Алюминий 2219: состав, свойства, марки условий поставки и области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Общий обзор
Сплав 2219 относится к серии 2xxx алюминиево-медных сплавов, специально разработанных для высокопрочных упрочняемых термообработкой применений. Основной легирующий элемент — медь (Cu ≈ 5,8–6,8 мас.%), с контролируемыми добавками марганца, титана и микроэлементов для улучшения структуры зерна и механических свойств. Механизм упрочнения 2219 основан на упрочнении выделением (термообрабатываемый сплав): растворяющая термообработка с последующим закаливанием и искусственным или естественным старением формируют мелкие осадки Al2Cu (θ′/θ), значительно повышающие предел текучести и временное сопротивление разрыву.
Ключевые характеристики 2219 включают высокое удельное сопротивление, хорошую вязкость разрушения, особенно при криогенных температурах, и относительно хорошую свариваемость для медьсодержащего сплава при использовании подходящих сварочных материалов. Коррозионная стойкость умеренная; сплав более восприимчив к локальной коррозии, чем многие магнийсодержащие сплавы серии 5xxx, но может быть защищён покрытиями, облицовкой или предусматриваются коррозионные припуски. Формуемость удовлетворительная в отожженном состоянии и ограничена в пиковых упрочнённых состояниях; механическая обработка и изготовление соответствуют типичным для высокопрочных алюминиевых сплавов, применяемых в конструкциях.
Отрасли, где широко используется 2219 — аэрокосмическая (топливные баки, криогенные ёмкости, основные конструкции), криогеника, ракетно-космическая техника, специализированные сосуды высокого давления. Конструкторы выбирают 2219, когда требуется сочетание высокой прочности, свариваемости и вязкости при низких температурах, а также когда преимущество алюминиево-медных систем в удельной жёсткости важнее альтернативных материалов.
Варианты состояний термообработки
| Состояние | Уровень прочности | Относительное удлинение | Формуемость | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкая | Высокое | Отличная | Отличная | Полностью отожжённое; максимальная пластичность и формуемость |
| T3 | Средний | Среднее | Хорошая | Хорошая | Растворяющая термообработка, холодная деформация, естественное старение |
| T6 | Высокий | Низкое-среднее | Ограниченная | Средняя | Растворяющая термообработка, искусственное старение до пиковых свойств |
| T8 | Высокий | Низкое-среднее | Ограниченная | Средняя | Растворяющая термообработка, холодная деформация, искусственное старение |
| T87 | Высокий | Низкое-среднее | Ограниченная | Средняя | Растворяющая термообработка, снятие остаточных напряжений растяжением, искусственное старение; типичное состояние для аэрокосмической отрасли |
| T351 | Средне-высокий | Среднее | Удовлетворительная | Хорошая | Растворяющая термообработка, снятие напряжений растяжением, естественное старение |
Состояние термообработки оказывает первостепенное влияние как на прочность, так и на пластичность 2219, поскольку медьсодержащие осадки, образующиеся при старении, контролируют предел текучести и временное сопротивление разрыву. Отожжённый (O) материал применяется для формовки и вытяжки, а варианты T6/T87 — для конструкционных деталей с максимальной прочностью и контролируемыми остаточными напряжениями.
Различия в состояниях также влияют на свариваемость и поведение зоны термического воздействия (ЗТВ); упрочнённые состояния подвергаются локальному размягчению в ЗТВ, тогда как отожжённые и естественно стареющие состояния демонстрируют более однородные свойства после сварки. Выбор состояния должен учитывать операции формовки, требуемую прочность и предполагаемую последовательность сварки или соединения.
