製造在工程性質上具有梯度的鍛造金屬板產品的方法

2023-05-30 20:25:51

專利名稱：製造在工程性質上具有梯度的鍛造金屬板產品的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造在工程性質上具有梯度的鍛造金屬板產品的方法，以及用於分級熱處理鍛造金屬板產品的設備。本發明尤其應用於製造滾軋的薄板和尤其為加工、裝 甲板以及更特別地還用於航空結構部件如翼盒的板應用。相關技術說明如本文以下要理解的，除另外說明，鋁合金牌號和狀態標號是指於2007年由鋁協 會頒布的「鋁標準和數據及登記備案」中的鋁業協會號。航空結構(例如翼盒)由許多不同的部件構成，對於所述部件要求具有不同的性 質。例如，上翼蒙皮需要比下翼蒙皮高的抗壓強度，並且因此通常由不同的鋁合金製造而 成。對於連接上翼蒙皮和下翼蒙皮的翼梁器件而言，通常選擇在上翼蒙皮和下翼蒙皮之間 的中等性質的鋁合金。例如，一些商業飛機將AA7150用於上翼蒙皮，AA2024用於下翼蒙皮， 而AA7050用於前翼梁器件。然而，這意味著前翼梁與其結合的下翼蒙皮之間的機械性能的 差異是可觀的。因此，製造者已力爭生產在其長度或寬度上具有分級性質的產品。例如，上述問題 的充分解決辦法會是在翼梁和翼肋的頂部和底部具有與上翼蒙皮和下翼蒙皮基本相同的 性質。飛機製造者所面對的另一個問題為關於翼長度的分級性質的要求，即從翼根到翼 梢。在翼根處，所需的性質為疲勞容限和破壞容限，而在翼梢處需要靜力強度。再一次地， 該問題可以通過提供沿長度或寬度分別具有分級性質和可變性質的鋁合金製成的結構器 件來全部地或部分地解決。如ASM專業手冊，鋁和鋁合金，ASM國際，p. 5(1993)中所解釋的，可熱處理的鋁合 金為對基於相溶解性的熱處理有反應的合金。這些處理包括固溶熱處理、淬火、和沉澱、或 老化、硬化。對於鑄造或鍛造的合金而言，這樣的金屬被描述成可熱處理的。可熱處理的金 屬是可以通過受控的加熱和冷卻循環來硬化(強化)的那些。AA2XXX、AA6XXX、AA7XXX和 AASxxx系列中的一些合金是可固溶熱處理的，使得它們可以通過加熱和隨後的淬火或迅速 地冷卻而被強化。它們可以通過在室溫下由冷加工控制的變形來進一步強化。相反地，大量其它的鍛造組成替代地依賴於通過機械降低 (mechanicalreduction)的硬加工，通常為了性質的改進而與各種退火工藝相組合。如ASM 專業手冊，鋁和鋁合金，ASM國際，p. 5(1993)中所解釋的，這些合金被稱作不可熱處理的或 硬加工的合金。一些鑄造的合金基本不可熱處理且僅被用於與溶液或沉澱作用無關的鑄造 或熱改性的條件中。因此，不可熱處理的鋁合金通過冷加工而不通過熱處理來硬化。這些 合金(通常為ΑΑ1χχχ、ΑΑ3χχχ、ΑΑ4χχχ和AA5xxx系列)的初始強度通過其合金元素的硬化 作用來提供。額外的強化可以通過誘導表示為H-狀態的應變-硬化的冷加工變形來建立。固溶熱處理的熱處理過程包括步驟(a)在高於固溶溫度(對於具體合金組成而 言)且低於固線和液線溫度(對於所述合金組成)和低共熔點(以避免金屬的部分熔融) 的第一溫度來進行固溶熱處理以在鋁中溶解合金組分，和(b)在鋁固溶體中，迅速冷卻到低於固溶溫度的第二溫度以在鋁固溶體中捕獲組分。在步驟(a)中，將合金在第一溫度下保持足以將至少基本上(如果不是全部)的可溶組分(例如金屬間化合物)溶解進固溶體 並且足以形成均勻的固溶體的時間。通過固溶化，至少基本上全部(例如，至少大約80%且 更通常為至少大約95%)可溶第二相微粒被溶解進入到固溶體中。當合金為固溶體的形式 時，形成合金的元素和化合物以與將鹽溶解於一杯水的非常相同的方式被吸收，一種進入 另一種(或為均勻的)。然後將固溶體淬火至較低的溫度以產生過飽和狀態或情況(對於 經淬火的合金中的組分的形式)。換句話說，合金中組分的形式具有在固溶體中高於在特定 溫度和合金組成下那種形式的該組分的濃度平衡值的濃度。在澱析熱處理或老化處理中，將合金加熱到高於第二溫度並低於固溶溫度的第三 溫度以控制組分擴散出溶液並組合以形成金屬間沉澱的速率。