專利名稱：：適用于航空航天應用的Al-Cu-Mg合金的制作方法
技術領域：
：本發明涉及鋁形變合金，特別是A1-Cu-Mg型合金(或由鋁業協會命名的AA2000系列鋁合金)。更具體地，本發明涉及具有高強度、高斷裂韌性，表現出低的裂紋擴展和高的抗晶間腐蝕性的鋁合金產品。由根據本發明的鋁合金制成的產品非常適合用于航空航天應用，然而不局限于此。該合金可被加工成各種產品形式，例如片材、薄板或擠壓產品、鍛造產品或焊接產品。該鋁合金產品可以是未涂覆的或者涂覆或鍍覆有另一種鋁合金以便甚至進一步改善期望的性能。
背景技術：
：特別是航空航天工業中的設計者和制造商不斷努力改良燃料效率、產品性能并且不斷努力減少制造、維修和維護成本。實現這些目標的一種方式是通過改良所用鋁合金的相關性能，使得由特定合金制成的結構可更有效地進行設計或者將具有更好的總體性能。通過為特定的應用改良相關的材料性能，由于具有更長的結構(例如飛機)檢查間隔還可以顯著減少維護成本。AA2000系列鋁合金在飛機中的主要應用是作為機身或蒙皮板，為此目的典型使用T351狀態的AA2024,或者作為下機翼板，為此目的典型使用T351狀態的AA2024和T39狀態的AA2324。對于這些應用需要高的拉伸強度和高的韌性。已知AA2000系列鋁合金的這些性能可通過較高水平的合金化元素諸如Cu、Mg和Ag而得以改善。然而，通過提高所述合金化元素的濃度，對腐蝕、特別是同樣對晶間腐蝕的抵抗性降低到可能限制合金適用性的水平。鋁合金的晶間腐蝕不但影響使用該合金的結構的完整性，其中被腐蝕的晶界可能充當裂紋的核心，所述裂紋在該結構的工作期間在交變載荷影響下擴展。因此，晶間腐蝕的發生對具有高水平上述合金化元素的AA2000系列鋁合金的應用造成限制。用于航空航天應用的AA2000系列的最常用的鋁合金形式是AA2024、AA2024HDT("高損傷容限")和AA2324。對于新設計的飛機，希望鋁合金的性能好于已知合金所具有的性能，以便設計在制造和操作成本方面更有效的飛機。因此，需要能夠獲得相關形式的鋁合金的改良性能平衡的鋁合金。發明概述本發明針對于一種AA2000系列鋁合金，該鋁合金具有在由該合金制成的任何相關產品中實現如下性能平衡的能力，該性能平衡好于目前用于這樣產品的各種可商購AA2000系列鋁合金或迄今公開的AA2000系列鋁合金的性能平衡。本發明的一個目的是提供一種鋁合金形變產品，特別是適合于航空航天應用的AA2000系列合金內的鋁合金形變產品，該產品具有高的強度和斷裂韌性的改良平衡以及高的抗晶間腐蝕性。本發明的另一個目的是提供如上所述的鋁合金形變產品，該產品顯示出對剝落腐蝕和應力腐蝕開裂的高抵抗性。本發明的又一個目的是提供如上所述的鋁合金形變產品，該產品容許其制造工藝期間工藝參數的通常變化。本發明的再一個目的是提供如上所述的鋁合金形變產品，該產品可焊并且適合用于焊接構造。本發明的再一個目的是提供如上所述的一定形式的鋁合金形變產品，該產品適合用于航空航天結構。本發明的又一個目的是提供如上文所述的鋁合金形變產品的制造方法。使用具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性的鋁合金形變產品獲得了一個或多個所述目的以及其它目的和優點，該鋁合金以重量％計包含Cu4.1-5.5%Mg0.30-1.6%Mn0.15-0.8%Ti0.03-0.4%Cr0.05-0.4%Ag<0.7%Zr<0.2°/0Fe<0.20%,優選<0.15%,更優選<0.1%Si<0.20%,優選<0.15%，更優選<0.1%，并且余量是鋁和其它雜質或偶存元素每種<0.05%，總量<0.15%。如果本文不另外聲明，則所有的百分比為重量百分比(重量％)。附圖簡述附圖中圖1示出了展示本發明的Cr-Ti范圍以及更窄的優選范圍的Cr-Ti圖。圖2a、2b示出了處于T3狀態的根據本發明的合金以及對比合金的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。圖3a、3b示出了處于T6狀態的根據本發明的合金以及對比合金的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。優選實施方案詳述本發明提供了一種鋁合金形變產品，該產品具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性，該鋁合金以重量％計包含Cu4.1-5.5%Mg0.30-1.6%Mn0.15-0.8%Ti0.03-0.4%Cr0.05-0.4%Ag<0.7%Zr<0.2%Fe<0.20%,優選<0.15%,更優選<0.1%Si<0.20°/。