高強度、低各向異性2195鋁鋰合金環(huán)筒形鍛件鍛造及熱處理工藝研究

宮 成,王 兵,史月龍,單嗣宏, 張 豪

(1.天津航天長征技術(shù)裝備有限公司,天津 300462;2.首都航天機械有限公司,北京 100076;3.江蘇豪然噴射成形技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

2195鋁鋰合金具有低密度、高強度、高模量、可焊性的特點,目前主要用于飛船承力結(jié)構(gòu)件和武器末級上,用其代替?zhèn)鹘y(tǒng) 2219鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～15%,強度提升30%。但該材料在鍛造生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)各向異性差、熱處理調(diào)控難、晶粒難以細(xì)化和混晶等問題。目前國外對于2195鋁鋰合金環(huán)筒件已應(yīng)用到運載火箭貯箱和過渡段上,國內(nèi)某鋁廠已成功生產(chǎn)出5m級2195鋁鋰合金環(huán),但各向異性差的問題依然未能解決,這些問題的出現(xiàn)難以滿足宇航產(chǎn)品嚴(yán)苛的服役條件。

1 2195鋁鋰合金環(huán)筒形鍛件生產(chǎn)技術(shù)難題

1.1 產(chǎn)品各向異性較為嚴(yán)重

2195鋁鋰合金環(huán)筒形殼段產(chǎn)品在鍛壓和熱處理過程中,受制造過程和熱處理制度的影響,容易沿晶界析出δ′相-A13Li 非共格相、θ′相和 T1(Al2CuLi)相[1-3],其中T1相是 2195鋁鋰合金的主要強化相,在晶內(nèi)主要呈現(xiàn)為長針狀。這些定向析出的第二相會在晶界聚集,此外晶粒容易沿環(huán)向被拉長,條狀析出帶也沿環(huán)向分布,導(dǎo)致環(huán)向性能裕度較大,而徑軸向性能遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求,如圖1和表1所示。

表1 某2195產(chǎn)品三向力學(xué)性能實測值

圖1 鍛件內(nèi)部被拉長的晶粒組織

1.2 晶粒難以有效細(xì)化

鑄錠在開坯、沖孔后和擴孔過程中存在易變形區(qū)、難變形區(qū)和變形死區(qū),不同變形程度和變形溫度部位容易形成晶粒大小不一致的情況,熱處理時由于鍛造加工歷史原因,晶粒粗大、均勻性差和晶粒環(huán)向被拉長的現(xiàn)象時有發(fā)生,如圖2所示。

圖2 粗大、均一性差的晶粒組織

1.3 制件對冷變形和時效制度較為敏感,性能調(diào)控困難

2195鋁鋰合金在固溶和時效之間通常要引入冷變形工序。研究表明[4-6],2195合金元素較高,形成第二相種類多且能夠相互轉(zhuǎn)化,冷變形工序能夠引入大量位錯并形成更多的空位,會有效促進(jìn)時效強化相的沉淀析出,且冷變形工序能夠減輕鍛件產(chǎn)品在鍛造和熱處理過程中的內(nèi)應(yīng)力,降低加工過程中尺寸超差的風(fēng)險。但冷變形量若和時效制度匹配不當(dāng)常常會出現(xiàn)過時效或者欠時效的現(xiàn)象(圖3),嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。

圖3 過時效狀態(tài)2195產(chǎn)品的高倍組織情況

2 生產(chǎn)工藝策劃

此次試制產(chǎn)品為2195鋁鋰合金環(huán)筒形鍛件,共投產(chǎn)兩件,產(chǎn)品驗收尺寸如圖4所示。鋁錠是某公司生產(chǎn),噴射錠規(guī)格Φ850mm,后在新疆某企業(yè)擠壓成Φ540mm規(guī)格棒材。此件產(chǎn)品形狀為“工”字型,要求交付狀態(tài)為T852態(tài),產(chǎn)品形狀給冷變形帶來一定困難,冷變形采用軸向冷壓和徑向冷壓相結(jié)合的方式。2195鋁鋰合金筒形鍛件產(chǎn)品驗收指標(biāo),環(huán)向:Rm≥520MPa,Rp0.2≥480MPa,A≥6.0%,軸向:Rm≥490MPa,Rp0.2≥440MPa,A≥5.0%,徑向:Rm≥470MPa,Rp0.2≥410MPa,A≥4.0%?？梢钥闯?鍛件產(chǎn)品三向性能要求較高,且要求一定的各向同性。

