CN102625858A - 用于实现改进的弹道学性能的铝合金时效方法 - Google Patents
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Abstract
公开了具有改进的弹道学性能的铝合金产品。该铝合金产品可以是欠时效的。在一种实施方案中，该欠时效的铝合金产品实现了比该铝合金产品的峰值强度时效形式更好的FSP抵抗性。在一种实施方案中，选择弹道学性能指标，并且对该铝合金产品进行欠时效，其量足以实现至少与所述弹道学性能指标一样好的弹道学性能。
Description
交叉引用
本专利申请要求于2009年9月4日提交、名称为“用于实现改进的弹道学性能的铝合金时效方法”的美国临时专利申请第61/239,842号的优先权，通过引用将其整体并入本文。本专利申请还涉及于_____提交的、名称为“用于实现改进的弹道学性能的铝合金时效方法”的美国专利申请No._____，通过引用将其整体并入本文。
背景技术
铝合金通常重量轻、廉价、且强度相对大。然而，由于例如不适宜的弹道学性能(ballistics performance)，铝合金在军事应用中的使用受到限制。
发明内容
总体上，本发明涉及铝合金时效的改进方法，以实现改进的性能组合。这些新方法可以生产出具有改进的弹道学性能的铝合金产品。在一种实施方案中，该新方法可以生产出具有改进的破片模拟弹(FSP)抵抗性(fragment simulationprojectile resistance)的铝合金产品。在一种实施方案中，该新方法可以生产出具有FSP抵抗性和穿甲(AP)抵抗性(armor piercing resistance)的改良组合的铝合金产品。
在一种实施方案中，且这时参照图1，一种方法包括如下步骤：选择铝合金产品(100)的弹道学性能指标，和生产具有弹道学性能的铝合金产品(200)。该弹道学性能至少与该弹道学性能指标一样好。
该生产步骤(200)包括制备用于时效的铝合金产品(220)，以及时效该铝合金产品(240)，其中该时效步骤包括欠时效(underaging)(250)该铝合金产品一定量，该量足以实现所述弹道学性能。已经发现，铝合金产品的欠时效(250)可显著改进此类铝合金产品的弹道学性能。在一些实施方案中，该弹道学性能优于所述铝合金产品的峰值强度时效型式的弹道学性能。在时效步骤(240)后，该产品可以进行下面所述的任选处理(250)，然后提供给用户(260)。
选择弹道学性能指标的步骤(100)可以包括选择FSP抵抗性指标和AP抵抗性指标中的至少一种。在一种实施方案中，所选的弹道学性能指标为FSP抵抗性指标。欠时效该铝合金产品可促成改进的FSP抵抗性。换而言之，FSP抵抗性可随铝合金产品时效量而变化。
如本领域技术人员公知的，欠时效等意指铝合金产品在低于实现峰值强度所需的温度和/或持续时间下时效。峰值强度等意指由特定的铝合金产品实现的、通过时效曲线确定的最高强度。不同的产品形式(例如，挤压件，轧制产品，锻件)，或不同尺寸的类似产品形式，可以具有不同的峰值强度，因而具有不同尺寸的每种产品形式和/或类似产品形式可能需要其自己的时效曲线来确定铝合金产品的峰值强度。下面对通常的时效定义进行描述。
相对于FSP抵抗性，时效曲线可以用于各种特殊的铝合金产品形式。这些时效曲线可以用于欠时效那些铝合金产品，并且可以确定那些欠时效铝合金产品的FSP抵抗性。所确定的FSP抵抗性可以与该铝合金产品形式的欠时效的量相关联。因此，可以预先选择FSP抵抗性的指标，和随后可对该产品形式的铝合金产品进行预定量的欠时效，从而基于该相关性来实现所选的FSP抵抗性指标。
正如所述，该铝合金产品可以进行欠时效，其量足以实现所选的FSP抵抗性指标。例如，该铝合金产品可以进行预定量的欠时效从而实现所选的FSP抵抗性指标(例如，使铝合金产品欠时效至少约3％从而实现目标的V50 FSP性能)。在一种实施方案中，使铝合金产品相对于峰值强度欠时效至少1％，从而实现所选的FSP抵抗性指标。例如，如果铝合金产品的峰值强度为约50ksi，则1％欠时效的铝合金产品将是欠时效的并具有不大于约49.5ksi的强度。在另外的实施方案中，该铝合金产品相对于峰值强度被欠时效至少约2％，或者至少约3％，或者至少约4％，或者至少约5％，或者至少约6％，或者至少约7％，或者至少约8％，或者至少约9％，或者至少约10％，或者至少约11％，或者至少约12％，或者至少约13％，或者至少约14％，或者至少约15％，或者至少约16％，或者至少约17％，或者至少约18％，或者至少约19％，或者至少约20％，或者至少约21％，或者至少约22％，或者至少约23％，或者至少约24％，或者至少约25％，或更多，从而实现所选的FSP抵抗性指标。
通过欠时效，该铝合金产品可以实现与该铝合金产品的峰值强度时效型式相比改进的FSP抵抗性。该FSP抵抗性与所选的FSP抵抗性指标至少一样好。在一种实施方案中，铝合金产品实现了比该铝合金产品的峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少约1％的FSP抵抗性。在其它实施方案中，该铝合金产品实现的FSP抵抗性比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少约2％，或者好至少约3％，或者好至少约4％，或者好至少约5％，或者好至少约6％，或者好至少约7％，或者好至少约8％，或者好至少约9％，或者好至少约10％，或者好至少好约11％，或者好至少约12％，或者好至少约13％，或者好至少约14％，或者好至少约15％，或者更多。
