專利名稱：高強度al－mg－si平衡合金的生產(chǎn)方法以及所述合金的可焊接產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)具有改善的抗疲勞裂紋生長抗力和存在低含量金屬間化合物的高強度Al-Mg-Si平衡合金產(chǎn)品的方法，根據(jù)權(quán)利要求17的高強度Al-Mg-Si平衡合金的可焊接產(chǎn)品以及由該合金制備的飛機外殼材料。更具體地，本發(fā)明涉及由鋁協(xié)會應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的國際術(shù)語6000系列指定的高強度Al-Mg-Si合金。
本領(lǐng)域現(xiàn)已知道在一些涉及相對高強度的場合，例如飛機機身、車輛組件以及其它場合使用可熱處理的鋁合金。眾所周知，鋁合金6061和6063是可熱處理的鋁合金。這兩種合金在T4和T6回火態(tài)均具有有用的強度和韌性。大家知道，T4狀態(tài)指的是固溶熱處理并淬火的狀態(tài)，經(jīng)自然時效后獲得基本穩(wěn)定的性能，而T6狀態(tài)指的是通過人工時效產(chǎn)生的強度更高的狀態(tài)。但是，所述這些鋁合金對于大部分航空結(jié)構(gòu)場合而言強度不足。
其他幾種AA6000系列合金一般不適合用于設(shè)計商用飛機，因為不同類型的結(jié)構(gòu)要求不同的性能組合。根據(jù)特定飛機組件的設(shè)計準(zhǔn)則，在強度、斷裂韌性和疲勞抗力上甚至很小的改善都能夠帶來重量的減輕，這繼而又在飛機服役期間轉(zhuǎn)變成燃料的節(jié)約，和/或更高程度的安全性。為了滿足這些要求，已開發(fā)了其它幾種6000系列合金。
歐洲專利申請EP-A-0173632涉及一種合金擠壓或鍛造產(chǎn)品，該合金由如下合金元素組成，以wt.％計Si 0.9-1.3，優(yōu)選1.0-1.15Mg 0.7-1.1，優(yōu)選0.8-1.0Cu 0.3-1.1，優(yōu)選0.8-1.0Mn 0.5-0.7Zr 0.07-0.2，優(yōu)選0.08-0.12
Fe ＜0.30Zn 0.1-0.7，優(yōu)選0.3-0.6余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)(每種＜0.05，總量＜0.15)。該產(chǎn)品具有未再結(jié)晶的顯微組織。該鋁合金已被注冊為6056(AA名稱)。
該專利申請指出這種已知的AA6056合金在T6回火狀態(tài)對晶間腐蝕敏感。為了克服這一問題，美國專利5,858,134提供了一種制備軋制或者擠壓產(chǎn)品的方法，所述產(chǎn)品具有如下組成，以wt.％計Si 0.7-1.3Mg 0.6-1.1Cu 0.5-1.1Mn 0.3-0.8Zr ＜0.20Fe ＜0.30Zn ＜1Ag ＜1Cr ＜0.25其他元素＜0.05，總量＜0.15余者為鋁，并進(jìn)而使產(chǎn)品處于過時效回火狀態(tài)，這就需要在飛機組件制造廠加工結(jié)束時增加既耗時又費錢的處理時間。為了獲得改善的晶間腐蝕抗力，該方法的要點是鋁合金中，Mg/Si比值小于1。
美國專利4,589,932公開了一種用于例如汽車和飛機結(jié)構(gòu)的鋁合金鍛造合金，該合金隨后被注冊為6013(AA名稱)，其具有如下組成，以wt.％計Si 0.4-1.2，優(yōu)選0.6-1.0Mg 0.5-1.3，優(yōu)選0.7-1.2Cu 0.6-1.1Mn 0.1-1.0，優(yōu)選0.2-0.8Fe ＜0.6
Cr ＜0.10Ti ＜0.10余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)。該鋁合金具有強制性條件，即[Si+0.1]＜Mg＜[Si+0.4]，而且，已在549-582℃接近該合金固相線的溫度下進(jìn)行了固溶熱處理。在說明此專利的實例中，比值Mg/Si總大于1。
美國專利5,888,320公開了一種制備鋁合金產(chǎn)品的方法。該合金產(chǎn)品具有如下組成，以wt.％計Si 0.6-1.4，優(yōu)選0.7-1.0Fe ＜0.5，優(yōu)選＜0.3Cu ＜0.6，優(yōu)選＜0.5Mg 0.6-1.4，優(yōu)選0.8-1.1Zn 0.4-1.4，優(yōu)選0.5-0.8至少一種如下元素Mn 0.2-0.8，優(yōu)選0.3-0.5Cr 0.05-0.3，優(yōu)選0.1-0.2余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
該公開的鋁合金提供了一種已知高銅含量6013合金的替代合金，在這里，合金中的銅含量低，而且，鋅含量增加至高于0.4wt.％，優(yōu)選為0.5-0.8wt.％。據(jù)報道要求鋅含量較高是為了補償銅的減少。
