尹旭妮 周 理 劉玉振 范 彬 熊志宏

（湖南城市學院機械與電氣工程學院，益陽 413000）

文 摘 為研究2219鋁合金在蠕變時效成形過程中，不同應力狀態(tài)（拉/壓）對其蠕變行為的影響規(guī)律，采用室溫拉伸的方法研究了165～185℃內(nèi)單軸拉/壓2219鋁合金力學性能的變化。結(jié)果表明：最佳蠕變時效時間為11 h；在相同的時效制度下，拉/壓應力蠕變變形量均隨著溫度的升高而增加，拉應力的蠕變變形量始終大于壓應力的蠕變變形量；無論是拉/壓應力蠕變時效還是無應力常規(guī)時效，其時效后的性能均隨著溫度的升高而降低，然而，拉應力時效后性能的下降幅度最為明顯；最后，在時效溫度為165℃時，不同應力狀態(tài)下的各項性能指標均表現(xiàn)為最佳。

0 引言

2219鋁合金是一種耐高溫、焊接性能優(yōu)良、高低溫力學性能穩(wěn)定、抗應力腐蝕強、可熱處理強化的Al-Cu 系鋁合金，在貯箱結(jié)構(gòu)材料選用已完全取代2014 鋁合金［1-2］。目前，2219 鋁合金在儲藏液氮液氧的貯箱、飛行器殼體、飛機蒙皮壁板等部件上有著廣泛的應用［3］。2219 鋁合金的長達幾十米的蒙皮和整體壁板成型成為了難題，為此，蠕變時效成型技術(shù)應運而生，蠕變時效成形技術(shù)成功實現(xiàn)了材料蠕變與時效熱處理的同步進行［4-5］。蠕變時效成型技術(shù)過程可分為3 個階段［6-7］：（1）加載階段，首先將待成形鋁合金試件放置于根據(jù)構(gòu)件形狀尺寸設計好的模具上，將試件與模具型面封裝、抽真空，使試件和模具型面緊密貼合；（2）時效階段，將試件推入熱壓罐，加熱到目標溫度，當熱壓罐內(nèi)保證一定的真空度，試件表面的溫度維持恒定，試件發(fā)生彎曲等彈性變形與模具成形面完全貼合，使試件與模具貼合一段時間，這期間試件材料受到了蠕變、時效和應力松弛等多種機制的共同影響，材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)和各力學性能均會發(fā)生顯著變化；（3）卸載階段，時效結(jié)束后，卸除施加的載荷，試件發(fā)生自由回彈并冷卻到室溫，其時效成形工藝流程如圖1所示。

圖1 蠕變時效成形技術(shù)工藝流程Fig.1 Creep aging forming process

有大量的學者基于2系鋁合金的時效時間、時效溫度、預變形的引入對蠕變時效過程3個階段開展了相關(guān)機理研究，但這些研究大部分都是基于單軸拉應力條件下的蠕變時效行為［8-10］。而蠕變時效成形第二階段時效階段紅色區(qū)域位置的拉壓受力，構(gòu)件蠕變時效成型時由于壁板彎曲，壁板凸面受拉應力作用，凹面受壓應力作用，中間某截面處會處于無應力狀態(tài)。因此，同時研究2219 鋁合金的單軸拉伸/壓縮應力下的蠕變行為及力學性能變化特點，本文能為2219鋁合金在工程應用上如大型構(gòu)件蠕變時效成形的工藝制定提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與方案

依據(jù)珠海某公司生產(chǎn)的高溫蠕變實驗機的產(chǎn)品規(guī)格，按照GB/T 2039—1997［11］設計標準拉伸蠕變試樣與壓縮蠕變試樣，拉伸蠕變實驗前期做了大量的研究［8，12］，設計的壓縮蠕變試樣尺寸見圖2。壓縮蠕變試樣在自行設計的壓縮蠕變實驗工裝的反向器上裝夾實驗，反向器的設計成功的將拉應力轉(zhuǎn)化成壓應力。保證了在同一臺試驗機上進行拉壓蠕變時效不同應力狀態(tài)或時效溫度下的蠕變時效實驗的可比性。

圖2 壓縮蠕變試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of compressive creep specimen size

