專利名稱：抗損傷的鋁合金產(chǎn)品及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合在航空領(lǐng)域使用的改進(jìn)的鋁合金產(chǎn)品，而且，更具體地，它涉及一種具有改善的疲勞裂紋生長抗力和斷裂韌性并且適合用作飛機(jī)蒙皮的改進(jìn)的鋁合金及其制備方法。
對(duì)于本發(fā)明而言，薄板材可理解為是厚度不小于1.3mm(0.05英寸)且不大于6.3mm(0.25英寸)的軋制產(chǎn)品，中厚板材可理解為是厚度大于6.3mm的軋制產(chǎn)品。參見鋁業(yè)協(xié)會(huì)1997年出版的Aluminumstandards and Data中的第五章術(shù)語部分。
鑄錠或板坯是一種根據(jù)定義具有一定長度(通常是(半)連鑄時(shí)的鑄造方向)，一定寬度和一定厚度的三維物體，其中，寬度等于或大于厚度。
商用飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求不同結(jié)構(gòu)類型的飛機(jī)具有不同的性能指標(biāo)組合。對(duì)于許多部件，高的斷裂韌性或低的疲勞裂紋生長形式的裂紋擴(kuò)展抗力是必需的。因此，改善斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展性能能夠帶來許多重大好處。
具有例如改善的韌性的新材料將會(huì)展現(xiàn)出更高的抗損傷性能。商用飛機(jī)在起飛/著陸期間會(huì)受到循環(huán)加載，而同時(shí)飛機(jī)內(nèi)部處于加壓狀態(tài)。典型地，在正常的服役壽命期間，飛機(jī)可能會(huì)經(jīng)受超過100,000次的加壓循環(huán)。因此，將會(huì)注意到改善均與循環(huán)加載有關(guān)的斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力能夠帶來很大益處。
在航空工業(yè)，鋁業(yè)協(xié)會(huì)的合金AA2024及其改良合金已被廣泛用作抗損傷性能高的鋁合金，大部分處于T3狀態(tài)或其修正狀態(tài)。這些合金的產(chǎn)品具有相對(duì)高的強(qiáng)度/重量比，并展示出良好的斷裂韌性、良好的疲勞性能以及充分的耐腐蝕性。
由歐洲專利EP-B-0 473 122(Alcoa)可知一種制備抗損傷的鋁合金薄板產(chǎn)品的方法，包括
(a)提供一種鋁基合金坯體，所述合金含有(以重量％計(jì))Cu3.8-4.5Mg1.2-1.85Mn0.3-0.78Fe最多0.5，優(yōu)選最多0.12Si最多0.5，優(yōu)選最多0.10余者為鋁，任選地，最多0.2的Zn，最多0.2的Zr，最多0.5的Cr，以及雜質(zhì)；(b)將所述坯體熱軋成板坯；(c)將所述板坯加熱至488℃以上，以使可溶組元溶解；(d)在315-482℃的溫度范圍，將所述板坯熱軋至薄板產(chǎn)品；(e)固溶熱處理；(f)冷卻；以及(g)時(shí)效處理，以獲得具有高的強(qiáng)度以及改善的斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力的薄板產(chǎn)品。
由該已知方法獲得的抗損傷的薄板產(chǎn)品在T3狀態(tài)下提供并且市場(chǎng)有售。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種與根據(jù)EP-B-0 473 122的方法獲得的處于T3狀態(tài)的鋁薄板產(chǎn)品相比，具有改善的抗損傷性能的鋁合金產(chǎn)品。本發(fā)明的另一個(gè)目的是進(jìn)一步改善鋁薄板產(chǎn)品的機(jī)械性能。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種制備改善的鋁合金產(chǎn)品的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種包含鋁基合金的產(chǎn)品，所述鋁基合金含有(以重量％計(jì))3.8-4.9％Cu，1.2-1.8％Mg，0.1-0.9％Mn，最多0.12％Fe，最多0.10％Si，最多0.15％Ti，最多0.20％Zn，最多0.10％Cr，每種含量最多0.05％、總量最多0.15％的雜質(zhì)，余者為鋁，并且，所述產(chǎn)品具有300MPa或更高的最小L-0.2％屈服強(qiáng)度，270MPa或更高的最小LT-0.2％屈服強(qiáng)度，對(duì)于700mm寬的CCT板具有 或更高的最小T-L斷裂韌性Kc(ao)，并且在L/ST截面和LT/ST截面均具有根據(jù)ASTM E-112至少6級(jí)的平均晶粒尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的該產(chǎn)品與由所述已知方法獲得的鋁薄板相比具有改善的強(qiáng)度和疲勞性能。該產(chǎn)品可以作為薄板材和中厚板材提供。據(jù)認(rèn)為，優(yōu)異的性能是特定的化學(xué)組成范圍與產(chǎn)品的細(xì)小晶粒組織(6級(jí)或更高的ASTM E-112晶粒尺寸)以及在至少L/ST和LT/ST方向上相對(duì)較小的晶粒組織縱橫比的組合的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是性能，尤其是疲勞性能更具備各向同性。更具各向同性的結(jié)構(gòu)尤其會(huì)使產(chǎn)品在T-L方向的機(jī)械性能，特別是疲勞性能得到改善，這種改善會(huì)促進(jìn)產(chǎn)品的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品包含一種鋁基合金，所述鋁基合金基本組成為(以重量％計(jì))3.8-4.9％Cu，1.2-1.8％Mg，0.1-0.9％Mn，余者為鋁以及微量和雜質(zhì)元素。