具有改善的斷裂韌性的鋁鎂鋰合金的製作方法

2023-10-10 14:20:29

具有改善的斷裂韌性的鋁鎂鋰合金的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種由鋁合金製成的鍛造產品，其以重量百分比計的組成如下：Mg：4.0-5.0；Li：1.0-1.6；Zr：0.05-0.15；Ti：0.01-0.15；Fe：0.02-0.2；Si：0.02-0.2；Mn：≤0.5；Cr：≤0.5；Ag：≤0.5；Cu：≤0.5；Zn：≤0.5；Sc：＜0.01；其他元素＜0.05；餘量為鋁，以及其製造方法，該方法連續地包括：製備熔融金屬浴以得到如本發明組成的鋁合金，將所述合金鑄造為毛坯，任選地均化由此鑄造的產品，熱加工和任選地冷加工，任選地在300-420℃的溫度範圍內以一步或多步進行熱處理，對由此加工的產品進行熱處理並淬火，任選地對已進行固溶熱處理和淬火的產品進行冷加工，在低於150℃的溫度下人工老化。本發明的產品具有改善的韌性並可用於航空器結構元件的製造，優先地為機身蒙皮、機身框架或肋。
【專利說明】具有改善的斷裂韌性的鋁鎂鋰合金
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁鎂鋰合金產品，且更具體而言涉及所述產品、其製備方法和特別地設計用於航空器和航空航天結構的用途。
【背景技術】
[0002]開發出由鋁合金製成的軋制產品，用以製造特別地設計用於航空器和航空航天工業的高強度部件。
[0003]在這一方面，含鋰的鋁合金(AlLi)引起廣泛關注，這是因為每加入I重量％的鋰就能夠使鋁的密度降低3%並使彈性模量增加6%。對於選擇用於航空器的這些合金，其性能相比其他常規性能應達到用於常規用途的合金的性能，特別是對於在靜態機械強度性能(拉伸屈服應力和壓縮屈服應力、極限拉伸強度)和損傷容限性能(斷裂韌性、抗疲勞裂紋擴展性)之間的平衡，這些性能通常彼此抗衡。
[0004]這些合金還應具有足夠的耐腐蝕性，使其能夠按照常規方法形成並使其具有低殘餘應力，從而能夠進行整體機械加工。
[0005]同時含有鎂和鋰的鋁合金能夠獲得特別低的密度並且因此已被廣泛研究。
[0006]英國專利1，172，736公開了一種含有4-7重量％Mg、l.5-2.6重量％L1、0.2-1重量％Mn和/或0.05-0.3重量％Zr、餘量為鋁的合金，其可用於需要高機械阻力、良好耐腐蝕性、低密度和高彈性模量的應用中。
[0007]國際申請W092/0 3583記載了一種可用於航空結構的低密度合金，其通式為MgaLibZncAgdAlbal，其中，a在0.5-10%的範圍內，b在0.5-3%的範圍內，c在0.1-5%的範圍內，d在0.1-2%的範圍內，bal表示餘量為招。
[0008]美國專利5，431，876公開了一種鋁鋰和鎂或銅的三元合金，其包括至少一種添加齊_如鋅、鉻和/或錳。
[0009]美國專利6，551，424記載了一種由鋁-鎂-鋰合金製成的合金產品的製造方法，所述方法包括等斷面冷軋(straight cold rolling)和交叉冷軋(cross cold rolling),所述鋁-鎂-鋰合金的組成(以重量百分比計)為Mg:3.0-6.0,L1:0.4-3.0,Zn最高達2.0、Mn最高達1.0、Ag最高達0.5、Fe最高達0.3、Si最高達0.3、Cu最高達0.3、選自Sc、Hf、T1、V、Nd、Zr、Cr、Y、Be 的元素 0.02-0.5。
[0010]美國專利6，461，566記載了一種組成如下的合金(以重量百分比計):L1:1.5-1.9,Mg:4.1-6.0、Zn:0.1-1.5、Zr:0.05-0.3、Mn:0.01-0.8、H, 0.9Χ10-5_4.5Χ10-5 和至少一種選自 Be:0.001-0.2、Y:0.001-0.5 和 Sc:0.01-0.3 的元素。
