T6热处理工艺对泡沫铝夹芯板压缩性能的影响.pdf

DOI:10023.07.001轻合金加工技术2Vol51,No7LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGYT6热处理工艺对泡沫铝夹芯板压缩性能的影响黄鹏,韩楠丁,孙溪,冯展豪,祖国胤（1.东北大学材料科学与工程学院材料加工工程系，辽宁沈阳110 8 19；2.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳110 0 31）摘要：已经制备成型的泡沫铝夹芯板无法通过改变界面结合方式、芯层宏观结构等方法来优化性能，可通过热处理来改变泡沫铝芯层的微观结构，从而改善夹芯板的力学性能。本研究采用L。（34）正交试验探究T6热处理的固溶时间、固溶温度、时效温度、时效时间对泡沫铝夹芯板压缩性能的影响。试验结果表明，固溶温度大于510，固溶时间为4h时会显著改变芯层泡壁的微观结构。最佳的热处理工艺是510 固溶处理4h，16 5时效处理8 h，可使夹芯板塌强度提高2 7%，吸能效率提高2 2%。本研究的结论可供工业化生产借鉴。关键词：泡沫铝夹芯板；T6热处理；压缩性能；吸能性能中图分类号：TG166.3文献标识码：A文章编号：10 0 7-7 2 35(2 0 2 3)0 7-0 0 0 1-0 6Effect of T6 heat treatment process on compressive properties ofaluminum foam sandwich panelsHUANG Peng,HAN Nanding,SUN Xi,FENC Zhanhao,ZU Guoyin(1.Department of Materials Processing Engineering,School of Material Science and Engineering,NortheasternUniversity,Shenyang 110819,China;2.Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110031,China)Abstract:The pre-formed foam aluminum sandwich panel cannot be optimized in terms ofperformance by changing interface bonding methods,the macrostructure of the core layer,and other methods,while the microstructure of the aluminum foam core layer can be modifiedby T6 heat treatment to improve the mechanical properties of the sandwich panel.An L(3*)orthogonal experiment was conducted to explore the effects of solution treatment time,solu-tion treatment temperature,aging temperature,and aging time of T6 heat treatment on thecompression properties of the aluminum foam sandwich panels.The experimental resultsshow that the microstructure of the core layer foam wall can be significantly changed when thesolution treatment temperature is higher than 510 C and the solution treatment time is 4 h.The optimal heat treatment process is found to be a 510 C solution treatment for 4 h,fol-lowed by an aging treatment at 165 f o r 8 h.T h i s p r o c e s s i n c r e a s e s t h e s l u mp s t r e n g t h o fthe sandwich panel by 27%and the energy absorption efficiency by 22%.The conclusionsof this study can be used for reference for industrial production.Key words:aluminum foam sandwich panel;T6 heat treatment;compression performance;energy absorption performance收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 6基金项目：国家自然科学基金项目（52 0 7 10 6 9）第一作者简介：黄鹏（1992 一），男，江西高安人，博士研究生。