為研究合金在拉應力或壓應力蠕變時效行為及性能特點，在蠕變實驗前需要對試樣進行去毛刺、打磨、固熔強化及淬火處理［8，13］。2219鋁合金的最佳固溶溫度535℃，厚度為2 mm的試樣保溫36 min。用電位差計控制固溶爐溫度，誤差控制在±3℃以內(nèi)，后采用室溫水淬，淬火轉(zhuǎn)移時間不超過35 s，蠕變試驗機上設定其為5℃/min，當其逼近設置目標溫度時，溫度有所波動，并保溫10 min。待保溫時段結(jié)束后，加載裝置自動加載到目標應力直至應力保持不變。實驗選用2219鋁合金熱軋超厚板材，化學成分見表1。

表1 2219鋁合金的主要化學成分表Tab.1 Main chemical compositions of 2219 aluminum alloy wt%

2 結(jié)果分析

2.1 時效工藝參數(shù)的確定

為使2219 鋁合金成形成性效果達到最佳，需要研究不同時效時間以及應力水平對其力學性能的影響。初步選定時效時間為1～13 h，時效應力為0～180 MPa。因硬度的測量對合金的尺寸沒要求，小樣可進行測試，取材較方便，此次研究通過時效硬化曲線直觀表示合金是否具有時效硬化現(xiàn)象，再依據(jù)硬化曲線確定時效的實驗參數(shù)。經(jīng)過時效處理合金目標屈服與抗拉強度分別達350 和440 MPa。參照此目標，并依據(jù)前期研究結(jié)果，開展2219 鋁合金在蠕變溫度165℃下的不同時效時間的屈服強度測量實驗，其測量結(jié)果見圖3?？梢?，不同蠕變時效時間處理后合金的屈服強度隨時間的變化趨勢呈類“拋物線”型。根據(jù)曲線初步確定實驗方案的最佳時效時間，雖然高應力條件下180 MPa/11 h 時屈服強度已呈現(xiàn)下降趨勢，但是考慮到構(gòu)件時效成形過程中蠕變時效基本上是在低應力條件下進行的，最終，確定經(jīng)預處理后的2219蠕變時效試樣的最佳蠕變時效時間為11 h。

圖3 不同應力水平下屈服強度變化曲線Fig.3 Yield strength curves under different stress levels

當蠕變應力為120 MPa、時效時間為11 h 時，2219鋁合金的屈服強度達到峰值為386.6 MPa，而且該應力條件下的任何時刻的屈服強度要明顯高于其他應力時效處理后合金的。該時效溫度下的材料峰值屈服強度已經(jīng)遠遠高于目標屈服強度350 MPa。

2.2 蠕變時效行為

前期經(jīng)過大量反復的實驗探索，綜合考慮蠕變時效的實驗效率與時效后的材料的力學性能最終確定155～185℃范圍的蠕變時效溫度更為理想。然而，時效溫度為155℃力學性能達峰值時時效時間太長且其峰值屈服強度仍低于380 MPa。而在時效溫度185℃，應力180 MPa 的條件下合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率變化幅度過大；另外該工藝條件下拉應力蠕變時效過程的蠕變機制已發(fā)生改變。綜合考慮，最終取165、175℃兩組溫度對拉應力與壓應力蠕變時效進行對比。

圖4 為預處理態(tài)2219 鋁合金在165、175℃二種恒定溫度下，時效時間11 h 內(nèi)的蠕變曲線。每一組曲線都是3 種不同應力值對應的拉和壓應力狀態(tài)的蠕變應變的結(jié)果?？梢钥闯?，當時效溫度相同時，無論試樣的應力狀態(tài)如何，隨著時效應力的增加，合金的蠕變變形量顯著增加，而蠕變變形量的增加主要表現(xiàn)在各蠕變曲線的蠕變第一階段。此外，當時效溫度、應力大小均相同時，拉應力狀態(tài)下的蠕變變形量大于壓應力狀態(tài)下的蠕變變形量，而且隨著時效應力的增大，二者之間的變形量相差的越來越大。比如在時效溫度165℃，應力為120 MPa時，壓、拉應力狀態(tài)下的蠕變總變形量分別為0.211%和0.343%，拉應力比壓應力的蠕變總變形量增加了62.6%；應力為180 MPa 時，壓、拉應力狀態(tài)下的蠕變總變形量分別為0.542%和0.719%，后者較前者增加了33%。在大型壁板蠕變時效成型時，壁板需求受拉的變形量需要大于受壓的變形量，當前幾組工藝實驗條件下，基本滿足這一要求。無論試樣的應力狀態(tài)如何，蠕變的溫度、時間、應力大小是影響蠕變時效的3個重要因素。

