含輔助添加物鋰的鋁－銅－鎂合金的製作方法

2023-06-14 18:56:06 1

專利名稱：含輔助添加物鋰的鋁－銅－鎂合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於航空航天用途的鋁合金，更具體地涉及含有輔助添加物鋰的鋁-銅-鎂合金，其使斷裂韌度和強度的結合得到改進，並改進了抗疲勞裂紋生長性。
背景技術：
在航空和航天工業中廣為人知，減輕飛行器重量的最有效的方法之一是降低在飛行器製造中使用的鋁合金的密度。這個要求導致了人們將最低密度金屬元素鋰添加到鋁合金中。例如2090和2091的鋁協會(AluminumAssociation)合金包含大約2.0重量％的鋰，這使其比不含鋰的合金節省大約百分之7的重量。鋁合金2094和2095包含大約1.2重量％的鋰。另一種鋁合金8090包含大約2.5重量％的鋰，這使其比不含鋰的合金節省幾乎百分之10的重量。
然而，這種含鋰量相對較高的傳統合金的鑄造是很困難的。此外，這種合金的強度和斷裂韌度的結合併不是最優化。傳統鋁-鋰合金存在一折衷，其中隨著強度的增強其斷裂韌度會降低。
航空航天鋁合金的另一重要特性是抗疲勞裂紋生長性。舉例來說，在飛行器的耐損害用途中，人們希望增加抗疲勞裂紋生長性。較好的抗疲勞裂紋生長性意味著裂紋會生長得較慢，這樣使飛行器安全得多，因為在裂紋達到災難性的臨界大小之前可以發現小的裂紋。而且，由於可以採用較長檢查間隔，較慢的裂紋生長具有經濟上的利益。
因此，人們需要具有高斷裂韌度、高強度以及優良抗疲勞裂紋生長性(fatigue crack growth resistance)的飛行器用途的鋁合金。

發明內容
本發明提供一種鋁合金，其包含約3至約5重量％的Cu、約0.5至約2重量％的Mg和約0.01至約0.9重量％的Li。已經發現，將少量Li輔助加入到含有可控數量的Cu和Mg的鋁合金中，提供了高斷裂韌度和高強度的材料，而且也展現了與現有技術的鋁-銅-鎂合金相等或更好的抗疲勞裂紋生長性。本發明的一方面將提供包含約3至約5重量％的Cu、約0.5至約2重量％的Mg和約0.01至約0.9重量％的Li的鋁合金，其中Cu和Mg在合金中的總量低於合金的溶解度。
本發明的此方面及其它方面將會在下面的描述中更為明顯。


