CN101330995A - 含有两种铝基合金的半成品的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中间产品的垂直浇铸方法，包括以下步骤：(a)制备至少两种铝基合金，具体地为具有组成P的第一合金和具有组成T的第二合金；(b)将所述具有组成P的第一合金浇铸至所需的高度Hp，(c)将所述第二合金再浇铸另一所需高度HT。本发明使得能够制造在至少一个方向上具有可变的加工性能的一体性结构元件，特别是能够实现通常由两个不同部件实现的至少两种功能的双功能或多功能结构元件。

Description

含有两种铝基合金的半成品的制造方法
技术领域
本发明涉及一种新的用于制造含有至少两种不同的合金的铝基结构元件的方法，即通过浇铸含有至少两种空间上分开的合金的坯板或坯块，然后进行一个或多个热变形步骤，即轧制、拉伸或锻造，以及必要时进行一个或多个冷变形步骤，以及中间的和/或最终的热处理步骤。本发明特别适用于制造用于航空工程的结构元件。
背景技术
具有空间上变化的机械性能的部件非常适用于机械构造中。通常，这些部件通过将两个具有不同性能、但每个部件的内部基本为均质的部件装配而获得。这种装配可以是机械方式(例如螺栓连接或铆接)，也可以是粘合或合适的焊接技术。由此可获得双功能或多功能的结构部件或元件。这种双功能或多功能可依赖于装配部件的形状(这不是我们在本说明书中使用的这两个术语的含义)，或者可能与它们的机械性能相关，尤其是当将由不同的合金制成的两个部件装配在一起时。作为一个实施例，在船舶制造中使用了过渡接头(参见C.Vargel，Corrosion de l’aluminium(铝的腐蚀)，巴黎1998(Dunod)，第136页)，它通常是由一个钢部件和一个铝部件通过爆炸焊接装配而成的结构元件。钢侧作为用于固定其它钢部件的基体，而铝侧作为用于固定其它铝部件的基体。因此，这些过渡接头是避免电腐蚀的双功能结构元件，它们不可避免地在潮湿的环境中被安装在以常规方式装配的两种不同金属之间。
在防腐蚀和焊接方面还存在其它主要由铝制成的多功能部件的实例。事实上，长期以来使用镀层板材，包括一个至少在一侧由一种合金保护层保护的核心，该合金外壳能够更好地抵御腐蚀和/或更易熔化，以保护核心不被腐蚀或使其便于焊接在另一部件上。镀层板材这样制造，即在第一组成合金(称为核心合金)的、优选修整过的轧制坯板上，放置第二组成合金(称为镀层合金)的、较薄的、优选修整过的第二轧制坯板或一个板材。然后进行热轧，以获得镀层板条，热轧操作确保了两种合金之间的牢固的冶金接合。根据以下给出的定义，镀层板材是一体性部件。一体性部件可用于航空工程中，例如作为机身保护层，参见例如专利US 5213639(Aluminium Company of America)或专利EP 1170118(Pechiney Rhenalu)。镀层工艺可用于制造大部件，但其化学组成的变化发生在部件的厚度方向而非长度或宽度方向。因此，其功能的实现是非常有限的：检索到的镀层的功能或为保护其免受腐蚀，或为可焊接性。
在另一种制造一体性双功能部件的方法中，在一个由单一铝基合金制成的长产品的两个末端的每一端进行一种不同的回火处理。专利EP 0630986(Pechiney Rhenalu)描述了一种在产品的主方向(长度、宽度、厚度)上具有连续变化的使用性能的、结构硬化的铝合金板材的制造方法，其中最终的回火是在一个具有特殊结构的熔炉中完成的，该熔炉包括由一个热泵连接的一个热室和一个冷室。曾使用该方法通过等时的回火处理获得由7010合金制得的约一米长的小部件，该部件的一端为T651状态，另一端为T7451状态。该方法从未在工业上开发过，因为以与航空工程领域的质量要求相容的方式对该方法进行控制非常困难，这些工业上的难点随部件体积的增加而增加。此外，如果仅使用单一合金制成的部件，机械性能沿部件的长度的变化幅度也是很有限的。专利申请(FR2868084)中描述了该方法的一个重要的改进，但合金的化学组成仍然不能通过这种方法改变。
如果使用两种不同的铝合金，就有希望实现机械性能的大的改变。
在铸造领域，含有多种合金的一体性部件的制造已有记载。国际申请WO 2005/063422公开了一种制造方法，其中具有完全不同的固化区间以避免混合的、由合金层化形成的浇铸材料以半固体状态被加入到一个冷铸模中，以填满该冷铸模，并获得固化的浇铸产品。
