CN102400019A - 具有耐腐蚀性的多合金组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种组件和制造组件的方法，组件包括：包括不大于1wt％铜的7XXX系铝合金第一元件；包括至少1wt％铜的7XXX系铝合金第二元件；第一元件和第二元件之间的接头，它把第一元件结合到第二元件上；其中，组件包括对于海洋环境的抗应力腐蚀开裂性。

Description

具有耐腐蚀性的多合金组件及其制造方法
相关申请引用
本专利申请要求2010年7月30日提交的美国临时专利申请No.61/369,563的优先权，通过引用把该美国临时专利申请全文合并于此。
背景技术
在海洋环境中，当在某些方向和/或具有接头的部位(例如焊缝)处受到载荷时，某些具有7XXX铝合金的铝产品表现出低的应力腐蚀开裂阈值。
发明内容
大体上，本发明涉及一种组件，其中，高铜含量7XXX系铝合金元件与低铜含量7XXX系铝合金元件相结合。该组件的耐腐蚀性被调整适合于提高在恶劣环境中的耐腐蚀性能(例如抗应力腐蚀开裂性能)。这样，本发明的组件可实现长使用寿命，具有多维载荷承受能力(例如在ST、L和LT方向上的载荷)，并且即使长时间暴露在腐蚀性环境(例如盐水)中也仍然耐用。例如，该组件(有时称为“管组件”)能够在受到三维载荷应力的海洋应用中采用，例如，当组件淹没在海洋环境中。海洋应用可以是在不同深度、不同水温和/或其他各种条件下的盐水中应用或淡水中应用(例如具有腐蚀性离子和/或材料)。一些海洋应用的例子包括钻探、疏浚、建造载荷支承结构和成海砂浇灌设备。
本发明的一个方面提供了一种组件，包括：7XXX系铝合金第一元件，其包括有不大于1wt％的Cu；7XXX系铝合金第二元件，其包括有至少1wt％的Cu；第一元件和第二元件之间的接头，它将第一元件结合到第二元件；其中，该组件对于海洋环境具有抗应力腐蚀开裂性。
这里所用的术语应力腐蚀开裂(SCC)是指物品在应力状态下由于开裂/出现裂纹而失效。在某些实施方式中，SCC是由于在长时间应力状态下多维载荷而导致的。因而，在某些实施方式中，SCC抗性包括在一定应力载荷/阈值(MPa)并在一个或多个方向(包括ST、L和/或LT方向)上载荷时对于SCC的抗性。
海洋环境是指有盐含量(例如盐度)的水。例如，海洋环境包括盐水或具有可测盐度的水。在一些实施方式中，通过各种试验来模拟海洋环境，包括例如ASTM试验。
在一个实施方式中，第一元件通过了在依据ASTM标准G-103沸腾盐水试验在L方向为期至少7天测得的213MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性试验。
在一个实施方式中，依据ASTM G-110侵蚀性试验，第一元件没有点蚀或晶间腐蚀。
在一个实施方式中，第二元件通过了在依据ASTM标准G-44、G-47和G-49交替浸没试验在ST方向上为期至少30天测得的240MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性试验。在一些实施方式中，第二元件通过了在ST、LT和/或L方向上载荷时的SCC抗性试验。
在一些实施方式中，组件的第二元件包括比接头的低铜含量区域低至少5mV的腐蚀电位。
在一些实施方式中，第二元件包括过时效状态。
在一些实施方式中，接头为焊缝。在一些实施方式中，接头为固态焊接的焊缝。在一些实施方式中，接头为摩擦搅拌焊接的焊缝。在一些实施方式中，接头包括至少约297MPa的拉伸屈服强度，这是横跨接头测得的。
本发明的另一个方面提供了一种组件。该组件包括：第一元件，其包括Cu含量不大于1wt％的7XXX系铝合金；第二元件，其包括Cu含量至少1wt％的7XXX系铝合金，其中，第二元件包括过时效状态；焊缝，其把第一元件和第二元件附连，其中，焊缝包括低铜含量区域；其中，由于过时效状态，焊缝的低铜含量区域包括有在海洋环境中的抗应力腐蚀开裂性。
在一个实施方式中，焊缝的低铜含量区域包括比第二元件的腐蚀电位至少高5mV的腐蚀电位，这是依据ASTM G-69测得的。
在一个实施方式中，在海洋环境中的抗应力腐蚀开裂性包括：焊缝的低铜含量区域通过了在依据ASTM标准G-103沸腾盐水试验横跨焊缝为期至少6天测得的170MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性试验。
在一个实施方式中，第一元件是挤压件。在一个实施方式中，第二元件选自挤压件和锻造件。在一个实施方式中，第二元件的过时效状态包括T7状态。
本发明的另一个方面提供一种制造组件的方法。该方法包括：(a)把第一元件焊接到第二元件上，第一元件包括不少于1wt％Cu的7XXX系铝合金，第二元件包括不多于1wt％Cu的7XXX系铝合金元件，从而制造出具有焊缝的组件，焊缝包括低铜含量区域和高铜含量区域；以及(b)在足够的时间和温度下对组件热处理，使得第二元件包括过时效状态；其中，由于热处理步骤，焊缝的低铜含量区域包括改善的在海洋环境中的抗应力腐蚀开裂性。在一些实施方式中，热处理步骤包括对焊缝的低铜含量区域和第二元件这二者中的至少一个进行热处理，使得焊缝的低铜含量区域和第二元件之间有至少约5mV的腐蚀电位差。
在一个实施方式中，热处理步骤包括把第二元件时效到T7状态。在一个实施方式中，由于热处理步骤，第二元件包括比焊缝的低铜含量区域至少低约5mV的腐蚀电位差。在一些实施方式中，在机械接头上完成时效步骤。在一些实施方式中，在焊缝上完成时效步骤(例如，焊后时效)。在一个实施方式中，该方法包括增加热处理步骤的温度或时间中的至少一个，以增加低铜含量焊缝区域和第二元件(例如管组件)之间的腐蚀电位差。
在一个实施方式中，焊接包括摩擦搅拌焊接。
在全文中，“第一元件包括含有不少于1wt％Cu的7XXX系铝合金”有时被称为“高铜含量元件”。在全文中，“第二元件包括含有不多于1wt％Cu的7XXX系铝合金”有时被称为“低铜含量元件”。
参考图1，示出了组件10(例如管组件)。组件10包括高铜含量元件12(例如联接件20)、低铜含量元件14(例如管22)以及接头16(例如示出为焊缝区域18)。所示的焊缝区域18是摩擦搅拌焊接的焊缝。在一个实施方式中，高铜含量铝合金元件具有的抗应力腐蚀开裂性(SCC抗性)足以长时间地和/或在各种应力载荷(单位是MPa)下以多维方式(例如ST、SL和L方向)承受载菏，而低铜含量铝合金元件具有优异的全面腐蚀抗性和/或优异的点蚀抗性(下文中定义)。焊缝的低铜含量区域也包括优异的SCC抗性。因此，在一些实施方式中，组件的不同元件可以对于不同种类的腐蚀具省提高的耐蚀性，这些腐蚀包括应力腐蚀、全面腐蚀和/或点蚀。
如ASTM G5中所定义的，腐蚀是指材料(通常为金属)和它所在的环境之间的化学或电化学反应，其导致材料及其性能的恶化。腐蚀包括全面腐蚀、质量损失、剥落和应力腐蚀。本文所用术语耐蚀性是指物体抵御腐蚀的能力，或在某些条件下受到有限量腐蚀的能力。测量时，腐蚀可以量化为全面腐蚀、点蚀和晶间腐蚀。
极限拉伸强度(以下称为UTS)是指材料在逐渐并均匀施加的载荷下在拉伸情况下所能承受的最大应力。
拉伸屈服强度(以下称为TYS)是由发生一定量永久塑性变形时的应力量来确定的。通常，TYS是指物品开始发生变形时的应力值。
本文所用术语延伸率是指对延展性的度量，或对材料在拉伸载荷作用下塑性变形但不开裂的能力的度量。在一个实施方式中，总延伸率通过拉伸试验测量，并且是指对物体在经受伸长应力下延展性的度量。UTS、TYS和延伸率是根据ASTME8和B557进行试验的。
本文所用术语全面腐蚀是指材料从物体表面分解有多快。在一个实施方式中，根据ASTM G59测试全面腐蚀，这是进行动电位极化电阻测量的标准试验方法，不同于ASTM G59的是，试验环境是静止的(例如开放于大气，没有充气或脱气)3.5％NaCl溶液。在一个实施方式中，低铜含量元件(例如低铜含量7XXX铝合金)的腐蚀电流密度(icorr)不大于约5×10-5安培每平方厘米。在其他实施方式中，低铜含量元件的腐蚀电流密度(icorr)可以不大于约4×10-5安培每平方厘米，或不大于约3×10-5安培每平方厘米，或不大于约2×10-5安培每平方厘米，或不大于约1×10-5安培每平方厘米，或更小。
