專利名稱：尤其適用于航空航天應(yīng)用的高損傷容限鋁合金產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金，尤其是一種Al-Cu-Mg型(或鋁業(yè)協(xié)會(huì)指定為2000系列)鋁合金。更進(jìn)一步，本發(fā)明涉及一種可時(shí)效硬化的、高強(qiáng)度、高斷裂韌度和低裂紋擴(kuò)展蔓延的鋁合金及該其產(chǎn)品。由該合金制得的產(chǎn)品非常適于航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，但不限于此。該合金可被加工成不同的產(chǎn)品形式(如片材、薄板、厚板或，擠壓或鍛造產(chǎn)品)。可對(duì)該鋁合金不進(jìn)行涂覆、進(jìn)行涂覆或用其他鋁合金材料鍍覆，以進(jìn)一步提高其性能，如耐腐蝕性。
背景技術(shù)：
航空航天工業(yè)的設(shè)計(jì)者和制造者一直致力于提高燃料的效率、產(chǎn)品的性能、降低制造和維護(hù)費(fèi)用。通過更進(jìn)一步的降低重量可以提高效率。而要達(dá)到上述目的一種方法是提高相關(guān)材料的性能，從而可以更有效的設(shè)計(jì)由該合金制備的構(gòu)件或該構(gòu)件具有全面的更好的性能。由于材料性能的提高，飛機(jī)的檢查間隔時(shí)間得以延長(zhǎng)，從而可以顯著的降低維護(hù)費(fèi)用。下翼板一般由T39狀態(tài)的AA2324合金制備，而機(jī)身蒙皮則一般采用T351狀態(tài)的AA2024合金。因?yàn)樯鲜鰻顟B(tài)的這些合金在拉伸載荷下具有所需的材料性能，如可接受的強(qiáng)度水平、高韌性、和低裂紋擴(kuò)展蔓延?，F(xiàn)今，需要設(shè)計(jì)更有效的飛機(jī)，因而希望能提高材料性能。
US5,652,063公開了一種Cu/Mg比例在5-9之間的、強(qiáng)度高于531MPa的AA2000系列合金。該合金可用作下翼板和機(jī)身蒙皮，這種合金尤其可用于超音速飛機(jī)。
US5,593,516公開了一種AA2000系列合金，其中的銅(Cu)和鎂(Mg)的量?jī)?yōu)選保持在溶解度極限以下。優(yōu)選的，[Cu]＝5.2-0.91[Mg]。在源自相同的初始美國(guó)專利申請(qǐng)的US5,376,192和US5,512,112中公開了添加水平為0.1-1.0重量％的銀(Ag)。
美國(guó)專利申請(qǐng)US2001/0006082公開了一種AA2000系列合金，該合金尤其適用于下翼，且無需彌散體形成元素如Zr、Cr或V。該申請(qǐng)中指出，通過高于10的強(qiáng)制的Cu/Mg比例，可獲得上述優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于新設(shè)計(jì)的飛機(jī)，希望比上述合金更優(yōu)的性能，以設(shè)計(jì)出成本和環(huán)境更有效的飛機(jī)。因此，在相關(guān)產(chǎn)品形式中，存在對(duì)于能夠獲得適當(dāng)提高的性能平衡能力的鋁合金的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種尤其適用于航空航天應(yīng)用的鋁合金鍛造產(chǎn)品，該產(chǎn)品在AA2000系列合金之中，并具有高強(qiáng)度和高斷裂韌度和高耐疲勞性和低疲勞裂紋擴(kuò)散率之間的平衡，并至少能夠與AA2024-HDT合金性能相當(dāng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述鋁合金鍛造產(chǎn)品的制造方法。
本發(fā)明的合金針對(duì)在任何相關(guān)產(chǎn)品中都具有獲得性能平衡的能力的AA2000系列鋁合金，且其優(yōu)于各種當(dāng)前用于這些產(chǎn)品的商用的AA2000系列合金和至今已公開的鋁AA2000。
通過提供用于本發(fā)明合金的優(yōu)選組成實(shí)現(xiàn)了該目的，該合金的基本組成為以重量百分比計(jì)，0.3-1.0％鎂(Mg)，4.4-5.5％銅(Cu)，0-0.20％鐵(Fe)，0-0.20％硅(Si)，0-0.40％鋅(Zn)，及作為彌散體形成元素的0.15-0.8的Mn與選自(Zr、Sc、Cr、Hf、Ag、Ti、V)中的一種或多種彌散體形成元素的組合，其范圍是0-0.5％鋯、0-0.7％鈧、0-0.4％鉻、0-0.3％鉿，0-0.4％鈦，0-1.0％銀，余量鋁和其他偶然元素，且其中的Cu-Mg的含量的限制使得-1.1[Mg]+5.38≤[Cu]≤5.5。
