馬云龍，陳送義，王習(xí)鋒，陳康華

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.中南大學(xué)有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410083）

2219 鋁合金具有高的比強(qiáng)度及優(yōu)良的焊接性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2].目前，2219 鋁合金主要用于制造運(yùn)載火箭燃料貯箱用鍛環(huán).采用2219鋁合金制備的燃料貯箱鍛環(huán)因受力條件復(fù)雜，力學(xué)性能的穩(wěn)定性和均勻性是制約火箭可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[3-4].近年來(lái)，針對(duì)空間探索邁向深空需要研制新型大規(guī)格運(yùn)載火箭的重大需求，設(shè)計(jì)人員提出研制直徑達(dá)10 m 級(jí)的高綜合性能2219 鋁合金鍛環(huán)[5-7].然而，對(duì)超大規(guī)格2219 鋁合金鍛環(huán)組織和性能的關(guān)系研究尚不充分.因此，深入開(kāi)展超大規(guī)格2219 鋁合金鍛環(huán)組織和性能關(guān)系的研究，以提高2219 鋁合金鍛環(huán)力學(xué)性能及其均勻性成為當(dāng)務(wù)之急.

研究發(fā)現(xiàn)，采用合適的淬火冷卻條件能夠獲得鋁合金較好的力學(xué)性能[8].Zhang 等[9]研究了淬火冷卻速率對(duì)2A14 鋁合金殘余應(yīng)力及拉伸性能的影響，當(dāng)淬火水溫為70 ℃時(shí)，合金擁有較低的淬火殘余應(yīng)力和較好的拉伸性能.李榮等[10]研究了淬火水溫對(duì)鑄造鋁合金力學(xué)性能的影響，淬火水溫為60 ℃時(shí)，合金的鑄態(tài)晶粒尺寸較小、內(nèi)應(yīng)力較低，擁有較好的力學(xué)性能.肖代紅等[11]研究了淬火工藝對(duì)AA7150 鍛造鋁合金力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用預(yù)先80 ℃水淬火后再進(jìn)行15 ℃水淬時(shí)，T6 時(shí)效態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，且抗剝落腐蝕性能也得到了有效改善.Elgallad 等[12]研究了淬火速率對(duì)2219 鋁合金鑄錠組織的影響.研究表明，與水淬相比，鑄錠在空氣中析出相粗化更加明顯，導(dǎo)致合金力學(xué)性能降低.綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)鋁合金淬火冷卻條件方面的工作主要集中在對(duì)合金單向力學(xué)性能的影響，而對(duì)2219 鋁合金鍛件的組織及力學(xué)性能研究較少.再者，隨著2219 鋁合金鍛環(huán)尺寸規(guī)格增加，淬火條件對(duì)性能的影響將會(huì)更加顯著，需要深入細(xì)致地研究淬火條件對(duì)2219 鋁合金環(huán)鍛件組織和性能的影響.

本文重點(diǎn)研究淬火水溫對(duì)2219 鋁合金鍛環(huán)組織和力學(xué)性能的影響，為提高大規(guī)格2219 鋁合金鍛環(huán)力學(xué)性能及其均勻性提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)原材料為2219 鋁合金環(huán)軋成形環(huán)件，其化學(xué)成分見(jiàn)表1.大規(guī)格鑄錠經(jīng)450 ℃多向鍛造，通過(guò)馬架擴(kuò)孔，并采用立式環(huán)軋機(jī)在400～450 ℃進(jìn)行環(huán)軋成形.在熱軋鍛環(huán)件上環(huán)軋?jiān)嚇?，其尺寸?00 mm（切向）×100 mm（軸向）×100 mm（徑向）.隨后將試樣進(jìn)行固溶熱處理（固溶熱處理工藝為541 ℃，2 h），并分別進(jìn)行20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃淬火處理，其中淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間≤10 s.隨后對(duì)淬火試樣進(jìn)行軸向3%冷壓變形和155 ℃/30 h 時(shí)效熱處理.對(duì)淬火和時(shí)效處理后試樣的軸向（Axial Direction，AD）、徑向（Radial Direction，RD）和切向（Tangential Direction，TD）分別取樣，并進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試.2219 鋁合金鍛環(huán)試樣取樣示意圖如圖1 所示.

表1 2219 鋁合金試樣化學(xué)成分Tab.1 The chemical composition of the 2219 Al alloy samples %

圖1 2219 鋁合金鍛環(huán)試樣取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2219 Al alloy forging ring sampling

采用德國(guó)萊卡DM4000M 智能型顯微鏡觀察合金的金相組織，采用Nova NanoSEM230 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、JEM-2100F 型透射電鏡觀察合金第二相及晶界等微觀組織.

