CN101889099A - 改进的铝-铜-锂合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的铝-铜-锂合金。该合金可以包含3.4-4.2重量％Cu，0.9-1.4重量％Li，0.3-0.7重量％Ag，0.1-0.6重量％Mg，0.2-0.8重量％Zn，0.1-0.6重量％Mn，和0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素，余量为铝和偶存元素以及杂质。该合金相对于现有技术的合金获得了改进的性能组合。

Description

改进的铝-铜-锂合金
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年12月4日提交的、题为“IMPROVED ALUMINUM ALLOYS”的美国临时专利申请No.60/992,330的优先权，并涉及2008年12月4日提交的美国专利申请No._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _。将上述专利申请通过引用以全部并入本文。
背景技术
铝合金在多种应用场合都是有用的。然而，改进铝合金的一种性能而不劣化另一性能通常很难做到。例如，增加合金的强度而不降低合金的韧性是困难的。铝合金令人关注的其它性能包括耐腐蚀性、密度和疲劳性等。
发明概述
广泛而言，本发明涉及一种铝-铜-锂合金，其具有改进的性能组合。
在一方面，该铝合金为形变铝合金，其基本上由以下成分组成：3.4-4.2重量％Cu，0.9-1.4重量％Li，0.3-0.7重量％Ag，0.1-0.6重量％Mg，0.2-0.8重量％Zn，0.1-0.6重量％Mn，和0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素，余量为铝和偶存元素以及杂质。该形变产品可以为挤压件、板材、片材或锻造产品。在一个实施方案中，该形变产品为挤压产品。在一个实施方案中，该形变产品为板材产品。在一个实施方案中，该形变产品为片材产品。在一个实施方案中，该形变产品为锻造件。
在一种方法中，该合金为挤压铝合金。在一个实施方案中，该合金具有不大于4％张拉(stretch)当量的累积(accumulated)冷加工。在其它实施方案中，该合金具有不大于3.5％，或不大于3％，或甚至不大于2.5％的张拉当量的累积冷加工。本文所用的累积冷加工意指固溶热处理之后，产品中累积的冷加工。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约3.6或3.7重量％，或甚至至少约3.8重量％的Cu。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约4.0或4.1重量％的Cu。在一些实施方案中，铝合金包含铜的范围为约3.6或3.7重量％到约4.0或4.1重量％。在一些实施方案中，铝合金包含铜的范围为约3.8重量％到约4.0重量％。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约1.0或1.1重量％的Li。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约1.3或1.2重量％的Li。在一些实施方案中，铝合金包含锂的范围为约1.0或1.1重量％到约1.2或1.3重量％。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约0.3或0.35或0.4或0.45重量％的Zn。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约0.7或0.65或0.6或0.55重量％的Zn。在一些实施方案中，铝合金包含锌的范围为约0.3或0.4重量％到约0.6或0.7重量％。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约0.35或0.4或0.45重量％的Ag。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约0.65或0.6或0.55重量％的Ag。在一些实施方案中，铝合金包含银的范围为约0.35或0.4或0.45重量％到约0.55或0.6或0.65重量％。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约0.2或0.25重量％的Mg。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约0.5或0.45重量％的Mg。在一些实施方案中，铝合金包含镁的范围为约0.2或0.25重量％到约0.45或0.5重量％。
在一些实施方案中，铝合金包含至少约0.15或0.2重量％的Mg。在一些实施方案中，铝合金包含不大于约0.5或0.4重量％的Mg。在一些实施方案中，铝合金包含锰的范围为约0.15或0.2重量％到约0.4或0.5重量％。
在一个实施方案中，晶粒组织控制元素为Zr。在这些实施方案中的一些中，铝合金包含0.05-0.15重量％的Zr。
