專利名稱：用于航空應(yīng)用的具有提高損傷容限性能的2000系列鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)是美國(guó)申請(qǐng)第10/893，003號(hào)的部分繼續(xù)，這里通過(guò)引用將該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容并入本文。本發(fā)明涉及適于航空和其它要求用途的具有提高損傷容限的Al-Cu-Mg-Ag合金。該合金具有非常低的鐵和硅含量，和低的銅與鎂的比值。
背景技術(shù)：
在商用噴氣式飛機(jī)應(yīng)用中，下機(jī)翼和機(jī)身應(yīng)用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要求是通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展(FCG)和斷裂韌性測(cè)量的高水平的損傷容限。目前階段的材料選自Al-Cu 2XXX系列，典型為2X24型。這些合金通常以T3X狀態(tài)使用，并且固有地具有適中的強(qiáng)度和高的斷裂韌性和好的抗FCG性。典型地，當(dāng)2X24合金人工時(shí)效到強(qiáng)度增加的T8狀態(tài)時(shí)，韌性和/或FCG性能劣化。損傷容限是斷裂韌性和抗FCG性的結(jié)合。當(dāng)強(qiáng)度增加時(shí)，斷裂韌性同時(shí)下降，而維持高韌性的同時(shí)具有增加的強(qiáng)度是 任何新合金產(chǎn)品所希望的屬性。通常使用兩種常見(jiàn)載荷配制(configuration)測(cè)量FCG性能1)等幅(CA)和2)在譜載荷和可變載荷下。后者能更好地代表使用中所預(yù)期的載荷。J. Schi jve在“The s ignificance offlight-simulation fatigue tests”(Delft Univers ity Report (LR-466), 1985 年 6 月)中描述了關(guān)于飛行模擬載荷FCG測(cè)試的細(xì)節(jié)。使用由R比例即最小/最大應(yīng)力定義的應(yīng)力范圍進(jìn)行等幅FCG測(cè)試。測(cè)量裂紋擴(kuò)展速率作為應(yīng)力強(qiáng)度范圍(AK)的函數(shù)。在譜載荷下，再次測(cè)量裂紋擴(kuò)展，但這次是在“飛行”次數(shù)上進(jìn)行記錄。載荷模擬每次飛行的典型起飛、飛行中、和著陸載荷，并且重復(fù)進(jìn)行以代表飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件指定部件可見(jiàn)到的典型的使用期內(nèi)載荷。譜FCG測(cè)試是更具有代表性的合金性能的量度，因?yàn)樗鼈兡M實(shí)際的飛行工作。存在許多普通的譜載荷配制，并且還存在取決于飛機(jī)設(shè)計(jì)原理以及飛機(jī)尺寸的飛機(jī)特定譜。相比制造較少但飛行更久的大、寬體飛機(jī)期望較小的、單過(guò)道飛機(jī)具有更高的起飛/著陸循環(huán)次數(shù)。在譜載荷下，屈服強(qiáng)度的增加通常將減少塑性誘發(fā)的裂紋閉合(會(huì)延緩裂紋擴(kuò)展)的數(shù)量，并且將典型導(dǎo)致較短的壽命。一個(gè)實(shí)例是最近開(kāi)發(fā)的高損傷容限合金(這里命名為2X24HDT)的性能，該合金在較低的屈服強(qiáng)度T351狀態(tài)下相比較高強(qiáng)度的T39狀態(tài)顯示出優(yōu)異的譜壽命性能。飛機(jī)設(shè)計(jì)者理想上愿意使用具有較高靜態(tài)性能(拉伸強(qiáng)度)同時(shí)具有與2X24-T3狀態(tài)產(chǎn)品相同或更高水平損傷容限的合金。美國(guó)專利5，652，063公開(kāi)了具有Al-Cu-Mg-Ag的鋁合金組成，其中Cu-Mg比例在約5-9的范圍內(nèi)，具有分別最高約0.1wt%硅的和鐵含量。'063專利的組成提供了足夠的強(qiáng)度，但具有一般的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性。美國(guó)專利5，376，192也公開(kāi)了 Al-Cu-Mg-Ag鋁合金，Cu-Mg比例在約2. 3-25之間，和高很多的Fe和Si含量，分別在至多約O. 3和O. 25數(shù)量級(jí)。仍然需要具有足夠強(qiáng)度同時(shí)結(jié)合提高的損傷容限(包括斷裂韌性)和提高的(特別是在譜載荷下的)抗裂紋擴(kuò)展性的合金組成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)提供新的合金解決了上述的需要，新的合金在與現(xiàn)有技術(shù)組成和注冊(cè)的合金例如用于片材(機(jī)身)的2524-T3和用于板材(下機(jī)翼)的2024-T351/2X24HDT-T351/2324-T39比較時(shí)，顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度并且具有相同或更好的韌性和提高的(特別是譜載荷下)抗FCG性。這里使用的術(shù)語(yǔ)“提高的損傷容限”是指這些提聞的性能。