Химический состав
| Элемент | Диапазон содержания, % | Комментарии |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,20 | Контроль примесей; высокое содержание кремния снижает вязкость |
| Fe | ≤ 0,30 | Распространённая примесь; может образовывать интерметаллические соединения, снижающие пластичность |
| Mn | 0,2–0,4 | Контроль структуры зерна и повышение прочности |
| Mg | ≤ 0,10 | Небольшое содержание; не является основным упрочняющим элементом в 2219 |
| Cu | 5,8–6,8 | Основной упрочняющий элемент (осадки Al2Cu) |
| Zn | ≤ 0,25 | Незначительное; ограниченное упрочнение твёрдым раствором |
| Cr | ≤ 0,10 | Микродобавка; может влиять на рекристаллизацию |
| Ti | 0,02–0,10 | Мелкодисперсный модификатор зерна для литых и деформируемых изделий |
| Прочие | Остальное Al, микроэлементы ≤0,05% каждый | Включает следы V, Zr в зависимости от технологии производства |
Медь — доминирующий легирующий элемент, определяющий возможность термообработки 2219; её выделения при старении отвечают за прочность сплава. Марганец и следы титана служат для контроля микроструктуры, ограничивая рост зерна в термических циклах, что улучшает вязкость и усталостную стойкость. Контроль содержания кремния и железа минимизирует образование твёрдых интерметаллидов, которые делают материал хрупким и ухудшают усталостные характеристики.
Механические свойства
2219 демонстрирует сильную зависимость прочностных свойств от состояния термообработки и толщины; сплав достигает высокой прочности и предела текучести в пиково состаренных состояниях, но при этом снижается пластичность по сравнению с отожжённым состоянием. В состояниях T6/T87 сплав обычно имеет высокие предел текучести и временное сопротивление, подходящие для основных конструкционных элементов, тогда как отожжённый материал применяется, когда важна формуемость или ударная вязкость. Поведение при усталости зависит от качества поверхности, остаточных напряжений и локальной твёрдости; мелкозернистый, хорошо обработанный 2219 обеспечивает приемлемый ресурс для аэрокосмических деталей.
Твёрдость коррелирует с состоянием старения: состояние O характеризуется низкой твердостью по Бринеллю или Роквеллу, в то время как T6/T87 существенно повышают твердость за счёт высокой плотности осадков θ′. Влияние толщины заметно: толстые плиты и профили требуют более длительной растворяющей термообработки для гомогенизации и растворения медьсодержащих фаз, а скорость охлаждения при закалке может вызывать неоднородность свойств по толщине. Для сварных конструкций размягчение в зоне термического воздействия часто является ограничивающим фактором прочности и должно учитываться при проектировании и после сварочном термическом воздействии.
Вязкость разрушения 2219 обычно выше, чем у многих высокопрочных алюминиево-медных сплавов, что важно для криогенных применений и баков, подвергающихся циклическим нагрузкам; преимущества по вязкости обусловлены контролируемым химическим составом и термомеханической обработкой, предотвращающей образование крупных интерметаллидов.
| Свойство | Состояние O/отожженное | Основные состояния (напр., T6/T87) | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (UTS) | ~200–260 MPa | ~380–440 MPa | Значения меняются в зависимости от толщины и термообработки; аэрокосмические листы часто приближаются к верхней границе |
| Предел текучести | ~70–130 MPa | ~300–350 MPa | Предел текучести в пиковых состояниях подходит для основных конструкций |
| Относительное удлинение | ~20–30% | ~8–16% | Пластичность заметно снижается при пиковом старении |
| Твёрдость (HB) | ~30–55 HB | ~80–115 HB | Твёрдость зависит от состояния старения и плотности осадков |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Комментарии |
|---|---|---|
| Плотность | 2,84 г/см³ | Типичная для алюминиево-медных деформируемых сплавов; высокая удельная прочность |
| Диапазон плавления | Температура солидуса ≈ 500–515 °C; ликвидус ≈ 635–655 °C | Легирование снижает солидус по сравнению с чистым алюминием и расширяет диапазон плавления |
| Теплопроводность | ~120–140 Вт/м·К | Ниже, чем у чистого Al из-за содержания Cu; всё ещё высокая по сравнению с сталями |
| Электропроводность | ~28–34 % IACS | Снижена относительно чистого алюминия и магнийсодержащих сплавов |
| Удельная теплоёмкость | ~0,89–0,92 Дж/г·К | Типичная для алюминиевых сплавов при комнатной температуре |
| Коэффициент линейного термического расширения | ~23–24 ×10^-6 /К | Типичное значение для деформируемых алюминиевых сплавов |
Физические свойства отражают компромисс между добавкой меди для упрочнения и сохранёнными преимуществами алюминия по плотности и проводимости. Теплопроводность и электропроводность снижены по сравнению с чистым алюминием, но остаются высокими в сравнении с черными металлами, что выгодно для теплоотводов и конструкций с учётом тепловых нагрузок. Коэффициент термического расширения аналогичен другим алюминиевым сплавам, поэтому несоответствие с композитами или сталями следует учитывать при сборке многоматериальных конструкций.