在一優(yōu)選的實(shí)施方案中，Cu和Mg的范圍選擇如下Cu 4.4-5.5Mg 0.35-0.78并且其中-1.1[Mg]+5.38≤[Cu]≤5.5。
在一更優(yōu)選實(shí)施方案中，Cu和Mg的范圍選擇如下Cu 4.4-5.35Mg 0.45-0.75并且其中-0.33[Mg]+5.15≤[Cu]≤5.35。
在一更優(yōu)選實(shí)施方案中，Cu和Mg的范圍選擇如下Cu 4.4-5.5，且更優(yōu)選4.4-5.35Mg 0.45-0.75并且其中-0.9[Mg]+5.58≤[Cu]≤5.5；且更優(yōu)選-0.90[Mg]+5.60≤[Cu]≤5.35
我們非常驚奇的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于性能的平衡，彌散體形成元素與Cu和Mg的自身含量水平一樣關(guān)鍵。本發(fā)明的合金中可以存在Zn。為了獲得理想的性能，必須相對(duì)于Ag的含量認(rèn)真的選擇Mn的含量。當(dāng)合金中存在Ag時(shí)，Mn的含量不能太高，優(yōu)選低于0.4wt％。Zr也不能太高。我們發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是對(duì)性能平衡存在負(fù)作用的Cr實(shí)際上起到積極的作用，但此時(shí)優(yōu)選合金中不存在Zr。當(dāng)考慮到彌散體的影響時(shí)，Cu和Mg最佳含量就與至今所采用的有所不同。令人驚奇的是，本發(fā)明合金的性能平衡的確優(yōu)于已有的合金。
Fe可以存在的范圍是最高0.20％，優(yōu)選是控制在最大值為0.10％；典型優(yōu)選的Fe含量范圍是0.03-0.08％。
Si可以存在的含量范圍是最高0.20％，優(yōu)選范圍是控制在最大值為0.10％；典型優(yōu)選的硅含量是盡可能的低，實(shí)際中典型的含量范圍是0.02-0.07％。
本發(fā)明的合金中可以存在的鋅的含量最高為0.40％，優(yōu)選的含量范圍為0.10-0.25％。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的AA規(guī)定，雜質(zhì)或偶然元素可以存在，即每種含量最高0.05％，總量最高為0.15％。
對(duì)于本發(fā)明，“實(shí)質(zhì)上不含”或“基本上不含”意味著并不是有意在上述組成中添加這些合金元素，而是由于雜質(zhì)和/或與設(shè)備的接觸而導(dǎo)致的浸析，痕量的上述元素會(huì)進(jìn)入到最終的合金產(chǎn)品中。
在本發(fā)明的合金中，Mn作為彌散體形成元素的添加是重要的，其含量為0.15-0.8％。Mn添加的優(yōu)選最大值低于0.40％。Mn添加的更合適的范圍為0.15至＜0.4％，更優(yōu)選為0.20-0.35％，最優(yōu)選為0.25-0.35％。
如果添加Zr，則其添加量為不應(yīng)當(dāng)超過0.5％。Zr含量的優(yōu)選最大值為0.18％。Zr含量的更合適的范圍為0.06-0.15％。
在一實(shí)施方案中，合金基本上或?qū)嵸|(zhì)上不含有Zr，但在那種情況下含有Cr，Cr的一般范圍為0.05-0.30％，優(yōu)選的為0.06-0.15％。
如果添加Ag，則其添加量不應(yīng)當(dāng)超過1.0％，優(yōu)選的下限值為0.1％。Ag添加的優(yōu)選的范圍為0.20-0.8％。Ag添加的更合適的含量范圍為0.20-0.60％，更優(yōu)選為0.25-0.50％，最優(yōu)選為0.32-0.48％。
此外，可以在給定的范圍內(nèi)使用彌散體形成元素Sc、Hf、Ti和V。在根據(jù)一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的合金產(chǎn)品基本上或?qū)嵸|(zhì)上不含有V，如含量水平為＜0.005％，更優(yōu)選是不存在?？梢砸员绢I(lǐng)域中已知的水平添加Ti，以在鑄造過程中獲得晶粒細(xì)化的效果。
