CN104583434A - 2xxx系列铝锂合金 - Google Patents

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CN104583434A CN201380043405.7A CN201380043405A CN104583434A CN 104583434 A CN104583434 A CN 104583434A CN 201380043405 A CN201380043405 A CN 201380043405A CN 104583434 A CN104583434 A CN 104583434A
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Abstract

本文公开了具有0.040英寸到0.500英寸厚度的形变2xxx铝锂合金产品。所述形变铝合金产品包含3.00至3.80wt.％的Cu、0.05至0.35wt.％的Mg、0.975至1.385wt.％的Li，其中-0.3*Mg-0.15Cu+1.65≤Li≤-0.3*Mg-0.15Cu+1.85，0.05至0.50wt.％的至少一种晶粒结构控制元素，其中，所述晶粒结构控制元素选自由Zr、Sc、Cr、V、Hf、其它稀土元素及其组合所组成的组，至多1.0wt.％的Zn、至多1.0wt.％的Mn、至多0.12wt.％的Si、至多0.15wt.％的Fe、至多0.15wt.％的Ti、至多0.10wt.％的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过0.35wt.％，余量为铝。

Description

2xxx系列铝锂合金
背景技术
铝合金在多种应用中是有用的。然而，改进铝合金的一种性能而不损害另一种性能通常证实是难以实现的。例如，在不降低合金的韧性的情况下增加合金的强度是困难的。铝合金的令人感兴趣的其他性能包括耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展速率，仅举两个例子。
发明内容
大体上讲，本申请涉及具有改进性能的形变2xxx铝锂合金产品。总体上，该形变2xxx铝锂合金产品包含3.0到3.8wt.％的Cu，0.05到0.35wt.％的Mg，0.975到1.385wt.％的Li，其中-0.3*Mg-0.15Cu+1.65≤Li≤-0.3*Mg-0.15Cu+1.85，0.05到0.50wt.％选自由Zr、Sc、Cr、V、Hf、其它稀土元素及其组合所组成的组的晶粒结构控制元素，至多1.0wt.％的Zn，至多1.0wt.％的Mn，至多0.15wt.％的Ti，至多0.12wt.％的Si，至多0.15wt.％的Fe，至多0.10wt.％的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过0.35wt.％，余量为铝。包含这类合金组成的形变产品可以实现改进的性能。
该形变产品通常呈具有从大约0.040英寸到大约0.500英寸范围内的厚度的片材或薄板的形式。在一个实施例中，所述形变铝合金产品具有至少0.050英寸的厚度。在另一个实施例中，厚形变铝合金产品具有至少0.060英寸的厚度。采用具有至多0.400英寸，或至多0.300英寸或至多0.250英寸厚度的厚形变产品可以实现本文所描述的改进的性能。如本段中所使用的，厚度指产品的最小厚度，可以知道的是，所述产品的一些部分可以实现比所述最小厚度略微更大的厚度。
下表1a-1c公开了根据本申请教导所使用的几种合金的组成限值(数值以重量百分比表示)。
表1a-合金的示例组成
表1b-合金的示例组成
合金 Mn 晶粒结构控制 Ti Zn
一般的 0-1.0 0.05-0.50 0-0.15 0-1.0
优选(1) 0.10-0.80 0.05-0.20Zr 0-0.10 0-1.0
优选(2) 0.20-0.60 0.07-0.14Zr 0.01-0.06 0-1.0
优选(3) 0.20-0.40 0.08-0.13Zr 0.01-0.03 0-1.0
表1c-合金的示例组成
新的合金中包含铜(Cu)，并且Cu通常在3.0wt.％至3.8wt.％的范围内。在一个实施例中，所述新的合金包含至少3.1wt.％的Cu。在其他实施例中，所述新的合金可以包含至少3.2wt.％的Cu，或至少3.3wt.％的Cu，或至少3.35wt.％的Cu，或至少3.4wt.％的Cu。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于3.75wt.％的Cu。在其他实施例中，所述新的合金可以包含不大于3.7wt.％的Cu，或不大于3.65wt.％的Cu，或不大于3.6wt.％的Cu。
新的合金中包含镁(Mg)，并且Mg通常在0.05wt.％至0.35wt.％的范围内。在一个实施例中，所述新的合金包含至少0.10wt.％的Mg。在其他实施例中，所述新的合金可以包含至少0.15wt.％的Mg。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0.35wt.％的Mg。在其他实施例中，所述新的合金可以包含不大于0.30wt.％的Mg，或不大于0.25wt.％的Mg。