在一种实施方案中，所选的弹道学性能指标涉及铝合金产品在给定面密度下的V50性能。V50是材料的弹道学抵抗性的量度。V50值代表下述速度，即在该速度下，存在50％的几率弹丸(例如，FSP或AP弹丸)将完全穿透给定面密度的板。可以依据MIL-STD-662F(1997)来进行V50FSP抵抗性和AP抵抗性测试。在一种实施方案中，FSP抵抗性指标包括最小的V50性能水平，并且该最小V50性能水平比该铝合金产品峰值强度时效型式的最小V50性能水平好至少约1％。在其它的实施方案中，在给定的面密度下，该最小V50性能水平比该铝合金产品峰值强度时效型式的最小V50性能水平好至少约2％，或者好至少约3％，或者好至少约4％，或者好至少约5％，或者好至少约6％，或者好至少约7％，或者好至少约8％，或者好至少约9％，或者好至少约10％，或者好至少约11％，或者好至少约12％，或者好至少约13％，或者好至少约14％，或者好至少约15％，或者更多。
在一种实施方案中，欠时效铝合金产品实现了如下V50 FSP抵抗性，在给定的面密度上，该V50 FSP抵抗性比该铝合金产品峰值强度时效型式的V50 FSP抵抗性好至少约1％。在其它实施方案中，欠时效铝合金产品实现了如下V50 FSP抵抗性，在给定的面密度上，该V50 FSP抵抗性比铝合金产品峰值强度时效型式的V50 FSP抵抗性好至少约2％，或者好至少约3％，或者好至少约4％，或者好至少约5％，或者好至少约6％，或者好至少约7％，或者好至少约8％，或者好至少约9％，或者好至少约10％，或者好至少约11％，或者好至少约12％，或者好至少约13％，或者好至少约14％，或者好至少约15％，或者更多。
铝合金产品的峰值强度时效型式为一种产品，该产品与欠时效产品相比，具有类似的组成和处理经历，具有类似的产品形式(轧制形式，挤压形式，锻造形式)，并且具有类似和相当的尺寸，区别在于该产品的峰值强度时效型式进行了峰值实效，而欠时效产品进行了欠时效。
在一种实施方案中，该铝合金产品可以进行欠时效从而实现目标的碎裂性能(spall performance)。通常，关于FSP，存在两种碎裂方式的破坏：
●方式1：碎裂-伴随分离的穿透。
●方式2：碎裂-穿透之前。
其中，通常优选方式1。通过欠时效该铝合金产品，可以相对于碎裂来调节FSP抵抗性。
弹道学性能指标和弹道学性能还包括对穿甲(AP)弹的抵抗性。在一些情形中，铝合金产品的欠时效可导致降低的AP抵抗性，因而，在一些实施方案中，所述选择步骤(100)包括选择FSP抵抗性指标和AP抵抗性指标中的一种或两种。进而，可以选择欠时效的量以便实现FSP抵抗性和AP抵抗性之间的预定平衡。在一种实施方案中，该铝合金产品被欠时效一定量，该量足以获得最小的FSP抵抗性指标，且同时获得最小的AP抵抗性指标。进而，铝合金产品可以实现与所选的最小FSP抵抗性指标和所选的最小AP抵抗性指标至少一样好的FSP抵抗性和AP抵抗性。因而，可以生产具有定制的FSP抵抗性和AP抵抗性的铝合金产品。在一种实施方案中，欠时效铝合金产品的FSP抵抗性比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少1％，且同时AP抵抗性与该铝合金产品峰值强度时效型式的AP抵抗性至少一样好。在一种实施方案中，欠时效铝合金产品的FSP抵抗性比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少1％，且同时AP抵抗性与该铝合金产品峰值强度时效型式的AP抵抗性至少一样好。在其它实施方案中，该AP抵抗性次于铝合金产品峰值强度时效型式的AP抵抗性。在一种实施方案中，该AP抵抗性降低的速率比FSP抵抗性提高的速率慢。在一种实施方案中，AP抵抗性(相对于峰值强度)的降低不超过FSP抵抗性提高的约90％。例如，如果FSP抵抗性相对于产品的峰值强度时效型式增加了5％，该AP抵抗性相对于产品的峰值强度时效型式将会降低不超过4.5％。在其它实施方案中，与FSP抵抗性的提高相比，AP抵抗性降低不超过约80％，或不超过约70％，或不超过约60％，或不超过约50％，或不超过约40％，或不超过约30％，或不超过约20％，或不超过约10％，或更少。可以基于这种已知的权衡(trade-off)来选择AP和FSP抵抗性指标，例如，对于一种铝合金产品形式使用对应于已知欠时效量的FSP和AP测试结果。因此，可以生产具有定制的弹道学性能的铝合金产品。
现在参考图2，用于时效步骤(220)的铝合金产品的制备可以包括以下一个或多个步骤：铸造(222)铝合金产品(例如，直接冷铸)，修整该铸造铝合金产品(224)，均匀化该铝合金产品(226)，加工该铝合金产品(228)(例如，热加工从而形成形变产品)，固溶热处理该铝合金产品(230)，任选的急冷该铝合金产品(232)，和任选的冷加工该铝合金产品(234)(例如，伸展，轧制)。加工该铝合金产品的步骤(228或234)可以包括轧制、挤压和/或锻造该铝合金产品中的一种或多种，并且是在固溶热处理步骤之前或之后。
适用于本发明方法的铝合金包括这样的铝合金，即表现出时效响应的铝合金，例如2XXX，2XXX+Li和7XXX系列合金中的任何合金。已知这些合金是可热处理的合金。这些可热处理合金的可溶合金化元素的含量在室温和适当较高温度下超过平衡固溶度极限。该存在量可小于或大于在共晶温度下可溶的最大量。