歐洲專利申請EP-1143027公開了一種制備6000系列Al-Mg-Si合金的方法，該合金具有如下組成，以wt.％計Si 0.7-1.3Mg 0.6-1.1Cu 0.5-1.1Mn 0.3-0.8Zn ＜1Fe ＜0.3Zr ＜0.2
Cr ＜0.25其他元素＜0.05，總量＜0.15余者為鋁，其中，對該產(chǎn)品進(jìn)行人工時效處理，以改善合金，并且使其具有與優(yōu)選用于航空領(lǐng)域但不可焊接的AA2024系列合金相似的高破壞容限(″HDT″)特性。時效工藝通過利用化學(xué)組成的各自功能進(jìn)行優(yōu)化。
歐洲專利申請EP-1170118-A1公開了一種與在EP-1143027中所述相似的鋁合金，其中，將用于航空應(yīng)用的鋁合金薄板的一個或兩個表面加以包覆，以改善耐腐蝕性。AA6000系列合金核心薄板采用Al-Zn合金包覆薄板進(jìn)行包覆。這種包覆薄板可以用于制造飛機結(jié)構(gòu)部件。因為它們耐腐蝕，而且靜態(tài)機械性能提高，因此的確具有優(yōu)勢。該申請也指出在實施包覆之前，對核心材料在530-575℃下進(jìn)行均勻化處理，時間長達(dá)1-8個小時。
美國專利US-5,607,524公開了一種由鋁合金管材制備汽車或卡車用鋁驅(qū)動軸的方法。該鋁合金包括范圍非常廣的6000系列合金。管材可以在約260-426℃的溫度下擠壓加工而成。
EP-1029937-A1公開了一種Al-Mg-Si合金薄板，通過至少控制立方(Cube)取向的取向密度，可以使該合金薄板具有比傳統(tǒng)Al-Mg-Si基合金薄板更好的可壓制成形性能。此材料適合用于汽車的引擎罩或者箱體罩。
AA6000系列合金的普遍優(yōu)勢是其可焊接。然而，雖然銅能夠提高鋁合金的強度，但其含量較高卻會損害耐腐蝕性。尤其是對于設(shè)計航空領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件而言，提高疲勞裂紋生長抗力和降低金屬間化合物含量能夠使性能更優(yōu)、重量更輕，這繼而又在飛機服役期間轉(zhuǎn)變成燃料的節(jié)約或更高程度的安全性。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的高破壞容限(″HDT″)的6000系列鋁合金，該合金具有疲勞裂紋生長抗力、耐腐蝕性以及改善的強度和韌性等相互平衡的性能。所述合金應(yīng)該具有可焊接性，并且同時具有與AA2024系列合金類似的性能。HDT性能應(yīng)該優(yōu)于AA2024-T3合金，并且優(yōu)選優(yōu)于AA2524-T3。
更具體地，對于處于6013系列和6056系列合金范圍內(nèi)的軋制AA6000系列鋁合金應(yīng)用于航空領(lǐng)域時的一般要求是疲勞裂紋生長速率(″FCGR″)應(yīng)該不大于一個規(guī)定的最大值。能夠滿足高破壞容限2024系列合金產(chǎn)品要求的FCGR比如是FCGR低于0.001mm/周期(ΔK＝20MPa√m)和0.01mm/周期(ΔK＝40MPa√m)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于制造飛機工業(yè)中的結(jié)構(gòu)部件的高強度Al-Mg-Si平衡合金的可焊接產(chǎn)品，以及提供由這種合金制備的飛機蒙皮材料。
獨立權(quán)利要求1和16的特征使本發(fā)明的上述目標(biāo)得以實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中對優(yōu)選實施方案的特征進(jìn)行了說明，其中，由根據(jù)本發(fā)明合金制備的飛機蒙皮材料在權(quán)利要求30-32中進(jìn)行了說明。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)具有改善疲勞裂紋生長抗力和低含量金屬間化合物的高強度Al-Mg-Si平衡合金的方法，其包括如下步驟a)澆注一種鑄錠，該鑄錠具有如下組成(以wt.％計)Si0.75-1.3Cu0.6-1.1Mn0.2-0.8Mg0.45-0.95Fe0.01-0.3Zr＜0.25Cr＜0.25Zn＜0.35Ti＜0.25V ＜0.25Hf＜0.25雜質(zhì)每種低于0.05，總量小于0.20，余者為鋁，b)任選對澆注之后的鑄錠進(jìn)行均勻化處理，c)在高于520℃的溫度下對鑄錠預(yù)加熱處理4-30小時，
d)對鑄錠進(jìn)行熱加工(優(yōu)選借助軋制)，以及任選進(jìn)行冷加工(優(yōu)選借助軋制)，e)固溶熱處理，以及f)對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行淬火。
預(yù)加熱步驟c)的優(yōu)選實施條件是在530-560℃溫度下，優(yōu)選在約550℃下，持續(xù)6-18小時，特別是6-12小時。而且，有利的是在預(yù)加熱步驟c)之前和在澆注步驟a)之后，還對鑄錠在低于530℃溫度下，優(yōu)選在約510℃下進(jìn)行均勻化處理。
