贮箱结构用2A14和2219铝合金的特性研究与分析

鄢东洋，郭彦明，董曼红，吴会强，张 鹭

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

从运载火箭推进剂贮箱的发展历程来看，其结构选材可分为3代：第1代是铝镁合金，以5052、5A06、AMГ6为代表；第2代是铝铜合金，以2A14和2219为代表；第3代是铝锂合金，以2195，1460为代表[1]。

目前中国运载火箭推进剂贮箱的选材正处于第 2代，成熟火箭型号的贮箱材料以2A14铝合金为主，而在研的新型中型运载火箭的贮箱材料以2219铝合金为主[2]。2A14和2219都是高强的可焊型铝合金，在国外液体运载火箭等航天器的推进剂贮箱上均有成熟应用。虽然2A14和2219铝合金均可作为贮箱主体结构材料，但两者在材料特性上存在较明显差异，准确掌握这些特性差异，新研贮箱根据其实际制造和使用情况选择适宜的结构材料具有重要意义。

值得注意的是，为了使中国变形铝及铝合金牌号的表示方法与国际通用方法保持一致，在制定GB/T 16474-1996《变形铝及铝合金标牌号表示方法》时，将中国部分原有铝合金牌号按照国际四位数字体系牌号进行了对照和更新，其中旧牌号L10铝合金对应新牌号2A14铝合金，旧牌号LY19或147铝合金对应新牌号2219铝合金。同时，虽然牌号同为2A14和2219，但国内外的铝合金在成分和性能方面仍稍有差异，本文对这两种铝合金特性的介绍以中国材料为对象。

1 2A14和2219铝合金在国内外贮箱结构上的应用情况

由于2A14和2219铝合金在力学性能、可焊性、加工性等方面的综合性能较好，在贮箱结构上得到了广泛应用。表1列举了美国、法国、日本部分曾经使用或正在使用2A14和2219铝合金制造液体推进剂贮箱的火箭型号[1]。美国早期的一些火箭型号的推进剂贮箱主要选用2A14铝合金，但受制于当时的焊接水平，同时2A14铝合金在熔焊过程中易产生焊接热裂纹，逐渐被2219铝合金所取代。中国对2A14铝合金成功应用于航天领域做出了突出贡献，通过两面3层焊工艺创造性地解决了该合金的熔焊热裂纹敏感问题，使其广泛应用于中国的运载火箭型号推进剂贮箱[3]。虽然2A14铝合金的焊接热裂问题得到了解决，但工序复杂，焊接缺陷现象严重，为提高运载火箭贮箱的生产效率、降低成本、提高产品质量可靠性、增加在国际发射市场的竞争力，新研火箭型号的推进剂贮箱普遍选用2219铝合金。

2 2A14和2219铝合金的化学成分

2A14和2219铝合金都是以铜为主要合金元素的铝合金，两者的化学成分对比见表2。从表2中数据可以看出，两者化学成分类似，主要差异表现在铜、硅、铁、镁等主要掺杂合金元素的质量分数不同。这一差别是导致两种铝合金在焊接特性、力学特性以及热处理强化特性等方面存在差异的根本原因。

表2 2A14和2219铝合金的化学成分1)Tab.2 Chemical Constituents of 2A14 and 2219

3 2A14和2219铝合金的力学性能

航天用2A14和2219铝合金板材的性能指标要求见表3。

表3 航天用2A14和2219铝合金板材的常温力学性能Tab.3 Mechanical Properties of 2A14 and 2219 in Room Temperature

