2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系可變形強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度硬質(zhì)鋁合金，該鋁合金具有熱裂紋傾向低、斷裂韌度高、質(zhì)量小、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
在對(duì)某型號(hào)箱底壁板2219鋁合金法蘭進(jìn)行焊接后的射線檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其焊縫區(qū)域位于疑似裂紋的條狀缺陷，條狀缺陷位于焊縫的熱影響區(qū)，與焊縫夾角約為90°。該法蘭為鋁鍛件，熱處理狀態(tài)為淬火+人工時(shí)效，最大外徑為170mm，最大高度為40mm，與法蘭連接的壁板材料為2219鋁合金，連接方式為兩面三層焊，手工焊接。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施，以防止該類問題再次發(fā)生。
理化檢驗(yàn)
1、宏觀觀察
2219鋁合金法蘭的宏觀形貌如圖所示，其中白亮色區(qū)域?yàn)槿斯ご蚰^(qū)域。2219鋁合金法蘭焊縫條狀缺陷的宏觀形貌如圖所示，圓框中為條狀缺陷。由圖可知：疑似裂紋的條狀缺陷位于焊縫熱影響區(qū)，呈彎曲的線條狀，條狀缺陷與焊縫垂直，未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。
2、化學(xué)成分分析
在法蘭鍛件的條狀缺陷附近取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表所示。由表可知：法蘭鍛件的化學(xué)成分滿足GB/T 3190—2020 《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》對(duì)2219鋁合金的要求。
3、力學(xué)性能測(cè)試
在法蘭鍛件條狀缺陷附近截取試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。試樣的布式硬度測(cè)試結(jié)果為121 HBW10/1 000，測(cè)試結(jié)果滿足GJB 2057—1994 《航天用LY19鋁合金鍛件規(guī)范》對(duì)2219鋁合金的要求(標(biāo)準(zhǔn)布式硬度不小于100 HBW10/1 000)。
4、金相檢驗(yàn)
在條狀缺陷處截取試樣，將試樣鑲嵌、磨拋、腐蝕后，再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖所示。由圖可知：法蘭焊縫熱影響區(qū)的顯微組織為不同晶粒取向的α(Al) 基體和彌散分布于α基體中的θ相，部分α相晶粒存在晶界加粗的現(xiàn)象，條狀缺陷沿著加粗的晶界萌生并擴(kuò)展;遠(yuǎn)離條狀缺陷部位的顯微組織無(wú)晶界加粗現(xiàn)象。
5、掃描電鏡和能譜分析
采用掃描電鏡及其配備的能譜儀對(duì)晶界加粗和條狀缺陷部位進(jìn)行能譜分析，能譜分析位置如圖所示，能譜分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：晶界加粗部位的主要成分為Al、Cu元素，條狀缺陷部位的主要成分為Al、Cu元素和少量Fe元素，說(shuō)明晶界加粗部位含有Al2Cu相(θ 相)，條狀缺陷部位含有Al2Cu相和少量Al7Cu2Fe相，同時(shí)條狀缺陷部位存在氧化痕跡。α(Al) 相中Cu元素的極限固溶度為5.65%，但2219鋁合金中Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.11%，可知其顯微組織中存在一定量的Al2Cu相(θ相)。2219鋁合金法蘭焊接過程中的持續(xù)高溫使分布于晶界的低熔點(diǎn)Al2Cu相(θ相)和Al7Cu2Fe相熔化，造成晶界局部復(fù)熔，從而引起晶界加粗，局部晶界復(fù)熔會(huì)使材料的強(qiáng)度、韌性與疲勞性能急劇降低，在外加載荷的作用下，晶界復(fù)熔處首先形成裂紋(即顯微組織中的條狀缺陷)，使得該法蘭承受載荷的能力大大降低。
使用外力將試樣沿條狀缺陷掰開，斷口由暗灰色區(qū)域和光亮區(qū)域組成，斷口表面未見明顯的夾雜物等冶金缺陷。
將斷口置于下觀察，結(jié)果如圖所示。由圖可知：暗灰色區(qū)域?yàn)榇植诘捻g窩，光亮區(qū)域?yàn)槠交谋砻?粗糙的韌窩區(qū)是在外力作用下新生成的，且在外力作用下，新生的斷口無(wú)疏松、夾雜等冶金缺陷，韌窩尺寸較為均勻;平滑表面區(qū)發(fā)生晶間液化，這是因?yàn)?219鋁合金法蘭焊接過程中的持續(xù)高溫使分布于晶界的Al2Cu相(θ相)和Al7Cu2Fe相熔化。晶界液化使材料的承載能力降低，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下，液化晶界出現(xiàn)分離，即斷口宏觀形貌中的光亮區(qū)域?qū)?yīng)顯微組織中的條狀缺陷處。