圖1是Mg含量對Cu含量所作的曲線圖，說明了本發明具體實施例的Al-Cu-Mg-Li合金中的那些元素的最大極限。
圖2是含有不同含量Li的板製品形式的Al-Cu-Mg基合金的斷裂韌度(KQ)和伸長特性對鋰含量所作的圖。
圖3是含有不同含量Li的板製品形式的Al-Cu-Mg基合金的斷裂韌度(Ko)和抗拉屈服強度特性對鋰含量所作的圖。
圖4含有不同含量Li的片製品形式的Al-Cu-Mg基合金的斷裂韌度(Kc和Kapp)和抗拉屈服強度特性對鋰含量所作的圖。
圖5是將圖4所示的斷裂韌度和抗拉屈服強度值與傳統合金2524片的工業典型和最小斷裂韌度和屈服強度值相比較的圖。
圖6是表示標為合金A、合金B、合金C和合金D的由含有不同含量Li的Al-Cu-Mg合金製造的試樣在受到不同的時效條件之後的抗拉屈服強度的圖表。
圖7是圖6所示的一些試樣的比強度改進的柱狀圖。
圖8是表示疲勞裂紋生長速率da/dN(英寸/周期)以及變化方式的典型圖示。
圖9是表示合金A-T3板、合金C-T3板和合金D-T3板的疲勞裂紋生長曲線的曲線圖。
圖10是表示合金A-T39板、合金C-T39板和合金D-T39板的疲勞裂紋生長曲線的曲線圖。
圖11是表示合金A-T8板、合金C-T8板和合金D-T8板的疲勞生長曲線的曲線圖。
圖12是表示在ΔK＝10Ksi(in)1/2時da/dN的百分率變化的柱狀圖。
圖13是表示合金A-T3和合金C-T3的斷裂韌度R-曲線的曲線圖。
圖14是表示合金A-T39、合金C-T39和合金D-T39板的斷裂韌度R-曲線的曲線圖。
發明詳述除非另外指出，本文所描述的合金中的各成分都是指重量％。當提及任何值的數字範圍時，應理解這種範圍包括指明範圍的最小和最大值之間的每個數字及/或分數。
由於所屬領域的技術人員所應理解的諸如標準處理偏差等因素，在此使用的術語「大約」在用於描述合金中添加物的組分範圍或含量時表示添加物的實際量可能不同於指明的預期量。
術語「實質上不含有」表示沒有將大量的此成分有意地加到合金組合物中，而且應理解痕量的附帶的(incidental)元素及/或雜質可能是它們混入終端製品的途徑。
術語「溶解度」表示，可用於製造鋁合金且在給定溫度的合金中保持固溶體的合金添加物的最大量。舉例來說，Cu和Mg的組合量的溶解度是Cu及/或Mg在給定溫度的鋁合金中不再保持固溶體的臨界點。在製造環境中可以選擇溫度以體現在熱力學相圖數據和熔爐控制之間的實際折衷。
術語「斷裂韌度和強度的結合得到改進」表示，至少在斷裂韌度和強度中的一個性能方面與不含鋰或含更多鋰的類似合金進行比較，具有較高的斷裂韌度以及相等或較高的強度，或者具有較高的強度以及相等或較高的斷裂韌度。
本文使用的術語「耐損害的飛行器部件」表示，為保證其裂紋生長壽命長於可使裂紋達到導致災難性故障的臨界大小的運載負荷的任何累積而設計的任何飛行器或者航空航天部件。耐損害設計用於運輸機類機體的大部分主要結構，其包括但不限於機身嵌板、機翼、機翼箱、水平和垂直尾翼、耐壓艙壁以及門和窗框。在可檢驗的區域中，通常通過冗餘設計來實現耐損害，其中檢驗間隔設定為在會使直觀可測裂紋生長到臨界大小的每一飛行次數或者飛行小時數中提供至少二次檢驗。
本發明涉及含有輔助添加物鋰的鋁-銅-鎂合金。依照本發明，提供的鍛造鋁-銅-鎂合金的斷裂韌度和強度的結合得到改進，其超過現有技術鋁-銅-鎂合金的斷裂韌度和強度的結合。此合金也具有改進的抗疲勞裂紋生長性。本發明的合金尤其可用於要求耐損害性好的飛行器部件，例如下機翼構件，其包括在組合結構中使用的用於外殼的薄板和用於桁條的壓出品，或在整體結構中使用的用於硬板的厚板和壓出品；機身構件，其包括在組合設計、整體設計或焊接設計中使用的用於外殼的片和薄板、用於桁條和框架的壓出品。它們也可以用於加強杆和翼肋構件，其包括用於組合設計或整體設計的薄板、厚板和壓出品，或尾翼構件，其包括由片、板和壓出品製成的構件，以及由鍛件製成的飛行器構件，其包括飛行器輪、加強杆和起落裝置構件。該合金的強度性能使得它們也可以用於上機翼構件以及通常採用鋁-銅-鎂-鋅合金的其它用途。低含量鋰的添加避免了由高含量鋰(即超過1.5重量％的鋰)所帶來的問題，例如在錠的鑄造中熔融金屬的爆炸問題。
依照本發明的具體實施例，可以提供片和板形式的鋁合金。片製品包含具有從約0.006至約0.25英寸厚度的軋制鋁材。片的厚度優選為約0.025至約0.25英寸，更優選為約0.05至約0.25英寸。對於許多用途，例如一些飛行器機身，片優選為約0.05至約0.25英寸厚，更優選為約0.05至約0.2英寸。板製品包括具有從大約0.25英寸至約8英寸的厚度的軋制鋁材。對於機翼用途，板通常為約0.50至約4英寸。除此之外，在機身用途中也使用從0.25到0.50英寸的小尺寸板。片和小尺寸板可以是未鍍層或鍍層的，並且優選鍍層厚度是片和板厚度的約1％到約5％。除片和板製品之外，此合金可以製成其它類型的鍛造製品，例如傳統技術的壓出品和鍛件。
本發明的改進合金的主要合金元素(銅，鎂和鋰)的成分範圍在表1中列出。
表1銅、鎂和鋰成分範圍