室溫拉伸測(cè)試試樣尺寸參照GB/T 228—2002制備[13]，在Instron3369 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率設(shè)定為2 mm/min，每一個(gè)狀態(tài)的樣品均取3 個(gè)試樣，測(cè)試取3 者的平均值作為在該狀態(tài)下的拉伸力學(xué)性能.此外，為了有效評(píng)價(jià)2219 鋁合金鍛環(huán)三向力學(xué)性能的均勻性，引入各向異性指數(shù)[14]進(jìn)行分析，其值越小，說(shuō)明鍛件三向力學(xué)性能均勻性程度越高，具體計(jì)算方式為：

式中：IA 表示鍛環(huán)強(qiáng)度或延伸率的各向異性指數(shù)；Xmax表示鍛環(huán)3 個(gè)方向中強(qiáng)度或延伸率的最大值；Xmid表示鍛環(huán)3 個(gè)方向中強(qiáng)度或延伸率的中間值；Xmin表示鍛環(huán)3 個(gè)方向中強(qiáng)度或延伸率的最小值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖2 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣經(jīng)高溫固溶熱處理，并在不同水溫下淬火得到的低倍金相組織照片.3 個(gè)方向垂直的平面上的基體晶粒形貌及尺寸相差較大，沿軸向、徑向壓縮，沿切向延伸.其中在垂直于軸向、徑向的平面上觀察到的晶粒呈長(zhǎng)條纖維狀，晶粒長(zhǎng)寬比為5～8；而垂直于切向的平面上觀察到的晶粒尺寸較小，尺寸為100～300 μm，晶粒長(zhǎng)寬比為2～3.此外，對(duì)比經(jīng)過(guò)4 種不同水溫淬火后，鍛環(huán)垂直于軸向、徑向、切向平面的基體晶粒形貌相似，并且尺寸相差較小，說(shuō)明淬火過(guò)程中的冷卻速率對(duì)合金基體晶粒的影響并不顯著.

圖2 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫的光學(xué)圖片F(xiàn)ig.2 Optical metallographic of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

圖3 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣經(jīng)高溫固溶熱處理并在不同水溫下淬火后的高倍金相組織照片.由圖3 可知，當(dāng)淬火水溫為20 ℃時(shí)，合金在晶界處存在的第二相粒子非常細(xì)小.淬火溫度提高，在金相顯微鏡條件下，對(duì)晶內(nèi)和晶界析出相的作用較小，特別需要指出的是當(dāng)淬火水溫為80 ℃情況下，晶界含有鏈狀分布的微米結(jié)晶相，其原因有可能是未固溶完全的殘余結(jié)晶相，也有可能是緩慢冷卻析出的淬火析出相.

圖3 2219 鋁合金鍛環(huán)在不同淬火水溫的淬火態(tài)晶界形貌Fig.3 Grain boundary precipitates morphology of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

圖4 是對(duì)80 ℃水溫淬火后的淬火態(tài)合金晶界上的相進(jìn)行的EDS 能譜分析.由圖4 可知，該合金相的元素成分為Al、Cu，其原子數(shù)量比接近2 ∶1，因此推測(cè)微米級(jí)的相是Al2Cu 相.

圖4 2219 鋁合金鍛環(huán)在80 ℃水溫淬火后的SEM 及EDSFig.4 The SEM and EDS of 2219 aluminum alloy forging ring under quenching water temperature at 80 ℃

圖5 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣分別在40 ℃和80℃水溫下淬火后得到的晶界析出相形貌.由圖5 可知，當(dāng)淬火水溫為40 ℃時(shí)，合金的晶界非常清晰，晶界上幾乎看不到淬火析出相，晶界無(wú)沉淀析出帶較窄.當(dāng)淬火水溫為80 ℃時(shí)，合金的晶界比較模糊且呈不連續(xù)分布，晶界無(wú)沉淀析出帶較寬，晶界析出相尺寸較粗大且沿晶界密集排布.但是在兩種淬火水溫情況下，透射電鏡難以觀察到淬火晶內(nèi)析出相.表明在80 ℃條件下，晶界析出粗大的淬火析出相，而對(duì)晶內(nèi)析出相的作用較小.

圖5 2219 鋁合金鍛環(huán)在不同水溫淬火后的TEMFig.5 TEM of 2219 aluminum alloy forging ring quenched under different quench water temperature

2.2 拉伸性能

圖6 是2219 鋁合金過(guò)渡環(huán)淬火態(tài)的拉伸性能及各向異性指數(shù)隨淬火水溫的變化曲線.由圖6（a）和圖6（b）可知，淬火水溫對(duì)過(guò)渡環(huán)淬火態(tài)的軸向、徑向及切向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度影響較小.由圖6（c）可知，隨著淬火水溫的升高，過(guò)渡環(huán)3 個(gè)方向的延伸率均是先上升后下降，在淬火溫度為40 ℃時(shí)，過(guò)渡環(huán)3 個(gè)方向的延伸率均達(dá)到最大值.由圖6（d）可知，淬火態(tài)合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率的各向異性指數(shù)均隨著淬火水溫的升高而先上升后下降，當(dāng)淬火溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，3 者的各向異性指數(shù)均達(dá)到最大值.此外，對(duì)于淬火態(tài)的合金，其拉伸性能各向異性對(duì)淬火溫度并不敏感，在不同的淬火水溫下均保持較低的水平.

