高強(qiáng)度、高成形性、低成本鋁-鋰合金的制作方法
【專利說明】高強(qiáng)度、高成形性、低成本錯(cuò)-裡合金
[oow] 發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般設(shè)及侶-銅-裡-儀基合金產(chǎn)品。
[0003] 2.巧關(guān)巧術(shù)的描沐
[0004] 為了積極降低飛行器重量W獲得更好的燃料效率，機(jī)身制造者和侶材料制造者正 執(zhí)意尋求低密度侶-裡合金。 陽〇化]當(dāng)考慮飛行器應(yīng)用中使用的薄片產(chǎn)品時(shí)，飛行器設(shè)計(jì)者通常使用"中等強(qiáng)度-高 損傷容限"合金如AA2024合金及其最近衍生物如2524(參見例如美國(guó)專利第5, 213, 639 號(hào)），或"高強(qiáng)度-中等損傷容限"合金如AA7075合金。
[0006] 對(duì)于運(yùn)兩種合金（即AA2024型合金或AA7075型合金），需要滿足其它要求W用于 飛行器工業(yè)。例如，為了生產(chǎn)飛行器需要的復(fù)合部件，需要更佳的成形性，W及較低的飛行 器維護(hù)和運(yùn)行成本所需的與現(xiàn)有合金相比更好的耐腐蝕性。
[0007] 如果關(guān)于替代AA2024型合金的低密度、A^Li基合金（即中等強(qiáng)度-高損傷容 限）已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，為飛行器設(shè)計(jì)者提供更佳的代替目前使用的高強(qiáng)度7075片的 替代品所開發(fā)的M-Li基產(chǎn)品有限。
[0008] A^Li片的強(qiáng)度對(duì)航空應(yīng)用非常關(guān)鍵。為了更佳的燃料效率，強(qiáng)度較高允許較低的 總重量部件設(shè)計(jì)。作為參考，根據(jù)侶協(xié)會(huì)（The Aluminum Association)出版的"侶標(biāo)準(zhǔn)和 數(shù)據(jù)2013 (Aluminum Standards and Data 2013)"，對(duì)于約0.05"厚度的片的形式，通常使 用的7075-T6侶合金的屈服強(qiáng)度為68ksi。大部分現(xiàn)有的Al-Li片合金與7XXX片相比具有 極低的強(qiáng)度。
[0009] 還眾所周知的是，生產(chǎn)侶-裡（A^Li)產(chǎn)品，特別是極薄的片產(chǎn)品在冶金學(xué)和技術(shù) 上都極富挑戰(zhàn)性，其中同時(shí)對(duì)材料強(qiáng)度、成形性、破裂初性、耐疲勞性和耐腐蝕性有要求。
[0010] 冶金學(xué)上，對(duì)于片材，特別是薄片M-Li產(chǎn)品，強(qiáng)烈影響最終產(chǎn)品性質(zhì)的所需微結(jié) 構(gòu)和織構(gòu)更難W控制。微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)受合金的化學(xué)組成和大多數(shù)制備步驟（例如均化、熱 社和冷社、退火、固溶熱處理和伸延）的影響很大。與常規(guī)合金相比，A^Li片，特別是薄片 明顯更難制備：薄M-Li片對(duì)社制裂紋、表面氧化和變形更敏感。由于運(yùn)些限制，只有較小 的加工窗口可用于優(yōu)化所需的微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所需的性質(zhì)（強(qiáng)度、成形性、 成本，W及良好的損傷容限和耐腐蝕性）組合的侶-裡片合金具有很大的挑戰(zhàn)性。運(yùn)些制 造上的技術(shù)難題很大程度上限制了高強(qiáng)度薄片M-Li產(chǎn)品的生產(chǎn)。
[0011] 因此，基于最近（2011)侶協(xié)會(huì)（Aluminum Association)出版的"登記記錄序 列-侶和侶合金生產(chǎn)的回火巧egistration Record Series-Tempers for Aluminum and Aluminum Alloys Production)"，僅有一種 A]_-Li 合金即 AA2090,登記為厚度小于 0. 063" 的片材產(chǎn)品，僅有另一種合金即AA2198,登記為厚度小于0. 125"的片材產(chǎn)品，W及僅有兩 種其它合金即AA2195和AA2199,登記為厚度小于0. 5"的片材/板材產(chǎn)品。