根據(jù)本發(fā)明的鍛造合金產(chǎn)品的一個(gè)具體的實(shí)施方案，合金的基本組成為以重量百分比計(jì)，Mg 0.45-0.75，一般為約0.58Cu 4.5-5.35，一般為約5.12Zr 0.0-0.18，一般為約0.14Mn 0.15-0.40，一般為約0.3Ag 0.20-0.50，一般為約0.4Zn 0-0.25，一般為約0.12Si ＜0.07，一般為約0.04，F(xiàn)e ＜0.08，一般為約0.06Ti ＜0.02，一般為約0.01余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的鍛造合金產(chǎn)品的另一個(gè)具體的實(shí)施方案，合金的基本組成為以重量百分比計(jì)，Mg 0.45-0.75，一般為約0.62Cu 4.5-5.35，一般為約5.1基本上不含Zr，一般為低于0.01Cr 0.05-0.28，一般約為0.12Mn 0.15-0.40，一般為約0.3Ag 0.20-0.50，一般為約0.4Zn 0-0.25，一般為約0.2Si ＜0.07，一般為約0.04Fe ＜0.08，一般為約0.06Ti ＜0.02，一般為約0.01余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的鍛造合金產(chǎn)品的另一個(gè)具體的實(shí)施方案，該產(chǎn)品優(yōu)選加工到T8狀態(tài)，合金基本組成為以重量百分比計(jì)，Mg 0.65-1.1，一般為約0.98
Cu 4.5-5.35，一般為約4.8Zr 0.0-0.18，一般為約0.14Mn 0.15-0.40，一般為0.3Ag 0.20-0.50，一般為0.4Zn 0-0.25，一般為約0.2Si ＜0.07，一般為約0.04，F(xiàn)e ＜0.08，一般為約0.06Ti ＜0.02，一般為約0.01余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的合金可以常規(guī)的熔煉方法制備并可以被鑄造成合適的錠坯形式，例如通過直接冷硬鑄造，D.C.鑄造。還可以使用基于Ti的晶粒細(xì)化劑，例如硼化鈦或碳化鈦。通過修整和可能的均質(zhì)化，鑄錠可進(jìn)一步通過如一步或多步的擠壓、鍛造和熱軋等進(jìn)行加工。這種加工可以被中間退火所中斷。進(jìn)一步的處理可以是冷加工，可以是冷軋或拉伸。該產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理和淬火處理，淬火是通過浸沒在冷水中或噴灑冷水，或快速冷卻到低于95℃的溫度。產(chǎn)品可進(jìn)一步處理，例如軋制或拉伸，最高達(dá)12％，或者通過拉伸或壓制以釋放應(yīng)力和/或時(shí)效至最終狀態(tài)或中間狀態(tài)。產(chǎn)品可以在最終時(shí)效之前或之后甚至在固溶熱處理之前，進(jìn)行成型或加工成最終或中間的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明詳述商用飛機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于不同的類型的結(jié)構(gòu)部件需要不同的性能組合。對(duì)于機(jī)身片材產(chǎn)品的重要材料性能是在拉伸載荷下的損傷容限性能(如FCGR，斷裂韌性和耐腐蝕性)。
而對(duì)于大容量、商用噴氣式飛機(jī)的下翼蒙皮，重要的材料性能與機(jī)身片材產(chǎn)品的近似，但一般更高的抗拉強(qiáng)度是飛機(jī)制造中所希望的。疲勞壽命也成為這一應(yīng)用的主要材料性能。
由厚金屬板加工的部件的重要材料性能取決于最終加工的部件。但是一般的，材料性能沿厚度的梯度必須很小，且工程性能，如強(qiáng)度、斷裂韌性、抗疲勞和耐腐蝕性等性能必須很高。
本發(fā)明針對(duì)一種合金組成，該合金可被加工成各種產(chǎn)品例如但不限于片材、板材、厚板等，該產(chǎn)品將滿足或優(yōu)于當(dāng)前所需材料的性能。對(duì)于這種應(yīng)用類型，該產(chǎn)品的性能平衡優(yōu)于由現(xiàn)在所用的商用合金制備的產(chǎn)品的性能平衡，尤其是標(biāo)準(zhǔn)AA2024和AA2024-HDT的那些。已驚奇的發(fā)現(xiàn)，在AA2000范圍中的化學(xué)成分范圍可實(shí)現(xiàn)該獨(dú)特的性能。
本發(fā)明源于對(duì)彌散體的含量和類型(如Zr、Cr、Sc、Mn)以及與Cu和Mn結(jié)合在加工過程中對(duì)于相和顯微組織的影響的研究。這些合金中的一些被加工成片狀或板狀并進(jìn)行拉伸、卡恩拉裂(Kahn-tear)韌性和耐腐蝕性測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋中驚奇的發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的化學(xué)組成制備的鋁合金如片材、板材、厚板、擠壓件或鍛造產(chǎn)品等呈現(xiàn)出的優(yōu)秀的損傷容限性能，由此，使得該合金成為多用途合金產(chǎn)品。該合金產(chǎn)品還具有良好的可焊接性能。