此外，通過調(diào)整Mn相對于Cu和Mg含量的平衡(以wt.％計)，例如，[Cu]＞1.8[Mn]，優(yōu)選[Cu]＞2.25[Mn]，和/或[Mg]＞2.0[Mn]，優(yōu)選[Mg]＞2.2[Mn]，能夠進(jìn)一步改善合金的化學(xué)組成。
通過預(yù)加熱步驟和改善的平衡的化學(xué)組成，獲得的產(chǎn)品具有特定的顯微組織結(jié)構(gòu)組成，這一點采用差示掃描量熱儀(″DSC″)來確定，其中，低熔點初期相(＝金屬間化合物，熔化溫度較低)的量可以通過確定與這一方法有關(guān)的比能Δ(Delta) 來測量。US-5,560,789中對這種差示掃描量熱儀進(jìn)行了介紹，該差示掃描量熱儀通過晶界內(nèi)以及晶界之間可溶或者不可溶金屬間化合物的量定義合金的質(zhì)量，所述金屬間化合物對于所獲合金的質(zhì)量有害。
均勻化是一種使鑄態(tài)結(jié)構(gòu)得到均勻/改善的熱處理。通過均勻化處理，能夠至少部分消除或者減少鑄態(tài)缺陷，如低熔點相，從而實現(xiàn)元素的更均勻分布(對于AA6xxx，指的是Mg，Si和Cu)。優(yōu)選地，均勻化處理的確包括一個加熱過程以及一個保溫和一個冷卻至室溫，或者至少低于100℃的過程。受控加熱過程對于通過使低熔點相在更低的溫度下溶解或轉(zhuǎn)變?nèi)缓笕刍撓?，從而也將低熔點相消除非常重要。保溫時間和溫度對于元素的均勻分布很重要，即元素的均勻分布需要充分的時間使元素在基體中擴散。
預(yù)加熱是對鑄錠進(jìn)行加熱，以便使均勻化溫度能夠到達(dá)整個軋錠或鑄錠內(nèi)部。預(yù)加熱的確包括一個加熱過程和一個保溫過程。保溫對于在鑄錠中獲得均勻的溫度是必需的。令人驚奇地，已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明，預(yù)加熱步驟很重要，能夠提高da/dN值，即疲勞裂紋生長抗力(″FCGR″)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，均勻化和預(yù)加熱處理合并一起。在均勻化循環(huán)的冷卻期間，鑄錠冷卻至預(yù)加熱溫度或者熱軋溫度，然后立即熱軋。
根據(jù)本發(fā)明，所述高強度Al-Mg-Si平衡合金中(低熔點)金屬間化合物的含量(根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果)低于1.5J/g，優(yōu)選低于1.0J/g，甚至更優(yōu)選低于0.65J/g。
本發(fā)明的可焊接鋁合金的高成型性、良好的斷裂韌性和疲勞裂紋生長抗力，高強度以及良好的耐腐蝕性之間的平衡取決于化學(xué)組成，該化學(xué)組成被嚴(yán)格控制在后面將更為詳細(xì)給出的特定范圍內(nèi)。本發(fā)明中，已發(fā)現(xiàn)所述的各性能之間的平衡可以通過所述合金產(chǎn)品的加工路線進(jìn)一步優(yōu)化。所有組成百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
硅含量的優(yōu)選范圍為0.8-1.1％，以便同鎂一起使合金產(chǎn)品的強度最佳。Si含量過高，尤其會對T6回火態(tài)的延伸率以及合金產(chǎn)品的腐蝕性能有害。Si含量太低，則不能使合金獲得充分的強度。硅含量的更優(yōu)選范圍為0.79-0.92％。
鎂同硅一起提供合金產(chǎn)品的強度。鎂的優(yōu)選范圍是0.60-0.90％。至少需要0.45％的鎂以便獲得足夠的強度，但是當(dāng)其含量超過0.95％時，難于使足夠的溶質(zhì)溶解來獲得充分的時效硬化析出物，來提供高的T6抗拉強度。鎂含量的更優(yōu)選范圍是0.70-0.80％。
銅是提高合金強度的重要元素。然而，銅含量過高對合金產(chǎn)品的耐腐蝕性能和可焊接性能有害。銅含量的優(yōu)選范圍是0.7-1.0％，更優(yōu)選0.75-0.90％，以便對強度、韌性、成型性和腐蝕性能進(jìn)行綜合平衡，同時仍然能夠獲得充分的破壞容限性能。
錳的優(yōu)選含量為0.20-0.60％，更優(yōu)選0.30-0.40％。Mn在能夠引起合金顯微組織再結(jié)晶的操作期間有益于或者有助于控制晶粒尺寸。Mn的上述優(yōu)選含量比在已知AA6056合金中通常使用的含量低，但是仍然能夠獲得充分的強度和改善的破壞容限性能。為了對所要求的各性能之間的平衡進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選合金產(chǎn)品的化學(xué)組成也滿足條件[Cu]＞1.8[Mn]，優(yōu)選[Cu]＞2.25[Mn]和/或[Mg]＞2.0[Mn]，優(yōu)選[Mg]＞2.2[Mn]。