但是，本发明的发明人还未获知任何工业上制造的、包括两种空间上彼此分开的合金的、使用除热轧镀层以外的方法制造的一体性加工部件。以含有两种空间上分开的合金的铸态部件(即浇铸件，如拉伸的坯块、轧制的坯板)为原料的设想不是新的。多种方法之间存在差别。
第一种方法使用一个或多个固定的或移动的分隔。专利US 3353934(Reynolds)描述了垂直浇铸具有一个垂直固定放置的分隔(即沿坯板的长度方向)的轧制板坯或坯块。这种固定的分隔由硅酸钙板(Marinite)、不锈钢或石墨制成。该专利描述了双合金7075/6063、7075/5052和7075/5083的浇铸。专利JP 48541170(Sumitomo)描述了另一种应用于浇铸坯板的垂直的分区方法。专利申请DE 4420697(Institut FürVerformungskunde und Hüttenmaschinen)描述了另一个使用垂直分隔浇铸的实施方案。专利US 6705384(Alcoa，Inc.)提出了一种或多种分隔的用途，这种分隔的形式是保留在浇铸坯板或坯块中的薄的或厚的铝板。
使用分隔的浇铸也已被用于板条之间的连续浇铸。专利GB 1174764和FR 1505826(Glacier)中描述了一种应用于板条之间的浇铸中的移动分隔的用途，用于浇铸Al+6％Sn/AS5G双合金。
第二种方法使用了内板坯模(lingotière interne)的概念：第一种合金在一个内板坯模中固化，因此形成固体壳，作为第二合金的模。这种概念被描述于专利DE 844806(Wieland Werke)中。如专利FR 1516456(Kennecott Cooper Corporation)中所描述的，仅仅一个金属管或一个中空的坯块也可被用作一个外部壳体，可在其中浇铸液态合金。该原理也适用于美国专利US 4567936(Kaiser)中所述的垂直连续浇铸镀层坯板。专利申请WO 2004/112992(Alcan)描述了使用垂直分隔物通过半连续垂直浇铸制造含有两种合金的轧制坯板的多种方法。
所有这些现有技术中的方法都可获得含有被平行于浇铸方向的分隔或界面分开的两种不同合金的长的浇铸产品。
本发明要解决的问题是提供一种制造经加工的一体性结构元件的新方法，该元件在至少一个不是厚度的方向上具有可变的使用性能，特别是提供一种双功能或多功能的经加工的结构元件，该元件能够实现通常由两种不同的部件实现的至少两种功能。
发明内容
本发明的目的是一种在浇铸方向上具有最终高度HF的中间产品的垂直浇铸方法，该方法包括以下步骤：
(a)制备至少两种铝基合金，特别是具有组成P的第一合金和具有组成T的第二合金，
(b)将所述具有组成P的第一合金浇铸至所需的高度Hp，
(c)将所述第二合金再浇铸另一所需高度HT，以获得小于或等于HF的浇铸高度HP+HT。
步骤(a)中的合金制备不是必须同时进行的。制备步骤(a)以及浇铸步骤(b和c)不是必须连续的，特别地，第二合金的制备或任何(a)步骤中其它的合金的制备可以与浇铸步骤之一或其他浇铸步骤同时进行。在本发明的一个有利的实施方案中，步骤(b)和(c)的在不阻断液态金属流的情况下完成。该方法中，合金可以不同的方式制造。例如，(i)铝基合金可独立地制造，或者(ii)具有不同于P的组成的合金可在浇铸时由第一合金制得，即通过向第一合金中加入必需量的元素，以达到具有不同于P的组成的合金所具有的组成，或者(iii)至少两种铝基合金可在浇铸时由一种具有组成B的铝基合金制得，即通过向所述具有组成B的合金中加入必需量的元素，以达到所述至少两种铝基合金P和T所具有的组成。
本发明的另一个目的是用于轧制、拉伸或锻造的固态的第一中间产品，其可使用上文所述的垂直浇铸法获得。对于至少一种合金元素，该产品在其浇铸方向上(最常为高度方向，即较大尺寸的方向)显示出至少一种浓度梯度。例如，这种中间产品可为一种坯板或坯块。
本发明的另一个目的是从根据上述的垂直浇铸方法制造的坯板或坯块，制造锻造的板材、型材或部件的方法。
本发明的再一个目的是一种固态的第二中间产品，例如可通过上文所述的制造方法制造的锻造的板材、型材或部件。
