淬火水温对2219铝合金锻环组织和力学性能的影响

2020-09-06马云龙陈送义王习锋陈康华

湖南大学学报（自然科学版） 2020年8期

马云龙，陈送义，王习锋，陈康华

（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.中南大学轻合金研究院，湖南长沙 410083；3.中南大学有色金属先进结构材料与制造协同创新中心，湖南长沙 410083）

2219 铝合金具有高的比强度及优良的焊接性能，广泛应用于航空航天领域[1-2].目前，2219 铝合金主要用于制造运载火箭燃料贮箱用锻环.采用2219铝合金制备的燃料贮箱锻环因受力条件复杂，力学性能的稳定性和均匀性是制约火箭可靠运行的关键因素之一[3-4].近年来，针对空间探索迈向深空需要研制新型大规格运载火箭的重大需求，设计人员提出研制直径达10 m 级的高综合性能2219 铝合金锻环[5-7].然而，对超大规格2219 铝合金锻环组织和性能的关系研究尚不充分.因此，深入开展超大规格2219 铝合金锻环组织和性能关系的研究，以提高2219 铝合金锻环力学性能及其均匀性成为当务之急.

研究发现，采用合适的淬火冷却条件能够获得铝合金较好的力学性能[8].Zhang 等[9]研究了淬火冷却速率对2A14 铝合金残余应力及拉伸性能的影响，当淬火水温为70 ℃时，合金拥有较低的淬火残余应力和较好的拉伸性能.李荣等[10]研究了淬火水温对铸造铝合金力学性能的影响，淬火水温为60 ℃时，合金的铸态晶粒尺寸较小、内应力较低，拥有较好的力学性能.肖代红等[11]研究了淬火工艺对AA7150 锻造铝合金力学性能的影响，发现采用预先80 ℃水淬火后再进行15 ℃水淬时，T6 时效态合金的抗拉强度明显提高，且抗剥落腐蚀性能也得到了有效改善.Elgallad 等[12]研究了淬火速率对2219 铝合金铸锭组织的影响.研究表明，与水淬相比，铸锭在空气中析出相粗化更加明显，导致合金力学性能降低.综合现有文献发现，针对铝合金淬火冷却条件方面的工作主要集中在对合金单向力学性能的影响，而对2219 铝合金锻件的组织及力学性能研究较少.再者，随着2219 铝合金锻环尺寸规格增加，淬火条件对性能的影响将会更加显著，需要深入细致地研究淬火条件对2219 铝合金环锻件组织和性能的影响.

本文重点研究淬火水温对2219 铝合金锻环组织和力学性能的影响，为提高大规格2219 铝合金锻环力学性能及其均匀性提供指导.

1 实验材料及方法

实验原材料为2219 铝合金环轧成形环件，其化学成分见表1.大规格铸锭经450 ℃多向锻造，通过马架扩孔，并采用立式环轧机在400～450 ℃进行环轧成形.在热轧锻环件上环轧试样，其尺寸为200 mm（切向）×100 mm（轴向）×100 mm（径向）.随后将试样进行固溶热处理（固溶热处理工艺为541 ℃，2 h），并分别进行20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃淬火处理，其中淬火转移时间≤10 s.随后对淬火试样进行轴向3%冷压变形和155 ℃/30 h 时效热处理.对淬火和时效处理后试样的轴向（Axial Direction，AD）、径向（Radial Direction，RD）和切向（Tangential Direction，TD）分别取样，并进行显微组织观察和力学性能测试.2219 铝合金锻环试样取样示意图如图1 所示.

表1 2219 铝合金试样化学成分Tab.1 The chemical composition of the 2219 Al alloy samples %

图1 2219 铝合金锻环试样取样示意图Fig.1 Schematic diagram of 2219 Al alloy forging ring sampling

采用德国莱卡DM4000M 智能型显微镜观察合金的金相组织，采用Nova NanoSEM230 型场发射扫描电镜、JEM-2100F 型透射电镜观察合金第二相及晶界等微观组织.

室温拉伸测试试样尺寸参照GB/T 228—2002制备[13]，在Instron3369 力学试验机上进行，拉伸速率设定为2 mm/min，每一个状态的样品均取3 个试样，测试取3 者的平均值作为在该状态下的拉伸力学性能.此外，为了有效评价2219 铝合金锻环三向力学性能的均匀性，引入各向异性指数[14]进行分析，其值越小，说明锻件三向力学性能均匀性程度越高，具体计算方式为：

式中：IA 表示锻环强度或延伸率的各向异性指数；Xmax表示锻环3 个方向中强度或延伸率的最大值；Xmid表示锻环3 个方向中强度或延伸率的中间值；Xmin表示锻环3 个方向中强度或延伸率的最小值.