加入銅來增加鋁基合金的強度。然而，一定要注意不要加入太多的銅，因為抗腐蝕性可能降低。而且，添加超過最大溶解度的銅可以導致斷裂韌度低，耐損害性低。
加入鎂來提供強度並降低密度。然而，應該注意不要加入太多的鎂，因為添加超過最大溶解度的鎂會導致斷裂韌度低和耐損害性低。
如圖1所示，依照本發明，加入到合金中的Cu和Mg的總量要保持在溶解度以下。在圖1中，對於包含在合金中的Cu和Mg的組合，表1中所列的典型的Cu和Mg的組合範圍表示為第一溶解度(1)和第二溶解度(2)。當其它合金添加物的量增加時，溶解度會降低，例如，從第一溶解度(1)降至第二溶解度(2)。舉例來說，添加Li、Ag和/或Zn可以趨於降低Cu和Mg的溶解度。
為保持在溶解度以下，Cu和Mg的含量應該符合公式Cu≤2-0.676(Mg-6)。優選地，當加入大約0.8wt％的Li時，Cu和Mg的含量符合公式Cu≤1.5-0.556(Mg-6)。
由此控制銅和鎂的量從而使其溶解在合金中。這是很重要的，因為在固溶體中的合金元素的原子或形成溶解物原子叢的合金元素的原子可以增加抗疲勞裂紋生長性。而且，需要控制銅、鎂和鋰的組合不超過最大的溶解度。
在所控制的銅和鎂的範圍內，鋰含量的範圍可為約0.01到0.9重量％，優選為約0.1或0.2重量％至約0.7或0.8重量％。依照本發明，已經發現相對少量的鋰明顯地增加合金的斷裂韌度和合金強度，並可使抗疲勞裂紋生長性增大而且能減少密度。然而，鋰含量若超過此含量，則顯著地減少了斷裂韌度。而且，因為超過最大溶解度將會導致斷裂韌度低和耐損害性低，應該注意不要加入太多的鋰。大約1.5重量％及大於約1.5重量％的添加物鋰會導致形成δ』(「delta prime」)狀態，組成為Al3Li。本發明的合金將避免出現Al3Li這個狀態。
不受任何特定理論的限制，過飽和固溶體中的鋰原子與鎂和/或銅原子的相互作用似乎導致形成W或T3狀態的溶解物的原子群。該現象可通過電子衍射圖像中出現漫射散播(diffuse scatter)來觀察。這個現象可能有助於改進本發明合金的抗疲勞性能。
除了鋁、銅、鎂和鋰之外，本發明的合金可以包含至少一種形成分散體的元素，該元素選自鉻、釩、鈦、鋯、錳、鎳、鐵、鉿、鈧和稀土族，其總量為大約0.05至約1重量％。舉例來說，錳可以約0.2至約0.7重量％的優選量存在。
可任選加入其它合金元素，例如鋅、銀和/或矽，加入量至多為2wt％。舉例來說，可以加入大約0.05至約2重量％的含量的鋅，其典型地為約0.2至約1重量％。作為一個具體實例，可加入0.5重量％含量的鋅。當將鋅添加到合金中時，鋅可作為鎂的部分或完全替代物。
可以加入約0.01至約2重量％的含量的銀，其典型地是約0.05至約0.6重量％。舉例來說，可加入約0.1至約0.4重量％的含量的銀。
可以加入約0.1至約2重量％的含量的矽，其典型地為約0.3至約1重量％。
依照本發明的具體實施例，某些元素可能排除在合金成分之外，也就是，不會有目的地將這些元素加入到合金，但是它們可能作為非故意的或不可避免的雜質出現。因此，必要時，合金可以是實質上不含有諸如Sc、Ag和/或Zn等元素。
人們已經發現，較低含量的銅、較高含量的鎂和較低含量的鋰的組合能使鋁合金的斷裂韌度和強度增強、抗疲勞裂紋生長性提高以及密度降低。斷裂韌度和強度是用於飛行器用途的鋁合金的關鍵特性。抗疲勞裂紋生長性也是耐損害的飛行器部件例如機身部分和下機翼部分的關鍵特性。眾所周知，飛行器的這些部件遭受周期性應力，例如隨機艙增壓和減壓而擴張和收縮的機身外殼，和在飛行時經受張應力並且當飛行器在地面時經受壓力的下機翼外殼。改進的抗疲勞裂紋生長性表示，裂紋將會更慢地生長且達到其臨界尺寸。這使得採用的檢查間隔更長，因此減少了飛行器運行成本。另一方面，當保持相同的檢查間隔時，可以增加作用應力，由此減輕飛行器重量。
下列實例闡明本發明的不同方面，並不是限制本發明的範圍。
例1將含有不同Li含量的組成如表2所列的五種Al-Cu-Mg基合金鑄造成錠。
表2鑄錠組成的測量值