本发明的再一个目的是可由上文定义的第二中间产品制造的结构元件。该结构元件可以是双功能的或多功能的。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的翼梁(longeron)。
图2示意性地示出了本发明的板材，由该板材可制造本发明的翼梁。
图3示意性地示出了本发明的轧制坯板，由该板坯可制造本发明的坚固的板材。
图4示意性地示出了在垂直于坯板的长度方向上的轧制道次(passede laminage)。
图5示意性地示出了通过垂直于浇铸方向轧制而获得的本发明的飞机机身壁板。
图6示出了在本发明的浇铸期间在高度方向上的Zn含量的变化。
图7示出了本发明的垂直于浇铸方向轧制板材在中间厚度和宽度方向上的不同位置处的电导率测量。
具体实施方式
a)定义
如无相反说明，则所有有关合金化学组成的信息都以质量百分比表示。因此，在一个数学式中，“0.4Zn”是指：以质量百分比表示的0.4倍的锌含量；加以必要的修改后，这也可用于其它化学元素。合金的标号参照本领域公知的铝业协会(The Aluminium Association)的规定。冶金状态在欧洲标准EN 515中定义。常规的铝合金的化学组成例如在标准EN 573-3中定义。如无相反说明，则根据标准EN-10002-1的拉伸试验来测定静态机械性能——也就是断裂强度Rm、弹性极限Rp0.2、以及断裂伸长A。在标准EN 485-1(轧制产品)或EN 755-1(拉伸产品)中定义了试件的取样位置和方向。韧度KIC根据标准ASTM E 399测定。
如无相反说明，欧洲标准EN 12258-1的定义是适用的。本说明书中术语“板材”用于任何厚度的轧制产品。
术语“机械加工”包括任何材料去除的方法，如车削、铣销、钻孔、镗孔、攻螺纹、电蚀、磨削和抛光。
在本说明书中，“浇铸装置”是指使得能够将任何形式的金属经由液态转化成一种原始形态的半成品的设备。浇铸装置可包括一个或多个必需的用于熔化金属或用于保持金属在恒定温度的熔炉、一个或多个用于进行制备液态金属及调节组成操作的熔炉、一个或多个用于进行处理以除去溶解或悬浮于液态金属中的杂质的槽(cuve)(或浇包)，这种处理可能包括在过滤介质上过滤液态金属或者向池中加入可为惰性的或反应性的所谓的“处理”气、一种用于固化液态金属的设备(或者“浇铸机”)，至少包括以下设备：一个模(或者“锭模”)、至少一个液态金属进料设备(或“喷管”)，以及一个冷却系统，这些不同的设备通过被称为“给料槽”的料槽连接在一起，液态金属在给料槽中输送。
在本说明书中，机械构造的“结构元件”是这样一种机械部件，所述机械部件的失效可能危及所述结构、其使用者或其他人的安全。
对于飞机而言，这些结构元件特别包括组成飞机机身的元件(例如飞机机身蒙皮、桁条、舱壁、环形框架、机翼部件(例如机翼外壳、桁条、翼肋和翼梁)和特别地由水平的或垂直的稳定器组成的尾翼，以及地楞横梁、座椅轨道、门等。
在本说明书中，术语“一体性结构元件”或“一体性部件”是指一结构元件或一部件，它们从轧制、拉伸、锻造或浇铸的单个半成品部件最常通过机械加工而获得，而不与其它部件进行例如铆接、焊接、粘合的装配而获得。
在本说明书中，术语“双功能或多功能的结构元件”主要是指由产品的冶金学的和/或机械性能，而不是它的几何形状所赋予的功能。
b)发明详述
根据本发明，上述问题通过轧制、拉伸或锻造一个轧制坯板或一个坯块解决，它们在浇铸方向上组成有变化，并且有利地底部的组成与顶部不同。术语“底部”和“顶部”分别是指首先浇铸的部分和最后浇铸的部分，换言之，即分别是在垂直浇铸时的低部和上部部分。根据本发明，最终高度为HF的部件的垂直浇铸法包括：制造和浇铸具有第一组成P的铝基合金至所需高度HP，将第二合金浇铸另一所需高度HT，以达到小于或等于HF的浇铸高度HP+HT，以及任选地，浇铸其它的铝基合金或合金P直至最终高度HF。在一个优选的实施方案中，当从浇铸具有第一组成P的合金转入到浇铸具有第二组成T的合金时，以及有利地当从浇铸具有组成T的合金转入到浇铸其它合金时，液态金属流未被中断。
这种垂直浇铸方法生成固体的待轧制、拉伸或锻造的中间产品，它包括至少两种在浇铸方向上空间上分开的合金。本发明的固体中间产品，对于至少一种合金元素在浇铸方向上具有浓度梯度。
