宮 成,王 兵,史月龍,單嗣宏, 張 豪

(1.天津航天長(zhǎng)征技術(shù)裝備有限公司,天津 300462;2.首都航天機(jī)械有限公司,北京 100076;3.江蘇豪然噴射成形技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

2195鋁鋰合金具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、可焊性的特點(diǎn),目前主要用于飛船承力結(jié)構(gòu)件和武器末級(jí)上,用其代替?zhèn)鹘y(tǒng) 2219鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～15%,強(qiáng)度提升30%。但該材料在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中常出現(xiàn)各向異性差、熱處理調(diào)控難、晶粒難以細(xì)化和混晶等問(wèn)題。目前國(guó)外對(duì)于2195鋁鋰合金環(huán)筒件已應(yīng)用到運(yùn)載火箭貯箱和過(guò)渡段上,國(guó)內(nèi)某鋁廠已成功生產(chǎn)出5m級(jí)2195鋁鋰合金環(huán),但各向異性差的問(wèn)題依然未能解決,這些問(wèn)題的出現(xiàn)難以滿足宇航產(chǎn)品嚴(yán)苛的服役條件。

1 2195鋁鋰合金環(huán)筒形鍛件生產(chǎn)技術(shù)難題

1.1 產(chǎn)品各向異性較為嚴(yán)重

2195鋁鋰合金環(huán)筒形殼段產(chǎn)品在鍛壓和熱處理過(guò)程中,受制造過(guò)程和熱處理制度的影響,容易沿晶界析出δ′相-A13Li 非共格相、θ′相和 T1(Al2CuLi)相[1-3],其中T1相是 2195鋁鋰合金的主要強(qiáng)化相,在晶內(nèi)主要呈現(xiàn)為長(zhǎng)針狀。這些定向析出的第二相會(huì)在晶界聚集,此外晶粒容易沿環(huán)向被拉長(zhǎng),條狀析出帶也沿環(huán)向分布,導(dǎo)致環(huán)向性能裕度較大,而徑軸向性能遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求,如圖1和表1所示。

表1 某2195產(chǎn)品三向力學(xué)性能實(shí)測(cè)值

圖1 鍛件內(nèi)部被拉長(zhǎng)的晶粒組織

1.2 晶粒難以有效細(xì)化

鑄錠在開(kāi)坯、沖孔后和擴(kuò)孔過(guò)程中存在易變形區(qū)、難變形區(qū)和變形死區(qū),不同變形程度和變形溫度部位容易形成晶粒大小不一致的情況,熱處理時(shí)由于鍛造加工歷史原因,晶粒粗大、均勻性差和晶粒環(huán)向被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,如圖2所示。

圖2 粗大、均一性差的晶粒組織

1.3 制件對(duì)冷變形和時(shí)效制度較為敏感,性能調(diào)控困難

2195鋁鋰合金在固溶和時(shí)效之間通常要引入冷變形工序。研究表明[4-6],2195合金元素較高,形成第二相種類多且能夠相互轉(zhuǎn)化,冷變形工序能夠引入大量位錯(cuò)并形成更多的空位,會(huì)有效促進(jìn)時(shí)效強(qiáng)化相的沉淀析出,且冷變形工序能夠減輕鍛件產(chǎn)品在鍛造和熱處理過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力,降低加工過(guò)程中尺寸超差的風(fēng)險(xiǎn)。但冷變形量若和時(shí)效制度匹配不當(dāng)常常會(huì)出現(xiàn)過(guò)時(shí)效或者欠時(shí)效的現(xiàn)象(圖3),嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。

圖3 過(guò)時(shí)效狀態(tài)2195產(chǎn)品的高倍組織情況

2 生產(chǎn)工藝策劃

此次試制產(chǎn)品為2195鋁鋰合金環(huán)筒形鍛件,共投產(chǎn)兩件,產(chǎn)品驗(yàn)收尺寸如圖4所示。鋁錠是某公司生產(chǎn),噴射錠規(guī)格Φ850mm,后在新疆某企業(yè)擠壓成Φ540mm規(guī)格棒材。此件產(chǎn)品形狀為“工”字型,要求交付狀態(tài)為T852態(tài),產(chǎn)品形狀給冷變形帶來(lái)一定困難,冷變形采用軸向冷壓和徑向冷壓相結(jié)合的方式。2195鋁鋰合金筒形鍛件產(chǎn)品驗(yàn)收指標(biāo),環(huán)向:Rm≥520MPa,Rp0.2≥480MPa,A≥6.0%,軸向:Rm≥490MPa,Rp0.2≥440MPa,A≥5.0%,徑向:Rm≥470MPa,Rp0.2≥410MPa,A≥4.0%。可以看出,鍛件產(chǎn)品三向性能要求較高,且要求一定的各向同性。