本發(fā)明還在于本發(fā)明的合金鍛造產(chǎn)品可在一側(cè)或雙側(cè)上提供包覆層或涂層。這種包覆的或涂覆的產(chǎn)品使用本發(fā)明的鋁基合金的芯層和通常更高純度的包覆層，該包覆層可特別地對(duì)芯層進(jìn)行腐蝕防護(hù)，這對(duì)于航天應(yīng)用是特別的優(yōu)勢(shì)。這些包覆層包括基本上未合金化的鋁或含有不超過0.1或1％的所有其他元素的鋁，但不僅限于此。這里稱為1xxx類型系列的鋁合金包括所有鋁業(yè)協(xié)會(huì)(AA)合金，包括1000-型、1100-型、1200-型和1300-型的所有子類。所以，在芯層上的包覆層合金可以選自各種鋁業(yè)協(xié)會(huì)合金如1060、1045、1100、1200、1230、1135、1235、1435、1145、1345、1250、1350、1170、1175、1180、1185、1285、1188、1199或7072。此外，AA7000系列合金中的合金，如含有鋅(0.8-1.3％)7072或含有0.4-0.9wt％鋅的其改性版本可以用作包覆層。AA6600系列合金中的合金，如6003或6253，通常含有高于1％的合金化添加劑，可以用作本發(fā)明的包覆層。只要能夠保護(hù)芯層合金免受腐蝕的其他合金都可以用作包覆層。包覆層還可以是選自AA4000系列的鋁合金，且該包覆層可用于腐蝕防護(hù)也可在焊接操作中起到輔助作用，如US6,153,854(在此作為參考引用)中公開的，由此可以省略附加填料絲。該包覆層或多包覆層通常比芯層薄許多，每一個(gè)占總復(fù)合物厚度的比例1-15％或20％或25％。包覆層或涂層更一般的構(gòu)成總復(fù)合物厚度的約1-11％。
本發(fā)明另一方面，提供一種將根據(jù)本發(fā)明的鋁合金產(chǎn)品制為結(jié)構(gòu)元件的優(yōu)選方法。制造高強(qiáng)度、高韌性、低疲勞裂紋擴(kuò)展率并具有良好的耐腐蝕性的AA2000系列合金產(chǎn)品的方法，包括以下加工步驟a)鑄造具有如說明書和權(quán)利要求所述組成的鑄錠；
b)鑄造后，對(duì)鑄錠進(jìn)行均質(zhì)化和/或預(yù)熱；c)熱加工鑄錠成預(yù)加工產(chǎn)品；d)對(duì)預(yù)加工產(chǎn)品可選的再加熱處理和或者，e)熱加工或/和冷加工成所需要的工件形狀；f)在足以使合金中的所有可溶組分均進(jìn)入固溶體中的溫度和時(shí)間下，對(duì)所述成型的工件進(jìn)行固溶熱處理；g)通過噴灑淬火或在水或其他淬火介質(zhì)中的浸沒淬火對(duì)固溶熱處理工件進(jìn)行淬火；h)可選的，對(duì)淬火的工件進(jìn)行拉伸或壓制或其它冷加工以釋放應(yīng)力處理方法，如對(duì)片材產(chǎn)品的校平處理；i)可選的，對(duì)淬火后和可選的拉伸和/或壓制處理的工件進(jìn)行時(shí)效處理，以獲得所需要的狀態(tài)，如T3、T351、T36、T3x、T4、T6、T6x、T651、T87、T89、T8x；j)隨后可選的機(jī)加工上述的產(chǎn)品成結(jié)構(gòu)元件的最終形狀。
本發(fā)明的合金產(chǎn)品可以按照常規(guī)方式通過熔煉制備或可以直接冷硬(DC)鑄造成坯錠，或通過其他的適宜的鑄造技術(shù)。通?？稍谝徊交蚨嗖街羞M(jìn)行均質(zhì)化處理，每一步的溫度范圍為460-535℃。預(yù)熱溫度是將軋制坯錠加熱到熱軋機(jī)的入口溫度，通常是在400-460℃范圍內(nèi)。熱加工合金產(chǎn)品可以通過軋制、擠壓或鍛造之一完成。對(duì)于目前的合金優(yōu)選熱軋。固溶熱處理一般在與均質(zhì)化處理所用的相同溫度范圍中進(jìn)行，但是，保溫的時(shí)間可以適當(dāng)縮短。
很驚奇的發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)寬的厚度范圍內(nèi)獲得了優(yōu)秀的性能平衡。在厚度最高0.5英寸(12.5mm)范圍內(nèi)的片材中性能對(duì)于機(jī)身蒙皮是優(yōu)秀的。在厚度在0.7-3英寸(17.7-76mm)范圍內(nèi)的薄板，性能對(duì)于翼板而言是優(yōu)秀的，如下翼板。該薄板厚度范圍可用作縱梁或形成整塊的翼板，或用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)的縱梁。