Fe含量對2219鋁合金鍛件焊接組織與性能的影響

馬云龍 高藝航 陳送義 陳康華 邢 軍

（1 北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

（2 中南大學輕合金研究院，長沙 410083）

文 摘 為研究雜質Fe元素對2219鋁合金及其焊接接頭的組織、性能以及電化學腐蝕性能等的影響，采用力學拉伸、焊接試驗以及金相和掃描電鏡等分析測試方法，對0.15%（w）至0.01%（w）等不同Fe元素含量的2219鋁合金鍛件進行實驗研究和分析。研究表明：2219鋁合金中經熱變形加工存在網絡狀Al2Cu變成顆粒狀和纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）相，隨著Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w），合金固溶時效后的Al7Cu2（Fe，Mn）相顯著減少，鍛件強度和塑性顯著提高；合金焊接接頭斷口由脆性斷裂逐漸轉變為韌窩尺寸細小的韌性斷裂，尤其對于延伸率，提高至近1.4 倍，強度和塑性顯著提高；合金的自腐蝕電流逐漸減小，單位面積上的線性極化電阻增大，合金焊接接頭的耐腐蝕性能顯著提高。

0 引言

2219鋁合金具有高的比強度、良好的焊接性及低溫力學性能，是我國新一代運載火箭貯箱的主體材料［1-2］。目前，廣大研究人員主要集中通過改進鑄造工藝、熱處理工藝和改變焊接方法及其工藝參數的方式滿足2219鋁合金大型構件整體化和高性能的需求。優化鑄造工藝能夠降低大規格鑄錠晶粒徑［3-4］；調控時效參數能夠改善合金的力學性能10%～20%［5］；隨著時效時間延長，疲勞性能和斷裂韌性降低［6-7］；采用T8態比T6態力學性能提高10%～20%，但是塑性顯著降低［8-9］；通過電磁攪拌、脈沖電流結合電弧震蕩、高頻脈沖以及超高頻脈沖等工藝方法和添加Ti、Zr等合金元素的冶金方法以及焊后熱處理和碾壓來提高焊接接頭的力學性能［10-16］。但是，對于超大規格的2219鋁合金構件，由于合金成分控制范圍寬，元素之間相互作用強，揭示2219鋁合金在凝固、變形和熱處理組織演變規律及其對力學性能的影響，特別是合金成分對2219鋁合金的焊接性能的影響，是提高2219鋁合金構件性能的關鍵問題。Fe元素是鋁合金主要雜質元素，研究發現雜質Fe將顯著降低鋁合金的塑性和耐腐蝕性能［17-18］。但是目前Fe元素對2219鋁合金組織性能的影響尚未開展研究。本文主要研究雜質元素Fe含量對2219鋁合金的組織和性能的影響，尤其是對焊接性能的影響，擬為2219鋁合金在重大工程中的應用提供理論指導。

1 實驗

采用半連續鑄造方法制備了不同Fe 含量2219鋁合金鑄錠，其合金成分如表1所示。鑄錠經均勻化熱處理后，在均勻化后鑄錠心部切取材料采用自由鍛造方法制備自由鍛件。鍛件固溶和時效工藝為：535 ℃/4 h 淬火+3%冷壓變形+165 ℃/24 h。熱處理完成后將鍛件切割和銑面成6 mm 厚的板材。焊接試驗在YC-500WX4HNE 進行非熔化極惰性氣體鎢極保護焊（TIG）焊接，具體工藝依據文獻［19］進行。

采用工作標距長25 mm、厚度為2 mm的板材標準拉伸試樣，在Instron3369型電子拉伸機上進行拉伸試驗，拉伸速率2 mm/min。采用Leica金相顯微鏡觀察顯微組織。采用NavonaoSEM230掃描電鏡觀察未溶相大小、形貌、分布以及拉伸斷口形貌。采用CHI660C電化學工作站測量電化學阻抗譜，采取三電極體系，試樣為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。腐蝕溶液為3.5%NaCl水溶液，測試溫度為（25±3）℃。

2 結果與分析

2.1 2219鋁合金固溶時效的組織和力學性能

Fe 含量對2219 鋁合金變形固溶時效后顯微組織的影響如圖1 所示。可以看出，含0.15%（w）Fe 的合金，主要存在大量尺寸為20～50 μm 的黑色短纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）結晶相和少量的灰色Al2Cu 相。隨著Fe 含量降低，黑色短纖維狀相數量減少。含0.01%（w）Fe 的合金，基本沒有黑色短纖維狀Al7Cu2（Fe，Mn）結晶相。分析表明，降低Fe 含量，能夠顯著減少黑色短纖維狀的Al7Cu2（Fe，Mn）結晶相。這是由于在鑄造凝固過程中形成的粗大黑色纖維狀Al7Cu2（Fe，Mn）相經鍛造變形碎化，但是由于該相是高熔點相，在正常的固溶溫度條件下（535 ℃左右）難以溶解，固溶熱處理后作為殘余結晶相存在。