圖7 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣高溫固溶熱處理，并在4 種不同淬火水溫，以及經(jīng)3%軸向冷變形以及155 ℃/30 h 時(shí)效熱處理后的軸向、徑向、切向的拉伸性能及力學(xué)性能各向異性指數(shù).由圖7（a）可知，隨著淬火水溫的升高，合金的抗拉強(qiáng)度先升高后降低，鍛環(huán)軸向、徑向、切向延伸率均先升高后降低.當(dāng)淬火水溫為40 ℃時(shí)，軸向、徑向、切向的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為418 MPa、420 MPa、447 MPa.由圖7（b）可知，2219 鋁合金鍛環(huán)三向屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度相同，鍛環(huán)軸向、徑向、切向的屈服強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為300 MPa、300 MPa、329 MPa，同時(shí)其軸向、徑向、切向延伸率均達(dá)到最大值，分別為9.3%、9.8%、12.5%.但是，當(dāng)淬火水溫高于60℃時(shí)，合金軸向、徑向延伸率下降非常明顯.對(duì)比時(shí)效態(tài)2219 鋁合金鍛環(huán)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的各向異性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著淬火水溫的升高變化不明顯，均保持在比較低的水平，而延伸率各向異性指數(shù)對(duì)淬火水溫比較敏感，隨著淬火溫度的升高，延伸率各向異性指數(shù)急劇上升（圖7（d））.當(dāng)淬火溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，各向異性指數(shù)達(dá)到48.2%.研究表明，對(duì)于2219 鋁合金來(lái)說(shuō)，較高的淬火水溫對(duì)強(qiáng)度及其均勻性影響較小，而顯著降低鍛環(huán)軸向、徑向和切向延伸率，并顯著提升延伸率不均勻性.反之，較低的淬火水溫將獲得高延伸率及低的各向異性指數(shù).

圖6 2219 鋁合金鍛環(huán)淬火態(tài)拉伸性能及各向異性指數(shù)Fig.6 Tensile properties and anisotropic index of 2219 aluminum alloy forging ring in quench state

圖7 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫并時(shí)效熱處理后拉伸性能及各向異性指數(shù)Fig.7 Tensile properties and anisotropy index of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperatureand and aging heat treatment

圖8 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣分別在40 ℃、80℃的水溫淬火后，經(jīng)過(guò)3%軸向冷壓縮變形及155 ℃/30 h 時(shí)效熱處理后的拉伸斷口形貌.由圖8 可知，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后鍛環(huán)軸向、徑向及切向的斷裂方式均為混合型斷裂，其中軸向和徑向的拉伸試樣的斷裂方式以脆性斷裂為主，切向的拉伸試樣的斷裂方式以塑性斷裂為主.由圖8（a）、圖8（c）、圖8（e）可知，當(dāng)淬火水溫為40 ℃時(shí)，2219 鋁合金鍛環(huán)軸向、徑向、切向的斷口表面上韌窩數(shù)量較多，Al2Cu 粒子數(shù)量較少、尺寸較小，說(shuō)明此時(shí)合金的塑性較好.由圖8（b）、圖8（d）、8（f）可知，當(dāng)淬火水溫為80 ℃時(shí)，軸向、徑向、切向的斷口表面上韌窩數(shù)量較少，Al2Cu 粒子數(shù)量較多，特別是軸向、徑向的斷口表面大部分位置被粗大的Al2Cu 粒子占據(jù)，說(shuō)明此時(shí)合金的塑性較差.此外對(duì)比合金軸向、徑向、切向的拉伸斷口可以發(fā)現(xiàn)，與軸向、徑向相比，鍛環(huán)切向的拉伸斷口表面Al2Cu 粒子尺寸更小，韌窩數(shù)量較多、密度更大，這是因?yàn)?219 鋁合金鍛環(huán)在前期變形中存在晶粒形貌不均勻性，導(dǎo)致最終鍛環(huán)試樣力學(xué)性能存在明顯的各向異性.

