Fe含量對(duì)2219鋁合金鍛件焊接組織與性能的影響

馬云龍 高藝航 陳送義 陳康華 邢 軍

（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，長(zhǎng)沙 410083）

文 摘 為研究雜質(zhì)Fe元素對(duì)2219鋁合金及其焊接接頭的組織、性能以及電化學(xué)腐蝕性能等的影響，采用力學(xué)拉伸、焊接試驗(yàn)以及金相和掃描電鏡等分析測(cè)試方法，對(duì)0.15%（w）至0.01%（w）等不同F(xiàn)e元素含量的2219鋁合金鍛件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析。研究表明：2219鋁合金中經(jīng)熱變形加工存在網(wǎng)絡(luò)狀A(yù)l2Cu變成顆粒狀和纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）相，隨著Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w），合金固溶時(shí)效后的Al7Cu2（Fe，Mn）相顯著減少，鍛件強(qiáng)度和塑性顯著提高；合金焊接接頭斷口由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩尺寸細(xì)小的韌性斷裂，尤其對(duì)于延伸率，提高至近1.4 倍，強(qiáng)度和塑性顯著提高；合金的自腐蝕電流逐漸減小，單位面積上的線性極化電阻增大，合金焊接接頭的耐腐蝕性能顯著提高。

0 引言

2219鋁合金具有高的比強(qiáng)度、良好的焊接性及低溫力學(xué)性能，是我國(guó)新一代運(yùn)載火箭貯箱的主體材料［1-2］。目前，廣大研究人員主要集中通過(guò)改進(jìn)鑄造工藝、熱處理工藝和改變焊接方法及其工藝參數(shù)的方式滿足2219鋁合金大型構(gòu)件整體化和高性能的需求。優(yōu)化鑄造工藝能夠降低大規(guī)格鑄錠晶粒徑［3-4］；調(diào)控時(shí)效參數(shù)能夠改善合金的力學(xué)性能10%～20%［5］；隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，疲勞性能和斷裂韌性降低［6-7］；采用T8態(tài)比T6態(tài)力學(xué)性能提高10%～20%，但是塑性顯著降低［8-9］；通過(guò)電磁攪拌、脈沖電流結(jié)合電弧震蕩、高頻脈沖以及超高頻脈沖等工藝方法和添加Ti、Zr等合金元素的冶金方法以及焊后熱處理和碾壓來(lái)提高焊接接頭的力學(xué)性能［10-16］。但是，對(duì)于超大規(guī)格的2219鋁合金構(gòu)件，由于合金成分控制范圍寬，元素之間相互作用強(qiáng)，揭示2219鋁合金在凝固、變形和熱處理組織演變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能的影響，特別是合金成分對(duì)2219鋁合金的焊接性能的影響，是提高2219鋁合金構(gòu)件性能的關(guān)鍵問(wèn)題。Fe元素是鋁合金主要雜質(zhì)元素，研究發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)Fe將顯著降低鋁合金的塑性和耐腐蝕性能［17-18］。但是目前Fe元素對(duì)2219鋁合金組織性能的影響尚未開(kāi)展研究。本文主要研究雜質(zhì)元素Fe含量對(duì)2219鋁合金的組織和性能的影響，尤其是對(duì)焊接性能的影響，擬為2219鋁合金在重大工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用半連續(xù)鑄造方法制備了不同F(xiàn)e 含量2219鋁合金鑄錠，其合金成分如表1所示。鑄錠經(jīng)均勻化熱處理后，在均勻化后鑄錠心部切取材料采用自由鍛造方法制備自由鍛件。鍛件固溶和時(shí)效工藝為：535 ℃/4 h 淬火+3%冷壓變形+165 ℃/24 h。熱處理完成后將鍛件切割和銑面成6 mm 厚的板材。焊接試驗(yàn)在YC-500WX4HNE 進(jìn)行非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊（TIG）焊接，具體工藝依據(jù)文獻(xiàn)［19］進(jìn)行。