这种垂直浇铸方法通常在两种连续浇铸的合金之间产生一个具有中间组成的“过渡区”Z。将这种过渡区控制在合金之间是重要的。在一个优选的变体中制造了尽可能短的过渡区，即尽可能快的过渡。但在某些应用方面，也可设想更宽的区域，以控制浓度梯度以能够保证从一次浇铸到之后浇铸的可重复性。为获得合金之间的快速过渡，优选的过渡应能使连续合金之间的混合在体积小且接近浇铸机的浇铸装置的一部分中完成。典型地，这种过渡可通过坝(barrage)在给料槽中完成。为获得快速过渡，还可能由具有组成P的金属通过向液态金属处理浇包中加入必要的元素来制造具有组成T的金属。如果过渡在大体积装置——诸如一种用于气体排放或过滤的液态金属处理浇包——的一部分中或者在这种装置的一部分的上游中完成，那么所获得的过渡将会更宽，因为两种连续的合金可以更大的比例混合。在本发明的一个以获得短的过渡区为目标的优选实施方案中，合金之间的过渡在一个给料槽或一个小体积的液态金属处理槽中完成。
本发明的浇铸方法可根据多种不同的实施方案使用，这些实施方案的区别在于合金制备的方法和合金之间过渡的方法。图3示出了一个根据本发明浇铸的坯板的实例。浇铸方向限定了坯板的高度H的方向。坯板的总高度为HF。通常是在浇铸后锯掉(“截去”)高度为HEP的底部和高度为HET的顶部，以除去不具有变形所需的质量的、对应于铸型开始和结束的部分。因此，通常为坯板或坯块的铸型的有用长度HU等于HF-(HEP+HET)。在最有利的实施方案中，高度HP大于坯板或坯块在底部截去的高度HEP。高度HP取决于所期望的应用领域，但在本发明的范围内，高度HP通常大于HEP+HU/4，且有时大于HEP+HU/2。过渡区的高度为HZ。在图3的实例中，浇铸了两种合金，因此所得的关系式为HF＝HP+HT。
在第一个实施方案中，独立地制造至少两种合金(在本说明书被称为“底部合金”或“合金P”，以及“顶部合金”或“合金T”)，例如在至少两个分开的熔炉中制造。第一步是通过从第一熔炉向给料槽中倾注液态金属浇铸底部合金。当浇铸机中达到所需的金属高度HP时，第一熔炉中的金属流被切断，并用第二熔炉中的金属流替代。这种从一个熔炉至另一个熔炉的转变优选在不中断给料槽中流入浇铸机中的液态金属流的情况下完成。因此，浇铸另一高度为HT的具有组成T的合金，以达到浇铸高度HP+HT，该高度小于或等于HF。在本发明的一个有利的实施方案中，HP+HT的总和等于HF。任选地，浇铸其它的从第三熔炉或第四熔炉中流出的铝基合金T′，T ″，或浇铸从第一熔炉中流出的合金P至最终高度HF，使得能够制造具有组成顺序为，例如P/T/P、P/T/T′或P/T/T′/T ″的更复杂的坯板或坯块。此实施方案适用于所有合金组合，既可浇铸相同族的合金——例如7XXX族合金——又可浇铸不同种类的合金，例如一种2XXX合金和一种7XXX合金。
在第二个实施方案中，底部合金被浇铸至所需高度HP，并且在适当的时候以金属丝的形式或任何其它适当的形式加入在合金T比在合金P中具有更高含量的一种或多种合金元素。因此，浇铸另一高度为HT的具有组成T的合金，以达到浇铸高度HP+HT，该高度小于或等于HF。作为一个实施例，如果合金P是一种Al-Zn 5.0-Cu 1.5-Mg 1.5型的合金，并且合金T是一种Al-Zn 5.0-Cu 1.5-Mg 2.5型的合金，则制造一种具有对应于合金P的组成的液态合金，在浇铸的适当时机，在浇铸装置的适当部分——如浇铸熔炉、给料槽或处理浇包——向液态金属中加入镁丝。
在第三个实施方案中，浇铸了以组成B为基体的合金，向其中通常以金属丝的形式加入必需量的合金元素，以获得组成P、然后是组成T、然后是其它可能的组成。在达到所需高度HP时改变浇铸金属的每单位质量中加入的合金元素的量，并且当达到所需的最终高度HF时停止浇铸。作为一个实例，可使用锌丝、镁丝和铜丝，它们被加入纯铝或可能含有其它元素的铝中，如果存在这些元素，它们的目标浓度近似地等于合金P、合金T和可能的其它合金中的浓度。也可使用母合金金属丝，例如铝基合金的金属丝。这种金属丝通常以线圈的形式提供，并通过退绕机在装置的适当部分加入液态金属中。在本发明的一个有利的实施方案中，这种金属丝在处理浇包的下游在给料槽中提供，以在改变每单位时间内提供的金属丝的量时获得合金之间的快速过渡。在第三个实施方案的另一个实例中，具有组成P的合金通过在处理浇包中向具有组成B的合金中加入必需量的合金元素而获得，并且具有组成T的合金具有与具有组成B的合金相同的组成。