因此，本發(fā)明提供了具有提高損傷容限的鋁基合金，該合金基本上由以下成分組成約3. 0-4. 0wt%銅；約O. 4-1. lwt%續(xù)；至多約O. 8wt%銀；至多約1. Owt % Zn ;至多約
0.25wt% Zr ;至多約O. 9wt% Mn ;至多約O. 5wt% Fe ;和至多約O. 5wt% S i ;余量基本上是鋁，附帶的雜質(zhì)和元素，所述銅和鎂的存在比例是約3. 6-5份銅比約I份鎂。優(yōu)選地，該鋁基合金基本上不含釩。Cu =Mg比例維持在約3. 6-5份銅比I份鎂，更優(yōu)選4. 0-4. 5份銅比I份鎂。雖然不希望受任何理論的限制，但認(rèn)為該比例賦予由本發(fā)明合金組成制成的產(chǎn)品期望的性能。在另外的方面，本發(fā)明提供了由鋁基合金制得的形變或鑄造產(chǎn)品，該合金基本上由以下成分組成約3. 0-4. Owt %銅；約O. 4-1.1wt %鎂；至多約O. 8wt %銀；至多約
1.Owt % Zn ;至多約 O. 25wt% Zr ;至多約 O. 9wt% Mn ;至多約 O. 5wt% Fe ;和至多約 O. 5wt%Si ;余量基本上是鋁、附帶的雜質(zhì)和元素，所述銅和鎂的存在比例約3. 6-5份銅比約I份鎂。優(yōu)選地，Cu和Mg的存在比例是約4-4. 5份銅比約I份鎂。此外優(yōu)選地，由該鋁基合金制得的形變或鑄造廣品基本上不含鑰；。在另外的方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┚哂袕?qiáng)度、韌性和抗腐蝕性的有價(jià)值組合的片材、板材、擠壓或鍛造的航空鋁合金產(chǎn)品，該合金的基本組成為約3. O-約4. 0wt%銅；約0. 4-約1. lwt%續(xù)；0· 20-0. 40wt%猛，至多約 O. 5wt% Fe ;至多約 O. 5wt% Si,至多 O. 8wt%銀；至多O. 40wt%Zn;至多O. 1 丨％晶粒細(xì)化劑，余量為鋁和附帶的雜質(zhì)和元素。在該方面，Ag和Zn的總重量百分比至少為O. 3wt%，所述銅和鎂的存在比例為約3. 6-5份銅比約I份鎂。該合金產(chǎn)品特別適用于包括面板和縱梁(stringer)的機(jī)翼應(yīng)用和例如蒙皮、縱梁和機(jī)身框架的機(jī)身應(yīng)用中。該產(chǎn)品也可用于例如翼肋和翼梁的厚結(jié)構(gòu)中。在另外的方面，本發(fā)明的合金產(chǎn)品具有至少一種有價(jià)值并且意料不到的機(jī)械性能，包括比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524HDT-T3或T8至少高60 %的T-L方向韌性(UPE)(通過(guò)使用ASTM B871的Kahn撕裂測(cè)試進(jìn)行測(cè)量)；就平均疲勞壽命(循環(huán)數(shù))而言比2X24HDT多約60%的平均高載荷轉(zhuǎn)移接頭疲勞壽命；和通過(guò)ASTM GllO測(cè)試的從晶間(inter-granular)(在2X24HDT中)向點(diǎn)蝕(pitting)轉(zhuǎn)變的腐蝕類型模式。在本發(fā)明的另外方面，該合金產(chǎn)品具有一種或多種機(jī)械性能或機(jī)械性能結(jié)合，包括通過(guò)使用ASTM B871的Kahn斷裂測(cè)試測(cè)量的比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524高至少約40 %的韌性并具有大致相同的UTS和TYS ;通過(guò)使用ASTM B871的Kahn撕裂測(cè)試測(cè)量的比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524高至少20%的韌性并且相對(duì)于A A2524UTS和TYS具有至少約10%的提高；就平均疲勞壽命(循環(huán)數(shù))比2X24HDT多至少約60%的平均高載荷轉(zhuǎn)移接頭疲勞壽命；和通過(guò)ASTM GllO測(cè)量的從晶間腐蝕向點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變的腐蝕性能類型的變化。因此本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供具有強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞性的改良組合的鋁合金組成。本發(fā)明的又一目標(biāo)是提供具有強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞性的改良組合的形變或鑄造的招合金廣品。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供具有強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞性的改良組合的鋁合金組成，該合金具有低的Cu =Mg比例。通過(guò)下面的附圖、詳細(xì)說(shuō)明和附加的權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它目的將變得更為顯而易見(jiàn)。