當(dāng)加工成大于2.5英寸(63mm)至最大11英寸(280mm)的更厚的規(guī)格時(shí)，對(duì)于由該板材機(jī)加工而成的整體部件、或形成用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的整梁、或形成用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的肋條而言，可以獲得優(yōu)秀的性能。更厚規(guī)格的產(chǎn)品可用作加工模具，如制備成型塑料產(chǎn)品的模具，例如通過模鑄或注射成型。可以以階段式擠壓或擠壓翼梁的形式提供本發(fā)明的合金產(chǎn)品，以用作飛機(jī)構(gòu)件，或以鍛造翼梁的形式以用作飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。


圖1是顯示本發(fā)明合金中Cu-Mg含量范圍及縮小的優(yōu)選范圍的Mg-Cu圖；圖2(a)和2(b)顯示本發(fā)明T651狀態(tài)合金與現(xiàn)有技術(shù)的2024合金相比，在兩個(gè)測(cè)試方向上的抗拉強(qiáng)度與韌性關(guān)系圖。
圖3(a)和3(b)顯示本發(fā)明T89狀態(tài)合金與現(xiàn)有技術(shù)的2024合金相比，在兩個(gè)測(cè)試方向上的抗拉強(qiáng)度與韌性關(guān)系圖。
圖4顯示的是本發(fā)明的兩種合金作為Cr和Zr含量函數(shù)的抗拉強(qiáng)度與韌性的關(guān)系圖。
圖5顯示的是本發(fā)明合金在兩個(gè)測(cè)試方向、不同的狀態(tài)下的與現(xiàn)有技術(shù)中的2024合金相比的屈服強(qiáng)度與缺口韌性關(guān)系對(duì)比6顯示的是兩個(gè)狀態(tài)下本發(fā)明合金與現(xiàn)有技術(shù)中的HDT-AA2024-T351合金的FCGR。
圖1示意性的顯示了在從屬權(quán)利要求中限定的各種實(shí)施方案中本發(fā)明合金的Cu和Mg含量范圍，其范圍可以使用框的A、B、C、D四個(gè)頂點(diǎn)來確定。A’-D’表示優(yōu)選范圍，A”-D”表示更優(yōu)選的范圍，A_-D_表示最優(yōu)選的范圍。坐標(biāo)列于表1。
表1本發(fā)明合金產(chǎn)品Cu-Mg含量?jī)?yōu)選范圍頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(重量％)


實(shí)施例實(shí)施例1為了證明本發(fā)明的原理，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模鑄造了18個(gè)合金，并加工成4.0mm的片材。該合金的組成列于表2，對(duì)于所有坯錠的Fe＝0.07，Si＝0.05，Ti＝0.02，余量為鋁。由約12公斤的實(shí)驗(yàn)室鑄造坯錠切割成約為80*80*100mm(高*寬*長(zhǎng))的軋制塊。這些軋制塊采用兩步均質(zhì)化處理進(jìn)行均質(zhì)化，如先進(jìn)行520℃、10小時(shí)均質(zhì)化處理后，再進(jìn)行525-530℃、10小時(shí)均質(zhì)化處理。緩慢的加熱到該均質(zhì)化溫度。在均質(zhì)化處理后，軋制塊緩慢空冷，以模擬工業(yè)均質(zhì)化工藝。該軋制塊在460±5℃下進(jìn)行6小時(shí)的預(yù)熱。在約40-50mm的中間厚度范圍內(nèi)，軋制塊在460±5℃下進(jìn)行再加熱，這些軋制塊熱軋成4.0mm的最終規(guī)格。在整個(gè)熱軋過程中，注意模擬工業(yè)規(guī)模熱軋。對(duì)這些熱軋過的產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理和淬火。對(duì)片材加工至適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。拉伸度介于0-9％之間，取決于最終的狀態(tài)。對(duì)最終產(chǎn)品為峰值時(shí)效處理或近峰值時(shí)效處理強(qiáng)度(如分別為T6x或T8x狀態(tài))。
根據(jù)EN10.002進(jìn)行了拉伸性能測(cè)定。來自4mm厚薄板的拉伸試樣為4mm厚的扁EURO-NORM試樣。表3和4所列是L-和LT-方向的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)ASTM B871-96測(cè)試了卡恩撕裂韌性，表3和4所列是T-L和L-T方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所謂的缺口韌性是指卡恩撕裂測(cè)試(Kahn-tear test)所得的拉裂強(qiáng)度除以屈服強(qiáng)度(“TS/Rp”)。在本技術(shù)領(lǐng)域，由卡恩抗裂測(cè)試所得的一般結(jié)果通常能很好的表征斷裂韌性?？ǘ骺沽褱y(cè)試T所得的單位傳播功率(“UPE”)是指裂紋擴(kuò)展所需要的能量，通常認(rèn)為，UPE越高，裂紋越難擴(kuò)散，通常希望材料如此。