第一个实施方案的缺点在于需要至少两个浇铸熔炉。为便于实现合金之间的快速过渡，可有利地布置至少两个独立的液态金属处理管线(浇包的过滤和排气)。
基于加入金属丝的实施方式的缺点在于，需要非常严格的过程控制。由于金属丝的熔化消耗能量并因此冷却液态金属，因此一个关键的参数是温度控制。例如，已发现对于单位质量流量为约2.8kg/s，向温度为720℃的液态铝池中加入未预热的锌丝会引起液态金属的温度降低约15℃。根据发明人的观察，不过这种温度下降可由当熔炉中合金T的液相线温度小于合金P的液相线温度时，保持熔炉的温度的快速增加来补偿。
基于加入金属丝的实施方案的另一个缺点在于合金P、合金T和可能的其它合金之间化学组成的变化幅度受限于金属丝在液态金属中的溶解速度。这个问题可至少部分地通过在将金属丝加入液态金属之前先预热而解决。这种预热可通过一种浸入液态金属中的惰性加热管道来完成，这可保证退绕金属丝并将其分散进液态金属中。专利申请EP 819772A1(Alusuisse)中描述了一种这样的装置。本发明人已发现可使用该装置以当其进入液体金属时金属丝实际上为液态。当基体合金的组成与具有组成P、T或其它组成的合金的组成大有不同时，基于加入金属丝的实施方式的另一个缺点就显现出来：需要以很高的退绕速度来退绕长度很长的金属丝，或者需要设置多个退绕金属丝的设备，这不总是很容易的。
基于加入金属丝的实施方案的一个优点是它使得在两种合金之间的过渡具有良好的灵活性，即：可以获得快速过渡，但特别地这种过渡可在坯板或坯块的长度方向上更容易地延伸，以获得渐进的过渡。这就可以设想改变一种或多种金属丝(如果使用多根组成相同或不同的金属丝)的前进速率和/或所加入的金属丝的数量。
在所有这三种实施方式中，有利地可以使用一种已知类型的液态金属处理浇包(例如含有Ar-Cl2混合物)和/或一种沙砾过滤型过滤浇包、一种扁石过滤型过滤浇包或任何其它合适过滤方式的过滤浇包，以使液态金属中的氢含量最小，并获得满意的内含物质量。有利地，在需要获得快速的过渡的情况下，合金之间的过渡在处理浇包的下游进行。
在第四个实施方案中使用大的液态金属处理浇包，作为合金P的容器，以制造合金T。该实施方案的优点在于相对于通常使用的浇铸方式中它不需要的附加的熔炉。另一方面，可用于浇铸合金T的金属的量受限于浇包的体积。
这四个可容易地互相结合的实施方案，能够制造待轧制、拉伸或锻造的第一固体中间产品，并且特别是具有在浇铸方向上组成有变化的坯板或坯块。优选地，第一固体中间产品的横截面在其至少95％的长度上是恒定的。
然后，由此获得的第一中间产品——例如坯板或坯块——通常进行一个或多个热锻加工步骤，有可能的话再进行一个或多个冷锻加工步骤，以获得第二中间产品，如板材、型材、拉伸条或锻造件。
坯块可用于拉伸成沿它们的长度具有可变的组成的型材或条块，或用作锻造毛坯。坯板可用作锻造毛坯或轧制坯板。制造在空间中具有可变机械性能的轧制产品的问题可通过使用本发明的轧制板并进行轧制以获得板材而解决。沿长度方向(即沿浇铸方向H)轧制会导致延伸过渡区Z，这对于某些应用方面是有利的。在本发明的一个实施方案中，使板坯在浇铸方向上经受至少一个轧制道次。但是，通常优选在宽度方向上(即垂直于浇铸方向H)轧制，因为这能够不延伸过渡区。这在选择坯板的尺寸中会引起一些限制以获得所需的板材尺寸。图4示出了沿宽度的方向轧制本发明的坯板。轧制方向L垂直于浇铸方向H。
因此可制造可用于制造具有可变组成的翼梁的厚板材，其中符合上表面功能的一侧朝向翼的上部，并具有特别压缩的尺寸，而符合下表面功能的另一端朝向翼的下端，并被专门设计成具有刚性。对于这种应用，优选在浇铸轧制坯板的两种合金之间具有尽可能短的过渡。
这样一种产品可用作航空工程中的结构元件。更具体地，这种产品可被用作翼梁、翼肋或机翼外壳。
使用本发明制备这样的机身壁板也是有利的，所述的壁板具有可变性能并且能适应于机身的顶部和底部部件的应力。对于这种应用，可有利地选择它用以在垂直于浇铸方向的方向上——即沿着初始坯板的宽度方向(图5)——对其进行部分地或整体的轧制。
