多合金整體擠壓結構部件及其製造方法

2023-06-01 05:03:01

專利名稱：多合金整體擠壓結構部件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及鋁擠壓結構部件。更具體地，本發明涉及鋁多合金整 體擠壓的飛才幾或交通工具(vehicular)的結構部件。
背景技術：
許多應用要求整體結構部件滿足兩分支(dichotomous)的設計要 求。在航空航天應用中，例如發動機梁、機翼梁和水平穩定器翼梁具 有的材料要求在特定零件位置上不同。目前通過緊固機翼和機身中的 蒙皮與縱梁以及在翼梁中附加2XXX和7XXX系列鋁合金翼梁蓋板來實 現在這些零件中的材料布置，以獲得最佳的載荷承受能力。2XXX系列 鋁合金提高零件的損傷容限，而7XXX系列鋁合金提高零件的結構和機 械強度。儘管這種常規的"構建"設計是重量有效的，但是其生產可 能非常昂貴。
其它航空航天結構部件如機身縱梁和頂部中央翼盒也能夠從高性 能/可焊的合金組合中受益。關鍵在於接頭附近的可焊合金。具有這種 組合的擠壓件能夠使合金具有良好的性能，但可焊性差以致不能用於 還要求良好可焊性的更廣泛的結構應用。
考慮到上述，需要能夠滿足兩分支設計要求並同時減少總的製造 時間和製造相關費用的多合金整體擠壓結構部件，例如交通工具的結 構部件。發明概述
本發明公開了一種多合金整體擠壓結構部件。該多合金整體擠壓 交通工具結構部件包括第一鋁合金和第二鋁合金。
在一個實施方案中，第一鋁合金和/或第二鋁合金是可熱處理的或 不可熱處理的鋁合金。在另一實施方案中，第一鋁合金和/或第二鋁合 金是鋁-鋰合金。
在又一實施方案中，第一鋁合金和/或第二鋁合金是鋁業協會
2XXX， 6XXX或7XXX系列鋁合金。
在另一實施方案中，為強度性能選擇第一合金，並為韌性、疲勞 和可焊性性能而選擇至少第二合金，取決於擠壓件的性能要求。
本發明還公開了製造多合金整體擠壓結構部件的方法。該方法包 括提供第一坯料和至少第二坯料，所述坯料各自具有外表面、第一端 和第二端；機加工第一坯料以形成第一基本平整表面；機加工第二坯
料以形成笫二平整表面，將第一坯料的第一平整表面鄰近於第二坯料 的第二平整表面放置，將第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以形 成第三坯料，和擠壓第三坯料以形成整體多合金結構部件。
本發明的另 一方面是提供一種適於航空航天應用的擠壓交通工具 結構部件，其具有改善的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性能。
本發明的另一方面是提供一種擠壓的交通工具結構部件，該結構 部件表現出改善的斷裂韌性、承載強度、抗壓強度、抗拉強度以及提 高的抗疲勞裂紋擴展性和抗腐蝕性。
本發明的另一方面是提供一種飛機結構部件，該結構部件能夠滿 足典型用於航空航天工業的該分支的強度和損傷容限要求，而且還具 有輕的重量。
本發明的另一方面是提供一種飛機或交通工具結構部件，該結構 部件能夠降低與製造"常規"飛機或交通工具結構部件相關的費用。
通過閱讀說明書和權利要求書以及查閱所附的權利要求，這些和 其它方面將變得顯而易見。附圖簡述


圖1圖解顯示了擠壓件的縱向(L)、長橫向(LT)和短橫向(ST)。
圖2描繪了根據本發明由鋁業協會2XXX系列合金和鋁業協會7XXX 系列合金構成的多合金整體擠壓件的跨橫截面的顯微硬度曲線圖。
圖3a-3d描繪了在根據本發明形成的多合金整體擠壓件構造中可 以提供的4種形狀。
圖4描繪了根據本發明形成的多合金一體式加強板的一個實施方案。
圖5a和5b描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，該擠壓件 包括具有為焊接性能選擇的合金的部分。
圖6描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，該擠壓件具有由 提供改良裂紋擴展性能的合金構成的連接凸緣(attachment flange )。
圖7描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，該擠壓件是由為 強度、耐久性和磨損特性而選擇的合金構成的搖臂。
圖8描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，該擠壓件是由提
供高強度和改良疲勞性能的合金構成的機身框架。
圖9描繪了以多合金整體擠壓件形成的高強度加強件 (stiffener)的一個實施方案，該擠壓件由選擇用以提供改良韌性性 能的合金構成。
圖10描繪了以根據本發明的多合金整體擠壓件形成的縱梁的一 個實施方案，其中為強度和韌性(抗疲勞性)性能而選擇合金。
圖lla (橫截面視圖)和lib (側視圖)描繪了多合金整體擠壓件 的一個實施方案，其中具有改良抗疲勞性的合金充當具有高強度的多 合金整體擠壓件部分之間的止裂器(crack stopper)。
圖12a和12b描繪了根據本發明在共擠壓前的切割坯料布置的實 施方案側視圖。
圖13是描繪根據本發明形成的由鋁業協會2024和7075構成的多 合金整體擠壓件的一個實施方案以及鋁業協會2024和7075擠壓件的比較例的極限抗拉強度的坐標圖。