這些沉澱將晶格扭曲並充當 位錯運動的阻礙的角色，從而使材料強化。隨著時間的推移，這些沉澱的尺寸增大，從區(a) 到鋁原子和合金組分原子的小團簇(b)，到細緻的共格粒子(coherent particles) (c)，再 到粗糙的非共格粒子(d)。US-2005/0217770-A1描述了一種製造用於翼蒙皮器件和桁條的鋁合金部件的方 法。其公開了可以通過在多區老化爐中受控的熱處理來獲得各種性質。該公開的方法提供 包括至少三個具有至少約一米的單位長度的爐區的爐子。例如，為了製造具有大約34米長 度的結構器件，使用36米總長度的具有30個大約等長爐區的爐子。優選地，這些爐區可彼 此獨立地調節。由此不同的狀態可以在鋁合金部件的長度上獲得。然而，在公開的實施例 中，鋁合金部件需要被老化兩次。US 5，547，524描述了一種製造在至少一個方向上具有連續變化性能的結構硬化 的鋁合金板的方法，其中，最終的退火在具有特殊結構的爐中完成，所述爐包括通過熱泵連 接的熱室和冷室。該方法已被用於得到由AA7010合金製成的大約1米長的小部件，其一端 為T651狀態，而另一端為T7451狀態，其中該方法利用同步的退火處理。該方法還沒有被 工業化的發展，由於難於控制與在航空結構領域中所需要的質量要求的相容性。這些困難 當部件的尺寸增大時甚至傾向於進一步增加，已知兩個或多個功能集成於一個單獨的結構 器件對於很大塊而言特別有意義。該方法導致的另一個問題是T651和T7451處理的最優 持續時間是不同的。出現的又一個問題是T7451狀態的AA7010產品通過具有兩個平臺的 退火處理來獲得，而T651狀態則通過具有單個平臺的退火處理來獲得。發明簡述本發明的一個目的在於提供一種製造可熱處理的或可老化硬化的鍛造金屬板產 品的方法，所述產品具有沿板產品的至少一個維度的工程性質上的梯度。本發明的另一個目的在於提供一種通過沿產品的至少一個維度上施加分級的熱 處理、用於製造沿至少一個維度具有工程性質上的梯度的上述產品的設備。此外，提供了一 種鍛造的金屬產品，該產品在產品的至少一個維度上，在所述鍛造金屬產品的一側(即，位 置)具有一個狀態，而在所述鍛造金屬產品的另一側具有另一個狀態。根據本發明的一個方面，提供了一種製造可熱處理的鍛造金屬板產品的方法，所 述產品具有長度、寬度和厚度方向，優選地為鋁合金板產品，沿板產品的至少一個維度(長 度或寬度方向)上具有工程性質上的梯度，所述方法包括a)提供選自滾軋、擠壓或鑄造產品的鍛造金屬板產品，
b)使所述板產品經受固溶熱處理，以及c)迅速冷卻所述板產品，和d)將冷卻的產品老化，所述老化包括通過將第一受控的熱輸入施加於板中以使基本上整個板的溫度升高超過環境溫度至為或高於環境溫度的溫度Tl (通常從板的頂壁6和 /或底壁5來施用)而熱處理一段時間以在橫穿板產品的至少一個維度上(長度或寬度方 向)達到不同的狀態，並且通過從板產品的一側(寬度或厚度)向板中施加第二受控的熱 輸入至溫度T2，並且在板產品的第二受控熱輸入的相對側(寬度或厚度，3、4)施加受控的 冷卻至溫度T3，在橫穿板的至少一個方向上(寬度或厚度方向)施用T2和Tl之間的溫度 梯度，其中T2 > Tl，並且在保持T2和T3之間的溫度梯度一段時間的同時，至少部分地老化 產品板。優選地，根據本發明的所述老化步驟在設備中進行，該設備在老化步驟持續期間， 允許通過從至少一側施加受控的熱輸入並且同時從與具有受控熱輸入的第一側相對的第 二側施加受控的冷卻，向板產品施加受控的溫度分布。通常，本發明的方法提供了沿第一側的相對低的加熱水平，沿另一側的相對高的 加熱水平，以及沿具有相對高加熱水平的側的相對側的冷卻。這些和其它目的以及進一步的優點被本發明滿足或超過。附圖的簡要說明附圖顯示的是