[0012] 生產(chǎn)高強(qiáng)度片材產(chǎn)品的運(yùn)些冶金和技術(shù)難題也反映在專利和專利申請(qǐng)中。事實(shí) 上，大量專利或?qū)＠暾?qǐng)大多設(shè)及板材產(chǎn)品（〉〇. 5")，但是僅僅少數(shù)設(shè)及片材產(chǎn)品。
[0013] A^Li合金產(chǎn)品的成本是另一個(gè)關(guān)注的問題。銀（Ag)元素被加入到許多新一代 A^Li合金中，W改善最終產(chǎn)品性質(zhì)，運(yùn)明顯增加了合成的成本。在上述四種登記的M-Li 合金片材產(chǎn)品中，兩種（AA2198和AA2195)是含Ag的合金。
[0014] 美國(guó)專利7, 744, 704掲示了一種用于飛行器機(jī)身片或輕型板應(yīng)用的侶-裡合金。 該專利是登記的AA2198 A^Li片合金的基礎(chǔ)。該合金包含0. 1-0. 8重量％Ag，所W不能認(rèn) 為它是低成本合金。而且，與7075 T6片材相比，該合金具有較低的強(qiáng)度。
[0015] 美國(guó)專利7, 438, 772掲示了一種輔助添加了裡的侶-銅-儀合金。該專利是登記 的AA2060 A^Li合金的基礎(chǔ)。據(jù)稱裡的含量?jī)H為0.01-0. 8重量％;因?yàn)樘砑拥难e有限，所 W不能認(rèn)為是真正的"低密度"合金。
[0016] 美國(guó)專利8, 118, 950掲示了改善的侶-銅-裡合金。該專利是登記的AA2055A1-Li 合金的基礎(chǔ)。該合金包含0.3-0. 7重量％ Ag，所W不能認(rèn)為是低成本合金。如該專利中所 述的，該合金用于高強(qiáng)度擠出。
[0017] 美國(guó)專利7, 229, 509掲示了具有寬泛化學(xué)組成范圍的合金，其包含0. 2-0. 8重 量％Ag，所W不能認(rèn)為是低成本合金。該專利是登記的AA2050 A^Li板材合金的基礎(chǔ)。 如論文"開發(fā)用于中等到厚板的侶-銅-裡合金2050 (Aluminum-Copper-Lithium Alloy 2050 Developed for Medium to Thick Plate[Lequeu 2010])"中所述，AA2050 設(shè)計(jì) 用于12. 7mm(0. 5")-127mm巧'）的M-Li板材產(chǎn)品。類似于專利US7229509,專利申請(qǐng) "US20110209801 A2"包含0. 15-0. 35重量％Ag。另外，該申請(qǐng)?zhí)貏e設(shè)及適用于厚度范圍為 30mm(1.2")-100mmC3. 9")的板的合金。 陽0化]其它包含Ag且也用于厚板的專利申請(qǐng)是"US 2009/0142222 A1"和"US 2013/0302206"。
[0019] 專利US5032359公開了一種合金，該合金包含0. 05-1. 2重量％ Ag，所W不能認(rèn)為 它是低成本合金。該合金的主要優(yōu)點(diǎn)是具有高強(qiáng)度、延性、極佳的可焊性和天然老化響應(yīng)。
[0020] 專利申請(qǐng)"US 2014/0050936 A1"掲示了包含 3. 00-3. 80 重量％ Cu、0. 05-0. 35 重 量％ Mg和0. 975-1. 385重量％ Li的M-Li合金產(chǎn)品。運(yùn)是基本的"高損傷容限-中等強(qiáng) 度"應(yīng)用合金的M-Li形式，強(qiáng)度不匹配AA7075性能。
[0021] 通常，目前相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)描述（1)迫切需要能生產(chǎn)薄片產(chǎn)品的高強(qiáng)度、低密度、 高成形性、低成本W(wǎng)及良好損傷容限和腐蝕性質(zhì)的Al-Li合金；(2)生產(chǎn)運(yùn)種產(chǎn)品在冶金學(xué) 和技術(shù)方面有很大難度；（3)為了更佳的冶金性質(zhì)，常常要添加非常昂貴的Ag，但是運(yùn)種添 加明顯增加了 M-Li產(chǎn)品的成本。 陽0巧發(fā)明概述