通过加热铝合金产品至合适的温度来实现固溶热处理(230)，在该温度下保持足够长时间从而允许组分进入固溶体中，并足够快速地冷却从而将这些组分保持在溶体中。通过足够快速的冷却以抑制溶质原子析出成粗大、非共格的颗粒，可将高温下形成的固溶体可以保持在过饱和状态。固溶热处理(230)和急冷(232)操作之后细颗粒的受控析出(称为“时效”)已常规用于开发可热处理合金的机械性能。
当涉及本发明时，并且现在参照图2和3，可利用时效步骤(240)来将铝合金产品时效至预定的欠时效状态从而实现所选的弹道学性能指标。在固溶热处理(230)和急冷(232)之后，大多数可热处理的合金(例如，2XXX，2XXX+Li和7XXX)在室温下表现出性能改变。这被称为“自然时效”(242)，并且可在固溶热处理(230)和急冷(232)之后立即开始，或者在孕育期后立即开始。在自然时效期间，性能改变的速率从一种合金至另一种合金在大的范围内变化，因此达到稳定的状态可能需要仅数天或数年。可以在这些合金中加速析出，并且通过在室温以上加热来进一步增加其强度；这种操作被称为“人工时效”(244)，并且也被本领域的技术人员称为“析出热处理”。
本文所述的欠时效铝合金产品可以被自然时效(242)、人工时效(244)或两者(246)。如果人工时效(244)完成，则自然时效(242)可以在人工时效(244)之前和/或之后发生。自然时效(242)可以在人工时效(244)之前进行预定的时间段(例如，从数小时至数星期，或更多)。室温下的自然时效期可以发生在上文所述的固溶热处理(230)、急冷(232)、任选的冷加工(234)和任选的人工时效(244)步骤之间或任一个之后(参见，铝的美国国家标准合金和状态命名体系(American National Standard Alloy and Temper DesignationSystems for Aluminum)，ANSI H35.1，通过引用将其整体并入本文)。
在一些实施方案中，在将产品供应给用户(260)之前，没有进行人工时效步骤(244)。也就是说，该时效步骤(240)由自然时效(242)构成。在这些实施方案中，可以控制自然时效(242)的量从而实现欠时效状态和所选的弹道学性能指标(250)。伴随自然时效步骤(242)或者在自然时效步骤(242)之后，产品可以进行各种任选的处理(255)，例如在时效步骤(240)之后的另外冷加工，或者精加工操作(例如平整化，矫直，机加工，阳极氧化，涂漆，抛光，磨光)，随后可将产品供应给用户(260)。
在一些实施方案中，时效(240)包含人工时效(244)。在这些实施方案中，时效步骤(240)可以包括人工加热铝合金产品一段时间和温度，这使该产品欠时效并达到低于峰值强度的强度。在一种实施方案中，人工时效步骤(244)包括欠时效该铝合金产品预定的量从而实现所选的弹道学性能指标(250)，如上所述。在人工时效(244)后，该铝合金产品可以进行如上所述的各种任选的时效后处理(255)，随后可将产品供应给用户(260)。
该新铝合金产品可实现在至少一种性能方面与由H131状态的铝合金5083制成的现有技术产品至少相当的性能，同时在至少一种其它性能方面实现改进的性能。该改进的性能可以归功于如上文所述的该新合金的独特加工。与可比的5083-H131产品相比，该新合金可实现改进的性能组合，如密度和弹道学性能的改进组合。
该新型欠时效合金可用于爆炸会造成威胁的任何装甲部件中，如用于装甲车辆，个人装甲等等。在一种实施方案中，由该欠时效合金制成的装甲部件是抗碎裂的。如果在根据MIL-STD-662F(1997)进行的弹道学测试期间在冲击发生位置周围的区域中没有显著的材料层的分离或分层，则材料是抗碎裂的，本领域技术人员可在视觉上确认所述分离或分层，所述分离或分层可发生在测试产品的前表面或后表面上。
如上所述，适于利用本方法的铝合金包括2XXX，2XXX+Li和7XXX铝合金。2XXX铝合金是含铜(Cu)作为主要合金化元素的铝合金。2XXX通常包括约0.7wt.％至约6.8wt.％的Cu。2XXX铝合金可以包括其它的成分，如镁(Mg)(例如，从约0.1wt.％至约2.0wt.％的Mg)。可依照本文所述的欠时效操作使用的一些2XXX铝合金的实例包括铝业协会合金2001，2002，2004，2005，2006，2007，2007A，2007B，2008，2009，2010，2011，2011A，2111，2111A，2111B，2012，2013，2014，2014A，2214，2015，2016，2017，2017A，2117，2018，2218，2618，2618A，2219，2319，2419，2519，2021，2022，2023，2024，2024A，2124，2224，2224A，2324，2424，2524，2025，2026，2027，2028，2028A，2028B，2028C，2030，2031，2032，2034，2036，2037，2038，2039，2139，2040，2041，2044，2045，和2056，以及其它的2XXX铝合金。
2XXX+Li铝合金是包括有意添加的锂(Li)的2XXX铝合金。2XXX+Li合金可以包括至多约2.6wt.％Li(例如，0.1至2.6wt.％Li)。可依照本文所述的欠时效操作使用的一些适宜2XXX+Li合金的实例包括铝业协会合金2050，2090，2091，2094，2095，2195，2196，2097，2197，2297，2397，2098，2198，2099，和2199，以及其它的2XXX+Li铝合金。2XXX+Li合金通常含至少约0.5wt.％的Li。