在一个实施方案中，杂质包含Fe和Si。在这些实施方案中的一些，合金包含不大于约0.06重量％的Si(例如，≤0.03重量％的Si)和不大于约0.08重量％的Fe(例如，≤0.04重量％的Fe)。
该铝合金可以实现改进的机械性能和耐腐蚀性能的组合。在一个实施方案中，铝合金实现了最少约86ksi的纵向拉伸屈服强度。在一个实施方案中，该铝合金实现了最少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性。在一个实施方案中，该铝合金实现了至少约11.3×103ksi的典型拉伸模量，和至少约11.6×103ksi的典型压缩模量。在一个实施方案中，该铝合金具有不大于约0.097lbs./in3的密度。在一个实施方案中，该铝合金实现了至少约8.66×105in的比强度。在一个实施方案中，该铝合金实现了至少约90ksi的压缩屈服强度。在一个实施方案中，该铝合金耐应力腐蚀开裂。在一个实施方案中，该铝合金实现了等级至少为EA的MASTMAASIS。在一个实施方案中，该铝合金耐电化腐蚀。在一些方面，一种铝合金可实现上述性能中的多种(甚至全部)。在一个实施方案中，该铝合金至少实现了最少约84ksi的纵向拉伸屈服强度，最少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性，并且耐应力腐蚀开裂和耐电化腐蚀。
所述新合金的这些和其它方面，优点以及新特点将由接下来的说明性部分来进行阐明，通过对以下说明和图表进行分析将对本领域技术人员来说变得清楚，或通过生产或使用该合金也可以对其进行了解。
附图说明
图1a为说明断裂韧性测试中使用的测试样品的一种实施方案的示意图。
图1b为与图1a相关的尺寸和公差的图表。
图2为说明不同合金的典型拉伸屈服强度与拉伸模量值的坐标图。
图3为说明不同合金的典型比拉伸屈服强度值的图。
图4为说明缺口S/N疲劳测试使用的测试试样的一种实施方案的示意图。
图5为不同合金的电化腐蚀耐性的图。
详细说明
下面将详细参照附图，其至少有助于说明该新合金多种相关实施方案。
广泛而言，本公开涉及具有改进的性能组合的铝-铜-锂合金。该铝合金通常包含(在一些情形中基本上由以下成分组成)：铜、锂、锌、银、镁和锰、余量为铝，任选的晶粒组织控制元素，任选的偶存元素和杂质。下面的表1公开了依据本发明的教导一些有用的合金的组成限定。下面的表2公开了一些现有技术的合金的组成限定。所有数值均为重量百分比。
表1-新合金组成
  合金   Cu   Li   Zn   Ag   Mg   Mn
  A   3.4-4.2％   0.9-1.4％   0.2-0.8％   0.3-0.7％   0.1-0.6％   0.1-0.6％
  B   3.6-4.1％   1.0-1.3％   0.3-0.7％   0.4-0.6％   0.2-0.5％   0.1-0.4％
  C   3.8-4.0％   1.1-1.2％   0.4-0.6％   0.4-0.6％   0.25-0.45％   0.2-0.4％
表2-现有技术的挤压合金组成
Figure BPA00001187563600041
本发明所公开的合金通常包括所述的合金成分，余量为铝，任选的晶粒组织控制元素，任选的偶存元素和杂质。这里所用的“晶粒组织控制元素”意指这样的元素或化合物，即为了形成第二相颗粒(通常为固态)，而有意加入的合金化添加物，从而在热处理如回复和再结晶的过程中控制固态晶粒组织。晶粒组织控制元素的实施例包括Zr、Sc、V、Cr和Hf等。
合金中所用的晶粒组织控制材料的量通常依赖于晶粒组织控制所用材料的种类和该合金的生产工艺。当合金中含有锆(Zr)时，其加入量可以为最多约0.4重量％或最多约0.3重量％，或最多约0.2重量％。在一些实施方案中，合金中Zr的加入量为0.05-0.15重量％。向合金中加入钪(Sc)、钒(V)、铬(Cr)、和/或铪(Hf)可以代替(全部或部分)Zr，并且它们在合金中的含量可与Zr相同或相似。
尽管不认为是用于本申请目的的晶粒组织控制元素，合金也可包含锰(Mn)作为Zr的补充或替代(全部或部分)。当合金中加入Mn时，其含有量如之前所述。
本文所用的“偶存元素”是指可任选加入到合金中以有助于合金生产的的那些元素和材料。偶存元素的例子包括铸造助剂，例如晶粒细化剂和脱氧剂。
晶粒细化剂为能在合金凝固时引晶新晶粒的孕育剂或晶核。晶粒细化剂的一个例子为包含96％铝、3％钛(Ti)和1％硼(B)的3/8英寸的杆，其中基本上所有的硼均以细分布的TiB2颗粒存在。在铸造过程中，将晶粒细化剂杆在生产线中送入熔融合金中，该熔融合金以可控速率流入铸造坑。合金中包含的晶粒细化剂的量通常依赖于晶粒细化所用的材料种类和该合金的生产工艺。晶粒细化剂的例子包括Ti和B的组合(如TiB2)，或Ti和碳的组合(TiC)，尽管也可使用其它晶粒细化剂，如Al-Ti母合金。通常，依赖于所需的铸造状态晶粒尺寸，向合金中加入的晶粒细化剂的量为0.0003重量％到0.005重量％。此外，Ti可以按最多0.03重量％的量单独加入合金中，从而增加晶粒细化剂的效力。当合金中含有Ti时，其通常以最多约0.10或0.20重量％的量存在。
