2219铝合金大型异形环锻件轧制及胀形工艺研究

2022-03-22杨家典康明刘君王清胡宝常开富

金属加工(热加工) 2022年3期

杨家典，康明，刘君，王清，胡宝，常开富

1.贵州航宇科技发展股份有限公司贵州贵阳 550081

2.西安航天动力机械有限公司陕西西安 710100

1 序言

2219是一种高强铝合金，具有比强度高，低温和高温力学性能好，断裂韧性高，以及抗应力腐蚀性能和机械加工性能好等特点，因而在航天和航空发动机上得到广泛的应用，工作温度一般为－270～300℃[1]。根据航天领域发展的需要，对2219铝合金大型环形锻件的力学性能要求有所提高，按照原来轧制成形工艺难以达到要求的力学性能指标，并且零件最终加工后使用最薄壁厚为1～2mm，整圈环绕拉槽，加工过程变形较大，难以满足加工要求，生产成本高。本文通过对2219铝合金大型环形锻件轧制+冷胀形成形工艺的研究，获得该铝合金大型环形锻件的制造工艺，不仅提高了锻件的力学性能，而且改善了零件机械加工的变形。

2 试验用料及试验方案

2.1 试验用料

试验用原材料采用南南铝业股份有限公司生产的φ530mm圆锭，化学成分见表1。

表1 2219铝合金化学成分（质量分数）（%）

2.2 试验方案

2219铝合金环形锻件最终轧制成形尺寸为φ2102mm×φ1830mm×460mm，内径异形，下料尺寸φ530mm×1006mm，试验数量共4件，其中轧制成形并经标准热处理1件，轧制+固溶+冷胀形+人工时效（不同冷胀形量共3件），坯料经过改锻、制坯、环轧或环轧+冷胀形成形，具体试验方案见表2，胀形机如图1所示，锻件实物如图2所示。

图1 胀形机

图2 锻件实物

表2 试验方案

3 试验结果

3.1 力学性能测试结果

将上述1～4号锻件取样进行力学性能测试，三个方向的拉伸性能测试结果见表3。

表3 力学性能测试结果

由上述三个方向室温拉伸性能测试数据可知，固溶后未经过冷胀形的锻件力学性能较低；固溶后经过冷胀形的锻件力学性能较高，冷胀形量从1%增大至5%，抗拉强度和屈服强度均逐步提高，伸长率呈下降的趋势。

3.2 组织测试结果

对1～4号试件取环切弦向试样进行金相组织检查，结果如图3～图6所示。

图3 1号试件

图5 3号试件

图6 4号试件

从上述高倍观察可知，固溶后未经过冷胀形的锻件组织呈近似等轴状态；固溶后经过冷胀形的锻件组织呈拉长状态，冷胀形量从1%增大至5%，拉长状态明显。

3.3 锻件粗加工、精加工变形结果

理化测试后，首先将上述试验方案的锻件取环全部用于粗加工，结果见表4；然后，交付西安航天动力机械有限公司进行精加工成复杂异形零件，结果见表5。粗加工和精加工的方法一致。

表4 粗加工结果

表5 精加工结果

从上述粗加工和精加工结果可知，固溶后未经冷胀形的锻件粗加工变形较大，固溶后经过冷胀形的锻件粗加工变形较小，冷胀形量从1%增大至5%，粗加工和精加工变形逐步减小。

4 试验结果分析

4.1 力学性能结果分析

固溶后未经冷胀形的锻件力学性能较低；经过固溶后冷胀形的锻件力学性能较高，冷胀形量从1%增大至5%，室温抗拉强度和屈服强度均逐步提高，但伸长率呈下降的趋势。分析其原因是2219铝合金强化相主要为θ′相，而固溶后未进行冷胀形锻件基体内部缺陷较少，且缺陷分布随机，从而导致在时效过程中θ′相形核数量不多[2]；固溶后经过冷胀形的锻件，在基体中会产生较多的缺陷，比如空位和位错，在随后的时效处理中，由于这些缺陷的自由能高，弥散θ′相优先在这些位置形核并均匀长大，所以析出相的体积分数大，对晶界迁移、位错滑移的阻力越大，其强化效果越明显，同时θ′相的粗化生长和分布稀疏也会导致伸长率下降[3]。

4.2 粗加工、精加工结果分析

锻件经粗加工和精加工，固溶后未经冷胀形的锻件粗加工变形较大，固溶后经过冷胀形的锻件粗加工变形较小，冷胀形量从1%增大至5%，粗加工和精加工变形逐步减小。分析其原因是冷胀形改变了锻件组织取向，改变了锻造和固溶的内部组织应力分布。未经冷胀形的锻件组织呈近似等轴状，保留着原来锻造及固溶遗留的不均匀应力，应力大的位置将扩张或收缩，导致变形较大；而固溶后经过冷胀形的锻件组织应力不一定会减小，有可能会更大，但内部组织应力分布相对较均匀。由图4～图6可知，由于组织随着胀形和胀形量增大将变成拉长、拉直状态，晶粒取向接近，所以保证了组织应力相对均匀，加工过程变形较小。