飞机机身制造用铝-铜-锂合金薄板的制作方法

本发明涉及轧制的铝-铜-锂合金产品，更具体而言，涉及所述产品及其制造方法和用途，特别是旨在用于航空和航天构造。
背景技术：
：开发了由铝合金制成的轧制产品来制造旨在特别是用于航空工业和航天工业的机身元件。铝-铜-锂合金用于制造这类产品是特别有前景的。专利us5,032,359记载了一大类铝-铜-锂合金，其中添加特别是0.3重量％至0.5重量％的镁和银提高了机械强度。专利us5,455,003记载了一种制造al-cu-li合金的方法，所述al-cu-li合金特别是由于适当的冷变形加工(écrouissage)和时效处理(revenu)而在低温下具有改善的机械强度和韧性。该专利特别教导了以下组成：以重量百分比计，cu＝2.0–6.5，li＝0.2–2.7，ag＝0–4.0，mg＝0–4.0和zn＝0–3.0。专利ep0584271记载了一种用于航空和航天结构的铝基合金，其具有低密度、高强度和高断裂韧性，基本上对应于式cualibmgcagdzrealba1，其中a、b、c、d、e和ba1表示合金组分的重量百分比，这些百分比为2.4<a<3.5、1.35<b<1.8、0.25<c<0.65、0.25<d<0.65且0.08<e<0.25。专利us7,438,772记载了包含以重量百分比计的cu：3-5、mg：0.5-2、li：0.01-0.9的合金，并且由于韧性和机械强度之间的折衷降低而不推荐使用更高的锂含量。专利us7,229,509记载了一种合金，其包含(重量％)：(2.5-5.5)cu、(0.1-2.5)li、(0.2-1.0)mg、(0.2-0.8)ag、(0.2-0.8)mn，最高为0.4的zr或其他晶粒细化剂例如cr、ti、hf、sc、v。专利申请us2011/0247730记载了包含(以重量％计)2.75至5.0％的cu、0.1至1.1％的li、0.3至2.0％的ag、0.2至0.8％的mg、0.50至1.5％的zn、最高达1.0％的mn的合金，其中cu/mg比例为6.1至17，该合金对加工具有低敏感性。专利申请cn101967588记载了具有以下组成(以重量％计)的合金：cu2.8–4.0，li0.8–1.9，mn0.2-0.6，zn0.20–0.80，zr0.04–0.20，mg0.20–0.80，ag0.1–0.7，si≤0.10，fe≤0.10，ti≤0.12。专利fr3014448记载了一种厚度为14至100mm的轧制和/或锻造产品，其由具有以下组成的铝合金制成：以重量％计，cu：1.8-2.6、li：1.3-1.8、mg：0.1-0.5、mn：0.1-0.5和zr<0.05或mn<0.05和zr0.10-0.1610ag：0-0.5、zn<0.20ti：0.01-0.15、fe：<0.1、si：<0.115其他元素各自<0.05且总计<0.15，其余为铝，其密度小于2.670g/cm3，其特征在于，在中间厚度处，具有黄铜织构(texturelaiton)的晶粒的体积分数为25％至40％，织构指数为12至18。专利申请us2009/084474记载了一种具有黄铜织构和戈斯织构(texturegoss)的重结晶铝合金，其中黄铜织构量超过戈斯织构量，并且其中在相同产品形式和相似的厚度和淬火的情况下，该重结晶铝合金具有与非重结晶合金至少近似相同的屈服强度和相同的断裂强度。旨在用于机身应用的铝板的必要特征特别记载于例如专利ep1891247中。特别期望板具有高屈服强度(以抗屈曲)以及平面应力下的高韧性，特别是通过高表观断裂应力强度因子(kapp)和长r曲线来表征。专利ep1966402记载了一种合金，其包含2.1至2.8重量％的cu，1.1至1.7重量％的li，0.1至0.8重量％的ag，0.2至0.6重量％的mg，0.2至0.6重量％的mn，fe和si的量各自小于或等于0.1重量％，并且不可避免的杂质的量各自小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％，该合金基本上不含锆，特别适于获得重结晶的薄板。对于某些机身应用，在t-l方向上具有高韧性尤为重要。这是因为大部分机身要调整为能承受飞机的内部压力。