Формы продукции
| Форма | Типовая толщина/размер | Поведение по прочности | Распространённые отпуски | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Лист | 0,5–6,4 мм | Хорошая однородность в тонком сечении | O, T3, T351, T87 | Аэрокосмический лист часто поставляется в отпуске T87 для обшивки и конструкционных панелей |
| Плита | 6 мм – 150+ мм | Прочность варьируется с толщиной; толстые плиты требуют длительной термообработки | O, T6, T87 | Толстые сечения нуждаются в продолжительном старении и контролируемом закаливании |
| Экструзия | Профили до больших сечений | Возможна механическая анизотропия; пиковая прочность после термообработки близка | O, T3, T6 | При разработке матриц экструзии важно учитывать ограниченное снижение прочности при высокой температуре |
| Труба | От тонкостенных до толстостенных | Хорошие свойства для давлений и криогенных применений | O, T6, T87 | Сварные и бесшовные трубы используются в криогенных баках и трубопроводах |
| Пруток/Круг | Ø от нескольких мм до 200 мм | Однородные свойства при правильной термообработке | O, T6 | Распространены для механически обработанных конструкционных деталей и крепежа |
Особенности обработки различных форм связаны с тепловыми потоками, скоростью закалки и остаточными напряжениями. Листы и тонкостенные экструзии получают более однородные свойства после закалки и старения, тогда как плиты и крупные экструзии требуют длительного выдерживания и специальных методов закалки для предотвращения сегрегации и градиентов твёрдости. Выбор формы для применения отражает эти технологические ограничения: тонкостенные детали предпочтительны при необходимости высокой однородной прочности и ресурса усталости, тогда как толстые изделия требуют дополнительного контроля и последующей обработки после термообработки.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 2219 | США | Основное обозначение по стандартам Aluminium Association |
| EN AW | 2219 (EN AW-AlCu) | Европа | Эквивалентный химический состав, маркируется под одной числовой серией, но допуска могут отличаться |
| JIS | A2219 | Япония | Варианты JIS имеют аналогичный номинальный состав с региональными техническими отличиями |
| GB/T | 2219 | Китай | Марка GB/T существует с сопоставимым составом, но технологии обработки и тестирования могут отличаться |
Несмотря на использование номера «2219» по нескольким стандартам, существуют тонкие различия в допустимых уровнях примесей, методах контроля и сертификации продукции между регионами. Европейские и японские спецификации могут включать разные критерии по механическим свойствам, реакции на термообработку и неразрушающему контролю для аэрокосмического применения. При закупке критически важных компонентов инженерам рекомендуется проверять сертифицированный состав, состояние отпуска и историю обработки завода-изготовителя, а не ориентироваться только на название марки.
Коррозионная стойкость
В атмосферных условиях 2219 обладает умеренной общей коррозионной устойчивостью при условии применения соответствующих поверхностных защит. Содержание меди повышает подверженность локальной коррозии (точечной и межкристаллитной) по сравнению с магнием содержащими сплавами серии 5xxx, поэтому в морских и агрессивных средах часто используются защитные покрытия, облицовка или катодная защита.
В морских условиях требуется осторожность: незащищенный 2219 в средах с высоким содержанием хлоридов легче подвергается локальной коррозии, чем сплавы 5xxx или 6xxx. Правильный дизайн без заусенцев, выбор совместимых крепежных элементов и финишная обработка после изготовления (анодирование, облицовка или конверсионные покрытия) снижают риски при воздействии морской воды. Трещинообразование под напряжением является проблемой для высокопрочных Al-Cu сплавов; 2219 может подвергаться SCC при растяжении и агрессивной среде, особенно при наличии остаточных растягивающих напряжений близко к пределу текучести.