ASTM G-47(参考ASTM-G 44)交替浸没试验是通过在3.5％NaCl中交替浸没(例如高铜含量铝合金和/或高强度7XXX变形铝合金产品)来平价铝合金抗应力腐蚀开裂性的标准试验方法。该方法采用一小时周期：在3.5％NaCl中浸没10分钟，在控制温度和湿度的大气下脱离溶液50分钟。在延长暴露时间段(例如20-90天)的过程中每天24小时重复这种一小时周期，这取决于被测试材料的相对敏感性和预期使用的环境。通常对试样施加应力到材料屈服强度的特定百分比，或与具体应用相关的应力。无应力样品也可被暴露于这种环境中，以评价施加应力的影响。结果通常报告为通过/失效，但是这是当没有发生失效时；并且通常在暴露之后进行断裂载荷测试，以确定暴露材料的残余强度。
ASTM G103沸腾盐试验是评价低铜含量Al-Zn-Mg合金(例如含有少于0.25％Cu的7XXX型合金)应力腐蚀开裂(SCC)抗性的标准试验方法。可以比较成分、施加应力的大小、热-机械处理和其他制造变量对于SCC抗性的影响。低铜含量Al-Zn-Mg合金的相对SCC抗性与在沸腾盐试验中表现的相关联性要好于与其他加速腐蚀/SCC试验(例如ASTM G44)的相关联性。
“在模拟海水环境中修正版交替浸没”试验是对交替浸没试验(ASTMG47/ASTM G44)的修正，该修正版交替浸没试验是专门设计用来评估完全浸没在海水中的铝合金的抗应力腐蚀开裂性。根据ASTM G47对试样加应力。该方法采用一星期周期：160小时完全、持续浸没在ASTM D-1141的人造“海盐”中，以及交替浸没8小时，依据ASTM G44进行周期循环(10分钟浸没在ASTMD-1141的人造“海盐”中，50分钟脱离溶液处于可控温度和湿度的大气中)。依据预期使用环境的暴露条件，在延长的时间段中连续重复该星期式周期。结果报告为通过/失效。在暴露之后可进行断裂载荷试验，以确定“通过”样品的残余强度。
在一个实施方式中，高铜含量元件(高铜含量7xxx合金)的腐蚀电流密度不大于约50×10-6安培每平方厘米。在其他实施方式中，高铜含量元件的腐蚀电流密度不大于约40×10-6安培每平方厘米，或不大于约30×10-6安培每平方厘米，或不大于约20×10-6安培每平方厘米，或不大于约10×10-6安培每平方厘米，或更小。
本文所用术语点蚀是指在表面显现为凹坑的局部腐蚀(或非均匀电沉积)。在一个实施方式中，根据ASTM G110测量点蚀，这是评估可热处理铝合金的晶间腐蚀抗性的标准方法，通过浸没在氯化钠和过氧化氢溶液中来进行(例如测量平均最大点蚀深度)。在一个实施方式中，低铜含量元件的平均最大点蚀深度小于约20微米。在一些实施方式中，低铜含量元件的平均最大点蚀深度小于约：15微米，10微米，5微米，3微米，1微米，0.5微米，0.1微米，0.001微米，或0微米(没有点蚀)。在一个实施方式中，高铜含量元件的平均最大点蚀深度小于约500微米。在一些实施方式中，高铜含量元件的平均最大点蚀深度不大于约：400微米，300微米，250微米，200微米，150微米，100微米，80微米，60微米，50微米，40微米，30微米，或20微米。在一个实施方式中，高铜含量元件的平均最大点蚀深度为大约100微米到大约300微米。在另一个实施方式中，高铜含量元件的平均最大点蚀深度为：大约10微米，大约20微米，大约30微米，大约40微米，大约50微米，大约70微米，或大约100微米。
在另一个实施方式中，点蚀抗性是通过确定横跨合金表面的点蚀密度来测量的，例如x个蚀坑/mm2，其中，x为蚀坑数。在这个实施方式中，点蚀密度根据ASTM G46测试。
在一个实施方式中，低铜含量铝合金元件具有高的全面腐蚀抗性和点蚀抗性，而高铜含量铝合金元件具有高的应力腐蚀抗性并在长时间大负荷下以多维方式支承载荷。在组件中，低铜含量元件的形式可以是抵抗点蚀的元件，而组件中高铜含量元件的形式可以是抵抗SCC的元件。
本文所用术语高铜含量元件是指具有至少大约1wt％铜的7XXX系铝合金。在一些实施方式中，高铜含量是至少大约1％，至少大约1.5％，至少大约2％，至少大约2.5％，至少大约3％，至少大约3.5％。高铜含量合金的适当例子包括：铝业协会合金7049；7150；7075；7085和7185等等。一些高铜含量合金的非限制性例子的成分限制列在“具体实施方式”部分结尾的表中。在一些实施方式中，铜含量的范围从大约1wt％到大约3.5wt％。
本文所用术语应力腐蚀是指由于材料在载荷(例如多维载荷)、高载荷、长时间载荷和/或其他物理应力作用下产生的腐蚀。在一个实施方式中，高铜含量元件是过时效状态。本文所用术语过时效是指对材料进行热处理以产生超过最大强度点的强度从而提供对于某些重要特征的控制。在一个实施方式中，高铜含量元件是在T7状态下，该状态由铝业协会定义，体现在ANSI H35.1中。T7状态可以为：T73，T74，T76，T79或T77状态等等中的任一种。
在一个实施方式中，抗应力腐蚀开裂性是根据ASTM G47和G44对高铜含量元件进行交替浸没试验来测量。在一些实施方式中，高铜含量元件(第二元件)的SCC抗性为：至少大约50MPa；至少大约60MPa；至少大约69MPa；至少大约80MPa；至少大约90MPa；至少大约103MPa；至少大约110MPa；至少大约120MPa；至少大约130MPa；至少大约138MPa；至少大约150MPa；至少大约165MPa；至少大约172MPa；至少大约180MPa；至少大约190MPa；至少大约200MPa；至少大约207MPa；至少大约234MPa；至少大约241MPa；至少大约250MPa；或者至少大约260MPa，这都是依据ASTM G-44交替浸没一段时间测得的。在一些实施方式中，上述一段时间包括：10天；20天；50天；70天；100天；200天；300天；一年；500天；两年；等等。
在一些实施方式中，低铜含量元件是指比高铜含量元件的铜含量少至少大约0.2wt％(即HCM-Cu减LCM-Cu≥0.2wt％)的7XXX系铝合金。作为例子，如果高铜含量元件包括大约1wt％的铜，则低铜含量元件包括的铜不大于约0.8wt％。在一些实施方式中，低铜含量元件包括的铜比高铜含量元件少至少大约0.3wt％，0.4wt％，0.5wt％，0.6wt％，0.7wt％或0.8wt％。在其他的实施方式中，低铜含量元件包括的铜比高铜含量元件少至少大约1wt％，1.5wt％，2wt％，2.5wt％，3wt％，或3.5wt％。
在一些实施方式中，低铜含量元件可包括少于大约1wt％的铜，例如少于0.9wt％的铜，少于大约0.8wt％的铜，少于大约0.7wt％的铜，少于大约0.6wt％的铜，少于大约0.5wt％的铜，少于大约0.4wt％的铜，少于大约0.3wt％的铜，少于大约0.2wt％的铜，少于大约0.1wt％的铜，或少于大约0.05wt％的铜，或不含铜。低铜含量(或无铜)7XXX系铝合金的适当的例子包括：俄罗斯合金标准OST 5R.9466-88(参见附件A)；俄罗斯合金标准OST 192014-90；和/或铝业协会合金7003；7004；7005；7017；7018；7019；7022；7030；和7039，等等。一些非限制示例的成分限制列在“具体实施方式”部分结尾的表中。
在一些实施方式中，7XXX系铝合金包括至少大约0.5wt％的Mg。在一些实施方式中，Mg的含量不大于大约3.5％。
在一些实施方式中，组件(例如管组件)包括在低铜含量元件(例如管)和高铜含量元件(例如联接件)之间的机械接头/机械连接部。接头的适当例子包括但不限于：螺纹啮合(阴阳螺纹)；套筒和锥形部分；一对机械紧固的套环；螺栓连接，或其他类型的机械连接部或接头。
将高铜含量元件结合到低铜含量元件是通过一种或多种技术来完成的。这里所用术语结合是指下面的一种或多种：连接，附连，焊接，机械紧固，粘着，等等，和它们的组合，以使一个元件结合到另一个元件。结合步骤导致了高铜含量元件与低铜含量元件之间的接头。
参考图2，示出了组件10(管组件)的一个实施方式。在这个实施方式中，组件10(例如管组件)包括高铜含量元件12(例如联接件14)，低铜含量元件例如管22，以及把管22连接到联接件20上的接头16。如图所示，接头16是螺纹连接(例如机械连接)，其具有与低铜含量元件管22外部的螺纹配合的在高铜含量联接件内部的对应螺纹。