采用工作標(biāo)距長(zhǎng)25 mm、厚度為2 mm的板材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在Instron3369型電子拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率2 mm/min。采用Leica金相顯微鏡觀察顯微組織。采用NavonaoSEM230掃描電鏡觀察未溶相大小、形貌、分布以及拉伸斷口形貌。采用CHI660C電化學(xué)工作站測(cè)量電化學(xué)阻抗譜，采取三電極體系，試樣為工作電極，鉑電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極。腐蝕溶液為3.5%NaCl水溶液，測(cè)試溫度為（25±3）℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 2219鋁合金固溶時(shí)效的組織和力學(xué)性能

Fe 含量對(duì)2219 鋁合金變形固溶時(shí)效后顯微組織的影響如圖1 所示?？梢钥闯觯?.15%（w）Fe 的合金，主要存在大量尺寸為20～50 μm 的黑色短纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）結(jié)晶相和少量的灰色Al2Cu 相。隨著Fe 含量降低，黑色短纖維狀相數(shù)量減少。含0.01%（w）Fe 的合金，基本沒(méi)有黑色短纖維狀A(yù)l7Cu2（Fe，Mn）結(jié)晶相。分析表明，降低Fe 含量，能夠顯著減少黑色短纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）結(jié)晶相。這是由于在鑄造凝固過(guò)程中形成的粗大黑色纖維狀A(yù)l7Cu2（Fe，Mn）相經(jīng)鍛造變形碎化，但是由于該相是高熔點(diǎn)相，在正常的固溶溫度條件下（535 ℃左右）難以溶解，固溶熱處理后作為殘余結(jié)晶相存在。

圖1 Fe含量對(duì)2219鋁合金固溶時(shí)效態(tài)組織的影響Fig.1 Effects of Fe content on microstructure of 2219 Al alloy under solution and aging heat treatment

Fe含量對(duì)材料性能影響見(jiàn)表2，隨著Fe含量降低，合金延伸率提高，強(qiáng)度也稍微提高，其主要原因是Fe含量越低，固溶處理后殘余結(jié)晶相數(shù)量顯著越少，容易引起應(yīng)力集中和誘發(fā)裂紋的萌生傾向性降低。

表2 Fe含量對(duì)2219鋁合金力學(xué)性能的影響Tab.2 Effects of Fe content on tensile property of 2219 aluminum alloy

2.2 2219鋁合金焊接接頭的組織和力學(xué)性能

圖2是不同F(xiàn)e含量的2219鋁合金鍛件焊后熔合線區(qū)域的顯微組織?？梢钥闯?，0.15%（w）Fe的合金，在熔合線區(qū)域晶界形成含有黑色纖維狀的相［圖2（a）］，隨著Fe含量降低，熔合線區(qū)基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)纖維狀相。研究表明，降低Fe含量能夠顯著減少焊接熔合線區(qū)的纖維狀相。

表1 不同F(xiàn)e含量的2219鋁合金Tab.1 2219 aluminum alloy with different Fe content%（w）

圖2 Fe含量對(duì)2219鋁合金焊接熱影響區(qū)顯微組織的影響Fig.2 Microstructure of 2219 Al alloy welding with different Fe content

表3為Fe含量對(duì)2219鋁合金焊接后的力學(xué)性能的影響。由表可知，F(xiàn)e含量為0.15%（w）時(shí)，接頭的強(qiáng)度及延伸率均為最低，其中抗拉強(qiáng)度238 MPa，屈服強(qiáng)度110 MPa，延伸率為3.6%；當(dāng)Fe含量降低至0.10%（w）時(shí)，接頭的強(qiáng)度及延伸率處于中等水平，其中抗拉強(qiáng)度249 MPa，屈服強(qiáng)度117 MPa，延伸率為6.1%；進(jìn)一步降低Fe含量至0.01%（w）時(shí)，接頭強(qiáng)度及延伸率均為最高，其中抗拉強(qiáng)度288 MPa，屈服強(qiáng)度121 MPa，延伸率為8.5%。由此可見(jiàn)，隨著Fe含量降低，合金接頭的強(qiáng)度及延伸率顯著提高，尤其是延伸率，當(dāng)Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w），合金接頭的延伸率提高了近1.4倍。