圖1為板產品的透視圖，以及繪圖表示的板產品的長邊(L)、橫邊(T)和短邊(S) 方向。圖2為允許對根據本發明實施方案的板產品進行分級熱處理的設備的截面示意 圖。圖3A為當Tl = T3時，在圖2所示設備中實現的鋁合金產品的示意溫度曲線。圖3B為當Tl > T3時，在圖2所示設備中實現的鋁合金產品的示意溫度曲線。圖4為在由圖2中實施例數字模擬所預測的溫度隨時間的圖形表示。圖5A為沿著受到如圖2所示的分級熱處理的板的寬度上具有線性曲線的板的透 視圖。圖5B為沿著受到如圖2所示的分級熱處理的板的長度上具有線性曲線的板的透 視圖。圖6示意地顯示了貫穿在側壁加熱到T2、在底壁加熱到Tl、在側壁冷卻到T3、沿頂 壁絕熱至Tl來絕熱的板的熱梯度。圖7顯示了被加熱的大量的板的堆疊。圖8顯示了在具有頂壁、相對的側壁和底壁的擠壓產品上操作本發明的實施方案。圖9顯示了根據本發明加熱的擠壓產品的實施方案。發明詳述根據本發明的一個方面，提供了一種製造具有長度、寬度和厚度方向的可熱處理 的鍛造金屬板產品，優選地為鋁合金金屬板產品，其具有沿板產品的至少一個維度(長度 或寬度方向)的工程性質上的梯度，該方法包括a)提供選自滾軋、擠壓或鑄造產品的鍛造金屬板產品，
b)使所述板產品經受固溶熱處理，和C)迅速冷卻所述板產品，以及d)將冷卻的產品老化，所述老化包括通過將第一受控熱輸入施加於板中以使整個板的溫度上升超過環境溫度至為或高於環境溫度的溫度Tl (通常從板的頂壁6和/或底壁 5來施用)而熱處理一段時間以在橫穿板產品的至少一個維度上(長度或寬度方向)達到 不同的狀態，並且通過從板產品的一側(寬度或厚度)向板施加第二受控的熱輸入至溫度 T2和從板產品的第二受控的熱輸入的相對側(寬度或厚度，3、4)施加受控的冷卻至溫度 T3，在橫穿板的至少一個方向上(寬度或厚度方向)施加T2和Tl之間的溫度梯度，其中T2 > Tl，並且在保持T2和T3之間的溫度梯度一段時間的同時，至少部分地老化產品板。優選 地，根據本發明的所述老化步驟在設備中進行，該設備在老化步驟持續期間，允許通過從至 少一側施加受控的熱輸入並且同時從與具有受控的熱輸入的第一側相對的第二側施加受 控的冷卻，在板產品上施加受控的溫度分布。通常，Tl為環境溫度或高於環境溫度。通常，T3為環境溫度或高於環境溫度。如 果是期望的，T3小於或約等於Tl。如果是期望的，Tl =T3。使一側為環境溫度導致該側會 自然老化。然而，在優選的實施方案中，所有溫度(Τ1、Τ2、Τ3)均高於環境溫度導致板在這 些位置處被人工老化。板產品的工程性質可以是與最終合金板產品使用相關的物理性質或機械性 質，例如，機械性質、損壞容限性質或腐蝕性質。認為本領域所已知的是，在以工業規格 生產的金屬產品中，總是由於隨後被滾軋、擠壓、和/或鑄造的澆鑄鑄錠中的宏觀偏析 (macro-segregation)而造成的規格變化(scale variation)和/或小的組成變化而存在 小且不希望的性質變化。然而，本發明實現的工程性質的梯度是有目的性的且遠遠超過由 於宏觀偏析而導致的性質上的微小浮動，並且在板產品的很大一部分上實現。本發明的方法還可以用於任何可熱處理的鍛造金屬產品的處理，例如，鋁合金、鎂 合金、銅合金或鋼(例如，不鏽鋼)。在優選的實施方案中，使用鋁合金。本發明使用的製造 的板產品可以為滾軋產品(例如，片件、板件或厚板)或擠壓產品(例如，棒或段)或鑄造 產品，或其中兩種的組合。本發明基於一種沿板產品的至少一個維度的不同的溫度，即溫度梯度，導致了穿 過板產品的該維度的不同的受熱歷程的認識。由此，生產導致工程性質相應逐漸的或甚至 線性的變化(即，梯度)的在板產品中不同產品位置的不同狀態或情況成為可能。在本發明的方法中，首先將板產品如鋁合金板置入基本均勻的基準溫度Tl中，其 中Tl高於環境溫度。當製造根據本發明的鋁板產品時，基準溫度Tl為大約50°C _大約 220°C，優選地為50°C -大約200°C。該基準溫度Tl通過經由產品第一側的熱輸入來獲得， 在滾壓產品的情況下通常為板產品的軋制平面。因此，熱輸入沿板產品的厚度方向進入。此 後，該熱輸入在根據本發明的熱處理期間基本保持恆定。此外，另外的受控的熱輸入從板產 品的至少第二側(寬度或長度)施加以在該位置將溫度升高到溫度T2。在受控熱輸入的相 對側上，施加受控的冷卻以在該位置將溫度降低至接近溫度Tl或為溫度Tl的T3，例如Tl 可在距T3大約5-40°C如大約10°C的範圍內。然後，由於板產品的熱導率，在非常短的時間 內就在橫穿板產品的至少一個方向上獲得溫度梯度。通過將T2>T1(且T2>T3)控制一 段確定的時間t，板產品實現了不同的狀態並且從而實現了相應不同的工程性質。