从表3中可以看出，两种铝合金在力学性能方面存在以下特点：

a）O态2219铝合金拉伸强度与O态2A14铝合金相当，但屈服强度明显偏低；

b）T62态2219 铝合金的拉伸强度、屈服强度以及屈强比都显著低于T62态2A14铝合金；

c）T87态2219铝合金力学性能数据和T62态2A14铝合金相当。

成分差异是导致2A14铝合金和2219铝合金力学性能差异的根本原因。2A14铝合金中Mg含量较高，2219铝合金中较低，而Mg是一种分子量较小（原子直径小）的掺杂合金元素，在合金中起固溶强化作用，且该作用受热处理影响不明显。基于此，O态和T62态2A14铝合金的强度均明显高于2219铝合金。2219铝合金中V，Ti和Zr等合金元素的存在能降低溶质元素的扩散系数，减缓其自然时效过程，而 2A14铝合金由于缺乏上述元素，其自然时效作用明显。因此，对于2219铝合金板材，在固溶处理之后有充足的时间进行冷变形强化作用，然后再进行人工时效处理；而对于2A14铝合金板材，在固溶处理之后，板材在自然条件下就开始时效，力学性能迅速升高，难以对其进行冷变形强化处理，所以2A14铝合金板材一般没有T8态。对2A14铝合金，其强化机制是热处理强化（时效强化），即通过固溶作用形成过饱和固溶体，并产生一定数量的位错和空位，材料力学性能有一定程度提高，然后再通过自然时效或人工时效过程使过饱和固溶体析出强化相，材料性能进一步提高，时效过程中通过固溶产生的位错和空位将作为析出强化相的形核质点。对于2219铝合金，其强化机制是形变热处理强化，即通过固溶作用形成过饱和固溶体，并产生一定数量的位错和空位，材料力学性能有一定程度提高，然后通过冷变形作用使材料中位错和空位的密度更高，材料力学性能进一步提高，最后通过人工时效使过饱和固溶体以位错和空位为核心析出强化相，材料力学性能再次提高，由于位错和空位密度高，析出的强化相更弥散。冷变形作用能明显提高铝合金的屈服强度，因此对于T62态和T87态2219铝合金，T87态不仅拉伸强度和屈服强度都提高，屈强比也提高。

4 2A14和2219铝合金的焊接特性

4.1 焊接方法的适应性

2A14和2219铝合金目前在航天领域都得到了广泛应用，其焊接工艺的研究一直都是热点。表4是不同焊接工艺在T62态2A14铝合金板材和T87态2219铝合金板材上施焊的试验结果。

表4 航天用2A14和2219铝合金板材的常温力学性能Tab.4 Mechanical Properties of Weld Joint for 2A14 and 2219 with Different Welding Method

从接头拉伸强度和延伸率两方面进行综合评价，能量密度集中的熔焊方法和不填丝的熔焊方法都不适用于2A14铝合金，主要体现在焊接接头延伸率偏低或裂纹倾向严重，而目前工程上常用的焊接工艺方法均适用于2219铝合金。

4.2 熔焊接头特性

在推进剂贮箱的制造中，用于2A14铝合金熔焊的焊丝为BJ-380（低温贮箱）和BJ-380A（常温贮箱），用于2219铝合金熔焊的焊丝为2325。对贮箱产品生产实践中的T87态2219铝合金和T62态2A14铝合金熔焊接头性能的相关研究结果进行统计和归纳，如表 5所示。

表5 2A14和2219铝合金的熔焊接头特性Tab.5 Characteristics of Fusion Weld Joint of 2A14 and 2219

统计结果显示，2A14铝合金和2219铝合金熔焊接头的综合性能有如下特点：

a）2219铝合金的焊接热裂纹敏感性低于2A14铝合金。

铝合金焊接裂纹通常分为结晶裂纹、液化裂纹和存放裂纹3类[5]。结晶裂纹是熔池金属凝固过程中低熔点共晶最后凝固导致液膜因收缩被拉开而形成的裂纹，形貌如图1所示，敏感性用K1表征。

图1 铝合金熔焊后的结晶裂纹形貌示意Fig.1 Solidification Crack in Fusion Welding Joint of Aluminium Alloy

液化裂纹是熔合线外侧的母材在焊接加热时晶界低熔点共晶物聚集、熔化，但母材晶粒未熔化，冷却时在焊接应力作用下熔化的低熔共晶物液膜被拉开形成的裂纹，其形貌如图2所示，敏感性用K2表征。