在一些实施方式中，接头包括焊缝(见例如图1)。本文所用术语焊接是指通过施加热、压力以及它们的结合来使金属结合到一起的工艺。焊接的非限制性例子包括：摩擦搅拌焊；熔焊；压力焊；气焊；电弧焊；电阻焊；惯性焊；冷焊；等等；和它们的组合。在一些实施方式中，焊缝是固态焊缝。此处所用术语固态焊接是指这样一种焊接工艺，其中，在不添加填充金属(例如钎料)并且焊接温度低于被结合的基体金属的熔点(加压或不加压)的情况下形成焊缝。一些固态焊接的非限制性例子包括：摩擦焊接，惯性焊接，摩擦搅拌焊接，等等。摩擦搅拌焊接是指用于结合铝合金的固态焊接。摩擦搅拌焊接用于结合通常不能进行熔焊的高强度7XXX系合金。在熔焊(包括气焊、电弧焊和电阻焊)中，母体金属发生熔化。在压力焊接中，结合是通过采用热和压力在不熔化的情况下完成。将各部件压到一起并同时加热，从而横跨界面形成冶金结合。在一些实施方式中，焊缝是两种母材金属的混合。在一些实施方式中，焊缝是两种母材金属的部分混合，例如，具有低铜含量区域和高铜含量区域。
在一些实施方式中，焊缝强度的拉伸屈服强度为：至少大约50MPa；至少大约60MPa；至少大约69MPa；至少大约80MPa；至少大约90MPa；至少大约103MPa；至少大约110MPa；至少大约120MPa；至少大约130MPa；至少大约138MPa；至少大约150MPa；至少大约160MPa；至少大约172MPa；至少大约180MPa；至少大约190MPa；至少大约200MPa；至少大约207MPa；至少大约220MPa；至少大约230MPa；至少大约241MPa；至少大约250MPa；至少大约260MPa；至少大约270MPa；至少大约276MPa；至少大约280MPa；至少大约290MPa；至少大约300MPa；至少大约310MPa；至少大约320MPa；至少大约330MPa；至少大约345MPa；至少大约350MPa；至少大约360MPa；至少大约370MPa；至少大约379MPa；至少大约390MPa；或者至少大约400MPa。
在一些实施方式中，焊缝的低铜含量区域的SCC抗性为：至少大约50MPa；至少大约69MPa；至少大约80MPa；至少大约90MPa；至少大约103MPa；至少大约110MPa；至少大约120MPa；至少大约130MPa；至少大约138MPa；至少大约150MPa；至少大约160MPa；至少大约172MPa；至少大约180MPa；至少大约190MPa；至少大约200MPa；至少大约207MPa；至少大约220MPa；至少大约230MPa；至少大约241MPa；至少大约250MPa；至少大约260MPa；至少大约270MPa；至少大约276MPa；至少大约280MPa；至少大约290MPa；至少大约300MPa；至少大约310MPa；至少大约320MPa；至少大约330MPa；至少大约345MPa；至少大约350MPa；至少大约360MPa；至少大约370MPa；至少大约379MPa；至少大约390MPa；或者至少大约400MPa，这都是依据ASTM G103进行一段时间测得的。在一些实施方式中，上述一段时间包括：1天；3天；5天；7天；10天；12天；或14天。(把MPa转换为ksi，需乘以0.1450377)
在一些实施方式中，焊缝的SCC抗性为：至少大约50MPa；至少大约60MPa；至少大约69MPa；至少大约80MPa；至少大约90MPa；至少大约103MPa；至少大约110MPa；至少大约120MPa；至少大约130MPa；至少大约138MPa；至少大约150MPa；至少大约160MPa；至少大约172MPa；至少大约180MPa；至少大约190MPa；至少大约200MPa；至少大约207MPa；至少大约220MPa；至少大约230MPa；至少大约241MPa；至少大约250MPa；至少大约260MPa；至少大约270MPa；至少大约276MPa；至少大约280MPa；至少大约290MPa；至少大约300MPa；至少大约310MPa；至少大约345MPa；至少大约350MPa；至少大约360MPa；至少大约370MPa；至少大约379MPa；至少大约390MPa；或者至少大约400MPa，这是依据ASTM G44进行一段时间测得的。在一些实施方式中，上述一段时间包括：1天；5天；7天；10天；20天；50天；70天；100天；200天；300天；一年；500天；两年，等等。
在一些实施方式中，焊缝的SCC抗性为：至少大约50MPa；至少大约60MPa；至少大约69MPa；至少大约80MPa；至少大约90MPa；至少大约103MPa；至少大约110MPa；至少大约120MPa；至少大约130MPa；至少大约138MPa；至少大约150MPa；至少大约160MPa；至少大约172MPa；至少大约180MPa；至少大约190MPa；至少大约200MPa；至少大约207MPa；至少大约220MPa；至少大约230MPa；至少大约241MPa；至少大约250MPa；至少大约260MPa；至少大约270MPa；至少大约276MPa；至少大约280MPa；至少大约290MPa；至少大约300MPa；至少大约310MPa；至少大约345MPa；至少大约350MPa；至少大约360MPa；至少大约370MPa；至少大约379MPa；至少大约390MPa；或者至少大约400MPa，这是持续浸没(修正版交替浸没试验)一段时间测得的。在一些实施方式中，上述一段时间包括：1天；5天；7天；10天；20天；50天；70天；100天；200天；300天；一年；500天；两年，等等。
在一些实施方式中，第二元件(例如高铜联接件)包括锁紧机构。锁紧机构是指联接件的部分，它使得两个或更多个管能够可拆卸地连接(例如相互轴向对准和固定)。在一些实施方式中，锁紧机构保持了一系列彼此在端部相连的组件(例如管组件)的牢固承载结构。在一个实施方式中，锁紧机构具有不同形状，具有能装配在一起的交替的凹陷/突起(例如镜像)。
在一些实施方式中，低铜和/或高铜含量7XXX元件通常制成为铸件(例如铸造件)或变形加工件。例如，低铜含量元件可以是挤压件(例如管)。高铜含量元件可以是锻件。在一些实施方式中，元件是铸件、锻件、薄板、厚板或它们的组合。无论是哪种情况，可采用常规变形加工工艺来制造元件。在一个实施方式中，这些工艺包括对元件进行铸造、剥皮、均质化、固溶热处理和淬火。在淬火之后，可以对元件(或其一部分)进行人工时效(有时在本文称为“热处理”)，以达到所期望的状态，例如上述T7状态的任一种。对7XXX铝合金热处理的各种技术和工艺以及用于制造出合适的高铜含量7XXX铝合金的成分均在美国专利No.6972110中公开，此处通过引用来引入全部内容。在一些实施方式中，通过仅在管组件的某些区域进行局部加热(例如通过保温毯热处理)来完成热处理。在其他实施方式中，通过将管放入炉中来对整根管进行热处理。热处理可以包括一个、两个或更多个单独的加热步骤，也可包括冷却步骤。在一些实施方式中，冷却在环境温度(例如室温)中完成，或者根据需要，冷却通过鼓风机、空气淬火或液体淬火等等来完成。热处理可包括把组件的至少一部分加热到升高温度一段时间。
在一个实施方式中，组件(例如铝制品)是通过铸造、均质化、热加工(例如轧制、挤压、锻造)、时效(例如固溶热处理)、淬火、冷加工、时效、焊接和时效这些工艺步骤来制成。在一个实施方式中，组件(例如铝制品)是通过铸造、均质化、热加工(例如轧制、挤压、锻造)、时效(例如固溶热处理)、淬火、焊接和时效来制成。在一个实施方式中，组件(例如铝制品)是通过铸造、均质化、热加工(例如轧制、挤压、锻造)、时效(例如固溶热处理)、淬火、冷加工、时效、焊接和时效来制成。
在一些实施方式中，热处理步骤在一个或多个组件构成件上完成，包括低铜含量元件、高铜含量元件、焊缝区域和它们的组合。焊缝区域是指高铜含量元件与低铜含量元件附连或结合的区域。焊缝区域包括远端部分和近端部分。远端部分是指焊缝区域的邻接低铜含量元件的部分，而近端部分是指焊缝区域的邻接高铜含量元件的部分。在一些实施方式中，焊缝区域包括两种材料的熔化部位。在一些实施方式中，焊缝区域包括熔化部位两侧的热影响区。
