淬火水溫對2219鋁合金鍛環(huán)組織和力學性能的影響

馬云龍，陳送義，王習鋒，陳康華

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中南大學 輕合金研究院，湖南 長沙 410083；3.中南大學有色金屬先進結構材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙 410083）

2219 鋁合金具有高的比強度及優(yōu)良的焊接性能，廣泛應用于航空航天領域[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)因受力條件復雜，力學性能的穩(wěn)定性和均勻性是制約火箭可靠運行的關鍵因素之一[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)組織和性能關系的研究，以提高2219 鋁合金鍛環(huán)力學性能及其均勻性成為當務之急.

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性能[8].Zhang 等[9]研究了淬火冷卻速率對2A14 鋁合金殘余應力及拉伸性能的影響，當淬火水溫為70 ℃時，合金擁有較低的淬火殘余應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)應力較低，擁有較好的力學性能.肖代紅等[11]研究了淬火工藝對AA7150 鍛造鋁合金力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用預先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，導致合金力學性能降低.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性能的影響，而對2219 鋁合金鍛件的組織及力學性能研究較少.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.

本文重點研究淬火水溫對2219 鋁合金鍛環(huán)組織和力學性能的影響，為提高大規(guī)格2219 鋁合金鍛環(huán)力學性能及其均勻性提供指導.

1 實驗材料及方法

實驗原材料為2219 鋁合金環(huán)軋成形環(huán)件，其化學成分見表1.大規(guī)格鑄錠經(jīng)450 ℃多向鍛造，通過馬架擴孔，并采用立式環(huán)軋機在400～450 ℃進行環(huán)軋成形.在熱軋鍛環(huán)件上環(huán)軋試樣，其尺寸為200 mm（切向）×100 mm（軸向）×100 mm（徑向）.隨后將試樣進行固溶熱處理（固溶熱處理工藝為541 ℃，2 h），并分別進行20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃淬火處理，其中淬火轉(zhuǎn)移時間≤10 s.隨后對淬火試樣進行軸向3%冷壓變形和155 ℃/30 h 時效熱處理.對淬火和時效處理后試樣的軸向（Axial Direction，AD）、徑向（Radial Direction，RD）和切向（Tangential Direction，TD）分別取樣，并進行顯微組織觀察和力學性能測試.2219 鋁合金鍛環(huán)試樣取樣示意圖如圖1 所示.

表1 2219 鋁合金試樣化學成分Tab.1 The chemical composition of the 2219 Al alloy samples %

圖1 2219 鋁合金鍛環(huán)試樣取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2219 Al alloy forging ring sampling

采用德國萊卡DM4000M 智能型顯微鏡觀察合金的金相組織，采用Nova NanoSEM230 型場發(fā)射掃描電鏡、JEM-2100F 型透射電鏡觀察合金第二相及晶界等微觀組織.

室溫拉伸測試試樣尺寸參照GB/T 228—2002制備[13]，在Instron3369 力學試驗機上進行，拉伸速率設定為2 mm/min，每一個狀態(tài)的樣品均取3 個試樣，測試取3 者的平均值作為在該狀態(tài)下的拉伸力學性能.此外，為了有效評價2219 鋁合金鍛環(huán)三向力學性能的均勻性，引入各向異性指數(shù)[14]進行分析，其值越小，說明鍛件三向力學性能均勻性程度越高，具體計算方式為：

式中：IA 表示鍛環(huán)強度或延伸率的各向異性指數(shù)；Xmax表示鍛環(huán)3 個方向中強度或延伸率的最大值；Xmid表示鍛環(huán)3 個方向中強度或延伸率的中間值；Xmin表示鍛環(huán)3 個方向中強度或延伸率的最小值.

2 實驗結果

2.1 顯微組織

圖2 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣經(jīng)高溫固溶熱處理，并在不同水溫下淬火得到的低倍金相組織照片.3 個方向垂直的平面上的基體晶粒形貌及尺寸相差較大，沿軸向、徑向壓縮，沿切向延伸.其中在垂直于軸向、徑向的平面上觀察到的晶粒呈長條纖維狀，晶粒長寬比為5～8；而垂直于切向的平面上觀察到的晶粒尺寸較小，尺寸為100～300 μm，晶粒長寬比為2～3.此外，對比經(jīng)過4 種不同水溫淬火后，鍛環(huán)垂直于軸向、徑向、切向平面的基體晶粒形貌相似，并且尺寸相差較小，說明淬火過程中的冷卻速率對合金基體晶粒的影響并不顯著.

圖2 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫的光學圖片F(xiàn)ig.2 Optical metallographic of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

圖3 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣經(jīng)高溫固溶熱處理并在不同水溫下淬火后的高倍金相組織照片.由圖3 可知，當淬火水溫為20 ℃時，合金在晶界處存在的第二相粒子非常細小.淬火溫度提高，在金相顯微鏡條件下，對晶內(nèi)和晶界析出相的作用較小，特別需要指出的是當淬火水溫為80 ℃情況下，晶界含有鏈狀分布的微米結晶相，其原因有可能是未固溶完全的殘余結晶相，也有可能是緩慢冷卻析出的淬火析出相.

圖3 2219 鋁合金鍛環(huán)在不同淬火水溫的淬火態(tài)晶界形貌Fig.3 Grain boundary precipitates morphology of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

圖4 是對80 ℃水溫淬火后的淬火態(tài)合金晶界上的相進行的EDS 能譜分析.由圖4 可知，該合金相的元素成分為Al、Cu，其原子數(shù)量比接近2 ∶1，因此推測微米級的相是Al2Cu 相.