表2中所列合金根據(jù)上述的加工路線加工成片材。最后將上述合金時(shí)效至T651(拉伸1.5％，12小時(shí)/175℃下時(shí)效處理)。結(jié)果如表3和圖2a、2b所示。
圖2a、2b中，給出了標(biāo)準(zhǔn)AA2024的結(jié)果作為參照。給出了用于機(jī)身應(yīng)用的商用AA2024和高損傷容限(“HDT”)AA2024型合金(如AA2524)的拉伸與韌性的對(duì)比關(guān)系作為參考。其中的閉合的各個(gè)點(diǎn)是根據(jù)本發(fā)明的合金，而開放的各個(gè)點(diǎn)為不是根據(jù)本發(fā)明的合金。本發(fā)明表明在L相對(duì)于L-T，其韌性比HDT-AA2024合金至少提高15％，最好的結(jié)果甚至提高20％或更高。本領(lǐng)域技術(shù)人員很快可以認(rèn)識(shí)到，左上端的2024商用合金和2024-HDT合金的值代表了T3狀態(tài)的一般值，而右下端的值代表T6和T8狀態(tài)的值。
從上述結(jié)果還可以看出，由于Ag含量、彌散體含量、Cu和Mg含量之間的仔細(xì)平衡，使得韌性相對(duì)于拉伸性能有了意料不到的提高。
將來自相同合金的片材制造成T8狀態(tài)。以與圖2a、2b中相似的方式，表4和圖3a、3b中顯示了在T89狀態(tài)的結(jié)果。在圖3a、3b中，再次給出AA2024的結(jié)果作為參照。給出了用于機(jī)身應(yīng)用的商用AA2024和高損傷容限(“HDT”)AA2024型合金(如AA2524)的拉伸與韌性的對(duì)比關(guān)系作為參考。本發(fā)明表明在L相對(duì)于L-T，其韌性比HDT-AA2024合金至少提高15％，最好的結(jié)果甚至能提高20％或更高。
從上述結(jié)果還可以看出，由于Ag含量、彌散體含量、和Cu與Mg含量之間的仔細(xì)平衡，使得韌性相對(duì)于拉伸性能有了預(yù)料不到的提高。
注意，T8狀態(tài)下的16號(hào)合金樣品具有讓人印象深刻的拉伸相對(duì)于韌性的平衡，雖然T6狀態(tài)下的該合接近，但剛剛低于性能提高20％這一目標(biāo)值。但可以相信的是，在T6狀態(tài)下該合金略微較低的性能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)驗(yàn)條件下的離散而造成的。
表2實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下鑄造的合金的化學(xué)組成(每個(gè)樣品中含0.06wt％Fe和0.04wt％Si和0.02wt％Ti)

表3 合金在T651狀態(tài)下測(cè)試的機(jī)械性能(“-”表示“沒有測(cè)定”)

表4 合金在T89狀態(tài)下測(cè)試的機(jī)械性能(“-”表示“沒有測(cè)定”)

實(shí)施例2對(duì)另外兩種合金進(jìn)行了如實(shí)施例1所述的鑄造、加工和測(cè)試。這兩種合金的化學(xué)組分如表5所示，最終的規(guī)格為4.0mm，由該合金制備的片材時(shí)效至T651和T89狀態(tài)。拉伸和卡恩抗裂樣品在測(cè)試之前從兩側(cè)加工至最終厚度為2.0mm。該合金片材的測(cè)試結(jié)果如表6和圖4所示。
實(shí)施例2表明，與通常的認(rèn)識(shí)相反，含Cr合金也可以有很高的韌性。含Cr的合金20的確優(yōu)于含Zr的合金樣品19。
表5本發(fā)明的兩種合金的化學(xué)組成(以wt％計(jì))每種合金中含有Fe＝0.06，Si＝0.04，Ti＝0.02

表6.表5中合金20和21在LT(T-L)方向的性能