本文通常称为脱氧剂的一些合金化元素，可以在铸造期间加入合金中来降低或限制(且在某些情形中消除)铸锭的开裂，这些开裂是由于例如氧化物褶皱(fold)，点蚀(pit)和氧化物斑点而产生的。脱氧剂的例子包括Ca、Sr和Be。当合金中含有钙(Ca)时，其存在量通常为最多约0.05重量％或最多约0.03重量％。在一些实施方案中，合金中的Ca含量为0.001-0.03wt％或0.05重量％，例如0.001-0.008重量％(或10到80ppm)。合金中可以含有锶(Sr)来代替Ca(全部或部分)，因而其在合金中的含量与Ca相同或相似。常规地，铍(Be)添加物有助于降低铸锭开裂的倾向，然而为了环境、健康和安全的原因，合金的一些实施方案基本上无Be。当合金中含有Be时，其存在量通常为约最多20ppm。
偶存元素可以按次要量或显著量存在，并且在其自身不背离本文所述的合金的情形中，添加所需或其它特性，只要合金保持本文所述的所需性质即可。然而，可以理解，本公开的范围不应/不能通过一种或几种元素的少量添加而得以避免，所述添加不影响本文所需和所得的性能组合。
本文所用的杂质为由于例如铝的固有性质和/或从接触的制造设备浸出的那些可以按次要量存在于合金中的材料。铁(Fe)和硅(Si)为铝合金中经常存在的杂质的例子。合金的Fe含量通常应不超过约0.25重量％。在一些实施方案中，合金中的Fe含量不大于约0.15重量％，或不大于约0.10重量％，或不大于约0.08重量％，或不大于约0.05或0.04重量％。同样地，合金的Si含量通常应不超过约0.25重量％，并且通常低于Fe含量。在一些实施方案中，合金中的Si含量不大于约0.12重量％，或不大于约0.10重量％，或不大于约0.06重量％，或不大于约0.03或0.02重量％。
除了另有声明，“最多”一词当涉及到一种元素的含量时意指该元素组分为任选的，同时包括该特定组成组分的0含量。除非另有声明，否则，所有组成百分比均为重量百分比(重量％)。
合金可通过大致的常规工艺包括熔炼和直接冷硬(DC)铸造成铸锭的形式来制备。也可使用本领域公知的常规晶粒细化剂例如含有钛和硼，或钛和碳的那些。经过常规的修整、车床加工、或去皮(如有需要)和均质化，还将这些铸锭进一步加工成形变产品，例如热轧成片材(≤0.249英寸)或板材(≥0.250英寸)，或挤压或锻造成特殊形状的型材。在挤压情形中，可将该产品固溶热处理(SHT)和淬火，再机械地消除应力，例如通过张拉和/或压缩最多约4％的永久应变，如从约1到3％，或1到4％。也可以完成类似的SHT、淬火、应力消除和人工时效操作从而制造轧制产品(如片材/板材)和/或锻造件。
本文所公开的新合金与7xxx和其它2xxx系列合金相比，获得了改进的组合性能。例如，该新合金可以获得两种或更多种下述性能的改进的组合：极限拉伸强度(UTS)、拉伸屈服强度(TYS)、压缩屈服强度(CYS)、延伸率(E1)、断裂韧性(FT)、比强度、模量(拉伸和/或压缩)、比模量、耐腐蚀性以及疲劳性等。在一些情形中，可以获得这些性能中的至少一些而无大量的累积冷加工，例如那些用于现有的Al-Li产品如2090-T86挤压件。通过少量的累积冷加工获得这些性质有利于挤压产品。挤压产品通常不能进行压缩加工，而大量的伸展难以保证尺寸公差，如横截面测量和属性公差，包括曲线度和平直度，如ANSI H35.2规范中所述。
关于强度和延伸率，该合金可实现最少约92ksi，或甚至最少约100ksi的纵向(L)极限拉伸强度。该合金可实现最少约84ksi，或最少约86ksi，或最少约88ksi，或最少约90ksi，或甚至最少约97ksi的纵向拉伸屈服强度。该合金可实现至少约88ksi，或最少约90ksi，或最少约94ksi，或甚至最少约98ksi的纵向压缩屈服强度。该合金可实现最少约7％，或甚至最少约10％的延伸率。在一个实施方案中，依据ASTM E8和/或B557，在产品平面的四分之一处测量了极限拉伸强度和/或拉伸屈服强度和/或延伸率。在一个实施方案中，产品(例如挤压件)具有0.500-2.000英寸的厚度。在一个实施方案中，依据ASTME9和/或E111，在产品平面的四分之一处测量压缩屈服强度。可以理解到，强度可以随着厚度稍微变化。例如，薄的(如＜0.500英寸)或厚的(如＞3.0英寸)产品与上述产品相比，可能具有稍微较小的强度。但是，这些薄的或厚的产品与以前可获得的合金产品相比仍提供明显的优势。
关于断裂韧性，该合金可实现的长-横(L-T)平面应变断裂韧性为最少约20ksi√in.，或最少约23ksi√in.，或最少约27ksi√in.，或甚至最少约31ksi√in.。在一个实施方案中，使用如图1a所示的样品结构，在四分之一平面处，依据ASTM E399测量了断裂韧性。可以理解，断裂韧性可随厚度和测试条件而有些改变。例如，厚的产品(如＞3.0英寸)与上述产品相比，可具有稍微较小的断裂韧性。但是，这些厚的产品与以前可获得的产品相比仍提供明显的优势。
关于图1a，在图1b中提供了尺寸和公差图表。图1a的注释1表示对于L-T和L-S样品在此方向上的晶粒。图1a的注释2表示对于T-L和T-S样品在此方向上的晶粒。图1a的注释3表示所示的S缺口尺寸为最大，如有必要可以较窄。图1a的注释4表示检查残余应力，测量和记录样品在所注释处于机加工缺口之前和之后的高度(2H)。所有的公差如下(除非另有注释)：0.0＝+/-0.1；0.00＝+/-0.01；0.000＝+/-0.005。