表3 不同F(xiàn)e含量2219鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of 2219 Al alloy welding joint with different Fe content

圖3為不同F(xiàn)e含量的2219鋁合金接頭拉伸試樣斷口形貌。由斷口形貌可以看出，不同F(xiàn)e含量接頭斷口形貌存在較大的差異。當(dāng)Fe含量為0.15%（w）時(shí)，如圖3（a）所示，可以清晰地觀察到試樣斷口呈冰糖塊狀花樣，為典型的脆性斷裂斷口；當(dāng)Fe含量為0.10%（w）時(shí)，如圖3（b）所示，試樣斷口中可以觀察到一定數(shù)量的韌窩，但韌窩尺寸較為粗大，且有第二相粒子夾雜，經(jīng)能譜分析得出，斷口中的第二相粒子為Al7Cu2Fe相；當(dāng)Fe含量為0.01%（w）時(shí)，如圖3（c）所示，試樣斷口中存在大量細(xì)小的韌窩，為典型的韌性斷口，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度及塑性。由此可知，合金的Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w）時(shí)，合金接頭斷口中韌窩數(shù)量逐漸增多，且韌窩尺寸逐漸變細(xì)小，斷口由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩尺寸細(xì)小的韌性斷裂。

圖3 Fe含量對(duì)2219鋁合金焊接接頭拉伸斷口形貌的影響Fig.3 Tensile fracture morphologies of 2219 Al alloy welding joint with different Fe content

2.3 2219鋁合金焊接接頭接頭的電化學(xué)腐蝕性能

圖4是不同F(xiàn)e含量的2219鋁合金接頭熱影響區(qū)試樣的電化學(xué)阻抗譜。Nyquist圖中的中高頻容抗弧是由鋁電極表面覆蓋的氧化膜產(chǎn)生，圖譜中的阻抗弧半徑越大，鈍化膜就越強(qiáng)，合金的耐腐蝕性能就越好［17］。由圖4（a）可以看出，合金接頭阻抗弧半徑隨著Fe含量的降低而逐漸增大。由圖4（b）、（c）可以看出，三種合金接頭的阻抗模值對(duì)數(shù)和相位角均隨著Fe含量的降低而增大。研究表明Fe含量降低有利于提高合金焊接接頭的耐腐蝕性能。

圖4 不同F(xiàn)e含量2219鋁合金接頭熱影響區(qū)的電化學(xué)阻抗譜Fig.4 EIS curves of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

圖5為不同F(xiàn)e含量2219鋁合金接頭熱影響區(qū)試樣的極化曲線（腐蝕溶液：3.5%NaCl水溶液）。

圖5 不同F(xiàn)e含量2219鋁合金焊接熱影響區(qū)極化曲線Fig.5 Polarization curves of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

通過(guò)極化曲線可獲得一些重要參數(shù)，將其列于表4中。

Fe含量為0.15%（w）時(shí)，接頭熱影響區(qū)的自腐蝕電流為0.3428 mA，極化電阻為1934.2 Ω；Fe 含量為0.10%（w）時(shí)，接頭熱影響區(qū)的自腐蝕電流為8.678μA，極化電阻為2 431.0 Ω；Fe 含量為0.01%（w）時(shí)，接頭熱影響區(qū)的自腐蝕電流為6.052 μA，極化電阻為3 702.9 Ω。由此可知，隨著Fe 含量的降低，合金的自腐蝕電流逐漸減小，單位面積上的線性極化電阻增大，說(shuō)明隨著Fe 含量降低，2219 鋁合金焊接接頭的耐腐蝕性能增強(qiáng)。