圖14描繪了在時效到T73狀態的2024/7075多合金整體擠壓件的 一個實施方案中觀察到的失效的顯微照片。
圖15是描繪根據本發明形成的由鋁業協會2024和7055構成的多 合金整體擠壓件的一個實施方案以及鋁業協會2024、 7075擠壓件的比 較例的沿縱向(L)方向測量的抗拉屈服強度的坐標圖。
圖16是描繪根據本發明形成的由鋁業協會2024和7055構成的多 合金整體擠壓件的一個實施方案以及鋁業協會2024和7075擠壓件的 比較例的沿長橫向(LT)方向測量的伸長率的坐標圖。
圖17是描繪根據本發明形成的由鋁業協會7475和7055構成的多 合金整體擠壓件的一個實施方案以及鋁業協會7475和7055擠壓件的 比較例的抗拉屈服強度的坐標圖。
圖18是描繪根據本發明形成的由鋁業協會7475和7055構成的多 合金整體擠壓件的一個實施方案以及鋁業協會7475和7055擠壓件的 比較例的沿短橫向(ST)方向測量的抗壓屈服強度的坐標圖。
優選實施方案詳述
附圖及下面的說明書以優選的實施方案說明本發明。然而，可以 預料的是，通常熟悉鋁合金擠壓件的技術人員能夠通過改變某些細節， 將本文說明和描述的結構和方法的新特徵應用到其它場合。因此，附 圖和說明書並不限制本發明的範圍，而應理解為廣泛和一般的教導。 當提及任何數值範圍時，這些範圍應理解為包括所述範圍最小值和最 大值之間的各個和每個數值和/或部分。如本文使用的術語"偶存雜質" 指的是並非有意添加到合金中然而是由於雜質和/或與製造設備接觸 而浸出的元素，然而痕量的這些元素(不超過0.05重量％)仍可能在 最終合金產品中出現。最後，對於下面的說明書，術語"上部"、"下 部"、"右"、"左"、"豎直"、"水平"、"頂部"、"底部" 及其派生詞將涉及本發明，正如在附圖中所定向的。
本發明公開了具有至少第 一鋁合金和第二鋁合金的鋁多合金整體擠壓的飛機或交通工具結構部件(結構部件)。優選地，選擇第一和 第二合金以滿足該結構的性能要求，其中可選擇合金組成以提供改善 的疲勞韌性、承載強度、抗壓強度、抗拉強度、提高的抗疲勞裂紋擴 展性能、抗腐蝕性能和可焊性能。對於本公開，術語"多合金整體擠 壓件"表示由至少兩種金屬合金(沿結構縱向方向具有尺寸恆定的橫 截面)構成的單體結構，其中該多合金單體結構的機械性能表現為單
一、剛性、均勻的整體。圖l描繪了擠壓件的縱向(L)、長橫向(LT) 和短橫向(ST)方向。縱向(L)方向平行於擠壓方向，長橫向(LT) 表示擠壓件的寬度，短橫向方向(ST)表示擠壓件的高度。
通過擠壓處理使第一鋁合金冶金熔合到第二鋁合金形成整體結構 部件，從而產生輕質、費用節省的結構部件，並且該結構部件能夠滿 足各種強度和損傷容限的要求。術語"冶金熔合"定義為在兩種金屬 之間形成的結合，當機械測試時該結合的特徵可以在於響應外加力而 具有跨結構橫截面從第一合金到第二合金的機械性能的逐漸變化。機 械測試可包括剝離試驗、剪切試驗或任何測試第一和第二合金間界面 性能的測試方法。機械性能的逐漸變化定義為在具有無多組分界面的 單體結構的製品中觀察到的響應外加應力的機械性能改變。
圖2描繪了根據本發明一個實施方案的由鋁業協會2024和7075 合金構成並熱處理到T73狀態的多合金整體擠壓件橫截面上的硬度性 質的圖解顯示。如圖2描繪的，多合金整體擠壓件的鋁業協會2XXX合 金部分和鋁業協會7XXX合金部分間的界面100具有與7XXX合金相等 的顯微硬度，因此跨從第 一合金到第二合金的界面提供逐漸變化的顯 微硬度(響應外加應力的機械性能變化)，其中在7XXX和2XXX合金 界面上的機械性能的逐漸變化與兩種合金的金屬熔合相一致。與本發 明的多合金整體擠壓件相反，通過現有方法連接的結構典型導致失效 或在兩種合金間的界面處形成金屬間化合物。當與在界面處連接的合 金組成的機械性能相比時，失效或界面處的金屬間化合物典型導致界 面處機械性能的可測降低。
在一個實施方案中，鋁業協會7XXX系列鋁合金與鋁-鋰(Al-Li)合金結合適用於機翼盒。此外，鋁業協會7XXX系列鋁合金與鋁業協會 6XXX系列合金結合適用於機身縱梁。可以設計另外的多合金組合例如 強度/耐久性和磨損、低性能/高性能和低費用/高費用以便利用滿足設 計要求的最佳鋁合金優化擠壓交通工具結構部件，以及放入需要其的 擠壓件中從而允許單一交通工具結構部件同時滿足不同的要求。
因此，應理解的是，用於整體擠壓交通工具結構部件的鋁合金可 選自相同的合金族，但具有不同的性能特徵，因此被認為是不同的鋁 合金。
在一個實施方案中，由可熱處理或不可熱處理的鋁合金製備第一 鋁合金和/或第二鋁合金。可熱處理鋁合金是可通過受控的加熱和冷卻 循環進行強化的鋁合金。可熱處理合金的一些實例包括鋁業協會2XXX， 6XXX和7XXX系列鋁合金。可熱處理鋁合金可通過析出硬化機制提供 提高的強度。析出硬化組成可以是可通過在初始相基質中形成第二相 的均勻分散顆粒(析出物)以提高其強度特性的鋁合金，其中使用熱 處理形成析出物。不可熱處理合金依賴於加工硬化，通過機械壓縮並 結合各種退火過程以獲得性能發展。通過合金化元素的硬化效應獲得 不可熱處理合金例如5XXX系列的強度。通過冷加工荻得另外的強化。
在另一實施方案中，由鋁-鋰合金製備第一鋁合金和/或第二鋁合 金。在一個實施方案中，鋁鋰合金可包括約0. 7至約2. 0重量。/。Li。優 選的鋁-鋰合金包括鋁業協會2099和2199。