Гальванические взаимодействия с более благородными металлами (нержавеющая сталь, медные сплавы) могут ускорять локальную коррозию 2219, если существует электрический контакт и электролит. По сравнению со сплавами 6xxx (Al-Mg-Si), 2219 жертвует коррозионной устойчивостью ради более высокой прочности и криогенной вязкости, требуя более жёстких мер защиты в агрессивных средах.
Свойства при обработке
Свариваемость
2219 является одним из наиболее свариваемых в семействе Al-Cu при использовании подходящих присадочных материалов, например AA2319 (Al-6Cu), соответствующих по химсоставу и минимизирующих образование горячих трещин. Дуговая сварка (GTAW/TIG, GMAW/MIG) широко применяется для листов, плит и сборки баков и сосудов; контроль процесса сварки важен для ограничения пористости и деформаций. Зона термического влияния (ЗТВ) в пиково упрочнённом состоянии подвергается размягчению из-за растворения и коагуляции упрочняющих фаз; послесварочный искусственный отпуск или выбор отпуска T87/T351 помогает компенсировать потерю свойств.
Механическая обработка
2219 достаточно хорошо поддаётся механической обработке для высокопрочного алюминиевого сплава — индекс обрабатываемости обычно ниже, чем у более легкообрабатываемых алюминиевых сплавов, но приемлем с карбидным инструментом и жёсткими креплениями. Хороший контроль стружки, положительные углы в плане и умеренные подачи уменьшают образование задиров и наклёпа в зоне контакта инструмента. Применение охлаждения продлевает срок службы инструмента и контролирует температуру, чтобы избежать перетирания и налипания при высокоскоростной обработке.
Пластичность
Пластичность отличная в отожжённом состоянии (O) и ухудшается в пиково упрочнённых отпусках, где упругость ограничена; глубокие вытяжки и сложные гибы рекомендуется выполнять в состоянии O или T3. Типичный минимальный радиус гиба зависит от толщины и отпуска, но для листового металла в состоянии O обычна величина внутреннего радиуса, равная 1–2× толщины; для отпусков T6/T87 применяются более консервативные радиусы. Холодная деформация после термообработки возможна для мелких корректировок, но значительное формование должно выполняться до искусственного старения, чтобы избежать трещин.
Поведение при термообработке
2219 — классический упрочняемый термообработкой Al-Cu сплав, где растворение, закалка и старение управляют состоянием выделений и, следовательно, прочностью. Типовые температуры растворения — 510–535 °C с достаточным выдерживанием для растворения меди и гомогенизации состава в тонких сечениях; закалка должна быть быстрой для сохранения Cu в твердом растворе. Искусственное старение (например, 160–190 °C в течение нескольких часов) формирует мелкие выделения θ′, обеспечивающие максимальную прочность в отпусках T6 и аналогичных; вариации времени и температуры дают варианты T8, T87 и другие аэрокосмические отпуски с настраиваемым снижением напряжений и стабильностью размеров.
Переходы между отпусками важны: перерастяжение, неконтролируемое природное старение или медленная закалка приводят к крупным выделениям, снижающим предел текучести и вязкость. Послесварочная термообработка больших узлов редко возможна, поэтому проектировщики применяют выбор отпуска и локальный контроль тепла для управления размягчением ЗТВ. При отжиге или размягчении повышение температуры выше 300 °C длительно приводит к перезакаливанию и снижению твёрдости за счет роста выделений.
Работа при высоких температурах
При нагреве 2219 постепенно теряет предел текучести и временное сопротивление разрыву вследствие растворения или коагуляции θ′-выделений; значительное снижение наблюдается выше примерно 150–200 °C в зависимости от времени выдержки. Для длительной эксплуатации проектировщики обычно ограничивают рабочие температуры значительно ниже типичных температур искусственного старения, чтобы сохранить механические свойства и избежать перезакалки. Окисление ограничено образованием защитной плёнки Al2O3, но высокотемпературная коррозия в агрессивных газовых средах (сульфидирующих или содержащих хлорины) может быть проблемой и требует защитных облицовок или покрытий.