本发明可应用于所有铝合金，并有利地使用来自2XXX、6XXX、7XXX或8XXX族结构硬化的合金。在一个优选的实施方案中，所使用的合金全部来自7XXX族。在另一个有利的实施方案中，所使用的合金全部来自2XXX族和/或全部为铝-锂型合金(即含有至少0.1重量％Li、优选至少0.5重量％Li的合金)。作为一个实例，一对合金P和T(或相反)为7040和7449，或者为2024A和2027，或者为2050和2195。对于组成的顺序P/T/T’，有利地，P使用合金7475，T使用合金7040，以及T’使用合金7449。
在本发明的范围内，含有4.1-5.1％的Zn，1.5-2.5重量％的Cu和1.2-1.8重量％的Mg的7XXX合金显得特别有利。与如7040的合金相比，通过将静态机械性能的损失降到最低这种合金能够达到非常高的韧度。在本发明的一个有利的实施方案中，合金P因此是一种含有4.1-5.1％的Zn，1.5-2.5重量％的Cu和1.2-1.8重量％的Mg的合金，而合金T是一种含有7-10％的Zn，1.0-3.0重量％的Cu和1.0-3.0重量％的Mg的合金。合金7040与7449之间的组合特别适用于翼梁型的应用，而合金7475和7449之间的组合特别适用于机翼外壳型的应用。
本发明的方法能够制造一体性的双功能或多功能结构元件。
具体而言，本发明的方法使得能够特别地制造适于在航空工程中使用的结构元件，包括用于大容量飞机的机翼的翼梁或翼肋。图1示意性地示出了本发明的双功能翼梁。在这种翼梁中，高度HL可达到1000mm或更大，长度L可达到十米或更多，其厚度E通常是大约100mm，但可以更大。翼梁是通过机械加工由坚固的板材制造的。它们可包括一个下翼缘(4)(semelle)、一个上翼缘(1)、一个腹板(2)(
Figure A20068004751700151
)和多个整体加工的加强件(3)。根据尺寸加工的需要，过渡区Z可设置在与翼缘相等的距离处，或者离一个或另一个更近。图2示意性地示出了由其加工得到翼梁的坚固板材。在本发明的一个有利的实施方案中，坚固板材通过沿本发明的坯板的宽度方向轧制而获得，以使高度HL稍微小于HU。图4示出了在横向上的轧制。
本发明的方法还能够制造适于在航空工程中使用的结构元件，包括机身元件。图5示意性地示出了使用本发明的板材用于制造机身壁板(6)，该壁板通过铆接、粘接或焊接的加强件(5)增强。在每一幅图中，都示意性地显示了所使用的两种合金。还可制造由本发明的中间产品获得的、适于在航空工程中使用的其它结构元件，包括例如适于在航空工程中使用的机翼加强件或机翼壁板。
对于一个坯板，所使用的包括匀化、热轧，冷轧、溶液加热处理、淬火、冷处理(如拉伸)和回火步骤的转变方法必须与包含在本发明的坯板中的合金相容。该条件可在合金的选择方面是限制性的，因为对于不同的合金最佳温度有时会差别很大，并且折衷温度可能导致不能获得所需的性能。本领域技术人员试图使转变方法适应于坯板中存在的合金。技术人员在拉伸坯块或锻造坯料的转变方法中也遇到相似的问题。
在本发明的另一个实施方案中，坯板主要或只沿其长度方向——即，在浇铸方向上——轧制。因此获得很长的板材，它的一个几何末端由含有P组成的合金制得，而另一个几何末端由含有T组成的合金制成。这些板材在它们的长度方向上具有机械性能的梯度。该实施方案特别适用于机翼板材的制造。
本发明的其它实施方案在从属权利要求中描述。
以下非限制性的实施例仅作为说明描述了本发明的有利的实施方案。
实施例
实施例1
在此实施例中，浇铸了轧制坯板(标记A)，其底部(标记P)由Al-Zn5％-Cu 1.8％-Mg 1.5％合金制成，而顶部(标记T)由Al-Zn 8％-Cu1.8％-Mg 1.9％合金制成。两种合金在两个分离的熔炉中生产。表1显示了两种合金的组成，该组成是通过在两个熔炉的每一个中取出的液态金属固化获得的样品(pion)上测得的。
表1.测得的组成(重量％)
  参考符号   Zn   Cu   Mg   Si   Fe   Ti   Zr
  A(P)   4.93   1.83   1.48   0.033   0.053   0.0175   0.11
  A(T)   8.05   1.85   1.89   0.030   0.044   0.0202   0.12
两种液态合金用Ar-Cl2混合物在一个型处理浇包中处理90分钟。两种合金之间的过渡在给料槽中完成。在组成过渡的之前、其间和之后每隔约50mm落差从给料槽中取出液态金属用于制造光谱测定样品。因此已发现组成过渡发生在约200mm的落差的高度上。高度HP为2100mm，高度HT约为1600mm，坯板的总高度HF约为3700mm。截去底部的长度HEP为750mm，顶部的长度HET为300mm，余下的可使用长度HU约为2600mm。