優選地，鋁業協會2099由少於0. 05重量y。Si、少於0. 07重量。/。Fe、 約2. 4至約3. 0重量y。Cu、約0. 10至約0. 50重量y。Mn、約0. 10至約 0. 50重量y。Mg、約0.40至約1.0重量。/。Zn、少於0. 1重量。/。Ti、約1. 6 至約2. 0重量。/。Li、約0. 05至約0. 12重量。/。Zr和餘量的Al及偶存雜 質構成。優選地，鋁業協會2199由少於0.05重量。/iSi、少於O. 07重 量。/。Fe、約2. 3至約2. 9重量。/。Cu、約0. 10至約0. 50重量。掘n、約0. 05 重量至約0.40重量y。Mg、約0. 20至約0.9重量y。Zn、少於0.1重量 %Ti、約0. 7至約1. 3重量y。Li、約0. 20至約0. 7重量y。Ag和餘量的 Al及偶存雜質構成。在一些優選的實施方案中，鋁業協會2099用於高強度應用而鋁業協會2199用於需要高損傷容限的應用。
在另一實施方案中，由鋁業協會2XXX, 6XXX或7XXX系列鋁合金 製造第一鋁合金和/或第二鋁合金。鋁業協會2XXX鋁合金中的主要合 金化元素是Cu。鋁業協會6XXX鋁合金中的主要合金化元素是Si。鋁 業協會7XXX鋁合金中的主要合金化元素是Zn。
在另一實施方案中，由鋁業協會2x24、 2x26、 7x50、 7x55、 7x75 和7x85鋁合金製造第一鋁合金和/或第二鋁合金。鋁業協會2x24鋁合 金中的主要合金化元素包括優選含量約3. 7至約4. 9重量°/。的Cu;優 選含量約0. 15-0. 9重量％的Mn;和優選約1. 2至約1. 8重量％的Mg。 鋁業協會2x26鋁合金中的主要合金化元素包括優選含量約3.6至約
4. 3重量％的Cu;優選含量約0. 3-0. 8重量°/。的Mn;和優選約1. 0至約
1. 6重量％的Mg。
鋁業協會7x50鋁合金中的主要合金化元素優選包括優選含量約
5. 7至約6. 9重量％的Zn;優選含量約1. 7-2. 6重量％的Cu;和優選含 量約1. 9至約2. 6重量％的Mg。鋁業協會7x55鋁合金中的主要合金化 元素優選包括優選含量約7.6至約8.4重量％的Zn;優選含量約
2. 0-2. 6重量％的Cu;和優選含量約2. 1至約2. 9重量％的Mg。鋁業 協會7x75鋁合金中的主要合金化元素優選包括優選含量約5.1至約
6. 1重量％的Zn;優選含量約1. 2-2. 0重量％的Cu;和優選含量約2. 1 至約2. 9重量％的Mg;和優選含量約0. 18至約0. 28重量。/o的Cr。鋁 業協會7x85鋁合金中的主要合金化元素優選包括優選含量約7. 0至約 8. 0重量％的Zn;優選含量約1. 3-2. 0重量°/。的Cu;和優選含量約1. 2 至約2. 8重量％的Mg。
鋁業協會6XXX鋁合金包括但不限於鋁業協會6061、6063和6013， 並且在一些優選的應用中用於提供焊接性能。鋁業協會6061優選包括 約0. 4至約0. 8重量。/。Si、少於0. 7重量。/。Fe、約0. 15至約0. 40重 量。/。Cu、少於0. 15重量。/。Mn，約0. 8至約1. 2重量。/。Mg、約0. 040至約 0.35重量。/。Cr、少於0.25重量。/。Zn、少於0.15重量。/。Ti、和餘量的 Al及偶存雜質。鋁業協會6063優選包括約0. 2至約0. 6重量。/。Si、少於0. 35重量。/。Fe、少於約0. 10重量。/。Cu、少於0. 10重量，n、約0. 45 至約O. 9重量。/。Mg、少於約0. 10重量y。Cr、少於O. 10重量。/。Zn、少於 0. 10重量。/。Ti和餘量的Al及偶存雜質。鋁業協會6013優選包括約0. 6 至約1. 0重量。/。Si、少於0. 50重量y。Fe、約0. 60至約1. 1重量。/。Cu、 約0. 20至約0. 80重量，n、約0. 8至約1. 2重量，g，少於約0. 10 重量。/。Cr、少於0. 25重量。/。Zn、少於0. 10重量。/。Ti和餘量的Al及偶 存雜質。
在另一實施方案中，由鋁業協會7075和7475鋁合金製造第一鋁 合金，而由鋁業協會2024和7055鋁合金製造第二鋁合金。鋁業協會 7075是優選包括如下成分的鋁合金少於0. 12重量。/。Si、少於0. 15重 量。/。Fe、約2. 0至約2. 6重量。/。Cu、少於0. 10重量。/。Mn、約1. 9至約2. 6 重量，g、少於0. 04重量。/。Cr、約5. 7至約6. 7重量。/。Zn、少於0. 06重 量訂i、約G. 08至約0. 15重量。/。Zr和餘量的Al及偶存雜質。鋁業協 會7475是優選包括如下成分的鋁合金少於0. 10重量。/。Si、少於0. 12 重量。/。Fe、約1. 2至約1. 9重量。/。Cu、少於0. 06重量。/。Mn、約1. 9至約 2. 6重量。/。Mg、約0. 18至約0. 25重量。/。Cr、約5. 2至約6. 2重量。/。Zn、 少於0. 06重量。/。Ti和餘量的Al及偶存雜質。鋁業協會2024是優選包 括如下成分的鋁合金少於0.5重量。/。Si、少於0.5重量。/。Fe、約3.8 至約4. 9重量。/。Cu、約0. 30至約0. 9重量。/。Mn、約1. 2至約1. 8重量 %Mg、少於0.10重量y。Cr、少於O. 25重量％、少於O. 15重量VH和餘 量的Al及偶存雜質。