根據(jù)本發(fā)明的合金中鋅含量應(yīng)低于0.35％，更優(yōu)選低于0.2％。已報道添加鋅可以提高鋁合金的強度，但是本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)鋅含量過高對合金產(chǎn)品的晶間腐蝕性能有害。而且，添加鋅傾向于使獲得的產(chǎn)品具有不希望的高密度，這一點對于當(dāng)合金產(chǎn)品應(yīng)用于航空領(lǐng)域時尤其不利。但是，如果對合金產(chǎn)品進(jìn)行包覆，則可以在包覆層中使用更多的鋅，以獲得更高強度。
鐵是影響合金產(chǎn)品的成型性和斷裂韌性的元素。鐵含量應(yīng)該為0.01-0.3％，優(yōu)選0.01-0.25％，更優(yōu)選0.01-0.20％。
鈦是鑄錠凝固期間作為晶粒細(xì)化劑的重要元素，應(yīng)該優(yōu)選低于0.25％。本發(fā)明中已發(fā)現(xiàn)通過使Ti含量為0.06-0.20％，并且優(yōu)選為0.07-0.16％，能夠顯著改善腐蝕性能，特別是抗晶間腐蝕性能。
鋯和/或鉻和/或釩和/或鉿均可以加入到合金中。每種元素含量低于0.25％以改善合金的再結(jié)晶行為和/或腐蝕性能(″ICG″)。添加Zr/Cr可以獲得更細(xì)長的晶粒。
余者是鋁和不可避免的雜質(zhì)。典型地，每種雜質(zhì)元素最大含量為0.05％，雜質(zhì)總量最多為0.20％。
當(dāng)合金產(chǎn)品具有再結(jié)晶顯微組織時，能夠獲得最佳結(jié)果，意味著有70％或者更多，優(yōu)選80％或者更多的在T4或T6回火態(tài)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶。
根據(jù)本發(fā)明的合金產(chǎn)品的優(yōu)選特征在于該合金通過時效循環(huán)已被時效至T6回火態(tài)，該時效循環(huán)包括暴露在150-210℃溫度下長達(dá)1-20小時，由此，所獲合金產(chǎn)品的屈服強度為335MPa或更高，優(yōu)選為345MPa或更高，抗拉強度為355MPa或更高，優(yōu)選為365MPa或更高。
人工時效步驟優(yōu)選在加工產(chǎn)品淬火之后進(jìn)行，其中，所使用的溫度為約160-200℃，時間長達(dá)1-16小時，優(yōu)選為約190℃約4小時的T62回火條件。
根據(jù)本發(fā)明的可焊接產(chǎn)品由具有改善疲勞裂紋生長抗力和低含量金屬間化合物的高強度Al-Mg-Si平衡合金組成，該合金具有上述組成，而且，其疲勞裂紋生長速率，在ΔK＝20MPa√m時低于9.0E-04，而在ΔK＝40MPa√m時低于9.0E-03，而且，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果，最終加工的合金產(chǎn)品中金屬間化合物或者低熔點初期相的量低于1.5J/g。為了獲得DSC參量，可以使用一種Pyris 1型功率補償掃描量熱儀。那時，將樣品放在石墨試樣支架中，并且在保護(hù)性氮氣氛中進(jìn)行測量。加熱速率那時為20℃/min，所使用的最高溫度低于合金的熔化溫度，因而最高約550℃。數(shù)據(jù)可以采用Pyris系列熱分析管理器V 3.81獲得。
根據(jù)本發(fā)明的合金產(chǎn)品中Mg/Si比值為0.8-1.375，其中，對Si/Mg比值大小與Cu含量(以wt.％計)進(jìn)行平衡。因此，采用例如激光束焊接、摩擦攪拌焊接和TIG焊接等技術(shù)能夠成功地將所述合金產(chǎn)品焊接起來。為了對所要求的各性能之間的平衡進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選合金產(chǎn)品的化學(xué)組成也滿足條件[Si]＞[Cu]＞[Mg]或者[Si]＜[Cu]＜[Mg]，優(yōu)選平衡關(guān)系為([Si]+[Mg])/2＝[Cu]±0.1，優(yōu)選[Cu]±0.05，最優(yōu)選[Cu]±0.02。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明的合金產(chǎn)品可以存在至少一個包覆層。這種包覆產(chǎn)品采用本發(fā)明的鋁基合金產(chǎn)品作為核心，和純度一般更高的包覆層，這樣會對核心特別具有腐蝕保護(hù)作用。包覆層包括(不僅限于此)基本未合金化的鋁或者所有其他元素含量不超過0.1或1.0％的鋁。此外，可以使用電化學(xué)電位比核心層低的犧牲型Al合金，或者電化學(xué)電位比核心層高的保護(hù)型Al合金。
此處命名的1xxx型系列鋁合金包括所有鋁業(yè)協(xié)會(″AA″)合金，包括子類1000型、1100型、1200型、和1300型。因而，核心上的包覆層可以選自各種鋁業(yè)協(xié)會合金例如1060，1045，1100，1200，1230，1135，1235，1435，1145，1345，1285，1188或者1199。此外，AA7000系列合金中的合金，例如含鋅(0.8 to 1.3％)的7072可以作為包覆層，而AA6000系列合金中的合金，例如6003或者6253，典型地含有大于1％的合金添加，也可以作為包覆層。只要尤其能夠?qū)诵暮辖鹁哂腥娓g保護(hù)作用，其它任何合金都可以作為包覆層。
