固溶处理工艺对2219铝合金力学性能的影响

王喜琴，张贵一，乐 斌，张柳锋，张亚军

(上海航天精密机械研究所，上海 201600)

0 引言

2219铝合金是国内研制的一种Al-Cu-Mn系热处理强化铝合金，其不但具有较好的塑性和较高的强度，而且具有良好的焊接性能和较高的断裂韧性，在航空航天领域得到广泛应用[1-4]。由于2219铝合金具有良好的高温和低温力学性能，经固溶、人工时效处理后，可用于制造在低温和高温下工作的焊接零件。该合金还可用于制造运载火箭上的液氧与液氢容器，保证运载火箭在液氢温度下的可靠性。

硝盐槽具有炉温均匀性好、加热速度快、生产效率高等优点，被广泛应用于铝合金的固溶处理。但硝盐槽使用的NaNO3和KNO3硝盐属于氧化剂，硝盐槽加热过程中如果发生控温仪表失控等情况，使硝盐温度超过分解温度，熔融的硝盐会发生爆炸。同时，硝盐槽使用过程中工件固溶时带出的硝盐还存在环境污染问题，故逐渐被行业淘汰[5-7]。随着国内热处理设备设计制造技术的提升，用于铝合金固溶的强制空气循环电炉，已达到良好的炉温均匀性和快速加热能力，能够满足铝合金固溶工艺的需求，可以替代硝盐槽进行铝合金固溶处理，从根本上解决硝盐槽存在不环保和超温爆炸的问题。目前使用强制循环空气电炉进行铝合金固溶处理，已开始在我国航空、航天领域得到应用。

强制循环空气电炉采用空气介质加热，加热速度慢，保温时间长。本试验通过力学性能测定和金相显微组织观察，对2219铝合金空气介质加热固溶处理工艺进行研究，探讨不同固溶处理保温时间对2219铝合金不同厚度板材力学性能的影响,从而获取具有综合力学性能较合理的热处理工艺，以指导科研生产。

1 试验材料与方法

工艺试验所用材料是东北轻合金有限责任公司生产的板材厚度(δ)分别为2，3，4，6，7，8 mm的2219 O态板坯，其化学成分见表1。GJB 1134—91《LY19铝合金板材规范》中，2219铝合金板材的化学成分见表2。由表1可知：工艺试验所用材料的实测化学成分合金元素含量均符合表2中所列化学成分合金元素含量。

表1 试验材料2219合金的化学成分

表2 GJB 1134—91中2219合金板材的化学成分

工艺试样按GB/T 16865《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》要求在垂直于板材轧制的方向截取。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的试样，每组9块，共54块。然后，在电加热高架式铝合金淬火炉中对不同厚度的板材进行6组固溶处理，每组固溶制度下进行3组不同保温时间的固溶处理，见表3。随后，在电热鼓风干燥箱中，进行人工时效处理，其工艺制度前期已通过工艺试验研究后制定为：加热至(165±5)℃，保温960 min后出炉空冷。

表3 2219铝合金固溶处理工艺

试样经热处理后按标准GB/T 16865要求，用线切割加工成标准拉伸试样，如图1所示，图中：a为板材厚度，b为试样宽度，B为夹持端宽度，R为过渡圆弧半径，h1为过渡段长度，h为夹持端长度，Lo为标距长度，Lc为平行段长度，Lt为试样总长度。工艺试验力学性能在10 t万能材料试验机上按标准GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》进行，金相在德国徕卡(LEICADMR)金相显微镜上按标准GB/T 3246.1《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》进行。具体尺寸见表4。

图1 拉伸试验加工图Fig.1 Drawing of the tensile samples

表4 拉伸试样加工尺寸

2 试验结果

6组厚度的板材按18组固溶制度进行处理，其力学性能的测试结果见表5。表中：Rm为抗拉强度；Rp0.2为屈服强度；A11.3为延伸率。

表5 2219 O态板材18组固溶制度工艺试验的力学性能

上述试验结果表明：不同厚度的2219板材按18组固溶制度、人工时效处理后，其力学性能均能满足产品制造、验收技术条件规定的Rm≥405 MPa，Rp0.2≥286 MPa，A11.3≥10%的技术指标。固溶处理保温时间对不同厚度的2219板材力学性能的影响如图2所示。由图可以看出，固溶处理工艺不同，合金板材的力学性能有较大差异。

图2 固溶处理保温时间对不同厚度的2219铝合金板材力学性能的影响Fig.2 Effect of solution treatment holding time on mechanical properties of 2219 aluminum alloy sheets with different thicknesses

根据不同固溶制度处理后试样抗拉强度、屈服强度、延伸率的变化规律，确定2219铝合金板材固溶处理工艺应保证能获取综合力学性能。因此，由本试验可确定出不同厚度2219板材热处理工艺规范，见表6。由表可见，力学性能Rm≥415 MPa，Rp0.2≥297 MPa，A11.3≥11%，满足2219合金板材的技术要求。