圖4 2219 鋁合金鍛環(huán)在80 ℃水溫淬火后的SEM 及EDSFig.4 The SEM and EDS of 2219 aluminum alloy forging ring under quenching water temperature at 80 ℃

圖5 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣分別在40 ℃和80℃水溫下淬火后得到的晶界析出相形貌.由圖5 可知，當淬火水溫為40 ℃時，合金的晶界非常清晰，晶界上幾乎看不到淬火析出相，晶界無沉淀析出帶較窄.當淬火水溫為80 ℃時，合金的晶界比較模糊且呈不連續(xù)分布，晶界無沉淀析出帶較寬，晶界析出相尺寸較粗大且沿晶界密集排布.但是在兩種淬火水溫情況下，透射電鏡難以觀察到淬火晶內(nèi)析出相.表明在80 ℃條件下，晶界析出粗大的淬火析出相，而對晶內(nèi)析出相的作用較小.

圖5 2219 鋁合金鍛環(huán)在不同水溫淬火后的TEMFig.5 TEM of 2219 aluminum alloy forging ring quenched under different quench water temperature

2.2 拉伸性能

圖6 是2219 鋁合金過渡環(huán)淬火態(tài)的拉伸性能及各向異性指數(shù)隨淬火水溫的變化曲線.由圖6（a）和圖6（b）可知，淬火水溫對過渡環(huán)淬火態(tài)的軸向、徑向及切向的抗拉強度、屈服強度影響較小.由圖6（c）可知，隨著淬火水溫的升高，過渡環(huán)3 個方向的延伸率均是先上升后下降，在淬火溫度為40 ℃時，過渡環(huán)3 個方向的延伸率均達到最大值.由圖6（d）可知，淬火態(tài)合金抗拉強度、屈服強度以及延伸率的各向異性指數(shù)均隨著淬火水溫的升高而先上升后下降，當淬火溫度達到60 ℃時，3 者的各向異性指數(shù)均達到最大值.此外，對于淬火態(tài)的合金，其拉伸性能各向異性對淬火溫度并不敏感，在不同的淬火水溫下均保持較低的水平.

圖7 是2219 鋁合金鍛環(huán)試樣高溫固溶熱處理，并在4 種不同淬火水溫，以及經(jīng)3%軸向冷變形以及155 ℃/30 h 時效熱處理后的軸向、徑向、切向的拉伸性能及力學性能各向異性指數(shù).由圖7（a）可知，隨著淬火水溫的升高，合金的抗拉強度先升高后降低，鍛環(huán)軸向、徑向、切向延伸率均先升高后降低.當淬火水溫為40 ℃時，軸向、徑向、切向的抗拉強度均達到最大值，分別為418 MPa、420 MPa、447 MPa.由圖7（b）可知，2219 鋁合金鍛環(huán)三向屈服強度的變化規(guī)律與抗拉強度相同，鍛環(huán)軸向、徑向、切向的屈服強度均達到最大值，分別為300 MPa、300 MPa、329 MPa，同時其軸向、徑向、切向延伸率均達到最大值，分別為9.3%、9.8%、12.5%.但是，當淬火水溫高于60℃時，合金軸向、徑向延伸率下降非常明顯.對比時效態(tài)2219 鋁合金鍛環(huán)的抗拉強度、屈服強度和延伸率的各向異性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，抗拉強度和屈服強度隨著淬火水溫的升高變化不明顯，均保持在比較低的水平，而延伸率各向異性指數(shù)對淬火水溫比較敏感，隨著淬火溫度的升高，延伸率各向異性指數(shù)急劇上升（圖7（d））.當淬火溫度達到80 ℃時，各向異性指數(shù)達到48.2%.研究表明，對于2219 鋁合金來說，較高的淬火水溫對強度及其均勻性影響較小，而顯著降低鍛環(huán)軸向、徑向和切向延伸率，并顯著提升延伸率不均勻性.反之，較低的淬火水溫將獲得高延伸率及低的各向異性指數(shù).

圖6 2219 鋁合金鍛環(huán)淬火態(tài)拉伸性能及各向異性指數(shù)Fig.6 Tensile properties and anisotropic index of 2219 aluminum alloy forging ring in quench state

圖7 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫并時效熱處理后拉伸性能及各向異性指數(shù)Fig.7 Tensile properties and anisotropy index of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperatureand and aging heat treatment

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，導致最終鍛環(huán)試樣力學性能存在明顯的各向異性.

圖8 2219 鋁合金鍛環(huán)不同淬火水溫并時效熱處理后的拉伸斷口形貌Fig.8 The tensile fracture morphology of 2219 aluminium alloy forging ring after quench water temperature and aging heat treatment

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性能和低的淬火應力是工業(yè)應用的關鍵.當淬火水溫為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致鍛環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生較大的淬火應力，可能誘發(fā)淬火缺陷.當淬火溫度為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，從而得到更多細小彌散分布的時效強化相[16-17]，同時降低了淬火應力，減小了淬火裂紋所帶來的風險.因此，與淬火水溫為20 ℃相比，當淬火水溫為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.前述結果表明，當淬火水溫為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)件淬火殘余應力的影響，選取能同時兼?zhèn)鋸姸?、延伸率以及低淬火殘余應力的參?shù)范圍.

4 結論

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%.