CN101705399A - 高损伤容限型超高强铝合金 - Google Patents

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李炼
牟申周
邓桢桢
韩逸
乐永康
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Abstract

本发明提供一种高损伤容限型超高强铝合金，其成分为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.0～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，Zr：0.06～0.20wt％，Ti：0.02～0.05wt％，Fe：≤0.08wt％，Si：≤0.06wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为A1和不可避免的杂质；Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。该合金具有较高的强度，同时具有较好的抗腐蚀性能、较高的断裂韧性及较好的疲劳性能，即具有高强、高损伤容限，适合应用于长期暴露在大气环境中的飞机部件。

Description

高损伤容限型超高强铝合金
技术领域
本发明涉及一种高损伤容限型超高强铝合金，属于有色金属技术领域。
背景技术
超高强铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域重要的结构材料。随着航空航天工业的发展，对飞机结构材料的要求已不是最初仅仅追求高的静强度或高的抗腐蚀性能的阶段，已经发展到迫切需要开发出综合性能优异的新型超高强铝合金材料的阶段，即要求新型超高强铝合金材料除了应具有较高的强度，还应具有较好的断裂韧性、较好的抗腐蚀性能以及良好的疲劳性能，即应同时具有较高的强度、较高的损伤容限。
目前，国外航空用超高强铝合金较先进的牌号有AA7150、AA7449、AA 7085、AA7055等铝合金。AA7150、AA7449、AA7055等铝合金虽然其强度较高，抗腐蚀性能较好，但其断裂韧性较低，因而影响了飞机的使用寿命。AA 7085铝合金虽然其断裂韧性较高，抗腐蚀性能较好，但是其强度相对较低，因而也降低了飞机的安全系数。其原因是：(1)合金中的Zn、Mg等元素含量较低，主要强化相MgZn2形成的数量较少，因而合金的强度较低；(2)合金中的Cu、Mg等元素含量较高，容易形成熔点较高、在固溶过程中难以溶解的粗大的S(Al2CuMg)相，因此合金的损伤容限性能较低，特别是断裂韧性较低。
为了提高飞机的使用寿命，增加飞机的安全系数，需要研制出比以上合金综合性能更加优异的超高强铝合金，使其具有较高强度的同时，具有较高的损伤容限。确保飞机在恶劣的工作环境下长时间安全可靠地工作，从而降低飞机的制造成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高损伤容限型超高强铝合金。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
高损伤容限型超高强铝合金，特点在于成分的重量百分比为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.0～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，Zr：0.06～0.20wt％，Ti：0.02～0.05wt％，Fe：≤0.08wt％，Si：≤0.06wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。
进一步地，上述的高损伤容限型超高强铝合金，所述铝合金还含有微量元素Mn、V、Sc、Ag中的一种或几种，其中微量元素单个含量≤0.05wt％，总含量≤0.15wt％。
更进一步地，上述的高损伤容限型超高强铝合金，Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
再进一步地，上述的高损伤容限型超高强铝合金，所述铝合金L向抗拉强度580MPa以上，L向屈服强度560MPa以上，L向压缩屈服强度580MPa以上，L向延伸率11％以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，L-T向缺口条件(f＝25HZ，Kt＝2.3，R＝0.1，N＝3×106)疲劳极限170MPa以上。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明技术方案合理控制合金中Zn、Mg、Cu含量，Zn/Mg值，Cu/Mg值，以及Fe、Si杂质的含量，使合金组织中高熔点、难溶第二相相比于AA7150、AA7055等铝合金大大减少，因此，合金具有较高强度的同时，具有较高的断裂韧性、较好的抗腐蚀性能、较好的疲劳性能等损伤容限性能；
②时效态的该合金，其L向抗拉强度580MPa以上，L向屈服强度560MPa以上，L向压缩屈服强度580MPa以上，L向延伸率11％以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，L-T向缺口条件(f＝25HZ，Kt＝2.3，R＝0.1，N＝3×106)疲劳极限170MPa以上；
③该合金具有较高的强度，同时具有较好的抗腐蚀性能、较高的断裂韧性及较好的疲劳性能，即具有高强、高损伤容限，适合应用于长期暴露在大气环境中的飞机部件。
具体实施方式
研制一种高损伤容限型超高强铝合金，以解决目前航空用超高强铝合金在综合性能方面，特别是在损伤容限性能方面的不足。
高损伤容限型超高强铝合金，合金成分为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.0～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，Zr：0.06～0.20wt％，Ti：0.02～0.05wt％，Fe：≤0.08wt％，Si：≤0.06wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。该铝合金还含有微量元素Mn、V、Sc、Ag中的一种或几种，其中微量元素单个含量≤0.05wt％，总含量≤0.15wt％。且Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