板產品的受控加熱可以通過利用各自調節至特定溫度或功率並且被置於板產品 表面附近的各種熱源來實現。典型的熱源包括加熱板、感應熱裝置、感應線圈陣列、或氣體 燃燒器或熱流分布噴射的裝置的陣列、電阻等中的一個或多個。板產品的受控冷卻可以通過使用適於金屬產品的工業規模冷卻的任何裝置或方 法來實現。因此，例如，冷卻可以通過與冷卻板接觸、冷卻散熱片、射流撞擊或用冷卻流體噴 灑或任何其它的允許從板產品中施加受控熱抽取的熱交換裝置中的一個或多個而實現。在實施方案中，鋁合金板產品為滾軋產品，通常為薄板或板。理想地，這樣的產品 具有至少大約20mm的厚度的尺寸，例如大約80mm或更多，通常的寬度為大約200mm到高達 約3. 5米或甚至高達4米，而長度在實踐中被限定為任何工業規格爐的尺寸，並且可以為幾 米至高達約40米或更多。根據本發明一個優選的實施方案，向鋁合金板產品施加熱輸入和熱抽取以實現並 維持為或高於環境溫度的金屬板產品的基準溫度Tl，其優選地為大約35°C -大約250°C， 更典型地為80°C -大約200°C，以及從板產品的一端到另一端的約20°C -150°C的溫度差 (T2-T1以及T2-T3)，其中，T2大於Tl且T2大於T3。施加的基準溫度Tl和溫度差(T2-T1 以及T2-T3)是鋁合金特有的。對於AA7XXX-系列合金和AA2XXX-系列合金而言，通常的基 準溫度Tl將為大約120°C -大約175°C。對於含鋰的鋁合金而言，通常的基準溫度Tl將為 大約150°C-大約200°C。在該基準溫度之上，通常的溫度差(T2-T1)對於AA7XXX-系列合 金而言將為大約30°C -大約50°C，而對於AA2XXX-系列合金和含Li的鋁合金而言，將為高 至大約80°C，例如，大約20°C或30°C -大約80°C。該溫度梯度可以在相對短的距離內實現， 如大約0. 5-1米。建立的溫度曲線在任何給定的尺寸上是基本連續的，且通常大約是線性 的。本發明的方法可以被用於熱處理或任何可熱處理的金屬。例如，本發明的方法可 以被用於鋁合金產品的熱處理。具體地，本發明可以被用於AA2xxx系列、AA6xxx系列和 AA7XXX系列合金和基於Al-Li或基於Al-Cu-Li的鋁合金產品的熱處理中。這些鋁合金 系列中的一般代表性合金為在 AA6013、AA6056、AA6011、AA6016、AA2024、AA2524、AA2219、 AA2026、AA2027、AA2090、AA7075、AA7040、AA7136、AA7050、AA7055、AA7081、AA7085 及其改 性產品的組成範圍內的合金。此外，利用本發明方法所製造的鋁合金產品為單塊(monolithic)合金產品。因 此，所述單塊合金產品基本具有在正規測量和控制精確性中的一個化學組成。然而，該產品 還可以通過至少兩種或更多種合金的組合來形成。優選地，該產品為至少兩種或更多種鋁 合金的混合物，其中所述兩種或更多種鋁合金的組合可以從例如焊接兩個不同的板產品而 獲得或通過如W0-2007/080265國際申請(在此將其全部內容引入作為參考)所公開的方 法所得到的鑄造產品來獲得。進行根據本發明的熱處理以使板產品獲得其希望的狀態。對於鋁合金產品而言， 希望的狀態通常將為低老化狀態、峰值老化狀態或過老化狀態，如T6、T7和T8狀態。這樣 的板產品通常的T7狀態將為選自T73、T74和T76的狀態並且將包括T7x51和Τ7χ52的變形。在本發明的一個實施方案中，製造具有在一個板位置代表Τ73或Τ74狀態和在另一端為Τ76的狀態的鋁合金板產品，其中具有梯度性質的合金板產品將應用於肋器件和翼蒙皮器件。本發明製造的鋁產品優選地為航空應用的結構部件，尤其是選自上翼蒙皮、下翼蒙皮、肋器件、網器件、翼板、機身框架、翼肋、翼梁、桁條和支肋。