3 结果分析

铝合金固溶处理是一种旨在使合金发生沉淀硬化的先行工序，是将铜、锰、镁、锌、硅等合金元素溶入铝固溶体的工艺过程。固溶完成后，急速冷却合金(淬火)，使溶进固溶体中的合金元素来不及沉淀析出，从而获得过饱和固溶体。淬火所得的过饱和固溶体在室温或加热条件下将发生分解。时效过程是过饱和固溶体的沉淀过程。该过程使可溶相重新从固溶体中呈弥散的质点析出，使合金获得强化，从而提高材料的力学性能。

3.1 固溶制度对合金板材力学性能的影响

以铝-铜合金为例，其状态如图3所示[8]。当温度为548 ℃时，铜在铝中的溶解度达到5.65%；当温度降至室温时，铜在铝中的溶解度减少至不足0.1%。铜在铝中的溶解度随温度的降低而明显减少，这是合金淬火后获得过饱和固溶体的先决条件。因此，可通过随后的沉淀来实现强化。

固溶处理温度由曲线ac决定。对于含铜量小于5.65%的合金，固溶处理温度应高于有限溶解度曲线bd；对于含铜量大于5.65%的合金，固溶处理温度应低于共晶温度。每种合金的固溶处理温度通常需通过试验确定。其上限温度以不发生过烧为前提，且取决于合金本质和强化相溶解速度。下限温度应使尽可能多的强化相溶入固溶体，以保证满足技术标准规定的性能要求。固溶处理保温时间主要取决于强化相的溶解速度，即与合金本性、组织形态和加热条件有关。空气介质加热速度比硝盐介质加热速度慢，空气介质加热保温时间比硝盐介质加热保温时间长。保温时间还取决于制件的厚度和形状。退火状态的制件比未经退火制件的固溶处理保温时间要长。包铝薄板所需的保温时间较短，以免基体的合金元素扩散到包铝层表面，削弱包铝层的防护作用。经铝合金固溶处理后，合金能否得到强化，主要取决于固溶处理时，合金中溶入到α固溶体中的强化相的性质和数量[8]。

厚度为2、3、4、6 mm的2219铝合金板材在(535±5)℃固溶，分别保温40、50、60、70 min时，抗拉强度、屈服强度达到峰值，延伸率略有下降。厚度为7 mm的2219铝合金板材在(535±5)℃固溶，保温70 min时，抗拉强度、屈服强度、延伸率达到峰值。厚度为8 mm的2219铝合金板材在(535±5)℃固溶，保温80 min时，抗拉强度、屈服强度达到峰值，延伸率略有下降。

因此，对2219铝合金进行固溶处理时，应适当提高淬火温度，确保保温时间充足，以使强化相最大限度地固溶于基体之中。经淬火急冷，高温下的合金组织在室温下固定下来，以过饱和的形式保留在α固溶体中。在时效过程中，析出与基体呈共格高密度的稳定相质点，控制晶界析出物尺寸大小和无沉淀带的宽度，以使合金具有良好的综合力学性能[9]。

3.2 2219铝合金固溶时效后的显微组织

2219铝合金是时效强化型合金，主要靠时效过程中从过饱和固溶体中析出沉淀相来得到强化，基体沉淀相是决定合金性能的主要因素。厚度为6 mm的2219铝合金板材在(535±5)℃/70 min固溶，(165±5)℃/960 min时效时，析出大量的亚稳定相质点，并与基体部分共格，合金强度较高，塑性也较好，金相照片如图4所示。由图可知：试样经固溶和人工时效处理后发生了明显的回复与再结晶，再结晶后，基体晶粒的晶界清晰，晶界处和晶粒内部都有大量的析出相。晶内分布有稳定沉淀相θ(CuAl2)和T(Al2Mn2Cu)，以及其他亚稳定杂质相Al3Ti，AlSiMnFe和Al10Mn2Si。析出相大小、分布均匀，呈细小弥散状分布，对合金有较好的强化效果[10]。

图4 试样经(535±5)℃/70 min固溶处理，(165± 5)℃/960 min人工时效后的显微组织图Fig.4 Microstructure of sample with solid solution of (535±5)℃/70 min and artificial aging of (165±5)℃/960 min

4 结束语

通过力学性能测定和金相显微组织观察，研究了变形铝合金空气介质加热固溶处理工艺对2219铝合金力学性能的影响，结果表明：厚度为2、3、4、6、7、8 mm的该合金板材较为理想的热处理制度分别为(535±5)℃/40 min，(535±5)℃/50 min，(535±5)℃/60 min，(535±5)℃/70 min，(535±5)℃/80 min固溶处理后水淬，(165±5)℃/960 min人工时效后空冷。热处理后试样Rm≥415 MPa，Rp0.2≥297 MPa，A11.3≥11%，均能达到产品的制造、验收技术要求。目前，2219铝合金空气介质加热固溶处理工艺技术已在运载火箭贮箱结构件中得到成功应用。硝盐槽逐步被淘汰是必然趋势，采用空气介质加热进行铝合金固溶热处理是可行的替代方式。后续将继续开展各种变形铝合金空气介质加热固溶处理工艺研究，不断推进该工艺技术在航空、航天领域中的应用。