固溶處理工藝對2219鋁合金力學(xué)性能的影響

王喜琴，張貴一，樂 斌，張柳鋒，張亞軍

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

2219鋁合金是國內(nèi)研制的一種Al-Cu-Mn系熱處理強(qiáng)化鋁合金，其不但具有較好的塑性和較高的強(qiáng)度，而且具有良好的焊接性能和較高的斷裂韌性，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。由于2219鋁合金具有良好的高溫和低溫力學(xué)性能，經(jīng)固溶、人工時(shí)效處理后，可用于制造在低溫和高溫下工作的焊接零件。該合金還可用于制造運(yùn)載火箭上的液氧與液氫容器，保證運(yùn)載火箭在液氫溫度下的可靠性。

硝鹽槽具有爐溫均勻性好、加熱速度快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋁合金的固溶處理。但硝鹽槽使用的NaNO3和KNO3硝鹽屬于氧化劑，硝鹽槽加熱過程中如果發(fā)生控溫儀表失控等情況，使硝鹽溫度超過分解溫度，熔融的硝鹽會發(fā)生爆炸。同時(shí)，硝鹽槽使用過程中工件固溶時(shí)帶出的硝鹽還存在環(huán)境污染問題，故逐漸被行業(yè)淘汰[5-7]。隨著國內(nèi)熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)的提升，用于鋁合金固溶的強(qiáng)制空氣循環(huán)電爐，已達(dá)到良好的爐溫均勻性和快速加熱能力，能夠滿足鋁合金固溶工藝的需求，可以替代硝鹽槽進(jìn)行鋁合金固溶處理，從根本上解決硝鹽槽存在不環(huán)保和超溫爆炸的問題。目前使用強(qiáng)制循環(huán)空氣電爐進(jìn)行鋁合金固溶處理，已開始在我國航空、航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。

強(qiáng)制循環(huán)空氣電爐采用空氣介質(zhì)加熱，加熱速度慢，保溫時(shí)間長。本試驗(yàn)通過力學(xué)性能測定和金相顯微組織觀察，對2219鋁合金空氣介質(zhì)加熱固溶處理工藝進(jìn)行研究，探討不同固溶處理保溫時(shí)間對2219鋁合金不同厚度板材力學(xué)性能的影響,從而獲取具有綜合力學(xué)性能較合理的熱處理工藝，以指導(dǎo)科研生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

工藝試驗(yàn)所用材料是東北輕合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的板材厚度(δ)分別為2，3，4，6，7，8 mm的2219 O態(tài)板坯，其化學(xué)成分見表1。GJB 1134—91《LY19鋁合金板材規(guī)范》中，2219鋁合金板材的化學(xué)成分見表2。由表1可知：工藝試驗(yàn)所用材料的實(shí)測化學(xué)成分合金元素含量均符合表2中所列化學(xué)成分合金元素含量。

表1 試驗(yàn)材料2219合金的化學(xué)成分

表2 GJB 1134—91中2219合金板材的化學(xué)成分

工藝試樣按GB/T 16865《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣》要求在垂直于板材軋制的方向截取。首先，加工制成2 mm×190 mm×35 mm，3 mm×210 mm×35 mm，4 mm×220 mm×35 mm，6 mm×310 mm×50 mm，7 mm×325 mm×50 mm，8 mm×345 mm×5 mm的試樣，每組9塊，共54塊。然后，在電加熱高架式鋁合金淬火爐中對不同厚度的板材進(jìn)行6組固溶處理，每組固溶制度下進(jìn)行3組不同保溫時(shí)間的固溶處理，見表3。隨后，在電熱鼓風(fēng)干燥箱中，進(jìn)行人工時(shí)效處理，其工藝制度前期已通過工藝試驗(yàn)研究后制定為：加熱至(165±5)℃，保溫960 min后出爐空冷。

表3 2219鋁合金固溶處理工藝

試樣經(jīng)熱處理后按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865要求，用線切割加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖1所示，圖中：a為板材厚度，b為試樣寬度，B為夾持端寬度，R為過渡圓弧半徑，h1為過渡段長度，h為夾持端長度，Lo為標(biāo)距長度，Lc為平行段長度，Lt為試樣總長度。工藝試驗(yàn)力學(xué)性能在10 t萬能材料試驗(yàn)機(jī)上按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，金相在德國徠卡(LEICADMR)金相顯微鏡上按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3246.1《變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。具體尺寸見表4。