，優選<0.15%,更優選<0.1%,并且余量是鋁和其它雜質或偶存元素每種<0.05%，總量<0.15%。如果本文不另外聲明，則所有的百分比為重量百分比(重量％)。發現根據本發明的鋁合金的組成導致具有高的抗晶間腐蝕性同時維持與常規人人2024合金相比較高的強度和較高的韌性的合金產品。本發明的合金產品還表現出對剝落腐蝕和應力腐蝕開裂的高抵抗性。在本發明的優選實施方案中也獲得了良好的結果，其中0.03°/。<Ti<0.3%,優選地0.05%<Ti<0.2%。才艮據這個實施方案，使用較低的Ti濃度也可以實現良好的性能。另一個實施方案具有0.05%<Cr<0.3%的范圍，優選0.05%<Cr<0.15%。在這個實施方案中，維持了特別良好的晶間腐蝕性能同時合金產品的淬火敏感性較小。另一實施方案具有0.l%<Ti+Cr<0.4%的范圍。已發現在該給定范圍內，Ti和Cr可以相互取代同時維持對晶間腐蝕的良好抵抗性和良好的機械性能。優選0.l%<Ti+Cr<0.3%。在本發明的這個實施方案中，利用減少的合金化元素Ti和Cr添加實現了仍舊良好的性能。在一個優選實施方案中，選擇Cu水平為4.4%<Cu<5.5%,更優選為4.7%<Cu<5.3%。在另一優選實施方案中，選擇Mg水平為0.3%<Mg<l.2%，更優選為0.4%<Mg<0.75%。鐵的存在范圍可以是至多0.20%且優選保持最大0.15%，更優選最大0.1%。典型的優選鐵水平范圍是0.03%至0.08%。硅的存在范圍可以是至多0.20%且優選保持最大0.15%，更優選最大0.1%。典型的優選硅水平應盡可能低，且出于實用原因典型為0.02%至0.07%。鋯在根據本發明的合金產品中的存在量可以是至多0.20%。適宜的Zr水平是0.04%至0.15%。Zr水平更優選的上限是0.13%,且更加優選不超過0.11%。錳可以單獨加入或者與其它分散體形成劑結合加入。Mn水平的優選最大值是0.80%且優選的最大水平是0.15%。Mn水平的優選范圍是0.2%<Mn<0.5%。在現有技術中，已提出向AA2000合金添加Ag來改善對晶間腐蝕的抵抗性。然而，存在與添加Ag相關的缺點。一個缺點在于Ag是昂貴的元素并且其添加提高合金的價格。第二個缺點在于同樣是關于Ag的價格，應當仔細處理和回收該合金的任何廢料以回收Ag。因此，在根據本發明的鋁合金產品的另一優選實施方案中，該合金不含Ag。實際上這意味著Ag以雜質或偶存元素的水平存在，即以<0.05%的水平。更優選地，該合金基本上不含Ag。"基本上不含"意味著不向化學組成有意添加Ag而是由于雜質和/或來自與制造設備接觸的泄漏，痕量的Ag可能仍然進入鋁合金產品。在根據本發明的鋁合金產品的優選實施方案中，該合金以重量％計具有如下組成Cu4.1-5.5%Mg0.30-1.6%Mn0.15-0.8%Ti0.03-0.4%Cr0.05-0.4%Zr<0.2%Fe<0.15%,優選<0.1%Si<0.15%,優選<0.1%,并且余量是鋁和其它雜質或偶存元素每種<0.05%,總量<0.15%，且基本上不含Ag。本說明書和權利要求中給出了各種合金化元素的更優選的較窄范優選地，根據本發明的鋁合金產品處于T3x、T6x或T8x狀態。根據合金的預定應用領域，選擇適宜的狀態以便賦予合金產品所需的性能。狀態命名依照鋁業協會。由于在高的強度和疲勞水平下的改良的抗晶間腐蝕性，優選以適用于航空航天結構的片材、板材、鍛件或擠壓件的形式提供所述產品。對于作為各種厚度板材的應用，優選厚度為G.7-80mm的板材形式，根據本發明的鋁合金產品顯示了優異的性能平衡。在厚度為0.6-1.5mm的板材厚度范圍內，該鋁合金產品還特別適合作為汽車車身片材。在至多40mm的厚度范圍內，該鋁合金產品的性能對于機身片材是優異的并且優選厚度是至多25miri。當拉伸強度和疲勞性能重要時，在20-80mm的厚度范圍內，性能對于機翼板材例如下機翼板是優異的。在這個厚度范圍內，該鋁合金產品還可以用于縱梁或用以形成用于飛機機翼結構的整體機翼板和縱梁。根據本發明的鋁合金產品還可以用作工具板或模具板，例如，用于例如通過壓鑄或注塑制造成形的塑性產品的模具。在這種應用中，較高的Fe和Si水平，每種這些元素至多0.4%是容許的。本發明還體現在具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性的鋁合金產品的制造方法，該方法包括如下步驟a.鑄造具有根據本發明的組成的鑄錠；b.在鑄造之后均勻化和/或預加熱該鑄錠；c.通過選自禮制、擠壓和鍛造的一種或多種方法將鑄錠熱加工成加工產品；d.