對(duì)于產(chǎn)品中存的微量和雜質(zhì)元素鋅、鈦和鉻而言，最大容許量分別是鋅為0.20％，鈦為0.15％，鉻為0.10％。對(duì)于雜質(zhì)元素鐵和硅而言，最大容許量分別是鐵為0.12％，硅為0.10％。對(duì)于任何其它殘留微量元素而言，每種元素的最大含量為0.05，殘留微量元素總含量的最大值為0.15％。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的更優(yōu)選的實(shí)施方案中，Cu含量被限定為3.8-4.7％，更優(yōu)選為3.8-4.6％，并且最優(yōu)選為3.9-4.6％，以同時(shí)保持良好的強(qiáng)度及改善的疲勞性能。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的更優(yōu)選的實(shí)施方案中，Mg含量被限定為1.2-1.7％，更優(yōu)選為1.2-1.6％，以便同時(shí)保持良好的強(qiáng)度和改善的疲勞性能。
必須將Cu和Mg的含量控制在指定范圍，以便在改善韌性和疲勞性能的同時(shí)保持良好的強(qiáng)度。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的更優(yōu)選的實(shí)施方案中，Mn含量被限定為0.1-0.8％，并且更優(yōu)選為0.2-0.8％。
將Fe和Si含量限定在極低水平，以便防止對(duì)斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力有害的含鐵和硅的粒子的大量形成。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述產(chǎn)品具有的最小縱向(L)-0.2％屈服強(qiáng)度為320MPa或更高，更優(yōu)選為340MPa或更高，并且還更優(yōu)選為360MPa或更高，最優(yōu)選為370MPa或更高。TL方向(橫向)的優(yōu)選最小0.2％屈服強(qiáng)度為270MPa或更高，優(yōu)選為280MPa或更高，更優(yōu)選為300MPa或更高，還更優(yōu)選為310MPa或更高，并且最優(yōu)選至少為320MPa或更高。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述產(chǎn)品是一種薄板產(chǎn)品并且具有的最小橫向(TL)-抗拉強(qiáng)度為440MPa或更高，優(yōu)選為450MPa或更高，并且更優(yōu)選為4670MPa或更高。另外，所述薄板產(chǎn)品具有的最小縱向(L)-抗拉強(qiáng)度為475MPa或更高，優(yōu)選為485MPa或更高，并且更優(yōu)選為490MPa或更高，最優(yōu)選為495MPa或更高。
在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述產(chǎn)品，對(duì)于2000mm寬的CCT板，具有的最小T-L斷裂韌性Kc(ao)為 或更高，優(yōu)選為 ，更優(yōu)選為 或更高，還更優(yōu)選為 或更高。對(duì)于2000mm寬的CCT板，優(yōu)選的最小L-T斷裂韌性Kc(ao)為 或更高，優(yōu)選為 或更高，更優(yōu)選為 或更高，并且最優(yōu)選為 或更高。對(duì)于700mm寬的CCT板，優(yōu)選的最小L-T斷裂韌性Kc(ao)為 ，優(yōu)選110MPa或更高，更優(yōu)選為 或更高，還更優(yōu)選為 或更高，并且最優(yōu)選為 或更高。
根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品可以用作薄板材的中厚板材。然而，所述產(chǎn)品理想地是應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的薄板產(chǎn)品。所述薄板產(chǎn)品在至少L/ST截面和LT/ST截面的平均晶粒尺寸優(yōu)選為ASTM E-112的6級(jí)或更高，更優(yōu)選為ASTM E-112的7-8級(jí)。L/ST截面可理解為是在下述兩方向具有帶棱邊的表面L方向(縱向，通常是軋制方向)和ST方向(短橫向，通常是產(chǎn)品的厚度)。LT/ST截面可理解為是在下述兩方向具有帶棱邊的表面LT方向(長橫向，通常是產(chǎn)品的寬度)和ST方向(短橫向)。所述薄板產(chǎn)品在至少L/ST和LT/ST各截面的晶粒結(jié)構(gòu)的縱橫比優(yōu)選為1∶≤4，更優(yōu)選為1∶≤3，并且還更優(yōu)選為1∶≤2。晶粒結(jié)構(gòu)越等軸，所獲得的機(jī)械性能，特別是疲勞性能越具各向同性。
本發(fā)明也在于本發(fā)明的產(chǎn)品可以帶有覆層材料。這種包覆產(chǎn)品利用由本發(fā)明的鋁基合金構(gòu)成的芯材以及通常具有更高純度的尤其能對(duì)所述芯部提供腐蝕保護(hù)的覆層材料。所述覆層材料包括，但不限于，基本上未合金化的鋁或者所有其它元素總含量不高于0.1或1％的鋁。此處指定為1XXX系列的鋁合金包括所有的鋁業(yè)協(xié)會(huì)(AA)合金，包括1000型，1100型，1200型和1300型的子類。因此，所述芯部上的包覆材料可以選自于各種鋁業(yè)協(xié)會(huì)合金，例如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，例如含鋅(0.8-1.3％)的7072可以作為覆層材料，而且，AA6000系列合金的合金，例如6003或6253，它們的合金化添加劑含量典型地高于1％，可以用作覆層材料。其它合金也可以用作覆層材料，條件是對(duì)所述芯部合金尤其能提供充分的總體腐蝕保護(hù)作用。一層或幾層包覆層通常遠(yuǎn)比所述芯部薄，每層包覆層構(gòu)成整個(gè)復(fù)合材料總厚度的1至15或20或者可能地為25％。一個(gè)包覆層更典型地構(gòu)成復(fù)合材料總厚度的約1-12％。