新的合金中包含锂(Li)，并且Li通常在0.975wt.％至1.385wt.％的范围内。在一个实施例中，所述新的合金包含至少1.005wt.％的Li。在其他实施例中，所述新的合金可以包含至少1.035wt.％的Li，或至少1.050wt.％的Li，或至少1.065wt.％的Li，或至少1.080wt.％的Li，或至少1.100wt.％的Li，或至少1.125wt.％的Li，或至少1.150wt.％的Li。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于1.355wt.％的Li。在其他实施例中，所述新的合金包含不大于1.325wt.％的Li，或不大于1.310wt.％的Li，或不大于1.290wt.％的Li，或不大于1.270wt.％的Li，或不大于1.250wt.％的Li。
Cu、Mg和Li的组合量可能与实现改进的性能有关。在一个实施例中，根据上述要求，所述铝合金包含满足下列表达式的Cu、Mg和Li，所述表达式为：
(1)-0.3*Mg-0.15Cu+1.65≤Li≤-0.3*Mg-0.l5Cu+1.85
也就是说：
(2)Limin＝1.65-0.3(Mg)-0.15(Cu)；以及
(3)Limax＝1.85-0.3(Mg)-0.15(Cu)
含有落在这些表达式范围内的Cu、Mg和Li的量的铝合金产品可以实现改进的性能组合(例如，改进的强度-韧性关系)。
新的合金中任选地可以包含锌(Zn)，并且以至多1.0wt.％的量包含Zn。在一个实施例中，所述新的合金包含至少0.20wt.％的Zn。在一个实施例中，所述新的合金包含至少0.30wt.％的Zn。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0.50wt.％的Zn。在另一个实施例中，所述新的合金包含不大于0.40wt.％的Zn。
新的合金中任选地可以包含锰(Mn)，并且以至多1.0wt.％的量包含Mn。在一个实施例中，所述新的合金包含至少0.05wt.％的Mn。在其他实施例中，所述新的合金包含至少0.10wt.％的Mn，或至少0.15wt.％的Mn，或至少0.2wt.％的Mn。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0.8wt.％的Mn。在其他实施例中，所述新的合金包含不大于0.7wt.％的Mn，或不大于0.6wt.％的Mn，或不大于0.5wt.％的Mn，或不大于0.4wt.％的Mn。在合金行业中，锰既可以被认为是合金组分，也可以被认为是晶粒结构控制元素--保留在固溶体中的锰可以改善合金的机械性能(例如，强度)，而以颗粒形式存在的锰(例如，Al6Mn，Al12Mn3Si2--有时称为弥散体)可以有助于晶粒结构控制。然而，由于在本专利申请中Mn被单独地用其自身的成分限值限定，它不在出于本专利申请目的的“晶粒结构控制元素”(在下文描述)的定义内。
该合金可以包含0.05至0.50wt.％选自由锆(Zr)、钪(Sc)、铬(Cr)、钒(V)和/或铪(Hf)，和/或其它稀土元素所组成的组中的至少一种晶粒结构控制元素，从而所采用的晶粒结构控制元素被维持在最大溶解度以下。如本文所使用的，“晶粒结构控制元素”意指作为有意的合金添加剂的元素或化合物，目的在于形成第二相颗粒，通常呈固态，以控制固态晶粒结构在热处理期间的变化，如回复和重结晶。出于本专利申请的目的，晶粒结构控制元素包括Zr、Sc、Cr、V、Hf和其它稀土元素，仅举几个例子，但是不包括Mn。
在合金中所采用的晶粒结构控制材料的量通常取决于用作晶粒结构控制的材料的类型和/或合金生产工艺。在一个实施例中，所述晶粒结构控制元素是Zr，并且所述合金包含0.05wt.％到0.20wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述合金包含0.05wt.％到0.15wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述合金包含0.07wt.％到0.14wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述合金包含0.08-0.13wt.％的Zr。在一个实施例中，所述铝合金包含至少0.07wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含至少0.08wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含不大于0.18wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含不大于0.15wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含不大于0.14wt.％的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含不大于0.13wt.％的Zr。