在一个实施方式中，组件、高铜含量元件、低铜含量元件和焊缝中的至少一个进行热处理。热处理是时效的一个例子。在一个实施方式中，时效是把组件或其部分进行时效达到足以使得组件(例如焊缝的低铜含量区域)获得抗应力腐蚀开裂性的状态。在一些实施方式中，时效包括时效到足够的时间或温度，使得高铜含量元件获得过时效状态。时效可包括在大约315F时效至少大约18小时，或者基本上等效的时效温度和持续时间。如本领域技术人员所知，时效温度和/或或时间可以基于公知的时效原理和/或公式来调整。因此，本领域技术人员可以增加时效温度但减少时效时间，或者反之，或者仅仅略微改变仅一个参数，仍然实现相同的结果即“时效达到足以使得组件(例如焊缝的低铜含量区域)获得抗应力腐蚀开裂性均状态”。能够实现相同结果的人工时效方法有很多种，因此这里并未列出所有这些替代的时效方法，尽管它们也在本发明范围内。术语“或者基本上等效的人工时效温度和持续时间”或者术语“或者基本上等效的方法”用于涵盖所有这些替代时效方法。可以理解，这些替代人工时效步骤可以发生在一个或多个步骤，并且在一个或多个温度。在“具体实施方式”部分列出了一些单独的时间和温度组合的例子。时效方法中所用时效温度的一些非限制性例子包括：时效温度为至少大约250F；至少大约260F；至少大约270F；至少大约280F；至少大约290F；至少大约300F；至少大约310F；至少大约320F；至少大约330F；至少大约340F；至少大约350F；至少大约360F；至少大约380F；至少大约390F；或至少大约400F。时效方法的一些非限制性例子包括：时效温度不大于大约250F；不大于大约260F；不大于大约270F；不大于大约280F；不大于大约290F；不大于大约300F；不大于大约310F；不大于大约320F；不大于大约330F；不大于大约340F；不大于大约350F；不大于大约360F；不大于大约380F；不大于大约390F；或不大于大约400F。时效方法中所用时效时间的一些非限制性例子包括：至少大约1小时；至少大约2小时；至少大约4小时；至少大约8小时；至少大约10小时；至少大约15小时；至少大约18小时；至少大约20小时；至少大约22小时；至少大约25小时；至少大约30小时；至少大约32小时；至少大约35小时；至少大约40小时；至少大约45小时；至少大约50小时；至少大约5小时；至少大约60小时；至少大约65小时；至少大约70小时；至少大约75小时；至少大约80小时；至少大约100小时；至少大约120小时；至少大约140小时；至少大约160小时；至少大约180小时；或至少大约200小时。时效方法中所用时效时间的一些非限制性例子包括：不大于大约1小时；不大于大约2小时；不大于大约4小时；不大于大约8小时；不大于大约10小时；不大于大约15小时；不大于大约18小时；不大于大约20小时；不大于大约22小时；不大于大约25小时；不大于大约30小时；不大于大约32小时；不大于大约35小时；不大于大约40小时；不大于大约45小时；不大于大约50小时；不大于大约5小时；不大于大约60小时；不大于大约65小时；不大于大约70小时；不大于大约75小时；不大于大约80小时；不大于大约100小时；不大于大约120小时；不大于大约140小时；不大于大约160小时；不大于大约180小时；或不大于大约200小时。
在一些实施方式中，在热处理步骤之后，在高铜含量合金和焊缝区域的低铜含量部分(和/或低铜含量元件)之间存在电化学电位差(例如腐蚀电位差)。电化学电位差这里是指由于合金的不同性质而导致的一种合金相对于另一种合金的电位差。不限于特定机理或原理，在一些实施方式中，当两种合金焊接在一起时，一种合金将作为阳极，而另一种合金将作为阴极。在组件的一些实施方式中，腐蚀电位差是通过热处理步骤产生的，电化学电位导致高铜含量元件对低铜含量焊缝区域的牺牲保护。在一个实施方式中，在热处理步骤之后，焊缝区域的SCC抗性为至少大约34MPa。
在一些实施方式中，腐蚀电位差(例如在组件的各构件之间，包括高铜含量元件和焊缝区域/焊缝区域的低铜含量部分)为：至少大约1mV；至少大约2mV；至少大约5mV；至少大约10mV；至少大约15mV；至少大约20mV，例如至少大约30mV；或至少大约40mV；或至少大约50mV；或至少大约60mV；或至少大约70mV；或至少大约80mV；或至少大约90mV；或至少大约100mV；或至少大约120mV；或至少大约130mV；或至少大约140mV；或至少大约150mV；或更高。在一个实施方式中，低铜含量元件的焊缝区域的电负性比高铜含量元件至少高大约20mV(例如更高的腐蚀电位)。在一个实施方式中，高铜含量元件的腐蚀电位比焊缝区域的低铜含量元件的腐蚀电位至少低大约5mV。在一些实施方式中，腐蚀电位是横跨截面(或截面一部分)的平均值。在一些实施方式中，腐蚀电位包括离散值(例如平均值，或组件或元件上的某一部位处的值)。
参考图3，示出了包括焊缝(例如摩擦搅拌焊接的焊缝区域)18的组件10。组件10包括低铜含量元件14、高铜含量元件12和焊缝区域18。还示出的区域B和E为热影响区。区域C为焊缝区域18的近端部分26，它与高铜含量元件12邻接。区域D示出为焊缝区域18的远端部分28，它与低铜含量元件14邻接。图4示出了电位vs.SCE(单位为伏特)与距图3的摩擦搅拌焊接焊缝区域的中心焊缝线的距离的关系。还示出了四个不同的热处理步骤，包括焊后时效步骤1，焊后时效步骤2，焊后时效步骤3和焊后时效步骤4。如图4所示，随着距焊缝中心线的距离增加，电化学电位也发生变化。
在一些实施方式中，组件和/或制造组件的方法包括以下的至少一个：用阳极氧化层镀覆组件的一个或多个构件；将有机屏障层结合到组件的至少一部分；将一个或多个牺牲阳极结合到组件的一个或多个构件；以及它们的组合。
本发明的一方面提供一种方法，包括：将高铜含量7XXX系铝合金元件结合到低铜含量7XXX系铝合金元件，从而制备出组件，其中，高铜含量元件包括不少于大约1wt％的铜，为T7状态，并获得至少大约103MPa的SCC腐蚀抗性，这是依据G44和G47测试的；其中，低铜含量元件包括比高铜含量元件至少低0.2wt％的铜；其中，在依据ASTM G5测量时，低铜含量元件获得的腐蚀电流少于大约1×10-6amps/cm2。
本发明另一方面提供一种组件。该组件包括：低铜含量7XXX系铝合金元件；其中，该低铜含量元件包括比高铜含量元件少至少0.2wt％的铜；其中，低铜含量元件包括少于大约1wt％的铜；其中，低铜含量元件的点蚀深度不超过大约5微米，这是依据ASTM G110测试；高铜含量7XXX系铝合金；其中，该高铜含量元件包括不少于大约1wt％的铜，为T7状态，实现至少大约103MPa的SCC腐蚀抗性，这是依据G44和G47测试；和接头，它把高铜含量元件结合到低铜含量元件。
本发明的另一个方面提供了一种方法。该方法包括：将高铜含量7XXX系铝合金联接件焊接到7XXX系铝合金管上，从而生产出具有焊缝区域的管组件，焊缝区域包括：近端部分；和远端部分；其中，近端部分与联接件邻接，而远端部分与管邻接；(i)其中，焊缝区域将高铜联接件结合到管上；(ii)其中，高铜联接件包括至少大约0.5wt％的铜；以及(b)对焊缝区域进行热处理；其中，在热处理步骤之后，焊缝区域的远端部分(例如低铜含量焊缝区域)和联接件(高铜含量元件)之间存在至少大约20mV的电化学电位差。
本发明的另一个方面提供了一种管组件。管组件包括：具有第一末端和第二末端的7XXX系铝合金管；在管的第一和第二末端之一处的至少一个高铜含量7XXX系铝合金联接件；其中，每个高铜联接件包括至少大约0.5wt％的铜；在管末端和联接件之间的焊缝区域，其中，焊缝区域将联接件结合到管末端；焊缝区域包括：近端部分；和远端部分；其中，近端部分与联接件邻接，而远端部分与管邻接；并且其中，在焊缝区域的远端部分和联接件之间存在至少大约20mV的电化学电位。
在一个方面，制备组件的方法包括的步骤有：将高铜含量7XXX系铝合金元件结合到低铜含量7XXX系铝合金元件上。低铜含量铝合金元件具有的全面腐蚀抗性(和/或点蚀抗性)足以使元件在腐蚀环境中使用。在一些实施方式中，组件是管组件。在一个实施方式中，管组件包括作为低铜含量元件的管和作为高铜含量元件的联接件。在一个实施方式中，管组件能够可拆卸地连接到一个或多个管组件和/或装置。在这个实施方式中，每个管具有附连于管末端的至少一个联接件。在一个实施方式中，每个管在每个末端具有联接件。在一个实施方式中，管在它们的联接件处以端对端的轴向结构彼此相连，形成一长串管，可用于各种应用。在这些实施方式中，管组件的联接件具有应力腐蚀开裂(SCC)抗性，而管具有点蚀抗性和全面腐蚀抗性。