表4 不同F(xiàn)e含量2219鋁合金焊接熱影響區(qū)的極化曲線參數(shù)Tab.4 Polarization parameter of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

3 分析與討論

Fe 元素是2219 鋁合金中的主要雜質(zhì)元素。由于Fe 在鋁合金中的溶解度很低，它在合金中一般以Al7Cu2（Fe，Mn）等粗大第二相的形式存在，其形貌和體積無(wú)法通過(guò)均勻化或固溶處理改變。在焊接時(shí)，在焊接過(guò)程中由于溫度較高，導(dǎo)致合金近縫區(qū)熔化、局部區(qū)域晶界及低熔點(diǎn)共晶相發(fā)生液化，凝固后析出粗大Al7Cu2（Fe，Mn）相。Al7Cu2（Fe，Mn）相屬于硬脆相，與鋁基體界面結(jié)合能力差，易在基體中引起應(yīng)力集中，促使裂紋在該相周圍萌生，在拉應(yīng)力作用下很容易開(kāi)裂，對(duì)材料造成連續(xù)性破壞，顯著降低塑性。此外，從拉伸斷口形貌可以看出，隨著Fe含量的降低，韌窩數(shù)量逐漸增多，尺寸細(xì)小，且斷口中夾雜的粗大第二相粒子減少。因此，隨著Fe含量的降低，2219 鋁合金焊接接頭殘余的Al7Cu2（Fe，Mn）相數(shù)量減少，從而提高了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率。

對(duì)于2219 鋁合金的腐蝕行為，不同相的作用機(jī)理不盡相同。從電化學(xué)角度上講，當(dāng)合金的鈍化膜在腐蝕溶液中遭到局部破壞時(shí)，被破壞而裸露的基體金屬和未遭到破壞的鈍化膜之間形成鈍化-活化腐蝕電池，鈍化表面為陰極，裸露的基體金屬為陽(yáng)極且優(yōu)先溶解，形成蝕孔源。在不同F(xiàn)e 含量2219 鋁合金接頭腐蝕試驗(yàn)中，由于熱影響區(qū)及母材區(qū)內(nèi)存在不同數(shù)量的Al7Cu2（Fe，Mn）相，且強(qiáng)化相數(shù)量較多，這些區(qū)域優(yōu)先成為陽(yáng)極，發(fā)生溶解，導(dǎo)致合金接頭發(fā)生了不同程度的剝落腐蝕。同時(shí)，在不同F(xiàn)e 含量2219鋁合金接頭熱影響區(qū)電化學(xué)試驗(yàn)中，Al7Cu2（Fe，Mn）屬于陰極相，合金發(fā)生點(diǎn)蝕的位置主要集中在基體與第二相的界面處。隨著Fe 含量的降低，合金接頭的耐腐蝕性能提高，其原因是減少了合金接頭的Al7Cu2（Fe，Mn）相，從而降低了接頭的腐蝕傾向。

因此，針對(duì)現(xiàn)有GB/T 3190—2008中規(guī)定了2219鋁合金中Fe的上限為0.30%（w）情況下，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該盡量降低Fe 含量，以提高鍛件的強(qiáng)度、塑性和耐蝕性能。

4 結(jié)論

（1）降低Fe 含量，合金的纖維狀相數(shù)量Al7Cu2（Fe，Mn）相顯著減少，提高鍛件強(qiáng)度和塑性。

（2）當(dāng)Fe 含量由0.15%（w）降至0.01%（w）時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度由238 MPa 增大至288 MPa；延伸率由3.6%增大至8.5%，提高了近1.4倍。主要原因Fe 含量減少顯著減少了焊后Al7Cu2（Fe，Mn）殘余結(jié)晶數(shù)量。

（3）隨著合金中Fe含量的降低，合金焊接接頭的耐腐蝕性能得到提高。