该合金可以累积性地包含至多0.15wt.％的Ti用于晶粒细化和/或其他目的。晶粒细化剂是用于在合金凝固过程中形成新的晶粒的孕育剂或者晶核。晶粒细化剂的一个例子是包含96％的铝、3％的钛(Ti)和1％的硼(B)的9.525mm的棒，其中，实质上所有的硼以精细分散的TiB2颗粒存在。在铸造期间，所述晶粒细化棒被在线给料到以可控的速率流入铸坑的熔融合金中。在合金中包含的晶粒细化剂的量通常取决于用于晶粒细化的材料的类型和合金生产工艺。虽然可以使用诸如Al-Ti母合金的其他晶粒细化剂，但是晶粒细化剂的例子包括结合B的Ti(例如，TiB2)或结合碳的Ti(TiC)。通常来说，将晶粒细化剂以0.0003wt.％到0.005wt.％范围的量添加到合金中，这取决于所想要铸造的晶粒尺寸。另外，取决于产品的形式，可以单独地将Ti以至多0.15wt.％的量加入到合金中，以提高晶粒细化剂的效果，并且通常Ti是在0.01到0.03wt.％的范围内。当合金中包含Ti时，它通常以0.01至0.10wt.％的量存在。在一个实施例中，所述铝合金包含晶粒细化剂，并且所述晶粒细化剂是TiB2和TiC中的至少一种，其中合金中的Ti的重量百分含量(wt.％)是0.01至0.06wt.％，或0.01至0.03wt.％。
该铝合金可以包含一般作为杂质的铁(Fe)和硅(Si)。该新的合金的铁含量通常不应当超过0.15wt.％。在一个实施例中，所述合金的铁含量不大于0.12wt.％。在其他实施例中，所述铝合金包含不大于0.10wt.％的Fe，或不大于0.08wt.％的Fe，或不大于0.05wt.％的Fe，或不大于0.04wt.％的Fe。类似地，该新的合金的硅含量通常不应当超过0.12wt.％。在一个实施例中，所述合金的硅含量不大于0.10wt.％的Si，或不大于0.08wt.％的Si，或不大于0.06wt.％的Si，或不大于0.04wt.％的Si，或不大于0.03wt.％的Si。
在本专利申请的一些实施例中，银(Ag)被认为是杂质，并且在一些实施例中，银被包含在“其他元素”的定义内，如下所述，即，银处于0.10wt.％或更少的杂质水平，这取决于合金中采用了哪种“其他元素”限值。在其他实施例中，在合金中有目的地包含银(例如，为了强度)，并且银以0.11wt.％到0.50wt.％的量包含在合金中。
该新的2xxx铝锂合金通常含有少量的“其他元素”(例如，铸造助剂和除铁和硅之外的杂质)。如本文所采用的，“其他元素”意指除了铝和上述的铜、镁、锂、锌、锰、晶粒结构控制元素(即，Zr、Sc、Cr、V、Hf和其它稀土元素)、上述的铁和/或硅(如果适用)之外元素周期表中的任何其他元素。在一个实施例中，所述新的2xxx铝锂合金含有每种均不多于0.10wt.％的任何其他元素，并且这些其他元素的总组合量不超过0.35wt.％。在另一个实施例中，这些其他元素的每一种在该2xxx铝锂合金中各自均不超过0.05wt.％，并且这些其他元素的总组合量在该2xxx铝锂合金中不超过0.15wt.％。在另一个实施例中，这些其他元素的每一种在该2xxx铝锂合金中各自均不超过0.03wt.％，并且这些其他元素的总组合量在该2xxx铝锂合金中不超过0.10wt.％。
该新的合金可以用于所有的形变产品形式，包括薄板、锻件和挤压件。
该新的合金可以通过或多或少常规的方法(包括将铝合金直冷(DC)铸造成铸锭形式)被制备成形变形式并且处于适宜的状态。在常规的修整、车削或剥离(如果需要的话)和均匀化(所述均匀化可以在修整前或修整后完成)之后，通过热加工产品将这些铸锭进一步加工。然后再将产品任选地冷加工，任选地退火，固溶热处理，淬火，以及最终冷加工。在最终冷加工步骤后，还可以对产品进行人工时效。因此，可以将产品生产成T3或T8状态。
除非另外说明，以下定义适用于本申请：
“形变铝合金产品”意指在铸造后热加工的铝合金产品，并且包括轧制产品(片材或薄板)、锻造产品和挤压产品。
“锻造铝合金产品”意指模具锻造或手工锻造的形变铝合金产品。
“固溶热处理”意指为了将溶质置于固溶体中而将铝合金暴露于升高的温度。
“热加工”意指在升高的温度(通常是至少250°F)下加工铝合金产品。
“冷加工”意指在不被认为是热加工温度的温度(通常是低于250°F)下加工铝合金产品。
“人工时效”意指为了使溶质析出而将铝合金暴露于升高的温度。人工时效可以在一个或多个阶段中进行，所述阶段可以包括不同的温度和/或暴露时间。
这项新技术的这些和其他方面、优点和新特征部分在下面的说明书中进行阐述，并且对本领域技术人员而言在审阅下面的说明书和附图后将变得显而易见，或者可以通过实施本发明公开提供的此项技术的一个或更多的实施例而获知。
附图说明
图1-3是说明实例1合金A的性能的图示。
具体实施方式
将示例合金(合金A)铸造成铸锭并均匀化。下表1示出了合金A的组成。
表1-合金A的组成
合金 Si Fe Cu Mg Mn Zn Ti Zr Ag Li
A 0.018 0.027 3.50 0.21 0.30 0.35 0.019 0.130 - 1.18
然后将合金A热轧至2.5英寸的厚度，之后进行固溶热处理和淬火，然后拉伸，再人工时效至T8状态。然后将该薄板的一部分(17英寸乘以14.5英寸)加热到大约900°F，再使用下面的工艺加工到0.125英寸的最终厚度：