在本發明的另一實施方案中，多合金整體擠壓件可由至少兩種選 自單一合金族的合金構成。例如，該多合金整體擠壓件可由兩種或更 多種鋁業協會7XXX系列合金例如鋁業協會7055， 7075或7475構成； 或者由兩種或更多種鋁業協會6XXX系列合金例如鋁業協會6061 ， 6063 或6013構成；或者由兩種或更多種鋁業協會2XXX系列合金例如鋁業 協會2199， 2024和2099構成。
由相同鋁業協會系列合金(具有相似合金化成分的合金)構成的 多合金整體擠壓件的一個優點是可將整個多合金整體擠壓件熱處理到基本上峰值的性能，因為具有相似合金化成分和濃度的鋁合金一般受 益於相似的熱處理。在一些情況下，不同合金化成分和濃度的合金的 多合金整體擠壓件可導致不同的熱處理要求，並且可能導致一部分擠 壓件沒有被熱處理到最佳規格的多合金整體擠壓件。
在一個實施方案中，可在該族內選擇合金組成以提供強度或疲勞/ 韌性性能。典型地，強度和疲勞/韌性性能是成反比的，其中當與較低 強度的合金相比時，具有非常高強度的合金可能具有較低的延展性、
韌性和疲勞性能。可在2XXX和7XXX系列合金中可觀察到這種情況， 其中2XXX合金可提供韌性和抗疲勞性能，而7XXX合金可提供強度。 例如，在析出硬化組成中，高度強化析出物能夠提供增加的強度，但 典型導致降低的延展性、韌性和疲勞性能。
在本發明中公開的鋁多合金整體擠壓的飛機或交通工具結構部件 可以是飛機結構部件，例如飛機發動機梁、起落架梁、機翼梁、水平 穩定器翼梁、機身縱梁、頂部中央機翼盒或擠壓的機加工肋材。在另 一實施方案中，在本發明中公開的鋁多合金整體擠壓的飛機或交通工 具結構部件是用於汽車、摩託車、自行車、踏板車、卡車、公共汽車、
船、潛水艇、拖拉機或列車中的構件。
圖3(a) - 3(d)描繪了可根據本發明形成為多合金整體擠壓件的四 種形狀。圖3(a) -3(d)描繪了由第一鋁合金4和第二鋁合金6構成的 機翼梁2的一個實施方案。第一鋁合金4可選自可熱處理鋁合金組成、 不可熱處理鋁合金組成和包括鋰的鋁合金組成。第二鋁合金6也可選 自可熱處理鋁合金組成、不可熱處理鋁合金組成和包括鋰的鋁合金組 成。
圖3(b)和3(d)描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，配置該 多合金整體擠壓件用以提供包括止裂要素8的機翼梁2。在一個實施 方案中，第 一鋁合金4和/或第二鋁合金6可選自鋁業協會2XXX或7XXX 系列的鋁合金。這些合金的選擇及它們在多合金整體擠壓件中的定位 可由結構所需的機械性能決定。
例如，在一個實施方案中，需要韌性和抗疲勞性能例如止裂要素的結構部分，可利用鋁業協會2XXX系列合金族中的鋁合金例如鋁業協 會2199、 2024和2099,而需要高強度的結構部分可利用鋁業協會7XXX 系列合金族中的鋁合金例如鋁業協會7x50、 7x55、 7x75、 7x85,優選 是鋁業協會7055、 7075或7475。在另一實施方案中，第一或第二鋁 合金4、 6可以是鋁鋰(Al - Li )鋁合金。在另一實施例中，多合金整 體擠壓件機翼梁2可由相同鋁業協會系列的鋁合金構成，然而要求高 強度的部分相比要求疲勞和韌性性能的結構部分將具有更高程度的析 出硬化成分。
圖4描繪了多合金整體擠壓件的一個實施方案，配置該多合金整 體擠壓件用以提供一體式加強板10。在一個實施方案中， 一體式加強 板10的表面11由高韌性和抗疲勞性的合金例如鋁業協會2XXX系列合 金構成，支撐結構12可由高強度合金例如鋁業協會7XXX系列合金構 成。在一些優選實施方案中將鋁業協會2099用於高強度應用，而鋁業 協會2199用於需要高損傷容限的應用。在另一實施例中，多合金整體 擠壓一體式加強板IO可由相同鋁業協會系列的鋁合金構成，而需要高 強度的部分比需要疲勞和韌性性能的結構部分具有更高程度的析出硬 化成分。
圖5a和5b描繪了由多合金整體擠壓件形成的焊接結構15,配置 該多合金整體擠壓件以提供另一結構部件的焊接連接方式，其中通過 冶金熔合到基礎結構14上的可焊合金的可焊接襯墊13來提供焊接連 接方式。可焊接襯墊13可以由6XXX鋁合金形成例如6013、 6063或 6061或者與鋁業協會7005類似的7XXX合金。鋁業協會7005典型包 括少於0. 35重量。/。Si、少於O. 4重量。/。Fe、少於O. 10重量y。Cu，約 0. 20至約0. 7重量。/。Mn、約1. 0至約1. 8重量。/。Mg、約0. 06至約0. 20 重量。/。Cr、約4. 0至約5. 0重量o/。Zn、少於0. 06Ti、約0. 08至約0. 025 重量。/。Zr。
圖6描繪了一種多合金整體擠壓件，配置該多合金整體擠壓件用 以提供肋材或隔壁(bulkhead )20，所述肋材或隔壁具有連接凸緣21a、 21b，所述連接凸緣是由向連接點提供改善的裂紋擴展性能的合金構成。在一個實施方案中，可通過具有高韌性和抗疲勞性的鋁合金例如
鋁業協會2XXX提供連接凸緣21,通過具有高強度的鋁合金例如鋁業 協會7XXX鋁合金提供芯部22。在一個實施方案中，每一相對的連接 凸緣21a、 21b可為不同的合金。在另一實施例中，多合金整體擠壓隔 壁或肋材20可由來自相同鋁業協會系列的鋁合金構成，而需要高強度 的芯部部分22比需要疲勞和韌性性能及抗開裂性的連接凸緣21具有