另一方面，本發(fā)明提供一種制備具有改善的抗損傷性能的產(chǎn)品的方法，其包括下述步驟(a)澆注包含一種鋁合金的鑄坯或板坯，所述鋁合金含有(以重量％計(jì))3.8-4.9Cu，1.2-1.8Mg，0.1-0.8Mn，最多0.12Fe，最多0.10Si，最多0.15Ti，最多0.20Zn，最多0.10Cr，每種最多0.05、總量最多0.15的雜質(zhì)，余者為鋁。
(b)將所述鑄錠熱軋成中間產(chǎn)品；(c)將所述中間產(chǎn)品冷軋成在長度和寬度方向上總冷變形量均超過60％的軋制產(chǎn)品；(d)固溶熱處理；(e)冷卻；以及(f)時(shí)效處理，以獲得具有高強(qiáng)度和改善的斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力的軋制產(chǎn)品。
采用根據(jù)本發(fā)明的所述方法，能夠制備一種軋制產(chǎn)品，對(duì)于700mm寬的CCT板所述軋制產(chǎn)品具有300MPa或更高的L-0.2％屈服強(qiáng)度最小值，270MPa或更高的LT0.2％屈服強(qiáng)度最小值， 或更高的T-L斷裂韌性Kc(ao)最小值，并且具有在L/ST和LT/ST方向上根據(jù)ASTM至少6級(jí)的平均晶粒尺寸。所述方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠獲得具有更高各向同性程度的性能，特別是各向同性的疲勞性能，以及具有較小的縱橫比的晶粒結(jié)構(gòu)的軋制產(chǎn)品。所述方法的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的卷材生產(chǎn)方法相比，它能夠生產(chǎn)寬度大得多的中板或薄板產(chǎn)品。本方法的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與例如EP-B-0473122中提出的卷材生產(chǎn)方法相比，它能夠生產(chǎn)寬度大得多的中板或薄板產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的方法的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是如在EP-B-0 473 122中，在熱軋過程中將板坯中間加熱至488℃以上以使可溶性組元溶解過程，對(duì)于獲得所要求的機(jī)械性能而言不再是必不可少的，但是，任選地，該步驟可以加以采用。
此處述及的鋁合金可以采用目前在鑄造產(chǎn)品領(lǐng)域使用的鑄造技術(shù)，例如，DE-鑄造法，EMC-鑄造法，EMS-鑄造法，作為用于加工成適當(dāng)鍛造產(chǎn)品的鑄錠或板坯在處理步驟(a)中提供。由連鑄法，例如帶式鑄機(jī)或輥式鑄機(jī)獲得的板坯也可以使用。
鑄錠或板坯在熱軋之前可以進(jìn)行均勻化處理和/或可以預(yù)加熱之后馬上進(jìn)行熱軋。AA2024系列合金及其改進(jìn)型合金在熱軋之前的均勻化和/或預(yù)加熱通常采用一個(gè)或多個(gè)步驟中在400-505℃的溫度下進(jìn)行。在上述每種情況中，鑄造時(shí)合金元素在材料中的偏析都會(huì)減少，而且可溶性元素發(fā)生溶解。如果所述處理溫度低于400℃，則獲得的均勻化效果不充分。如果溫度高于505℃，可能會(huì)出現(xiàn)共晶熔化，導(dǎo)致不希望的孔隙形成。上述熱處理的優(yōu)選時(shí)間為2-30小時(shí)，更長的時(shí)間通常并不有害。均勻化處理通常在高于485℃的溫度下進(jìn)行，而且，典型的均勻化處理溫度為493℃。典型的預(yù)加熱溫度為440-460℃，保持時(shí)間為5-15小時(shí)。
典型地，在熱軋之前，對(duì)包覆和未包覆的產(chǎn)品的軋制表面進(jìn)行修整，以便去除靠近鑄錠的鑄造表面的偏析區(qū)。
在步驟(b)期間根據(jù)本發(fā)明的方法的熱軋過程包括優(yōu)選在長度和寬度方向進(jìn)行熱軋，從冶金學(xué)角度考慮，不存在優(yōu)先從何方向開始熱軋的問題。在熱軋過程中，熱軋方向可以不止一次地進(jìn)行交替變化。在根據(jù)本發(fā)明的方法的熱軋步驟的優(yōu)選實(shí)施方案中，為了獲得所要求的晶粒結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品在長度方向的熱軋變形量為20-98％，在寬度方向的熱軋變形量為20-98％。熱軋變形量此處定為(h0-h1)/h0，其中，h0是初始厚度，h1是每一個(gè)相關(guān)軋制實(shí)施(長度或?qū)挾确较?時(shí)的終了厚度。更優(yōu)選地，長度方向的熱軋變形量為25-95％，更優(yōu)選為30-95％，甚至更優(yōu)選為35-95％。寬度方向的熱軋變形量優(yōu)選為25-95％，優(yōu)選為30-95％，更優(yōu)選為35-95％，并且最優(yōu)選為40-90％。
通過在長度及寬度方向上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱軋，能夠獲得在最終冷軋產(chǎn)品中細(xì)小得多的晶粒結(jié)構(gòu)(至少在L/ST和LT/ST截面上的ASTM E-112晶粒尺寸為6級(jí)或更高)，這是一種等軸程度高得多的晶粒結(jié)構(gòu)。