实施例2
如在实施例1中所示，浇铸板坯。合金组成如表2中所示。
表2.测得的组成(重量％)
  参考符号   Zn   Cu   Mg   Si   Fe   Ti   Zr
  B(P)   4.81   1.80   1.47   0.035   0.043   0.0184   0.11
  B(T)   8.11   1.87   1.92   0.031   0.044   0.0190   0.11
两种液态合金用Ar-Cl2混合物在一个
Figure A20068004751700171
型处理浇包中处理。为了获得快速过渡，具有组成T的金属在一个
Figure A20068004751700172
型处理浇包中由具有组成P的金属制造，然后将来自第二熔炉的液态金属进料给处理浇包。在组成过渡的之前、其间和之后每隔约50mm落差从给料槽中取出液态金属用于制造光谱测定样品。图6示出了所获得的结果。组成过渡发生在小于100mm的落差的高度上。高度HP为2100mm，坯板的最终高度HF约为3850mm。截去底部的长度HEP为800mm，顶部的长度HET为300mm，余下的可使用长度HU约为2750mm。
实施例3
在此实施例中，制造可用于制造飞机翼梁的坚固板材。
使用来自实施例2的坯板。此板坯的高度HU约为2750mm，足够用于高度约为2000mm的翼梁。坯板在470℃下匀化48小时。在横向(即垂直于坯板的浇铸方向H)上热轧该坯板至最终厚度为80mm。热轧温度为400℃-460℃。由此获得的板材在473℃下溶液处理12小时。淬火后，板材经受永久变形约为2％的控制拉伸。
然后，通过电导率测量来表征所获得的板材。图7示出了在浇铸方向H上的中间厚度处获得的电导率曲线。合金之间的过渡区在约为400mm的高度上延伸。该高度大于在浇铸过程中取样所测得的100mm的过渡高度，因为该高度包括固/液界面(“marais”)的形状，它不是垂直于浇铸方向的一个平面，而是一个其形状取决于固化时冷却条件的表面。然后，板材经受两步法回火处理：120℃下6小时，然后155℃下20小时。以下表3示出了在中间厚度和四分之一厚度处取样所获得的静态机械性能、韧度和抗腐蚀能力。
表3
Figure A20068004751700181
由此获得的板材的T端的Rp0.2的数值大于510MPa，KIC的数值大于32MPa√m，而P端的Rp0.2的数值大于410MPa，KIC的数值大于54MPa√m。可由此板材加工用于航空工程的双功能结构元件，即翼梁，以使上表面为具有组成T的合金，而下表面为具有组成P的合金。图1示意性地示出了这种翼梁。
实施例4
在此实施例中，浇铸由铝基合金制得的轧制坯板，所述板坯的顶部组成T(AA 7449型合金)包括8％锌，1.9％镁和1.8％铜，底部组成P(AA7040型合金)包括5％锌，1.5％镁和1.8％铜。锆含量为0.11％。为浇铸这种坯板，制备具有组成P的合金，在处理浇包中用气体(Ar+Cl2)处理该金属，用具有组成P的合金浇铸坯板至所需的高度HP，HP等于设计坯板的最终高度HF的一半，然后继续浇铸直至最终高度HF，浇铸时，在浇包处理之后，向合金中加入所需量的富含锌和镁的固态金属，以便将合金的组成由P变为T。这种固体金属的加入是通过使用一个退绕器退绕的两种以线圈方式提供的具有适当的锌和镁含量的金属丝。
实施例5
在此实施例中，浇铸由铝基合金制成的轧制坯板，所述坯板的底部组成P包括1.8％Mg、7.8％Zn和1.8％Cu，顶部组成T包括1.3％Mg、7.8％Zn和1.8％Cu。锆含量为0.10％。为浇铸这种坯板，制备具有组成T的合金，在处理浇包中加入所需量的Mg以达到所需的组成P，接着进行浇铸。两种组成之间的过渡是渐进的，组成T在800mm浇铸高度上达到。然后将该坯板进行匀化加工，热轧至100mm厚度，用溶液处理，淬火并回火。
在表4中给出了对于4种不同的回火条件的底部和顶部所获得的结果。
表4
Figure A20068004751700191

Claims (31)

1.一种在浇铸方向上最终高度为HF的中间产品的垂直浇铸方法，包括以下步骤：