圖1 拉伸試驗(yàn)加工圖Fig.1 Drawing of the tensile samples

表4 拉伸試樣加工尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果

6組厚度的板材按18組固溶制度進(jìn)行處理，其力學(xué)性能的測試結(jié)果見表5。表中：Rm為抗拉強(qiáng)度；Rp0.2為屈服強(qiáng)度；A11.3為延伸率。

表5 2219 O態(tài)板材18組固溶制度工藝試驗(yàn)的力學(xué)性能

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：不同厚度的2219板材按18組固溶制度、人工時(shí)效處理后，其力學(xué)性能均能滿足產(chǎn)品制造、驗(yàn)收技術(shù)條件規(guī)定的Rm≥405 MPa，Rp0.2≥286 MPa，A11.3≥10%的技術(shù)指標(biāo)。固溶處理保溫時(shí)間對不同厚度的2219板材力學(xué)性能的影響如圖2所示。由圖可以看出，固溶處理工藝不同，合金板材的力學(xué)性能有較大差異。

圖2 固溶處理保溫時(shí)間對不同厚度的2219鋁合金板材力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of solution treatment holding time on mechanical properties of 2219 aluminum alloy sheets with different thicknesses

根據(jù)不同固溶制度處理后試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率的變化規(guī)律，確定2219鋁合金板材固溶處理工藝應(yīng)保證能獲取綜合力學(xué)性能。因此，由本試驗(yàn)可確定出不同厚度2219板材熱處理工藝規(guī)范，見表6。由表可見，力學(xué)性能Rm≥415 MPa，Rp0.2≥297 MPa，A11.3≥11%，滿足2219合金板材的技術(shù)要求。

3 結(jié)果分析

鋁合金固溶處理是一種旨在使合金發(fā)生沉淀硬化的先行工序，是將銅、錳、鎂、鋅、硅等合金元素溶入鋁固溶體的工藝過程。固溶完成后，急速冷卻合金(淬火)，使溶進(jìn)固溶體中的合金元素來不及沉淀析出，從而獲得過飽和固溶體。淬火所得的過飽和固溶體在室溫或加熱條件下將發(fā)生分解。時(shí)效過程是過飽和固溶體的沉淀過程。該過程使可溶相重新從固溶體中呈彌散的質(zhì)點(diǎn)析出，使合金獲得強(qiáng)化，從而提高材料的力學(xué)性能。

3.1 固溶制度對合金板材力學(xué)性能的影響

以鋁-銅合金為例，其狀態(tài)如圖3所示[8]。當(dāng)溫度為548 ℃時(shí)，銅在鋁中的溶解度達(dá)到5.65%；當(dāng)溫度降至室溫時(shí)，銅在鋁中的溶解度減少至不足0.1%。銅在鋁中的溶解度隨溫度的降低而明顯減少，這是合金淬火后獲得過飽和固溶體的先決條件。因此，可通過隨后的沉淀來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。

固溶處理溫度由曲線ac決定。對于含銅量小于5.65%的合金，固溶處理溫度應(yīng)高于有限溶解度曲線bd；對于含銅量大于5.65%的合金，固溶處理溫度應(yīng)低于共晶溫度。每種合金的固溶處理溫度通常需通過試驗(yàn)確定。其上限溫度以不發(fā)生過燒為前提，且取決于合金本質(zhì)和強(qiáng)化相溶解速度。下限溫度應(yīng)使盡可能多的強(qiáng)化相溶入固溶體，以保證滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能要求。固溶處理保溫時(shí)間主要取決于強(qiáng)化相的溶解速度，即與合金本性、組織形態(tài)和加熱條件有關(guān)。空氣介質(zhì)加熱速度比硝鹽介質(zhì)加熱速度慢，空氣介質(zhì)加熱保溫時(shí)間比硝鹽介質(zhì)加熱保溫時(shí)間長。保溫時(shí)間還取決于制件的厚度和形狀。退火狀態(tài)的制件比未經(jīng)退火制件的固溶處理保溫時(shí)間要長。包鋁薄板所需的保溫時(shí)間較短，以免基體的合金元素?cái)U(kuò)散到包鋁層表面，削弱包鋁層的防護(hù)作用。經(jīng)鋁合金固溶處理后，合金能否得到強(qiáng)化，主要取決于固溶處理時(shí)，合金中溶入到α固溶體中的強(qiáng)化相的性質(zhì)和數(shù)量[8]。