圖4 2195環(huán)筒鍛件產(chǎn)品零件包絡(luò)尺寸

2195鋁鋰合金主要強化方式為細(xì)晶強化和第二相強化相結(jié)合的方式,為達(dá)到細(xì)晶強化的目的,在終鍛最后環(huán)節(jié)即馬架擴孔時采用中低溫變形的方式,既能增加變形儲能為后續(xù)熱處理形核提供驅(qū)動力,又能在組織內(nèi)形成大量位錯及胞狀亞結(jié)構(gòu)阻礙晶粒進(jìn)一步長大。三向冷變形可以較好促進(jìn)時效時第二相的析出[7-9],又可以減輕產(chǎn)品內(nèi)部的殘余應(yīng)力,因此冷變形選擇軸向冷壓加徑向冷壓的方式,可以更好發(fā)揮材料的性能。本次投產(chǎn)兩件產(chǎn)品選擇不同的冷變形和時效工藝,進(jìn)一步探究冷變形與時效工藝的良好匹配關(guān)系,力求獲得最佳的產(chǎn)品力學(xué)性能。

3 鍛造及熱處理生產(chǎn)

3.1 鍛造開坯、沖孔及擴孔

本次投產(chǎn)的兩件產(chǎn)品(0016#和0024#)原材料尺寸為Φ540mm×1550mm。其中,0024#產(chǎn)品鍛造采用三墩三拔加軸向墩粗的方式(圖5),保證三向都能均勻充分變形,為再結(jié)晶細(xì)化組織做儲能準(zhǔn)備,且三向均勻變形能夠有效減輕組織的各向異性;而0016#產(chǎn)品鍛造開坯僅采用一次鐓粗完成。兩件產(chǎn)品軸向鐓粗時均要保證壓機壓下速率在8mm/s以下,壓下速率過快容易形成折疊和變形不均勻,鍛造成形前模具要充分預(yù)熱,否則會出現(xiàn)因坯料溫度不均勻而引起局部褶皺和折疊的現(xiàn)象,如圖6所示。

圖5 多向鍛造開坯原理示意

圖6 2195鍛件表面褶皺與折疊

開坯后擴孔采用中低溫變形的方式,擴孔溫度在 240℃～260℃,擴孔時壓機單次壓下量為10mm～12mm,保證變形對產(chǎn)品的穿透能力即能夠鍛透。采用中低溫作為終鍛最后變形工序的原因是,中低溫變形不但能夠引入大量位錯和亞結(jié)構(gòu),而且未再結(jié)晶的變形組織會在后續(xù)熱處理再結(jié)晶時提供形核質(zhì)點和變形儲能,為細(xì)化晶粒做準(zhǔn)備。

3.2 熱處理

通過先前淬火實驗組織和性能分析,2195鋁鋰合金有效淬火厚度不足90mm,為保證淬火有效性,將矩形截面鍛件按照零件包絡(luò)尺寸加工成“工”字形,如圖7所示。

為驗證冷變形量與時效時間的匹配關(guān)系,兩件產(chǎn)品冷變形量與時效制度并不相同,通過徑向冷壓+軸向冷壓的方式保證兩件產(chǎn)品內(nèi)外徑及高度尺寸均為Φ1525mm×1235mm×350mm。時效溫度150℃±10℃,0024#產(chǎn)品保溫時間35h±1h,0016#產(chǎn)品保溫時間45h±1h。2195鋁鋰合金時效保溫時間根據(jù)冷變形量確定,0024#產(chǎn)品冷變形量大,時效析出及第二相形核驅(qū)動力強,時效時間也較 0016#產(chǎn)品短,能更快達(dá)到峰值時效。