更高程度的析出硬化成分。
圖7描繪了以多合金整體擠壓件形成的搖臂30,其中支點31和 與挺柱(lifter )或用於驅動搖臂30運動和閥作動的其它機械裝置接 觸的搖臂30部分，由提供高耐久性、疲勞和韌性性能的合金構成，搖 臂體的芯部32由高強度合金例如鋁業協會7XXX或6XXX系列合金構 成。在另一實施例中，多合金整體擠壓件搖臂可由來自相同鋁業協會 系列的鋁合金構成，而需要高強度的部分比需要疲勞和韌性性能及抗 開裂性的部分具有更高程度的析出硬化成分。
圖8描繪了以多合金整體擠壓件形成的機身框架40，其具有由高 強度合金例如選自鋁業協會7XXX系列合金的合金構成的第一部分41 和由具有比笫一部分41更高疲勞性能的合金例如選自鋁業協會2XXX 系列合金的合金構成的第二部分42。在另一實施例中，多合金整體擠 壓件機身框架40可由來自相同鋁業協會系列的鋁合金構成，其中需要 高強度的部分將比需要疲勞和韌性性能及抗開裂性的部分具有更高程 度的析出硬化成分。
圖9描繪了高強度加強件50，其具有由具有高疲勞和韌性性能的 合金例如選自鋁業協會2XXX系列合金的合金構成的外殼部分51。外 殼部分51可通過由高強度合金例如選自鋁業協會7XXX系列合金的合 金構成的增強部件52進行加強。
圖10描繪了根據本發明由多合金整體擠壓件形成的縱梁60。在 一個實施方案中，縱梁體61由高強度鋁合金例如鋁業協會7XXX構成， 並且包括由具有比縱梁體更高抗疲勞性能的合金例如鋁業協會2XXX 構成的凸緣62。圖lla和llb描繪了具有一體式止裂器70的多合金整體擠壓件。 在一個實施方案中，在提供提高強度的合金組成例如鋁業協會7XXX之 間設置提供抗開裂性的合金組成例如鋁業協會2XXX系列合金。值得注 意的是上述描述不局限於2XXX、 6XXX或7XXX合金，也可考慮其它合 金，它們在本發明的範圍之內。
在本發明的另一方面，提供了製備上述多合金整體擠壓件的方法。 儘管下面的描述討論了雙合金的擠壓件，其中整體擠壓件由兩種合金 構成，下面的內容公開也適用於三種、四種、五種和多於五種的合金 的擠壓件，只要將每一坯料進行切割和機加工並相互接觸，然後連接 以允許每一合金被共擠壓到一起。
首先，該方法要求提供由第一鋁合金製成的第一坯料和至少第二 坯料，該第二坯料由第二鋁合金製成。每一坯料具有第一端、第二端 和外表面。然後切割坯料，優選沿坯料的縱向方向(L)，以暴露出內 表面。優選地，對要進行連接的表面進行機加工以基本平整。在一個 實施方案中，將第一和第二坯料的每一個切成兩半以形成半塊坯料。 由第一坯料形成的半塊坯料在下文中稱為第一半塊坯料。由第二坯料
形成的半塊坯料在下文中稱為第二半塊坯料。
一旦將第一半塊坯料適當地放置在第二半塊坯料鄰近，如圖12a
所示，便將第一半塊坯料焊接到第二半塊坯料以形成第三坯料。儘管 定位焊(例如氣體保護金屬極電弧焊、氣體保護鴒極電弧焊、攪拌摩 擦焊)是優選地，但值得注意的是本領域技術人員將了解可使用其它 焊接技術例如高密度焊接(雷射、電子束)、壓力/冷焊接、釺焊、粘 結結合、機械冷接合、機械鍛造接合、沿面焊接拼接和沿坯料焊接拼 接用於將兩個坯料半塊彼此焊接。
然後通過擠壓模具擠壓第三坯料，從而形成所需的多合金整體擠 壓件。換句話說，通過擠壓模具對第一和第二半塊坯料進行共擠壓， 這將用於第一半塊坯料的鋁合金冶金熔合到用於第二半塊坯料的鋁合 金 選擇擠壓過程的溫度使得合金軟化以提供將多合金整體擠壓件的 合金組成結合的冶金熔合。在公開方法的一個實施方案中，在將第一半塊坯料臨近於第二半 塊坯料放置前對第一半塊坯料的內表面及第二半塊坯料的內表面進行 平整機加工以確保每個坯料半塊的內表面基本平整。每個坯料半塊的
內表面被平整機加工後，在焊接前將第一半塊坯料的內表面鄰近於第 二半塊坯料的內表面放置並與其接觸。在一個實施方案中，通過使用 乾燥劑包裹坯料並減少水分含量來在切割坯料上提供清潔的內表面。
在另一實施方案中，垂直於縱向方向切割第一坯料和至少第二坯
料，其中放置每一坯料使得它們的切割端彼此鄰近，如圖12b所示。 應注意的是，本領域的技術人員清楚可以將第一和第二半塊坯料豎直 疊置，以水平方式並排放置，或以豎直和水平的混合方式進行放置。
儘管上面已經概括描述了本發明，但提供下面的實施例以便進一 步說明本發明和證實由此獲得的一些優點。並不意圖將本發明限制為 公開的具體實施例。
實施例
圖13描繪了由鋁業協會2024和7075構成的多合金整體擠壓件 (共擠壓件)以及鋁業協會2024擠壓件及鋁業協會7075擠壓件的比 較例的極限抗拉強度。如從圖13中可以看到的，鋁合金擠壓件在共擠 壓後進行各種時效處理。例如，比較例鋁業協會2024擠壓件時效到 T351狀態，比較例鋁業協會7075擠壓件時效到T73狀態，而由鋁業 協會2024和7075構成的多合金整體擠壓件(共擠壓件)時效到T351 或T73狀態。還記錄由鋁業協會2024和7075構成的多合金整體擠壓 件(共擠壓件)在F狀態的極限抗拉強度。
通過提供一塊2024鋁合金坯料和一塊7075鋁合金坯料製備由鋁 業協會2024和7075構成的多合金整體擠壓件(共擠壓件)。將每一 塊坯料切成兩半，並在將一個坯料半塊疊置到另一個上之前對內表面 進行平整機加工。 一旦疊置後，檢查坯料以確保每一坯料的側面鄰近 於另 一坯料的相應側面並與該相應側面 一致。在檢查坯料的定位後， 在每個角處(4個角)對坯料半塊進行定位焊接以確保在擠壓處理過程中坯料牢固的彼此固定。值得注意的是，本領域技術人員清楚可使 用其它方法將兩塊坯料焊接在一起，而不脫離本發明的教導。對焊縫 進行砂帶打磨以使每個角光滑，然後擠壓焊接的坯料。