[0011]俄羅斯專利2171308記載了一種組成如下的合金(以重量百分比計):L1:1.5-3.0、Mg:4.5-7.0、Fe:0.01-0.15、Na:0.001-0.0015、H, 1.7Χ10-5_4.5Χ10-5 和至少一種選自Zr:0.05-0.15、Be:0.005-0.1 和 Sc:0.05-0.4 的元素以及至少一種選自 Mn:0.005-0.3、Cr:0.005-0.2 和 Ti:0.005-0.2 的合金，餘量為鋁。
[0012]俄羅斯專利2163938記載了一種含有如下元素的合金(以重量百分比計)=Mg:2.0-5.8、L1: 1.3-2.3、Cu:0.01-0.3、Mn:0.03-0.5、Be:0.0001-0.3 和至少一種選自 Zr 和Sc:0.02-0.25的元素以及至少一種選自Ca和Ba:0.002-0.1的元素，餘量為鋁。
[0013]專利申請DE1558491具體記載了一種合金，其含有(以重量％計)Mg:4_7、Li:
1.5-2.6、Mn:0.2-1.0、Zr:0.05-0.3 和 / 或 Ti:0.05-0.15 或 Cr:0.05-0.3。
[0014]這些合金無法解決某些問題，特別是它們就損傷容限而言的性能使其無法大規模用在商業航空中。應理解，仍然難以使用這些合金製造鍛造產品，並且廢品率太高。
[0015]需要由鋁-鎂-鋰合金製成的鍛造產品，所述鍛造產品與那些已知產品相比表現出改善的性能，特別是在靜態機械強度性能和損傷容限性能之間的平衡方面表現出改善的性能，特別是斷裂韌性和耐腐蝕性並同時具有低密度。
[0016]此外，需要這些產品的可靠且經濟的製造方法。

【發明內容】

[0017]本發明的第一個主題為由鋁合金製成的鍛造產品，其以重量百分比計的組成如下:
[0018]Mg:4.0-5.0
[0019]L1:1.0-1.6
[0020]Zr:0.05-0.15
[0021]Ti:0.01-0.15
[0022]Fe:0.02-0.2
[0023]Si:0.02-0.2
[0024]Mn: ^ 0.5
[0025]Cr 0.5
[0026]Ag: ^ 0.5
[0027]Cu:≤ 0.5
[0028]Zn:≤ 0.5
[0029]Sc:< 0.01
[0030]其他元素< 0.05
[0031]餘量為鋁；
[0032]本發明的另一個主題為製造本發明鍛造產品的方法，所述方法包括連續的步驟:
[0033]-製備熔融金屬浴以得到如本發明組成的鋁合金，
[0034]-將所述合金鑄造為毛還(roughshape),
[0035]-任選地均化由此鑄造的產品，
[0036]-熱加工和任選地冷加工，
[0037]-任選地在300_420°C的溫度範圍內以一步或多步進行熱處理，
[0038]-對由此加工的產品進行固溶熱處理，並淬火，
[0039]-任選地對已進行固溶熱處理和淬火的產品進行冷加工，
[0040]-在低於150°C的溫度下人工老化。
[0041]本發明的另一個主題為本發明產品用於製造太空飛行器結構元件的用途。【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1:L_T方向的R曲線(測試樣-CCT760)。
[0043]圖2:T_L方向的R曲線(測試樣-CCT760)。
[0044]圖3:合金A、C和D按照拉伸屈服應力Rpa2 (L)的斷裂韌性Kapp (L-T)。
【具體實施方式】
[0045]除另有說明外，所有關於合金化學組成的說明均以基於合金總重量計的重量百分比表示。表述1.4Cu意指1.4乘以以重量百分比表示的銅含量。合金命名符合本領域技術人員已知的招業協會(The Aluminium Association)的規定。密度取決於組成並且通過計算確定，而非通過重量測量法確定。數值按照鋁業協會的步驟計算，所述步驟記載於「Aluminum Standards and Data」的第2-12頁和第2-13頁。冶金狀態的定義見於歐洲標準 EN515。