4 組織性能結(jié)果分析

對零件工藝余量部位進(jìn)行三向取樣,包括拉伸試棒和高低倍組織。

4.1 性能結(jié)果分析

表2為0024#和0016#兩件產(chǎn)品的力學(xué)性能實測值?？梢钥闯?兩件產(chǎn)品力學(xué)性能無論是強度還是延伸率,差異均較大,說明鍛造開坯工藝、冷變形量和時效時間對產(chǎn)品的影響較大;鍛件產(chǎn)品三向性能要求較高,且要求一定的各向同性。

表2 兩件2195產(chǎn)品三向力學(xué)性能實測值

(1)0024#產(chǎn)品抗拉強度、屈服強度最大差值分別是41MPa和51MPa,延伸率相差2%,綜合來看對于高強鋁合金,各向異性較小,且強度指標(biāo)均高于驗收要求35MPa以上,說明多向鍛造開坯和相匹配的熱處理及冷變形工藝起了作用。

(2)0016#產(chǎn)品各方向指標(biāo)不但散差較大,且出現(xiàn)了強度與塑性倒掛的現(xiàn)象,從指標(biāo)來看與產(chǎn)品欠時效的狀態(tài)類似。

4.2 組織分析

0024#、0016#產(chǎn)品高倍組織如圖8所示,0024#產(chǎn)品能譜分析如圖9所示。

圖8 0024#和0016#產(chǎn)品熱處理后高倍組織

圖9 0024#產(chǎn)品熱處理后掃描組織、析出相圖譜與能譜分析

從0024#高倍組織可以看出,其切-軸向(T-A)晶粒已明顯細(xì)化,說明在多向鍛造時動態(tài)再結(jié)晶較為充分,個別部位生成了細(xì)小的亞晶,這對于降低產(chǎn)品各向異性起了較大作用。而 0016#產(chǎn)品因鍛造開坯不充分,晶粒細(xì)化程度不好,同時出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象,且第二相顆粒粗大、未完全溶解在晶粒內(nèi),從而在熱處理時未發(fā)生彌散強化作用,而晶粒后續(xù)熱處理過程中也未改善均一性差、各向異性嚴(yán)重的問題,這一點從產(chǎn)品性能表2中也可以看出。2195鋁鋰合金鍛后熱處理時,析出的主要強化相為 T1(AlCuLi)相、球狀δ′相-Al3Li及θ′強化相Al2Cu[10]。通過對圖9(a)(c)晶內(nèi)和晶界的析出相能譜分析可知,有T1(Al2CuLi)相、球狀δ′相-Al3Li及θ′強化相Al2Cu析出,這些強化相的析出與多向鍛造制坯、冷變形和時效工藝的調(diào)控是分不開的,強化相不但能夠改善合金的斷裂韌性,且能夠提升合金的綜合力學(xué)性能[11]。

5 結(jié)論

(1)通過對大規(guī)格2195鋁鋰合金噴射態(tài)擠壓棒材進(jìn)行高溫多向鍛造開坯,進(jìn)一步提升了材料的致密度,消除了擠壓成形時形成的定向纖維組織、減輕各項異性,且能夠充分細(xì)化晶粒、促進(jìn)第二相更多溶入晶粒內(nèi)部。

(2)中低溫擴孔作為2195鋁鋰合金筒形件鍛造時的最后工序,累計形變能夠為再結(jié)晶形核提供能量,為后續(xù)熱處理工序做組織準(zhǔn)備。同時低溫變形時引入的大量位錯能夠進(jìn)一步阻礙晶粒的長大。

(3)對兩件2195鋁鋰合金筒形件使用了不同的鍛造與熱處理工藝,即通過調(diào)控兩件筒形產(chǎn)品的鍛造方式、固溶后冷變形量和時效工藝參數(shù),得到了滿足驗收要求的三向性能指標(biāo),0024#產(chǎn)品的各向異性明顯減輕。