本发明的一个方面提供了一种方法。该方法包括：提供焊接的组件，该组件包括高铜含量7XXX铝合金元件，低铜含量7XXX铝合金元件，和焊缝区域；以及对高铜含量元件和焊缝区域中的至少一个进行可控时效，以在高铜含量元件上获得过时效状态，其中，由于可控时效步骤，在焊缝的低铜含量部分和高铜含量元件之间存在的腐蚀电位差异从大约1mV到大约50mV。可控时效，此处是指调节时效的量。例如，可控时效包括将高铜含量元件时效到过时效状态，同时尽可能大地保持高铜含量元件的强度。在一些实施方式中，通过对高铜含量元件和焊缝中至少一个进行可控时效，在低铜含量焊缝区域和高铜含量元件之间(例如横跨焊缝)产生的腐蚀电位差为：至少大约1mV；至少大约3mV；至少大约5mV；至少大约10mV；至少大约15mV；至少大约20mV；至少大约25mV；至少大约30mV；至少大约35mV；至少大约40mV；至少大约45mV；或至少大约50mV。
尽管已经详细描述了本发明的各种实施方式，但是本领域技术人员明白对于这些实施方式的修改和改型。然而，应明确理解的是，这些修改和改型均在本发明的精神和范围之内。上面所述的本发明的各个方面可以合并来形成本发明的组件、制造组件的方法和管组件。
本发明的这些和其他方面、优势和新颖特征将部分在随后的说明中进行描述，并且本领域技术人员在细读随后的描述和图将会明白，或者通过实践本发明来学习。量元件附图说明
图1示出了一个实施方式中组件(例如管组件)的剖视示意图，该管组件被焊接。
图2示出了另一个实施方式中组件(例如管组件)的剖视示意图，该组件被机械紧固。
图3为一个实施方式中具有焊缝区域的组件的不同区域的一个实施方式的放大示意图。区域A表示高铜含量7XXX母体金属；区域B表示高铜含量热影响区；区域C表示高铜含量7XXX焊缝区域；区域D表示低铜含量焊缝区域：区域E表示低铜含量7XXX热影响区；区域F表示低铜含量7XXX母体金属。
图4为测量电位vs SCE(伏特)与距图3中所示焊缝区域的焊缝中心线的距离(mm)之间关系的曲线图，示出了五种不同时效方法。
图5为沸腾盐水SCC试验试样的示意图，示出合金A-合金B摩擦搅拌焊接(FSW)接头的焊缝区域，在“具体实施方式”部分具体描述。
图6为交替浸没和持续浸没的SCC试验试样示意图，示出合金A-合金BFSW接头的焊缝区域，在“具体实施方式”部分详细描述。
图7是合金B-合金AFSW接头的宏观照片。
图8是合金B管结合到合金A管的FSW接头分别在320F和330F的焊后时效(“PWA”，)曲线图。
图9是把合金A摩擦搅拌焊接(FSW)到合金B后的硬度曲线，显示了在PWA之前和之后接近OD的曲线。
图10是焊态和PWA(18小时/320F)的在t/e的合金B-合金AFSW接头的显微硬度曲线。
图11为在PWA之前和之后接近ID的硬度曲线。
图12是沸腾盐水SCC试验试样的光学截面图，显示了合金B-合金AFSW接头的不同区域。
图13是根据焊后时效周期而定的合金B-合AFSW接头的溶液电位曲线图。
图14(a)和(b)是合金B锻件在315F和325F的时效曲线图。
图15(a)和(b)是合金A挤压件在315F和325F的时效曲线图。
图16是合金A-合金B FSW接头的阳极氧化显微照片。合金B锻件联接件在左侧，而合金A挤压管在右侧。
图17是在焊态和PWA条件下合金B-合金AFSW接头的显微硬度曲线图。
图18是在焊态和PWA条件下的合金B-合金AFSW接头的腐蚀电位曲线图。
图19是在315F下根据PWA时间而定的合金B-合金AFSW接头的腐蚀电位曲线图。
图20是在325F下根据PWA时间而定的合金B-合金AFSW接头的腐蚀电位曲线图。
图21为G110侵蚀试样，显示了在C22N母体金属和热影响区C22N侧的点蚀情况。(a)在315F，PWA18小时，(b)在315F，PWA32小时。
图22为G110侵蚀试样，显示了在C22N母体金属和热影响区C22N侧的点蚀情况。(a)在325F，PWA18小时，(b)在325F，PWA32小时。
图23是合金A在G110侵蚀试验后的横截面，显示出在250F6小时+315F18小时的时效后，合金A(低铜含量7XXX系铝合金)上没有点蚀或晶间腐蚀。
具体实施方式
对合金A即低铜含量合金和合金B即高铜含量合金的试样进行评估，以确定试样(母体金属和焊接试样)在不同时效条件下(例如焊态/无焊后时效和多个焊后时效条件下)的抗拉强度和应力腐蚀开裂。合金A和合金B的成分限制列在下面的表1中。
表1.合金A和合金B的成分限制
 合金   Si   Fe   Cu   Mn   Mg   Cr   Zn   Zr
 合金A   ＜0.2   ＜0.3   ＜0.08   0.30-0.50   2.0-2.6   0.10-0.20   4.0-4.8   0.10-0.18
 合金B   ＜0.15   ＜0.13   1.3-2.0   ＜0.04   1.2-1.8   ＜0.04   7.0-8.0   0.08-0.15
拉伸强度试验在合金A锻件上进行。采用对OD和ID光整后的接近全厚(～19mm)的平直试样进行拉伸试验。拉伸试样的尺寸为6.35mm厚，19mm宽(整个厚度上)和305mm长。采用4英寸引伸计进行全部拉伸试验。用两种不同的时效方法在合金A试样上进行拉伸试验，列在下面的表2中，接近峰值时效T7X和过时效状态T7Y。拉伸性能在全部三个方向上(ST，L，和LT)评估。
表2.第一构件合金A-T7X和过时效合金A-T7Y手工锻件的典型性质
Figure BSA00000586677500171
1.时效方法：250F24小时+350F2小时
2.时效方法：250F24小时+350F6小时
L和LT方向的典型TYS为～386MPa，而ST方向为～359MPa。在350F4小时的附加时效把金部方向的TYS降低了～69-76MPa。
在合金A锻件上进行应力腐蚀试验。依据ASTM G103(“在沸腾6％氯化钠溶液中评估低铜含量7XXX系Al-Zn-Mg-Cu合金的抗应力腐蚀开裂性的方法”)在沸腾盐水中进行应力腐蚀试验。试样为0.125mm直径的T形棒结构。所有三个方向在三个应力水平上测试：120.7MPa，159MPa，224.1MPa。总试验时期为35天。SCC试验结果概括在表3中。对锻件还进行宏观蚀刻，以确定相对于载荷方向的晶粒取向。径向轴线对应于短纵向(ST)。径向轴线对应于长横向(LT)，而周向对应于相对于晶粒取向而言的纵向(L)。
表3.合金A-T7X和T7Y手工锻件在6％NaCl沸腾盐水中的SCC数据。
Figure BSA00000586677500181
正如预期那样，从三维的测试中发现，无论应力水平和过时效的量是多少，ST方向对于SCC最敏感。无论时效条件或应力水平如何，所有L和LT试样都通过了35天的暴露试验。所有ST试样都失效了，大部分不足一天就失效了。
第二个试样在ST方向以低应力水平(69，86.2和103MPa)进行测试。采用与先前试验相同的直径和试样尺寸。正如预期，以及如表4所示，所有这些试样全部失效，9个中有3个在失效前坚持了数天。样品为203mm厚度，在ST方向/取向进行测量。试验持续6天。
表4.合金A手工锻件在6％NaCl沸腾盐水中SCC数据
Figure BSA00000586677500191
这些测试表明，如果设置为ST方向加载荷，则合金A的SCC成功。
还采用从挤压管中取得的试样来对合金A评价。合金A挤压管的拉伸性能在纵向(例如，33.0mm厚，556.3mmOD)评估，典型的拉伸性能列于下面表5中。
表5.33mm合金A挤压管在T7X和过时效T7Z状态下的典型拉伸性能
  合金   合金A-T7X1   合金A-T7Z2
  厚度   33mm   33mm
  L，TYS，(MPa)   434   341.2
  L，UTS，(MPa)   486.1   411.0
  ％El   13   16
1.250F24小时，然后在350F时效2小时。