在根據本發明方法的步驟C)中，板產品被迅速地冷卻或淬火，優選地通過噴液淬 火或在水中或其他淬火介質中的浸漬淬火中的一種。在本發明的又一方面，提供了一種用於板產品分級熱處理的設備，該設備包括i) 基底和/或頂支撐加熱器，和ii)板產品至少一側的一個或多個熱源。優選地，該設備還包 括iii)板產品至少一側的一個或多個吸熱器。在實施方案中，本發明的設備具有基底支撐加熱器和/或頂支撐加熱器，第一側 壁的一個熱源和第二側壁的一個吸熱器，其中這些第一和第二側壁優選地位於鍛造金屬產 品的相對側。板產品由基底或頂支撐加熱器從下或從上來加熱，例如通過利用加熱板。還可 能從底部和從頂部同時加熱鍛造金屬產品。在板產品僅從底部或頂部加熱的實施方案中， 板產品的另一側通過例如熱絕緣纖維(例如，玻璃纖維、玻璃棉、礦棉或聚合纖維)來進行 熱絕緣。通過分別來自在例如板產品的底部或頂部上的基底/頂部支撐加熱器的受控熱輸 入和熱供應，將實現板產品中基本恆定的溫度。在基底溫度之上，通過上述的可控制熱源和 吸熱器將實現熱梯度。此外，受控熱源和吸熱器設置的變化使得在整個板產品上的二維形 式的熱處理程序得到精確的控制。可以生產鋁合金產品，其理想地被用於例如製造飛機的 肋或飛機的翼蒙皮器件，並且其中翼根具有與小翼不同的狀態且具有相應的工程性質上的 差異。現在將參考附圖來描述本發明一些優選的實施方案。圖1顯示了板產品15如鋁合金板，其具有4個側壁(側面)1、2、3、4，底壁(底 面)5和頂壁(頂面)6。此外，圖1顯示了縱向L、橫向T和短向S方向，即板產品的長度、 寬度和厚度。如所示的板產品基本上為矩形，但是為了實施本發明的方法，還可能是板產品 的一個或多個壁(1、2、3、4)具有彎曲的形狀。底壁5和頂壁6理想地基本上是平的。在鍛造的金屬產品為板產品15的情況中，優選地從第一壁5、6中的一個或兩個以 S方向來對部分或全部表面加熱，因此熱量從軋制平面沿厚度方向S施加於板15中，並且 沿T-方向從第二壁1、2、3、4來對部分或全部表面加熱。優選地，板產品同時沿T-方向從 至少另一側壁1、2、3、4積極的冷卻，這可以整體或部分地發生在T-方向上的加熱表面的相 對側上。因此，從板產品的S-方向和T-方向兩者(即，S-側面和T-側面)的熱輸入和熱 抽取造成了能夠產生具有不同狀態且具有在工程性質上逐漸且優選為線性的變化的產品 的暫時的熱梯度。對於沿S-方向加熱而言，重要的是實現自鍛造金屬產品15至少第一壁5、6(即， S-側壁)的恆定的熱輸入以實現在板產品中基本恆定的基底溫度Tl，在其之上實現了熱梯度。在一個布置中，熱輸入可以來自第一壁5或第一壁6，同時相對的S-側壁用隔離器 8來絕熱(例如，參見圖2)。在第二個布置中，加熱可以被同時施用於第一壁5和第一壁6上，即被施用於產品 的兩個S-側壁。作為第三種選擇，可以實現上述兩個布置的組合，其中一系列的板彼此堆疊，同時自至少第一側5、6的熱輸入，即至S-側壁的加熱器，被置於所述板之間且支撐加熱器或熱 隔離器被置於板堆疊的外表。從工業的角度優選板堆的布置。參考圖7，該布置的實施方案 更為詳細的描述於下文。圖2顯示的是用於板產品如鋁合金板15的分級熱處理的裝置的實施方案。該裝 置允許自板產品15的三個壁4、2、5的受控的熱輸入和溫度控制。例如，板可以具有大約 SOmmX ImX IOm的厚度b (S-方向)、寬度a(T-方向)和長度(L-方向)上的一般尺寸。在 所示的實施方案中，板產品通過隔離器8從上(即從頂壁6)絕熱。通過加熱板7實施自鋁 合金板產品15的底壁5(沿S-方向)的熱輸入。通過例如感應加熱裝置9實施自板產品 15的一側壁4(沿T-方向)的受控熱輸入。通過例如冷卻板10以受控的方式對板產品的 相對側壁2進行冷卻。因此，控制在板的三壁4、2、5處的溫度是可能的。可以將剩餘的側 壁1、3(圖1)暴露或絕熱(未示出)。通過自鋁合金板15的底壁5的恆定的熱供應，將實現板內的恆定溫度(假設在暴 露壁1、3或頂壁6的熱損失可忽略)。一旦板產品15處於基本均勻的溫度Tl時，將自感應 加熱裝置9的額外的受控熱輸入施加於板的側壁4以在加熱的側壁4處保持溫度T2，並且 將冷卻施加於板的側壁2以在冷卻的側壁2處保持溫度T3，其中T3小於T2，一般是T3約 等於Tl。