圖4 2195環(huán)筒鍛件產(chǎn)品零件包絡(luò)尺寸

2195鋁鋰合金主要強(qiáng)化方式為細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化相結(jié)合的方式,為達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的,在終鍛最后環(huán)節(jié)即馬架擴(kuò)孔時(shí)采用中低溫變形的方式,既能增加變形儲(chǔ)能為后續(xù)熱處理形核提供驅(qū)動(dòng)力,又能在組織內(nèi)形成大量位錯(cuò)及胞狀亞結(jié)構(gòu)阻礙晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。三向冷變形可以較好促進(jìn)時(shí)效時(shí)第二相的析出[7-9],又可以減輕產(chǎn)品內(nèi)部的殘余應(yīng)力,因此冷變形選擇軸向冷壓加徑向冷壓的方式,可以更好發(fā)揮材料的性能。本次投產(chǎn)兩件產(chǎn)品選擇不同的冷變形和時(shí)效工藝,進(jìn)一步探究冷變形與時(shí)效工藝的良好匹配關(guān)系,力求獲得最佳的產(chǎn)品力學(xué)性能。

3 鍛造及熱處理生產(chǎn)

3.1 鍛造開(kāi)坯、沖孔及擴(kuò)孔

本次投產(chǎn)的兩件產(chǎn)品(0016#和0024#)原材料尺寸為Φ540mm×1550mm。其中,0024#產(chǎn)品鍛造采用三墩三拔加軸向墩粗的方式(圖5),保證三向都能均勻充分變形,為再結(jié)晶細(xì)化組織做儲(chǔ)能準(zhǔn)備,且三向均勻變形能夠有效減輕組織的各向異性;而0016#產(chǎn)品鍛造開(kāi)坯僅采用一次鐓粗完成。兩件產(chǎn)品軸向鐓粗時(shí)均要保證壓機(jī)壓下速率在8mm/s以下,壓下速率過(guò)快容易形成折疊和變形不均勻,鍛造成形前模具要充分預(yù)熱,否則會(huì)出現(xiàn)因坯料溫度不均勻而引起局部褶皺和折疊的現(xiàn)象,如圖6所示。

圖5 多向鍛造開(kāi)坯原理示意

圖6 2195鍛件表面褶皺與折疊

開(kāi)坯后擴(kuò)孔采用中低溫變形的方式,擴(kuò)孔溫度在 240℃～260℃,擴(kuò)孔時(shí)壓機(jī)單次壓下量為10mm～12mm,保證變形對(duì)產(chǎn)品的穿透能力即能夠鍛透。采用中低溫作為終鍛最后變形工序的原因是,中低溫變形不但能夠引入大量位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu),而且未再結(jié)晶的變形組織會(huì)在后續(xù)熱處理再結(jié)晶時(shí)提供形核質(zhì)點(diǎn)和變形儲(chǔ)能,為細(xì)化晶粒做準(zhǔn)備。

3.2 熱處理

通過(guò)先前淬火實(shí)驗(yàn)組織和性能分析,2195鋁鋰合金有效淬火厚度不足90mm,為保證淬火有效性,將矩形截面鍛件按照零件包絡(luò)尺寸加工成“工”字形,如圖7所示。

為驗(yàn)證冷變形量與時(shí)效時(shí)間的匹配關(guān)系,兩件產(chǎn)品冷變形量與時(shí)效制度并不相同,通過(guò)徑向冷壓+軸向冷壓的方式保證兩件產(chǎn)品內(nèi)外徑及高度尺寸均為Φ1525mm×1235mm×350mm。時(shí)效溫度150℃±10℃,0024#產(chǎn)品保溫時(shí)間35h±1h,0016#產(chǎn)品保溫時(shí)間45h±1h。2195鋁鋰合金時(shí)效保溫時(shí)間根據(jù)冷變形量確定,0024#產(chǎn)品冷變形量大,時(shí)效析出及第二相形核驅(qū)動(dòng)力強(qiáng),時(shí)效時(shí)間也較 0016#產(chǎn)品短,能更快達(dá)到峰值時(shí)效。

