貯箱結(jié)構(gòu)用2A14和2219鋁合金的特性研究與分析

鄢東洋，郭彥明，董曼紅，吳會(huì)強(qiáng)，張 鷺

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

從運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱的發(fā)展歷程來(lái)看，其結(jié)構(gòu)選材可分為3代：第1代是鋁鎂合金，以5052、5A06、AMГ6為代表；第2代是鋁銅合金，以2A14和2219為代表；第3代是鋁鋰合金，以2195，1460為代表[1]。

目前中國(guó)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱的選材正處于第 2代，成熟火箭型號(hào)的貯箱材料以2A14鋁合金為主，而在研的新型中型運(yùn)載火箭的貯箱材料以2219鋁合金為主[2]。2A14和2219都是高強(qiáng)的可焊型鋁合金，在國(guó)外液體運(yùn)載火箭等航天器的推進(jìn)劑貯箱上均有成熟應(yīng)用。雖然2A14和2219鋁合金均可作為貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，但兩者在材料特性上存在較明顯差異，準(zhǔn)確掌握這些特性差異，新研貯箱根據(jù)其實(shí)際制造和使用情況選擇適宜的結(jié)構(gòu)材料具有重要意義。

值得注意的是，為了使中國(guó)變形鋁及鋁合金牌號(hào)的表示方法與國(guó)際通用方法保持一致，在制定GB/T 16474-1996《變形鋁及鋁合金標(biāo)牌號(hào)表示方法》時(shí)，將中國(guó)部分原有鋁合金牌號(hào)按照國(guó)際四位數(shù)字體系牌號(hào)進(jìn)行了對(duì)照和更新，其中舊牌號(hào)L10鋁合金對(duì)應(yīng)新牌號(hào)2A14鋁合金，舊牌號(hào)LY19或147鋁合金對(duì)應(yīng)新牌號(hào)2219鋁合金。同時(shí)，雖然牌號(hào)同為2A14和2219，但國(guó)內(nèi)外的鋁合金在成分和性能方面仍稍有差異，本文對(duì)這兩種鋁合金特性的介紹以中國(guó)材料為對(duì)象。

1 2A14和2219鋁合金在國(guó)內(nèi)外貯箱結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況

由于2A14和2219鋁合金在力學(xué)性能、可焊性、加工性等方面的綜合性能較好，在貯箱結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。表1列舉了美國(guó)、法國(guó)、日本部分曾經(jīng)使用或正在使用2A14和2219鋁合金制造液體推進(jìn)劑貯箱的火箭型號(hào)[1]。美國(guó)早期的一些火箭型號(hào)的推進(jìn)劑貯箱主要選用2A14鋁合金，但受制于當(dāng)時(shí)的焊接水平，同時(shí)2A14鋁合金在熔焊過(guò)程中易產(chǎn)生焊接熱裂紋，逐漸被2219鋁合金所取代。中國(guó)對(duì)2A14鋁合金成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，通過(guò)兩面3層焊工藝創(chuàng)造性地解決了該合金的熔焊熱裂紋敏感問(wèn)題，使其廣泛應(yīng)用于中國(guó)的運(yùn)載火箭型號(hào)推進(jìn)劑貯箱[3]。雖然2A14鋁合金的焊接熱裂問(wèn)題得到了解決，但工序復(fù)雜，焊接缺陷現(xiàn)象嚴(yán)重，為提高運(yùn)載火箭貯箱的生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、增加在國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，新研火箭型號(hào)的推進(jìn)劑貯箱普遍選用2219鋁合金。

2 2A14和2219鋁合金的化學(xué)成分

2A14和2219鋁合金都是以銅為主要合金元素的鋁合金，兩者的化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，兩者化學(xué)成分類(lèi)似，主要差異表現(xiàn)在銅、硅、鐵、鎂等主要摻雜合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。這一差別是導(dǎo)致兩種鋁合金在焊接特性、力學(xué)特性以及熱處理強(qiáng)化特性等方面存在差異的根本原因。

