文章编号：1004-0609(2016)-07-1365-07

再时效处理对2219-T6铝合金叉形环显微组织和力学性能的影响

黄元春^{1, 2}，王也君^{1, 2}，肖政兵^{1, 2}，任贤魏^{1, 2}，许天成^{1, 2}，李  音^{1, 2}

 (1. 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083；

2. 中南大学 轻合金研究院，长沙 410083)

摘  要：通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和室温拉伸性能测试等分析方法，研究再时效处理对2219-T6铝合金叉形环显微组织与力学性能的影响。结果表明：在170 ℃下再时效12 h时，构件抗拉强度达到406 MPa，屈服强度达到314 MPa，伸长率为8%，其力学性能和成形性的综合效果最佳。延长时效时间，与(170 ℃，12 h)时效态相比，第二相粒子出现明显的团聚现象，晶界无析出带(PFZ)宽度增加，合金中析出相长宽比减小，θ″相含量下降，大部分转变成亚稳相θ′，部分生成粗大的平衡相θ，其力学性能明显下降。

关键词：2219铝合金；叉形环；再时效；显微组织；力学性能

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

2219铝合金是一种典型Al-Cu系高强合金，该合金具有质量轻、强度高以及较好的耐蚀性和成形性，广泛应用于航天航空、轨道交通、汽车制造及建材等领域中。目前，我国已将该合金用于制造航天产品中的重要零件——叉形环，该零件的特点是壁薄、直径大，对强度、塑性及其成形性有着较高的要求^[1]。

为了进一步提高Al-Cu合金的综合性能，研究人员从合金元素、热变形行为、时效热处理等方面进行了大量的研究。如随着Cu元素的含量的增加，Al基体晶粒逐渐由柱状晶向枝状晶转变，晶粒生长方向慢慢向<110>向靠近^[2]。在Al-Cu合金中，添加微量Mn元素可改善晶粒组织结构、降低合金各向异性；添加少量 Zn 可产生固溶强化和时效强化作用，并能显著提高耐腐蚀性能^[3]。Al-Cu合金强变形过程中，由于材料内部产生高密度位错，会发生析出相变形断裂以及低温回溶现象^[4]。时效处理是改善Al-Cu合金显微组织和提高强度的重要手段，早期研究集中在时效温度和时间对合金组织和性能的影响，一般在150~210 ℃之间进行时效，发现170 ℃时效时，GP区回溶，θ″相向θ′相转变，样品在较宽的时间范围内两相共存，处于近峰时效态；当温度高于190 ℃，合金容易进入过时效状态^[5-6]。由于单纯的时效处理在提高强度的同时往往牺牲了塑性，人们开始采用时效+冷变形+再时效工艺，现有报道2519A-T87铝合金经35%冷变形后采用(100 ℃，4 h)再时效处理，屈服强度和抗拉强度基本不变，而伸长率提升了20%左右^[7]。再时效处理在7XXX系铝合金中有广泛的应用，其优点在于能提高铝合金的塑性和应力腐蚀抗力，而不降低合金的强度，如7075铝合金经回归再时效处理后其强度、塑性和应力腐蚀抗性均优于T6状态的^[8]。

目前关于Al-Cu系合金的再时效处理的报道比较少，其显微组织、力学性能的映射关系还没有系统性的研究。本文作者研究了再时效处理对2219-T6铝合金叉形环显微组织及其力学性能的影响，并对其机理进行了探讨，为探索制备高强2219铝合金叉形环提供理论与实际指导。

1  实验

所用的材料来自国内某厂提供的2219大直径薄壁整体叉形环，其化学成分如表1所列。工艺流程为粗加工+时效(T6)+精加工+再时效。其中第一次时效温度为170 ℃，时效时间为10 h，室温冷水淬火，淬火转移时间不超过10 s。再时效在170 ℃下进行，时间分别控制为10 h、12 h和15 h。

表1  2219铝合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of 2219 aluminum alloy

采用TecnaiG²20型分析电镜观察时效态显微组织，加速电压为200 kV，透射样品直径为3 mm，厚度不超过0.08 mm，在MIT-Ⅱ型双喷电解仪上用70%CH₃OH+30%HNO₃(体积分数)溶液双喷减薄，采用液氮冷却，双喷温度控制在-25~-30 ℃，电解电压控制在20 V左右。