實(shí)施例3通過DC-鑄造，以工業(yè)規(guī)模制備了厚度為440mm全尺寸軋制錠坯，其化學(xué)組成(以wt％計(jì))為0.58％Mg，5.12％Cu，0.14％Zr，0.29％Mn，0.41％Ag，0.12％Zn，0.01％Ti，0.04％Si和0.06％Fe，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。對(duì)這些錠坯中的一個(gè)進(jìn)行去氧化皮、進(jìn)行2-6小時(shí)/490℃和24小時(shí)/520℃均質(zhì)化處理，再空冷到環(huán)境溫度，然后對(duì)該錠坯在460℃下預(yù)熱6小時(shí)，然后熱軋至約5mm，該板材進(jìn)一步冷軋至4.0mm。然后該板被切割成數(shù)塊。該板材然后在525℃下固溶處理45分鐘，隨后水淬。然后對(duì)這些板進(jìn)行1.5％(T351和T651)或6％(T36)或9％(T89)的拉伸以得到所希望的狀態(tài)。人工時(shí)效狀態(tài)(T651和T89)在175℃下時(shí)效12小時(shí)。
拉伸和卡恩抗裂的樣品是取自上述板的中間部位，并采用如實(shí)施例1所述的方法進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)ASTM E647對(duì)100mmC(T)樣品進(jìn)行FCGR測(cè)定，其中R-比率(R-ratio)是0.1，且測(cè)試是在恒負(fù)載下進(jìn)行的。
開孔疲勞(Kt＝3.0)和平缺口疲勞(Kt＝1.2)性能根據(jù)ASTM E466測(cè)定。樣品取自中等厚度板并加工為2.5mm厚度。開孔樣品的外加應(yīng)力為138MPa(總截面應(yīng)力基準(zhǔn))，對(duì)平缺口樣品的外加應(yīng)力為207MPa(缺口根部?jī)艚孛鎽?yīng)力基準(zhǔn))，測(cè)試頻率不超過15Hz。R-比率為0.1。每種合金/狀態(tài)至少測(cè)定5個(gè)樣品。當(dāng)超過1,500,000個(gè)循環(huán)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。這就是通常所謂的“完成”。添加了高損傷容限的AA2024-T351合金作為參照。結(jié)果如表7和圖5所示。從圖5可見，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上所得到的高韌性在工業(yè)規(guī)模的制造中也能夠獲得。
該合金在T36和T89狀態(tài)下的抗疲勞性能如表8所示，可以明確的看出，本發(fā)明的合金的性能與選為參照的HDT2024-T351合金的性能相近。
FCGR可以從圖6中看出，本發(fā)明的合金的性能與選為參照的具有高損傷容限的AA2024-T351合金相近。
表7實(shí)施例3性能測(cè)試結(jié)果

表8本發(fā)明合金(L-T方向)兩個(gè)狀態(tài)與作為參照的AA2024-HDT疲勞性能比較

至此本發(fā)明已描述完畢，很顯然，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的描述做出很多的變化和調(diào)整，這些應(yīng)當(dāng)不違背本發(fā)明的精神并落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度、高斷裂韌性、高抗疲勞性和低疲勞裂紋擴(kuò)展率的鋁合金可鍛產(chǎn)品，所述的合金的包括，以重量％計(jì)Cu4.4-5.5，Mg0.3-1.0使得-1.1[Mg]+5.38≤[Cu]≤5.5，F(xiàn)e＜0.20Si＜0.20Zn＜0.40，以及，作為彌散體形成元素的0.15-0.8的Mn和選自下列中的一種或多種彌散體形成元素的組合Zr＜0.5Sc＜0.7Cr＜0.4Hf＜0.3Ag＜1.0Ti＜0.4V ＜0.4，余量為鋁和其他雜質(zhì)元素或偶存元素。
2.如權(quán)利要求1所述鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中，Cu4.4-5.5，Mg0.35-0.78，并且其中-1.1[Mg]+5.38≤[Cu]≤5.5。
3.如權(quán)利要求1所述鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中，Cu4.4-5.35，Mg0.45-0.75，并且其中-0.33[Mg]+5.15≤[Cu]≤5.35。
4.如權(quán)利要求1所述鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中，Cu4.4-5.5，Mg0.45-0.75，并且其中-0.90[Mg]+5.60≤[Cu]≤5.5。
