航空铝合金铣削表面物理特征及其耐腐蚀性研究

摘要

航空铝合金因具有优良的综合性能，在各种军用与民用飞机的主要结构零件中被广泛应用。在这些航空结构件的切削加工成形后，在已加工表面上会形成新的物理特征，如残余应力、微裂纹等。这些新物理特征都将会影响加工后航空结构件在工作环境中的耐腐蚀性。因此，对航空铝合金加工后表层的物理特征及其对耐腐蚀性的影响进行研究，有着重要理论和实际意义。
　　 首先开展立铣和侧铣的切削加工实验研究和残余应力测试。进行不同切削参数下，航空铝合金7050-T7451立铣和侧铣加工实验。通过X射线衍射法对铣削加工航空铝合金表层残余应力在不同方向上的分布规律进行测试。分析切削速度、进给速度、不同铣削方式对加工表面残余应力形态的影响。结果表明:在本实验条件下，立铣加工在工件表面主要生成残余压应力，切削速度对残余应力值变化影响不大，进给速度在2500～2600mm/min时表面残余压应力达到一个最高值。侧铣时，当切削速度从低到高变化时，加工表面所生成的残余应力从压应力到拉应力过渡，进给速度对残余应力值变化影响不大。其主要原因为，立铣中“挤光”作用强于塑性变形所引起的“凸出”效应，而侧铣过程中速度较高时热应力载荷影响较大。
　　 其次，对工件已加工表面损伤进行观测和分析。采用光学数码显微镜、扫描电子显微镜等方式对已加工表面进行观察，发现立铣时提高切削速度，表面刀痕的粘结和裂纹增加;当提高进给速度，粘结将增加。侧铣加工所得表面裂纹很少。对铣刀的转动过程和裂纹的成因进行了分析。通过金相组织观察发现，铣削加工参数对工件表面金相影响不大，主要原因为切削温度未能达到相变温度。
　　 再次，研究了铣削加工表面在模拟海洋环境和电化学腐蚀实验时的耐腐蚀性。通过人工模拟海洋大气环境的盐雾腐蚀实验和电化学腐蚀实验分别对各加工参数下加工样本进行耐腐蚀性测定并对其结果进行分析。结果表明:铝合金加工表面先出现了均匀腐蚀，后表现出明显的孔蚀特点。盐雾腐蚀实验中，铝合金表现出较好的耐蚀件，各表面加工参数对其影响不明显。在电化学腐蚀实验中，立铣切削工件自腐蚀电位普遍低于侧铣加工的工件，且腐蚀电流相对较小。进给速度较大时加工出的试样表面自腐蚀电位负值较大;切削速度较大时加工出试样表面自腐蚀电位负值较大，即高的进给速度和切削速度不利于提高加工后表面的耐腐蚀性。
　　 最后，通过C形环实验研究应力场对铝合金表面耐腐蚀性能的影响，铝合金的耐腐蚀性随着表面应力状态由压应力到拉应力的变化中逐渐削弱。将模拟应力场中的应力值与不同参数铣削加工所得残余应力值以及其腐蚀情况对照后发现有较好的吻合，即低切削速度、低进给速度易产生表面残余压应力，提高耐腐蚀性能。
　　 本课题得到国家自然科学基金项目(51175306)和山东省自然科学基金项目(ZR2010EQ041)的资助。