关于比拉伸强度，该合金可实现不大于约0.097lb./in3例如0.096-0.097lb./in3的密度。因此，该合金可实现的比拉伸屈服强度为至少约8.66×105in.((84ksi*1000＝84,000lb./in)/(0.097lb./in3＝约866,000in.)，或至少为约8.87×105in.，或至少为约9.07×105in.，后者至少为约9.28×105in.，或甚至至少为约10.0×105in.。
关于模量，该合金可以实现至少约11.3或11.4×103ksi的典型拉伸模量。该合金可以实现至少约11.6或11.7×103ksi的典型压缩模量。在一个实施方案中，可依据ASTM E111和/或B557，在样品四分之一平面处测量模量(拉伸或压缩)。该合金可实现至少约1.16×108in.((11.3×103ksi*1000＝11.3*106lb./in.)/(0.097lb./in3＝约1.16×108in.)的比拉伸模量。该合金可实现最少约1.19×108in的比压缩模量。
关于耐腐蚀性，该合金可以耐应力腐蚀开裂。本文所用的应力腐蚀开裂是指该合金通过了交替浸入腐蚀测试(3.5重量％NaCl)，测试的同时向合金施加(i)LT方向上至少约55ksi，和/或(ii)ST方向上至少约25ksi的应力。在一个实施方案中，依据ASTM G47进行应力腐蚀开裂测试。
关于剥落腐蚀耐性测试，在对于产品平面的T/2和/或T/10处，或其它相关的测试平面和位置的MASTMAASIS测试过程中，该合金可以实现至少“EA”级，或至少“N”级，或甚至至少“P”级。在一个实施方案中，该MASTMAASIS测试依据ASTM G85-Annex 2和/或ASTM G34进行。
该合金可实现改善的耐电化腐蚀性，当其连接到公知的加速铝合金腐蚀的阴极时，具有低的腐蚀速率。电化腐蚀是指给定材料(通常为金属)通过连接到另一导电材料而加快腐蚀的过程。这种加速腐蚀的形态可根据材料和环境而改变，但可包括点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀和其它已知的腐蚀形式。该加速过程常常是动态的，造成材料其它方面的腐蚀耐性迅速恶化，从而减短结构寿命。电化腐蚀耐性是现代飞行器设计所需要考虑的因素。一些现代的飞行器可以组合许多不同的材料，例如铝与碳纤维增强的塑性复合材料(CFRP)和/或钛部件。这些部件中的一些对铝来说是很阴极性(cathodic)的，这意味着由铝合金制成的部件或结构当与这些材料有电流传递(例如直接接触)时可经历腐蚀速率加速。
在一个实施方案中，本文所公开的新合金耐电化腐蚀。此处所用的“耐电化腐蚀”意指该新合金在静止的3.5％NaCl溶液中，在约-0.7到约-0.6的电势下(相对于饱和甘汞电极(SCE)的电压)下，相对于具有相似尺寸和形状的7xxx合金实现了低至少50％的电流密度(uA/cm2)，该7xxx合金具有与该新合金相似的强度和韧性。适于该比较目的的一些7xxx合金包括7055和7150。电化腐蚀耐性测试通过如下方式进行：将合金样品浸入静止溶液中，通过监测在已记录电化学势处(相对于饱和甘汞电极以电压计进行测量)的电流密度来测量腐蚀速率。该测试模拟与阴极材料的接触，如上述的那些。在一些实施方案中，该新合金在静止的3.5％NaCl溶液中，在约-0.7到约-0.6的电势下(相对于SCE的电压)下，相对于具有相似尺寸和形状的7xxx合金实现了低至少75％，或至少90％，或至少95％，或甚至至少98或99％的电流密度(uA/cm2)，该7xxx合金具有与该新合金相似的强度和韧性。
由于与这些7xxx合金相比该新合金实现更好的电化腐蚀耐性和更低的密度，同时实现了相似的强度和韧性，因此该新合金非常适合作为这些7xxx合金的替代。该新合金甚至可以用于那些7xxx合金由于腐蚀担忧而不能被使用的应用场合。
关于疲劳性，在35ksi的最大应力条件下，对于0.95英寸厚的挤压件，该合金可实现平均至少约90,000次循环的缺口S/N疲劳寿命。在35ksi的最大应力条件下，对于3.625英寸厚的挤压件，该合金可实现平均至少约75,000次循环的缺口S/N疲劳寿命。其它的形变产品也可实现相似的数值。
下面的表3列出了新合金和若干现有挤压合金的一些挤压性能。
表3-挤压合金的性能
Figure BPA00001187563600091
如上所示，该新合金相对于现有技术的合金实现了改进的机械性能组合。例如，如图2所示，该新合金相对于现有技术的合金获得了改进的强度和模量的组合。作为另一个实例，如图3所示，该新合金相对于现有技术的合金获得了改进的比拉伸屈服强度。
设计者选用铝合金生产不同结构来达到特定的设计目标，例如轻重量、良好的耐久性、低维护费用和好的耐腐蚀性。由于其改进的性能组合，该新铝合金能够用于多种结构，包括交通工具例如飞机、自行车、汽车、火车、娱乐设备、和管道等。该新合金关于飞机构架的挤压态的一些具体应用的例子包括纵梁(如机翼或机身)、翼梁(整体的或非整体的)、肋条、整体面板、框架、龙骨、横梁、座椅轨道、人工轨(false rails)、常规地板结构、塔门和发动机环绕(engine surround)等。