必要時(shí)，在根據(jù)本發(fā)明的熱軋過程中，可以將中間的中板產(chǎn)品切制成次級(jí)產(chǎn)品，以便能夠在長度和寬度兩方向進(jìn)行熱軋。
所述中間產(chǎn)品的最終尺寸優(yōu)選比通常生產(chǎn)這種產(chǎn)品時(shí)采用的尺寸大得多，以便使得在為獲得所要求的最終冷軋尺寸進(jìn)行的冷軋過程中，總的冷軋變形量更大。
在熱軋之后以及冷軋之前，可以對(duì)所獲得的中間中板產(chǎn)品進(jìn)行變形量典型地為其原始長度的0.5-1.0％的拉伸，以使所述中間中板產(chǎn)品足夠平直，從而能夠?qū)嵤┏鲇谫|(zhì)量控制原因進(jìn)行的超聲檢測(cè)。
在步驟(C)期間根據(jù)本發(fā)明的方法的冷軋步驟優(yōu)選采用盡可能少的道次完成，并且包括的總冷變形量超過60％，優(yōu)選超過80％，并且優(yōu)選不超過95％。對(duì)于薄板材尤其優(yōu)選總冷變形量更高。所述總冷變形量可理解為在冷軋期間產(chǎn)品厚度的總減小量。總冷變形量低于60％會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度水平比對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合所要求的強(qiáng)度水平低，總冷變形量超過95％又會(huì)增加產(chǎn)品在最終的拉伸工序發(fā)生破斷的敏感性。
通過在長度和寬度兩方向上冷軋所述產(chǎn)品，能夠獲得更為細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)(在至少L/ST和LT-ST截面上的ASTM E-112晶粒尺寸為6級(jí)或更高)，這是一種等軸程度高得多的晶粒結(jié)構(gòu)。等軸程度更高的晶粒結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生有利的且更具各向同性的機(jī)械性能，特別是所要求的更具各向同性的疲勞性能。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的冷軋步驟的優(yōu)選實(shí)施方案中，為了獲得所要求的晶粒結(jié)構(gòu)，所述冷軋步驟包括首先對(duì)中間產(chǎn)品在一個(gè)方向進(jìn)行冷軋，該方向可以是長度方向或者是寬度方向，總的冷變形量為20-55％，優(yōu)選為30-55％，并且更優(yōu)選為40-55％，然后旋轉(zhuǎn)90°，并且在另一方向進(jìn)一步冷軋，冷軋產(chǎn)品的總冷變形量大于60％，優(yōu)選大于70％，優(yōu)選大于80％，優(yōu)選大于85％，并且優(yōu)選不大于95％。從冶金學(xué)的角度考慮，不存在首先在長度方向，隨后在寬度方向冷軋中間產(chǎn)品的實(shí)際優(yōu)先性，反之亦然。特別是，優(yōu)選總的冷變形程度高以獲得高的機(jī)械性能和非常細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)(至少在L/ST和LT/ST截面的ASTME-112晶粒尺寸為7級(jí)或更高)。另外，更大的總冷變形量能促進(jìn)在隨后熱處理中發(fā)生的再結(jié)晶?？偫渥冃瘟康陀?0％將不會(huì)獲得所要求的晶粒結(jié)構(gòu)，而總冷變形量高于95％時(shí)，則要求進(jìn)行多次中間退火，這存在Cu擴(kuò)散至覆層內(nèi)的危險(xiǎn)，并且會(huì)增加成本，以及由于增加處理費(fèi)用和產(chǎn)生表面損壞而使處理效率降低。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的冷軋步驟的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述冷軋步驟包括所述中間產(chǎn)品，其可以是中板產(chǎn)品或薄板產(chǎn)品，首先進(jìn)行處理步驟(c-i)，在可以是長度方向或者是寬度方向的至少一個(gè)方向，或者上述兩個(gè)方向的組合實(shí)施冷軋，總冷變形量為20-55％，優(yōu)選為30-55％。該首次冷軋步驟之后，對(duì)所述中間產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理，即處理步驟(c-ii)，然后淬火至175℃以下，并且優(yōu)選至室溫。冷卻之后，使所述中間產(chǎn)品處于T3狀態(tài)，即處理步驟(c-iii)，并且更優(yōu)選借助拉伸使其處于T351狀態(tài)(T351-temper)，抗伸量為其原始長度的0.5-8％，優(yōu)選為0.5-4％，最優(yōu)選為0.5-3％。隨后，對(duì)所述中間產(chǎn)品進(jìn)行時(shí)效處理，優(yōu)選進(jìn)行自然時(shí)效，時(shí)效時(shí)間至少2天，優(yōu)選至少5天，并且更優(yōu)選至少7天。時(shí)效處理之后，對(duì)所述中間產(chǎn)品進(jìn)行軟退火，即處理步驟(c-iv)，并且然后進(jìn)行冷軋?zhí)幚聿襟E(c-v)，通過在另一方向進(jìn)行冷軋軋制成最終的尺寸厚度，這樣，優(yōu)選在長度方向和寬度方向兩個(gè)方向上的冷軋，使總冷變形量至少為60％或更高。在冷軋至最終尺寸期間，所述產(chǎn)品可以進(jìn)行上述的中間退火。根據(jù)這一改進(jìn)實(shí)施方案，能夠使產(chǎn)品獲得更高的強(qiáng)度和斷裂韌性，并且還能夠使最終產(chǎn)品獲得更具各向同性的性能。