厚度為2、3、4、6 mm的2219鋁合金板材在(535±5)℃固溶，分別保溫40、50、60、70 min時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，延伸率略有下降。厚度為7 mm的2219鋁合金板材在(535±5)℃固溶，保溫70 min時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率達(dá)到峰值。厚度為8 mm的2219鋁合金板材在(535±5)℃固溶，保溫80 min時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，延伸率略有下降。

因此，對2219鋁合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高淬火溫度，確保保溫時(shí)間充足，以使強(qiáng)化相最大限度地固溶于基體之中。經(jīng)淬火急冷，高溫下的合金組織在室溫下固定下來，以過飽和的形式保留在α固溶體中。在時(shí)效過程中，析出與基體呈共格高密度的穩(wěn)定相質(zhì)點(diǎn)，控制晶界析出物尺寸大小和無沉淀帶的寬度，以使合金具有良好的綜合力學(xué)性能[9]。

3.2 2219鋁合金固溶時(shí)效后的顯微組織

2219鋁合金是時(shí)效強(qiáng)化型合金，主要靠時(shí)效過程中從過飽和固溶體中析出沉淀相來得到強(qiáng)化，基體沉淀相是決定合金性能的主要因素。厚度為6 mm的2219鋁合金板材在(535±5)℃/70 min固溶，(165±5)℃/960 min時(shí)效時(shí)，析出大量的亞穩(wěn)定相質(zhì)點(diǎn)，并與基體部分共格，合金強(qiáng)度較高，塑性也較好，金相照片如圖4所示。由圖可知：試樣經(jīng)固溶和人工時(shí)效處理后發(fā)生了明顯的回復(fù)與再結(jié)晶，再結(jié)晶后，基體晶粒的晶界清晰，晶界處和晶粒內(nèi)部都有大量的析出相。晶內(nèi)分布有穩(wěn)定沉淀相θ(CuAl2)和T(Al2Mn2Cu)，以及其他亞穩(wěn)定雜質(zhì)相Al3Ti，AlSiMnFe和Al10Mn2Si。析出相大小、分布均勻，呈細(xì)小彌散狀分布，對合金有較好的強(qiáng)化效果[10]。

圖4 試樣經(jīng)(535±5)℃/70 min固溶處理，(165± 5)℃/960 min人工時(shí)效后的顯微組織圖Fig.4 Microstructure of sample with solid solution of (535±5)℃/70 min and artificial aging of (165±5)℃/960 min

4 結(jié)束語

通過力學(xué)性能測定和金相顯微組織觀察，研究了變形鋁合金空氣介質(zhì)加熱固溶處理工藝對2219鋁合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：厚度為2、3、4、6、7、8 mm的該合金板材較為理想的熱處理制度分別為(535±5)℃/40 min，(535±5)℃/50 min，(535±5)℃/60 min，(535±5)℃/70 min，(535±5)℃/80 min固溶處理后水淬，(165±5)℃/960 min人工時(shí)效后空冷。熱處理后試樣Rm≥415 MPa，Rp0.2≥297 MPa，A11.3≥11%，均能達(dá)到產(chǎn)品的制造、驗(yàn)收技術(shù)要求。目前，2219鋁合金空氣介質(zhì)加熱固溶處理工藝技術(shù)已在運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)件中得到成功應(yīng)用。硝鹽槽逐步被淘汰是必然趨勢，采用空氣介質(zhì)加熱進(jìn)行鋁合金固溶熱處理是可行的替代方式。后續(xù)將繼續(xù)開展各種變形鋁合金空氣介質(zhì)加熱固溶處理工藝研究，不斷推進(jìn)該工藝技術(shù)在航空、航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。