可以通过一系列的常规铝合金处理步骤包括铸造、均质化、固溶热处理、淬火、张拉和/或时效来制造该铝合金。在一种方法中，将合金制成产品，例如适于挤压的铸锭衍生产品。例如，可以半连铸具有上述组成的大铸锭。接着将该铸锭预热以均质化和固溶其内部组织。合适的预热处理步骤将铸锭加热到相对高的温度，例如约955°F。在该情形中，优选加热到第一较低温度水平，例如加热超过900°F，如约925-940°F，然后将铸锭保持在该温度几个小时(如7或8小时)。然后将铸锭加热到最终保持温度(如940-955°F)，并在该温度保持几个小时(如2-4小时)。
通常实施该均质化步骤的累计保持时间的区间为约4到20小时，或更多。该均质化温度通常与最终预热温度(如940-955°F)相同。总体上，在超过940°F的温度下的累积保持时间应当至少为4小时，例如8到20或24小时，或更多，其依赖于例如铸锭尺寸。预热和均质化有助于保持不溶解的和溶解的总体积百分含量低，尽管高温需要谨慎以避免部分熔化。这样的谨慎可包括仔细升温，包括缓慢或步进式加热，或二者。
接下来，如有必要，则可将该铸锭进行修整和/或机加工来去除表面的缺陷，从而提供良好的挤压件表面，这依赖于挤压方法。再将该铸锭切割为单独的坯料并再加热。该再加热温度通常为700-800°F，根据坯料的大小和处理所用的炉子的能力，再加热时期从几分钟到几小时不等。
接下来，通过加热的装置例如设定为提高的温度(如650-900°F)的模具或其它工具挤压铸锭，并且该铸锭可以包括约7∶1以上的横截面面积的压下量(挤压比)为大。根据再加热和工具和/或模具温度，挤压速度通常为3-12英尺每分钟。结果，挤压铝合金制品在例如830-880°F的温度下可从工具中离开。
接下来，通过在提高的温度(通常为940-955°F)下加热对挤压件进行固溶热处理(SHT)，从而在SHT温度使所有的或接近所有的合金元素固溶。在加热到提高的温度并保持对于炉中的挤压部件合适的时间后，可将该产品通过本领域公知的浸入或喷雾来淬火。在淬火后，某些产品可能需要进行冷加工，如通过张拉或压缩，从而消除内部应力或伸直产品，并且某些情形中来进一步强化产品。例如，挤压件可以具有小至1％或2％的累积张拉量，并且在某些情形中为最多2.5％，或3％，或3.5％或某些情形中最多4％，或者类似的累积冷加工量。此处所称的累计冷加工意指：在固溶热处理之后，产品中累积的冷加工，无论张拉还是其它方式。无论是否冷加工，接着使固溶热处理和淬火的产品处于析出硬化条件，或者准备用于下述的人工时效。此处所用的“固溶热处理”包括淬火，除非另有指明。其它形变产品也可以在时效之前进行其它类型的冷变形。例如，可以将板材张拉4-6％，并任选地在张拉之前冷轧8-16％。
在固溶热处理和冷加工(如果合适)之后，可以通过加热到合适的温度将产品进行人工时效以改善强度和/或其它性能。在一个方案中，该热时效处理包括两个主要的时效步骤。众所周知，从给定或目标处理温度倾斜上升和/或下降，就其自身而言能够产生析出(时效)效果，该效果可以(并经常需要)将这样的倾斜状况和其析出硬化效果考虑并入到总的时效处理中。在一个实施方案中，第一阶段时效发生在200-275°F的温度内并持续约12-17小时。在一个实施方案中，第二阶段时效发生在290-325°F的温度下并持续约16-22小时。
上述工序涉及制造挤压件的方法，但是本领域技术人员认识到，可以将这些工序进行适当变更来生产该合金的片材/板材/和/或锻造件，而无需过度实验。
实施例
实施例1
铸造了直径23”×长125”的两个铸锭。在下表4提供了该铸锭的大概组成(所有数值均为重量百分比)。该合金的密度为0.097lb/in3。
表4-铸造合金的组成
Figure BPA00001187563600111
对这两个铸锭进行应力消除，每个削剪(crop)到105”长度，并进行超声波检测。将坯料进行下述均质化：
●18小时倾斜升到930°F；
●在930°F保持8小时；
●16小时倾斜升到946°F；
●在946°F保持48小时
(炉子要求-5°F，+10°F)
接着将坯料切割为下述长度：
●43”-1的qty
●31”-1的qty
●30”-1的qty
●44”-1的qty
为进行挤压试验，完成了最终的坯料制备(削剥(pealed)为所需直径)。该挤压试验步骤包括4个大压力型材(press shape)和3个小压力型材的评价。将三个大压力型材进行挤压来表征对于间接挤压处理的挤压设定和材料性能以及对于直接挤压处理的一个大压力型材。为此评价，将四个大压力型材厚度中的三个挤压到0.472”到1.35”。第四个大压力型材为直径6.5”的杆。将三个小压力型材进行挤压来表征对于间接挤压处理的挤压设定和材料性能。小压力型材厚度范围为0.040”到0.200”。大压力挤压速度为每分钟4到11英尺，而小压力挤压速度为每分钟4到6英尺。
在挤压处理后，对每个母型材进行单独热处理，淬火并张拉。热处理在约945-955°F下完成，并均热一小时。目标为2.5％的张拉。
对每个型材检查代表蚀刻片，发现再结晶层为0.001到0.010英寸。然而，一些更薄的小压力型材确实出现了混合的晶粒(再结晶的和未再结晶的)显微组织。