在所述合金產(chǎn)品進(jìn)行初始冷軋之后，所述中間產(chǎn)品在處理步驟(c-ii)典型地在460-505℃的溫度下進(jìn)行固溶熱處理，處理時(shí)間要充分，以使固溶效應(yīng)接近平衡，典型的保溫時(shí)間為5-120分鐘。固溶熱處理一般采用箱式處理爐進(jìn)行。典型的保溫時(shí)間在所述溫度下為5-40分鐘。然而，對(duì)于覆層產(chǎn)品，應(yīng)注意處理時(shí)間不要太長，因?yàn)樘貏e是銅可能會(huì)擴(kuò)散至覆層內(nèi)，從而對(duì)所述覆層提供的腐蝕保護(hù)作用造成不利影響。在后，重要的是將所述鋁合金冷卻至175℃或更低的溫度，優(yōu)選冷卻至室溫，以防止第二相，如Al2CuMg和Al2Cu的失控析出或者使第二相的析出程度最小。另一方面，冷卻速度不應(yīng)該太高，以使產(chǎn)品能保持充分平直度以及殘余應(yīng)力水平很低。使用水，例如水浸漬或水噴射，能夠獲得適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。
在處理步驟(c-iv)期間的軟退火可以通過在300-430℃的溫度保溫產(chǎn)品0.5-12個(gè)小時(shí)來進(jìn)行。更優(yōu)選的軟退火處理工藝包括溫度為350-410℃，保溫時(shí)間為1-8小時(shí)。
在上述的冷軋實(shí)踐的各種實(shí)施方案中的各個(gè)冷軋道次之間，可以進(jìn)行中間退火處理或者中間退火，以便通過無覆層的冷軋產(chǎn)品的再結(jié)晶來改善可加工性。典型地，所述中間退火包括在300-430℃、保溫時(shí)間為0.5-12小時(shí)的軟退火處理。更優(yōu)選的軟退火處理包括處理溫度為350-410℃，處理時(shí)間為0.5-8小時(shí)。軟退火之后，優(yōu)選對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行緩慢冷卻，以便對(duì)最終產(chǎn)品的性能加以控制。軟退火處理后的產(chǎn)品很軟，可以承受60％或更大的冷軋壓下量。此外，據(jù)認(rèn)為較高的溫度加之較低的冷卻速度會(huì)產(chǎn)生一種粒子周圍局部應(yīng)變程度很高的粗大粒子分布，并且因此會(huì)增加在后面的熱處理步驟中發(fā)生再結(jié)晶的傾向。對(duì)于包覆的冷軋產(chǎn)品，可以要求更低的溫度范圍，但并非受此限制，以避免尤其是銅由芯部合金向覆層中過度擴(kuò)散。這種擴(kuò)散能對(duì)覆層提供的腐蝕保護(hù)作用產(chǎn)生不利影響。在這種情形下，中間退火處理或中間退火可以典型地220-350℃，保溫時(shí)間為10分鐘-12小時(shí)的條件下進(jìn)行。在這樣較低的溫度下，直至最終的固溶熱處理步驟(d)都不會(huì)出現(xiàn)完全再結(jié)晶。然而，這種熱處理可導(dǎo)致回復(fù)充分進(jìn)行，從而使產(chǎn)品的可加工性得以改善。
優(yōu)選地，但不受此所限，在一個(gè)方向冷軋之后，該方向可以是長度方向或者寬度方向，以及在另一個(gè)方向進(jìn)行軋制之前，對(duì)該產(chǎn)品在460-505℃的溫度下進(jìn)行固溶熱處理，處理時(shí)間應(yīng)充分，以使固溶效應(yīng)接近平衡。典型的處理時(shí)間為5-120分，優(yōu)選為5-45分。
在對(duì)合金產(chǎn)品冷軋之后，所述產(chǎn)品在處理步驟(d)期間典型地在460-505℃的溫度下進(jìn)行固溶熱處理，處理時(shí)間應(yīng)充分，以使固溶效應(yīng)接近平衡，典型的保溫時(shí)間為5-120分。固溶熱處理一般在箱式爐中進(jìn)行。典型的保溫時(shí)間在所示溫度下為5-30分鐘。然而，對(duì)于覆層產(chǎn)品，應(yīng)注意處理時(shí)間不要太長，因?yàn)樘貏e是銅可能會(huì)擴(kuò)散至覆層內(nèi)，從而對(duì)所述覆層提供的腐蝕保護(hù)作用造成不利影響。在固溶熱處理之后，重要的是在處理步驟(e)中將所述鋁合金冷卻至175℃或更低的溫度，優(yōu)選冷卻至室溫，以防止第二相，如Al2CuMg和Al2Cu的失控析出或者使第二相的析出程度最小。另一方面，冷卻速度不應(yīng)該太高，以使產(chǎn)品能保持充分平直度和殘余應(yīng)力水平很低。使用水，例如水浸漬或水噴射，能夠獲得適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。
所述產(chǎn)品可以進(jìn)一步冷加工，例如進(jìn)行變形量為其原始長度的0.5-8％的拉伸，以緩解其中的殘余應(yīng)力和改善產(chǎn)品的平直度。優(yōu)選拉伸度變形量為0.5-6％，更優(yōu)選為0.5-4％，最偉選為0.5-3％。
冷卻之后，所述產(chǎn)品在處理步驟(f)進(jìn)行自然時(shí)效，典型地在室溫進(jìn)行，另一種方法是，所述產(chǎn)品可以進(jìn)行人工時(shí)效。處理步驟(f)中的人工時(shí)效尤其可用于較大尺寸的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品可以在非固溶熱處理的條件下，例如“F”修整態(tài)(temper)或者退火“O”修整態(tài)，提供給用戶，之后，再由用戶進(jìn)行成型、固溶熱處理和時(shí)效。
本發(fā)明進(jìn)一步在于本發(fā)明的鋁合金的應(yīng)用或者根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的作為飛機(jī)蒙皮的產(chǎn)品。更優(yōu)選地，所述飛機(jī)蒙皮是機(jī)翼蒙皮或者飛機(jī)機(jī)身用板。