2 实验结果

2.1 显微组织

图2 是2219 铝合金锻环试样经高温固溶热处理，并在不同水温下淬火得到的低倍金相组织照片.3 个方向垂直的平面上的基体晶粒形貌及尺寸相差较大，沿轴向、径向压缩，沿切向延伸.其中在垂直于轴向、径向的平面上观察到的晶粒呈长条纤维状，晶粒长宽比为5～8；而垂直于切向的平面上观察到的晶粒尺寸较小，尺寸为100～300 μm，晶粒长宽比为2～3.此外，对比经过4 种不同水温淬火后，锻环垂直于轴向、径向、切向平面的基体晶粒形貌相似，并且尺寸相差较小，说明淬火过程中的冷却速率对合金基体晶粒的影响并不显著.

图2 2219 铝合金锻环不同淬火水温的光学图片Fig.2 Optical metallographic of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

图3 是2219 铝合金锻环试样经高温固溶热处理并在不同水温下淬火后的高倍金相组织照片.由图3 可知，当淬火水温为20 ℃时，合金在晶界处存在的第二相粒子非常细小.淬火温度提高，在金相显微镜条件下，对晶内和晶界析出相的作用较小，特别需要指出的是当淬火水温为80 ℃情况下，晶界含有链状分布的微米结晶相，其原因有可能是未固溶完全的残余结晶相，也有可能是缓慢冷却析出的淬火析出相.

图3 2219 铝合金锻环在不同淬火水温的淬火态晶界形貌Fig.3 Grain boundary precipitates morphology of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperature

图4 是对80 ℃水温淬火后的淬火态合金晶界上的相进行的EDS 能谱分析.由图4 可知，该合金相的元素成分为Al、Cu，其原子数量比接近2 ∶1，因此推测微米级的相是Al2Cu 相.

图4 2219 铝合金锻环在80 ℃水温淬火后的SEM 及EDSFig.4 The SEM and EDS of 2219 aluminum alloy forging ring under quenching water temperature at 80 ℃

图5 是2219 铝合金锻环试样分别在40 ℃和80℃水温下淬火后得到的晶界析出相形貌.由图5 可知，当淬火水温为40 ℃时，合金的晶界非常清晰，晶界上几乎看不到淬火析出相，晶界无沉淀析出带较窄.当淬火水温为80 ℃时，合金的晶界比较模糊且呈不连续分布，晶界无沉淀析出带较宽，晶界析出相尺寸较粗大且沿晶界密集排布.但是在两种淬火水温情况下，透射电镜难以观察到淬火晶内析出相.表明在80 ℃条件下，晶界析出粗大的淬火析出相，而对晶内析出相的作用较小.

图5 2219 铝合金锻环在不同水温淬火后的TEMFig.5 TEM of 2219 aluminum alloy forging ring quenched under different quench water temperature

2.2 拉伸性能

图6 是2219 铝合金过渡环淬火态的拉伸性能及各向异性指数随淬火水温的变化曲线.由图6（a）和图6（b）可知，淬火水温对过渡环淬火态的轴向、径向及切向的抗拉强度、屈服强度影响较小.由图6（c）可知，随着淬火水温的升高，过渡环3 个方向的延伸率均是先上升后下降，在淬火温度为40 ℃时，过渡环3 个方向的延伸率均达到最大值.由图6（d）可知，淬火态合金抗拉强度、屈服强度以及延伸率的各向异性指数均随着淬火水温的升高而先上升后下降，当淬火温度达到60 ℃时，3 者的各向异性指数均达到最大值.此外，对于淬火态的合金，其拉伸性能各向异性对淬火温度并不敏感，在不同的淬火水温下均保持较低的水平.

图7 是2219 铝合金锻环试样高温固溶热处理，并在4 种不同淬火水温，以及经3%轴向冷变形以及155 ℃/30 h 时效热处理后的轴向、径向、切向的拉伸性能及力学性能各向异性指数.由图7（a）可知，随着淬火水温的升高，合金的抗拉强度先升高后降低，锻环轴向、径向、切向延伸率均先升高后降低.当淬火水温为40 ℃时，轴向、径向、切向的抗拉强度均达到最大值，分别为418 MPa、420 MPa、447 MPa.由图7（b）可知，2219 铝合金锻环三向屈服强度的变化规律与抗拉强度相同，锻环轴向、径向、切向的屈服强度均达到最大值，分别为300 MPa、300 MPa、329 MPa，同时其轴向、径向、切向延伸率均达到最大值，分别为9.3%、9.8%、12.5%.但是，当淬火水温高于60℃时，合金轴向、径向延伸率下降非常明显.对比时效态2219 铝合金锻环的抗拉强度、屈服强度和延伸率的各向异性指数发现，抗拉强度和屈服强度随着淬火水温的升高变化不明显，均保持在比较低的水平，而延伸率各向异性指数对淬火水温比较敏感，随着淬火温度的升高，延伸率各向异性指数急剧上升（图7（d））.当淬火温度达到80 ℃时，各向异性指数达到48.2%.研究表明，对于2219 铝合金来说，较高的淬火水温对强度及其均匀性影响较小，而显著降低锻环轴向、径向和切向延伸率，并显著提升延伸率不均匀性.反之，较低的淬火水温将获得高延伸率及低的各向异性指数.