由于板的纵向方向通常位于飞机的长度方向上，因此它们在横向方向上受到应力。于是裂纹在t-l方向上受到应力载荷。还可有利的是板具有低的机械性能各向异性，特别是在l和tl方向之间。由专利ep1891247已知，对于厚度为4至12mm的板，可有利的是微观结构为完全非重结晶的。然而，晶粒结构对性能的影响在不同的厚度处可不同。需要由铝-铜-锂合金制成的厚度为0.5至8mm的薄板，与已知产品相比，所述薄板具有改进的性能，特别是在t-l方向上的韧性以及静态机械强度和耐腐蚀性性能方面，同时具有低密度和低机械性能各向异性。此外，需要一种简单经济的方法来获得这种薄板。技术实现要素：本发明的一个目的是一种制造厚度为0.5至8mm的铝基合金薄板的方法，其中，依次地a)制备液态金属熔池，其包含2.3至2.7重量％cu，1.3至1.6重量％li，0.2至0.5重量％mg，0.1至0.5重量％mn，0.01至0.15重量％ti，zn的量小于0.3重量％，fe和si的量各自小于或等于0.1重量％，并且不可避免的杂质的含量各自小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％，b)由所述液态金属熔池浇铸板坯；c)将所述板坯在490℃至535℃的温度下均质化；d)将所述板坯通过热轧和任选的冷轧轧制成厚度为0.5至8mm的板，热轧入口温度为400℃至445℃，并且热轧出口温度低于300℃；e)在450℃至515℃的温度下进行固溶热处理，并将所述板淬火；f)将所述板以可控的方式以0.5％至6％的永久变形率进行拉伸，固溶热处理后的冷变形率小于15％；g)进行时效处理，其包括在130℃至170℃且优选在150℃至160℃的温度下加热5至100小时且优选10至40小时。本发明的另一个目的是通过本发明的方法获得的板，其中根据astme112在l/tc截面上在l方向上通过截距法测量的并以μm表示的厚度上的平均晶粒尺寸小于66t+200，其中t为以mm表示的板的厚度。本发明的另一个目的是本发明的薄板在飞机机身面板中的用途。附图说明图1：板a-1的金相截面。图2：板c-2的金相截面。图3：对于实施例1的板，在宽度为760mm的测试件上测得的tl方向上的屈服强度与kr60t-l应力强度因子之间的关系。具体实施方式除非有相反说明，否则与合金的化学组成相关的所有说明均表示为基于合金总重量计的重量百分比。表述1.4cu意指以重量％表示的铜含量乘以1.4。合金命名符合本领域技术人员已知的铝业协会(aluminiumassociation)的规定。密度取决于组成，并通过计算而不是通过重量测量方法来确定。这些值根据《铝标准和数据》(“aluminiumstandardsanddata”)第2-12和2-13页所述的铝业协会的方法计算。除非另有说明，否则适用欧洲标准en515(1993)中所示的冶金状态的定义。静态拉伸机械特性，换言之，极限拉伸强度rm、在0.2％伸长率下的常规屈服强度rp0.2和断裂伸长率a％，根据nfeniso6892-1(2016)通过拉伸试验测定，取样和测试方向由en485-1(2016)定义。在本发明的上下文中，在整个厚度上测量机械特性。给出有效应力强度因子作为有效裂纹扩展的函数的曲线(称为r曲线)根据astme561测定。从r曲线计算出临界应力强度因子kc，换言之，使裂纹不稳定的强度因子。应力强度因子kco还可通过将单调载荷开始时的初始裂纹长度赋值给临界载荷来计算。这两个值通过所需形式的测试件计算。kapp代表与用于进行r曲线测试的测试件相对应的因子kco。keff代表与用于进行r曲线测试的测试件相对应的kc因子。kr60代表与裂纹扩展δaeff＝60mm相对应的应力强度因子。δaeff(max)代表r曲线上最后一个点的裂纹扩展，根据astme561有效。最后一个点要么在测试件突然断裂时获得，要么任选地在未断裂的韧带上的应力平均超过材料的屈服强度时获得。除非有相反说明，否则对于m(t)型测试件，疲劳预裂阶段结束时的裂纹尺寸为w/3，其中w为astme561(astme561-10-2)中所定义的测试件宽度。除非另有说明，否则适用en12258(2012)中的定义。