图2 铝合金熔焊后的结晶裂纹形貌示意Fig.2 Liquation Crack in Fusion Welding Joint ofAluminium Alloy

存放裂纹是以原有焊接微裂纹为源，在长期存放过程中以应力腐蚀开裂模式或在内部残余应力作用下发生扩展形成的裂纹。中国的航天推进剂贮箱制造质量标准要求焊接接头不允许存在裂纹，但经过多年空贮存放的 2A14铝合金贮箱在返厂检查时通常能在焊缝区发现裂纹，如图3所示。

图3 2A14铝合金贮箱的存放裂纹示意Fig.3 Crack Occurred in the Tank of 2A14 after Storing

分析认为：2A14铝合金焊缝内易产生张开位移较小、超出X光检测灵敏度的微裂纹，这些微裂纹在贮箱存放过程中受其他因素影响逐渐扩展，演变为宏观的存放裂纹。一般将这种微裂纹称为潜藏裂纹，通过观察其位置和形貌，认为潜藏裂纹一般是焊接液化裂纹，而这种裂纹在2A14铝合金补焊接头中极易出现。

从2A14和2219两种铝合金的熔焊试验结果来看，2219铝合金焊接热裂纹敏感性明显低于2A14铝合金，主要体现在：2219铝合金焊接凝固裂纹敏感性较低（K1=1.2%），几乎没有液化裂纹敏感性。目前，贮存时间已接近10年的贮箱结构经检查均未发现有存放裂纹现象，至今未见关于2219铝合金熔焊接头出现存放裂纹的报道。

b）2219铝合金熔焊接头强度低于2A14铝合金，但延伸率更高。

虽然T87态2219铝合金和T62态2A14铝合金母材的力学性能相当，但熔焊接头的力学性能却差异明显。从常温性能测量数据来看，2219铝合金接头的强度比2A14铝合金低，其中拉伸强度相差40 MPa，屈服强度的差距更大，达到近100 MPa，但2219铝合金熔焊接头的延伸率明显高于2A14铝合金，差距在1.5%左右。低温下，两种铝合金熔焊接头的力学性能也存在同样的对比规律。导致熔焊接头性能存在明显差异的根本原因仍然是两种铝合金的成分差异。熔焊过程中，近缝区由于受焊接热循环的影响存在固溶区，形成过饱和固溶体，由于 2A14铝合金对自然时效较敏感，固溶区发生自然时效，过饱和固溶体析出形成强化相，使得拉伸强度和屈服强度均较高，而2219铝合金对自然时效不敏感，固溶区不会发生自然时效，所以保持了固溶状态的性能，即拉伸强度和屈服强度较低。2219铝合金接头的延伸率更高，所以冷弯角也更大。

c）2219和2A14铝合金的气孔敏感性均较高。

铝合金熔焊接头中的气孔大部分是氢气孔，而氢主要来源于焊丝和母材表面吸附的水分、保护气体中的水分以及周围环境中的水分。氢在铝合金液、固状态下的溶解度相差近20倍，因此在铝合金焊缝凝固过程中氢会大量析出而形成气泡，而铝合金的密度小，气泡在熔池中上升速度较慢；同时由于铝合金的导热系数大、焊缝冷却凝固速度快，液体状态下的停留时间短，不利于气泡浮出，最终残留在焊缝中形成气孔缺陷。2219铝合金熔焊接头中极易在熔合区形成密集的微气孔[6,7]。

5 2A14和2219铝合金的其他制造特性

在推进剂贮箱制造过程中，除了焊接以外，机械加工、成型（钣金、冲压、旋压、拉深、拉形、辊弯）、化铣都是常用工艺。对于机械加工和不涉及热处理的成型工艺，从实际工程实践效果来看，2A14和 2219两种铝合金没有明显差异。但对于化铣和涉及热处理过程的成型工艺，两种铝合金差异明显。