2XXX和2XXX+Li合金都可以含有至多1.0wt.％Ag(例如，0.1-1.0wt.％Ag)。已知银(Ag)可增强这些合金的强度。当使用时，Ag的存在量通常为至少约0.10wt.％。
由2XXX和2XXX+Li铝合金制成的弹道学产品可通过仅自然时效、或者通过人工时效来获得合适的弹道学性能。因而，可以例如以T3，T4，T6或T8状态等供应该2XXX和2XXX+Li铝合金产品。
7XXX铝合金是含锌(Zn)作为主要合金化成分的铝合金。7XXX通常包括从约3.0wt.％至12.0wt.％的Zn。7XXX合金可以包括其它成分，如Cu(0.1-3.5wt.％)和Mg(0.1-3.5wt.％)。可依照本文所述的欠时效操作使用的一些7XXX合金的实例包括铝业协会合金7003，7004，7204，7005，7108，7108A，7009，7010，7012，7014，7015，7016，7116，7017，7018，7019，7019A，7020，7021，7022，7122，7023，7024，7025，7026，7028，7029，7129，7229，7030，7032，7033，7034，7035，7035A，7036，7136，7037，7039，7040，7140，7041，7046，7046A，7049，7049A，7149，7249，7349，7449，7050，7050A，7150，7250，7055，7155，7255，7056，7060，7064，7068，7168，7075，7175，7475，7076，7178，7278，7278A，7081，7085，7090，7093，和7095，以及其它的7XXX铝合金。
7XXX通常通过人工时效获得合适的弹道学性能性质，然而在一些情况下也可以仅使用自然时效。因而，可以例如以T6或T8状态等来供应该7XXX铝合金产品。
可以预期的是，本文所述的欠时效原理也可以用于一些其它析出硬化类型的合金(例如，一种或多种6XXX铝合金和/或一种或多种8XXX铝合金)。
该铝合金产品通常包括(并且在一些情形中基本由此组成)上述成分，余量为铝、任选的添加剂(例如，至多约2.5wt.％)和不可避免的杂质。通常，合金中使用的成分、任选的添加剂、以及不可避免的杂质的量不应该超过合金的溶解度极限。任选的添加剂包括：晶粒组织控制材料(有时被称作弥散体)、晶粒细化剂、和/或脱氧剂等等，如下文进一步详细所述。铝合金产品中使用的一些任选添加剂可能以比下文所述更多的方式帮助合金。例如，Mn的添加可有助于晶粒组织控制，但是Mn还可以充当强化剂。因而，任选添加剂的下述说明仅仅是出于说明目的，并不意图将任何一种添加剂限制到所述功能。
任选的添加剂可以按至多约2.5wt.％的总量存在。例如，Mn(最多1.5wt.％)、Zr(最多0.5wt.％)和Ti(最多0.10wt.％)可以按总共2.1wt.％包括在合金中。在该情形中，剩余的其它添加剂(如果有的话)的总量不能大于0.4wt.％。在一种实施方案中，任选的添加剂按至多约2.0wt.％的总量存在。在其它实施方案中，任选的添加剂按至多约1.5wt.％，或至多约1.25wt.％，或至多约1.0wt.％的总量存在。
晶粒组织控制物质是这样的元素或化合物，即为了形成第二相颗粒(通常为固态)而有意的合金化添加物，以在热处理例如回复和再结晶期间控制固态晶粒组织改变。对于本文所公开的铝合金，Zr和Mn均是有用的晶粒组织控制元素。Zr和/或Mn(全部或部分)的替代物包括Sc、V、Cr和Hf等等。合金中所用的晶粒组织控制材料的量通常取决于晶粒组织控制所用材料的种类和合金生产工艺。
所述铝合金产品可以任选地包括锰(Mn)。锰可以用于促进强度的提高和/或促成细化的晶粒组织等等，特别是2XXX或2XXX+Li铝合金。当锰被包括在铝合金产品中时，其通常以至少约0.05wt.％的量存在。在一种实施方案中，该新的铝合金产品包括至少约0.10wt.％的Mn。在一种实施方案中，该新的铝合金产品包括不多于约1.5wt.％的Mn。在其它实施方案中，该新的铝合金产品包括不多于约1.0wt.％的Mn。
当锆(Zr)被包括在该铝合金产品中时，其含量可至多为约0.5wt.％，或者至多约0.4wt.％，或者至多约0.3wt.％，或者至多约0.2wt.％。在一些实施方案中，Zr在合金中的含量为0.05-0.25wt.％。在一种实施方案中，Zr在合金中的含量为0.05-0.15wt.％。在另一种实施方案中，Zr在合金中的含量为0.08-0.12wt.％。7XXX合金通常使用Zr作为任选的添加剂。
晶粒细化剂是在合金凝固期间催发新晶粒的孕育剂或晶核。晶粒细化剂的实例是包含96％铝、3％钛(Ti)和1％硼(B)的3/8英寸的杆状物，其中基本上所有的硼均以细分散的TiB2颗粒存在。在铸造期间，将晶粒细化杆状物在生产线中(in-line)送入熔融合金中，该熔融合金以受控速率流入铸造坑。合金中包含的晶粒细化剂的量通常取决于晶粒细化所用的材料种类和该合金的生产工艺。晶粒细化剂的实例包括Ti和B的组合(例如TiB2)，或者Ti和碳的组合(TiC)，然而也可以使用其它晶粒细化剂，例如Al-Ti母合金。通常，根据所需的铸态晶粒尺寸，以0.0003wt.％到0.005wt.％的量向合金中加入晶粒细化剂。此外，Ti可以按至多0.03wt.％的量单独加入到合金中，从而增加晶粒细化剂的效力。当合金中包括Ti时，Ti通常以至多约0.10或0.20wt.％的量存在。