在270到290°F下产生对于大压力型材的单一步骤时效曲线。结果表明该合金具有高韧性，同时接近于对比的7xxx产品(例如7150-T77511)的静态拉伸强度。
为了进一步改进合金的强度，开发了多步时效作业。对多步组合时效进行评价以便改进强度-韧性关系，尽管也致力于达到已知高强度7xxx合金的静态性能的目标。最终开发的多步时效作业为在270°F下持续约15小时的第一时效步骤，和在约320°F下持续约18小时的第二时效步骤。
在回火进程中进行腐蚀测试。在LT/55ksi和ST/25ksi的组合的应力和方向下，根据ASTM G47和G49对样品合金进行应力腐蚀开裂(SCC)测试。该合金甚至在155天之后通过了SCC测试。
还进行了MASTMAASIS测试(间歇盐雾实验)，结果表明对于单一和多步时效作业在T/10和T2平面处只有轻度剥落。该MASTMAASIS结果在T/2和T/10平面处对合金均得到“P”级。
以不同的厚度对该合金进行了不同的机械测试。在下表5中提供了这些结果。
表5-测试合金的性能(平均)
Figure BPA00001187563600131
如上表3所示，并且通过这些结果所示，该合金实现了相对于常规挤压合金2099和2196改进的强度和韧性的组合。该合金相对于常规7xxx合金7055和7150也实现了相似的强度和韧性，然而显著更轻，从而提供比7xxx合金更高的比强度。该新合金相对于7xxx合金也实现了更高的拉伸和压缩模量。这些性能的组合是独特的和出人意料的。
实施例2
铸造了十个直径23”的铸锭。在下表6中提供了该铸锭的大概成分(所有数值为重量百分比)。该合金的密度为0.097lb/in3。
表6-铸造合金的组成
Figure BPA00001187563600132
对该铸锭进行应力消除，并将铸造1-A的三个铸锭和铸造1-B的三个铸锭按如下进行均质化：
●将炉设定为940°F，同时将所有6个铸锭装入所述炉内；
●在925-940°F均热下8小时；
●保持8小时之后，将炉再设为948°F；
●4小时后，将炉再设为955°F；
●保持940-955°F 24小时
将坯料切割成段并削剥至所需直径。将该坯料挤压成7个大压力型材。该型材的厚度为0.75英寸-7英寸厚。挤压速度和压力热设定为每分钟3-12英尺，以及在约690-710°F到约750-810°F下。在挤压步骤之后，将每个母型材进行单独固溶热处理，淬火和张拉。固溶热处理的目标为945-955°F，均热时间根据挤压厚度设定为30分钟到75分钟。目标为3％张拉。
对每个型材的代表蚀刻片进行检查，发现再结晶层的厚度为0.001到0.010英寸。完成多步时效循环以增加强度和韧性的组合。特别地，第一步时效为在约270°F下持续约15小时，而第二步时效为在约320°F下持续约18小时。
在LT/55ksi和ST/25ksi(二者均位于T/2平面)的应力组合和方向下，根据ASTMG47和G49对样品合金进行应力腐蚀开裂测试。该合金通过了应力腐蚀开裂测试。
还根据ASTM G85-Annex 2和/或ASTM G34进行了MASTMAASIS测试(间歇盐雾实验)。合金获得了“P”级的MASTMAASIS级别。
根据ASTM E466在T/2平面处进行了缺口S/N疲劳测试以获得应力寿命(S-N或S/N)疲劳曲线。应力-寿命疲劳测试表征了材料对占总的疲劳寿命的主要部分的疲劳开始和小裂纹增长的耐性。于是，S-N疲劳性能的改进可以使部件在超过其设计寿命的更高压力下工作，或在同样应力下工作具有增加的寿命。前者可以通过降低尺寸来转化为明显的减重，而后者可以导致较少的检查和低的维护成本。
下表7提供了S-N疲劳结果。使用缺口测试试样获得了净最大应力集中系数Kt为3.0的结果。如图4所示制造该测试试样。以R＝0.1的应力比(最小载荷/最大载荷)向该测试试样的轴向施加应力。测试频率为25Hz，在实验室环境空气下进行该测试。
关于图4，为了使残余应力最小化，应当按如下机加工缺口：(i)以每转(rev)0.0005”来进给工具，直到样品为0.280”；(ii)将工具拉出以破坏碎片；(iii)以每转0.0005”来进给工具，直到最终缺口直径。还应对所有样品进行除油脂和超声清理，并应使用液压夹具。
在这些测试中，该新合金相对于工业标准7150-T77511产品显示出明显改进的疲劳寿命。例如，在施加35ksi的净截面应力下，该新合金实现了93,771次循环寿命(基于所有样品在该应力下测试的对数平均值)，而作为比较的标准7150-T77511合金为典型的11,250次循环。在27.5ksi的最大净应力下，该新合金实现了平均的3,844,742次循环寿命，而作为比较的7150-T77511合金在25ksi的净应力下为典型的45,500次循环。本领域技术人员理解，该疲劳寿命不仅依赖于应力集中系数(Kt)，还依赖于其它因素，包括但不限于样品类型和尺寸、厚度、表面制备工艺、测试频率和测试环境。因此，尽管观察到的该新合金的疲劳性改进对应于所标注的特定测试试样类型和尺寸，但预计可以观察到在其它类型和尺寸的疲劳样品中的改进，虽然改进的寿命和大小可能不同。
表7-缺口S/N疲劳结果
Figure BPA00001187563600151
对该合金在不同的厚度下进行了不同的机械测试。在下表8中提供了这些结果。