表2 2A14和2219鋁合金的化學(xué)成分1)Tab.2 Chemical Constituents of 2A14 and 2219

3 2A14和2219鋁合金的力學(xué)性能

航天用2A14和2219鋁合金板材的性能指標(biāo)要求見(jiàn)表3。

表3 航天用2A14和2219鋁合金板材的常溫力學(xué)性能Tab.3 Mechanical Properties of 2A14 and 2219 in Room Temperature

從表3中可以看出，兩種鋁合金在力學(xué)性能方面存在以下特點(diǎn)：

a）O態(tài)2219鋁合金拉伸強(qiáng)度與O態(tài)2A14鋁合金相當(dāng)，但屈服強(qiáng)度明顯偏低；

b）T62態(tài)2219 鋁合金的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比都顯著低于T62態(tài)2A14鋁合金；

c）T87態(tài)2219鋁合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)和T62態(tài)2A14鋁合金相當(dāng)。

成分差異是導(dǎo)致2A14鋁合金和2219鋁合金力學(xué)性能差異的根本原因。2A14鋁合金中Mg含量較高，2219鋁合金中較低，而Mg是一種分子量較?。ㄔ又睆叫。┑膿诫s合金元素，在合金中起固溶強(qiáng)化作用，且該作用受熱處理影響不明顯?；诖耍琌態(tài)和T62態(tài)2A14鋁合金的強(qiáng)度均明顯高于2219鋁合金。2219鋁合金中V，Ti和Zr等合金元素的存在能降低溶質(zhì)元素的擴(kuò)散系數(shù)，減緩其自然時(shí)效過(guò)程，而 2A14鋁合金由于缺乏上述元素，其自然時(shí)效作用明顯。因此，對(duì)于2219鋁合金板材，在固溶處理之后有充足的時(shí)間進(jìn)行冷變形強(qiáng)化作用，然后再進(jìn)行人工時(shí)效處理；而對(duì)于2A14鋁合金板材，在固溶處理之后，板材在自然條件下就開(kāi)始時(shí)效，力學(xué)性能迅速升高，難以對(duì)其進(jìn)行冷變形強(qiáng)化處理，所以2A14鋁合金板材一般沒(méi)有T8態(tài)。對(duì)2A14鋁合金，其強(qiáng)化機(jī)制是熱處理強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化），即通過(guò)固溶作用形成過(guò)飽和固溶體，并產(chǎn)生一定數(shù)量的位錯(cuò)和空位，材料力學(xué)性能有一定程度提高，然后再通過(guò)自然時(shí)效或人工時(shí)效過(guò)程使過(guò)飽和固溶體析出強(qiáng)化相，材料性能進(jìn)一步提高，時(shí)效過(guò)程中通過(guò)固溶產(chǎn)生的位錯(cuò)和空位將作為析出強(qiáng)化相的形核質(zhì)點(diǎn)。對(duì)于2219鋁合金，其強(qiáng)化機(jī)制是形變熱處理強(qiáng)化，即通過(guò)固溶作用形成過(guò)飽和固溶體，并產(chǎn)生一定數(shù)量的位錯(cuò)和空位，材料力學(xué)性能有一定程度提高，然后通過(guò)冷變形作用使材料中位錯(cuò)和空位的密度更高，材料力學(xué)性能進(jìn)一步提高，最后通過(guò)人工時(shí)效使過(guò)飽和固溶體以位錯(cuò)和空位為核心析出強(qiáng)化相，材料力學(xué)性能再次提高，由于位錯(cuò)和空位密度高，析出的強(qiáng)化相更彌散。冷變形作用能明顯提高鋁合金的屈服強(qiáng)度，因此對(duì)于T62態(tài)和T87態(tài)2219鋁合金，T87態(tài)不僅拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都提高，屈強(qiáng)比也提高。

4 2A14和2219鋁合金的焊接特性

4.1 焊接方法的適應(yīng)性

2A14和2219鋁合金目前在航天領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，其焊接工藝的研究一直都是熱點(diǎn)。表4是不同焊接工藝在T62態(tài)2A14鋁合金板材和T87態(tài)2219鋁合金板材上施焊的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 航天用2A14和2219鋁合金板材的常溫力學(xué)性能Tab.4 Mechanical Properties of Weld Joint for 2A14 and 2219 with Different Welding Method