然後，將表2中列出的錠製成板和片。基於量熱分析，依照下列各項將錠均質化。對於合金1、2和3將錠以50/hr加熱到905(16個小時)，然後在905均熱4小時，然後在2小時內加熱到970，並且均熱24小時。最後，將錠空氣冷卻到室溫。對於合金4和5將錠以50/hr加熱到905(16個小時)，在905均熱8小時，然後在2小時內加熱到940，均熱48小時，之後將其空氣冷卻到室溫。
將所有的錠加熱到940，而且在大約900時進行熱軋。在940時再加熱，使金屬溫度保持在750以上。控制軋制參數以提供大約0.5英寸輥縫縮減量(0.5-inch bite reduction)。製造出0.7英寸和0.5英寸規格板製品。除此之外，將片製品熱軋到0.10英寸的規格。
對於合金1、2和3，試樣在970的溫度下進行固溶熱處理(SHT)。板試樣進行2小時的SHT。片試樣得到只有1小時的均熱。對於合金4和5，試樣在940的溫度下進行固溶熱處理。板試樣進行2小時SHT。片試樣只進行1小時的均熱。
將所有試樣在室溫的水中淬火，而且在時效處理前伸展4％以達到T3狀態。所有的試樣在310下時效處理24小時以達到T8狀態。
測量0.5英寸規格板的斷裂韌度(KIc或KQ)、極限抗張強度、抗拉屈服強度和伸長(4D)。依照ASTM B 557「Standard Test Methods of Tension Testingof Wrought and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products」，對0.350英寸直徑的圓形試樣進行縱向拉伸測試。依照由ASTM B645-02「Standard Practicefor Plane Strain Fracture Toughness ofAluminum Alloys」增補的ASTM E399-90「Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of MetallicMaterials」，在L-T方向測量斷裂韌度。所用的試樣是全板厚度，並且W尺寸是1.0英寸。結果在表3列出，並且如圖2和3所示。只有合金5的測試結果滿足對於KIc在ASTM E399-90中的有效性要求。合金1-4的測試結果沒有達到下列的有效性標準(1)B≥2.5(KQ/σys)2；(2)a≥2.5(KQ/σys)2；以及(3)Pmax/PQ≤1.1，其中B、KQ、σys、Pmax和PQ如ASTM E 399-90中所定義。其它有效性標準全部符合。不符合有效性標準的測試結果是指定的KQ，測試結果保留的標號KIc符合所有的有效性標準。不滿足上述三項標準說明試樣厚度不足以達到如ASTM E399所定義的線彈性、平面應變的條件。所屬領域的技術人員將理解到，製品的韌度越高或者屈服強度越低，為滿足上述三項標準並且KIc達到有效的結果，所要求的厚度和寬度越大。板厚度必然限制了這些測試中的試樣厚度。通常認為有效的KIc是不依賴於試樣大小和幾何形狀的材料特性。所屬領域的技術人員將理解到，此時KQ值可提供有用的測量材料的斷裂韌度方面的測量數據，KQ值可以顯著地因試樣大小和幾何形狀的不同而不同。因此，如同在這些測試中所做的，當比較不同合金的KQ值時，在相同試樣大小基礎上進行比較是必要的。厚度和寬度不足以滿足上述有效性標準的試樣的KQ值通常低於較大試樣的有效KIc。
表3板的實測特性

