文/龚忠兴，王攀智，杨旭，邹朝江·贵州航宇科技发展股份有限公司

冷变形是提高时效硬化型铝合金的力学性能的有效手段，变形量的大小是影响铝合金力学性能的重要因素。本文对轧制后铝合金环件进行固溶，然后在不同冷胀形变形量（0%、2%、3%、4%、5%）下对铝合金环件进行胀形，最后分别在不同时效制度下时效，通过室温拉伸测试测试，结果对比获得2219环件力学性能的最优变形量。结果表明：在时效前添加冷胀形，能降低2219强化相的析出温度；随着冷胀形变形量的增加，力学性能不断增加，但延伸率逐渐降低，当冷胀形变形量达到5%时，力学性能上升趋势较平缓，几乎没有多大的变化；当冷胀形变形量为4%，时效制度为170℃×12h时，2219环件综合力学性能最佳，其抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为440MPa、353MPa和14%。

2219铝合金是美国铝业公司在20世纪50年代后期开始研制的一种耐热、可焊、高强的Al-Cu系列可热处理强化型铝合金，合金主要强化元素为铜，其他元素如锰、锆、钛等可以提高合金的综合性能，其强度高、可加工性好、耐腐蚀性强、焊接性能优良，低温韧性良好，被广泛应用于航空航天工业。现某客户的锻件要按照美国宇航标准AMS4144进行交付，交付状态为T851态(固溶+冷胀形+时效)，热处理制度按照AMS2772执行，冷胀形变形量按照2%～5%进行控制；铝合金可以通过固溶使合金内的可溶相充分溶解，使强化组元在合金中得到最大限度溶解并固定保存到室温，得到固溶强化的效果；铝合金通过时效可以将第二相从固溶体中析出引起强化现象，又被称为沉淀强化或析出强化；在固溶、时效中对铝合金进行冷变形，铝合金会随着塑性变形量的增加，位错度增加，变形抗力增大，使得晶粒变形、破碎，亚晶界阻止位错发生，达到冷作硬化的效果，使得强度得到提高；因此通过研究不同冷变形变形量及时效制度对2219性能的影响，找出力学性能最佳的变形量及时效制度。本文主要研究0%、2%、3%、4%、5%这5种变形量分别在170℃、177℃×12h时效制度下对力学性能的影响。

2219强化机理

2219作为Al-Cu-Mn合金，强化相主要是Al基体、CuAl2和CuMn2Al12，铝合金在固溶时同时进行两个相反的过程：一个过程是Al基体+CuAl2及Al基体+CuAl2+ CuMn2Al12的共晶组织固溶入Al基体，在固溶后得到Al基体过饱和固溶体，在时效时使合金强化。另一个过程是从Al基体固溶体中分解析出含Mn相的CuMn2Al12的，并呈点状弥散分布在Al基体上，使合金热处理后在室温下具有较高的强度和耐热性。

实验方案

本文使用从南南铝业股分有限公司采购的2219铝合金棒材，其主要化学成分见表1。经过拔长→镦粗→冲孔→马架扩孔平端面→轧制工序生产出环轧件，再经过固溶，冷胀形，时效热处理后切取试样进行室温拉伸测试，根据实验结果进行分析、总结。

表1 实验用2219化学成分

实验件生产

将南南铝棒材进行下料，下料数：2件，在800t快锻机上进行拔长→镦粗→冲孔→马架扩孔，在φ500mm轧机上进行轧制成形，成形尺寸：φ280mm×φ220mm×90mm；将最终轧好的锻件按φ280mm×φ220mm×25mm进行切分，共5件，将所有试环一起进行固溶。

固溶参数的选取

根据Al-Cu-Mn系合金平衡图(图1)，及合金的化学成分，当合金冷却至547℃时发生共晶转变，L→Al基体+CuAl2+ CuMn2Al12，此时合金处于三相区内，合金的最大固溶度是5.7%，理论上在平衡冷却过程中，随温度的降低合金的固溶度下降，在室温下合金的固溶度只有0.05%左右，但在实际生产中，固溶后通常采取快速冷却的方式，抑制扩散性转变。快速冷却也为了合金具有最大的抗腐蚀性能，若固溶冷却速度过慢，则会导致铝合金对晶间腐蚀格外敏感，这样不利于铝合金的进一步加工和利用；结合AMS4144中推荐的固溶温度：529～541℃，因此选择固溶温度为535℃，时间根据环件有效壁厚而定，选择90～96min，水冷。

图1 Al-Cu-Mn系合金靠铝角相区分布

冷胀形及时效方案

将固溶后的5个试环标识A、B、C、D、E,然后将试环分别按表2实验方案进行冷胀形及时效，冷胀形设备为300t胀形机，胀形机见图2，使用胀形机胀形可以实现环件在径向的胀形受力均匀，尽可能消除环件的变形差异，提高环件一致性。

表2 2219冷胀形及时效方案

图2 300t胀形机

实验结果

在固溶、冷胀形、时效后的试环上分别切取弦向试样进行拉伸测试，测试结果见表3及图3。

表3 室温拉伸测试结果

图3 不同变形量及时效制度对2219性能的影响

从表3和图3结果可以看出，对比同一胀形量，170℃时效后的强度高于177℃时效后的结果，塑性变形两个时效制度相当，差异不大；当同一时效制度下，铝合金强度随着变形量的增加而增加，达到4%后强度、塑性表现得最好，超过4%的变形量后强度、塑性均有下降的趋势，因此2219冷胀形变形量及时效制度推荐3%～4%之间，时效制度推荐170℃×12h。

分析与讨论

AMS4144要求2219交付状态为固溶+冷变形+时效，由实验结果可知，当变形量为0%时，即固溶后直接进行时效状态，该状态下的测试结果是不能满足规范验收要求的；当铝合金受到冷变形时，位错度增加，变形抗力增大，使得晶粒变形，破碎，亚晶界阻止位错发生，达到冷作硬化的效果，使得强度得到提高；除此之外，时效前增加冷变形还会降低强化相CuMn2Al12的析出温度，冷变形也会加快强化相CuMn2Al12的析出和转化效率，合金中析出相转化为CuMn2Al12的时间随着变形量的增加而减小，因此在同一变形量下，170℃要比177℃时效下的强度要高，CuAl2聚集的更多，析出CuMn2Al12越多，使得合金的力学性能更好。

结论

(1)2219经过固溶后在受到冷变形时，能起到冷作硬化的效果，使得强度得到提高，随着变形量的增加，在一定范围内合金强度呈线性增长，塑性降低。

(2)2219合金时效前增加冷变形能降低强化相的析出温度。

(3)2219合金按照AMS4144进行验收时，冷胀形量按4%进行控制，时效制度按170℃×12h进行，能得到较优的综合力学性能，且通过胀形的锻件后续生产一致性较好。