轻合金加工Vol51.No7工技术LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY泡沫铝夹芯板由金属面板和芯层泡沫铝组成1-3。芯层泡沫铝是一种以铝或铝合金为金属骨架，内部包含大量孔洞的低密度、高比强度、高比刚度、高比表面积的多孔金属材料。泡沫铝夹芯板的力学性能与界面结合方式、面板厚度、泡孔尺寸、泡孔形状、芯层密度等因素有关4-6 。以往大部分研究都是通过改变这些因素来得到不同性能的泡沫铝夹芯板。对于已经制备成型的泡沫铝夹芯板，可以通过热处理来改善其力学性能。现阶段对于泡沫铝的热处理已有一些报道。J.Banhart 和 J.Baumeuster 等7 对由粉末冶金法制备的2 0 14（AlCu4SiMg）铝合金泡沫铝进行热处理试验，研究发现在固溶处理后进行长时间的低温时效能够改善2 0 14铝合金泡沫的强度;D.Lehmhus等8-9 对AA6061铝合金闭孔泡沫铝进行了固溶时效处理，结合准静态压缩试验发现经固溶时效处理可以明显地提高压缩强度；曹晓卿等10-1 对 Al-Mg-Si 合金泡沫铝、A1l-Cu-Mg合金泡沫铝及A1-Mg合金泡沫铝分别进行了T6热处理研究，结果表明，经T6强化处理后Al-Mg-Si合金泡沫铝和Al-Cu-Mg合金泡沫铝的动、静态压缩强度均得到提高、平台区缩短、一定应变下吸能密度提高，但热处理对A1-Mg合金性能没有影响；杨旭东等12 对6 0 6 1铝合金泡沫铝进行T6热处理发现，经510 固溶、190时效处理后的泡沫铝强度及吸能量都得到提高。对于由粉末冶金法制备的芯层成分为AISi6Mg4Cu4的泡沫铝夹芯板的热处理研究还没有相关报道，本研究探究了固溶时间、固溶温度、时效温度、时效时间这四个因素对泡沫铝夹芯板的影响。通过扫描电镜观察这些因素对芯层微观组织的影响，通过泡沫铝夹芯板的准静态压缩试验探究热处理工艺对其力学性能的影响。以此确定最佳的热处理工艺制度，为工业化生产提供理论依据。一试验材料与方法1.1泡沫铝夹芯板的制备本研究采用包套轧制-粉末冶金法制备泡沫铝夹芯板，制备工艺流程如图1所示，包括混料、型腔设计与制备、粉末的装填与密封、预制坏的轧制、边部低致密区的切割、发泡预制坏的表面处理、发泡等过程。型腔壳体采用。尺寸为6 50 mm600mm6mm的30 0 3铝合金面板，壳体的空腔高度为20mm。芯层粉末成分配比：w（A l）=8 5%、w（Si）=6%w(Mg）)=4%、w(Cu)=4%、w(T i H,)=1%,粉末在混料机中充分混合均匀。其中TiH,粉末在470下预处理1.5h。通过室温下多道次冷轧将装粉后的坏料轧到2 6 mm厚，再多道次热轧（40 0）将坏料轧到6.4mm厚。热轧后的板坏切割成12 0 mm240mm6.4mm的预制坏，放置在预设炉温为6 2 0 的马弗炉内进行发泡，整个发泡过程用模具限制样品高度，当检测到样品下表面温度达6 14时取出。制得夹芯板样品厚度为2 4mm，其中单层面板厚度为1.7 mm。粉末粉末装填坏料轧制密封型腔冷轧+热轧型腔壳体轧后剪减发泡泡沫铝夹芯板发泡预制坏图1泡沫铝夹芯板制备工艺流程图Fig.1 Preparation process of aluminum foam sandwich panel1.2热处理试验根据本课题组以往对泡沫铝夹芯板芯层的研究4,芯层中存在Al,Cu、M g,Si 等第二相。Al,Cu和Mg,Si第二相分别为Al-Mg-Cu系铝合金和Al-Mg-Si系铝合金在T6热处理时的强化相，所以本试验采用T6热处理来改善夹芯板芯层泡孔的组织性能，进而改变泡沫铝夹芯板的压缩性能。在固溶处理时，较高的固溶温度可以使强化相溶解度更多，但过高的固溶温度会使晶界粗大甚至发生过烧；足够的固溶时间可以保证强化相在基体中充分溶解，但过长时间同样容易导致晶粒粗化。合理控制时效温度和时间可以保证析出相能充分析出的同时避免析出相的过分长大。为了更好地确定夹芯板的固溶温度，本试验将制备的泡沫铝夹芯板的芯层和面板剥离，将芯层碾碎成粉末进行了DSC检测，预设温度为6 0 0，升温速率为10/min，所得曲线如图2 所示。从图2 可知，在整个加热过程中，曲线共出现两个吸热峰，第一个峰起始点为507.1、峰值为50 9.7；第二个峰起始点为540.3、峰值为550.5。根据以片研究10-12 可知，第一个峰值温度接近于6 系铝合金固溶温度，说明泡沫铝芯层部位在此温度时可能发生了强化相的固溶，故将510 设为泡沫铝夹芯板热处理时固溶温度。轻合金加工技术2Vol51,No7LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY30.4放热0.2起始点540.30起始点50 7.1(.u.Mu)/x-0.2-0.4峰值50 9.7-0.6-0.8-1.0峰值550.5-1.2400450500550600温度/图2泡沫铝夹芯板芯层部分DSC曲线Fig.2 DSC curves of core layer of aluminum foamsandwich panel为研究固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间对泡沫铝夹芯板材料力学性能的影响，本试验设计四因素、三水平的正交试验共9组，试验编号为1#9#。