通過(guò)下面附的圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，其中圖1是顯示2524-T3和樣品A-T8片材的等幅FCG數(shù)據(jù)的曲線圖。在T-L方向進(jìn)行測(cè)試，其中R比例等于O.1。圖2是顯示2524-T3和樣品A-T8片材的等幅FCG數(shù)據(jù)的曲線圖。在L-T方向進(jìn)行測(cè)試，其中R比例等于O.1。圖3是顯示2X24HDT-T39、2X24HDT-T89和樣品A板材的等幅FCG數(shù)據(jù)的曲線圖。在L-T方向進(jìn)行測(cè)試，其中R比例等于`O.1。圖4是顯示樣品A和樣品B的板材和2X24HDT的作為屈服應(yīng)力(通過(guò)合金/狀態(tài))函數(shù)的譜壽命的比較數(shù)據(jù)的曲線圖。圖5是顯示樣品A和樣品B的板材和2X24HDT的作為屈服應(yīng)力(通過(guò)合金/狀態(tài))函數(shù)的斷裂韌性的比較的曲線圖。圖6是顯示鋅和銀含量對(duì)L方向拉伸性能(拉伸屈服強(qiáng)度，極限拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)影響的圖解。圖7是顯示銀和鋅含量對(duì)單位擴(kuò)展能影響的圖解。圖8是顯示銀和鋅含量對(duì)通過(guò)ASTM GllO測(cè)試的腐蝕侵蝕(attack)深度/侵蝕方式影響的圖解。圖9是描繪作為銀和鋅含量函數(shù)的拉伸屈服強(qiáng)度(TYS)的曲線圖。圖10是描繪作為銀和鋅含量函數(shù)的極限拉伸強(qiáng)度(UTS)的曲線圖。圖11是描繪作為銀和鋅含量函數(shù)的韌性(UPE)的曲線圖。圖12是描繪銀對(duì)強(qiáng)度-韌性關(guān)系影響的圖解。圖13是描繪作為銀和鋅含量函數(shù)的腐蝕侵蝕類型的圖解。圖14是描繪冷加工(伸展)和時(shí)效對(duì)本發(fā)明合金拉伸性能影響的圖解。
具體實(shí)施例方式定義對(duì)于下面的合金組成的描述，如果不另外指出則所有提到的百分比是重量百分比(wt% )。當(dāng)提及最小值(例如對(duì)于強(qiáng)度或韌性)或最大值(例如對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率)，這些是指能記錄材料規(guī)格的水平或能確保材料具有的水平或設(shè)計(jì)中飛機(jī)構(gòu)架制造者(考慮安全因素)能依據(jù)的水平。在一些情況下，其可以具有例如99%產(chǎn)品相符的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，或使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法期望符合95%的置信度。當(dāng)提及任何數(shù)值范圍時(shí)，應(yīng)理解為這種范圍包括所述范圍的最小和最大值之間的每一數(shù)字和/或部分。例如，約3. 0-4. Owt %銅的范圍應(yīng)明確包括所有中間值，如約3.1、3. 12,3. 2,3. 24,3. 5、一直向上并且包括3. 61,3. 62,3. 63和4wt% Cu。這同樣適用于下面提出的所有其它元素范圍，例如介于約3. 6-5之間的Cu =Mg的比。本發(fā)明提供了具有提高損傷容限的鋁基合金，該合金的基本組成為約
3.0-4. Owt %銅；約O. 4-1.1wt %續(xù)；至多約O. 8wt %銀；至多約1. Owt % Zn ;至多約O. 25wt% Zr ;至多約O. 9wt% Mn ;至多約O. 5wt% Fe ;和至多約O. 5wt% Si ;余量基本上是鋁、附帶的雜質(zhì)和元素，所述銅和鎂的存在比例是約3. 6-5份銅比約I份鎂。優(yōu)選地，Cu和Mg的存在比例是約4-4. 5份銅比約I份鎂。如這里使用的，術(shù)語(yǔ)“基本上不含”意味著不存在有意加入組成中以便向該合金引入某些性能的明顯量的組分，其應(yīng)理解為痕量的附帶元素和/或雜質(zhì)有時(shí)可能存在于期望的最終產(chǎn)品中。例如，由于附帶添加劑或通過(guò)與某些處理和/或固定設(shè)備接觸導(dǎo)致的污染，基本上不含釩的合金應(yīng)含有少于約O.1 %、或更優(yōu)選少于約O. 05%的V。本發(fā)明的許多優(yōu)選實(shí)施方案基本上不含釩，盡管其它不需要如此限制。本發(fā)明的鋁基合金可選還包括晶粒細(xì)化劑。該晶粒細(xì)化劑可以是鈦、鈦化合物或陶瓷化合物，當(dāng)存在時(shí)，該晶粒細(xì)化劑的典型存在量是至多約O.1 w t %、更優(yōu)選約O. 01-0. 05wt%。當(dāng)在這里使用時(shí)，對(duì)于鈦，鈦晶粒細(xì)化劑的所有重量百分比是指鈦的量或在鈦化合物情形中包含鈦的 量，這正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。在DC鑄造操作中使用鈦以調(diào)整和控制鑄造狀態(tài)的晶粒尺寸和形狀，并且可以將鈦直接添加到爐中或作為晶粒細(xì)化劑棒添加。在晶粒細(xì)化劑棒的情形中，可以使用鈦化合物，包括但不限于TiB2或TiC，或本領(lǐng)域中已知的其它鈦化合物。