使用下面的擠壓參數擠壓圖13中的所有鋁合金。壓力容器設定為 約750。F，加熱工具和坯料到約780。F。擠壓比為32: 6,壓頭(ram) 速度設定為4 ipm(英寸/分鐘)，產物速度為10. 9fpm(英尺/分鐘)。 為了獲得T351狀態，在約905至約915。F對鋁合金進行固溶熱處理持 續約30分鐘，在約室溫下進行淬火，然後拉伸約2%。為了獲得T73 狀態，在約905至約915。F對鋁合金進行固溶熱處理持續約15分鐘， 在約室溫下進行淬火，利用約244至約255。F的溫度時效約10小時， 然後在約335至約345。F時效另外8小時。
如從圖13中可以看到的，比較例2024-T351鋁合金擠壓件具有 74. 9ksi的極限抗拉強度。比較例鋁業協會7075-T73鋁合金擠壓件具 有76. 2ksi的極限抗拉強度。由鋁業協會2024和7075構成並熱處理 到T351狀態的多合金整體擠壓件(共擠壓件)表現出77. 8ksi的極限 抗拉強度，當與比較例鋁業協會2024-T351鋁合金擠壓件比較時，在 縱向方向的極限抗拉強度提高4%,當與比較例鋁業協會7075-T73鋁 合金擠壓件比較時，在縱向方向的極限抗拉強度提高2%。圖13也顯 示了由鋁業協會2024和7075構成的在F狀態的多合金整體擠壓件(共 擠壓件)具有53. 4ksi的極限抗拉強度，由鋁業協會2024和7075構 成並熱處理到T73狀態的多合金整體擠壓件(共擠壓件)具有72. 3ksi 的極限抗拉強度。
還測試由鋁業協會2024和7075構成並熱處理到T73狀態的多合 金整體擠壓件(共擠壓件)的顯微硬度，其中切斷坯塊以允許測量跨 界面從多合金整體擠壓件的2024合金部分到多合金整體擠壓件的 7075合金部分中的顯微硬度值。根據ASTM標準E92 (金屬材料維氏硬 度的標準測試方法)測量顯微硬度。在圖2中描繪了時效到T73狀態 的2024/7075多合金整體擠壓件的顯微硬度數據，該圖描繪了顯微硬 度(HV)與擠壓件位置(mm)關係的曲線圖。2024合金部分和7075合金部分間的界面用參考數字100表示。從2024合金部分到7075合 金部分的過渡表現出響應於外加應力的機械性能的逐漸變化(一般在 沒有金屬間界面的單體結構的製品中觀察上述變化)。該顯微硬度測 量結果與在合金界面處的2024合金和7075合金的金屬熔合相一致， 正如本發明所教導的。圖14描繪了在時效到T73狀態的2024/7075多 合金整體擠壓件的一個實施方案中觀察到的失效的顯微照片。該失效 發生在與較高強度7075合金相比較弱的鋁業協會2024合金中，而並 不在7075和2024合金間的界面處，因此進一步說明了兩種合金間的 金屬熔合，並且多合金整體擠壓件的特徵是作為具有單一、剛性、均 勻整體的性能的單體結構。
圖15描繪了由鋁業協會2024和7075構成的多合金整體擠壓件 (共擠壓件)與鋁業協會2024和7075的單一合金擠壓件進行比較的 抗拉屈服強度。如在圖15中可以看到的，鋁合金擠壓件在擠壓後進行 各種時效處理。例如2024擠壓件時效到T351狀態，7075擠壓件時效 到T73狀態，2024/7075多合金整體擠壓件時效到T351或T73狀態。 還記錄2024/7075多合金整體擠壓件在F狀態的抗拉屈服強度。
通過提供一塊2G24鋁合金坯料和一塊7075鋁合金坯料製備 2024/7075多合金整體擠壓件。將每塊坯料切成兩半，並且在將一個 坯料半塊疊置到另 一個上之前對內表面進行平整機加工。 一旦疊置後， 檢查坯料以確保每塊坯料的角與另 一坯料的相應角鄰近並與該相應角 一致。在檢查坯料的定位後，在每個角處(4個角)對坯料半塊進行 定位焊接以確保在擠壓處理過程中坯料牢固的彼此固定。對焊縫進行 砂帶打磨以使每個角光滑，然後對焊接的坯料進行擠壓。
以下面方式擠壓圖15中的所有鋁合金。壓力容器設定為約750。F， 加熱工具和坯料到約780°F。擠壓比為32: 6，壓頭速度設定為4 ipm (英寸/分鐘)，且產物速度為10.9fpm(英尺/分鐘)。為了達到T351 狀態，在約905至約915。F對鋁合金進行固溶熱處理約30分鐘，在約 室溫下進行淬火，然後拉伸約2%。為了達到T73狀態，在約905至 約915。F對鋁合金進行固溶熱處理約15分鐘，在約室溫下進行淬火，利用約244至約255。F的溫度時效約IO小時，然後在約335至約345°F 下時效另外8小時。
如從圖15中可以看到的，2024-T351鋁合金具有48. 6ksi的抗拉 屈服強度。7075-T73鋁合金具有66.9ksi的抗拉屈服強度。 2024/7075-T351多合金整體擠壓件具有59. 7ksi的抗拉屈服強度，當 與2024-T351鋁合金比較時，在縱向方向的抗拉屈服強度提高19%。 圖15還顯示了 2024/7075-F狀態的多合金整體擠壓件具有28.1 ksi 的抗拉屈服強度，2024/7075-T73狀態的多合金整體擠壓件具有58.2 ksi的抗拉屈服強度。