拉伸实验在每个时效态下分别取3个样，按照GB/T16865-2013规定加工拉伸试样，如图1所示。在CSS-44100型电子万能试验机上进行拉伸性能测试，拉伸速率为2 mm/min，3次实验结果取平均值作为最终的实验结果。

2  结果与分析

2.1  扫描电镜组织分析

2219-T6铝合金叉形环经过不同再时效处理的第二相粒子形貌分布以及析出相能谱如图1所示。从图1中观察可知，第二相粒子的粒径平均值为5 μm，随着时效时间的延长，其的形貌、数量及分布情况发生了明显变化。与T6态相比，再时效10 h后的样品中第二相粒子的数量明显增加；当再时效时间由10 h到12 h时，第二相粒子尺寸变化不明显，数量略有增多；采用(170 ℃，15 h)再时效处理，第二相粒子尺寸发生明显粗化，并且呈现出团聚的趋势(见图1(d))。由于析出相团聚，构件在塑性变形时易在析出相与合金基体结合处发生变形不协调，导致微裂纹的产生，在应力的作用下位错容易集中在微裂纹区，引起晶间断裂，严重影响合金力学性能^[9-10]。通过能谱测试分析，第二相粒子主要组成元素为Al和Cu，摩尔比约为2:1，推断其应该是一些较为粗大的CuAl₂相。

图1  4种时效态试样的SEM像和EDS谱

Fig. 1  SEM images and EDS patterns of 4 specimens with different states:

2.2  透射电子显微分析

2.2.1  时效时间对晶界的影响

图2所示为2219-T6铝合金叉形环经不同再时效处理的晶界状况图。晶界和晶界附近的基体内的沉淀相析出，会导致晶界附近溶质原子浓度和空位浓度降低，形成晶界无析出带(PFZ)。从图2中可见，经(170 ℃，10 h)处理后，无明显的晶界无析出带，在晶界有呈链条状连续分布的析出相(见图2(a))；再时效12 h，有较明显的晶界无析出带，宽度约为40 nm(见图2(b))；到15 h，PFZ宽度约140 nm，晶界上有较粗大且完全不连续分布的析出相(见图2(c))。随着时效的进行，PFZ宽度增加，合金晶界处的析出相明显粗化，断续分布程度增加，基本呈孤立分布。一般情况下，细小弥散的共格或半共格析出相和一定宽度的PFZ有利于合金强度和腐蚀抗性的提高，但当PFZ 宽度太大后，就会降低力学性能。因为无沉淀析出带的屈服强度较低，在应力的作用下位错容易集中在无沉淀带内，引起晶间断裂，导致塑性的降低^[10]。

图2  3种时效态试样的晶界状况

Fig. 2  Feature on grain boundary of samples aged at 170 ℃ for different aging time:

2.2.2  时效时间对沉淀析出相的影响

2219-T6铝合金叉形环经不同再时效处理的TEM像及其对应的衍射花样如图3所示。从图3(a)、(c)和(e)中可以看出，随着时效时间的延长，合金的析出相衬度变深，部分析出相发生粗化，尺寸变得不均匀，各析出相间的形貌差别很大。经(170 ℃，12 h)处理后，合金中析出相较为均匀、细小且密集，其中衬度较低的是θ″相，长度约为40~80 nm，厚2~4 nm，θ″相在衍射花样中表现为铝基体衍射斑周围的“芒线”结构；衬度较高的为θ′相，θ′相大约80~120 nm，6~10 nm厚，θ′相在衍射花样为 “十字花”形结构，如图3(b)中箭头所指为θ′相的(110)面衍射斑点^[11-12]。