此外，AA4000系列合金也可以作為包覆層。AA4000系列合金中的主要合金元素硅的含量典型地為6-14％。在該實施方案中，包覆層在焊接操作中例如借助激光束焊接提供焊接填充材料，并且，因而能夠避免在焊接操作中需要使用額外的填充焊絲材料。該實施方案中，硅含量優(yōu)選10-12％。
包覆層通常比核心薄的多，每層構(gòu)成復(fù)合材料總厚度的2-15％或20％或者，可能地，25％。包覆層更典型地構(gòu)成復(fù)合材料總厚度的約2-12％。
在一個優(yōu)選實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的合金產(chǎn)品上帶有包覆層，其一側(cè)是AA1000系列合金，而另一側(cè)是AA4000系列合金。
使用包覆層的主要原因是提高整個產(chǎn)品的耐腐蝕性。一般地，能夠采用兩種不同的方法實施包覆a)包覆層比核心更具有惰性(因而屬于保護(hù)型)，電化學(xué)電位比核心層高(負(fù)的程度較小)，或者b)包覆層的惰性不如核心高(因而屬于犧牲型)，電化學(xué)電位比核心層低。
優(yōu)選方法b)。雖然優(yōu)選包覆層本身具有良好的腐蝕行為(這將提高壽命)，但這不是必需的。當(dāng)包覆層因腐蝕或其它破壞而被穿透時，包覆層對于核心仍保持犧牲型，結(jié)果，核心仍得到保護(hù)。
對于兩種方法而言，均需要在包覆層與核心之間存在腐蝕電位差。根據(jù)常識性知識，此差值應(yīng)該約60-130mV，優(yōu)選100mV或更大。也已知可以通過添加某些元素改變合金的腐蝕電位(例如，Cu使合金惰性更高，而Zn則使合金惰性降低)。
對于本發(fā)明的某些合金產(chǎn)品，能夠在兩側(cè)施用不同的包覆層，或者產(chǎn)品僅僅在一側(cè)有包覆層。
對本發(fā)明產(chǎn)品的如下包覆是可行的。
1)薄板兩側(cè)存在包覆層，2)薄板至少一側(cè)存在包覆層，3)薄板兩側(cè)采用不同的包覆合金，4)薄板上存在鋁合金包覆層，5)薄板一側(cè)或兩側(cè)使用一種以上或者多種包覆合金(應(yīng)用于航空領(lǐng)域的多包覆層方法)，6)薄板的包覆層與核心合金之間的腐蝕電位差至少30mV，優(yōu)選50mV或者更大，7)薄板的包覆層與核心合金之間的腐蝕電位差為30-180mV，優(yōu)選50-120mV，8)薄板上的包覆層由AA 1xxx，AA 2xxx，AA 3xxx，AA 4xxx，AA 5xxx，AA 6xxx，AA 7xxx或AA 8xxx合金制成，9)薄板上的包覆合金是一種AA注冊的合金，其含有至少一種AA范圍之外的元素，或者添加附加元素(例如，Zn，Mn，Cu，Si)，以進(jìn)一步改善腐蝕性能，優(yōu)選使腐蝕電位差為30-180mV，優(yōu)選50-120mV，或者10)薄板一側(cè)上的包覆層用于改善耐腐蝕性，而另一側(cè)上的包覆層用于改善焊接性或者焊接之后的性能。
此外，本發(fā)明涉及由采用上述方法制備的高強度Al-Mg-Si平衡合金加工而成的飛機蒙皮材料。已令人驚奇的發(fā)現(xiàn)與熱軋操作之前的均勻化處理再結(jié)合預(yù)熱處理的傳統(tǒng)工藝相比，預(yù)加熱步驟c)能夠改善軋制合金產(chǎn)品的疲勞裂紋生長抗力。此外，已發(fā)現(xiàn)溫度低于或等于530℃、保溫時間小于或等于6小時的均勻化處理能夠改善晶間腐蝕抗力、屈服強度和缺口韌性。因此，該飛機蒙皮材料優(yōu)選適合于作為飛機機身蒙皮材料，而且，其厚度可以高達(dá)15mm，優(yōu)選高達(dá)12-15mm。
與預(yù)加熱步驟相比，均勻化對性能有不同的影響。正如后面將詳細(xì)介紹的那樣，本發(fā)明的結(jié)果表明高溫預(yù)加熱對于達(dá)到可接受的強度水平(Rp大于350MPa)是比不可少的。已發(fā)現(xiàn)最佳的預(yù)加熱工藝是在約550℃下約8-10小時。此外，已發(fā)現(xiàn)均勻化時間不應(yīng)該過長，或者溫度尤其是應(yīng)低于530℃。如果預(yù)加熱步驟的溫度太低，或者均勻化處理的時間太長或者溫度過高，則性能會下降，并且變得不可接受。
實施例由下面對優(yōu)選實施方案的詳細(xì)介紹，根據(jù)本發(fā)明的合金的上述及其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見。

圖1-4均為表1中的鋁合金在進(jìn)行晶間腐蝕實驗之后的放大照片。
工業(yè)規(guī)模澆注出4種不同鋁合金鑄錠，它們的化學(xué)組成如表1所示。