[0046]拉伸靜態機械性能即極限拉伸強度Rm、在0.2%的伸長率下的常規屈服應力Rpa2和斷裂伸長率A%均根據標準EN IS06892-1通過拉伸試驗測定，取樣和試驗說明由標準EN485-1 定義。
[0047]根據標準ASTM E561，得到作為有效裂紋延伸的函數的有效應力強度因子的曲線，稱作R曲線。由R曲線計算臨界應力強度因子K。，即，使裂紋不穩定的強度因子。同樣地，通過規定臨界負荷下單負荷開始時的初始裂紋長度計算應力強度因子Κω。計算出所需形狀的測試樣的這兩個值。Kapp表示對應於用於進行R曲線測試的測試樣的因子Κω。KMf表示對應於用於進行R曲線測試的測試樣的因子K。。Δ aeff(fflax)表示R曲線的末端有效點的裂紋延伸。R曲線的長度——即曲線`的最大裂紋延伸——是一個就其自身而言重要的參數，特別是對於機身設計而言。
[0048]除另有說明外，適用標準EN12258的定義。
[0049]機械結構的「結構元件」本文中指一種機械部件，對於所述機械部件，靜態和/或動態機械性能對於結構的性能特別重要，且通常對其規定或進行結構分析。其通常為這樣的元件:其損壞有可能危及所述結構、其使用者或其他方面的安全。對於航空器，這些結構元件包括構成機身(例如機身蒙皮(skin)、祐1條(stringer)、艙壁、圓周框架(circumferential frame))、機翼(例如頂部或底部機翼蒙皮、祐1條或支柱、肋、梁)和由水平穩定件(stabilizer)或垂直穩定件構成的尾翼單元以及地板梁、座椅滑軌和機門的部件。
[0050]根據本發明，選定的一類含有特定量和關鍵量的鎂、鋰、鋯、鈦、鐵和矽的鋁合金，可製造具有改進的折中性能——特別是在機械強度和損傷容限之間折中的性能——的鍛造產品，同時具有良好的耐腐蝕性能。
[0051]本發明產品的鎂含量介於4.0至5.0重量％之間。在本發明的一個有利的實施方案中，鎂含量為至少4.3重量％且優先為4.4重量％。鎂的最大含量為4.7重量％或有利地為4.6重量％是優選的。
[0052]本發明產品的鋰含量介於1.0至1.6重量％之間。本發明的發明人注意到，有限的鋰含量，在某些其他元素的存在下，能夠非常顯著地改善斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率，這大大補償了密度的略微增加和靜態機械性能的降低。[0053]在一個有利的實施方案中，最大鋰含量為1.5重量％且優選為1.45重量％或優先為1.4重量％。鋰的最小含量為1.1重量％且優選為1.2重量％是有利的，特別是為了改進抗晶間腐蝕性。
[0054]本發明產品的鋯含量介於0.05至0.15重量％之間，且鈦的含量介於0.01至0.15重量％之間。這些元素的存在連同有利地使用的加工條件使得能夠保持基本上未重結晶的晶粒結構。與自現有技術已知的某些信息相比，本發明的發明人注意到，不必向這些合金中加入鈧以得到想要的基本上未重結晶的晶粒結構，並且鈧的加入因使合金變得特別脆並且難以冷軋為小於3mm的厚度而甚至可以證明是不利的。因此，鈧含量小於0.01重量％。在本發明的一個有利的實施方案中，鈦含量介於0.01至0.05重量％之間。還可加入錳和/或鉻，這特別有助於控制晶粒結構，其含量保持在最高為0.5重量％。在本發明的一個有利的實施方案中，所述方案特別具有改進的熱延性，所述合金含有至少一種選自Mn和Cr的元素，以重量百分比計，Mn:0.05-0.5或0.05-0.3且Cr:0.05-0.3，非選自Mn和Cr的元素的含量小於0.05重量％。熱延性的改進特別有助於熱加工，這使轉變過程中的廢品率降低。
[0055]還可以加入銅和/或銀，從而改進本發明鍛造產品的性能，其含量保持在最高為0.5重量％。在本發明的一個有利的實施方案中，所述合金含有至少一種選自Ag和Cu的元素，以重量百分比計，Cu:0.05-0.3且Ag:0.0 5-0.3，非選自Mn和Cr的元素的含量小於0.05重量％。這些元素特別有助於靜態機械性能。然而，在改進抗晶間腐蝕性的有利的實施方案中，Ag和/或Cu的含量小於0.05重量％。