在本发明的上下文中，基本上重结晶的晶粒结构意指在一半厚度处的重结晶度大于70％且优选大于90％的晶粒结构。重结晶度定义为金相截面上重结晶晶粒所占的表面分数。本发明人使用本发明的方法获得了厚度为0.5至8mm的板，所述板在机械强度和韧性之间具有有利的折衷，所述方法特别包含以下的组合：-组成的窄选择，-在严格控制的条件下通过热轧而变形。由此获得的薄板具有特别有利的性能，特别是在t-l方向的韧性和机械性能的各向异性方面。在本发明的方法中，制备液态金属熔池，其组成如下：2.3至2.7重量％cu，1.3至1.6重量％li，0.2至0.5重量％mg，0.1至0.5重量％mn，0.01至0.15重量％ti，zn的量小于0.3重量％，fe和si的量各自小于或等于0.1重量％，并且不可避免的杂质的含量各自小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％。本发明的产品的铜含量为2.3至2.7重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铜含量为至少2.4重量％、优选至少2.45重量％且优选至少2.50重量％。在一个有利的实施方案中，铜含量为2.45至2.65重量％且优选2.50至2.60重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铜含量不超过2.65重量％且优选不超过2.60重量％。在本发明的一个实施方案中，铜含量不超过2.53重量％。当铜含量过高时，无法在t-l方向上获得非常高的韧性值。当铜含量过低时，无法获得最低的静态机械特性。本发明的产品的锂为1.3至1.6重量％。有利地，锂含量为1.35至1.55重量％且优选1.40重量％至1.50重量％。最小锂含量为1.35重量％，并且优选1.40重量％是有利的。最大锂含量为1.55重量％，并且优选1.50重量％是有利的，特别是为了改善韧性和机械强度之间的折衷。锂的添加可有助于机械强度和韧性的提高，含量过高或过低都不能获得t-l方向上非常高的韧性值和/或足够的屈服强度。此外，添加锂会降低密度。有利地，本发明的产品的密度小于2.65。本发明的产品的镁含量为0.2至0.5重量％且优选0.25至0.45重量％，并且优选0.25至0.35重量％。最小镁含量为0.25重量％是有利的。最大镁含量为0.45重量％且优选0.40重量％且优选0.35重量％或甚至0.30重量％是有利的。锰含量为0.1至0.5重量％、优选0.2至0.4重量％且优选0.25至0.35重量％。最小锰含量为0.2重量％且优选0.25重量％是有利的。最大锰含量为0.4重量％且优选0.35重量％或甚至0.33重量％是有利的。钛含量为0.01至0.15重量％。添加钛，任选地与硼和/或碳结合，有助于控制晶粒结构，特别是在浇铸过程中。优选地，铁和硅的含量各自不超过0.1重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铁和硅的含量不超过0.08重量％且优选不超过0.04重量％。可控且有限的铁和硅含量有助于改善机械强度和损伤容限之间的折衷。锌含量小于0.3重量％、优选小于0.2重量％且优选小于0.1重量％。锌含量有利地小于0.04重量％。不可避免的杂质各自保持为比例小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％。本发明的制造薄板的方法依次包括以下步骤：浇铸，均质化，热轧和任选地冷轧，固溶热处理，可控的拉伸，淬火和时效处理。所制备的液态金属熔池浇铸成轧制板坯的形式。然后，轧制板坯在490℃至535℃的温度下均质化。优选地，均质化的持续时间为5至60小时。有利地，均质化温度为至少500℃。在一个实施方案中，均质化温度低于515℃。在均质化后，通常将轧制板坯冷却至环境温度，然后预热以使其热变形。预热的目的是使热轧入口温度达到400℃至450℃且优选420℃至440℃，从而允许热轧变形。进行热轧以获得厚度通常为4至8mm的板。热轧出口温度小于300℃且优选小于290℃。特定的热轧条件与本发明的组成结合可特别获得机械强度和韧性之间有利的折衷以及低的机械性能各向异性。