圖16描繪了 2024/7075多合金整體擠壓件以及鋁業協會2024和 7075的單一合金擠壓件比較例的伸長率。如從圖16中可以看到的， 鋁合金擠壓件在擠壓後進行各種時效處理。例如2024擠壓件時效到 T351狀態，7075擠壓件時效到T73狀態，2024/7075共擠壓件時效到 T351或T73狀態。還記錄了 2024/7075共擠壓件在F狀態的伸長率。
通過提供一塊2024鋁合金坯料和一塊7075鋁合金坯料製備 2024/7075多合金整體擠壓件。將每塊坯料切成兩半，並且在將一個 坯料半塊疊置到另 一個上之前對內表面進行平整機加工。 一旦疊置後， 檢查坯料以確保每塊坯料的角與另 一坯料的相應角鄰近並與該相應角 一致。在檢查坯料的定位後，在每個角處(4個角)對坯料半塊進行 定位焊接以確保擠壓處理過程中坯料牢固的彼此固定。對焊縫進行砂 帶打磨以使每個角光滑，然後擠壓焊接的坯料。
以下面方式擠壓圖16中的所有鋁合金。壓力容器設定為約750°F， 加熱工具和坯料到約780。F。擠壓比為32: 6，壓頭速度設定為4 ipm (英寸/分鐘)，產物速度為10.9 fpm(英尺/分鐘)。
如從圖16中可以看到的，2024-T351鋁合金對比擠壓件具有18 %的長橫向伸長率。7075-T73鋁合金對比擠壓件具有12%的長橫向伸 長率。2024/7075-T351多合金整體擠壓件具有16%的長橫向伸長率， 當與7075-T73鋁合金比較時伸長率提高25%。圖16也顯示了 2024/7075-F多合金整體擠壓件具有20 %的長橫向伸長率並且2024/7075-T73多合金整體擠壓件具有20%的長橫向伸長率，當與 7075-T73鋁合金對比擠壓件比較時，伸長率提高40%,與2024-T351 鋁合金對比擠壓件比較時伸長率提高10%。
圖17描繪了 7475/7055多合金整體擠壓件以及鋁業協會7475和 7075鋁合金的單一合金擠壓件比較例的抗拉屈服強度。如在圖17中 可以看到的，所有鋁合金擠壓件均為F狀態。通過提供一塊7475鋁合 金坯料和一塊7055鋁合金坯料製備7475/7055多合金整體擠壓件。對 每一坯料的半塊進行機加工並檢測以確保機加工表面(即，每一坯料 內表面)光滑並且具有32微英寸的機械光潔度。在將一個坯料半塊疊 置到另一個坯料半塊上之前，用溶劑(例如丙酮)擦拭每一坯料的機 加工表面以確保清潔的表面。然後將坯料半塊疊置、焊接並通過擠壓 模具進行擠壓。
以下面方式擠壓圖17中的所有鋁合金。壓力容器設定為約850。F, 加熱工具和坯料到約688至約735°F。擠壓比為20: 1，壓頭速度設定 2. 54cm/分鐘(1英寸/分鐘)至5. G8cm/分鐘(2英寸/分鐘)。
如從圖17中可以看到的，當壓頭速度設定為3.81 cm/分鐘(1.5 英寸/分鐘)至5.08cm/分鐘(2英寸/分鐘)時，7475/7055-F多合金 整體擠壓件在短橫向方向的抗拉屈服強度是23. 3ksi，並且當壓頭速 度設定為2. 54 cm/分鐘(1英寸/分鐘)時為26. 7ksi。當壓頭速度設 定為5.08 cm/分鐘(2英寸/分鐘)時，7475-F鋁合金擠壓件在短橫 向方向的抗拉屈服強度為24.5 ksi，且7055-F合金擠壓件的抗拉屈 服強度為36. 7ksi。圖17顯示當使用2.54 cm/分鐘(1英寸/分鐘) 的壓頭速度擠壓的7475/7055-F多合金整體擠壓件與使用5.08 cm/分 鍾(2英寸/分鐘)的壓頭速度進行擠壓的7475-F鋁合金比較時，抗 拉屈服強度提高8%。
圖18描繪了鋁合金7475、 7075和7475/7075多合金整體擠壓件 的抗拉屈服強度。如從圖18中可以看到的，7475/7055多合金整體擠 壓件時效到T76511狀態。7475和7055鋁合金時效到T76511狀態。 通過提供一塊7475鋁合金坯料和一塊7075鋁合金坯料製備7475/7075-T6511多合金整體擠壓件。對每一坯料的半塊進行機加工 並檢測以確保機加工的表面光滑並具有32微英寸的機械光潔度。在將 一個坯料半塊疊置到另一個坯料半塊上之前，用溶劑(例如丙酮)擦 拭每一坯料的機加工表面以確保清潔的表面。然後將坯料半塊疊置、 焊接並通過擠壓模具進行擠壓。
以下面方式擠壓圖18中的所有鋁合金。壓力容器設定為約850。F， 加熱工具和坯料到約688至約735。F。擠壓比為30: 1，壓頭速度i殳定 3. 81cm/分鐘(1.5英寸/分鐘)。
如從圖18中可以看到的，7475/7055-T76511多合金整體擠壓件 的抗壓屈服強度是92. lksi。 7475-T76511合金具有82. 8 ksi的抗拉 屈服強度，7055-T76511鋁合金具有93. 9ksi的抗拉屈服強度。圖18 顯示當與7475-T6511鋁合金比較時，7475/7055-T6511多合金整體擠 壓件的抗壓屈服強度提高10% ，並且當與7475-T76511鋁合金比較時，
具有幾乎相同的屈服強度。
製備由鋁鋰合金鋁業協會2099和2199構成的多合金整體擠壓件 並且熱處理到T8狀態。也製備鋁業協會2199和2099的單一合金擠壓 件比較例並且熱處理到T-8狀態。以下面方式擠壓2099/2199多合金 整體擠壓件。壓力容器設定為約760。F，加熱工具和坯料到約790。F。 擠壓比為32: 6，壓頭速度設定約4 ipm (英寸/分鐘)且產物速度大 於約9. Ofpm (英尺/分鐘)。為了達到T8狀態，坯料在設定為850°F 的烘箱溫度下保持17小時，接著在約1000。F溫度下進行固溶熱處理， 在約室溫下進行淬火，.然後拉伸約3%,在約300°F的溫度下時效約 36小時。