圖1 Fe含量對2219鋁合金固溶時效態組織的影響Fig.1 Effects of Fe content on microstructure of 2219 Al alloy under solution and aging heat treatment

Fe含量對材料性能影響見表2，隨著Fe含量降低，合金延伸率提高，強度也稍微提高，其主要原因是Fe含量越低，固溶處理后殘余結晶相數量顯著越少，容易引起應力集中和誘發裂紋的萌生傾向性降低。

表2 Fe含量對2219鋁合金力學性能的影響Tab.2 Effects of Fe content on tensile property of 2219 aluminum alloy

2.2 2219鋁合金焊接接頭的組織和力學性能

圖2是不同Fe含量的2219鋁合金鍛件焊后熔合線區域的顯微組織。可以看出，0.15%（w）Fe的合金，在熔合線區域晶界形成含有黑色纖維狀的相［圖2（a）］，隨著Fe含量降低，熔合線區基本沒有發現纖維狀相。研究表明，降低Fe含量能夠顯著減少焊接熔合線區的纖維狀相。

表1 不同Fe含量的2219鋁合金Tab.1 2219 aluminum alloy with different Fe content%（w）

圖2 Fe含量對2219鋁合金焊接熱影響區顯微組織的影響Fig.2 Microstructure of 2219 Al alloy welding with different Fe content

表3為Fe含量對2219鋁合金焊接后的力學性能的影響。由表可知，Fe含量為0.15%（w）時，接頭的強度及延伸率均為最低，其中抗拉強度238 MPa，屈服強度110 MPa，延伸率為3.6%；當Fe含量降低至0.10%（w）時，接頭的強度及延伸率處于中等水平，其中抗拉強度249 MPa，屈服強度117 MPa，延伸率為6.1%；進一步降低Fe含量至0.01%（w）時，接頭強度及延伸率均為最高，其中抗拉強度288 MPa，屈服強度121 MPa，延伸率為8.5%。由此可見，隨著Fe含量降低，合金接頭的強度及延伸率顯著提高，尤其是延伸率，當Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w），合金接頭的延伸率提高了近1.4倍。

表3 不同Fe含量2219鋁合金焊接接頭的力學性能Tab.3 Mechanical properties of 2219 Al alloy welding joint with different Fe content

圖3為不同Fe含量的2219鋁合金接頭拉伸試樣斷口形貌。由斷口形貌可以看出，不同Fe含量接頭斷口形貌存在較大的差異。當Fe含量為0.15%（w）時，如圖3（a）所示，可以清晰地觀察到試樣斷口呈冰糖塊狀花樣，為典型的脆性斷裂斷口；當Fe含量為0.10%（w）時，如圖3（b）所示，試樣斷口中可以觀察到一定數量的韌窩，但韌窩尺寸較為粗大，且有第二相粒子夾雜，經能譜分析得出，斷口中的第二相粒子為Al7Cu2Fe相；當Fe含量為0.01%（w）時，如圖3（c）所示，試樣斷口中存在大量細小的韌窩，為典型的韌性斷口，表現出良好的強度及塑性。由此可知，合金的Fe含量由0.15%（w）降低至0.01%（w）時，合金接頭斷口中韌窩數量逐漸增多，且韌窩尺寸逐漸變細小，斷口由脆性斷裂逐漸轉變為韌窩尺寸細小的韌性斷裂。

圖3 Fe含量對2219鋁合金焊接接頭拉伸斷口形貌的影響Fig.3 Tensile fracture morphologies of 2219 Al alloy welding joint with different Fe content

2.3 2219鋁合金焊接接頭接頭的電化學腐蝕性能

圖4是不同Fe含量的2219鋁合金接頭熱影響區試樣的電化學阻抗譜。Nyquist圖中的中高頻容抗弧是由鋁電極表面覆蓋的氧化膜產生，圖譜中的阻抗弧半徑越大，鈍化膜就越強，合金的耐腐蝕性能就越好［17］。由圖4（a）可以看出，合金接頭阻抗弧半徑隨著Fe含量的降低而逐漸增大。由圖4（b）、（c）可以看出，三種合金接頭的阻抗模值對數和相位角均隨著Fe含量的降低而增大。研究表明Fe含量降低有利于提高合金焊接接頭的耐腐蝕性能。