2.250F24小时，然后在350F时效5小时。
基于五个相同试样的平均TYS为434MPa。UTS为～490MPa，延伸率为13％。挤压管随后另外在350F进行3小时的时效。在过时效状态，TYS降低到～345MPa，UTS为～414MPa，延伸率为16％。
在合金A-T7X挤压件上进行应力腐蚀开裂试验，依据ASTM G103在6％NaCl沸腾盐水中进行，对T7X和过时效状态(T7Z)在ST方向上在111.7和172MPa进行。样品1为表5中的T7X时效方法，而样品2为表5中的T7Z时效。
表6.合金A-T7X挤压件在ST方向上6％NaCl沸腾盐水的SCC数据
Figure BSA00000586677500201
正如预期，不论时效条件和应力如何，试样在1天内失效。
合金A-T7X管也在LT方向上测试。全部试样通过了17天暴露试验。
表7.合金A-T7X挤压件在LT方向6％NaCl沸腾盐水的SCC数据
合金A被摩擦搅拌焊接到自身上(合金A管到合金A管)，在不同条件下时效以评价拉伸性能和SCC性能。采用在OD和ID光整后的接近全厚的平直试样进行拉伸试验。拉伸试样尺寸为6.35mm厚，～33.0mm宽(整个厚度)和305mm长。采用102mm引伸计用于所有测试。双肩T形棒(51mm长)用于所有SCC测试，对试样的关注点在焊缝区域周围的t/2部位。结果列在下面的表8中。
表8.合金A-合金A FSW接头的拉伸性能和导电性能
  330F的时效时间＊   TYS(MPa)   UTS(MPa)   ％El
  0   290.3   402.7   6.0
  8   336.5   394.4   6.8
  12   329.6   390.0   8.5
  16   321.0   386.1   10.5
  24   310.0   54.6   15.5
  350F的时效时间＊   TYS(MPa)   UTS(MPa)   ％El
  0   290.3   402.7   6.0
  1   340.7   376.4   4.5
  3   333.1   393.0   5.0
  5   321.0   385.4   6.0
  7   312.3   379.2   9.3
＊所有试样接受250F6小时的第一步时效
在320F 18小时的PWA条件、在纵向(即横跨焊缝区域)、在155.1MPa，207MPa，241MPa和276MPa进行6％沸腾盐水SCC测试。正如预期，不论应力水平如何，所有试样在1天内失效(表9)。尽管不限于任何机理或原理，SCC敏感性的一个预期是焊缝区域的细小等轴晶粒结构如同在ST方向那样。
表9.合金A-7X管-管FSW接头的6％NaCl沸腾盐水的SCC数据
Figure BSA00000586677500211
合金A/合金B管到管FSW接头：
合金A-T7X被摩擦搅拌焊接到合金B-T6上。准备合金B样品，即挤压管(例如，39.87mm厚的管，具有485.40mmID和569.97mmOD)。随后把合金B试样时效到T6状态(例如在240-255F时效6小时)，管的ID和OD机加工到20mm的最终厚度。FSW试样的焊后时效曲线在两个温度下产生：在320F达32小时，在330F达18小时，第一步时效在250F进行6小时。采用OD和ID光整后的接近全厚(～19mm)的平直试样进行拉伸试验。拉伸试样的尺寸为6.35mm厚，19mm宽(整个厚度)和305mm长。采用102mm引伸计用于所有拉伸试验。图7为合金B/合金A双合金FSW接头的宏观照片。合金B在焊缝的前进侧，合金A在焊缝的后退侧。
PWA研究在320F和330F进行，第一步还是在250F进行6小时。拉伸结果列在表10中并描绘在图8中。
表10.合金A到合金B-T6的FSW接头的拉伸性能和导电性能
  在320F的时效时间＊   TYS(MPa)   UTS(MPa)   ％El
  0   294.4   395.8   3.7
  12   372.3   423.3   4.4
  18   365.4   419.9   4.7
  24   356.4   415.1   5.0
  32   344.0   406.8   5.3
  在330F的时效时间＊   TYS(MPa)   UTS(MPa)   ％El
  0   294.4   395.8   3.7
  6   372.3   423.3   4.l
  10   363.3   419.9   4.9
  14   353.7   414.3   5.5
  18   343.3   407.4   5.9
＊所有试样接受在250F、6小时的第一步时效
接头的焊态TYS为294.4MPa。采用320F、12小时的第二步时效或330F、6小时的时效达到PWA条件的峰值强度。拉伸性能为～372MPa TYS，421MPaUTS，和4％的延伸率。TYS在焊后时效之后增加了～76MPa。基于合金A的母体金属强度(405.4MPa TYS)，峰值强度相应于92％焊接效率。
表11总结了对于进一步表征而选择的焊后时效(PWA)方法。
表11.焊后时效周期
Figure BSA00000586677500231
从PWA-1到PWA-4的母体金属性能总结在表12和表13中，分别对应合金B和合金A。
表12.合金B-T6母体挤压件的焊态拉伸性能和PWA拉伸性能
 TYS，L，(MPa)  UTS，L，(MPa)   ％El，L
  焊态   531.6   603.3   14
  PWA-1   455.8   504.7   14
  PWA-2   421.3   480.6   16
  PWA-3   464.7   510.0   15.5
  PWA-4   419.2   479.9   16
表13.合金A母体挤压件的焊态拉伸性能和PWA拉伸性能
  TYS，L，(MPa)   UTS，L，(MPa)   ％El，L
  焊态   434.4   486.1   13
  PWA-1   368.9   438.5   14
  PWA-2   350.3   424.0   15.5
  PWA-3   370.0   439.2   14
  PWA-4   346.9   422.7   14.5
PWA-1和PWA-3的结果是非常相似的拉伸强度，但在不同的时效温度下(320F和330F)。同样的，基于拉伸结果，PWA-2和PWA-4也获得了相似的过时效量。
合金B在PWA-1和PWA-3方法之后TYS为～462MPa，而在PWA-2和PWA-4方法之后为～421MPa。对于合金A，在同样的时效方法下，TYS为～372MPa和～352MPa。合金B的TYS在焊态和过时效程度最大的PWA条件(即，PWA-2和PWA-4)之间的差异为大约110MPa。同样的PWA方法把合金A母体金属TYS减少了仅仅～55MPa，这表明合金A的过时效动力学较慢。
FSW接头的硬度曲线也在焊态和PWA-1条件下(即320F/18小时)测量。横跨焊缝区域在纵贯厚度的三个位置进行测量：接近OD表面(图9)，在t/2处和接近ID表面(图11)。尽管不限于任何机理或原理，参照图10，发现FSW工艺不会在焊缝区域混合两种不同合金成为“混合合金”。FSW接头具有对应于合金B和合金A的两个完全不同的区域。如图9所示，这两个区域接近OD具有相似宽度，在焊缝区域的合金B侧比合金A侧具有更高的硬度值。
通过6％NaCl沸腾盐水测试来评定焊缝区域的合金A侧(不含铜)，并且使用以下试样来评定合金A焊缝区域：该试样被定位成使得标定区域只含合金A，如图5示意性所示。图12是一个SCC试样的阳极氧化的横截面，示出了合金A焊缝区域相对于标定长度的相对位置。注意，合金B焊缝区域只存在于一般不承载的最后一对螺纹中。大部分(如果不是所有的)载荷在接近标定长度的最初一些螺纹处承受。
表14总结了前述焊后时效条件(即PWA-1到PWA-4)在沸腾盐水测试中的结果。试样均为20mm厚度，横跨焊缝区域测量。测试时间为21天。
表14.A-B FSW接头的合金A侧横跨焊缝的6％NaCl沸腾盐水的SCC数据。
Figure BSA00000586677500241