Зона термического влияния вблизи сварных соединений особенно чувствительна к тепловому воздействию: размягчение и рост зерен снижают местные допустимые напряжения; изделия, подвергающиеся циклическим температурным воздействиям, требуют тщательной квалификации и могут нуждаться в специальных термических стабилизирующих обработках после изготовления для контроля изменений свойств.
Применение
| Отрасль | Пример изделия | Причина использования 2219 |
|---|---|---|
| Авиакосмическая | Криогенные топливные баки, сосуды под давлением, крепеж фюзеляжа | Отличное соотношение прочности и массы, вязкость при низких температурах, свариваемость с подобранными присадками |
| Морская / Криогенная | Баки для СПГ и криогенные ёмкости, трубопроводы | Хорошие низкотемпературные свойства и свариваемость для герметичных сосудов под давлением |
| Оборона / Космос | Корпуса ракетных двигателей, баки ракет-носителей | Высокая удельная прочность и надёжность при циклических и термических нагрузках |
| Промышленность / Машиностроение | Высокопрочные конструкционные рамы, оснастка | Прочность и обрабатываемость для критичных по массе конструктивных элементов |
| Электроника | Прецизионные корпуса и тепловые рассеивающие элементы | Достаточная теплопроводность и обработка для среднетяжёлых тепловых компонентов |
2219 продолжает применяться, когда в конструкции приоритетом является высокопрочный свариваемый сплав с проверенными криогенными и усталостными характеристиками. Его сочетание вязкости, свариваемости (с подходящими присадками) и предсказуемой реакции на выделения делают его незаменимым в аэрокосмическом оборудовании, работающем под давлением, и специализированных промышленных применениях.
Рекомендации по выбору
Используйте 2219, когда важны высокая прочность в сочетании со свариваемостью и хорошей стойкостью к хрупкому разрушению — особенно при низких температурах, — а максимальная коррозионная стойкость или электро- и теплопроводность имеют меньшее значение. Для формовки выбирайте отожжённый (O) вариант, а затем переходите к T6/T87, когда основными требованиями являются структурная прочность и устойчивость к растягивающей деформации.
По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100), сплав 2219 жертвует электро- и теплопроводностью, а также технологичностью пластической деформации ради значительно более высокой прочности и стойкости к разрушению, что делает его непригодным в случаях, где приоритетны электрические свойства или интенсивная холодная обработка. По сравнению с широко распространёнными упрочнёнными холодной деформацией сплавами (например, 3003, 5052), 2219 обеспечивает существенно более высокую прочность, но обычно имеет более низкую коррозионную стойкость и несколько худшую формуемость; выбирайте 2219, когда структурная прочность важнее превосходной устойчивости к окружающей среде.
По сравнению с распространёнными сплавами, поддающимися термообработке (например, 6061/6063), 2219 может обеспечить лучшую стойкость к хрупкому разрушению и работу при криогенных температурах, даже если пик прочности при старении сопоставим или немного ниже; он выбирается, когда характеристики алюминиево-медного сплава (в частности, стойкость к разрушению и свариваемость с использованием наполнителей на основе Al-Cu) более соответствуют условиям эксплуатации, чем сплавы на основе Al-Mg-Si.
Итог
Сплав 2219 остаётся весьма актуальным конструкционным алюминием благодаря термообрабатываемой матрице, упрочнённой медью, обеспечивающей выгодное сочетание высокой удельной прочности, свариваемости с подходящими наполнителями и превосходной стойкости к разрушению при низких температурах. Для аэрокосмической отрасли, криогенных и ответственных конструкций, работающих под давлением, где эти характеристики важнее умеренных компромиссов по коррозионной стойкости и проводимости, 2219 по-прежнему является материалом выбора и надёжным решением для сложных условий эксплуатации.