應(yīng)限制添加量，因?yàn)檫^(guò)量鈦的添加可能導(dǎo)致要避免的不溶第二相顆粒。上述合金組成的各種組成元素的更為優(yōu)選的量包括如下約O. 6-1. lwt%鎂；以約O. 2-0. 7wt%的量存在的銀和以至多約O. 6^%的量存在的鋅。作為替代方案，鋅能部分替換銀，且鋅和銀的總含量至多約O. 8-0. 9wt%。可以在合金中添加分散體或再結(jié)晶抑制劑以便在熱加工操作例如熱軋、擠壓或鍛造中控制晶粒結(jié)構(gòu)的演變。一種分散體的添加可以是鋯，其形成抑制再結(jié)晶的Al3Zr顆粒。也可以添加錳，以替代鋯或在鋯之外添加以提供允許最終產(chǎn)品中具有改良晶粒結(jié)構(gòu)控制的兩種分散體形成元素的組合。已知錳可增加對(duì)斷裂韌性具有有害影響的最終產(chǎn)品中的第二相含量；因此應(yīng)控制添加水平以優(yōu)化合金性能。優(yōu)選地，鋯的存在量是至多約O. 18wt% ;更優(yōu)選錳的存在量至多約O. 6wt%、最為優(yōu)選約O. 3-0. 6wt%。此外優(yōu)選地，錳地存在量是約O. 20-0. 40wt%。最終產(chǎn)品的形狀將影響選定分散體添加的優(yōu)選范圍。也可使用其它分散體或再結(jié)晶抑制劑，包括Cr、Sc、Hf和Er以替換鋯或錳。例如本發(fā)明的鋁基合金可進(jìn)一步包括能作為分散體或晶粒細(xì)化劑元素添加的以控制晶粒尺寸和晶粒結(jié)構(gòu)的鈧，當(dāng)含有時(shí)，鈧的添加量是至多約O. 25wt%,更優(yōu)選至多約O. 18wt%。可以在鑄造操作中添加的其它元素包括但不限于鈹和鈣。使用這些元素控制或限制熔融鋁的氧化。將這些元素視為痕量元素，添加量典型少于約O. 01wt%，更優(yōu)選少于約lOOppm。本發(fā)明合金的優(yōu)選范圍具有典型視為雜質(zhì)并維持在規(guī)定范圍內(nèi)的其它元素。這些雜質(zhì)元素最為常見(jiàn)的是鐵和硅，當(dāng)要求高水平的損傷容限時(shí)(如在航空產(chǎn)品中)，F(xiàn)e和Si的含量?jī)?yōu)選保持相對(duì)低以限制對(duì)斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性有害的組成相Al7Cu2Fe和Mg2Si的形成。這些相在Al合金中具有低的固溶度，并且一旦形成，不能通過(guò)熱處理消除。將Fe和Si的添加量分別維持在少于約O. 5wt%。優(yōu)選將它們保持在少于約O. 25wt%的總最大含量以下，對(duì)于航空產(chǎn)品更優(yōu)選總最大含量少于約O. 2wt%。其它附帶的元素/雜質(zhì)可以包括例如鈉、鉻或鎳。在另外方面，本發(fā)明提供了由鋁基合金制得的形變或鑄造產(chǎn)品，該合金的基本組成為約3. 0-4. 0wt%銅；約O. 4-1. lwt%鎂；至多約O. 8wt%銀；至多約1. Owt % Zn ;至多約O. 25wt% Zr ;至多約O. 9wt% Mn ;至多約O. 5wt% Fe ;和至多約O. 5wt% Si ;余量基本上是鋁，附帶的雜質(zhì)和元素，所述銅和鎂的存在比例是約3. 6-5份銅比約I份鎂。優(yōu)選地，銅和鎂的存在比例是約4-4. 5份銅比約I份鎂。此外優(yōu)選地，由該鋁基合金制得的形變或鑄造產(chǎn)品基本上不含釩。另外的優(yōu)選實(shí)施方案是上面對(duì)于合金組成所述的實(shí)施方案。如這里使用的，術(shù)語(yǔ)“形變產(chǎn)品”是指本領(lǐng)域中所理解的任何形變產(chǎn)品，包括但不限于軋制產(chǎn)品例如鍛件、擠壓件(包括棒和桿)等。優(yōu)選類別的形變產(chǎn)品是航空形變產(chǎn)品，例如用于飛機(jī)機(jī)身或機(jī)翼制造的片材或板材，或適用于航空應(yīng)用的其它形變的形狀，因?yàn)樵撔g(shù)語(yǔ)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的。優(yōu)選地，航空形變產(chǎn)品包括機(jī)身應(yīng)用或用于機(jī)翼應(yīng)用和厚構(gòu)件應(yīng)用，機(jī)身應(yīng)用包括蒙 皮、面板和縱梁，機(jī)翼應(yīng)用包括下機(jī)翼蒙皮、縱梁和面板，厚構(gòu)件應(yīng)用是例如翼梁和翼肋。作為替代方案，本發(fā)明的合金能夠以任何上述形變的形狀用于其它產(chǎn)品中，例如用于包括汽車和其它運(yùn)輸應(yīng)用、娛樂(lè)/運(yùn)動(dòng)的其它工業(yè)的產(chǎn)品，以及其它用途。此外，本發(fā)明的合金也可用作鑄造合金，正如該術(shù)語(yǔ)在產(chǎn)生形狀的領(lǐng)域中所被理解的。在另外方面，本發(fā)明提供由上述合金組成制得的基體或金屬基體復(fù)合產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明，將優(yōu)選的合金制成適于熱加工或軋制的鑄錠派生產(chǎn)品。例如，可以半連續(xù)鑄造上述組成的大鑄錠，然后按照需要或要求去皮或機(jī)械加工以除去表面瑕疵以便提供良好的軋制表面。然后對(duì)該鑄錠進(jìn)行預(yù)熱以使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻化和固溶化。