在PWA-1条件下的155.1MPa，一个试样十分接近测试目标，而另一个很快失效；在PWA-1条件下207MPa的试样中，三个试样中的两个在207MPa几乎立即失效，另一个达到21天。对于PWA-2，三个155.1MPa试样中的两个通过，几乎所有试样在207MPa过了20天。对于PWA-3，所有三个试样在155.1MPa达到21天，其中一个在第21天结束前失效。对于PWA-3，在207MPa，所有三个试样在头两天内失效。对于PWA-4，在155.1MPa，一个试样通过测试，而在207MPa，三个试样中的两个通过。值得注意的是，PWA-1和PWA-3比PWA-2和PWA-4的过时效程度要小。这些结果显示出，过时效程度较大的PWA-2和PWA-4条件看起来在合金A焊缝区域具有更好的SCC抗性。
第二组沸腾盐水测试在合金B/合金A FSW接头上进行，采用了对于SCC更敏感的PWA-1和PWA-3条件。然而这一次，SCC试样电连接到在320F时效32小时(即过时效程度较大的PWA-2方法)的合金B母体金属“阳极”上。不限于任何特别机理或原理，合金B母体金属被附连，以确定其是否影响(即是否能阻止)合金A焊缝区域的SCC失效。合金A焊缝区域在不用阳极的测试时对于SCC敏感。试样全部为20mm厚度，横跨焊缝进行测试。总测试时长为9天。沸腾盐水测试结果列于表15中。
表15.与合金B连接的A-B FSW接头的合金A焊缝区域的横跨焊缝的6％NaCl沸腾盐水SCC数据
Figure BSA00000586677500251
1)确定的失效原因是在测试期间阳极没有适当连接到试样。
六个试样在207MPa测试，它们中的五个通过了9天暴露测试。一个试样在一天内失效，但对测试夹具的测试后分析发现，该试样的阳极没有被合适连接。该测试表明，当合金B电连接到合金A焊缝区域，所有合适电连接的样品均通过了测试。
焊缝区域的合金B侧在焊态和四个PWA条件下，通过3.5％NaCl交替浸没(A1)测试进行评价。试样均为20mm厚度，横跨焊缝测试。测试时长为366天。结果总结在表16中。
表16.A-B FSW接头的合金B焊缝区域的横跨焊缝的3.5％NaCl交替浸没SCC数据
Figure BSA00000586677500261
所有的焊后时效试样在应力水平达207MPa的AI测试中都达到了366天，不论焊后时效的条件如何。另一方面，焊态接头在155.1MPa和207MPa的应力水平时对于SCC敏感。
焊态的和焊后时效的接头也在模拟海水中进行“持续浸没”试验，这是在ASTM海水环境中进行，结果列在表17中。试样为20mm厚度，横跨焊缝进行测试。所有试样，包括焊态试样，在369天暴露测试后OK(通过)。
表17.合金A-合金B FSW接头的横跨焊缝的“修正版交替浸没持续浸没模拟海水环境”ASTM海水SCC数据
Figure BSA00000586677500271
在焊态和四个PWA条件下产生腐蚀电位曲线。结果示出在图13中。焊态的FSW接头的腐蚀曲线显示出焊缝区域相对于两种母体金属和HAZ具有最低的腐蚀电位(即更阳极化)。焊后时效明显增加了焊缝区域的腐蚀电位(-960mV到-815mV)，而合金B母体金属的电位降低了～80mV。合金A母体金属的腐蚀电位显示出其在焊后时效之后不会产生明显变化。值得注意的是，在PWA-1和PWA-3之后，母体金属和HAZ的合金B侧之间的腐蚀电位差异为～20mV，而在PWA-2和PWA-4之后更小。因此，可以看出PWA方法减小了横跨焊缝区域的腐蚀电位差异。这从而会使FSW接头的不同区域之间的电化学交互作用最小化。对于PWA-1和PWA-3，两个电位非常接近-815mV。然而，对于PWA-2和PWA-4，合金B母体金属腐蚀电位比焊缝区域稍微低一点，相对于焊缝区域稍微阳极化(即，合金B为-835mV vs.合金A焊缝区域为-810mV)。尽管不限于特定情况或机理，一种解释为：在电解液附近(例如沸腾盐水测试环境)，合金B母体金属以电化学方式保护合金A焊缝区域，从而改善其SCC抗力。
进行另一组实验，母体合金B材料处于不同状态(例如T652)。该组实验中，合金A和合金B归入表1中所列的相同成分限制范围。用于该组实验的合金B锻造样品为T652状态，其基本上为固溶热处理、淬火、去应力和人工时效到接近峰值强度的状态。锻造联接件制成两种不同的形状，形状A(“锻件A”)和形状B(“锻件B”)。锻件A具有额定厚度127mm，锻件B的额定厚度203mm。两个锻件都经过机加工使厚度降到21mm，并且ID为690mm。
用于该组实验的合金A挤压管试样经过固溶热处理、淬火、去应力并且人工时效状态类似于AA标准中的峰值时效(T6)或轻微过时效(T79)状态。管的ID为690mm，额定厚度为21mm。从挤压件的前、中和后部的管的四分之一截面随后描述特征。合金B锻造管通过四个完整环式FSW接头被摩擦搅拌焊接到合金A挤压管上。两个焊缝包括形状A作为联接件与管相连的接头中的联接件，另一个包括形状B作为联接件与管相连的接头中的联接件。
依据列于表18中的测试矩降在锻件(母体材料)、挤压件(母体材料)和FSW接头上进行拉伸试验。测试根据ASTM E8和B557标准进行。
表18.拉伸试验矩阵
Figure BSA00000586677500281
选择焊后时效方法(250F(121C)6小时+325F(163C)18小时)用于拉伸特征的研究。表19总结了拉伸试验的结果。值得注意的是，报告的值是每个位置两个测试的平均值。
表19.锻件和挤压件的拉伸试验结果
Figure BSA00000586677500291
注意：报告的值是每个位置两个测试的平均值
合金B母材料的强度超过：350MPa TYS，420MPa UTS，而合金A材料的强度超过：310MPa TYS，345MPa UTS。
另外，产生时效曲线，以便理解时效时间对于锻件和挤压件母体金属的影响。时效曲线在315F(157C)和325F(163C)下产生。图15A和图1513显示了合金B锻件形状A在t/4位置的TYS和UTS时效曲线。图16A和图16B显示了合金A前挤压件的TYS和UTS时效曲线。这些时效曲线可以用于评价其它时效方法的影响。
为了评价合金A-合金B FSW接头的拉伸性能，对一个合金B锻件A联接件到合金A管的FSW接头以及一个合金B锻件B联接件到合金A管的FSW接头的特征进行表征。对于锻件B的FSW，在315F和325F进行焊后时效研究，时效时间范围从18小时直到44小时，使用FSW接头的“稳态”部分(即单道次区域)进行。另外，锻件B的接头的稳态部分也在选择的PWA条件下测试。表20(下面)总结了这些拉伸试验结果。
表20：
Figure BSA00000586677500301
＊注：报告的值是每个位置两次测试的平均值
对于锻件B的接头的稳态部分，18小时/325F PWA方法导致了接头TYS为333MPa。对于同样的PWA条件，开始和停止部位的TYS比稳态区域低10-16MPa。对于相同的PWA条件在稳态下，锻件A的接头的TYS为341MPa。还发现，将325F下的时效时间从18小时增加到32小时将使TYS减少～25MPa。延伸率值的范围从3到6.5％(在102mm标定长度下测量)。
通过应力腐蚀开裂测试(ASTM G44交替浸没，ASTM G103沸腾盐水)、侵蚀型测试(ASTM G110)以及通过横跨FSW接头生成腐蚀电位曲线来评估母体金属合金A挤压件、合金B锻造件和合金A-合金B FSW接头的腐蚀行为。
在合金A母体金属上进行SCC测试，依据ASTM G103标准在6％NaCl沸腾盐水溶液中进行。对可能的PWA条件范围进行评估，如表21所示：
表21：合金A母体金属时效的PWA条件
Figure BSA00000586677500311
测试试样取自挤压管的纵向，并加应力142MPa和213MPa。在每个时效条件和应力水平对三个相同样品(每个样品21mm厚度)施加应力。合金A挤压件通过/失效的标准是6天，并且无论时效条件如何，在14天的暴露之后没有发现失效。表22总结了测试结果。
表22.在315F、320F和330F时效的合金A挤压件的ASTM G103沸腾盐水测试
Figure BSA00000586677500321
注：所有样品为T7X状态，时效是指进一步时效。
