚集，不再连续分布[2] 。晶界组织转变成类似于T73状态的组织，这样的晶界组织虽然改善了合金的抗剥落腐蚀性能和抗应力腐蚀性能，但是强度有所降低 ；工艺温度大概为175℃ ~260℃左右，保温时间需要1h~6h。

 

    （3）时效的第三个过程是再进行T6态时效，使细小弥散的部分共格η'相在晶粒内部重新析出，此时的晶界组织与过时效态的晶界组织相似，但晶界仍为不连续的非共格析出相，在晶粒内部形成了类似于时效到非常大强度的组织。工艺温度大概为120℃左右，保温足够时间需要20 h~24h。

 

    要达到理想的组织结构，首先，热处理的温度控制要精确，非常好阶段、第二阶段炉温均匀性要达到±3℃的水平，第三阶段炉温均匀性要达到±2.5℃的水平 ；第二，材料在炉内的升温速度有一定的要求，升温速度20~50℃ /小时 ；第三，第二阶段保温完成后，材料必须整体快速冷却，即冷却要均匀、快速，冷却速度≥200℃ /小时。此项要求很关键，主要是为了非常大程度保留第二阶段形成的组织结构[3] 。

 

    2 温控系统

    铝合金航空板材为了获得需要的组织结构与良好的综合性能，对时效过程的温度均匀性、加热速度、冷却速度与均匀性都有很高的要求。因此，时效炉的温控系统对于产品热处理质量至关重要。

 

    2.1 系统组成

    温度控制采用PLC模块进行自动控制，根据对目标温度（炉温或料温）的比较，PLC系统能通过PID对每区的加热器进行调节控制，并且每区的加热用电量均有单独电表计量，而且能在上位机上显示、记录。PLC控温具有温差比例控制和定温、定时控制功能，并允许料温参于温差比例控制，因此炉温控制功能强，控制精度高，热处理制品质量好。

 

    炉子的每区有2支N型双芯热电偶用来测量及监控炉气温度，分别安装在热风温度的高端和低端，热电偶外部为金属套管，金属套管炉内部分须安装缩径装置，每点安装1个铠装热电偶连接端子箱，连接端子采用美标N型热电偶连接头。双芯热电偶的一支进入控制系统，另一支接入无纸记录仪，记录仪采用40通道、精度0.1级。同时为满足2750E航空标准，控制、报警采用双独立系统。记录仪给出的超高温报警信号不经过PLC控制系统，并可发出声光色报警信号。

 

    铠装热电偶孔采用耐高温不锈钢，铠装热电偶与热电偶孔须有锁紧固定装置，每根铠装热电偶侧部间距小于76mm处留有一个校温孔，用于2750E标准中SAT精准度测试。

 

    2.2 炉温均匀性测试（TUS）系统

    （1）功能要求 ：用于现场热处理设备炉温均匀性数据采集与均匀性报告的生成，同时可用于现场多区热处理设备的系统精度测试（SAT）的数据采集。

 

    （2）数据记录仪要求 ：通道数不能少于40个通道，匹配N/K/J/T/E/S/B/R等ITS90温标标准化的热电偶信号，精度满足（含冷端）：≤±0.6℃或±0.1%t，符合AMS 2750E要求 ：每个通道须具有单独的冷端补偿，记录仪的采集记录间隔不小于1分钟，每个通道可单独进行校准和调整 ；源数据采用加密方式，电子数据不可修改，使用专用软件方可进行数据的下载、查看与管理，确保数据的可追溯性。

 

    （3）系统软件要求 ：软件具有数据分析、运算和判定功能，可实现TUS数据的摘要，判定炉温的非常大值、非常小值以及对应位置，以及每支测试热电偶的非常大值、非常小值以及分布 ；针对温度过冲，可判定过冲时刻、过冲热电偶位置，以及过冲时刻温度值 ；软件可实现对每支测试热电偶与每个测试仪器通道的误差进行修正，生成的报告均为修正后的数据 ；软件的数据须满足ASTME29以及国内计量数据修约的规定，生成报告的内容须完全满足AMS2750E的要求，并且包含修正后的测试数据及相应的图表。

 

    （4）均匀性测试报告要求 ：TUS报告格式要可修改，可按照AMS2750E的要求规划炉温均匀性测试报告。

 

    （5）配件或附件的要求 ：K分度测试组件1套（40组），长度3m，N分度测试组件1套（40组），长度3m ；N、K分度校准组件各1套，快速校准组件各1套 ；所用于制作测试线缆的补偿导线、延长线、接插件符合ASTM E230/ASTM E1129，补偿导线和延长导线要有ISO17025/UKAS/CNAS实验室出具的首尾校准报告，精度≤±0.6℃ @0-50℃。

 

    （6）校准的要求 ：原厂校准实验室（实验室须具有ISO/UKAS/CNAS资质）提供的校准报告，每个通道校准点不得少于6个 ；具备CNAS资质的第三方校准报告一份 ：N和K分度，每种分度号校准40个通道，每个通道校准点不得少于6个。

 

    （7）报告的要求 ：结合AMS2750E、NadCap AC审核检查单、NadCap热处理审核手册、NadCap发布的高温测量指南以及Nadcap公告等对炉温均匀性测试数据记录仪的要求要点，规范数据记录仪出具的的校准报告，降低NadCap审核出现不符合项的风险。

 

    3 热电偶及补偿导线

    为确保温度控制系统精度和炉温均匀性±3℃的要求，热电偶需提供ISO17025/UKAS校准实验室出具的原材料首尾校准报告，另外提供中测院单根校准报告。

 

    （1）炉膛热电偶要求 ：N型双芯铠装热电偶，精度满足 ：≤±0.8℃或0.2%t。

 

    （2）系统精度测试热电偶要求 ：N型单芯铠装热电偶，精度满足 ：≤±0.8℃或0.2%t。

 

    （3）均匀性测试热电偶要求：K型易耗型热电偶，精度满足：≤±1.1℃或0.4%t。

 

    （4）热电偶补偿导线要求 ：N分度多芯绞合型，带屏蔽层与接地线，精度≤±0.6℃ @0-50℃。

 

    为确保温度控制系统精度和炉温均匀性±1.5℃的要求，所有用于测温热电偶及精准测试热电偶均需符合以上精度要求，同时所有与PLC模块连接的热电偶都通过炉体现场安装的冰点恒温仪，输出信号采用数字通讯方式，保证热电偶冷端温度的精确，减小环境因素造成的误差。

 

    4 结论

    根据铝合金航空板材三级时效工艺，结合AMS2750E标准的要求，时效炉的温控系统需要达标建设，才能保证铝合金板材在进行航空认证时，时效处理工艺及设备的顺利通过。