淬火水溫對2219鋁合金鍛環(huán)組織和力學(xué)性能的影響

馬云龍 陳送義 王習(xí)鋒 陳康華

摘? ?要：采用室溫拉伸測試、金相顯微鏡、掃描電鏡以及透射電鏡等測試分析方法，研究淬火水溫（20～80 ℃）對2219鋁合金鍛環(huán)組織和拉伸性能的影響. 研究結(jié)果表明：隨著淬火水溫提高，鍛環(huán)的抗拉強度、屈服強度和延伸率先升高后降低. 當(dāng)淬火水溫超過60 ℃時，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晶界析出相. 當(dāng)淬火水溫為40 ℃時，鍛環(huán)具有較好的強度和延伸率，其軸向抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為418 MPa、300 MPa和9.3%，徑向抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為420 MPa、300 MPa和9.8%，切向抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為447 MPa、329 MPa和12.6%.

關(guān)鍵詞：鋁合金;淬火水溫;環(huán)鍛件;顯微組織;機械性能

中圖分類號：TG146.2+1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ?文章編號：1674—2974（2020）08—0118—06

Abstract：The effects of quenching water temperature（20 ～ 80 ℃） on the microstructure and mechanical property of 2219 Al alloy forging ring were studied by room temperature tensile test， optical microscope（OM），scanning electron microscopy（SEM） and transmission electron microscopy（TEM）. The results showed that the tensile strength and yield strength first increased and then decreased with the increase of quenching temperature. The elongation anisotropy index of 2219 Al alloy ring forging was significantly increased when the quenching water temperature exceeds 60 ℃ due to the formation of coarse grain boundary precipitates. The high strength and elongation of 2219 Al alloy ring forging was obtained under the quenching water temperature at 40 ℃. The axial tensile strength， yield strength and elongation? were 418 MPa，300 MPa and 9.3%， respectively. The radial tensile strength，yield strength and elongation were 420 MPa，300 MPa and 9.8%， respectively. The tangential tensile strength，yield strength and elongation were 447 MPa，329 MPa and 12.6%，respectively.

Key words：aluminum alloy;quenching water temperature;ring forging; microstructure;mechanical properties

2219鋁合金具有高的比強度及優(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行的關(guān)鍵因素之一[3-4]. 近年來，針對空間探索邁向深空需要研制新型大規(guī)格運載火箭的重大需求，設(shè)計人員提出研制直徑達10 m級的高綜合性能2219鋁合金鍛環(huán)[5-7]. 然而，對超大規(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，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]研究了淬火水溫對鑄造鋁合金力學(xué)性能的影響，淬火水溫為60 ℃時，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 ℃ 水淬火后再進行15 ℃ 水淬時，T6時效態(tài)合金的抗拉強度明顯提高，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)有文獻發(fā)現(xiàn)，針對鋁合金淬火冷卻條件方面的工作主要集中在對合金單向力學(xué)性能的影響，而對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，淬火條件對性能的影響將會更加顯著，需要深入細(xì)致地研究淬火條件對2219鋁合金環(huán)鍛件組織和性能的影響.

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3% 軸向冷壓縮變形及155 ℃/30 h 時效熱處理后的拉伸斷口形貌. 由圖8可知，經(jīng)過時效處理后鍛環(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，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，說明此時合金的塑性較好. 由圖8（b）、圖8（d）、8（f） 可知，當(dāng)淬火水溫為80 ℃ 時，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)，說明此時合金的塑性較差. 此外對比合金軸向、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，這是因為2219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.

3? ?分析與討論

Al-Cu合金進行淬火熱處理的主要目的是獲得過飽和固溶體，以便在后續(xù)的時效過程中獲得更多細(xì)小彌散的時效析出相[15]. 淬火水溫主要影響2219鋁合金鍛環(huán)在淬火過程中的第二相析出行為，并最終影響合金的強度和塑性. 從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著淬火水溫升高，鍛環(huán)的抗拉強度、屈服強度和延伸率先升高后降低. 當(dāng)淬火水溫超過60 ℃時，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，材料獲得的過飽和度越高，合金的強度和塑性將最好. 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，由于冷卻速率很快，Al基體中保持了過飽和度，使淬火過程中的析出降到最低，有助于在后續(xù)時效過程中得到數(shù)量更多、尺寸更細(xì)的時效強化相，但是與此同時，可能由于過高的冷卻速率會導(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，較高的冷卻速率保證了Al基體中第二相的過飽和度較高，抑制合金晶界處淬火析出相的析出. 而淬火過程中形成的少量晶內(nèi)淬火析出相能夠在后續(xù)的時效過程中成為形核點、促進析出相形核，從而得到更多細(xì)小彌散分布的時效強化相[16-17]，同時降低了淬火應(yīng)力，減小了淬火裂紋所帶來的風(fēng)險. 因此，與淬火水溫為20 ℃ 相比，當(dāng)淬火水溫為40 ℃ 時，由于同時改善了晶界和晶內(nèi)析出相，2219鋁合金鍛環(huán)的強度和塑性更好. 當(dāng)淬火溫度升高到60 ℃ 以及80 ℃ 時，鍛環(huán)冷卻速率急劇下降，淬火過程中會在晶界析出不連續(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)時效熱處理過程中會吸收周圍的溶質(zhì)原子，進一步發(fā)生粗化. 同時緩慢的淬火速率，會降低合金中Cu原子的溶度和空位溶度，使后續(xù)時效析出的時效強化相數(shù)量減少，降低鍛環(huán)的綜合強度.

因此，對于大尺寸厚截面2219鋁合金鍛環(huán)來說，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)件壁厚對環(huán)件強度和延伸率的影響，也需要了解淬火條件對厚截面鍛件的影響. 前述結(jié)果表明，當(dāng)淬火水溫為40 ℃左右時，能夠有效地抑制淬火析出，使得鍛環(huán)獲得較高的強度和延伸率以及較好的力學(xué)性能均勻性，但是需要進一步研究淬火溫度對大規(guī)格環(huán)件淬火殘余應(yīng)力的影響，選取能同時兼?zhèn)鋸姸取⒀由炻室约暗痛慊饸堄鄳?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)的強度和延伸率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢.

2）當(dāng)淬火水溫超過60 ℃時，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，2219鋁合金鍛環(huán)的三向拉伸性能達到最大值，軸向、徑向、切向的抗拉強度分別為418 MPa、420 MPa、447 MPa;屈服強度分別為300 MPa、300 MPa、329 MPa;延伸率分別為9.3%、9.8%、12.6%.

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