任選地再次加熱該加工產品；和e.任選地進一步熱加工和/或冷加工成所需的加工件形式；f.固溶熱處理所述成形的加工件，其溫度和時間足以將合金中基本上所有的可溶組分納入固溶體；g.通過在水中或其它淬火介質中浸沒淬火或噴液淬火中的一種對所述固溶熱處理的加工件進行淬火；h.任選地伸展或壓縮所述淬火的加工件；i.對所述淬火并任選伸展或壓縮的加工件進行自然或人工時效以荻得所需的狀態。根據本發明的方法產生具有優異抗晶間腐蝕性并且具有高強度和優異疲勞性能的鋁合金產品。本發明的合金產品的制備通常如下熔煉并合金化鋁合金產品，并且可以通過直接激冷("D.C.")或其它適合的鑄造技術鑄造成鑄錠。均勻化處理典型以一個或多個步驟進行，每個步驟具有優選4601C至535匸的溫度。預加熱溫度涉及將鑄錠加熱到典型為4001C至4801C的熱加工溫度。可以通過選自軋制、擠壓和鍛造的一種或多種方法進行合金產品的加工。對于本發明的合金產品，優選熱軋。典型在與用于均勻化的溫度范圍相同的溫度范圍內進行固溶熱處理，然而可以選擇略孩i較短的均熱時間。在根據本發明方法的一個實施方案中，人工時效優選包含在135。C至210。C的溫度下優選持續5-20小時的時效步驟。在本發明的另一個實施方案中，自然失效優選包含在室溫下持續l-10天的時效步驟。優選地，將該鋁合金產品時效到選自T3、T351、T39、T6、T651、和T87的狀態。在一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成機身片材，優選加工成厚度小于30mm的機身片材。在另一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成下機翼板。在又一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成上機翼板。在另一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成擠壓產品。在另一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成鍛造產品。在另一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成厚度為15-40mm的薄板。在另一個實施方案中，將該鋁合金產品加工成厚度至多300mm的厚板。實施例下面，將參照附圖和實驗室測試的結果進一步說明本發明。圖1示出了展示本發明的Cr-Ti范圍以及更窄的優選范圍的Cr-Ti圖。圖1示意顯示了根據本發明合金的Cr和Ti含量的范圍。通過具有角點A、B、C、D的矩形框表示最寬的范圍。圖1還示意顯示了Cr和Ti兩者的平衡含量的優選范圍。通過具有角點E、F、G、H的四邊形框表示其最寬的范圍。點P表示用于測試的根據本發明合金(在下面的實施例中也被稱為合金3)的樣品的Cr和Ti含量。字母Q表示兩種對比合金的Cr和Ti含量，這兩種對比合金也用于測試并且也被稱為合金1和合金2。合金1和2落在本發明之外。除Cr和Ti含量外，合金2具有與根據本發明的合金3相同的化學組成。合金1具有常規AA2024合金的典型化學組成。以實驗室規模鑄造三種鑄錠并將其加工成板材以便驗證本發明的原理。表l中列出了三種合金的合金組成。表l合金的組成(重量％),余量為鋁和不可避免的雜質<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>對表l中列出的合金進行如下處理-鑄造鑄錠.，-對于合金l:對鑄錠進行均勻化，以30°C/h的加熱速率加熱到465°C,在該溫度下均熱2小時隨后進一步以15'C/h的速率加熱到495。C并在該溫度下均熱24小時隨后空氣冷卻到室溫。-對于合金2和3:對鑄錠進行均勻化，以30'C/h的加熱速率加熱到525。C，在該溫度下均熱24小時隨后空氣冷卻到室溫。預加熱到420。C。-從80fflm熱淬L到8辺ffl。-從8mm冷專L到2mm成為冷軋板。-固溶熱處理所述冷軋板。O對于合金1在495'C下持續30分鐘。O對于合金2和3在525'C下持續30分鐘。-通過直接水淬或者在靜止空氣中保持10秒鐘之后在水中淬火對所述冷軋板進行淬火。-將所述冷軋板在室溫下存儲4小時。-通過下述任一種伸展和時效所述冷軋板O伸展并在室溫下自然時效5天至T3x狀態(即T3、T351和T39);或O伸展并在175。C下人工時效12小時至T6x和T8x狀態(即T6、T651、T87)。依照ASTMG110對取自按上述加工的冷軋板的樣品進行晶間腐蝕測試。腐蝕測試的結果如表2、3、4和5所示。