(a)制备至少两种铝基合金，特别是具有组成P的第一合金和具有组成T的第二合金，
(b)将所述具有组成P的第一合金浇铸至所需的高度Hp，
(c)将所述第二合金再浇铸另一所需高度HT，以获得小于或等于HF的浇铸高度HP+HT，
并且其中，
(i)所述铝基合金的制备独立地进行，或者其中
(ii)具有不同于P的组成的铝合金的制备可在浇铸时由所述第一合金制得，即通过向所述第一合金中加入必需量的元素，以达到所述的具有不同于P的组成的合金所具有的组成，或者其中，
(iii)所述的至少两种铝基合金可在浇铸时由一种具有组成B的铝基合金制得，即通过向所述具有组成B的合金中加入必需量的元素，以达到所述至少两种铝基合金P和T所具有的组成。
2.权利要求1的方法，其中合金P和T之间的过渡在不中断液态金属流的情况下完成。
3.权利要求1或2的方法，其中HP+HT之和等于HF。
4.权利要求1或2的方法，其中HP+HT之和小于HF，并且其中实施以下附加的步骤：
(d)浇铸合金P，使高度从HP+HT至高度HF。
5.权利要求1或2的方法，其中HP+HT之和小于HF，其中步骤(a)包括制备合金T′，并且其中实施以下附加的步骤：
(d)浇铸合金T′，使高度从HP+HT至高度HF。
6.权利要求1至5之一的方法，其中高度HP大于或等于底部截去的长度HEP。
7.权利要求6的方法，其中高度HP大于或等于HEP+HU/4，其中HU为铸型的有用长度。
8.权利要求1至7之一的方法，其中所述铝合金是选自合金2XXX、6XXX、7XXX和8XXX的、具有结构硬化的合金。
9.权利要求1至7之一的方法，其中所述铝合金由铝合金7XXX制得。
10.权利要求1至7之一的方法，其中所述铝合金由铝合金2XXX制得。
11.权利要求1至7之一的方法，其中所述铝合金由铝-锂型合金制得。
12.权利要求3或4的方法，其中合金P是合金7040，合金T是合金7449。
13.权利要求3或4的方法，其中合金P是包括4.1-5.1重量％的Zn，1.5-2.5重量％的Cu和1.2-1.8重量％的Mg的合金，合金T是包括7-10重量％的Zn，1.0-3.0重量％的Cu和1.0-3.0重量％的Mg的合金。
14.权利要求5的方法，其中合金P是合金7475，合金T是合金7040且合金T′是合金7449。
15.一种用于轧制、拉伸或锻造的固体中间产品，该产品可以通过权利要求1至14之一的方法获得。
16.权利要求15的中间产品，其特征在于，它在两种连续浇铸的合金之间包括至少一个具有中间组成的“过渡区”Z。
17.权利要求15或16的中间产品，其特征在于，所述中间产品是在其至少95％的长度上截面恒定的坯板或坯块。
18.一种由权利要求17的坯板制造板材的方法，其中
(a)提供权利要求16的坯板，
(b)轧制所述坯板以获得第二中间产品。
19.权利要求18的制造板材的方法，其中所述轧制是在垂直于浇铸方向的方向上进行的。
20.权利要求18的制造板材的方法，其中使所述坯板在浇铸方向上经受至少一个轧制道次。
21.一种可通过权利要求18至20之一的方法制造的板材。
22.一种由权利要求17的坯块制造型材或条块的方法，其中
(a)提供权利要求17的坯块，
(b)拉伸所述坯块，以获得第二中间产品。
23.一种可通过权利要求22的方法制造的型材或条块。
24.一种由权利要求17的坯板或坯块制造锻造的部件的方法，其中
(a)提供权利要求17的一个坯板或坯块，
(b)锻造所述坯块或所述坯板以获得第二中间产品。
25.一种可使用权利要求24的方法制造的锻造的部件。
26.一种由权利要求21、23或25所述的中间产品制造的一体性双功能或多功能结构元件。
27.权利要求26的结构元件，其中所述结构元件包括一个适于在航空工程中使用的翼梁。
28.权利要求26的结构元件，其中所述结构元件包括一个适于在航空工程中使用的翼肋。
29.权利要求26的结构元件，其中所述结构元件包括一个适于在航空工程中使用的机身壁板。
30.权利要求26的结构元件，其中所述结构元件包括一个适于在航空工程中使用的机翼加强件。
31.权利要求26的结构元件，其中所述结构元件包括一个适于在航空工程中使用的机翼壁板。
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