●先将材料热轧，前两个热轧道次位于横向以将板材宽展至19英寸宽，并将材料热轧10个轧制道次以形成大约0.25英寸的厚度。热轧后，将材料在800°F下退火4小时，再以50°F/小时冷却至室温。退火后将材料冷轧到0.125英寸的最终厚度。
轧制后，对材料进行固溶热处理并淬火，再拉伸大约3％(L方向)。随后将材料在290°F下人工时效2次(大约24小时和大约48小时)。然后再测试机械性能，下表2示出了该测试的结果(重复试件的平均值)。根据ASTM E8和B557进行强度测试。根据ASTM E561和ASTMB646使用中间裂纹拉伸M(T)试件测试断裂韧性。试件处于T-L和L-T方向，并且具有标称值2a/W＝0.25。使用16英寸宽的试件进行L-T试验，并使用6.3英寸宽的试件进行T-L试验。试验在整个厚度和室温(18到28℃)实验室空气下进行。要求防屈曲导向装置。
表2-合金A的机械性能
测试了疲劳裂纹扩展(FCG)。根据ASTM E 647使用W＝102mm宽、T-L方向、起始缺口长度为2an＝5.08mm的中间裂纹拉伸M(T)试件进行疲劳裂纹扩展试验。使用涵盖从大约10到45MPa·√m范围的恒定载荷幅度K进行试验，应力比R＝0.1，并且测试频率在2到25Hz之间。在室温(18到28℃)实验室空气中进行试验，相对湿度大于20％且最大相对湿度为55％。
将合金A的试验数据与目前的机身蒙皮合金Alclad 2524-T3相比较，下图1-3示出了该结果。对于FCG测试，所示出的试验数据来自与C77W试件几何形状相同的M(T)试件。根据ASTM E 647使用常数K梯度进行试验。采用W＝16英寸且2a/W＝0.25的M(T)试件获得Alclad 2524的R曲线数据。
尽管已经详细描述了本公开内容的多个实施例，但是显而易见的是，本领域技术人员将会想到这些实施例的更改和修正。然而，应该明确理解的是这些更改和修正落在本公开内容的精神和范围内。

Claims (46)

1.一种具有从0.040英寸到0.500英寸厚度的形变铝合金产品，所述铝合金由以下成分组成：
3.00到3.80wt.％的Cu；
0.05到0.35wt.％的Mg；
0.975到1.385wt.％的Li；
其中，-0.3*Mg-0.15Cu+1.65≤Li≤-0.3*Mg-0.15Cu+1.85；
0.05到0.50wt.％的至少一种晶粒结构控制元素，其中，所述至少一种晶粒结构控制元素选自由Zr、Sc、Cr、V、Hf、其它稀土元素及其组合所组成的组；
至多1.0wt.％的Zn；
至多1.0wt.％的Mn；
至多0.12wt.％的Si；
至多0.15wt.％的Fe；
至多0.15wt.％的Ti；
至多0.10wt.％的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过0.35wt.％；以及
余量为铝。
2.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至少是Zr，并且其中，所述合金包含0.05到0.20wt.％的Zr。
3.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至少是Zr，并且其中，所述合金包含0.05到0.15wt.％的Zr。
4.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至少是Zr，并且其中，所述合金包含0.07到0.14wt.％的Zr。
5.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至少是Zr，并且其中，所述合金包含0.08到0.13wt.％的Zr。
6.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少3.10wt.％的Cu。
7.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少3.20wt.％的Cu。
8.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少3.30wt.％的Cu。
9.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少3.40wt.％的Cu。
10.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于3.75wt.％的Cu。
11.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于3.70wt.％的Cu。
12.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于3.65wt.％的Cu。
13.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于3.60wt.％的Cu。
14.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.10wt.％的Mg。
15.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.15wt.％的Mg。