正交试验的因素水平表如表1所示。试验方案和试验结果如表2 所示。表1因素水平表Table 1 Factor level table因素水平固溶温度/固溶时间/h时效温度/时效时间/h1495116542510218083525419516表2 L（34）正交试验方案和试验结果Table 2 L,(3*)orthogonal experimental schemeand experimental results固溶温固溶时时效温时效时塌强平台应编号度/间/h度/间/h度/MPa力/MPa1#11113.473.302#12323.243.673#13234.283.594#21334.513.995#22213.713.766#23126.884.017#31222.694.428#32133.723.419#33314.502.731.3准静态压缩试验对热处理后的夹芯板样品进行准静态压缩试验，研究热处理工艺对夹芯板压缩条件下的塌强度（本文指压缩应力应变曲线中第一个应力峰值）及吸能量的影响。准静态压缩试验在RGM-4100电子万能试验机上进行。根据国家标准CB/T31930-2015金属材料延性试验泡沫金属压缩试验方法，设定试样直径为60mm，夹芯板整体厚度为H,夹芯板芯层厚度为h，如图3所示。压缩速度为3mm/min，试样在压缩过程中由计算机采集数据，绘制载荷应力-应变曲线。060mm图3准静态压缩试验试样Fig.3 Quasi-static compression test specimen2结果与讨论2.1热处理对芯层微观形貌的影响图4为不同固溶温度下泡沫铝夹芯板芯层泡孔壁扫描图像。对比图4a、b、c 可知，随着固溶温度的升高，第二相固溶程度增大，当固溶温度增加至510时，亮白色Al,Cu相已完全溶解，经时效后，灰白色AIMgCu合金相与Mg,Si相的析出明显增多；当固溶温度进一步提高至52 5，泡沫铝芯层中出现大量坑洞，如图4d所示。图5是不同固溶时间泡沫铝夹芯板芯层泡孔壁扫描图像。当固溶时间为1h、2 h 时，芯层基体内存在大量的亮白色Al,Cu相，如图5b、c 所示；当固溶时间延长至4h时，芯层基体内最多的相为灰白色AIMgCu相和MgzSi相，如图5d所示。2.2正交结果与分析本实验根据L（34）正交试验表进行正交试验安排，并测量热处理后夹芯板试样的塌强度和平台应力（本文指压缩应力-应变曲线中对应2 0%40%压缩应变区间的压缩应力平均值），结果如表2所示。二技术轻合金加工Vol51,No7LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY420uma-未热处理20umb-495固溶温度20umc-510固溶温度20umd-525固溶温度图4未热处理和不同固溶温度下保温4h泡孔壁扫描图像Fig.4 Electron scanning images of cell walls without heattreatment and holding for 4 h at different solid solutiontemperatures本试验将材料的塌强度作为性能指标进行比较，通过计算获得本试验中4种不同因素的k值、极差值R，结果如表3所示。对比表3中时固溶温度分别为495、510、525时材料塌强度的平均值k，结果表明，固溶20uma-未热处理20umb-1h固溶时间20umc-2h固溶时间20umd-4h固溶时间图5未热处理和510 不同固溶时间下泡孔壁扫描图像Fig.5 Electron scanning images of cell walls without heattreatment and holding at 510 f o r d i f f e r e n t s o l i dsolutiontimes温度对夹芯板塌强度的影响十分显著，总体表现为先增大后下降的趋势。当固溶温度为495时，夹芯板的塌强度较低，仅为3.6 6 MPa；当固溶温度升高至510 时，夹芯板塌强度达到了最大值5.03MPa；当固溶温度为52 5时，夹芯板塌强度下降为3.6 4MPa，与495固溶时性能相当。夹芯轻合金加工技术2PVol51,No7LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY5板在510 固溶时得到最佳的力学性能，较低的温度不利于得到过饱和固溶体，而较高的固溶温度容易导致晶界粗大，所以510 是夹芯板T6热处理时的最优固溶温度。表3对正交试验塌强度的分析Table 3 Range value of different factors affectingmaterial properties参量固溶温度固溶时间时效温度时效时间k3.663.564.693.89k25.033.563.564.27k33.645.224.084.17极差R1.391.661.130.38最优方案51041658影响主次固溶时间 固溶温度 时效温度 时效时间对比表3中固溶时间分别为1h、2 h、4h 时材料塌强度的平均值k,结果表明，固溶时间由1h增长到2 h时，夹芯板的塌强度未发生变化，保持在较低水平仅为3.56 MPa。