冷脹形變形量及時效制度對2219性能的影響

文/龔忠興，王攀智，楊旭，鄒朝江·貴州航宇科技發展股份有限公司

冷變形是提高時效硬化型鋁合金的力學性能的有效手段，變形量的大小是影響鋁合金力學性能的重要因素。本文對軋制后鋁合金環件進行固溶，然后在不同冷脹形變形量（0%、2%、3%、4%、5%）下對鋁合金環件進行脹形，最后分別在不同時效制度下時效，通過室溫拉伸測試測試，結果對比獲得2219環件力學性能的最優變形量。結果表明：在時效前添加冷脹形，能降低2219強化相的析出溫度；隨著冷脹形變形量的增加，力學性能不斷增加，但延伸率逐漸降低，當冷脹形變形量達到5%時，力學性能上升趨勢較平緩，幾乎沒有多大的變化；當冷脹形變形量為4%，時效制度為170℃×12h時，2219環件綜合力學性能最佳，其抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為440MPa、353MPa和14%。

2219鋁合金是美國鋁業公司在20世紀50年代后期開始研制的一種耐熱、可焊、高強的Al-Cu系列可熱處理強化型鋁合金，合金主要強化元素為銅，其他元素如錳、鋯、鈦等可以提高合金的綜合性能，其強度高、可加工性好、耐腐蝕性強、焊接性能優良，低溫韌性良好，被廣泛應用于航空航天工業。現某客戶的鍛件要按照美國宇航標準AMS4144進行交付，交付狀態為T851態(固溶+冷脹形+時效)，熱處理制度按照AMS2772執行，冷脹形變形量按照2%～5%進行控制；鋁合金可以通過固溶使合金內的可溶相充分溶解，使強化組元在合金中得到最大限度溶解并固定保存到室溫，得到固溶強化的效果；鋁合金通過時效可以將第二相從固溶體中析出引起強化現象，又被稱為沉淀強化或析出強化；在固溶、時效中對鋁合金進行冷變形，鋁合金會隨著塑性變形量的增加，位錯度增加，變形抗力增大，使得晶粒變形、破碎，亞晶界阻止位錯發生，達到冷作硬化的效果，使得強度得到提高；因此通過研究不同冷變形變形量及時效制度對2219性能的影響，找出力學性能最佳的變形量及時效制度。本文主要研究0%、2%、3%、4%、5%這5種變形量分別在170℃、177℃×12h時效制度下對力學性能的影響。

2219強化機理

2219作為Al-Cu-Mn合金，強化相主要是Al基體、CuAl2和CuMn2Al12，鋁合金在固溶時同時進行兩個相反的過程：一個過程是Al基體+CuAl2及Al基體+CuAl2+ CuMn2Al12的共晶組織固溶入Al基體，在固溶后得到Al基體過飽和固溶體，在時效時使合金強化。另一個過程是從Al基體固溶體中分解析出含Mn相的CuMn2Al12的，并呈點狀彌散分布在Al基體上，使合金熱處理后在室溫下具有較高的強度和耐熱性。

實驗方案

本文使用從南南鋁業股分有限公司采購的2219鋁合金棒材，其主要化學成分見表1。經過拔長→鐓粗→沖孔→馬架擴孔平端面→軋制工序生產出環軋件，再經過固溶，冷脹形，時效熱處理后切取試樣進行室溫拉伸測試，根據實驗結果進行分析、總結。

表1 實驗用2219化學成分

實驗件生產

將南南鋁棒材進行下料，下料數：2件，在800t快鍛機上進行拔長→鐓粗→沖孔→馬架擴孔，在φ500mm軋機上進行軋制成形，成形尺寸：φ280mm×φ220mm×90mm；將最終軋好的鍛件按φ280mm×φ220mm×25mm進行切分，共5件，將所有試環一起進行固溶。

固溶參數的選取

根據Al-Cu-Mn系合金平衡圖(圖1)，及合金的化學成分，當合金冷卻至547℃時發生共晶轉變，L→Al基體+CuAl2+ CuMn2Al12，此時合金處于三相區內，合金的最大固溶度是5.7%，理論上在平衡冷卻過程中，隨溫度的降低合金的固溶度下降，在室溫下合金的固溶度只有0.05%左右，但在實際生產中，固溶后通常采取快速冷卻的方式，抑制擴散性轉變。快速冷卻也為了合金具有最大的抗腐蝕性能，若固溶冷卻速度過慢，則會導致鋁合金對晶間腐蝕格外敏感，這樣不利于鋁合金的進一步加工和利用；結合AMS4144中推薦的固溶溫度：529～541℃，因此選擇固溶溫度為535℃，時間根據環件有效壁厚而定，選擇90～96min，水冷。

圖1 Al-Cu-Mn系合金靠鋁角相區分布

冷脹形及時效方案

將固溶后的5個試環標識A、B、C、D、E,然后將試環分別按表2實驗方案進行冷脹形及時效，冷脹形設備為300t脹形機，脹形機見圖2，使用脹形機脹形可以實現環件在徑向的脹形受力均勻，盡可能消除環件的變形差異，提高環件一致性。

表2 2219冷脹形及時效方案

圖2 300t脹形機

實驗結果

在固溶、冷脹形、時效后的試環上分別切取弦向試樣進行拉伸測試，測試結果見表3及圖3。

表3 室溫拉伸測試結果

圖3 不同變形量及時效制度對2219性能的影響

從表3和圖3結果可以看出，對比同一脹形量，170℃時效后的強度高于177℃時效后的結果，塑性變形兩個時效制度相當，差異不大；當同一時效制度下，鋁合金強度隨著變形量的增加而增加，達到4%后強度、塑性表現得最好，超過4%的變形量后強度、塑性均有下降的趨勢，因此2219冷脹形變形量及時效制度推薦3%～4%之間，時效制度推薦170℃×12h。

分析與討論

AMS4144要求2219交付狀態為固溶+冷變形+時效，由實驗結果可知，當變形量為0%時，即固溶后直接進行時效狀態，該狀態下的測試結果是不能滿足規范驗收要求的；當鋁合金受到冷變形時，位錯度增加，變形抗力增大，使得晶粒變形，破碎，亞晶界阻止位錯發生，達到冷作硬化的效果，使得強度得到提高；除此之外，時效前增加冷變形還會降低強化相CuMn2Al12的析出溫度，冷變形也會加快強化相CuMn2Al12的析出和轉化效率，合金中析出相轉化為CuMn2Al12的時間隨著變形量的增加而減小，因此在同一變形量下，170℃要比177℃時效下的強度要高，CuAl2聚集的更多，析出CuMn2Al12越多，使得合金的力學性能更好。

結論

(1)2219經過固溶后在受到冷變形時，能起到冷作硬化的效果，使得強度得到提高，隨著變形量的增加，在一定范圍內合金強度呈線性增長，塑性降低。

(2)2219合金時效前增加冷變形能降低強化相的析出溫度。

(3)2219合金按照AMS4144進行驗收時，冷脹形量按4%進行控制，時效制度按170℃×12h進行，能得到較優的綜合力學性能，且通過脹形的鍛件后續生產一致性較好。