2219鋁合金大型異形環(huán)鍛件軋制及脹形工藝研究

楊家典，康明，劉君，王清，胡寶，常開富

1.貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司 貴州貴陽(yáng) 550081

2.西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司 陜西西安 710100

1 序言

2219是一種高強(qiáng)鋁合金，具有比強(qiáng)度高，低溫和高溫力學(xué)性能好，斷裂韌性高，以及抗應(yīng)力腐蝕性能和機(jī)械加工性能好等特點(diǎn)，因而在航天和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，工作溫度一般為－270～300℃[1]。根據(jù)航天領(lǐng)域發(fā)展的需要，對(duì)2219鋁合金大型環(huán)形鍛件的力學(xué)性能要求有所提高，按照原來(lái)軋制成形工藝難以達(dá)到要求的力學(xué)性能指標(biāo)，并且零件最終加工后使用最薄壁厚為1～2mm，整圈環(huán)繞拉槽，加工過(guò)程變形較大，難以滿足加工要求，生產(chǎn)成本高。本文通過(guò)對(duì)2219鋁合金大型環(huán)形鍛件軋制+冷脹形成形工藝的研究，獲得該鋁合金大型環(huán)形鍛件的制造工藝，不僅提高了鍛件的力學(xué)性能，而且改善了零件機(jī)械加工的變形。

2 試驗(yàn)用料及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用原材料采用南南鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的φ530mm圓錠，化學(xué)成分見表1。

表1 2219鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗(yàn)方案

2219鋁合金環(huán)形鍛件最終軋制成形尺寸為φ2102mm×φ1830mm×460mm，內(nèi)徑異形，下料尺寸φ530mm×1006mm，試驗(yàn)數(shù)量共4件，其中軋制成形并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理1件，軋制+固溶+冷脹形+人工時(shí)效（不同冷脹形量共3件），坯料經(jīng)過(guò)改鍛、制坯、環(huán)軋或環(huán)軋+冷脹形成形，具體試驗(yàn)方案見表2，脹形機(jī)如圖1所示，鍛件實(shí)物如圖2所示。

圖1 脹形機(jī)

圖2 鍛件實(shí)物

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

將上述1～4號(hào)鍛件取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，三個(gè)方向的拉伸性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由上述三個(gè)方向室溫拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)可知，固溶后未經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件力學(xué)性能較低；固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件力學(xué)性能較高，冷脹形量從1%增大至5%，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐步提高，伸長(zhǎng)率呈下降的趨勢(shì)。

3.2 組織測(cè)試結(jié)果

對(duì)1～4號(hào)試件取環(huán)切弦向試樣進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 1號(hào)試件

圖5 3號(hào)試件

圖6 4號(hào)試件

從上述高倍觀察可知，固溶后未經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件組織呈近似等軸狀態(tài)；固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件組織呈拉長(zhǎng)狀態(tài)，冷脹形量從1%增大至5%，拉長(zhǎng)狀態(tài)明顯。

3.3 鍛件粗加工、精加工變形結(jié)果

理化測(cè)試后，首先將上述試驗(yàn)方案的鍛件取環(huán)全部用于粗加工，結(jié)果見表4；然后，交付西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司進(jìn)行精加工成復(fù)雜異形零件，結(jié)果見表5。粗加工和精加工的方法一致。

表4 粗加工結(jié)果

表5 精加工結(jié)果

從上述粗加工和精加工結(jié)果可知，固溶后未經(jīng)冷脹形的鍛件粗加工變形較大，固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件粗加工變形較小，冷脹形量從1%增大至5%，粗加工和精加工變形逐步減小。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 力學(xué)性能結(jié)果分析

固溶后未經(jīng)冷脹形的鍛件力學(xué)性能較低；經(jīng)過(guò)固溶后冷脹形的鍛件力學(xué)性能較高，冷脹形量從1%增大至5%，室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐步提高，但伸長(zhǎng)率呈下降的趨勢(shì)。分析其原因是2219鋁合金強(qiáng)化相主要為θ′相，而固溶后未進(jìn)行冷脹形鍛件基體內(nèi)部缺陷較少，且缺陷分布隨機(jī)，從而導(dǎo)致在時(shí)效過(guò)程中θ′相形核數(shù)量不多[2]；固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件，在基體中會(huì)產(chǎn)生較多的缺陷，比如空位和位錯(cuò)，在隨后的時(shí)效處理中，由于這些缺陷的自由能高，彌散θ′相優(yōu)先在這些位置形核并均勻長(zhǎng)大，所以析出相的體積分?jǐn)?shù)大，對(duì)晶界遷移、位錯(cuò)滑移的阻力越大，其強(qiáng)化效果越明顯，同時(shí)θ′相的粗化生長(zhǎng)和分布稀疏也會(huì)導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降[3]。

4.2 粗加工、精加工結(jié)果分析

鍛件經(jīng)粗加工和精加工，固溶后未經(jīng)冷脹形的鍛件粗加工變形較大，固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件粗加工變形較小，冷脹形量從1%增大至5%，粗加工和精加工變形逐步減小。分析其原因是冷脹形改變了鍛件組織取向，改變了鍛造和固溶的內(nèi)部組織應(yīng)力分布。未經(jīng)冷脹形的鍛件組織呈近似等軸狀，保留著原來(lái)鍛造及固溶遺留的不均勻應(yīng)力，應(yīng)力大的位置將擴(kuò)張或收縮，導(dǎo)致變形較大；而固溶后經(jīng)過(guò)冷脹形的鍛件組織應(yīng)力不一定會(huì)減小，有可能會(huì)更大，但內(nèi)部組織應(yīng)力分布相對(duì)較均勻。由圖4～圖6可知，由于組織隨著脹形和脹形量增大將變成拉長(zhǎng)、拉直狀態(tài)，晶粒取向接近，所以保證了組織應(yīng)力相對(duì)均勻，加工過(guò)程變形較小。

圖4 2號(hào)試件

5 結(jié)束語(yǔ)

1）2219鋁合金大型異形環(huán)鍛件固溶后經(jīng)冷脹形的強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)于固溶后未經(jīng)冷脹形的鍛件，脹形量越大越明顯，伸長(zhǎng)率略有下降。

2）2219鋁合金大型異形環(huán)鍛件固溶后經(jīng)冷脹形的組織呈拉長(zhǎng)狀態(tài)，冷變形量越大，拉長(zhǎng)狀態(tài)越明顯；而固溶后未經(jīng)冷脹形鍛件組織呈近似等軸狀態(tài)。

3）2219鋁合金大型異形環(huán)鍛件經(jīng)粗加工和精加工，未經(jīng)冷脹形的鍛件粗加工變形較大，經(jīng)過(guò)固溶后冷脹形的鍛件粗加工變形較小，冷脹形量從1%增大至5%，粗加工和精加工變形逐步減小。

4）2219鋁合金大型異形環(huán)鍛件采用的軋制成形+固溶+冷脹形+人工時(shí)效工藝，有效地解決了零件機(jī)械加工變形較大的難題，并提高了鍛件的力學(xué)性能。