測量2099/2199多合金整體擠壓件的機械性能，其具有約59Ksi 的抗拉屈服強度(長橫向)，約68 Ksi的極限抗拉強度，約13%的 伸長率。鋁業協會2199比較例具有約67Ksi的抗拉屈服強度(長橫向), 約76 Ksi極限抗拉強度，約13%的伸長率。鋁業協會2099比較例具 有約58Ksi的抗拉屈服強度(長橫向)，約66 Ksi的極限抗拉強度， 和約15%的伸長率。觀察到，必須控制鋁鋰坯料的界面以確保兩種合金界面處的水分 最小化。過多的水分會不利地導致界面處的氧化。為了減少水分含量 和界面處的氧化物形成，可在裝入壓力容器之前通過使用乾燥劑包裹 坯料和降低水分含量來在切開坯料上提供清潔的內表面。
已經描述了本發明優選的實施方案，應理解的是可在所附權利要 求的範圍內以另外的方式實施本發明。
權利要求
1. 結構部件，其包含包含第一鋁合金和第二鋁合金的多合金整體擠壓件，且所述第一鋁合金冶金熔合到所述第二鋁合金。
2. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金和所述第二鋁合 金中的至少一種是可熱處理的鋁合金。
3. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金和所述第二鋁合 金中的至少一種不是可熱處理的鋁合金。
4. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金和所述第二鋁合 金中的至少一種是鋁-鋰合金。
5. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金選自鋁業協會 2XXX、 6XXX或7XXX系列鋁合金。
6. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金和所述第二鋁合 金中的至少一種包含鋁業協會2XXX、 6XXX或7XXX系列鋁合金。
7. 權利要求6的結構部件，其中所述第一鋁合金和所述第二鋁合 金中的至少一種包含鋁業協會7x50、 7x85、 7x75、 7x55、 2x24或2x26。
8. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金是7075，且所述 第二鋁合金是2024。
9. 權利要求1的結構部件，其中所述第一鋁合金是7475，且所述 第二鋁合金是7055。
10. 權利要求1的結構部件，其中所述整體多合金擠壓件是飛機結 構部件。
11. 權利要求10的結構部件，其中所述飛機結構部件包括飛機發 動機梁、起落架梁、翼梁、水平穩定器翼梁、機身縱梁、頂部中央機 翼盒或;f幾加工的肋材。
12. 權利要求1的結構部件，其中所述多合金整體擠壓件是交通工 具結構部件。
13. 權利要求12的結構部件，其中所述交通工具結構部件包括汽車、摩託車、自行車、踏板車、卡車、公共汽車、船、潛水艇、拖拉 機或列車的構件。
14. 擠壓方法，包括 提供第一坯料和至少第二坯料； 機加工第一坯料以形成第一基本平整表面； 機加工第二坯料以形成第二平整表面；將第一坯料的第一平整表面鄰近於笫二坯料的第二平整表面放置；將第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以形成第三坯料；及 擠壓該第三坯料以形成整體多合金結構部件。
15. 權利要求14的擠壓方法，還包括 提供至少一個其它坯料；機加工所述至少一個其它坯料以形成至少一個其它平整表面；及 在擠壓形成整體多合金結構部件之前，將所述至少一個其它坯料的所述至少一個其它平整表面連接到所述第一或笫二坯料的暴露表面。
16. 權利要求14的擠壓方法，其中第一坯料或第二坯料的至少一 種包括鋁-鋰合金。
17. 權利要求14的擠壓方法，其中第一坯料和第二坯料的至少一 種包括鋁業協會2XXX、 6XXX或7XXX系列鋁合金。
18. 權利要求14的擠壓方法，其中將第一坯料焊接到第二坯料的 所述焊接包括氣體保護金屬極電弧悍、氣體保護鵠極電弧焊或攪拌摩 擦焊。
19. 權利要求14的擠壓方法，還包括在擠壓第三坯料前，研磨第 三坯料的焊接部分。
20. 權利要求14的擠壓方法，還包括熱處理所述多合金整體結構 部件。
全文摘要
本發明提供了多合金整體擠壓件的結構部件(2)，該結構部件包含第一鋁合金(4)和第二鋁合金(6)；其中第一鋁合金(4)冶金熔合到第二鋁合金(6)。在本發明的另一方面，提供了一種擠壓方法，該方法包括如下步驟提供第一坯料和至少第二坯料；機加工第一坯料以形成第一基本平整表面；機加工第二坯料以形成第二平整表面，將第一坯料的第一平整表面鄰近於第二坯料的第二平整表面放置；將第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以便形成第三坯料；和擠壓第三坯料以形成整體多合金結構部件。
文檔編號B21C23/22GK101304822SQ200680042027
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月9日 優先權日2005年11月9日
發明者B·H·伯蒂裡, G·迪克松, M·B·黑尼曼, M·庫拉克, R·C·帕爾 申請人:美鋁公司