適合的預(yù)熱處理是加熱鑄錠到約900-980° F。優(yōu)選以約12-24小時(shí)數(shù)量級(jí)的累積持續(xù)時(shí)間進(jìn)行均勻化。然后熱軋鑄錠以獲得所需的產(chǎn)品尺寸。應(yīng)在當(dāng)鑄錠處于顯著高于約850° F、例如約900-950° F的溫度時(shí)開(kāi)始進(jìn)行熱軋。對(duì)于一些產(chǎn)品，優(yōu)選進(jìn)行這樣的熱軋而沒(méi)有再次加熱，即利用軋機(jī)的功率維持軋制溫度高于所需的最低溫度。然后繼續(xù)進(jìn)行熱軋，通常在可逆式熱軋機(jī)中，直到獲得最終板材產(chǎn)品的所需厚度。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于下機(jī)翼蒙皮應(yīng)用的熱軋板的期望厚度通常是約O. 35-2. 2英寸，且優(yōu)選為約O. 9-2英寸。鋁業(yè)協(xié)會(huì)準(zhǔn)則定義片材產(chǎn)品厚度小于O. 25英寸，將大于O. 25英寸的產(chǎn)品定義為板材。
除本發(fā)明用于下機(jī)翼蒙皮和翼梁腹板的優(yōu)選實(shí)施方案外，該合金的其它應(yīng)用可包括翼梁擠壓件。當(dāng)制造擠壓件時(shí)，首先將本發(fā)明的合金加熱到約650-800° F，優(yōu)選約675-775° F，并包括至少約10 I的橫截面縮小(或擠壓比)。本發(fā)明的熱軋板材或其它形變產(chǎn)品形式優(yōu)選在約900-980° F之間的一個(gè)或多個(gè)溫度下進(jìn)行固溶熱處理(SHT)以使大部分、優(yōu)選所有或基本上所有的可溶鎂和銅形成溶體，此外應(yīng)理解的是，對(duì)于不一定理想的物理過(guò)程，這些主要的合金化組分的最后痕量在SHT(或固溶)步驟期間很可能不完全溶解。在加熱到上述高溫后，本發(fā)明的板材產(chǎn)品應(yīng)快速冷卻或淬火以完成固溶熱處理。典型通過(guò)在適合尺寸的水槽中浸潰或通過(guò)使用噴水完成這種冷卻，然而可使用空氣激冷作為輔助的或替代的冷卻方式。在淬火后，可以對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行冷加工和/或進(jìn)行伸展以發(fā)展足夠的強(qiáng)度，減少內(nèi)應(yīng)力和矯直產(chǎn)品。冷變形(例如冷軋、冷壓)水平可以至多約11%，優(yōu)選約8-10%。該冷加工產(chǎn)品的隨后伸展將至多為約2%的最大值。在不進(jìn)行冷軋時(shí)，可以將產(chǎn)品伸展至最高約8%的最大值,優(yōu)選1-3%范圍的伸展水平。在快速淬火和(如果需要的)冷加工后，通過(guò)加熱到適合的溫度，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行人工時(shí)效以提高強(qiáng)度和其它性能。在一個(gè)優(yōu)選的熱時(shí)效處理中，對(duì)可析出硬化的板材合金產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)時(shí)效步驟、階段和處理。通常已知的是升溫到指定或目標(biāo)處理溫度和/或從指定或目標(biāo)處理溫度降溫本身能產(chǎn)生析出(時(shí)效)效應(yīng)，這能夠并通常需要考慮在整個(gè)時(shí)效處理中結(jié)合這種升溫條件和它們析出硬化效應(yīng)。Ponchel在美國(guó)專利3，645，804中更為詳細(xì)的描述了這種結(jié)合。通過(guò)升溫和其相應(yīng)的結(jié)合，為方便起見(jiàn)可在單一、可程控爐中實(shí)現(xiàn)根據(jù)時(shí)效操作對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行處理的兩個(gè)和三個(gè)階段；然而，每個(gè)階段(步驟和時(shí)期)將作為不同的操作進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。人工時(shí)效處理能使用單一的主要時(shí)效階段例如至多375° F優(yōu)選290-330° F范圍的時(shí)效處理。時(shí)效時(shí)間可以是至多48小時(shí)優(yōu)選約16-36小時(shí)，取決于人工時(shí)效溫度。鋁業(yè)協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)展了狀態(tài)命名(designation)體系，并通常用于描述產(chǎn)生不同狀態(tài)所使用的基本步驟序列。在該體系中將T3狀態(tài)描述為固溶熱處理、冷加工和自然時(shí)效到基本上穩(wěn)定的狀態(tài)，其中認(rèn)為所使用的冷加工可影響機(jī)械性能極限。T6命名包括進(jìn)行固溶熱處理和人工時(shí)效的產(chǎn)品，幾乎不或不進(jìn)行冷加工，使得認(rèn)為冷加工不影響機(jī)械性能極限，T8狀態(tài)表示進(jìn)行固溶熱處理、冷加工和人工時(shí)效的產(chǎn)品，其中認(rèn)為冷加工影響機(jī)械性能極限。