表1 DC鑄造鋁合金的化學(xué)組成(wt.％)，Zn＝0.01，Ti＝0.03，余者為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
將鑄錠鋸切制成尺寸為10×10cm樣塊，熱軋至9.0mm厚，并且冷軋至2.0mm的最終厚度。所采用的固溶熱處理為550℃下15分鐘。隨后進(jìn)行淬火，并且在190℃時效處理4小時，至T62回火態(tài)。
表1所示所有合金均進(jìn)行均勻化和預(yù)加熱處理。合金1和2的實施例分別示于下面的表2和3中。
表2 對合金1實施的均勻化以及預(yù)加熱處理中保溫溫度(℃)和保溫時間(小時)總覽。
表3 對合金2實施的均勻化以及預(yù)加熱處理中保溫溫度(℃)和保溫時間(小時)總覽。
采用Euro規(guī)范小試樣測試了處于T62回火態(tài)的未包覆軋制合金產(chǎn)品在L方向拉伸性能，其中，Rp代表屈服強度，Rm代表極限抗拉強度，Ag代表延伸率。兩種合金的上述性能測試結(jié)果分別示于表4和5中。
表4 處于T62回火態(tài)的合金1的拉伸性能和晶間腐蝕行為與熱軋之前的熱處理之間的關(guān)系。
表5 處于T62回火態(tài)的合金2的拉伸性能和晶間腐蝕行為與熱軋之前的熱處理之間的關(guān)系。
由表2和3可知ΔH結(jié)果比現(xiàn)有技術(shù)合金更優(yōu)。具體地，金屬間化合物或者低熔點初期相的量低于1.0J/g。為了獲得DSC參量，使用一種Pyris 1型功率補償掃描量熱儀。將樣品放在石墨試樣支架中，并且在保護(hù)性氮氣氛中進(jìn)行測量。加熱速率那時為20℃/min。數(shù)據(jù)采用Pyris系列熱分析管理器V 3.81獲得。
晶間腐蝕(IGC)根據(jù)MIL-H-6088和AIMS 03-04-000中給出的進(jìn)一步要求進(jìn)行測定。這里，P定義為純點蝕，P(i)是腐蝕坑底部存在點蝕并帶有輕微的晶間腐蝕，I是局部晶間腐蝕，I(+)是嚴(yán)重的晶間腐蝕。
為了確定疲勞裂紋生長抗力(FCGR)，根據(jù)ASTM E-647對合金1C，1D和1G以及2A，2C和2G的80mm寬的板條試樣進(jìn)行了實驗(CCT或者M(jìn)(T)試樣，80mm寬，2ai(起始裂紋)＝4.0mm，R＝0.1，無抗翹曲，相對濕度＞40％，測試溫度為室溫，頻率5Hz，裂紋長度采用脈沖DCPD測量，光學(xué)校正)。所獲結(jié)果示于表6中。
表6.合金1和合金2實施例在ΔK(MPa√m)時的疲勞裂紋生長抗力(″-″意味著″未測量″)。
由表6可以看出對于FCGR 20，其疲勞裂紋生長速率大小低于9.0E-04；而對于FCGR 40，其值低于9.0E-03。這些合金的確具有良好的強度和韌性以及P(i)型晶間腐蝕特性和低于ΔH＝0.65J/g的(低熔點)金屬間化合物含量。
圖1-4示出了表1所示4種合金的晶間腐蝕。圖1示出的是合金1的晶間腐蝕，其深度約為90μm，如表4所示。這是試樣編號為1C的合金得到的，該合金未進(jìn)行均勻化處理，其預(yù)加熱處理的時間為6小時，溫度為550℃。
圖2示出的是合金2的晶間腐蝕，其深度(根據(jù)表5)約為110μm。該合金對應(yīng)的合金編號為2D，其未進(jìn)行均勻化處理，其預(yù)加熱處理工藝為550℃下保溫12小時。
圖3示出的是合金3的晶間腐蝕，其深度約為180μm，而圖4示出的是合金4的晶間腐蝕，其深度約為140μm。由上述實施例可以看出合金1和2的晶間腐蝕性能優(yōu)于合金3和4。這里，銅含量比錳含量高兩倍以上，鎂含量也比錳含量高兩倍以上。
由表4和5所示結(jié)果可以看出，由于化學(xué)組成得到了優(yōu)化，合金1和2的晶間腐蝕程度明顯較輕(圖1和2)。此外，可以看出熱軋之前已進(jìn)行均勻化處理和預(yù)加熱處理的試樣趨于表現(xiàn)出深度較淺的晶間腐蝕。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的合金的確具有改善的疲勞裂紋生長抗力和低的金屬間化合物含量，因而能夠?qū)崿F(xiàn)高的破壞容限特性與良好耐腐蝕性之間的良好平衡。
至此，已對本發(fā)明進(jìn)行了充分介紹，對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員顯而易見的是在不偏離此處述及的本發(fā)明范圍的條件下，可以進(jìn)行多種變化和修正。