測量0.150英寸規格片在L-T方向的斷裂韌度(Kc和Kapp)和在L方向的抗拉屈服強度。依照由ASTM B646-97「Standard Practice for FractureToughness Testing of Aluminum Alloys」增補的ASTM E561-98「StandardPractice for R-Curve Determination」進行測試。測試試樣是全片厚度的中部破裂應力M(T)試樣，其具有16英寸的寬度，包括在夾具之間大約38英寸距離的44英寸總長度，以及4英寸的初始裂紋長度2ao。依照ASTM B646計算Kc，並且依照Mil-Hdbk-5J「Metallic Materials and Elements for AerospaceStructural Vehicles」計算Kapp。結果如表4和圖4所示。在本領域中公認地，對於具有高斷裂韌度的合金，當試樣寬度增加或試樣厚度減少時，Kapp和Kc通常增加。Kapp和Kc也受初始裂紋長度2ao和試樣幾何形狀的影響。因此，如同在這些測試中所做的，不同合金的Kapp和Kc只能是具有相同的幾何形狀、寬度、厚度和初始裂紋長度的測試試樣之間才能進行可靠地比較。儘管在本發明合金(合金2-4)中觀察到的韌度的改進與所示類型和大小的測試試樣相對應，我們預期將會在其它類型和大小的測試試樣中看到相似的改進，但是Kapp和Kc值和數字差的絕對值可能由於剛才所述的理由而不同。
表4片的實測特性L方向

圖5是描繪在相同條件下，與傳統合金2524片的工業上典型值和最小值相對應的圖4所示的斷裂韌度和縱向抗拉屈服強度值的圖表。
如圖2-5所示，本發明含有大約0.2或0.7重量％的Li添加物的Al-Cu-Mg基合金與不含Li或含更大量的Li的相似的合金比較起來顯著地改進了斷裂韌度。此外，含有較低含量的鋰的本發明合金有效地實現了斷裂韌度和強度的組合得到改進。
例2鑄造含有下列成分的鋁-銅-鎂合金的錠(剩餘物是鋁和附帶的雜質)第1錠

製造此錠的材料稱為合金A。
此後，通過添加0.25％鋰得到0.25重量％的鋰的目標添加物，將剩餘的熔融金屬再鑄成合金(也就是，將已經製成的合金再一次鑄成合金)。然後，鑄造含有下列成分的第2錠(剩餘物是鋁和附帶的雜質)
第2錠

在此例的下文中將製造此錠的材料稱為合金B。
在鑄造第2錠後，添加0.25重量％的鋰得到0.50重量％的鋰的總目標添加物之後，將剩餘的熔融金屬再鑄成合金，得到第3錠。第3錠含有下列成分(剩餘物是鋁和附帶的雜質)第3錠

在此例的下文中將製造此錠的材料稱為合金C。
在鑄造第3錠後，然後添加另一0.26重量％的鋰，得到0.75重量％鋰的總目標添加物之後，將剩餘的熔融金屬再鑄成合金，得到第4錠。將第4錠鑄成含有下列成分(剩餘物是鋁和附帶的雜質)第4錠