表8-挤压合金的性能(平均)
  新合金   新合金   新合金
  厚度(英寸)   0.750   0.850   3.625
  UTS(L)(ksi)   93.5   100.1   92.6
  TYS(L)(ksi)   88.8   97.1   88.7
  E1.％(L)   10.4   9.9   7.9
  CYS(ksi)   93.9   98.3   93.3
  剪切极限强度(ksi)   52.1   51.6   53.1
  承载极限强度e/D＝1.5(ksi)   112.8   112.2   108.9
  承载屈服强度e/D＝1.5(ksi)   130.7   130.3   124
  承载极限强度e/D＝2.0(ksi)   132.2   132.5   127.1
  承载屈服强度e/D＝1.5(ksi)   168.4   168.1   160.9
  拉伸模量(E)-典型(103ksi)   11.4   11.4   11.4
  新合金   新合金   新合金
  压缩模量(Ec)-典型(103ksi)   11.6   11.7   11.7
  密度(lb./in3)   0.097   0.097   0.097
  比拉伸屈服强度(105in.)   9.15   10.0   9.14
  韧性(L-T)(ksi√in.)   -   31.8   23.3
在静止的3.5％NaCl溶液中进行电化腐蚀测试。图5图示了该新合金的电化腐蚀耐性。如图所示，该新合金实现了比7150合金低至少50％的电流密度，改进的程度随电势稍有变化。注意，在相对于SCE为约-0.7V的电势下，该新合金实现了比7150合金低超过99％的电流密度，该新合金具有约11uA/cm2的电流密度，而合金7150具有约1220uA/cm2((1220-11)/1220＝99.1％更低)的电流密度。
尽管详细描述了本合金的不同实施方案，但本领域技术人员将清楚对这些实施方案的修改和调整。然而，明显可理解，这些修改和调整是在本发明公开的精神和范围内的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种挤压铝合金，基本上由以下成分组成：
3.4-4.2重量％Cu；
0.9-1.4重量％Li；
0.3-0.7重量％Ag；
0.1-0.6重量％Mg；
0.2-0.8重量％Zn；
0.1-0.6重量％Mn；和
0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素；
余量为铝和偶存元素以及杂质；
其中该铝合金实现了至少为约86ksi的最小纵向拉伸屈服强度。
2.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性。
3.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金耐应力腐蚀开裂。
4.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少为EA的MASTMAASIS等级。
5.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约11.3×103ksi的典型拉伸模量，和至少约11.6×103ksi的典型压缩模量。
6.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有不大于约0.097lbs./in3的密度。
7.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有至少约8.66×105in的比强度。
8.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约90ksi的压缩屈服强度。
9.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有不大于4％张拉当量的累积冷加工。
10.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金包含：
3.6-4.1重量％Cu；
1.0-1.3重量％Li；
0.3-0.7重量％Zn；
0.4-0.6重量％Ag；
0.2-0.5重量％Mg；和
0.1-0.4重量％Mn。
11.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金包含：
3.7-4.0重量％Cu；
1.1-1.2重量％Li；
0.4-0.6重量％Zn；
0.4-0.6重量％Ag；
0.25-0.45重量％Mg；和
0.2-0.4重量％Mn。
12.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中所述晶粒组织控制元素为Zr，且其中该合金含有0.05-0.15重量％Zr。
13.权利要求13所述的挤压铝合金，其中杂质包含Fe和Si，且其中该合金包含不大于约0.06重量％的Si和不大于约0.08重量％的Fe。