圖4 不同應力下拉和壓應力的蠕變時效曲線Fig.4 Creep aging curves under different tensile and compressive stresses

2.3 力學性能

2.3.1 時效溫度對合金力學性能的影響

圖5 為2219 鋁合金在不同時效溫度常規(guī)時效和拉壓蠕變時效11 h 后的拉伸力學性能。在120 MPa時效應力作用下，拉或壓蠕變時效后的力學性能隨著溫度的升高而降低，常規(guī)時效11 h 的力學性能也隨著溫度的升高而降低。拉伸較壓縮的蠕變時效后的性能對溫度的變化更為敏感，隨著溫度的升高，其性能下降的幅度較大。在蠕變時效溫度由165℃升至185℃時，其屈服強度由386.6 MPa降至337.1 MPa，抗拉強度由468.6 MPa降至433 MPa。壓應力蠕變時效和常規(guī)時效后的性能由于溫度的升高，下降幅度稍小。這是由于拉應力狀態(tài)下蠕變時效對溫度的敏感性更高，溫度增加至185℃已經(jīng)進入過時效階段［14］。

圖5 不同溫度條件下，拉壓不同應力狀態(tài)的力學性能對比Fig.5 Comparison of mechanical properties of different stress states and temperature

由圖5 可知，在165～185℃時，引入應力（拉/壓）的蠕變時效后的抗拉強度基本上大于常規(guī)時效后的，而構(gòu)件時效成形是拉應力、壓應力以及中間層的無應力狀態(tài)同時存在，綜合考慮成形過程中的應力狀態(tài)，為保證成形件后的性能達到最佳狀態(tài)，選165℃的蠕變時效溫度，合金的強化效果最好。

2.3.2 應力大小對合金力學性能的影響

圖6 為拉/壓不同應力下，不同蠕變應力對時效后試樣的力學性能的影響。可見，隨著蠕變實驗應力的增加，拉伸蠕變時效后試樣的屈服強度呈現(xiàn)下降趨勢。而壓縮蠕變時效后試樣的屈服強度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。當應力從120 MPa 增到150 MPa，拉應力蠕變時效后的屈服強度由386.6MPa 降到378.2 MPa。壓應力蠕變時效后的屈服強度由377.5 MPa 升高到381.6 MPa。拉應力時效后的力學性能在實驗應力120 MPa達到最大值，而壓應力時效后的力學性能在應力150 MPa 達到最大值。在較高壓應力水平時（如應力為210 MPa）其蠕變時效后的屈服強度顯著下降，這是時效成形過程必須考慮的關(guān)鍵因素。但是大型壁板在時效成形過程中，蠕變時效成形基本上在低應力水平下進行，所在在某種程度上能避免此現(xiàn)象的發(fā)生。同時，拉應力蠕變時效后的抗拉強度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，而壓應力蠕變時效后的抗拉強度變化不大。

圖6 不同應力水平下，拉/壓不同應力狀態(tài)的力學性能對比Fig.6 Comparison of mechanical properties of different stress states under different stress

3 結(jié)論

（1）蠕變時效溫度為165℃時，在4個應力水平的時效硬化曲線得出在低應力條件下（σ≤120 MPa）最佳蠕變時間為11 h，而較高應力（150～180 MPa）條件下最佳蠕變時間縮短至8 h。綜合考慮構(gòu)件的成形條件，確定2219鋁合金最佳蠕變時效時間為11 h。

（2）在相同的蠕變時效制度下，單軸拉伸應力的蠕變變形量大于單軸壓縮應力的蠕變變形量。在應力大小為120 和180 MPa 時，拉應力較壓應力的蠕變總變形量分別增加62.6%和33%。

（3）單軸拉伸/壓縮應力蠕變時效和無應力常規(guī)時效，拉/壓應力蠕變時效和常規(guī)時效，其時效后的性能均隨著溫度的升高而降低，其中拉應力下降幅度最為明顯約為12.8%。綜合考慮不同應力狀態(tài)下材料的力學性能，確定最佳時效溫度為165℃。