在此例的下文中將製造此錠的材料稱為合金D。
四個錠是應力消除而且均質化的。然後錠受到標準的預浸處理，其後將錠用機器除去表層。然後，使用2XXX合金典型的熱軋方法將除去表層的錠熱軋成四(4)個分離的0.7英寸規格板。
在制出四個分離板之後，取下每一板的一部分。將取下的四個部分中的每一個進行(a)固溶熱處理；(b)淬火；以及(c)伸展1.5％。此後，由經過處理的四(4)個部分中的每一個製成八個抗張強度測試試樣，製成總計三十二個抗張強度測試試樣。來自八個組中每組(在每組中總計有四個板)的一個抗張強度測試試樣逐一受到如圖6的圖例所述的八個不同時效條件。此後，進行抗拉屈服強度測試，並得到如圖6所示的結果。將會看到，含有鋰添加物的合金表現了比無鋰合金更大的強度，其同時表現了熱穩定性。
此後，將四個板(即第1錠、第2錠、第3錠和第4錠)中的三個的剩餘部分逐一切成三份，每個板有塊1、2和3，一共為9塊。將所有三個板中的塊1進行(a)固溶熱處理；(b)淬火；(c)伸展1 1/2％；以及(d)通過在350下時效處理24個小時，使其時效處理達到T8狀態。這些塊被稱為合金A-T 8、合金C-T 8和合金D-T 8。將所有三個板中的塊2進行(a)固溶熱處理；(b)淬火；(c)伸展1 1/2％；以及(d)通過自然時效至T3狀態。將這些塊稱為合金A-T3、合金C-T3和合金D-T3。最後，將所有三個板中的塊3進行(a)固溶熱處理；(b)淬火；(c)冷軋9％；(d)伸展1 1/2％；以及(e)自然時效。這些塊被稱為合金A-T39、合金C-T39和合金D-T39。這些塊為本文報告的所有進一步測試提供了材料。
參照圖7，顯示了上面製成的九個塊中的每一個的測試部分的抗拉屈服強度與密度之比。可以看出，由於輔助添加物鋰而導致抗拉屈服強度與密度的比率得到改進。
現在參照圖8-12，將討論抗疲勞裂紋生長這個關鍵特性。圖8顯示了典型的疲勞裂紋生長性的圖示，以及顯示了其中的改進。圖的x-軸代表以應力強度因子範圍ΔK表示的對於疲勞裂紋蔓延的作用驅動力，其為作用應力、裂紋長度和部件幾何形狀的函數。圖的y-軸表示材料對作用驅動力的阻力，以裂紋蔓延速率的形式給出，表示為da/dN(英寸/周期)。按照習慣，ΔK和da/dN以對數比例表示。每個曲線表示不同的合金，而且具有右邊曲線的合金表現出了相對於具有左邊曲線的合金的改進的抗疲勞裂紋生長性。這是因為具有右邊曲線的合金對於給定的表示疲勞裂紋蔓延作用驅動力的ΔK展現了較慢的裂紋蔓延速率。所有合金的L-T方向的疲勞裂紋生長測試依照ASTME647-95a 「Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack GrowthRates」進行。測試試樣是具有4英寸的寬度和0.25英寸的厚度的中等裂紋應力M(T)的試樣。測試在25Hz下和在具有大於90％的相對溼度的受控高溼度空氣中進行。在這些測試中應力強度因子範圍ΔK的初始值是大約6ksi√in，測試是在ΔK為約20ksi√in時結束。
轉到圖9-11，可以看出，在有關圖8討論的標準基礎上，鋰添加物明顯增加了T3和T39狀態下的各個合金的抗疲勞裂紋生長性。圖12概括了對於裂紋驅動力ΔK等於10ksi√in的疲勞裂紋速率。在圖上部給出了抗疲勞裂紋生長性的百分率增長(也就是，疲勞裂紋生長速率的百分率減少)。合金C-T3和合金D-T3呈現27％和26％的增長，分別超過合金A-T3(沒有添加鋰)。超過合金A-T39(沒有添加鋰)的合金C-T39和合金D-T39的抗疲勞裂紋生長性的百分率增長分別是67％和47％。所屬領域的技術人員了解，由於環境對疲勞裂紋生長的作用，在潮溼的空氣環境中溼度水平和頻率可能顯著地影響疲勞裂紋生長速率。儘管本發明合金展現的疲勞裂紋生長改進相應於所述的比溼度和頻率，我們預期在其它測試條件下將會觀察到類似的改進。
關於T8合金，可以看出鋰添加物沒有改進抗疲勞裂紋生長性。對於人工時效合金，當時效達到最高強度時，鋰添加物的唯一好處就是增加強度和降低密度。
圖13和14分別顯示了T3和T39狀態在T-L方向的斷裂韌度R-曲線。R-曲線是抗裂紋性(KR)的測定值對穩定裂紋擴展(Δaeff)所作的曲線。此外，表5顯示了以KR25和KQ表示的T3、T39和T8狀態的合金A、C和D的斷裂韌度的單點測量值，其中KR25是在R-曲線上對應於與裂紋張開位移(COD)相對應的負載測試記錄值的25％正割偏移量(secant offset)的抗裂紋擴展性KR，KQ是對應於與COD相對的負載測試記錄的5％正割偏移量的抗裂紋擴展性。KR25適於測定中等強度、高韌度合金/例如T3和T39狀態的斷裂韌度，而KQ適於測定高強度、低韌度合金/例如T8狀態。R-曲線的測試是依照ASTM E561-98「Standard Practice for R-Curve Determination」進行。測試試樣是具有6英寸的W尺寸、0.3英寸的厚度、和2.1英寸初始裂紋長度ao的緊湊拉伸C(T)試樣。KR25值是依照ASTM B646-94「Standard Practicefor Fracture Toughness Testing of Aluminum Alloys」的相同測試法而進行測定。所屬領域的技術人員應了解，像Kc和Kapp的KR25值取決於試樣寬度、厚度和初始裂紋長度，也可以理解合金之間的可靠比較只能是相同尺寸試樣之間的比較。依照由ASTM B645-95補充的ASTM E399-90，在L-T方向進行平面應變斷裂韌度測試。使用的測試試樣有0.65英寸的厚度和1.5英寸的W尺寸。結果不滿足一個或多個下列有效性標準B≥2.5(KQ/σys)2；(2)a≥2.5(KQ/σys)2；以及(3)Pmax/PQ≤1.1，其中B、KQ、σys、Pmax和PQ如ASTME 399-90中所定義。有關對於上述標準無效的KQ值的前面論述也適用於這些結果。
表5強度和韌度的測量值(抗拉縱向特性-韌度方向L-T或T-L)