在热轧后，任选地可冷轧所获得的板，特别是以获得0.5至3.9mm的最终厚度。优选地，最终厚度不超过7.0mm且优选不超过6.0mm。有利地，最终厚度为至少0.8mm且优选至少1.2mm。然后，将由此获得的板在450℃至515℃下进行固溶热处理。固溶热处理的持续时间有利地为5min至8h。然后将由此经固溶热处理的板淬火。本领域技术人员已知，必须根据厚度和组成来选择上述固溶热处理的条件，以将硬化元素置于固溶体中。然后，使所述板通过可控的拉伸经历冷变形，其永久变形率为0.5％至6％且优选3％至5％。诸如轧制、整平和矫直成型的已知步骤可任选地在固溶热处理和淬火之后并且在可控的拉伸之前或之后进行，但是固溶热处理和淬火之后的总冷变形率必须保持低于15％且优选低于10％。固溶热处理和淬火之后高的冷变形率实际上会导致出现大量横穿多个晶粒的剪切带，这些剪切带是不希望的。优选在固溶热处理之后不进行冷轧。进行时效处理，其包括在130℃至170℃且优选在140℃至160℃且优选在145℃至155℃的温度下加热5至100小时且优选10至40小时。优选地，最终的冶金状态为t8状态。在本发明的一个实施方案中，在可控的拉伸之后且在时效处理之前进行短暂热处理，以改善板的可成型性。所述板可通过诸如拉拔成型的方法成型，然后时效处理。通过本发明的方法获得的薄板具有典型的晶粒尺寸。因此，对于通过本发明的方法获得的薄板，根据astme112在l/tc截面上在l方向上通过截距法测量的并以μm表示的厚度上的平均晶粒尺寸小于66t+200、优选小于66t+150且优选小于66t+100，其中t为以mm表示的板的厚度。所述板的晶粒结构有利地是基本上重结晶的。通过本发明的方法获得的薄板在t-l方向上具有特别有利的韧性。特别地，通过本发明的方法获得的薄板有利地在tl方向上具有至少370mpa、优选至少380mpa且优选至少390mpa的屈服强度rp0.2，并且在cct760型(2ao＝253mm)测试件上测得的平面应变断裂韧性kr60为至少170mpa√m、优选至少175mpa√m且优选至少180mpa√m。当锂含量为1.40至1.50重量％、铜含量为2.45至2.55重量％且镁含量为0.25至0.35重量％时，特别获得具有最有利性能的本发明的板、特别是厚度为2mm至7mm的板，即在tl方向上屈服强度rp0.2为至少393mpa，在cct760型(2ao＝253mm)测试件上测得的t-l方向上的平面应变断裂韧性kr60为至少180mpa√m。本发明的板还具有低各向异性。因此，l和tl方向之间的屈服强度的差值与l方向上的屈服强度之比小于6％且优选小于5％。本发明的板的耐晶间腐蚀性高。在本发明的一个优选的实施方案中，本发明的板可不经电镀而使用。在飞机的机身面板中使用本发明的薄板是有利的。本发明的薄板在航天应用例如火箭制造中也是有利的。实施例在该实施例中，制备了八块薄板。浇铸表1中给出组成的合金：表1-组成(重量％)culimgmntifesizna2.511.430.280.300.030.040.03<0.01b2.561.540.260.300.040.040.03<0.01c2.521.460.350.360.040.040.03<0.01d2.591.460.340.360.040.040.02<0.01根据表2中所示的参数对板进行转化。用于由a-1、a-2、b-1和b-2合金制成的板的转化条件是根据本发明的。限定时效处理条件以获得t8状态。表2.板的转化参数样品的晶粒结构使用显微镜观察在l/tc截面上在偏振光下阳极氧化后的横截面进行表征。图1和2分别示出了样品a-1和c-2观察到的微观结构。板的晶粒结构基本上是重结晶的。表3示出了根据astme112通过截距法测量的厚度上的平均晶粒尺寸。表3.l/tc截面上测得的晶粒尺寸机械测试样品，以测定其静态机械性能及其抗裂纹扩展性。表4中列出了拉伸屈服强度、极限拉伸强度和断裂伸长率。表4-机械特性，以mpa(rp0.2，rm)和百分比(a％)表示表5总结了这些样品的韧性测试结果。表5宽度为760mm的测试件的r曲线结果。当前第1页1 2 3 

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除