在這些表中，(i)表示僅觀察到點蝕而無晶間腐蝕，(ii)表示觀察到點蝕并且在點蝕坑底部具有輕微的晶間腐蝕，且(iii)表示觀察到局部的晶間腐蝕。表2處于T3x狀態的合金的最大腐蝕深度和類型。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2示出了根據本發明一個實施方案的Cr和Ti的平衡添加引起在T3x狀態下的卓越的無晶間腐蝕性能，與其它合金相比具有顯著更低的點蝕坑深度。表3在固溶熱處理后具有10秒淬火延遲的處于T3x狀態的合金的最大腐蝕深度和類型。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>該表顯示在至多10s的淬火延遲之后，根據本發明的合金維持了杰出的腐蝕性能。表4處于T6x狀態和T8x狀態的合金的最大腐蝕深度和類型。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>從該表中可以看出，通過Cr和Ti的平衡添加獲得了改良的腐蝕性能。僅發現在點蝕坑底部具有極輕微晶間腐蝕的點蝕。表5在固溶熱處理后具有10秒淬火延遲的處于T6x狀態和T8x狀態的合金的最大腐蝕深度和類型。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>對于高達10秒的長淬火延遲，抗晶間腐蝕性略微降低，但是該性能仍顯著優于具有或沒有淬火延遲的對比合金的性能。腐蝕測試的結果如圖2a、2b、3a和3b所示。圖2a、2b示出了處于T3狀態的根據本發明的合金以及對比合金的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。具體地，圖2a示出了處于T3狀態的對比合金l(參考AA2024)的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。該顯微照片清楚顯示了深度大于150)am的點蝕和晶間腐蝕。圖2b示出了同樣處于T3狀態的根據本發明合金(合金3)的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。該樣品清楚顯示了最大深度為60jjra的僅輕微的點蝕，并且沒有晶間腐蝕。圖3a、3b示出了處于T6狀態的根據本發明的合金以及對比合金的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。具體地，圖3a示出了處于T6狀態的對比合金l(參考AA2024)的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。該顯微照片清楚顯示了延伸到約220jjffl深度的局部晶間腐蝕。圖3b示出了同樣處于T6狀態的根據本發明合金(合金3)的樣品在腐蝕測試后的橫截面顯微照片。該樣品表現出僅具有輕微晶間腐蝕的深度小于160nim的點蝕。在T3和T6兩種狀態下，根據本發明合金的腐蝕性能顯著優于對比合金參考AA2024的腐蝕性能。還測量了如上所述鑄造并處理的合金的機械性能且結果匯總在表6和7中。表6處于T3狀態的合金的拉伸性能(L方向)。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從表6可以看出，在T3狀態下，使用根據本發明的合金可以實現與參考合金1(參考AA2024)和2相當的機械性能。表7處于T3狀態的合金的斷裂韌性(L-T方向)。合金UPE(kJnf2)TS/Rp1(參考AA2024)2761.6825181.9834102.00從表7可以看出，與對比合金AA2024相比，使用本發明的合金維持了顯著更高的韌性。盡管已參照一些具體實施例描述了本發明，然而本領域的技術人員當然能夠在本發明的精神和范圍內實現許多其它實施方案。因此，本發明不受上面所列實施方案的限制，而是由所附權利要求限定。權利要求1.一種鋁合金形變產品，該產品具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性，所述鋁合金形變產品由以重量％計包含如下成分的合金制成Cu4.1-5.5％Mg0.30-1.6％Mn0.15-0.8％Ti0.03-0.4％Cr0.05-0.4％Ag＜0.7％Zr＜0.2％Fe＜0.20％，優選＜0.15％Si＜0.20％，優選＜0.15％，并且余量是鋁和其它雜質或偶存元素每種＜0.05％，總量＜0.15％。2.根據權利要求1的鋁合金產品，其中0.03%<Ti<0.3%，優選地0.05%<Ti<0.2%。3.