通過充分地控制，可以實現並保持沿a和b方向的溫度梯度。例如，可以實現並保 持沿方向「a」的自一個側壁2的120°C (T3)至另一個側壁4的165°C (T2)的溫度梯度。這 給出了在相對短的距離上如大約Im的在不同板位置處的不同的受熱歷程以及工程性質上 相應的變化。圖3A顯示的是溫度的曲線，即圖2所示的處理的板的溫度梯度，其中板在0米位 置具有165°C的T2溫度，而在Im位置處具有120°C的T3溫度。Om為熱供應裝置9的位置， 而Im為冷卻裝置10的位置。在圖3A中，Tl還被設定為大約120°C。如圖3B所示的，當Tl > T3時，在圖2所示的設備中實現的鋁合金產品的溫度示 意曲線，當基準溫度Tl被設定在T3以上時，例如Tl被設定為大約135°C，T2被設定為大約 165°C，而T3保持在大約120°C，可以獲得相同的效果(雖然是不同的時間標度)。這可以 導致相同的期望溫度梯度和在被處理的產品中相對的加熱部分和冷卻部分處所產生的狀 態差異。圖4顯示的是鋁合金板產品中的不同位置的溫度的時間演變。該暫時的熱梯度可 以被用於形成具有在板的一個端位置代表T74狀態而在板的另一端位置代表T76狀態的 板，同時性質上有逐漸的相應變化。因此，本應用的裝置能夠實現例如在板產品的寬度上、 在Im上(即，相對短的距離)約45°C的溫差，由此該熱處理的概念對於現有技術是重大的 改進。圖5A示意地顯示了在進行了如圖2所示的熱處理之後具有沿板寬度「a」的線性 曲線(即，線性溫度曲線)的板15(具有寬度「a」和長度「C」)。應當意識到的是，從板的 「熱」部分到板的「冷部分」存在平滑的轉變，即溫度梯度。於是可實現整個板寬度上的溫度 梯度。在該構型中，板產品可以被用於例如通過加工操作或其它方法來製造在一端具有第 一狀態而在另一端具有第二狀態的飛機的肋器件。
圖5B示意地顯示了在進行了如圖2所示的熱處理之後，沿板15長度「C」的線性曲線，即線性溫度曲線，其中T2和T3的位置被移到側壁1和3。應當意識到，自板的「熱」部分到板的「冷」部分存在平滑轉變，即溫度梯度。於是可以實現在整個板長度上的溫度梯 度。在該構型中，鋁合金產品可以被用於例如通過加工操作和其它方法來製造飛機的機翼 蒙皮器件，其中例如翼根為T74狀態而小翼為T76狀態。本領域技術人員將立即明白的是，圖5A和圖5B中所示的實施方案還可以被組合 以獲得在多個方向上具有梯度的工程性質的板產品。圖6示意地顯示了貫穿在側壁4處被加熱到T2、在底壁5處被加熱到Tl、在側壁2 處被冷卻到T3、且沿頂壁6通過隔離器8絕熱或在一個變體中通過加熱器(未示出)加熱 至T4的板15的溫度梯度G (用虛線表示)。在該實施方案中，T2大於Tl，T2大於T3，T2大 於T4，而T3和T4小於或約等於Tl。在板15中，形成相對較暖的區域20和相對較冷的區 域30。這導致了區域20、30不同的受熱歷程。通常各個區域20、30大於板15的大約20重 量％或30重量％，使得在較暖區域20的板15的第一部分具有第一狀態，而在較冷區域30 的板15的第二部分具有第二狀態，其中所述第一部分和第二部分的每個大於板15的20% 或 30%。另一個實施方案中，如圖7所示，處理大量的板15的堆疊。各個板15的頂壁6和 底壁5通過多個加熱器7被加熱到溫度Tl。側壁4通過加熱器40被加熱到溫度T2。側壁 2 (與側壁4相對)通過冷卻器(吸熱器)42被冷卻到溫度T3。在該實施方案中，側壁4處 的溫度T2大於頂壁6處和底壁5處的溫度Tl，T2大於T3，且T3小於或約等於Tl。通常， T2高於Tl約20°C -80°C，且T2高於T320°C _80°C，並且Tl在距T320°C的範圍內。其它實施方案也有可能。圖8顯示的是在其上翼片6的分別的部分具有兩個不同溫度Tl'、T1〃和在其下 翼片5的分別的部分具有兩個不同溫度Tl'、Τ1"的實施方案。在又一個實施方案中，在 壁上可以施用多於兩個的不同溫度。這通過在上翼片6上運行的兩個加熱器7Α、7Β和在下 翼片5上運行的兩個加熱器7Α、7Β來完成。