本文通常称为脱氧剂(与是否实际上脱氧无关)的一些合金化元素，可以在铸造期间加入到合金中以降低或限制(且在某些情形中消除)坯锭的开裂，所述开裂是由例如氧化物褶皱(fold)，点蚀(pit)和氧化物斑点而产生。脱氧剂的实例包括Ca、Sr、Be和Bi。当钙(Ca)包括在合金中时，其通常以至多约0.05wt.％或至多约0.03wt.％的量存在。在一些实施方案中，Ca以0.001至约0.03wt.％或0.001至约0.05wt.％的量包括在合金中，例如0.001-0.008wt.％(即10-80ppm)。除Ca之外或作为其替代(全部或部分)，锶(Sr)和/或铋(Bi)可以包括在合金中，而且可以按与Ca相同或相似的量包括在合金中。传统地，铍(Be)添加物有助于降低坯锭开裂的倾向，然而出于环境、健康和安全的原因，合金的一些实施方案基本上无Be。当Be包括在合金中时，其通常以至多约500ppm的量存在，例如小于约250ppm的量，或小于约20ppm的量。
所述任选的添加剂可以按微量存在，或可以按显著量存在，并且可以在不背离本文所述的合金的情形下独立地增加所需特性或其它特性，只要合金保持本文所述的所需特性即可。然而，应理解的是，不应/不能通过仅以不另外影响本文所需和所得的性能组合的量添加一种或多种元素而避开本公开的范围。
如本文所使用的，不可避免的杂质是由于例如铝的固有性能和/或从接触的制造设备等浸出的那些可以按微量存在于合金中的物质。铁(Fe)和硅(Si)是铝合金中经常存在的不可避免的杂质的实例。合金的Fe含量通常不应超过约0.25wt.％。在一些实施方案中，合金的Fe含量不大于约0.15wt.％，或不大于约0.10wt.％，或不大于约0.08wt.％，或不大于约0.05或0.04wt.％。类似地，合金的Si含量通常不应超过约0.25wt.％，并且通常低于Fe含量。在一些实施方案中，合金的Si含量不大于约0.12wt.％，或不大于约0.10wt.％，或不大于约0.06wt.％，或不大于约0.03或0.02wt.％。在一些实施方案中，锌(Zn)可以作为不可避免的杂质包括在合金中(例如，对于2XXX+Li合金)。在这些实施方案中，合金中的Zn量通常不超过0.25wt.％，例如不大于0.15wt.％，或甚至不大于约0.05wt.％。当不是杂质时，可以在2XXX或2XXX+Li合金中使用至多1.5wt.％的Zn(例如，0.3-1.5wt.％Zn)。除铁、硅和锌外，合金通常含有不大于0.05wt.％的任何一种其它不可避免的杂质，并且这些其它不可避免的杂质的总量不超过0.15wt.％(通常是指其它每种≤0.05wt.％，并且其它总共≤0.15wt.％，如铝业协会形变合金注册表(称作Teal Sheets)中所反映出的)。
除了另有声明，当提及一种元素的含量时表述“至多”意指该元素组成为任选的，同时包括该特定组成组分的0含量。除非另有说明，则所有组成百分比均为重量百分比(wt.％)。
虽然大体上相对于形变合金描述了上述性能，然而可以预期的是，铸造铝合金产品的欠时效也会实现相同的益处，因此铸造铝合金产品的欠时效也包括在本发明的范围内。
附图简述
图1是说明生产铝合金产品的一种实施方案的流程图。
图2是说明图1中生产步骤(200)的流程图。
图3是说明图2中时效步骤(240)的流程图。
图4的示意图说明了AA合金7085的弹道学性能与屈服强度(TYS-L)和人工时效条件的关系。
图5为弹丸的照片，其可以用于弹道学测试。
图6a的坐标图显示了各种2英寸厚铝合金板的FSP抵抗性与强度的关系，使用如实施例1中所述的0.50口径圆形物(caliber round)。
图6b的坐标图显示了各种2英寸厚铝合金板的FSP抵抗性与强度的关系，使用如实施例1中所述的20mm圆形物。
图6c的坐标图显示了各种2英寸厚铝合金板的AP抵抗性与如实施例1所述的强度的关系；
图7a-7f是说明实施例1的涉及AA7085的FSP穿透结果的图像(顶视图)。
图8a是显示实施例1的涉及现有技术合金AA5083的FSP穿透结果的图像(顶视图)。
图8b是显示在FSP测试后现有技术合金AA5083的显微组织的图像(截面视图)。
图9的示意图说明了在涉及FSP测试时，AA5083中裂纹形成的方式的一种建议的实施方案。
图10a是显示在FSP测试后AA5083中的开裂的SEM图像。
图10b是图10a的局部特写图。
图11a是显示在FSP测试后合金AA7085-UA0显微组织的图像(截面图)。
图11b是显示在FSP测试后合金AA7085-UA1显微组织的图像(截面图)。
图11c是显示在FSP测试后合金AA7085-OA1显微组织的图像(截面图)。
图11d是显示在FSP测试后合金AA7085-OA2显微组织的图像(截面图)。
图12a是显示在FSP测试后AA7085-UA1中的开裂的SEM图像。
图12b是图12a的局部特写图。
图13a是显示在FSP测试后AA7085-OA1中的开裂的SEM图像。
图13b是显示在FSP测试后AA7085-OA2中的开裂的SEM图像。
图14a是在FSP测试后AA7085-UA1的蚀刻试样的SEM图像。
图14b是在FSP测试后AA7085-UA1的阳极氧化试样的SEM图像。
图15a是显示在FSP测试后AA7085-OA1中的剪切带(shear bands)的SEM图像。
图15b是图15a的特写图，其示出了剪切带中的纳米尺寸的析出物。
图16a是显示在FSP测试后AA7085-OA1中的剪切带的SEM图像。
图16b为图16a的特写图。
图17a是显示在FSP测试后AA7085-OA2中的裂纹的SEM图像。
图17b是图17a的特写图。