現(xiàn)通過幾個(gè)非限制性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明的方法，以工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模制造出處于T3狀態(tài)的3.17mm厚的合金產(chǎn)品的非包覆薄板材。加工路徑包括DC鑄造出工業(yè)規(guī)格的鑄錠，其尺寸為440×1470×2700mm，并且具有下述組成(以重量百分比計(jì))4.52％Cu，1.45％Mg，0.69％Mn，0.087％Si，0.091％Fe，0.023％Zn，0.020％Ti，0.001％Zr，余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)。將所述鑄錠在493℃下均勻化處理25小時(shí)，冷卻至室溫，每邊各磨削15mm進(jìn)行修整，預(yù)加熱至450℃達(dá)10小時(shí)，在寬度方向熱軋至312mm的中間尺寸，轉(zhuǎn)90°角，并且在長度方向進(jìn)行約20mm的熱軋，隨后切制成次級(jí)板材并冷卻至室溫。之后，將所述中間產(chǎn)品在長度方向冷軋至10mm的尺寸并且然后在495℃下進(jìn)行35分鐘的固溶熱處理，采用冷水進(jìn)行噴濺淬火冷卻至室溫，并且進(jìn)行變形量約為原始長度的1.5％的拉伸。然后，將所述產(chǎn)品在寬度方向冷軋至5.0mm的尺寸，并且在400℃進(jìn)行2小時(shí)的軟退火并以不大于15℃/4小時(shí)的冷卻速度冷至室溫。然后在寬度方向冷軋至3.17mm的最終尺寸。在最終尺寸，對(duì)所述薄板產(chǎn)品在495℃進(jìn)行15分鐘的固溶熱處理并且用冷水噴濺淬火至室溫。然后，對(duì)所述固熱處理后的薄板產(chǎn)品進(jìn)行變形量約為其原始長度2％的拉伸并隨后進(jìn)行人工時(shí)效。
測(cè)量出平均晶粒尺寸(單位微米，且根據(jù)ASTM E-112分類)和晶粒結(jié)構(gòu)的縱橫比，并且與根據(jù)EP-B-0 473 122中的已知方法加工的4.14mm的薄板材進(jìn)行比較。所獲結(jié)果示于表1。
由表1中結(jié)果可以看出與采用已知方法獲得的產(chǎn)品相比，根據(jù)本發(fā)明制備的薄板材具有細(xì)小得多的晶粒尺寸以及等軸程度大得多的晶粒結(jié)構(gòu)。
可能受內(nèi)分泌擾亂子影響的基因例子還有已知與二乙基己烯雌以油脂以防止載荷從試驗(yàn)板上轉(zhuǎn)移。斷裂韌性數(shù)據(jù)和斷裂抗力曲線(R曲線)根據(jù)ASTM E 561-86和GARTEur的建議來確定。對(duì)于1/W比為1.5和2.0的試驗(yàn)板，采用Koiter有限寬度修正值，對(duì)于1/W比為0.5的試驗(yàn)板，則采用R.A.E導(dǎo)出修正值，還參見1991年第14期的工程材料與結(jié)構(gòu)的疲勞和斷裂中第823頁的G.R.Sutton等的文章。有效截面應(yīng)力采用柔量裂紋長度與Irwin塑性區(qū)修正值之差計(jì)算出。斷裂韌性值Kc(ao)和Kc分別采用具有初始引發(fā)狹縫長度和柔量裂紋長度時(shí)的最大載荷計(jì)算出。在美國文獻(xiàn)中，材料的Kc(ao)經(jīng)常被認(rèn)為是Kapp或表觀斷裂韌性。
表2中示出了不同薄板的拉伸數(shù)據(jù)。試驗(yàn)取向的影響在表3中示出。由這些數(shù)據(jù)可看出根據(jù)本發(fā)明的材料的拉伸性能非常高，而且這些性能比傳統(tǒng)的2024-T3材料或者由已知方法獲得材料的性能的期望結(jié)果具有高得多的各向同性。
在T-L和L-T方向的斷裂韌性列于表4中 ，由這些結(jié)果可看出，根據(jù)本發(fā)明的材料具有非常高的斷裂韌性的較高的斷裂抗力，而且這些性能比迄今報(bào)導(dǎo)的AA2024-T3性能具有程度大得多的各向同性。
在T-L和L-T方向上的疲勞開裂速率(單位mm/循環(huán))列于表5中。對(duì)于每種應(yīng)力比而言，在所研究的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍內(nèi)均未出現(xiàn)宏觀的裂紋偏差。在應(yīng)力比R＝0.1和R＝0.385的正弦加載條件下的疲勞開裂速率與試驗(yàn)取向無關(guān)。覆層的存在不會(huì)改變這種無關(guān)性。由這些結(jié)果可看出根據(jù)本發(fā)明制備的薄板材在兩個(gè)試驗(yàn)方向上均具有良好的疲勞裂紋生長抗力。表2
表3
表4
表5
實(shí)施例3
采用工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模DC鑄造得到三個(gè)鑄錠(A，B和C)并且采用各種方法進(jìn)行處理，其內(nèi)容概括在表6中。鑄錠的尺寸是440×1470×2700mm。三個(gè)鑄錠的化學(xué)組成都相同，均為(計(jì)wt％計(jì))4.36％Cu，1.45％Mg，0.56％Mn，0.045％Si，0.043％Fe，0.019％Ti，余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)。采用二步均勻化循環(huán)對(duì)所述鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其中，首先在460℃保溫2小時(shí)，然后在495℃保溫25小時(shí)。之后空冷至室溫，并且每邊磨削修整掉20mm，熱軋前在410℃下預(yù)加熱10小時(shí)。三個(gè)均勻化后的鑄錠每側(cè)均采用20mm厚的AA 1XXX系列的板材進(jìn)行包覆。