從接頭拉伸強(qiáng)度和延伸率兩方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能量密度集中的熔焊方法和不填絲的熔焊方法都不適用于2A14鋁合金，主要體現(xiàn)在焊接接頭延伸率偏低或裂紋傾向嚴(yán)重，而目前工程上常用的焊接工藝方法均適用于2219鋁合金。

4.2 熔焊接頭特性

在推進(jìn)劑貯箱的制造中，用于2A14鋁合金熔焊的焊絲為BJ-380（低溫貯箱）和BJ-380A（常溫貯箱），用于2219鋁合金熔焊的焊絲為2325。對(duì)貯箱產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐中的T87態(tài)2219鋁合金和T62態(tài)2A14鋁合金熔焊接頭性能的相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納，如表 5所示。

表5 2A14和2219鋁合金的熔焊接頭特性Tab.5 Characteristics of Fusion Weld Joint of 2A14 and 2219

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2A14鋁合金和2219鋁合金熔焊接頭的綜合性能有如下特點(diǎn)：

a）2219鋁合金的焊接熱裂紋敏感性低于2A14鋁合金。

鋁合金焊接裂紋通常分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和存放裂紋3類(lèi)[5]。結(jié)晶裂紋是熔池金屬凝固過(guò)程中低熔點(diǎn)共晶最后凝固導(dǎo)致液膜因收縮被拉開(kāi)而形成的裂紋，形貌如圖1所示，敏感性用K1表征。

圖1 鋁合金熔焊后的結(jié)晶裂紋形貌示意Fig.1 Solidification Crack in Fusion Welding Joint of Aluminium Alloy

液化裂紋是熔合線外側(cè)的母材在焊接加熱時(shí)晶界低熔點(diǎn)共晶物聚集、熔化，但母材晶粒未熔化，冷卻時(shí)在焊接應(yīng)力作用下熔化的低熔共晶物液膜被拉開(kāi)形成的裂紋，其形貌如圖2所示，敏感性用K2表征。

圖2 鋁合金熔焊后的結(jié)晶裂紋形貌示意Fig.2 Liquation Crack in Fusion Welding Joint ofAluminium Alloy

存放裂紋是以原有焊接微裂紋為源，在長(zhǎng)期存放過(guò)程中以應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂模式或在內(nèi)部殘余應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展形成的裂紋。中國(guó)的航天推進(jìn)劑貯箱制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求焊接接頭不允許存在裂紋，但經(jīng)過(guò)多年空貯存放的 2A14鋁合金貯箱在返廠檢查時(shí)通常能在焊縫區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖3所示。

圖3 2A14鋁合金貯箱的存放裂紋示意Fig.3 Crack Occurred in the Tank of 2A14 after Storing

分析認(rèn)為：2A14鋁合金焊縫內(nèi)易產(chǎn)生張開(kāi)位移較小、超出X光檢測(cè)靈敏度的微裂紋，這些微裂紋在貯箱存放過(guò)程中受其他因素影響逐漸擴(kuò)展，演變?yōu)楹暧^的存放裂紋。一般將這種微裂紋稱為潛藏裂紋，通過(guò)觀察其位置和形貌，認(rèn)為潛藏裂紋一般是焊接液化裂紋，而這種裂紋在2A14鋁合金補(bǔ)焊接頭中極易出現(xiàn)。

從2A14和2219兩種鋁合金的熔焊試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，2219鋁合金焊接熱裂紋敏感性明顯低于2A14鋁合金，主要體現(xiàn)在：2219鋁合金焊接凝固裂紋敏感性較低（K1=1.2%），幾乎沒(méi)有液化裂紋敏感性。目前，貯存時(shí)間已接近10年的貯箱結(jié)構(gòu)經(jīng)檢查均未發(fā)現(xiàn)有存放裂紋現(xiàn)象，至今未見(jiàn)關(guān)于2219鋁合金熔焊接頭出現(xiàn)存放裂紋的報(bào)道。