優(yōu)選地，產(chǎn)品是T6或T8類型的狀態(tài)，包括T6或T8系列的任一個(gè)。其它適合的狀態(tài)包括但不限于T3、T39、T351和Τ3Χ系列中的其它狀態(tài)。還可以將產(chǎn)品提供在Τ3Χ狀態(tài)并由飛機(jī)制造者進(jìn)行變形或成型處理以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件。在這種操作之后，可使用處于Τ3Χ狀態(tài)或時(shí)效到Τ8Χ狀態(tài)的產(chǎn)品。時(shí)效成型能提供較低的制造成本同時(shí)允許形成更為復(fù)雜的機(jī)翼形狀。在時(shí)效成型過(guò)程中，將零件約束在模具中在通常約250° F-約400° F的升高溫度下持續(xù)幾小時(shí)到幾十小時(shí)，通過(guò)應(yīng)力松弛獲得所需的輪廓(contour)。如果使用較高溫度的人工時(shí)效，例如高于280° F的處理，在人工時(shí)效處理過(guò)程中可以將金屬能成型或變形為所需的形狀。通常，大多數(shù)預(yù)期的變形相對(duì)簡(jiǎn)單，例如跨板構(gòu) 件寬度和/或長(zhǎng)度的非常輕微的彎曲。通常，加熱板材到約300-400° F，例如約310° F，并將其放置在凸起形狀上，通過(guò)在板材相對(duì)邊上夾緊或施加載荷進(jìn)行加載。當(dāng)除去作用力或載荷時(shí)，板材或多或少地在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出該形狀的輪廓并且在冷卻時(shí)發(fā)生少許回彈。相對(duì)于板材所需的形狀，將該形狀的曲線或輪廓輕微擴(kuò)大以補(bǔ)償回彈。如果需要，可以在時(shí)效成型之前或后在約250° F下進(jìn)行低溫人工時(shí)效處理步驟。作為替代方案，可以在較高溫度例如約330° F的時(shí)效前或后，在例如約250° F溫度下進(jìn)行時(shí)效成型。本領(lǐng)域技術(shù)人員能基于最終產(chǎn)品的所需性能和性質(zhì)決定各個(gè)步驟的適合順序和溫度。可以在任何步驟之后對(duì)板材構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械加工,例如通過(guò)使板材漸變(tapering)使得意圖與機(jī)身接近的部分變厚并且與機(jī)翼尖端最接近的部分變薄。如果需要，在時(shí)效成型處理之前和之后，也可以進(jìn)行另外的機(jī)械加工和其它的成型操作。用于最近幾代現(xiàn)代商用噴氣式客機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)的下機(jī)翼蒙皮材料通常是由自然時(shí)效狀態(tài)例如T351和T39的2X24合金系列形成，并在時(shí)效成型中使熱暴露最小化以保留所需的材料自然時(shí)效狀態(tài)的性能。相比之下，優(yōu)選以人工時(shí)效狀態(tài)例如T6和T8類型狀態(tài)使用本發(fā)明的合金，并在在時(shí)效成型過(guò)程中同時(shí)完成人工時(shí)效處理而不會(huì)引起其所需性能的下降。本發(fā)明合金在時(shí)效成成型中獲得所需輪廓的能力等于或者優(yōu)于目前使用的2X24
I=1-Wl O
實(shí)施例在制備本發(fā)明合金組成以說(shuō)明機(jī)械性能的提高時(shí)，為表I和2中定義的樣品A-D組成，直冷(Direct Chill) (D.C.)鑄造6X16英寸橫截面的鑄錠。鑄造后，對(duì)鑄錠進(jìn)行去皮至約5. 5英寸厚度以備均勻化和熱軋。采用多步操作并以在約955° F-965° F下均熱24小時(shí)的最后步驟以對(duì)鑄錠進(jìn)行分批均勻化。初始熱軋鑄錠到中間板坯尺寸(slabga ge),然后在約940° F再次加熱以完成熱軋操作，當(dāng)熱軋溫度降到低于約700° F時(shí)，再次加熱。熱軋樣品到用于板材的約O. 75英寸和用于片材的約O. 18英寸。在熱軋后，冷軋片材樣品約30%以獲得約O. 125英寸的尺寸。然后對(duì)制得的板材和片材的樣品進(jìn)行熱處理，在約955-965° F溫度下均熱時(shí)間至多60分鐘，然后冷水淬火。在淬火一小時(shí)內(nèi)伸展板材樣品到約2. 2%的標(biāo)稱(nominal)水平。在淬火的一小時(shí)內(nèi)伸展片材樣品至約I %的標(biāo)稱水平。允許對(duì)板材和片材的樣品在伸展后、在進(jìn)行人工時(shí)效前進(jìn)行自然時(shí)效約72小時(shí)。在約310° F下對(duì)樣品進(jìn)行人工時(shí)效24-32小時(shí)。然后表征板材和片材樣品的機(jī)械性能，包括伸展、斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性。表I和2顯示了由本發(fā)明組成制得的片材和板材產(chǎn)品與現(xiàn)有技術(shù)組成的比較。表I板材的化學(xué)分析
權(quán)利要求