图18a是显示在FSP测试后AA7085-UA1的显微组织的TEM暗场(dark-filled)图像。
图18b是显示在FSP测试后AA7085-UA1的显微组织的TEM多束亮场图像。
图19a是显示在FSP测试后AA7085-OA1的显微组织的TEM暗场图像。
图19b是显示在FSP测试后AA7085-OA1的显微组织的TEM多束亮场图像。
图20a是显示在FSP测试后AA7085-OA2的显微组织的TEM暗场图像。
图20b是显示在FSP测试后AA7085-OA2的显微组织的TEM多束亮场图像。
详细描述
实施例1-7XXX合金的测试
V50测试
类似于图2中所示，制备铝业协会合金7085用于时效，并且测试该合金在若干人工时效状态的FSP性能。将具有两种不同规格(gauge)即1英寸和2英寸的两组AA 7085板人工时效至不同的欠时效(UA)和过时效(OA)状态。对于第1组1英寸厚的板，产生七种时效状态：7085-UA0，-UA0.5，-UA1，-PS，-OA1，-OA1.5，和-OA2(图4)。对于该组中的UA板，在人工时效前进行至少三星期的自然时效。第1组中的时效AA7085板在轧制方向(RD)上的拉伸屈服强度(TYS)为69ksi至83ksi。也对AA5083-H131板(1英寸厚)进行测试作为基准(benchmark)。对于第2组2英寸厚的板，产生了四种时效状态：7085-W51，-UA1，-OA1，和-OA2。应注意，利用最小时效进行固溶热处理的W51状态在2英寸厚板的TYS方面表现为约62ksi。该组中的时效AA7085板在RD方向的TYS为62ksi至79ksi。各自地，利用0.50-口径弹丸在西南研究所(SWRI)对第1组进行破片模拟弹(FSP)弹道学测试，并且利用20mm弹丸在军队研究实验室(ARL)对第2组进行破片模拟弹弹道学测试。对于两组中的每种合金/状态，测试了多个12英寸×12英寸的试样。用于FSP测试的弹丸如图5中所示。
图4显示了对进行FSP弹道学测试的1英寸厚板的每种时效条件所测得的V50。对于每种时效条件，还给出了TYS和应变硬化率(n)。欠时效的AA7085板的平均V50(3318ft/s)高于过时效板的平均V50(3179ft/s)，这表明欠时效板具有较好的FSP弹道学抵抗性。特别地，UA0状态的板表现出比其它状态显著更好的FSP弹道学抵抗性。UA(UA0)板和OA(OA2)板之间的V50最大差异为368ft/s。随着人工时效的进行，即从UA至OA，V50呈现降低。
图6a中还显示了V50和TYS之间的关系。结果显示，随着增加TYS(图6a)或增加应变硬化率(图4)，V50并非总是增加。基准材料AA5083-H131的V50、TYS和应变硬化率分别为1870英尺/秒、47ksi和0.076。不管时效条件如何，5083-H131的V50显著低于AA7085的V50。尽管AA5083-HB1较低的弹道学抵抗性可能归因于较低的TYS，然而当与AA7085相比时，AA5083-H131表现出与时效条件无关的相当高的应变硬化率。
图6b显示了利用较大FSP弹丸(20mm)测试的2英寸厚板的V50和TYS之间的关系。UA板(W51和UA1)实现了比过时效板(OA1和OA2)更高的V50；与1英寸厚板的趋势相同，尽管对于2英寸厚的板，UA(W51)板和OA板之间的V50最大差异减小至157ft/s。应注意，W51状态代表仅在室温下自然时效。这些结果表明可以通过AA7085板的欠时效而不是过时效来实现最大V50。
还进行了穿甲(AP)测试，结果在图6c中示出。AP抵抗性随着强度的降低而降低。
图7a-7f为1英寸板在FSP弹道学测试后的图片。显示了部分穿透(图7a，7c，7e)和完全穿透(图7b，7d，7f)的图像。“TD”用于代表横向。板的破坏大致可归类为三种方式：
方式1：碎裂-伴随分离的穿透。在部分穿透测试期间板碎裂，但是仅到基本较小的程度(图7a)。显然，在完全穿透测试期间，当弹丸离开板时，板碎裂(图7b)。
方式2：碎裂-在穿透之前。如图7c中所示，在方式2中的部分穿透测试期间，碎裂的程度显著高于方式1中，这表明了在这两种方式之间碎裂特性的主要差别。对于完全穿透的板，方式2和方式1之间在碎裂上没有显著的差别。
方式3：嵌塞(plug)而无碎裂。方式3的特征在于嵌塞的排出。图7e图示了在部分穿透测试期间嵌塞的形成。在完全穿透测试期间，该嵌塞被排出。
对于碎裂，对于1”板确定每种实验合金(7085-UA0，-UA0.5，-UA1，-PS，-OA1，-OA1.5，和-OA2)的破坏方式，并且在图4中分别用“1”，“2”和“3”表示方式1，方式2，和方式3。欠时效板(UA0，UA0.5，和UA1)表现出方式1类型的破坏，而峰值强度(PS)和过时效板(OA1和OA1.5)导致方式2类型的破坏。显著过时效的OA2板表现出方式3类型的破坏，其也为基准AA5083-H131板的破坏方式。
显微组织分析
图8a-8b显示了进行了FSP弹道学测试的AA5083-H131板的顶视图(图8a)和截面显微组织图(图8b)。观察到了带有赫兹(Hertzian)裂纹迹象的嵌塞破坏。图9显示了关于赫兹裂纹形成的一种建议。弹丸的冲击产生了压缩冲击波，其从背表面反射并且形成拉伸冲击波。这些波的相互作用导致严重的剪切和赫兹裂纹，从而最终导致了嵌塞破坏。该嵌塞破坏方式是基准AA5083-H131合金进行FSP弹道学测试时的主要破坏方式。还观察到了一些剪切带和从主要赫兹裂纹延伸的细小裂纹(图10a)。可以看出，这些裂纹沿着粗大组分颗粒带扩展(图10b)。