b）2219鋁合金熔焊接頭強(qiáng)度低于2A14鋁合金，但延伸率更高。

雖然T87態(tài)2219鋁合金和T62態(tài)2A14鋁合金母材的力學(xué)性能相當(dāng)，但熔焊接頭的力學(xué)性能卻差異明顯。從常溫性能測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，2219鋁合金接頭的強(qiáng)度比2A14鋁合金低，其中拉伸強(qiáng)度相差40 MPa，屈服強(qiáng)度的差距更大，達(dá)到近100 MPa，但2219鋁合金熔焊接頭的延伸率明顯高于2A14鋁合金，差距在1.5%左右。低溫下，兩種鋁合金熔焊接頭的力學(xué)性能也存在同樣的對(duì)比規(guī)律。導(dǎo)致熔焊接頭性能存在明顯差異的根本原因仍然是兩種鋁合金的成分差異。熔焊過(guò)程中，近縫區(qū)由于受焊接熱循環(huán)的影響存在固溶區(qū)，形成過(guò)飽和固溶體，由于 2A14鋁合金對(duì)自然時(shí)效較敏感，固溶區(qū)發(fā)生自然時(shí)效，過(guò)飽和固溶體析出形成強(qiáng)化相，使得拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較高，而2219鋁合金對(duì)自然時(shí)效不敏感，固溶區(qū)不會(huì)發(fā)生自然時(shí)效，所以保持了固溶狀態(tài)的性能，即拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低。2219鋁合金接頭的延伸率更高，所以冷彎角也更大。

c）2219和2A14鋁合金的氣孔敏感性均較高。

鋁合金熔焊接頭中的氣孔大部分是氫氣孔，而氫主要來(lái)源于焊絲和母材表面吸附的水分、保護(hù)氣體中的水分以及周?chē)h(huán)境中的水分。氫在鋁合金液、固狀態(tài)下的溶解度相差近20倍，因此在鋁合金焊縫凝固過(guò)程中氫會(huì)大量析出而形成氣泡，而鋁合金的密度小，氣泡在熔池中上升速度較慢；同時(shí)由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大、焊縫冷卻凝固速度快，液體狀態(tài)下的停留時(shí)間短，不利于氣泡浮出，最終殘留在焊縫中形成氣孔缺陷。2219鋁合金熔焊接頭中極易在熔合區(qū)形成密集的微氣孔[6,7]。

5 2A14和2219鋁合金的其他制造特性

在推進(jìn)劑貯箱制造過(guò)程中，除了焊接以外，機(jī)械加工、成型（鈑金、沖壓、旋壓、拉深、拉形、輥彎）、化銑都是常用工藝。對(duì)于機(jī)械加工和不涉及熱處理的成型工藝，從實(shí)際工程實(shí)踐效果來(lái)看，2A14和 2219兩種鋁合金沒(méi)有明顯差異。但對(duì)于化銑和涉及熱處理過(guò)程的成型工藝，兩種鋁合金差異明顯。

5.1 涉及熱處理的成型工藝

由于2219鋁合金在固溶后的自然時(shí)效過(guò)程極慢，幾乎不受停放時(shí)間的限制，所以2219鋁合金零件的成型可放在固溶之后完成，即使在固溶前進(jìn)行成型，也能在固溶之后對(duì)零件進(jìn)行充分的矯形，以此來(lái)保證零件的型面精度。2A14鋁合金在這方面的加工性能較差，因?yàn)槠涔倘芎笞匀粫r(shí)效速度較快，零件原材料性能迅速提高，成型和矯形過(guò)程都非常困難。因此，對(duì)涉及熱處理的成型工藝來(lái)看，2219鋁合金優(yōu)于 2A14鋁合金。例如在O態(tài)下通過(guò)旋壓成型的零件，如果原材料是2219鋁合金，則在固溶熱處理后可以很方便進(jìn)行整形，但如果原材料是 2A14鋁合金則整形效果較差，那么在人工時(shí)效處理之后，原材料是2219鋁合金的零件的加工型面精度更高。