1.具有強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性的有效組合的2XXX系列航空合金產(chǎn)品，包括基本上由下組分組成的合金Cu :約 3. O-約 4. Owt % ；Mg :約 O. 4-約1.1wt % ；Mn :約 O. 20-約 O. 40wt% ；Fe :至多約 O. 5wt% ；S1:至多約 O. 5wt% ；Ag :約 O. 3-約 O. 8wt% ；Zn :至多約 O. 40wt% ；和至多約O. lwt%的晶粒細(xì)化劑、余量是鋁及附帶的元素和雜質(zhì)，其中Ag和Zn的總重量百分比是至少約O. 3wt%,且所述Cu和Mg的存在比例是約3. 6-5份Cu比約I份Mg。
2.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品,其中Ag和Zn的總重量百分比是至少約O.4wt%，且所述比例是約4. 0-4. 5份Cu比約1. O份Mg。
3.權(quán)利要求2的合金產(chǎn)品，其中Ag的重量百分比為O.30-0. 50。
4.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，還包括選自Zr、Cr、Sc、Hf和Er的再結(jié)晶抑制劑。
5.權(quán)利要求4的合金產(chǎn)品，其中所述再結(jié)晶抑制劑是至多約O.18被％的Zr。
6.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中所述晶粒細(xì)化劑是陶瓷化合物。
7.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中所述晶粒細(xì)化劑是鈦或鈦化合物。
8.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中所述晶粒細(xì)化劑是T1、TiB2或TiC。
9.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品,其中Ag的重量百分比是至少O.4wt%。
10.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷加工和人工時(shí)效。
11.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到不完全時(shí)效強(qiáng)度。
12.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到峰值強(qiáng)度。
13.權(quán)利要求1的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到過(guò)時(shí)效強(qiáng)度。
14.具有強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性的有價(jià)值組合的形變或鑄造鋁合金產(chǎn)品，所述產(chǎn)品基本由包含如下成分的合金組成約 3. O-約 4. Owt % 銅約 O. 4-約1.1wt %約 O. 2-約 O. 4wt% 猛約 O. 01-約 O. 8wt% 銀；約 O. 01-約 O. 40wt%# ;和至多O.1wt %的晶粒細(xì)化劑，可選地，再結(jié)晶抑制劑，余量是鋁及附帶的元素和雜質(zhì)，其中Zn和Ag的總重量百分比是約O. 30-約O. 80wt%，和所述合金產(chǎn)品具有a)、b)或c)的機(jī)械性能；其中a)通過(guò)使用ASTM B871的Kahn撕裂測(cè)試測(cè)量的比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524HDT-T3或 T8高至少60%的T-L方向韌性(UPE) ；b)就平均疲勞壽命(循環(huán)數(shù))而言，比2X24HDT多約60%的平均高載荷轉(zhuǎn)移接頭疲勞壽命；和c)通過(guò)ASTM GllO測(cè)量的從晶間向點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變的腐蝕性能類型的變化。
15.權(quán)利要求14的鋁合金產(chǎn)品，其中Zn加Ag的總量是至少O.3wt%。
16.權(quán)利要求14的鋁合金產(chǎn)品，其中Zn加Ag的總量是至少O.3wt%，且Cu與Mg的比例為約3. 6-5份Cu比約I份Mg。
17.權(quán)利要求14的鋁合金產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品是片材產(chǎn)品，且Zn加Ag的總量是至少O.4wt % ο
18.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，還包括選自Zr、Cr、Sc、Hf和Er的再結(jié)晶抑制劑。
19.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中所述晶粒細(xì)化劑是陶瓷化合物。
20.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中所述晶粒細(xì)化劑是T1、TiB2或TiC。
21.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中將該產(chǎn)品時(shí)效到不完全時(shí)效強(qiáng)度。