根據權利要求1或權利要求2的鋁合金產品，其中0.05%<Cr<0.3%，優選0.05%<Cr<0.15%。4.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中G.l%<Ti+Cr<0.4%。5.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中0.l%<Ti+Cr<0.3%。6.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中4.4%<Cu<5.5%，優選4.7%<Cu<5.3°/。。7.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中0.3%<Mg<1.2%，優選0.4°線<0.75%。8.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中0.2%<Mn<0.5%。9.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中Ag以雜質或偶存元素的水平存在。10.根據權利要求9的鋁合金產品，該產品基本上不含Ag。11.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中該產品處于T3x、T6x或T8x狀態。12.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中該產品為適用于航空航天結構的片材、板材、鍛件或擠壓件的形式。13.根據前述權利要求中一項或多項的鋁合金產品，其中該產品為具有0.7-80mm厚度的板材形式。14.具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性的鋁合金產品的制造方法，該方法包括如下步驟a.鑄造具有根據權利要求1-10中一項或多項的合金組成的鑄錠；b.在鑄造之后均勻化和/或預加熱該鑄錠；c.通過選自軋制、擠壓和鍛造的一種或多種方法將該鑄錠熱加工成預加工產品;d.任選地再次加熱該預加工產品；和e.任選地進一步熱加工和/或冷加工成所需的加工件形式；f.固溶熱處理所述成形的加工件，其溫度和時間足以將合金中基本上所有的可溶組分納入固溶體；g.通過在水中或其它淬火介質中浸沒淬火或噴液淬火中的一種對所述固溶熱處理的加工件進行淬火；h.任選地伸展或壓縮所述淬火的加工件；i.對所述淬火并任選伸展或壓縮的加工件進行自然或人工時效以獲得所需的狀態。15.根據權利要求14的方法，其中將鋁合金產品時效到選自T3、T351、T39、T6、T651和T87的狀態。16.根據權利要求14或15的制造方法，其中將鋁合金產品加工成機身片材。17.根據權利要求1—16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成厚度小于30mm的機身片材。18.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成下機翼板。19.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成上纟幾翼板。20.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成擠壓產品o21.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成鍛造產品o22.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成厚度為15-40mm的薄板。23.根據權利要求14-16中任一項的制造方法，其中將鋁合金產品加工成厚度至多300mm的厚板。全文摘要一種鋁合金形變產品，該產品具有高強度和高斷裂韌性以及高的抗晶間腐蝕性，該合金以重量％計包括Cu4.1-5.5％；Mg0.30-1.6％；Mn0.15-0.8％；Ti0.03-0.4％；Cr0.05-0.4％；Ag＜0.7％；Zr＜0.2％；Fe＜0.20％，優選＜0.15％，更優選＜0.1％；Si＜0.20％，優選＜0.15％，更優選＜0.1％；并且余量是鋁和其它雜質或偶存元素每種＜0.05％，總量＜0.15％。文檔編號C22C21/16GK101297054SQ200680039531公開日2008年10月29日申請日期2006年10月24日優先權日2005年10月25日發明者J·布澤溫克爾,J·范德朗克魯伊斯,M·C·E·凱塞多,P·V·A·莫拉申請人:阿勒里斯鋁業科布倫茨有限公司