[0023] 本發(fā)明提供一種適用于制備運(yùn)輸部件，例如航空結(jié)構(gòu)部件的高強(qiáng)度、高成形性和 低成本侶-裡合金。本發(fā)明的侶-裡合金包含約3. 5-4. 5重量％化，0.8-1. 6重量％ Li， 0. 6-1. 5重量％ Mg，一種或多種選自下組的晶粒結(jié)構(gòu)控制元素：Zr，Sc,化，V，Hf和其它稀± 元素，最高達(dá)1. 0重量％ Zn，最高達(dá)1. 0重量％ Μη,最高達(dá)0. 12重量％ Si,最高達(dá)0. 15重 量％ Fe，最高達(dá)0. 15重量％ Ti，最高達(dá)0. 15重量％偶然存在的元素，運(yùn)些偶然存在的元素 的總量不超過0. 35重量％，其余為侶。在侶-裡合金中，W重量百分比計(jì)的Mg的含量至少 等于或高于化。Ag的量?jī)?yōu)選小于0. 5重量％。
[0024] 優(yōu)選地，本發(fā)明的侶-裡合金是厚度為0. 01-0. 249英寸，更優(yōu)選0. 01-0. 125英寸 的片狀擠出或鍛造產(chǎn)品。已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的不含Ag，或者僅含極低量的Ag和高M(jìn)g 含量的侶-裡合金能產(chǎn)生0.01-0. 249英寸厚度的片材產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、低密度、低 成本、極佳的成形性和良好的損傷容限性質(zhì)和耐腐蝕性。
[00巧]本發(fā)明的另一個(gè)方面是制備本發(fā)明的侶-裡合金的方法。
[00%] 附圖簡(jiǎn)要說明
[0027] 參考附圖，從W下優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚， 其中：
[002引圖1顯示本發(fā)明的侶-裡合金和登記合金的屈服強(qiáng)度-片材規(guī)格；
[0029] 圖2顯示合金A T3回火片，本發(fā)明的侶-裡合金彎曲后的表面裂紋情況；
[0030] 圖3顯示合金A T3回火片，本發(fā)明的侶-裡合金的成形極限曲線（Forming Limit Qirve, FIX);
[0031] 圖4顯示Τ8回火合金A (本發(fā)明的侶-裡合金），Τ8回火2198合金和Τ6回火7075 合金片材的有效耐裂紋KRpff與有效裂紋延伸值a wf)的關(guān)系； 陽03引圖5顯示合金A (本發(fā)明的侶-裡合金），T8回火2198片材的da/dN與在T-L和 L-T取向上的應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系； W33] 圖6顯示合金A (本發(fā)明的侶-裡合金）和2198合金（在T/2位置）經(jīng)672小時(shí) MSTMASSIS測(cè)試后典型的表面外觀； W34] 圖7顯示合金A (本發(fā)明的侶-裡合金）和2198合金（在T/2位置）經(jīng)672小時(shí) MSTMASSIS測(cè)試后的微結(jié)構(gòu)圖。
[00對(duì)發(fā)明詳述
[0036] 本發(fā)明設(shè)及侶-裡合金，具體設(shè)及侶-銅-裡-儀合金。本發(fā)明的侶-裡合金包 含約 3. 5-4. 5 重量 ％ Cu，約 0. 8-1. 6 重量 ％ Li，約 0. 6-1. 5 重量 ％ Mg，約 0. 03-0. 6 重量 ％ 至少一種選自下組的晶粒結(jié)構(gòu)控制元素：Zr, Sc,化，V，Hf和其它稀±元素，任選的最高達(dá) 約1. 0重量％ Zn，任選的最高達(dá)約1. 0重量％ Μη,最高達(dá)約0. 12重量％ Si,最高達(dá)約0. 15 重量％ Fe，最高達(dá)約0. 15重量％ Ti，最高達(dá)約0. 15重量％偶然存在的元素，運(yùn)些偶然存 在的元素的總量