對(duì)于鑄錠A，包覆后的鑄錠被在長度方向上熱軋至100mm的中間尺寸，而對(duì)于鑄錠B和C，包覆后的鑄錠首先在長度方向上熱軋至380mm的中間尺寸，以便使覆層與芯材結(jié)合一起，然后，在寬度方向熱軋至233mm的中間尺寸。然后，根據(jù)所述鑄錠材料，熱軋至最終的中間熱軋產(chǎn)品。之后，對(duì)所述中間產(chǎn)品在長度方向(鑄錠A和C)或者在寬度方向(鑄錠B)進(jìn)行冷軋，冷軋至的中間尺寸對(duì)于鑄錠A，B和C分別為9，9和18mm。第一次冷軋步驟之后，在495℃下對(duì)所獲產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理，處理時(shí)間取決于所述中間尺寸厚度。固溶熱處理之后，通過冷水噴濺淬火將所獲產(chǎn)品冷卻至室溫并且進(jìn)行變形量為約其原始長度的1.5％的拉伸。之后，通過在室溫下保持10天進(jìn)行自然時(shí)效，來使所述中間產(chǎn)品處于T351調(diào)整態(tài)。在時(shí)效之后和進(jìn)一步冷軋之前，通過在350℃下保持約30-60分鐘來對(duì)所述產(chǎn)品進(jìn)行軟退火處理(這一中間時(shí)效處理在表6中表示為BG4)。根據(jù)所述鑄錠材料，通過在長度方向或?qū)挾确较蜍堉疲苽涑鋈N不同尺寸，即4.5，3.6和3.2mm的冷軋產(chǎn)品。對(duì)于鑄錠C，也采用了中間軟化退火。冷軋至最終尺寸厚度之后，通過在495℃下，保溫約15-20分鐘對(duì)所獲產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理，用冷水淬火至室溫，并且進(jìn)行變形量為約其原始長度的1.5％的拉伸。之后，通過室溫下至少保持10天進(jìn)行自然時(shí)效來使所獲產(chǎn)品處于T351調(diào)整態(tài)。
自然時(shí)效之后，對(duì)所獲產(chǎn)品在L以及LT方向上的機(jī)械性能與最終尺寸厚度之間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定。拉伸試驗(yàn)的結(jié)果示于表7。
另外，根據(jù)ASTM-B871(1996年版)，在L-T和T-L方向上對(duì)所獲產(chǎn)品進(jìn)行了卡恩抗裂試驗(yàn)(kahn-tear-test)。進(jìn)行試驗(yàn)之前，將試樣的兩邊磨削至2.0mm的最終厚度。所獲結(jié)果列于表8中，其中，TS代表撕裂強(qiáng)度，UPE代表單位擴(kuò)展能。
此外，采用760mm寬的CCT試驗(yàn)板，根據(jù)ASTM E561-86，對(duì)兩種尺寸厚度時(shí)的產(chǎn)品在L-T和T-L方向上的Kc和Kc(ao)進(jìn)行了測(cè)試，所獲結(jié)果列于表9中。
而且，對(duì)由鑄錠C加工而成的3.2mm薄板材在T-L和L-T方向上的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了測(cè)試，其中，在T-L方向上的結(jié)果示于

圖1，在L-T方向上的結(jié)果示于圖2。試樣寬400mm，厚3.2mm。采用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，試驗(yàn)頻率8HZ，R比值為0.1。通常測(cè)定2024材料的ΔK值約為 。標(biāo)準(zhǔn)2024材料的ΔK值范圍在上述二圖中示出并且外推至更高值(虛線，2024max.th和2024min.th)。在圖1和圖2中，示出了根據(jù)本發(fā)明的薄板材的較高ΔK值的測(cè)量結(jié)果。
從表7中結(jié)果可以看出，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著冷軋程度的增加而增大。另外，可以看出，在L和LT方向上的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最佳結(jié)果是由鑄錠C處理而成的材料獲得，其處理過程包括處于T351狀態(tài)后，在長度和寬度方向進(jìn)行冷軋，之后進(jìn)行軟退火。此外，鑄錠C在上述二測(cè)試方向上的平衡程度較好。
從表8中的結(jié)果可以看出，表示材料的裂紋萌生性能的TS的最佳結(jié)果由鑄錠C獲得。表示裂紋擴(kuò)展特性的UPE的最佳結(jié)果也由鑄錠C獲得。
由上述結(jié)果可以看出，為了獲得最高的機(jī)械性能和最優(yōu)的各向同性，優(yōu)選在長度和寬度方向進(jìn)行冷軋并且同時(shí)采用高的冷軋壓下量，在上述兩方向的冷軋優(yōu)選在冷軋至中間冷軋產(chǎn)品并且使之處于T351狀態(tài)之后進(jìn)行。
由表9中的結(jié)果可以看出，斷裂韌性的最佳結(jié)果由鑄錠C獲得。
由圖1和圖2中的結(jié)果可以看出，ΔK值不超過約 時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的材料的da/dN值均處于標(biāo)準(zhǔn)2024薄板材的范圍之內(nèi)。ΔK值更高時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的材料在上述兩個(gè)測(cè)試方向上均具有比標(biāo)準(zhǔn)2024材料的期望結(jié)果低得多的裂紋擴(kuò)展速率，這一改善是出人意料的。
表6
表7
表8
表9
權(quán)利要求