5.如權(quán)利要求4所述鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中，Cu含量≤5.35％。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中Zr含量范圍為最高0.3％，優(yōu)選含量范圍為最高0.15％。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中Mn含量范圍為低于0.40％，優(yōu)選含量范圍為0.20-0.35％。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中Ag含量范圍為最高0.6％，優(yōu)選含量范圍為0.25-0.50％，或更優(yōu)選含量范圍為0.32-0.48％。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中Cr含量范圍為最高0.30％，優(yōu)選含量范圍為最高0.15％。
10.如權(quán)利要求9所述鋁合金鍛造產(chǎn)品，該合金中基本不含Zr。
11.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中Zn含量范圍為0.10-0.25％。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品為用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的薄板、板、鍛件或擠壓件的形式。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品為機(jī)身薄板、上翼板、下翼板、機(jī)械部件厚板、縱梁的鍛件或薄板。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品為厚度范圍12-76mm的板材產(chǎn)品形式。
15.一種制備高強(qiáng)度、高韌性、具有高損傷容限性能的AA2000系列合金產(chǎn)品的方法，包括以下工藝步驟a.)鑄造具有如權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述組成的鑄錠；b.)鑄造后對(duì)鑄錠均質(zhì)化處理和/或預(yù)熱；c.)將鑄錠熱加工成預(yù)加工產(chǎn)品；d.)對(duì)該預(yù)加工產(chǎn)品可選地再加熱和或者，e.)熱加工和/或冷加工成所需要的工件形式；f.)在足以使合金中基本上所有可溶組分均進(jìn)入固溶體中的溫度和時(shí)間下對(duì)所述成型的工件進(jìn)行固溶熱處理；g.)通過噴灑淬火或用水或其他淬火介質(zhì)進(jìn)行浸沒淬火中的一種對(duì)固溶處理的工件進(jìn)行淬火；h.)對(duì)淬火后的工件可選地進(jìn)行拉伸或壓制；i.)對(duì)淬火的和可選的拉伸或壓制處理的工件進(jìn)行時(shí)效處理，以獲得所需要的狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求15所述的制備方法，其中將該合金產(chǎn)品時(shí)效至選自下述狀態(tài)T3、T351、T352、T36、T3x、T4、T6、T61、T62、T6x、T651、T652、T87、T89、T8x。
17.如權(quán)利要求15或16所述的制備方法，其中該合金產(chǎn)品已加工成飛機(jī)機(jī)身片材。
18.如權(quán)利要求15或16所述的制備方法，其中該合金產(chǎn)品已加工成飛機(jī)下翼板。
19.如權(quán)利要求15或16所述的制備方法，其中該合金產(chǎn)品已加工成飛機(jī)上翼板。
20.如權(quán)利要求15或16所述的制備方法，其中該合金產(chǎn)品已加工成用作機(jī)加工結(jié)構(gòu)的具有厚度最高為280mm的厚板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、高斷裂韌性、高抗疲勞性和低疲勞裂紋增長(zhǎng)率的鋁合金鍛造產(chǎn)品，其組成為(以重量％計(jì))0.3－1.0％鎂，4.4－5.5％銅，0－0.20％鐵，0－0.20％Si，0－0.40％鋅，及作為彌散體形成元素存在的0.15－0.8的Mn和選自Zr、Sc、Cr、Hf、Ag、Ti、V中的一種或多種彌散體形成元素，余量為鋁和其他的偶存元素，其中的Cu－Mg含量關(guān)系的限制使得－1.1[Mg]+5.38≤[Cu]≤5.5。本發(fā)明還涉及該產(chǎn)品的制備方法。
文檔編號(hào)C22C21/12GK1829812SQ200480015696
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者H·J·W·哈加特爾 申請(qǐng)人:克里斯鋁軋制品有限公司