4 組織性能結(jié)果分析

對(duì)零件工藝余量部位進(jìn)行三向取樣,包括拉伸試棒和高低倍組織。

4.1 性能結(jié)果分析

表2為0024#和0016#兩件產(chǎn)品的力學(xué)性能實(shí)測(cè)值。可以看出,兩件產(chǎn)品力學(xué)性能無(wú)論是強(qiáng)度還是延伸率,差異均較大,說(shuō)明鍛造開(kāi)坯工藝、冷變形量和時(shí)效時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的影響較大;鍛件產(chǎn)品三向性能要求較高,且要求一定的各向同性。

表2 兩件2195產(chǎn)品三向力學(xué)性能實(shí)測(cè)值

(1)0024#產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最大差值分別是41MPa和51MPa,延伸率相差2%,綜合來(lái)看對(duì)于高強(qiáng)鋁合金,各向異性較小,且強(qiáng)度指標(biāo)均高于驗(yàn)收要求35MPa以上,說(shuō)明多向鍛造開(kāi)坯和相匹配的熱處理及冷變形工藝起了作用。

(2)0016#產(chǎn)品各方向指標(biāo)不但散差較大,且出現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性倒掛的現(xiàn)象,從指標(biāo)來(lái)看與產(chǎn)品欠時(shí)效的狀態(tài)類似。

4.2 組織分析

0024#、0016#產(chǎn)品高倍組織如圖8所示,0024#產(chǎn)品能譜分析如圖9所示。

圖8 0024#和0016#產(chǎn)品熱處理后高倍組織

圖9 0024#產(chǎn)品熱處理后掃描組織、析出相圖譜與能譜分析

從0024#高倍組織可以看出,其切-軸向(T-A)晶粒已明顯細(xì)化,說(shuō)明在多向鍛造時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較為充分,個(gè)別部位生成了細(xì)小的亞晶,這對(duì)于降低產(chǎn)品各向異性起了較大作用。而 0016#產(chǎn)品因鍛造開(kāi)坯不充分,晶粒細(xì)化程度不好,同時(shí)出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象,且第二相顆粒粗大、未完全溶解在晶粒內(nèi),從而在熱處理時(shí)未發(fā)生彌散強(qiáng)化作用,而晶粒后續(xù)熱處理過(guò)程中也未改善均一性差、各向異性嚴(yán)重的問(wèn)題,這一點(diǎn)從產(chǎn)品性能表2中也可以看出。2195鋁鋰合金鍛后熱處理時(shí),析出的主要強(qiáng)化相為 T1(AlCuLi)相、球狀δ′相-Al3Li及θ′強(qiáng)化相Al2Cu[10]。通過(guò)對(duì)圖9(a)(c)晶內(nèi)和晶界的析出相能譜分析可知,有T1(Al2CuLi)相、球狀δ′相-Al3Li及θ′強(qiáng)化相Al2Cu析出,這些強(qiáng)化相的析出與多向鍛造制坯、冷變形和時(shí)效工藝的調(diào)控是分不開(kāi)的,強(qiáng)化相不但能夠改善合金的斷裂韌性,且能夠提升合金的綜合力學(xué)性能[11]。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)大規(guī)格2195鋁鋰合金噴射態(tài)擠壓棒材進(jìn)行高溫多向鍛造開(kāi)坯,進(jìn)一步提升了材料的致密度,消除了擠壓成形時(shí)形成的定向纖維組織、減輕各項(xiàng)異性,且能夠充分細(xì)化晶粒、促進(jìn)第二相更多溶入晶粒內(nèi)部。

(2)中低溫?cái)U(kuò)孔作為2195鋁鋰合金筒形件鍛造時(shí)的最后工序,累計(jì)形變能夠?yàn)樵俳Y(jié)晶形核提供能量,為后續(xù)熱處理工序做組織準(zhǔn)備。同時(shí)低溫變形時(shí)引入的大量位錯(cuò)能夠進(jìn)一步阻礙晶粒的長(zhǎng)大。

(3)對(duì)兩件2195鋁鋰合金筒形件使用了不同的鍛造與熱處理工藝,即通過(guò)調(diào)控兩件筒形產(chǎn)品的鍛造方式、固溶后冷變形量和時(shí)效工藝參數(shù),得到了滿足驗(yàn)收要求的三向性能指標(biāo),0024#產(chǎn)品的各向異性明顯減輕。