16.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.30wt.％的Mg。
17.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.25wt.％的Mg。
18.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少1.005wt.％的Li。
19.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少1.035wt.％的Li。
20.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少1.080wt.％的Li。
21.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少1.150wt.％的Li。
22.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于1.355wt.％的Li。
23.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于1.325wt.％的Li。
24.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于1.310wt.％的Li。
25.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于1.250wt.％的Li。
26.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.20wt.％的Zn。
27.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.30wt.％的Zn。
28.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.50wt.％的Zn。
29.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.40wt.％的Zn。
30.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.05wt.％的Mn。
31.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.10wt.％的Mn。
32.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.15wt.％的Mn。
33.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含至少0.20wt.％的Mn。
34.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.80wt.％的Mn。
35.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.70wt.％的Mn。
36.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.60wt.％的Mn。
37.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.50wt.％的Mn。
38.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包含不大于0.40wt.％的Mn。
39.根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金具有至少0.050英寸的厚度。
40.根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金具有至少0.060英寸的厚度。
41.根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金具有不大于0.400英寸的厚度。
42.根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金具有不大于0.300英寸的厚度。
43.根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金具有不大于0.250英寸的厚度。
44.根据权利要求1-43中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金是薄板或片材产品。
45.根据权利要求1-43中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金是挤压产品。
46.根据权利要求1-43中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金是锻造产品。
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