Tl"大於Tl'。在如上述的實施方案中，由於 加熱翼片4而冷卻相對的翼片2，因此Τ2大於Τ3。在板15中，相對較暖的區域25和相對 較冷的區域35用梯度G來形成。通常區域25、35的每個大於板的20重量％。圖9顯示的是本發明在例如具有頂壁56、相對的側壁52、54和底壁55的擠壓產 品上操作的實施方案。該實施方案具有為頂壁56提供的隔離器8以實現頂壁56的溫度 Τ4並且加熱器7被提供至底壁55以實現底壁55的溫度Tl。而且，加熱器7被提供至底壁 55以實現在底壁55的溫度Tl。還有，冷卻器(未示出)被提供至側壁52以實現溫度Τ3。 Τ2大於Tl。Τ2大於Τ3。Τ3小於或約等於Tl。Τ4大於或約等於Tl。在擠壓板50中，相 對較暖的區域25和相對較冷的區域35用梯度G來形成。通常，區域25、35的每個高於板 的20wt %，使得在較暖區域25的板15的第一部分具有第一狀態，而在較冷區域35的板15 的第二部分具有第二狀態，其中所述第一部分和第二部分的每個高於擠出板50的20%或 30%。現已完整地描述了本發明，對本領域普通技術人員而言將明顯的是，在不脫離本 文所描述的本發明的精神和範圍內可以做出許多變化和修改。
權利要求
一種製造可熱處理的鍛造金屬板產品的方法，該產品具有長度、寬度和厚度方向，並且在沿板產品長度或寬度方向的至少一個維度上具有工程性質上的梯度，所述方法包括以下步驟a)提供選自滾軋、擠壓或鑄造產品的鍛造金屬板產品，b)使所述板產品經受固溶熱處理，和c)迅速冷卻所述板產品，d)將冷卻的產品老化，該老化包括熱處理一段時間以在橫穿板產品的長度或寬度方向的至少一個維度上達到不同的狀態，所述熱處理包括加熱板以升高板的溫度到為環境溫度或高於環境溫度的溫度T1，並且通過從板產品的一側向板施加受控的熱輸入至溫度T2並且從板產品的所述受控熱輸入的相對側向板施加受控的冷卻至溫度T3，在橫穿板的至少一個長度或寬度或厚度方向上向加熱的板施加在溫度T2和T3之間的溫度梯度，其中T2＞T1且T2＞T3，其中T3為環境溫度或高於環境溫度，並且在施加在T2和T3間的溫度梯度的同時老化板產品。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括沿板的長度方向將板加熱以使 板的溫度上升超過環境溫度至溫度Tl。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括將板的第一壁加熱以使板溫度 上升超過環境溫度至溫度Tl，並且在將所述第一壁保持在大約Tl的溫度時，將板的第二壁 加熱到溫度T2並將與第二壁相對的板的第三壁冷卻到溫度T3。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括將板的第一壁加熱以使板溫度 上升超過環境溫度至溫度Tl，並且在將所述第一壁保持在大約Tl的溫度時，將板的第二壁 加熱到溫度T2，將與第二壁相對的板的第三壁冷卻到溫度T3，並且將與第一壁相對的第四 壁保持在溫度T4，T4 < T2。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括將板的第一壁加熱使板溫度上 升超過環境溫度至溫度Tl，並且，在將所述第一壁保持在大約Tl的溫度時，將板的第二壁 加熱到溫度T2，將與第二壁相對的板的第三壁冷卻到溫度T3，並且將對第一壁相對的第四 壁保持在溫度T4，T4 < Tl。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括將板的第一壁加熱以使板溫度 上升超過環境溫度至溫度Tl，並且，在將所述第一壁的溫度保持在大約溫度Tl時，將板的 第二壁加熱到溫度T2，將與第二壁相對的板的第三壁冷卻到溫度T3，並且將與第一壁相對 的第四壁保持在約等於T3的溫度T4。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括將板的第一壁加熱以使板溫度 上升超過環境溫度至溫度Tl，並且，在將所述第一壁的溫度保持在大約溫度Tl時，將板的 第二壁加熱到溫度T2，將與第二壁相對的板的第三壁冷卻到溫度T3，並且將與第一壁相對 的第四壁保持在約等於Tl的溫度T4。