图6 2219 铝合金锻环淬火态拉伸性能及各向异性指数Fig.6 Tensile properties and anisotropic index of 2219 aluminum alloy forging ring in quench state

图7 2219 铝合金锻环不同淬火水温并时效热处理后拉伸性能及各向异性指数Fig.7 Tensile properties and anisotropy index of 2219 aluminum alloy forging ring under different quench water temperatureand and aging heat treatment

图8 是2219 铝合金锻环试样分别在40 ℃、80℃的水温淬火后，经过3%轴向冷压缩变形及155 ℃/30 h 时效热处理后的拉伸断口形貌.由图8 可知，经过时效处理后锻环轴向、径向及切向的断裂方式均为混合型断裂，其中轴向和径向的拉伸试样的断裂方式以脆性断裂为主，切向的拉伸试样的断裂方式以塑性断裂为主.由图8（a）、图8（c）、图8（e）可知，当淬火水温为40 ℃时，2219 铝合金锻环轴向、径向、切向的断口表面上韧窝数量较多，Al2Cu 粒子数量较少、尺寸较小，说明此时合金的塑性较好.由图8（b）、图8（d）、8（f）可知，当淬火水温为80 ℃时，轴向、径向、切向的断口表面上韧窝数量较少，Al2Cu 粒子数量较多，特别是轴向、径向的断口表面大部分位置被粗大的Al2Cu 粒子占据，说明此时合金的塑性较差.此外对比合金轴向、径向、切向的拉伸断口可以发现，与轴向、径向相比，锻环切向的拉伸断口表面Al2Cu 粒子尺寸更小，韧窝数量较多、密度更大，这是因为2219 铝合金锻环在前期变形中存在晶粒形貌不均匀性，导致最终锻环试样力学性能存在明显的各向异性.

图8 2219 铝合金锻环不同淬火水温并时效热处理后的拉伸断口形貌Fig.8 The tensile fracture morphology of 2219 aluminium alloy forging ring after quench water temperature and aging heat treatment

3 分析与讨论

Al-Cu 合金进行淬火热处理的主要目的是获得过饱和固溶体，以便在后续的时效过程中获得更多细小弥散的时效析出相[15].淬火水温主要影响2219铝合金锻环在淬火过程中的第二相析出行为，并最终影响合金的强度和塑性.从图7 可以发现，随着淬火水温升高，锻环的抗拉强度、屈服强度和延伸率先升高后降低.当淬火水温超过60 ℃时，锻环延伸率各向异性倾向显著增加.一般认为，淬火水温越低，材料获得的过饱和度越高，合金的强度和塑性将最好.但是，淬火温度较低，材料将引发较大的淬火残余应力，将影响后续的加工行为.因此，选择合适的淬火条件，能同时兼备高力学性能和低的淬火应力是工业应用的关键.当淬火水温为20 ℃时，由于冷却速率很快，Al 基体中保持了过饱和度，使淬火过程中的析出降到最低，有助于在后续时效过程中得到数量更多、尺寸更细的时效强化相，但是与此同时，可能由于过高的冷却速率会导致锻环内部产生较大的淬火应力，可能诱发淬火缺陷.当淬火温度为40℃时，较高的冷却速率保证了Al 基体中第二相的过饱和度较高，抑制合金晶界处淬火析出相的析出.而淬火过程中形成的少量晶内淬火析出相能够在后续的时效过程中成为形核点、促进析出相形核，从而得到更多细小弥散分布的时效强化相[16-17]，同时降低了淬火应力，减小了淬火裂纹所带来的风险.因此，与淬火水温为20 ℃相比，当淬火水温为40 ℃时，由于同时改善了晶界和晶内析出相，2219 铝合金锻环的强度和塑性更好.当淬火温度升高到60 ℃以及80℃时，锻环冷却速率急剧下降，淬火过程中会在晶界析出不连续的、尺寸较大的晶界淬火析出相，这些晶界上的粗大淬火析出相会导致在晶界优先断裂，降低合金的塑性[18].此外粗大的淬火析出相在后续时效热处理过程中会吸收周围的溶质原子，进一步发生粗化.同时缓慢的淬火速率，会降低合金中Cu 原子的溶度和空位溶度，使后续时效析出的时效强化相数量减少，降低锻环的综合强度.

因此，对于大尺寸厚截面2219 铝合金锻环来说，除了研究合金元素如Cu、Mn 等环件淬透性的影响外，还需要充分考虑淬火条件如淬火水温和环件壁厚对环件强度和延伸率的影响，也需要了解淬火条件对厚截面锻件的影响.前述结果表明，当淬火水温为40 ℃左右时，能够有效地抑制淬火析出，使得锻环获得较高的强度和延伸率以及较好的力学性能均匀性，但是需要进一步研究淬火温度对大规格环件淬火残余应力的影响，选取能同时兼备强度、延伸率以及低淬火残余应力的参数范围.