图11显示了经受FSP弹道学测试的AA7085-UA0板的截面显微组织。裂纹在与法线方向(ND)垂直的轧制方向(RD)上发展，即弹丸在板中的移动方向。该赫兹裂纹不如在AA5083-H131板中观察到的那么严重。AA7085-UA1(另一种欠时效状态)也显示出在RD上的裂纹发展(图11)。然而，没有观察到赫兹裂纹，尽管在AA7085-UA1板中存在一些剪切带。图11c和11d分别显示了AA7085-OA1板和AA7085-OA2板的显微组织。沿RD的裂纹和赫兹裂纹在A7085-OA1板中显著发展。有意思的是，在AA7085-OA2板中，没有裂纹沿着RD发展，而在该板中，赫兹裂纹的发展方式非常类似于在AA5083-H131板中的发展方式。
如上所述，图4显示了经受FSP弹道学测试的AA7085板的破坏方式从欠时效状态的方式1(碎裂-伴随分离的穿透)变化至过时效状态的方式3(嵌塞而无碎裂)。这与上述结果一致，其显示了显微组织的如下变化：从欠时效板中沿RD的裂纹且伴有非常有限的赫兹裂纹发展，变化到过时效状态下的几乎全部为赫兹裂纹。
对于AA7085-UA1合金，如图11b中所示的几乎与RD平行的裂纹表现为沿着几乎与RD平行的晶粒边界扩展(图12a)。在晶粒边界上可看到细小析出物(图12b)。在AA7085-OA1板(图13a)和AA7085-OA2板(图13b)中也能够观察到类似的裂纹。这种类型的裂纹看起来不涉及严重的剪切变形。
另一种类型的裂纹涉及严重的剪切变形。如图14a中所示，严重的剪切带相互作用从而产生裂纹。在这种情况下，裂纹沿着剪切带而不是晶粒边界扩展(图14b)。该图显示在裂纹位置上存在多个穿晶剪切带。这些剪切带的特征在于它们实际上以相对于板的RD呈约45度角平行。另外，该剪切带与细小析出物相关(图15a-15b)。该剪切带的宽度为约15-20微米(图15a)。可以看出细小析出物均匀分布在剪切带内部(图15b)。图16a显示了由剪切变形导致的裂纹。可以在裂纹周围发现小的析出物(图16b)。图17a-17b显示了在AA7085-OA2板中裂纹的聚结。可以看出，由裂纹聚结形成的大裂纹与RD呈约45度(图17a)，尽管聚结中的每个裂纹看起来是沿着晶粒边界(图17b)。
图18a-18b，19a-19b和20a-20b分别显示了在AA7085-UA1板，AA7085-OA1板，和AA7085-OA2板中晶粒边界的TEM图像。这些TEM图像是在距产品的LT-L平面的T/2位置。图18a，19a和20a为TEM暗场图像(Z.A.＝<110>)。对于图18a和19a，由高角度晶粒边界从g＝<111>获取暗场图像。对于图20a，由高角度晶粒边界从g＝<022>获取暗场图像。如图所示，晶粒边界上析出物的尺寸和密度随着时效的进行而增加。在OA1状态(图19a-19b)的晶粒边界上观察到比UA1状态(图18a-18b)中更多的析出物。在OA2状态下，晶粒边界几乎被析出物覆盖(图20a-20b)。在晶粒边界上观察到的相与基于暗场成像条件的M相(MgZn2)一致。
这些结果说明，时效可以影响AA7085的弹道学抵抗性。以V50表示的FSP弹道学抵抗性与时效状态相关：欠时效板在FSP弹道学抵抗性方面通常优于过时效板。TYS或应变硬化率两者都不能解释这种倾向，这表明TYS或应变硬化率两者单独都不是AA7085板的FSP弹道学抵抗性的可靠指示。
显微组织分析显示，取决于时效条件，AA7085对于FSP弹道学测试具有不同的响应。晶粒边界析出看起来与这些不同的响应有关。对于欠时效板，晶粒边界包含非常少的析出物，这有助于保持晶粒边界的高强度水平。相反地，过时效板的晶粒边界的特征在于强烈的析出，这降低了晶粒边界的强度水平。欠时效板的高晶粒边界强度可以解释对ND上的因剪切变形导致的裂纹聚结的高抵抗性。因此，冲击能量可以被吸收，且对于欠时效板该冲击能量可被消耗用以使裂纹在RD上扩展。由于低的晶粒边界强度，过时效板在剪切变形下易于在ND上发生裂纹聚结。晶粒边界的薄弱可以是在过时效板的穿透和嵌塞破坏之前发生的碎裂的(至少部分)原因。此外，在剪切带中产生的隔绝热量似乎导致在剪切带内形成小的析出物。
实施例2-2XXX+Li合金(AA2099)测试
类似于图2中所示制备用于时效的AA2099作为1”板。AA2099的第一样品被时效至峰值强度，处于T8状态，具有约71.8ksi的拉伸屈服强度(L)。制备处于T8状态的AA2099的第二样品，但是被欠时效，实现了约64.9ksi的拉伸屈服强度(L)。依据MIL-STD-662F(1997)使用0.50口径圆形物对两个样品进行FSP抵抗性测试。欠时效的第二铝合金实现了比峰值时效样品更好的FSP性能。该欠时效的第二样品实现了约3000英尺每秒的V50FSP性能，然而，峰值时效的第一样品实现了约2950英尺每秒的V50 FSP性能。
实施例3-2XXX+Li+Ag合金测试