依据ASTM G44在3.5％NaCl溶液中交替浸没试验来进行合金B母体金属的应力腐蚀开裂(SCC)测试。采用与合金A母体金属SCC试验相同的宽范围PWA条件来评价合金B-T652锻件。锻件在ST、L和LT方向上取样，加应力为160MPa和240MPa。对于每个时效条件和应力水平给三个相同试样施加应力。合金B锻件的通过/失效标准为60天，并且无论时效条件如何，在60天暴露后没有失效。表23描述了试样在测试132天后的测试结果(T表示“仍在测试”，即还未测到失效)，表24描述试样在测试118天后的测试结果。
表23.在320F和330F时效的合金B锻件的ASTM G44交替浸没测试
Figure BSA00000586677500331
表24.在315F时效的合金B锻件的ASTM G44交替浸没测试
Figure BSA00000586677500341
在延长的测试时期后发现两个失效，分别在240MPa下90天和129天。然而，在这种延长时期下的失效不是必定归因于SCC敏感性。
如图6所示，焊缝区域包括两个截然不同的区域：高铜含量焊缝区域和低铜含量/无铜焊缝区域。为了评价合金A焊缝区域的SCC抗性，使用只在测试部分含有合金A的试样来进行ASTM G1036％NaCl沸腾盐水试验。试验样品取自纵向(即FSW接头的横向)，加应力为170MPa。在沸腾盐水测试期间，合金B圆柱(从合金B母体金属机加工成6.35mm直径和38.10mm长)电连接到SCC试样。完成这些是为了模拟横跨焊缝的合金B母体材料的电存在性，而不对合金B母体材料进行沸腾盐水试验。不限于任何机理或原理，这种合金B母体材料的连接可模拟存在于FSW接头中(即整个高铜含量材料)的任何可能的电化学交互作用。
下面的八个PWA条件被评估：18，24，32和44小时分别在315F和325F。注意，电连接于测试框架上的合金B圆柱的时效方法与正被测试试样的PWA条件相同。试样为21mm厚度。当横跨焊缝(ATW)测试时，全部试样通过了6天的测试期。(表23)。在测试的第7天有两个(24个试样中)失效。
表25.在315F和325F下时效的合金B-合金A FSW接头横跨焊缝进行ASTM G103沸腾盐水测试
Figure BSA00000586677500351
焊缝区域的高铜含量(合金B)侧通过ASTM G443.5％NaCl交替浸没(AI)测试来评价。以下八个PWA条件被评估：18，24，32和44小时，在315F和325F。试验样品横跨焊缝(即FSW接头的横向)取得，加应力为170MPa和255MPa。测试持续84天。结果如下面的表26所示。
表26.合金B-合金AFSW接头横跨焊缝在315F和325F时效后进行ASTM G44交替浸没测试
在84天暴露之后没有发现失效。
图17描述了横跨FSWA B试样测量的显微硬度，试样取自不同的PWA方法。
横跨FSW接头的腐蚀电位曲线(例如，在图16中描述的)根据ASTM G69标准产生，以便理解焊态和焊后时效条件的各个FSW区域的电化学影响。图18显示出评价的所有曲线。在焊态中，焊缝区域相对于合金B和合金A母体金属明显显示阳极化。尽管不限于任何机理或原理，由于在焊态中的电位差，焊缝区域中可能会发生择优侵蚀。
在焊后时效后，腐蚀电位曲线明显程度地平稳，即使对于所评估的最小量的时效(即315F，18小时)也是如此。图19显示了对于在315F时效时间的电位曲线放大部分。例如，当时效时间为24小时，合金B焊缝区域相对于合金A焊缝区域轻微阳极化(～5-10mV)。在进一步时效到32小时和44小时后，合金B焊缝区域和合金A焊缝区域之间的范围增加。图20显示了当FSW接头在325F时效的电位曲线。图20描述了不论时效时间如何，在325F时效时，合金B母体金属比合金A焊缝区域更阳极化。
合金A-合金B FSW接头和相邻的母体金属依据ASTM G110标准的“侵蚀型”测试来进行评估。在该部分计划中进行评价的合金A-合金B FSW接头在315F和325F时效18小时和32小时。暴露试样的照片分别显示在图21和图22中，它们的时效温度分别为315F和325F。在G110溶液中的暴露时间为6小时。在接头的合金A侧没有明显的腐蚀。该行为与腐蚀电位曲线是一致的。在FSW接头的合金B侧发现点蚀，点蚀接近合金B热影响区(HAZ)。如图18的腐蚀电位曲线所示，FSW中的最阳极化区域为合金B的HAZ。图23显示了合金A在G110侵蚀型测试之后的典型横截面。如观察到的，图23显示了该低铜含量(无铜)合金没有发现点蚀或晶间腐蚀。图23中所示试样的时效方法为250F6小时+315F18小时。
尽管已经详细了描述本发明的各种实施方式，但是显然本领域技术人员明白对于这些实施方式的修改和改型。然而，应明确理解的是，这些修改和改型均在本发明的精神和范围之内。
表27：某些AA7XXX合金的成分限定(注意：余量为Al)

Claims (20)

1.一种组件，包括：7XXX系铝合金第一元件，包括不大于1wt％的Cu；7XXX系铝合金第二元件，包括至少1wt％的Cu；第一元件和第二元件之间的接头，它把第一元件结合到第二元件上；其中，所述组件对于海洋环境具有抗应力腐蚀开裂性。
2.依据权利要求1的组件，其中，第一元件通过了在依据ASTM标准G-103沸腾盐试验在L方向上为期至少7天测得的213MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性测试。
3.依据权利要求1的组件，其中，依据ASTM G-110侵蚀型试验，第一元件没有出现点蚀或晶间腐蚀。
4.依据权利要求1的铝组件，其中，第二元件通过了在依据ASTM标准G-44交替浸没试验在ST方向上为期至少30天测得的240MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性测试。
5.依据权利要求1的组件，其中，组件的第二元件包括的腐蚀电位比接头的低铜含量区域低至少5mV。
6.依据权利要求1的组件，其中，第二元件包括过时效状态。
7.依据权利求1的组件，其中，接头是固态焊接的焊缝。
8.依据权利要求1的组件，其中，接头包括机械连接。
9.依据权利要求1的组件，其中，接头包括横跨接头测得的至少为大约297MPa的拉伸屈服强度。
10.一种组件，包括：
第一元件，包括不大于1wt％Cu的7XXX系铝合金；第二元件，包括至少1wt％Cu的7XXX系铝合金元件，其中，第二元件包括过时效状态；以及将第一元件和第二元件相连的焊缝，其中，焊缝包括低铜含量区域其中，由于过时效状态，焊缝的低铜含量区域具有在海洋环境中的抗应力腐蚀开裂性。
11.依据权利要求10的焊接组件，其中，过时效状态包括T7状态。
12.依据权利要求10的焊接组件，其中，依据ASTM G-69测量，焊缝的低铜含量区域包括的腐蚀电位比第二元件的腐蚀电位高至少5mV。
13.依据权利要求10的组件，其中，海洋环境中的抗应力腐蚀开裂性包括：焊缝的低铜含量区域通过了在依据ASTM标准G-103沸腾盐试验横跨焊缝为期至少6天测得的170MPa应力水平的抗应力腐蚀开裂性测试。
14.依据权利要求10的组件，其中，第一元件和第二元件选自下面的组：挤压件、锻造件、薄板、厚板以及它们的组合。
15.一种方法，包括：
(a)把第一元件焊接到第二元件上，第一元件包括不少于1wt％Cu的7XXX系铝合金，第二元件包括不大于1wt％Cu的7XXX系铝合金元件，从而制得具有焊缝的组件，焊缝包括低铜含量区域和高铜含量区域；
(b)对组件在足够的时间和温度下进行热处理，使得第二元件包括过时效状态；
其中，由于热处理步骤，焊缝的低铜含量区域包括在海洋环境中改善的抗腐蚀开裂性。
16.依据权利要求15的方法，其中，热处理步骤包括将第二元件时效至T7状态。
17.依据权利要求15的方法，其中，由于热处理步骤，第二元件包括比焊缝的低铜含量区域低至少大约5mV的腐蚀电位差。
18.依据权利要求15的方法，其中，焊接包括固态焊接。
19.依据权利要求15的方法，其中，焊接包括摩擦搅拌焊接。
20.依据权利要求15的方法，还包括增加热处理步骤中时间和温度这二者中的至少一个，以使得焊缝的低铜含量区域与第二元件之间的腐蚀电位差增加。
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