1.包含一種鋁基合金的產(chǎn)品，所述合金的組成為(以重量％計(jì))Cu 3.8—4.9Mg 1.2—1.8Mn 0.1—0.9Fe最多0.12Si最多0.10Ti最多0.15Zn最多0.20Cr最多0.10雜質(zhì) 每種最多0.05總量最多0.15余者為鋁，所述產(chǎn)品具有300MPa或更高的最低L-0.2％屈服強(qiáng)度，270MPa的最低LT-0.2％屈服強(qiáng)度，對(duì)于700mm寬的CCT試驗(yàn)板，具有 或更高的最小T-L斷裂韌性Kc(ao)，并且在L/ST截面和LT/ST截面上具有根據(jù)ASTM E-112至少6級(jí)的平均晶粒尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中，Cu含量為3.8—4.7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的產(chǎn)品，其中，對(duì)于2000mm寬的CCT試驗(yàn)板，最小T-L斷裂韌性Kc(ao)為 或更高，優(yōu)選為 或更高。
4.根據(jù)權(quán)利要求1—3中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品，其中，在L/ST和LT/ST截面的晶?？v橫比為1∶4或更低，優(yōu)選為1∶3或更低，更優(yōu)選為1∶2或更低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1—4中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn)品是薄板產(chǎn)品。
6.根據(jù)權(quán)利要求1—4中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn)品是中厚板產(chǎn)品。
7.根據(jù)權(quán)利要求1—6中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn)品上存在具有下述的覆層(i)所述覆層是一種比所述產(chǎn)品具有更高純度的鋁合金；(ii)所述覆層是鋁業(yè)協(xié)會(huì)AA1000系列；(iii)所述覆層是鋁業(yè)協(xié)會(huì)AA6000系列；(iv)所述覆層是鋁業(yè)協(xié)會(huì)AA7000系列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1—7中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品的制備方法，其包括下述步驟(a)鑄造出包含一種鋁合金的鑄錠或板坯，所述鋁合金的組成(以重量％計(jì))Cu 3.8—4.9Mg 1.2—1.8Mn 0.1—0.9Fe最多0.12Si最多0.10Ti最多0.15Zn最多0.20Cr最多0.10雜質(zhì) 每種最多0.05總量最多0.15余者為鋁，(b)將鑄錠熱軋成中間產(chǎn)品；(c)在長度和寬度方向上用總冷變形量超過60％將所述中間產(chǎn)品冷軋成軋制產(chǎn)品；(d)固溶熱處理；(e)冷卻；以及(f)時(shí)效處理，以獲得具有高強(qiáng)度和改善的斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力的軋制產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，在步驟(b)，從長度和寬度兩個(gè)方向?qū)﹁T錠進(jìn)行熱軋。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中，在步驟(c)期間，首先在一個(gè)方向?qū)λ鲋虚g產(chǎn)品進(jìn)行總冷變形量為20—55％的冷軋，然后，在另一個(gè)方向進(jìn)一步進(jìn)行總冷變形量為60％或更高的冷軋，得到冷軋產(chǎn)品。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述處理步驟(c)順序包括下述各步驟(c-i)先在一個(gè)方向上對(duì)所述中間產(chǎn)品進(jìn)行總冷變形量為20—55％的冷軋；(c-ii)固溶熱處理；(c-iii)使固溶熱處理后的中間產(chǎn)品處于T3或者T351狀態(tài)。(c-iv)軟退火；以及(c-v)在至少另一個(gè)方向上將軟退火后的中間產(chǎn)品冷軋至最終的尺寸厚度，總冷變形量超過60％；
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，在處理步驟(c-v)期間，在長度和寬度方向上對(duì)軟退火后的中間產(chǎn)品進(jìn)行冷軋。
13.根據(jù)權(quán)利要求1—7中之任何一項(xiàng)的產(chǎn)品或者由根據(jù) 8—12中之任何一項(xiàng)的方法獲得的產(chǎn)品作為飛機(jī)蒙皮的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含一種鋁基合金的產(chǎn)品,所述鋁基合金的組成為(以重量%計(jì)):Cu 3.8－4.9,Mg 1.2－1.8,Mn 0.1－0.9,Fe最多0.12,Si最多0.10,Ti最多0.15,Zn最多0.20,Cr最多0.10,雜質(zhì)每種最多0.05,總量最多0.15,余者為鋁。所述產(chǎn)品具有300MPa或更高的最小L－0.2%屈服強(qiáng)度,270MPa的最小LT－0.2%屈服強(qiáng)度,對(duì)于700mm寬的CCT試驗(yàn)板,具有100MPa·m或更高的最小T－L斷裂韌性K
文檔編號(hào)C22C21/12GK1331762SQ99814887
公開日2002年1月16日 申請(qǐng)日期1999年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月22日
發(fā)明者A·J·P·海茲勒, A·L·漢茲 申請(qǐng)人:克里斯鋁軋制品有限公司