圖8 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫并時(shí)效熱處理后的拉伸斷口形貌Fig.8 The tensile fracture morphology of 2219 aluminium alloy forging ring after quench water temperature and aging heat treatment

3 分析與討論

Al-Cu 合金進(jìn)行淬火熱處理的主要目的是獲得過(guò)飽和固溶體，以便在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中獲得更多細(xì)小彌散的時(shí)效析出相[15].淬火水溫主要影響2219鋁合金鍛環(huán)在淬火過(guò)程中的第二相析出行為，并最終影響合金的強(qiáng)度和塑性.從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著淬火水溫升高，鍛環(huán)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率先升高后降低.當(dāng)淬火水溫超過(guò)60 ℃時(shí)，鍛環(huán)延伸率各向異性傾向顯著增加.一般認(rèn)為，淬火水溫越低，材料獲得的過(guò)飽和度越高，合金的強(qiáng)度和塑性將最好.但是，淬火溫度較低，材料將引發(fā)較大的淬火殘余應(yīng)力，將影響后續(xù)的加工行為.因此，選擇合適的淬火條件，能同時(shí)兼?zhèn)涓吡W(xué)性能和低的淬火應(yīng)力是工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵.當(dāng)淬火水溫為20 ℃時(shí)，由于冷卻速率很快，Al 基體中保持了過(guò)飽和度，使淬火過(guò)程中的析出降到最低，有助于在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中得到數(shù)量更多、尺寸更細(xì)的時(shí)效強(qiáng)化相，但是與此同時(shí)，可能由于過(guò)高的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致鍛環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，可能誘發(fā)淬火缺陷.當(dāng)淬火溫度為40℃時(shí)，較高的冷卻速率保證了Al 基體中第二相的過(guò)飽和度較高，抑制合金晶界處淬火析出相的析出.而淬火過(guò)程中形成的少量晶內(nèi)淬火析出相能夠在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中成為形核點(diǎn)、促進(jìn)析出相形核，從而得到更多細(xì)小彌散分布的時(shí)效強(qiáng)化相[16-17]，同時(shí)降低了淬火應(yīng)力，減小了淬火裂紋所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn).因此，與淬火水溫為20 ℃相比，當(dāng)淬火水溫為40 ℃時(shí)，由于同時(shí)改善了晶界和晶內(nèi)析出相，2219 鋁合金鍛環(huán)的強(qiáng)度和塑性更好.當(dāng)淬火溫度升高到60 ℃以及80℃時(shí)，鍛環(huán)冷卻速率急劇下降，淬火過(guò)程中會(huì)在晶界析出不連續(xù)的、尺寸較大的晶界淬火析出相，這些晶界上的粗大淬火析出相會(huì)導(dǎo)致在晶界優(yōu)先斷裂，降低合金的塑性[18].此外粗大的淬火析出相在后續(xù)時(shí)效熱處理過(guò)程中會(huì)吸收周?chē)娜苜|(zhì)原子，進(jìn)一步發(fā)生粗化.同時(shí)緩慢的淬火速率，會(huì)降低合金中Cu 原子的溶度和空位溶度，使后續(xù)時(shí)效析出的時(shí)效強(qiáng)化相數(shù)量減少，降低鍛環(huán)的綜合強(qiáng)度.

因此，對(duì)于大尺寸厚截面2219 鋁合金鍛環(huán)來(lái)說(shuō)，除了研究合金元素如Cu、Mn 等環(huán)件淬透性的影響外，還需要充分考慮淬火條件如淬火水溫和環(huán)件壁厚對(duì)環(huán)件強(qiáng)度和延伸率的影響，也需要了解淬火條件對(duì)厚截面鍛件的影響.前述結(jié)果表明，當(dāng)淬火水溫為40 ℃左右時(shí)，能夠有效地抑制淬火析出，使得鍛環(huán)獲得較高的強(qiáng)度和延伸率以及較好的力學(xué)性能均勻性，但是需要進(jìn)一步研究淬火溫度對(duì)大規(guī)格環(huán)件淬火殘余應(yīng)力的影響，選取能同時(shí)兼?zhèn)鋸?qiáng)度、延伸率以及低淬火殘余應(yīng)力的參數(shù)范圍.

4 結(jié)論

1）隨著淬火水溫的升高，2219 鋁合金鍛環(huán)的強(qiáng)度和延伸率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).

2）當(dāng)淬火水溫超過(guò)60 ℃時(shí)，鍛環(huán)延伸率各向異性傾向顯著增加，其主要原因是形成粗大的淬火晶界析出相.

3）當(dāng)淬火水溫為40 ℃時(shí)，2219 鋁合金鍛環(huán)的三向拉伸性能達(dá)到最大值，軸向、徑向、切向的抗拉強(qiáng)度分別為418 MPa、420 MPa、447 MPa；屈服強(qiáng)度分別為300 MPa、300 MPa、329 MPa；延伸率分別為9.3%、9.8%、12.6%.