應了解，與不含鋰或含更多鋰的類似合金相比較，本發明的低含量鋰添加物顯著地改進了斷裂韌度。而且，本發明的鋰添加物在更高的強度水平上改進了韌度。因此，斷裂韌度和強度的結合得到顯著改進。由於在傳統鋁-銅-鎂-鋰合金中，鋰添加物公知是能降低斷裂韌度的，所以斷裂韌度和強度的結合得到顯著改進是意想不到的。
儘管我們已經揭示了本發明的特定具體實施例，但是所屬領域的技術人員應了解，在本公開的全部教導的基礎上，能夠獲得對於這些細節方面的各種修改和變化。因此，所揭示的特定實施只是用來作為例證，而不是限制本發明的範圍，本發明的範圍包括附註的權利要求及其任何和所有等效物的全部範圍。
權利要求
1.一種鋁合金，其包含約3至約5重量％的Cu、約0.5至約2重量％的Mg和約0.01至約0.9重量％的Li，其中Cu和Mg在合金中的總量低於合金的溶解度。
2.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Li含量為約0.1至約0.8重量％。
3.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Li含量為約0.2至約0.7重量％。
4.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Cu含量為約3.5至約4.5重量％。
5.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Cu含量為約3.6至約4.4重量％。
6.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Mg含量為約0.6至約1.5重量％。
7.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Mg含量為約0.7至約1重量％。
8.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Cu和Mg的含量符合公式Cu≤2-0.676(Mg-6)。
9.根據權利要求1所述的鋁合金，其中Cu和Mg含量符合公式Cu≤1.5-0.556(Mg-6)。
10.根據權利要求1所述的鋁合金，其進一步包含約0.01至約2重量％的Ag。
11.根據權利要求10所述的鋁合金，其中Ag含量為約0.05至約0.5重量％。
12.根據權利要求10所述的鋁合金，其中Ag含量為約0.1至約0.4重量％。
13.根據權利要求1所述的鋁合金，其進一步包含約0.05至約2重量％的Zn。
14.根據權利要求13所述的鋁合金，其中Zn含量為約0.2至約1重量％。
15.根據權利要求13所述的鋁合金，其中Zn含量是大約0.5重量％。
16.根據權利要求1所述的鋁合金，其進一步包含約0.1至約2重量％的Si。
17.根據權利要求16所述的鋁合金，其中Si含量為約0.3至約1重量％。
18.根據權利要求1所述的鋁合金，其進一步包含至少一種形成分散體的元素，該元素選自鉻、釩、鈦、鋯、錳、鎳、鐵、鉿、鈧和稀土元素。
19.根據權利要求18所述的鋁合金，其中該至少一種形成分散體的元素存在的總量至多為合金的約1.0重量％。
20.根據權利要求1所述的鋁合金，其進一步包含從約0.2至約0.7重量％的Mn。
21.根據權利要求1所述的鋁合金，其中鋁合金是片的形式。
22.根據權利要求1所述的鋁合金，其中鋁合金是板的形式。
23.根據權利要求1所述的鋁合金，其中鋁合金是壓出品的形式。
24.根據權利要求1所述的鋁合金，其中鋁合金是鍛件的形式。
全文摘要
一種含輔助添加物鋰的鋁－銅－鎂合金。該合金組合物包含約3至約5重量％的Cu、約0.5至約2重量％的Mg和約0.01至約0.9重量％的Li。保持Cu和Mg總量低於鋁合金的溶解度。該合金使斷裂韌度和強度的結合得到改進，並且展現了優良的抗疲勞裂紋生長性。
文檔編號C22C21/16GK1878880SQ200480033128
公開日2006年12月13日 申請日期2004年9月27日 優先權日2003年10月3日
發明者羅伯託·J.·裡奧哈, 加裡·H.·布雷, 保羅·E.·馬格努森 申請人:阿爾科公司