鋁鋰合金超塑成形/擴散連接技術研究進展

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業發展有限公司，東莞 523460)

0 引言

目前輕質金屬材料在生產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，這使得工業領域對輕質材料的需求更為迫切，質量要求也更為提高。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。目前鋁鋰合金已經被用來制造飛機的機身框架、襟翼翼肋、電子設備蓋扳、飛機檢修艙門等重要結構。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，各向異性比傳統鋁合金更明顯，因此采用傳統的成形方式效果不好。超塑成形技術(Superplastic forming，簡稱SPF)是一種鋁鋰合金薄壁中空構件的制造工藝，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，還能夠提高結構件的穩定性和可靠性，因此可以為我國的航空航天工業帶來巨大的經濟效益。

超塑成形技術是指在特定溫度和應變速率條件下的材料會呈現超塑性，利用氣壓差將材料壓入模具內部實現成形的一種加工工藝。擴散連接(Diffusion bonding，簡稱DB)技術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，局部發生塑性變形，經過一定的時間后結合層原子間相互擴散，形成整體的可靠連接的過程。SPF/DB工藝就是兩種技術的相互結合，可以充分發揮兩種成形工藝的優勢，成形復雜的中空結構件。該技術可以減輕結構件的整體重量，使一些復雜的結構整體化，提高其整體的穩定性，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技術亟待解決的關鍵問題。

1 鋁鋰合金超塑成形技術研究現狀

1.1 國外鋁鋰合金超塑成形技術發展歷程

鋁鋰合金的超塑性研究經歷了從理論積累到工業化應用的發展轉變，國外研究機構己經實現對工業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，另一種通過快速凝固粉末冶金(Rapid solidification powder metallurgy，簡稱PM)生產。通過對比發現，IM合金表現出更高的超塑性變形行為，延展性也優于PM合金。1991年英國宇航公司應用SPF技術生產制造EAP戰斗機的起落架艙門，艙門采用8090鋁鋰合金材料，使零件數量大大減少，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、襟翼副翼蒙皮等結構，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，制造出飛機隔板門整體結構件。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構和微觀紋理，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構演變的關系，發現全厚度、近表面和中心材料的應變率敏感指數最大值分別為0.82、0.6和0.56，在ε=1×10s時，相應的延伸率為475%、420%和286%。

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1.2 國內鋁鋰合金超塑成形技術發展歷程

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下的超塑成形性能。研究發現，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。結果表明，在拉伸過程中，初始帶狀晶粒轉變為等軸晶，并伴隨著動態再結晶。動態再結晶細化了晶粒尺寸，增加了大角度晶界并減少了織構。在超塑性變形初期，位錯積累明顯，抵消了動態再結晶引起的軟化效應。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，晶界滑動作為協調機制參與其中，鋁鋰合金的擴散傳輸主要通過晶界完成，晶內擴散的影響不顯著。

1.3 鋁鋰合金超塑成形技術應用

鋁鋰合金具有優異的超塑特性，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定性對于鋁鋰合金的超塑性十分重要。王建等發現相比于粗晶(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，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]

發展鋁鋰合金的超塑成形技術不僅可以有效節約成本，而且滿足航空航天對結構件輕量化的要求。目前，國內外已經可以成形出各種各樣形狀復雜的航空航天結構件。圖2為使用2090鋁鋰合金和2091鋁鋰合金制作的超塑成形結構件。

(a) 2090鋁鋰合金 (b) 2091鋁鋰合金圖2 超塑成形結構件[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，以及優異的抗疲勞裂紋擴展能力等特點，可以用于航天發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，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的研究主要集中在兩方面：一是擴散連接的工藝參數，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，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，同時溫度還會影響材料的相變、第二相析出以及再結晶過程，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，發現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下的擴散連接，結果表明連接溫度對1420鋁鋰合金的界面微觀結構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，發現經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。吳翼貽等采用液態膜保護法(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 技術研究現狀

輕質高強、耐用、易于加工等是飛機結構合金材料必須具備的特性，采用SPF/DB制造的整體結構具有成形性好、設計自由度大、成形精確、無殘余應力、零件數量少等優點，在減輕飛行器結構重量、降低生產成本等方面展示出巨大的技術經濟效益。這些優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件向主承載構件過渡。

3.1 國外鋁鋰合金SPF/DB技術發展歷程

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，以生產輕質航空航天結構件為目標的鋁鋰合金SPF/DB技術的研究，在世界一些工業先進國家中已經進行。英國BAE公司在1991年采用SPF/DB技術制造出首個鋁鋰合金小尺寸演示件，并研究鋁鋰合金SPF/DB技術用于軍用飛機電子設備二層板艙門的制造。SUNWOO等通過改造拉伸機設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，降低外觀結構特性，需要在合理的結構中利用此方法，比如在四層SPF/DB結構中，芯板和蒙皮的減薄是在設計范圍內。

3.2 國內鋁鋰合金SPF/DB技術發展歷程

在國內，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整，在無中間合金層、無保護氣氛下能夠實現SPF/DB工藝。結果表明，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、厚度對擴散連接質量的影響。王瑞卓等對5A90鋁鋰合金中空雙層結構件SPF/DB組合工藝進行了試驗研究，確定了最佳工藝參數：540℃，2.5 h，800#，得到成形質量良好的中空雙層結構件，如圖7所示。

圖7 5A90鋁鋰合金SPF/DB中空雙層結構件[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構，發現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重要。張建威利用SPF/DB工藝得到了質量良好的2B06鋁合金雙層結構件，如圖8所示，擴散連接區域剪切強度達到79 MPa，超塑成形區域的壁厚最大減薄小于20%。

圖8 2B06鋁合金雙層結構件[35]

4 結論

鋁鋰合金多層中空結構的SPF/DB技術已經成為推動現代航空航天結構設計概念和突破傳統鈑金成形的先進制造方法，該技術的發展水平已經成為衡量一個國家航空航天結構件生產能力和發展潛力的標志。但目前我國自主研發的鋁鋰合金類型較少，產量也不高，配套的鈑金、加工裝備以及熱處理等相關關鍵技術還較為缺乏。因此，針對新一代航空航天結構件整體化、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，解決工業化生產的鋁鋰合金板厚板晶粒組織粗大，無法實現超塑性變形的問題。

2) 研究鋁鋰合金擴散連接技術，解決鋁鋰合金表面致密穩定氧化膜阻礙其擴散連接接頭質量提升的瓶頸問題，實現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、比強度等優異性能以及SPF/DB技術在減輕構件質量、提高結構整體性和疲勞性能、降低生產成本等方面的優越性，突破第三代鋁鋰合金板多層結構SPF/DB關鍵技術，制造出高精度整體輕質構件，促進我國航空航天工業的發展。