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，在橫穿寬度的方向上，進行來自至少一個方向的 受控的熱輸入。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，在橫穿長度的方向上，進行來自至少一個方向上 的熱輸入。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述老化包括人工老化，其中Tl和T3高於環境溫度。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，Tl高於環境溫度，而T3大約為環境溫度。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟d)中，溫度Tl為50°C-22(TC。
13.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟d)中，溫度Tl為50°C-20(TC。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟d)中，施加20°C-15(TC的溫度梯度 (T2-T1)。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟d)中，20°C-8(TC的溫度梯度(T2-T1)。
16.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鍛造金屬產品具有沿至少兩個維度的工程 性質上的梯度。
17.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鍛造金屬產品為鋁合金。
18.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鍛造金屬產品為航空結構的鋁合金結構器 件，尤其為上翼蒙皮、下翼蒙皮、翼肋、翼梁或桁條。
19.根據權利要求1所述的方法，其中，將所述T2和T3間的溫度梯度施加於加熱的板 為橫穿所述板的至少一個寬度方向或厚度方向。
20.一種用於金屬產品分級熱處理的設備，所述設備包括 i)用於加熱所述產品第一壁的第一加熱器， )用於加熱所述產品第二壁的第二加熱器，和 iii)用於將與第一壁相對的第三壁冷卻的冷卻器。
21.根據權利要求20所述的設備，其中所述冷卻器包括在與受控的熱輸入方向相對的 鍛造金屬產品的至少一個方向上的一個或多個吸熱器。
全文摘要
本發明提供一種製造可熱處理的鍛造金屬板產品的方法，所述產品具有長度、寬度和厚度的方向，並且沿板產品的長度或寬度的至少一個維度上具有工程性質上的梯度，該方法包括以下步驟a)提供選自滾軋、擠壓或鑄造產品的鍛造金屬板產品，b)使所述板產品經受固溶熱處理，和c)迅速冷卻所述板產品；d)將冷卻的產品老化，該老化包括熱處理一段時間以在橫穿板產品的長度或寬度方向的至少一個方向上達到不同的狀態，所述熱處理包括升高板的溫度以將板加熱到為環境溫度或高於環境溫度的溫度T1，並且通過從板產品的一側向其施加受控的熱輸入使其溫度達到T2且從板產品的受控熱輸入的相對側施加受控的冷卻到T3，在橫穿板的長度或寬度或厚度的至少一個方向上向加熱的板施加T2-T3之間的溫度梯度，其中T2＞T1且T2＞T3，其中T3為環境溫度或高於環境溫度，並且在施加T2-T3間的溫度梯度的同時，老化板產品。
文檔編號C22C21/00GK101815804SQ200880110143
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月9日 優先權日2007年10月4日
發明者A·博格, A·滕卡特, S·M·斯潘格勒, S·霍斯拉 申請人:阿勒裡斯鋁業科布倫茨有限公司