14.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该合金耐电化腐蚀。
15.一种飞机纵梁，其包括前述任一项权利要求所述的合金。
16.一种飞机翼梁，其包括前述任一项权利要求所述的合金。
17.一种铝合金，基本上由以下成分组成：
3.4-4.2重量％Cu；
0.9-1.4重量％Li；
0.3-0.7重量％Ag；
0.1-0.6重量％Mg；
0.2-0.8重量％Zn；
0.1-0.6重量％Mn；和
0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素；
余量为铝和偶存元素以及杂质；
其中该铝合金实现了至少约86ksi的最小纵向强度，至少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性，其中该铝合金耐应力腐蚀开裂，且其中该铝合金耐电化腐蚀。
18.权利要求17所述的铝合金，其中该合金为形变产品。
19.权利要求17-18任一项所述的铝合金，其中该形变产品为挤压件、板材或片材产品。

Claims (20)

1.一种挤压铝合金，基本上由以下成分组成：
3.4-4.2重量％Cu；
0.9-1.4重量％Li；
0.3-0.7重量％Ag；
0.1-0.6重量％Mg；
0.2-0.8重量％Zn；
0.1-0.6重量％Mn；和
0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素；
余量为铝和偶存元素以及杂质。
2.权利要求1所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少为约86ksi的纵向拉伸屈服强度。
3.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性。
4.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金耐应力腐蚀开裂。
5.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少为EA的MASTMAASIS等级。
6.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约11.3×103ksi的典型拉伸模量，和至少约11.6×103ksi的典型压缩模量。
7.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有不大于约0.097lbs./in3的密度。
8.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有至少约8.66×105in的比强度。
9.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金实现了至少约90ksi的压缩屈服强度。
10.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金具有不大于4％张拉当量的累积冷加工。
11.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金包含：
3.6-4.1重量％Cu；
1.0-1.3重量％Li；
0.3-0.7重量％Zn；
0.4-0.6重量％Ag；
0.2-0.5重量％Mg；和
0.1-0.4重量％Mm。
12.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该铝合金包含：
3.7-4.0重量％Cu；
1.1-1.2重量％Li；
0.4-0.6重量％Zn；
0.4-0.6重量％Ag；
0.25-0.45重量％Mg；和
0.2-0.4重量％Mm。
13.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中所述晶粒组织控制元素为Zr，且其中该合金含有0.05-0.15重量％Zr。
14.权利要求13所述的挤压铝合金，其中杂质包含Fe和Si，且其中该合金包含不大于约0.06重量％的Si和不大于约0.08重量％的Fe。
15.前述任一项权利要求所述的挤压铝合金，其中该合金耐电化腐蚀。
16.一种飞机纵梁，其包括前述任一项权利要求所述的合金。
17.一种飞机翼梁，其包括前述任一项权利要求所述的合金。
18.一种铝合金，基本上由以下成分组成：
3.4-4.2重量％Cu；
0.9-1.4重量％Li；
0.3-0.7重量％Ag；
0.1-0.6重量％Mg；
0.2-0.8重量％Zn；
0.1-0.6重量％Mn；和
0.01-0.6重量％的至少一种晶粒组织控制元素；
余量为铝和偶存元素以及杂质；
其中该铝合金实现了至少约84ksi的纵向强度，至少约20ksi√in的L-T平面应变断裂韧性，其中该铝合金耐应力腐蚀开裂，且其中该铝合金耐电化腐蚀。
19.权利要求18所述的铝合金，其中该合金为形变产品。
20.权利要求18-19任一项所述的铝合金，其中该形变产品为挤压件、板材或片材产品。
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