继续延长固溶时间至4h，塌强度提高至5.2 2 MPa，夹芯板力学性能获得较大幅度的提高。主要原因是较长的固溶时间有利于强化相的充分固溶形成较好的过饱和固溶体。因此，4h的固溶时间是使夹芯板塌强度达到最大值的最佳固溶时间。对比表3中时效温度分别为16 5、18 0、195时材料塌强度的平均值k，可知夹芯板塌强度随时效温度的升高呈先下降后上升的变化趋势。当时效温度为16 5时，夹芯板具有最大的塌强度4.6 9MPa，时效温度升高至18 0 时夹芯板塌强度降低至3.56 MPa，这是由于时效温度过高发生了过时效，在一定程度上降低了夹芯板的力学性能。继续升高时效温度，夹芯板塌强度增长至4.08MPa，但仍低于16 5时的。因此，16 5是夹芯板的最佳时效温度对比表3中时效时间分别为4h、8 h、16 h 时材料塌强度的平均值k，结果表明，塌强度几乎维持在同一水平线上，仅在小范围内进行波动，波动范围小于0.5MPa，可见时效时间超过4h后对夹芯板的塌强度影响较小。由表3中的极差R可知热处理参数对夹芯板塌强度影响大小的顺序为固溶时间、固溶温度、时效温度、时效时间。其中固溶温度和固溶时间是T6热处理中影响夹芯板力学性能的主要因素。最优T6热处理工艺是510 下固溶处理4h，16 5下时效处理8 h。2.3热处理对吸能性能的影响根据准静态压缩试验研究T6热处理对泡沫铝夹芯板材料吸能性能的影响，对比制备态与最优T6热处理方案下夹芯板应力-应变曲线如图6 a所示。观察曲线变化特征可知，夹芯板热处理前后应力-应变曲线相似，并未改变夹芯板在压缩条件下的变形特点。热处理前，夹芯板塌强度约为5.42 MPa，经过最优T6热处理方案,510 4h固溶，16 58 h时效后，夹芯板塌强度提高至6.8 8 MPa，提高了2 7%。图6 b为根据应力-应变曲线计算获得的泡沫铝夹芯板吸能量-应变曲线。可以看出，在相同应变条件下，经T6时效处理后的夹芯板能够吸收更多的能量，当应变为6 0%时，时效处理前试样的总吸能为2.0 7 MJ/m，时效处理后试样总吸能为2.52MJ/m，相比提高了2 2%123.5热处理前热处理前10-热处理后3.0热处理后2.582.061.541.020.5000102030405060700102030405060应变/%应变/%a-应力-应变曲线b-能量吸收-应变曲线图6热处理前后泡沫铝夹芯板压缩曲线Fig.6 Compression curve of aluminum foam sandwich panel before and after heat treatment轻合金加工技术Vol51,No7LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY633结论以夹芯板塌强度为指标，采用正交试验优化了芯层基体成分为AISi6Mg4Cu4的泡沫铝夹芯板的T6热处理工艺参数，得出如下试验结论：1)固溶温度大于510 时，Al,Cu相完全溶解，AIMgCu合金相与Mg2Si相的析出明显增多；固溶时间小于2 h时，芯层基体内存在大量的亮白色Al,Cu相，固溶时间为4h时，芯层基体内最多的相为AlMgCu合金相和Mg2Si相。2）通过四因素三水平的正交试验，确定了热处理工艺参数对泡沫铝夹芯板材料塌强度影响程度由大到小的排序为：固溶时间、固溶温度、时效温度、时效时间，固溶时间和固溶温度对材料塌强度起到很大的强化效果。最佳热处理制度为510 4h固溶，16 58 h时效。3)热处理前夹芯板塌强度约为5.42 MPa，最佳热处理制度处理后，夹芯板塌强度提高至6.88MPa;热处理前试样的总吸能为2.0 7 MJ/m，热处理后试样总吸能为2.52 2 MJ/m。最佳热处理制度使泡沫铝夹芯板的吸能效率提升2 2%。参考文献：1GIBSON L,ASHBY M.Cellular solids:structure and properties M.Cambridge:Cambridge UniversityPress,1997:345-348.2ASHBY M F,EVANS T,FLECK N A,et al.Metal foams:a design guide M.Oxford:Elsevier,2000:113-116.3BANHART J.Manufacture,characterisation and application of cellular metals and metal foams J.Prog Ma-ter Sci,2001,46(6):559-563.4HUANG P,SUN X,SU X,et al.Three-point bending behavior of aluminum foam sandwich with different 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