[0056]本發明的鍛造產品含有少量的鐵和矽，這些元素的含量介於0.02至0.2重量％之間。本發明的發明人認為，這些元素的存在——通過形成金屬間的相或通過有助於形成分散體(特別是在錳存在時)——通過避免局部彎曲而可有助於改進損傷容限性能。在本發明的一個有利的實施方案中，Fe含量和/或Si含量以重量百分比計為Fe:0.04-0.15, Si:0.04-0.15。在本發明的一個實施方案中，Fe含量和/或Si含量小於0.15重量％且優選小於0.1重量％。
[0057]Zn含量最大值為0.5重量％。在本發明的一個有利的實施方案中,Zn含量為小於
0.2重量％且優選小於0.05重量％。加入Zn是不想要的，這是因為該元素會幫助熱延性變差，而不帶來任何抗晶間腐蝕方面的有利效果。此外，加入Zn會使合金密度增加，而這是不想要的。
[0058]其他元素的含量各自小於0.05重量％。
[0059]某些元素對本發明的合金是不利的，特別是由於合金製造例如毒性和/或加工過程中的破損，並且優選將其限制在非常低的水平。在一個有利的實施方案中，本發明的產品的最高Be含量為5ppm且優選為2ppm Be和/或最高Na含量為IOppm和/或最高Ca含量為 20ppm。
[0060]本發明的鍛造產品優選地為擠壓產品例如型材、軋制產品例如板材或片材、和/或鍛造產品。
[0061]本發明產品的製造方法包括連續的步驟:製備熔融金屬浴以得到如本發明組成的鋁合金，將所述合金鑄造為毛坯，任選地均化由此鑄造的產品，熱加工和任選地冷加工，對由此加工的產品進行固溶熱處理並進行淬火，任選地對已進行固溶熱處理和淬火的產品進行冷加工，和在低於150°C的溫度下人工老化。[0062]在第一個步驟中，製備熔融金屬浴以得到如本發明組成的鋁合金。
[0063]然後，通常將所述熔融金屬浴鑄造為毛坯，通常為軋制板坯、擠壓坯料或鍛坯。
[0064]然後，任選地均化毛坯以在5至60小時的時間長度內達到450°C至550°且優選480°C至520°C的溫度範圍。所述均化處理可以一步或多步進行。然而，本發明的發明人未注意到任何因均化而帶來的明顯優勢，並且在本發明的一個優選實施方案中，毛坯在簡單的二次加熱後直接進入熱加工，而不進行任何均化。
[0065]通常通過擠壓、軋制和/或鍛造進行的熱加工優選地在高於400°C且有利地高於430°C或甚至450°C的入口溫度下進行。
[0066]在通過軋制製造片材的情況下，有必要對厚度小於3mm的產品進行冷車L。經證實，在冷軋之前或進行過程中進行一次或多次中間熱處理操作是有利的。這些中間熱處理操作通常在300-420 V之間的溫度下以一步或多步進行。 [0067]本發明的發明人注意到，即使通過實施這些中間熱處理操作，他們也無法將參照鋼板工業上冷軋至2mm的厚度，然而，經證實，這一步驟對於本發明的合金片材而言是可行的。本發明的片材具有至少0.5mm且優選至少0.8mm或Imm的優選厚度。
[0068]在熱加工和任選的冷加工之後，對產品進行固溶熱處理並進行淬火。在進行固溶熱處理之前，在300-420°C之間的溫度範圍內以一步或多步實施熱處理是有利的，這樣做是為了改善對基本上未重結晶的晶粒結構的控制。根據產品的組成，在370-500°C的溫度範圍內進行固溶熱處理。淬火在水和/或空氣中進行。進行空氣淬火是有利的，這是因為晶間腐蝕性能得到改善。
[0069]可任選地對經固溶熱處理並隨後淬火的產品再進行一次冷加工。矯平或矯直操作通常在這一步驟中進行，但還可以實施更充分的加工，從而更進一步改進機械性能。
[0070]對於軋制產品，所實現的冶金狀態有利地為T6狀態或T6X狀態或T8狀態或T8X狀態，且對於擠壓產品，在模壓淬火時有利地為T5狀態或T5X狀態或者T6狀態或T6X狀態或T8狀態或T8X狀態。