时效态的该合金，其L向抗拉强度580MPa以上，L向屈服强度560MPa以上，L向压缩屈服强度580MPa以上，L向延伸率11％以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，L-T向缺口条件(f＝25HZ，Kt＝2.3，R＝0.1，N＝3×106)疲劳极限170MPa以上；
本发明从合金的成分控制出发，在AA7055合金基础上通过优化溶质原子含量及原子比，即提高Zn含量、用Zn部分替代Mg，降低Cu含量，提高Zn/Mg比、Zn/Cu比，从而消除或减少合金中的S相，另外通过更加严格地控制有害杂质Fe、Si的含量，使合金保持较高强度的同时，大大提高了合金的断裂韧性、抗腐蚀性能、疲劳性能等损伤容限性能。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1～4的成分及含量如表1所示，经过熔炼、半连续铸造、均匀化、热轧、固溶、预拉伸及热处理后，制成板材。实施例1～4的时效态性能如表2所示。
表1实施例1～4的成分及含量(wt.％)
  实施例   Zn   Mg   Cu   Zr   Mn   V   Sc   Ag   Ti   Fe   Si   Al
  1   10.0   2.5   2.0   0.13   0.01   -   -   -   0.03   0.08   0.06   Bal.
  2   9.47   2.08   1.62   0.20   -   0.01   -   0.04   0.02   0.03   0.01   Bal.
  3   9.15   1.89   1.81   0.16   -   0.04   0.01   -   0.04   0.05   0.02   Bal.
  4   8.50   1.5   1.0   0.06   0.05   -   0.05   0.01   0.05   0.06   0.04   Bal.
表2实施例1～4的时效态性能
  实施例   抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   压缩屈服强度(L向)Rpc0.2/MPa 延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa   疲劳极限(L-T向)MPa
  1   595   585   595   11.5   30.3   EB   150   170
  2   590   575   590   12.5   31.6   EB   160   175
  3   585   570   585   12   32.1   EB   165   180
  4   580   560   580   11   30   EB   140   170
本发明合金时效态性能与AA7150、AA7449、AA7085、AA7055合金进行对比，如表3所示。
表3合金的综合性能对比
  抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   压缩屈服强度(L向)Rpc0.2/MPa   延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa   疲劳极限(L-T向)MPa
  实施例4   580   560   580   11   30   EB   140   170
  AA7150-   579   538   531   8   22   EB   172   -
  T7751①
  抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   压缩屈服强度(L向)Rpc0.2/MPa   延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa   疲劳极限(L-T向)MPa
  AA7449-T7951① 607 579 572 8 23 - 110 -
  AA7085-T7651① 515 495 490 9 26 EB 180 -
  AA7055-T7751① 614 593 593 7 24.2 EB - -
表中：上标①数据来源于SAE AMS。
由表2和表3可以看出，本发明合金的断裂韧度、延伸率明显高于AA7150、AA7449、AA7085、AA7055铝合金。本发明合金的强度明显高于AA7150、AA7085铝合金，与AA7449、AA7055铝合金接近。
综上所述，本发明合金具有较高的强度，较高的损伤容限，综合性能优异，适合于制造长期暴露在复杂大气环境中使用的飞机部件。使用该合金，可以增加了飞机的安全性，提高了飞机的使用寿命，其经济效益明显。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.高损伤容限型超高强铝合金，其特征在于成分的重量百分比为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.0～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，Zr：0.06～0.20wt％，Ti：0.02～0.05wt％，Fe：≤0.08wt％，Si：≤0.06wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高损伤容限型超高强铝合金，其特征在于：所述铝合金还含有微量元素Mn、V、Sc、Ag中的一种或几种，其中微量元素单个含量≤0.05wt％，总含量≤0.15wt％。
3.根据权利要求1所述的高损伤容限型超高强铝合金，其特征在于：Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
4.根据权利要求1所述的高损伤容限型超高强铝合金，其特征在于：所述铝合金时效态L向抗拉强度580MPa以上，L向屈服强度560MPa以上，L向压缩屈服强度580MPa以上，L向延伸率11％以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，L-T向f＝25HZ、Kt＝2.3、R＝0.1、N＝3×106缺口条件疲劳极限170MPa以上。
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