2219铝合金的典型析出过程为：α过饱和固溶体→GP区→θ″相(CuAl₃)→θ′相(CuAl₂)→θ相(CuAl₂)^[13]。在此过程中，GP区、θ″相与Al基体共格，θ′相与Al基体半共格，使基体发生晶格畸变，阻碍位错运动，对合金强度的提高有促进作用；θ相Al基体完全不共格，没有一个匹配很好的界面，对合金性能产生不利影响^{[11, 14]}。经过(170 ℃，10 h)再时效处理，在铝基体衍射斑周围形成了“芒线”结构，而“十字花”形的典型θ′相斑点较弱(见图3(b))，可见此时合金中只形成了少量的θ′相，析出相种类大多为θ″相。采用(170 ℃，12 h)再时效处理，可以观察到清晰可见的“十字花”形结构和 “芒线”结构(见图3(d))，说明合金中的θ′相和θ″相都得到了充分的析出。经过(170 ℃，15 h)再时效处理，在铝基体衍射斑四周出现了“十字花”结构，而未见明显的“芒线”结构(见图3(f))，可见合金中的θ″相数量减少，转变成为相对稳定的θ′相。

有研究学者用CuAl₂相的长宽和宽度的比值来表征析出相的析出状态^[15-16]。平衡相θ尺寸较大，在透射照片中表现为宽度较大，长宽比很小，一般在3左右；而亚稳相θ′相在照片中表现为比较细长，长宽比较大，一般在10以上，通过分析得出相长宽比，可以判断析出相的状态及其强化作用效果。用ImageJ软件计算2219铝合金叉形环不同时效态下TEM像的析出相尺寸和析出相体积分数，结果如表2所列。计算结果表明：随着再时效时间的延长，构件中析出相体积分数不断增大，长宽比持续下降，粗化现象明显。再时效时间由10 h增加到12 h，合金的析出相体积分数增大了近1倍，说明采用(170 ℃，10 h)时效处理时，铝合金时效不充分，远没有达到峰值时效时间。再时效时间由12 h增加到15 h，析出相体积分数由7.98%上升到8.12%，但对比图3(c)和(e)，析出相数量反而有所减少，其原因是大量θ″相转变成θ′相，由于θ′相的尺寸比θ″相粗大，生成θ′相会使得合金中细小弥散的θ″相的数量大幅度减少；此时析出相长宽比从11.1下降到9.7，说明合金析出相发生粗化，亚稳相θ′相开始向稳定相θ相转化。综上，2219-T6铝合金叉形环经过(170 ℃，12 h)再时效处理时，合金中存在大量的θ″相和部分θ′相，随着时效的进行，细小弥散的θ″相转变为θ′相，失去由θ″相带来的强化效果；小部分θ′相在时效过程中发生粗化，转变成为与基体非共格的θ相。对于单独析出相种类来说θ′相的强化效果要优于θ″相的，但大量弥散分布的θ″相和部分细小孤立分布的θ′相更加有利于改善合金的力学性能^[17]，使合金的强度最接近峰时效态。

图3  3种时效态试样的析出相和衍射图

Fig. 3  Aging precipitate phase and diffraction patterns of 3 specimens at different states:

表2  合金析出相尺寸与体积分数统计

Table 2  Statistical results of precipitates size and volume fraction

2.3  力学性能

图4所示为2219-T6铝合金叉形环经不同再时效处理的应力-应变曲线和抗拉强度、屈服强度以及伸长率的变化趋势。每个时效态下分别做3个平行样，用红色、蓝色和黑色曲线表示，如图4(a)、(b)和(c)所示。分析图4可以得出：随着时效时间从10 h延长到15 h，构件的伸长率从9%降为5.5%，与此同时伸长率在12~15 h的降低速率大于10~12 h，呈现出加速下降的趋势；该构件抗拉强度由原来的340 MPa先升高406 MPa然后微降到403 MPa，屈服强度同样由225 MPa先升高到314 MPa然后微降到312 MPa，抗拉强度值和屈服强度值在再时效12 h时均达到峰值。再时效处理10 h时，从图3(a)可以观察到，合金中只含有少量的θ″强化相，析出不充分，时效强化效果不明显，导致构件的强度值较低，但是，分析图1(b)得出该时效态下第二相粒子的弥散分布，使得构件具有较为优良的伸长率。再时效处理12 h时，从图3(c)结合分析得出，合金中存在大量的弥散分布θ″相和部分细小孤立分布θ′相，这两种细小的析出相有助于改善基体的性能，构件的强度值出现明显的提高，时效强化效果明显；在该时效态下，晶界无析出带宽度约为40 nm，第二相粒子分布数量较多且较为均匀，如图1(c)所示，这些粒子对晶界起到钉扎作用，材料的塑性变形能力下降，伸长率略有降低，但是综合力学性能较为优异。再时效处理15 h时，从图3(e)结合分析得出，合金中的析出相主要为θ′相和与基体不共格的θ相，粗大的θ相对合金的力学性能产生负面影响，而θ′相的强化效果却优于θ″相，两种因素对构件的强度共同产生影响，使得构件的强度值出现略微的下降；PFZ宽度为140 nm，在应力的作用下位错容易集中在过宽的PFZ带内，引起晶间断裂，第二相粒子出现明显粗化、团聚现象，易在与基体结合处发生变形不协调，形成微裂纹，上述两点显著降低了构件的伸长率，使其呈现出加速下降的趋势，导致塑性降低出现了过时效现象。综上所述，在170 ℃下再时效12 h，构件的抗拉强度和屈服强度分别为406 MPa和314 MPa，伸长率达到8%，综合性能最优，如表3所列。

图4  试样在170 ℃下时效的应力-应变曲线与力学性能-时间曲线

Fig. 4  Mechanical properties and stress-strain curves of samples treated at 170 ℃ for different aging time

(Each aging state sample was tested three times and the curves were labeled as red, blue and black, respectively):

表3  合金在不同时效态下的力学性能

Table 3  Mechanical properties of samples with different aging time

3  结论

1) 再时效时间对合金微观组织有显著的影响，时间由10 h增加到12 h，合金中析出相体积分数增大，存在大量弥散分布的θ″相和细小孤立分布的θ′相，晶界无析出带宽度增加，使合金的抗晶间腐蚀性能得以改善。

2) 当再时效时间延长至15 h，第二相粒子出现明显的团聚现象，晶界无析出带宽度大幅增加，合金中析出相长宽比减小，θ″相含量下降，大部分转变成亚稳相θ′，部分生成粗大的平衡相θ，此时合金时效强化效果不佳。

3) 2219-T6铝合金叉形环的力学性能与再时效时间有明显的映射关系，随着时效过程进行，伸长率逐步下降，抗拉强度和屈服强度表现出先增大再减小的趋势。经过(170 ℃，12 h)再时效处理，构件抗拉强度达到406 MPa，屈服强度为314 MPa，伸长率为8%，其力学性能及成形性的综合效果最佳。

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Effect of reaging on microstructures and mechanical properties of 2219-T6 alloy fork-like ring

HUANG Yuan-chun^{1, 2}, WANG Ye-jun^{1, 2}, XIAO Zheng-bing^{1, 2}, REN Xian-wei^{1, 2}, XU Tian-cheng^{1, 2}, LI Yin^{1, 2}

 (1.State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing,

Central South University, Changsha 410083, China;

2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The effects of reaging on the microstructures and mechanical properties of 2219-T6 alloy fork-like ring were investigated by tensile test, scanning electron microcopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that after reaging at 170 ℃ for 12 h, the tensile strength, yield strength and elongation of the fork-like ring are 406 MPa, 314 MPa, 8%, respectively. Increasing the aging time, the mechanical properties of the alloy has fallen greatly because of denser precipitates and wide precipitate free zones (PFZ). Compared to aging treatment (170 ℃, 12 h), the aspect ratio of precipitates decreases and large number of θ″precipitates transform into θ′precipitates, some of that become thick θ precipitate.

Key words: 2219 aluminum alloy; fork-like ring; reaging; microstructures; mechanical property

Foundation item: Project(2012CB619504) supported by the National Basic Research Program of China

Received date: 2016-01-13; Accepted date: 2016-05-03

Corresponding author: HUANG Yuan-chun; Tel: +86-13507315123; E-mail: science@csu.edu.cn

(编辑  王  超)

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2012CB619504)

收稿日期：2016-01-13；修订日期：2016-05-03

通信作者：黄元春，教授，博士；电话：13507315123；E-mail：science@csu.edu.cn