[0071]產品最終在低於150°C的溫度下進行人工老化。有利的，人工老化分三步進行:第一步在70-100°C的溫度範圍內，第二步在100-140°C的溫度範圍內和第三步在90_110°C的溫度範圍內，這三步的持續時間通常為5-50h。
[0072]有利地，所選組成(特別是鋯和鈦的含量)和轉變參數(特別是熱加工溫度以及必要情況下在固溶熱處理前進行的熱處理)的結合能夠有利地得到基本上未重結晶的晶粒結構。「基本上未重結晶的晶粒結構」意為未重結晶的晶粒結構的在中間厚度處的含量大於70%且優選地大於85%。
[0073]本發明的軋制產品具有特別有利的特性。所述軋制產品優選具有0.5mm至15mm的厚度範圍，但厚度大於15mm、最高達50mm或甚至IOOmm或更厚的產品可具有有利的性能。
[0074]由本發明的方法得到的軋制產品，對於0.5_15mm之間的厚度，在中間厚度處，具有性能Q)至(iii)中的至少一項靜態機械強度性能和(iv)至(vi)中的至少一項損傷容限性能
[0075]⑴拉伸屈服應力Rpa2(L)≥280MPa且優選Rpa2(L)≥31OMPa,
[0076](ii)拉伸屈服應力 Rpa2(LT)≥ 260MPa 且優選 Rpa2(LT)≥ 290MPa,
[0077](iii)拉伸屈服應力 Rpa2(45。)≥ 20010^且優選1^.2(45。)≥ 240MPa，[0078](iv)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的斷裂韌性Kapp (L-T)≥90MPa V m，厚度為至少3mm時的斷裂韌性Kapp(L-T)≥IlOMPa V m，
[0079](V)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的斷裂韌性Kapp (T-L)≥IOOMPa V m，厚度為至少3mm時的斷裂韌性Kapp(T-L)≥120MPa V m，，
[0080](vi)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的R曲線的末端有效點的裂紋延伸Aaeff(max) (T-L)≥80mm,厚度為至少3mm時的R曲線的端有效點的裂紋延伸Λ aeff (max)(T-L)≥ 110mm。
[0081]本發明的軋制產品具有改善的機械性能特別是斷裂韌性的各項同性。因此，本發明的軋制產品，對於寬度W=760mm的測試樣，Kapp(L-T)和Kapp(T-L)之間的差異有利地小於20%和/或Λ aeff(max) (T-L)和Λ aeff(max) (L-T)之間的差異有利地小於20%且優選小於15%。
[0082]此外，經空氣淬火的本發明的軋制產品在晶間腐蝕試驗NAMLT (「硝酸質量損失試驗(Nitric Acid Mass Loss Test)」ASTM_G67)後的重量損失小於20mg/cm2且優選小於I5mg/cm2。
[0083]本發明的鍛造產品有利地用於製造用於航空器特別是飛機的結構元件。優選的航空器結構元件具體為，有利地以本發明厚度為0.5-12mm的片材得到的機身蒙皮，有利地以本發明的型材得到的機身框架和桁條，或肋。
[0084]這些方面以及本發明的其他方面將藉助以下示例性而非限制性的實施例進行更加詳細的解釋。
[0085]實施例
[0086]實施例1
[0087]在該實施例中，鑄造了幾種Al-Mg-Li合金板材,其組成列於表1。合金D具有本發明的組成；合金A至C為參照合金。
[0088]表1:所用Al-Mg-Li合金以重量百分比計的組成和密度
[0089]
【權利要求】
1.由鋁合金製成的鍛造產品，其以重量百分比計的組成為:
Mg:4.0-5.0
Li:1.0-1.6
Zr:0.05-0.15
T1:0.01-0.15
Fe:0.02_0.2