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)具有改善疲勞裂紋生長抗力和低含量金屬間化合物的高強度Al-Mg-Si平衡合金產(chǎn)品的方法，其包括如下步驟a)澆注一種鑄錠，該鑄錠具有如下組成(以wt％計)Si0.75-1.3Cu0.6-1.1Mn0.2-0.8Mg0.45-0.95Fe0.01-0.3Zr＜0.25Cr＜0.25Zn＜0.35Ti＜0.25V＜0.25Hf＜0.25雜質(zhì)每種低于0.05，總量小于0.20，余者為鋁，b)任選對鑄錠進(jìn)行均勻化處理，c)在高于520℃的溫度下對澆注之后的鑄錠預(yù)加熱處理4-30小時，d)對鑄錠進(jìn)行熱加工，以及任選進(jìn)行冷加工，e)固溶熱處理，以及f)對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行淬火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，預(yù)加熱在530-560℃的溫度下進(jìn)行6-18小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，在預(yù)加熱之前和在澆注之后，在低于530℃下對鑄錠進(jìn)行均勻化處理。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果，最終的合金加工產(chǎn)品中，金屬間化合物或者低熔點初期相的含量低于1.5J/g。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果，最終的合金加工產(chǎn)品中，金屬間化合物或者低熔點初期相的含量低于1.0J/g，優(yōu)選低于0.65J/g。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，Mg/Si之比值為0.8-1.375。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，Si含量(以wt.％計)為0.8-1.1，而Mg含量為0.8-0.95。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，Si含量為0.79-0.92wt.％。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，Cu含量(以wt.％計)為0.7-1.0。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，Cu含量(以wt.％計)為0.75-0.90。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，Mn含量(以wt.％計)為0.2-0.6。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，Mn含量(以wt.％計)為0.30-0.40。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，在步驟f)中對加工產(chǎn)品淬火之后，將所述產(chǎn)品時效至T4和/或T6回火態(tài)，優(yōu)選至溫度約160-200℃、時間為1-16小時的回火態(tài)，最優(yōu)選至溫度約190℃、時間約4小時的T62回火態(tài)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，在步驟d)期間，借助軋制對鑄錠進(jìn)行熱加工。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任何一項的方法，其中，在步驟d)期間，借助軋制對鑄錠進(jìn)行冷加工。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求1-15中之任何一項的方法，其中，所述方法涉及一種制造飛機蒙皮材料，優(yōu)選飛機機身蒙皮材料的方法。
17.具有改善疲勞裂紋生長抗力和低含量金屬間化合物的高強度Al-Mg-Si平衡合金的可焊接產(chǎn)品，具有如下組成(以wt.％計)Si0.75-1.3Cu0.6-1.1Mn0.2-0.8Mg0.45-0.95Fe0.01-0.3Zr＜0.25Cr＜0.25Zn＜0.35Ti＜0.25V＜0.25Hf＜0.25雜質(zhì)每種低于0.05，總量小于0.20，余者為鋁，其中，疲勞裂紋生長速率在ΔK＝20MPa√m時低于9.0E-04，而在ΔK＝40MPa√m時低于9.0E-03，而且，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果，最終的時效并加工的合金產(chǎn)品中金屬間化合物或者低熔點初期相的量低于1.5J/g。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的產(chǎn)品，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能ΔH測量結(jié)果，最終的合金加工產(chǎn)品中，金屬間化合物的含量低于1.0J/g，優(yōu)選低于0.65J/g。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的產(chǎn)品，其中，Mg/Si之比值為0.8-1.375。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19中之任何一項的產(chǎn)品，其中，Si含量(以wt.％計)為0.8-1.1，而Mg含量為0.8-0.95。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的產(chǎn)品，其中，Si含量為0.79-0.92wt.％。