22.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中將該產(chǎn)品時(shí)效到峰值強(qiáng)度。
23.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中將該產(chǎn)品時(shí)效到過(guò)時(shí)效強(qiáng)度。
24.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品處于T3、T6或T8狀態(tài)。
25.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品伸展或冷壓縮至少O.50%。
26.權(quán)利要求14的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品伸展或冷壓縮到至少2wt%。
27.作為片材產(chǎn)品適用于包括蒙皮、面板和縱梁的機(jī)身應(yīng)用或適用于包括下機(jī)翼蒙皮、 縱梁和面板的機(jī)翼應(yīng)用以及例如翼肋和翼梁的厚構(gòu)件的鋁合金，包括銅約 3. O-約 4. Owt %，鎂約 O. 4-約1.1wt %,猛約 O. 2-0. 4wt%,銀約 O. 8-0. 8wt%,鋅約 O. 01-0. 40wt%,至多約O. 20wt%的再結(jié)晶抑制劑，至多O. 10被％的選自基本上由T1、TiB2和TiC組成的組中的晶粒細(xì)化劑，鐵至多O. 5wt%,娃至多約O. 5wt%,余量為鋁和附帶的元素和雜質(zhì)，其中所述Cu和Mg的存在比例約3. 6-5份Cu比約I份Mg，且其中所述合金產(chǎn)品具有選自下面的一個(gè)或多個(gè)機(jī)械性能或機(jī)械性能的組合1)通過(guò)使用ASTMB871的Kahn撕裂測(cè)試測(cè)量的比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524高至少約 40%的韌性并具有大致相同的UTS和TYS ；2)通過(guò)使用ASTMB871的Kahn撕裂測(cè)試測(cè)量的比進(jìn)行相似測(cè)試的AA2524高至少約 20%的韌性并且相對(duì)于AA2524UTS和TYS具有至少約10%的提高；3)就平均疲勞壽命(循環(huán)數(shù))而言，比2X24HDT多至少約60%的平均高載荷轉(zhuǎn)移接頭疲勞壽命；和4)通過(guò)ASTMGllO測(cè)量的從晶間向點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變的腐蝕性能類型的變化。
28.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中Zn加Ag的總量是至少O.3wt%。
29.權(quán)利要求28的合金產(chǎn)品，其中Zn加Ag的總量是約O.3-約O. 6wt%。
30.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中Ag和Zn的總重量百分比是約O.3-1. 5wt%。
31.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷加工和人工時(shí)效。
32.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到不完全時(shí)效強(qiáng)度。
33.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到峰值強(qiáng)度。
34.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品時(shí)效到過(guò)時(shí)效強(qiáng)度。
35.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品伸展或冷壓縮到至少2wt%。
36.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，其中將產(chǎn)品伸展或冷壓縮至少O.50%。
37.權(quán)利要求27的合金產(chǎn)品，還包括選自Zr、Cr、Sc、Hf和Er的再結(jié)晶抑制劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有提高損傷容限的2000系列鋁合金，該合金的基本組成為約3.0-4.0wt％銅；約0.4-1.1wt％鎂；至多約0.8wt％銀；至多約1.0wt％Zn；至多約0.25wt％Zr；至多約0.9wt％Mn；至多約0.5wt％Fe；和至多約0.5wt％Si；余量基本上是鋁，附帶的雜質(zhì)和元素，所述銅和鎂的存在比例是約3.6-5份銅比約1份鎂。該合金適用于形變或鑄造產(chǎn)品包括航空應(yīng)用中使用的產(chǎn)品特別是片材或板材結(jié)構(gòu)構(gòu)件、擠壓件和鑄件，并且本發(fā)明提供了強(qiáng)度和損傷容限的改良組合。
文檔編號(hào)C22C1/06GK103045921SQ20131001358
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者J·C·林, J·M·紐曼, P·E·麥格紐森, G·H·布雷 申請(qǐng)人:美鋁公司