5.1 涉及热处理的成型工艺

由于2219铝合金在固溶后的自然时效过程极慢，几乎不受停放时间的限制，所以2219铝合金零件的成型可放在固溶之后完成，即使在固溶前进行成型，也能在固溶之后对零件进行充分的矫形，以此来保证零件的型面精度。2A14铝合金在这方面的加工性能较差，因为其固溶后自然时效速度较快，零件原材料性能迅速提高，成型和矫形过程都非常困难。因此，对涉及热处理的成型工艺来看，2219铝合金优于 2A14铝合金。例如在O态下通过旋压成型的零件，如果原材料是2219铝合金，则在固溶热处理后可以很方便进行整形，但如果原材料是 2A14铝合金则整形效果较差，那么在人工时效处理之后，原材料是2219铝合金的零件的加工型面精度更高。

5.2 化学铣切工艺

化学铣切是铝合金材料零件制造中一种常用的去除材料的工艺方法，是利用化学试剂腐蚀去除结构上的部分材料。化学铣切所用的槽液一般由腐蚀剂（氢氧化钠）、老化剂（溶解铝）、添加剂 3类成分组成。对于2A14铝合金，化学铣切时不需要使用添加剂[8]；但对于2219铝合金，要保证零件铣切后表面平整和光滑，则在化学铣切时必须配以一定含量的添加剂，且槽液中腐蚀剂和老化剂两种组分的含量范围明显窄于2A14铝合金[9]。此外，对于2219铝合金零件，比如贮

箱的箱底瓜瓣，通常采用预拉—淬火—补拉—时效处理的制造工序，如果预拉时变形量选取不合理，超过了2219铝合金材料的临界变形范围（约4%～10%），则在随后的淬火保温过程中，材料会发生再结晶和晶粒长大，从而在化学铣切后呈现出表面粗糙的现象，如图4所示，而粗糙表面会对后续工艺如粘接、喷漆、阳极化的质量造成影响。

图4 过度冷变形的2219铝合金在化铣后显现的表面粗糙现象示意Fig.4 Rough Surface of 2219 after Excessive Cold-forming and Chemical Milling

2A14铝合金材料的临界变形范围更大（约7%～15%），一般成型过程中材料的变形量都小于其临界变形范围，所以在化学铣切过程出现粗晶现象的情况较少。从这点来看2A14铝合金的化学铣切工艺适应性好于2219铝合金。但2219铝合金也有自身的化学铣切特点，其浸蚀比小，可以明显减小化铣网格壁板的废重，对减轻结构重量有利。

6 结束语

2A14铝合金和2219铝合金在国内外均被广泛用于制造液体运载火箭推进剂贮箱中，但2种合金在特性上存在较明显差异，同时两种合金在中国的研究和使用成熟度上也存在差异。材料的特性对比分析发现，2A14铝合金具有母材和焊接接头拉伸强度更高、只通过热处理就能实现性能强化的优势，但也存在熔焊接头延伸率更低、熔焊热裂纹敏感性更高、易发生潜藏裂纹和存放裂纹等不足；而2219铝合金具有熔焊和成型工艺性更好的优势，存在力学性能尤其是屈服强度相对较低的不足。从制造工艺性和贮箱产品质量可靠性角度来看，用2219铝合金代替2A14铝合金具有明显优势，也与欧美等国贮箱材料更替规律相符合。同时2219铝合金及其焊接接头具有更高的塑性，适合贮箱结构在低温条件下的承载，所以中国新型中型运载火箭均选择2219铝合金作为贮箱主结构材料。但2219铝合金在中国航天领域还可以算是新材料，材料研发和制造工艺研究的历史不足20年，真正开始广泛应用于推进剂贮箱的时间不足10年，目前成功飞行的试验数据仍偏少，并且在地面试验中也暴露出一些因材料认识不充分而导致的问题。这些问题的出现说明中国对2219铝合金材料的研究和应用成熟度仍然偏低，有关材料和工艺的基础研究还应继续加强。