5.2 化學(xué)銑切工藝

化學(xué)銑切是鋁合金材料零件制造中一種常用的去除材料的工藝方法，是利用化學(xué)試劑腐蝕去除結(jié)構(gòu)上的部分材料。化學(xué)銑切所用的槽液一般由腐蝕劑（氫氧化鈉）、老化劑（溶解鋁）、添加劑 3類(lèi)成分組成。對(duì)于2A14鋁合金，化學(xué)銑切時(shí)不需要使用添加劑[8]；但對(duì)于2219鋁合金，要保證零件銑切后表面平整和光滑，則在化學(xué)銑切時(shí)必須配以一定含量的添加劑，且槽液中腐蝕劑和老化劑兩種組分的含量范圍明顯窄于2A14鋁合金[9]。此外，對(duì)于2219鋁合金零件，比如貯

箱的箱底瓜瓣，通常采用預(yù)拉—淬火—補(bǔ)拉—時(shí)效處理的制造工序，如果預(yù)拉時(shí)變形量選取不合理，超過(guò)了2219鋁合金材料的臨界變形范圍（約4%～10%），則在隨后的淬火保溫過(guò)程中，材料會(huì)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，從而在化學(xué)銑切后呈現(xiàn)出表面粗糙的現(xiàn)象，如圖4所示，而粗糙表面會(huì)對(duì)后續(xù)工藝如粘接、噴漆、陽(yáng)極化的質(zhì)量造成影響。

圖4 過(guò)度冷變形的2219鋁合金在化銑后顯現(xiàn)的表面粗糙現(xiàn)象示意Fig.4 Rough Surface of 2219 after Excessive Cold-forming and Chemical Milling

2A14鋁合金材料的臨界變形范圍更大（約7%～15%），一般成型過(guò)程中材料的變形量都小于其臨界變形范圍，所以在化學(xué)銑切過(guò)程出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象的情況較少。從這點(diǎn)來(lái)看2A14鋁合金的化學(xué)銑切工藝適應(yīng)性好于2219鋁合金。但2219鋁合金也有自身的化學(xué)銑切特點(diǎn)，其浸蝕比小，可以明顯減小化銑網(wǎng)格壁板的廢重，對(duì)減輕結(jié)構(gòu)重量有利。

6 結(jié)束語(yǔ)

2A14鋁合金和2219鋁合金在國(guó)內(nèi)外均被廣泛用于制造液體運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱中，但2種合金在特性上存在較明顯差異，同時(shí)兩種合金在中國(guó)的研究和使用成熟度上也存在差異。材料的特性對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2A14鋁合金具有母材和焊接接頭拉伸強(qiáng)度更高、只通過(guò)熱處理就能實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化的優(yōu)勢(shì)，但也存在熔焊接頭延伸率更低、熔焊熱裂紋敏感性更高、易發(fā)生潛藏裂紋和存放裂紋等不足；而2219鋁合金具有熔焊和成型工藝性更好的優(yōu)勢(shì)，存在力學(xué)性能尤其是屈服強(qiáng)度相對(duì)較低的不足。從制造工藝性和貯箱產(chǎn)品質(zhì)量可靠性角度來(lái)看，用2219鋁合金代替2A14鋁合金具有明顯優(yōu)勢(shì)，也與歐美等國(guó)貯箱材料更替規(guī)律相符合。同時(shí)2219鋁合金及其焊接接頭具有更高的塑性，適合貯箱結(jié)構(gòu)在低溫條件下的承載，所以中國(guó)新型中型運(yùn)載火箭均選擇2219鋁合金作為貯箱主結(jié)構(gòu)材料。但2219鋁合金在中國(guó)航天領(lǐng)域還可以算是新材料，材料研發(fā)和制造工藝研究的歷史不足20年，真正開(kāi)始廣泛應(yīng)用于推進(jìn)劑貯箱的時(shí)間不足10年，目前成功飛行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍偏少，并且在地面試驗(yàn)中也暴露出一些因材料認(rèn)識(shí)不充分而導(dǎo)致的問(wèn)題。這些問(wèn)題的出現(xiàn)說(shuō)明中國(guó)對(duì)2219鋁合金材料的研究和應(yīng)用成熟度仍然偏低，有關(guān)材料和工藝的基礎(chǔ)研究還應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)。