22.根據(jù)權(quán)利要求17-21中之任何一項的產(chǎn)品，其中，Cu含量(以wt.％計)為0.7-1.0，優(yōu)選為0.75-0.90。
23.根據(jù)權(quán)利要求17-24中之任何一項的產(chǎn)品，其中，Mn含量(以wt.％計)為0.2-0.6，優(yōu)選為0.30-0.40。
24.根據(jù)權(quán)利要求17-25中之任何一項的產(chǎn)品，其中，對[Mn]含量(以wt.％計)相對于[Cu]和[Mg]的含量進(jìn)行平衡，使得[Cu]＞1.8[Mn]，優(yōu)選[Cu]＞2.25[Mn]，和/或[Mg]＞2.0[Mn]，優(yōu)選[Mg]＞2.2[Mn]。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求17-24中之任何一項的產(chǎn)品，其中，F(xiàn)e含量(以wt.％計)為0.01-0.25，優(yōu)選0.01-0.20。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求17-25中之任何一項的產(chǎn)品，其中，Ti含量(以wt.％計)為0.06-0.20，優(yōu)選0.07-0.16。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求17-26中之任何一項的產(chǎn)品，其中，所述可焊接產(chǎn)品是軋制產(chǎn)品。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求17-27中之任何一項的產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn)品至少一側(cè)上存在包覆層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn)品上具有如下之一的包覆層a)電化學(xué)電位低于核心層的犧牲型Al合金，b)電化學(xué)電位高于核心層的保護(hù)型Al合金，c)鋁業(yè)協(xié)會AA1000系列的合金，d)鋁業(yè)協(xié)會AA4000系列的合金，e)鋁業(yè)協(xié)會AA6000系列的合金，或f)鋁業(yè)協(xié)會AA7000系列的合金。
30.由根據(jù)權(quán)利要求1-16中之一項的方法制備的高強度Al-Mg-Si平衡合金或者采用根據(jù)權(quán)利要求17-29中之一項的產(chǎn)品加工而成的飛機蒙皮材料。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求30的飛機蒙皮材料，其中，所述材料是飛機機身蒙皮材料。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求30或31的飛機蒙皮材料，其中，所述材料的厚度最高達(dá)15mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備具有改善疲勞裂紋生長抗力和低含量金屬間化合物的高強度Al－Mg－Si平衡合金的方法，其包括如下步驟a)澆注一種鑄錠，該鑄錠具有如下組成(以wt.％計)Si0.75－1.3，Cu0.6－1.1，Mn0.2－0.8，Mg0.45－0.95，F(xiàn)e0.01－0.3，Zr＜0.25，Cr＜0.25，Zn＜0.35，Ti＜0.25，V＜0.25，Hf＜0.25，雜質(zhì)每種低于0.05，總量小于0.20，余者為鋁，b)任選對鑄錠進(jìn)行均勻化處理，c)在高于520℃的溫度下對鑄造之后的鑄錠預(yù)加熱處理4－30小時，d)對鑄錠進(jìn)行熱加工，以及任選進(jìn)行冷加工，e)固溶熱處理，以及f)對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行淬火。所述預(yù)加熱優(yōu)選在530－560℃的溫度下進(jìn)行6－18小時。所述合金的疲勞裂紋生長速率，在ΔK＝20MPa√m時低于9.0E－04，而在ΔK＝40MPa√m時低于9.0E－03，其中，根據(jù)與DSC信號有關(guān)的比能量ΔH測量結(jié)果，最終的合金加工產(chǎn)品中金屬間化合物的量低于1.5J/g。
文檔編號B32B15/01GK1662670SQ03813998
公開日2005年8月31日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者R·貝內(nèi)迪克特斯, C·J·凱德爾, G·韋伯, A·J·P·哈斯勒 申請人:克里斯鋁軋制品有限公司