类似于图2中所示制备用于时效的第二合金作为1”板，类似于AA2099，但是具有约0.5wt.％银(在本实施例中称为Al-Li-Ag合金)。Al-Li-Ag合金的第一样品被时效至峰值强度，处于T8状态，具有约83.6ksi的拉伸屈服强度(L)。制备处于T8状态的Al-Li-Ag合金的第二样品，但是被欠时效，实现了约75.9ksi的拉伸屈服强度(L)。依据MIL-STD-662F(1997)使用20mm圆形物对两个样品进行了FSP抵抗性测试。欠时效的第二铝合金实现了比峰值时效样品更好的FSP性能。欠时效的第二样品实现了约1638英尺每秒的V50FSP性能，然而，峰值时效的第一样品实现了约1535英尺每秒的V50 FSP性能。还测试了利用50口径圆形物的FSP抵抗性测试。同样，欠时效的第二铝合金实现了比峰值时效样品更好的FSP性能。欠时效的第二样品实现了约3740英尺每秒的V50 FSP性能(50cal.)，然而，峰值时效的第一样品实现了约3550英尺每秒的V50 FSP性能。两个试样也都进行了AP抵抗性测试。峰值时效的第一样品实现了约2353英尺每秒的V50 AP抵抗性，而欠时效的第二样品实现了约2305英尺每秒的V50AP抵抗性。对于20mm和50口径圆形物，FSP抵抗性的增加分别为约6.3％和约5.1％。AP抵抗性的减少为约2.1％，这远低于FSP抵抗性的增加。对于20mm的FSP抵抗性的增加是AP抵抗性减少速率的约3X。换句话说，关于20mm FSP，AP的减少是FSP增加的33.3％。对于50口径圆形物的FSP抵抗性增加为AP抵抗性减少速率的约2.4X，换句话说，AP的减少是关于50口径FSP的FSP增加的约41.2％。
Claims (20)
1.一种方法，包括：
为铝合金产品选择弹道学性能指标；和
生产铝合金产品，其中该铝合金产品实现了至少与所述弹道学性能指标一样好的弹道学性能，并且其中所述生产步骤包括：
制备用于时效的铝合金产品；和
时效该铝合金产品，其中时效步骤包括欠时效所述铝合金产品足以实现所述弹道学性能的量，其中所述弹道学性能优于该铝合金产品峰值强度时效型式的弹道学性能。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述弹道学性能指标包括FSP抵抗性指标，其中所述时效包括：欠时效该铝合金产品到低于峰值强度至少1％。
3.如权利要求2所述的方法，其中FSP抵抗性指标包括最小V50性能水平，并且其中该最小V50性能水平比该铝合金产品峰值强度时效型式的最小V50性能水平好至少1％。
4.如权利要求2所述的方法，其中该弹道学性能指标包括AP抵抗性指标，并且其中所述时效包括：欠时效该铝合金产品一定量，使得该铝合金产品的弹道学性能实现所述FSP抵抗性指标和AP抵抗性指标两者。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述弹道学性能包括FSP抵抗性和AP抵抗性，其中所述FSP抵抗性比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少1％，并且其中所述AP抵抗性至少与该铝合金产品峰值强度时效型式的AP抵抗性一样好。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述时效包括欠时效所述铝合金产品到低于峰值强度至少5％。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述时效包括欠时效所述铝合金产品到低于峰值强度至少10％。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述时效包括欠时效所述铝合金产品到低于峰值强度至少25％。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述时效由自然时效组成。
10.如权利要求7所述的方法，其中时效包括人工时效。
11.如权利要求1所述的方法，其中该铝合金产品包括2XXX或7XXX铝合金之一。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述铝合金产品包括2XXX铝合金。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述铝合金产品包括至多2.6wt.％Li和至多1.0wt.％Ag。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述时效包括自然时效和人工时效中的至少一种。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述铝合金产品包括7XXX铝合金。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述时效包括自然时效和人工时效中的至少一种。
17.一种欠时效铝合金，其中该欠时效铝合金产品实现比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少1％的FSP抵抗性。
18.如权利要求17所述的欠时效铝合金，其中该欠时效铝合金产品实现比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少3％的FSP抵抗性。
19.如权利要求17所述的欠时效铝合金，其中该欠时效铝合金产品实现比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少5％的FSP抵抗性。
20.如权利要求17所述的欠时效铝合金，其中该欠时效铝合金产品实现比该铝合金产品峰值强度时效型式的FSP抵抗性好至少7％的FSP抵抗性。
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Granted publication date: 20141029 Termination date: 20160903 |
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