圖4 不同Fe含量2219鋁合金接頭熱影響區的電化學阻抗譜Fig.4 EIS curves of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

圖5為不同Fe含量2219鋁合金接頭熱影響區試樣的極化曲線（腐蝕溶液：3.5%NaCl水溶液）。

圖5 不同Fe含量2219鋁合金焊接熱影響區極化曲線Fig.5 Polarization curves of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

通過極化曲線可獲得一些重要參數，將其列于表4中。

Fe含量為0.15%（w）時，接頭熱影響區的自腐蝕電流為0.3428 mA，極化電阻為1934.2 Ω；Fe 含量為0.10%（w）時，接頭熱影響區的自腐蝕電流為8.678μA，極化電阻為2 431.0 Ω；Fe 含量為0.01%（w）時，接頭熱影響區的自腐蝕電流為6.052 μA，極化電阻為3 702.9 Ω。由此可知，隨著Fe 含量的降低，合金的自腐蝕電流逐漸減小，單位面積上的線性極化電阻增大，說明隨著Fe 含量降低，2219 鋁合金焊接接頭的耐腐蝕性能增強。

表4 不同Fe含量2219鋁合金焊接熱影響區的極化曲線參數Tab.4 Polarization parameter of 2219 Al alloy welding heat affected zone with different Fe content

3 分析與討論

Fe 元素是2219 鋁合金中的主要雜質元素。由于Fe 在鋁合金中的溶解度很低，它在合金中一般以Al7Cu2（Fe，Mn）等粗大第二相的形式存在，其形貌和體積無法通過均勻化或固溶處理改變。在焊接時，在焊接過程中由于溫度較高，導致合金近縫區熔化、局部區域晶界及低熔點共晶相發生液化，凝固后析出粗大Al7Cu2（Fe，Mn）相。Al7Cu2（Fe，Mn）相屬于硬脆相，與鋁基體界面結合能力差，易在基體中引起應力集中，促使裂紋在該相周圍萌生，在拉應力作用下很容易開裂，對材料造成連續性破壞，顯著降低塑性。此外，從拉伸斷口形貌可以看出，隨著Fe含量的降低，韌窩數量逐漸增多，尺寸細小，且斷口中夾雜的粗大第二相粒子減少。因此，隨著Fe含量的降低，2219 鋁合金焊接接頭殘余的Al7Cu2（Fe，Mn）相數量減少，從而提高了焊接接頭的抗拉強度、屈服強度及延伸率。

對于2219 鋁合金的腐蝕行為，不同相的作用機理不盡相同。從電化學角度上講，當合金的鈍化膜在腐蝕溶液中遭到局部破壞時，被破壞而裸露的基體金屬和未遭到破壞的鈍化膜之間形成鈍化-活化腐蝕電池，鈍化表面為陰極，裸露的基體金屬為陽極且優先溶解，形成蝕孔源。在不同Fe 含量2219 鋁合金接頭腐蝕試驗中，由于熱影響區及母材區內存在不同數量的Al7Cu2（Fe，Mn）相，且強化相數量較多，這些區域優先成為陽極，發生溶解，導致合金接頭發生了不同程度的剝落腐蝕。同時，在不同Fe 含量2219鋁合金接頭熱影響區電化學試驗中，Al7Cu2（Fe，Mn）屬于陰極相，合金發生點蝕的位置主要集中在基體與第二相的界面處。隨著Fe 含量的降低，合金接頭的耐腐蝕性能提高，其原因是減少了合金接頭的Al7Cu2（Fe，Mn）相，從而降低了接頭的腐蝕傾向。

因此，針對現有GB/T 3190—2008中規定了2219鋁合金中Fe的上限為0.30%（w）情況下，在實際應用中，應該盡量降低Fe 含量，以提高鍛件的強度、塑性和耐蝕性能。

4 結論

（1）降低Fe 含量，合金的纖維狀相數量Al7Cu2（Fe，Mn）相顯著減少，提高鍛件強度和塑性。

（2）當Fe 含量由0.15%（w）降至0.01%（w）時，焊接接頭的抗拉強度由238 MPa 增大至288 MPa；延伸率由3.6%增大至8.5%，提高了近1.4倍。主要原因Fe 含量減少顯著減少了焊后Al7Cu2（Fe，Mn）殘余結晶數量。

（3）隨著合金中Fe含量的降低，合金焊接接頭的耐腐蝕性能得到提高。