S1:0.02-0.2
Mn 0.5
Cr 0.5
Ag 0.5
Cu 0.5
Zn 0.5
Sc:< 0.01
其他元素< 0.05
餘量為招。
2.權利要求1所述的鍛造產品，所述鍛造產品含有至少一種選自Mn和Cr的元素，其以重量百分比計的含量如下:
Mn:0.05-0.5
Cr:0.05-0.3， 非選自Mn和Cr的元素的含量小於0.05重量％。
3.權利要求1或2所述的鍛造產品，所述鍛造產品含有至少一種選自Cu和Ag的元素，如選擇所述元素則其以重量百分比計的含量如下:
Cu:0.05-0.3
Ag:0.05-0.3 非選自Cu和Ag的元素的含量小於0.05重量％。
4.權利要求1-3任一項所述的鍛造產品，其中所述Li以重量百分比計的含量為 Li:1.1-1.5 且優選 Li:1.2-1.4。
5.權利要求1-4任一項所述的鍛造產品，其中所述Mg以重量百分比計的含量為 Mg:4.4-4.7。
6.權利要求1-5任一項所述的鍛造產品，所述鍛造產品的最大Be含量為5ppm和/或最大Na含量為IOppm和/或最大Ca含量為20
ppm。
7.權利要求1-6任一項所述的鍛造產品，所述鍛造產品的Zn含量小於0.2重量％且優選小於0.05重量％。
8.權利要求1-7任一項所述的鍛造產品，其中以重量百分比計的Fe含量和/或Si含量為:
Fe:0.04-0.15
S1:0.04-0.15。
9.權利要求1-8任一項所述的鍛造產品，其中所述加工通過軋制進行。
10.權利要求9所述的鍛造產品，所述鍛造產品的厚度為0.5-15_，中間厚度處具有性能(i)至(iii)中的至少一項靜態機械強度性能和(iv)至(vi)中的至少一項損傷容限性能 ⑴拉伸屈服應力Rpa2(L) > 280MPa且優選Rpa2 (L) ≥ 3IOMPa, (ii)拉伸屈服應力Rpa2(LT)≥26010≥且優選1≥.2(1≥)≥290MPa， (iii)拉伸屈服應力Rpa2 (45° )≥ 20010≥且優選1≥.2(45° )≥ 240MPa， (iv)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的斷裂韌性Kapp(L-T)≥90MPaV m，厚度為至少3mm時的斷裂韌性Kapp(L-T)≥IlOMPa V m, (V)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的斷裂韌性Kapp (T-L)≥IOOMPa V m，厚度為至少3mm時的斷裂韌性Kapp(T-L)≥120MPa V m, (vi)寬度W=760mm的測試樣，厚度小於3mm時的R曲線的末端有效點的裂紋延伸Δ aeff(max) (T-L)≥80mm,厚度為至少3mm時的R曲線的末端有效點的裂紋延伸Λ aeff(max)(T-L)≥ 110mm。
11.製造權利要求1-10任一項所述鍛造產品的方法，所述方法連續地包括: -製備熔融金屬浴以得到如權利要求1-8任一項所定義的組成的鋁合金， -將所述合金鑄造為毛坯， -任選地均化由此鑄造的產品， -熱加工和任選地冷加工， -任選地在300-420°C的溫度範圍內以一步或多步進行熱處理， -對由此加工的產品進行固溶熱處理，並淬火， -任選地對已進行固溶熱處理和淬火的產品進行冷加工， -在低於150°C的溫度下人工老化。
12.權利要求11所述的方法，其中所述淬火在空氣中進行。
13.權利要求1-10任一項所述的產品用於製造航空器結構元件的用途，所述航空器結構元件優先地為機身蒙皮、機身框架、祐1條或肋。
【文檔編號】C22C21/06GK103687971SQ201280035632
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年5月16日 優先權日:2011年5月20日
【發明者】F·埃伯爾, B·貝斯 申請人:法國肯聯鋁業