淬火水温对2219铝合金锻环组织和力学性能的影响

马云龙 陈送义 王习锋 陈康华

摘   要：采用室温拉伸测试、金相显微镜、扫描电镜以及透射电镜等测试分析方法，研究淬火水温（20～80 ℃）对2219铝合金锻环组织和拉伸性能的影响. 研究结果表明：随着淬火水温提高，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，其主要原因是形成粗大晶界析出相. 当淬火水温为40 ℃时，锻环具有较好的强度和延伸率，其轴向抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为418 MPa、300 MPa和9.3%，径向抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为420 MPa、300 MPa和9.8%，切向抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为447 MPa、329 MPa和12.6%.

关键词：铝合金;淬火水温;环锻件;显微组织;机械性能

中图分类号：TG146.2+1                  文献标志码：A   文章编号：1674—2974（2020）08—0118—06

Abstract：The effects of quenching water temperature（20 ～ 80 ℃） on the microstructure and mechanical property of 2219 Al alloy forging ring were studied by room temperature tensile test， optical microscope（OM），scanning electron microscopy（SEM） and transmission electron microscopy（TEM）. The results showed that the tensile strength and yield strength first increased and then decreased with the increase of quenching temperature. The elongation anisotropy index of 2219 Al alloy ring forging was significantly increased when the quenching water temperature exceeds 60 ℃ due to the formation of coarse grain boundary precipitates. The high strength and elongation of 2219 Al alloy ring forging was obtained under the quenching water temperature at 40 ℃. The axial tensile strength， yield strength and elongation  were 418 MPa，300 MPa and 9.3%， respectively. The radial tensile strength，yield strength and elongation were 420 MPa，300 MPa and 9.8%， respectively. The tangential tensile strength，yield strength and elongation were 447 MPa，329 MPa and 12.6%，respectively.

Key words：aluminum alloy;quenching water temperature;ring forging; microstructure;mechanical properties

2219鋁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.

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.

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.

4   结   论

1）随着淬火水温的升高，2219铝合金锻环的强度和延伸率均出现先升高后降低的趋势.

2）当淬火水温超过60 ℃时，锻环延伸率各向异性倾向显著增加，其主要原因是形成粗大的淬火晶界析出相.

3）当淬火水温为40 ℃ 时，2219铝合金锻环的三向拉伸性能达到最大值，轴向、径向、切向的抗拉强度分别为418 MPa、420 MPa、447 MPa;屈服强度分别为300 MPa、300 MPa、329 MPa;延伸率分别为9.3%、9.8%、12.6%.

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