CN105543595A - 高强度、高成形性、低成本铝-锂合金 - Google Patents

高强度、高成形性、低成本铝-锂合金 Download PDF

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Abstract

揭示了一种高强度、高成形性和低成本2xxx铝-锂合金。该铝-锂合金能成形为厚度约为0.01”-0.249”的锻造产品。本发明的铝-锂合金一般包含约3.5-4.5重量％Cu，0.8-1.6重量％Li，0.6-1.5重量％Mg，0.03-0.6重量％的至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，最高达1.0重量％Zn，最高达1.0重量％Mn，最高达0.12重量％Si，最高达0.15重量％Fe，最高达0.15重量％Ti，最高达0.05重量％的任何其它元素，这些其它元素的总量不超过0.15重量％，其余为铝。Ag不应超过0.5重量％，优选不特意添加Ag。在本发明的合金中，以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn。还提供制备包含本发明的铝-锂合金的锻造产品的方法。

Description

高强度、高成形性、低成本铝-锂合金
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及铝-铜-锂-镁基合金产品。
2.相关技术的描述
为了积极降低飞行器重量以获得更好的燃料效率，机身制造者和铝材料制造者正执意寻求低密度铝-锂合金。
当考虑飞行器应用中使用的薄片产品时，飞行器设计者通常使用“中等强度–高损伤容限”合金如AA2024合金及其最近衍生物如2524(参见例如美国专利第5,213,639号)，或“高强度–中等损伤容限”合金如AA7075合金。
对于这两种合金(即AA2024型合金或AA7075型合金)，需要满足其它要求以用于飞行器工业。例如，为了生产飞行器需要的复合部件，需要更佳的成形性，以及较低的飞行器维护和运行成本所需的与现有合金相比更好的耐腐蚀性。
如果关于替代AA2024型合金的低密度、Al-Li基合金(即中等强度-高损伤容限)已经进行了大量的工作，为飞行器设计者提供更佳的代替目前使用的高强度7075片的替代品所开发的Al-Li基产品有限。
Al-Li片的强度对航空应用非常关键。为了更佳的燃料效率，强度较高允许较低的总重量部件设计。作为参考，根据铝协会(TheAluminumAssociation)出版的“铝标准和数据2013(AluminumStandardsandData2013)”，对于约0.05”厚度的片的形式，通常使用的7075-T6铝合金的屈服强度为68ksi。大部分现有的Al-Li片合金与7xxx片相比具有极低的强度。
还众所周知的是，生产铝-锂(Al-Li)产品，特别是极薄的片产品在冶金学和技术上都极富挑战性，其中同时对材料强度、成形性、破裂韧性、耐疲劳性和耐腐蚀性有要求。
冶金学上，对于片材，特别是薄片Al-Li产品，强烈影响最终产品性质的所需微结构和织构更难以控制。微结构和织构受合金的化学组成和大多数制备步骤(例如均化、热轧和冷轧、退火、固溶热处理和伸延)的影响很大。与常规合金相比，Al-Li片，特别是薄片明显更难制备：薄Al-Li片对轧制裂纹、表面氧化和变形更敏感。由于这些限制，只有较小的加工窗口可用于优化所需的微结构和织构。因此，设计实现所需的性质(强度、成形性、成本，以及良好的损伤容限和耐腐蚀性)组合的铝-锂片合金具有很大的挑战性。这些制造上的技术难题很大程度上限制了高强度薄片Al-Li产品的生产。
因此，基于最近(2011)铝协会(AluminumAssociation)出版的“登记记录序列-铝和铝合金生产的回火(RegistrationRecordSeries–TempersforAluminumandAluminumAlloysProduction)”，仅有一种Al-Li合金即AA2090,登记为厚度小于0.063”的片材产品，仅有另一种合金即AA2198，登记为厚度小于0.125”的片材产品，以及仅有两种其它合金即AA2195和AA2199，登记为厚度小于0.5”的片材/板材产品。
生产高强度片材产品的这些冶金和技术难题也反映在专利和专利申请中。事实上，大量专利或专利申请大多涉及板材产品(>0.5”)，但是仅仅少数涉及片材产品。
Al-Li合金产品的成本是另一个关注的问题。银(Ag)元素被加入到许多新一代Al-Li合金中，以改善最终产品性质，这明显增加了合成的成本。在上述四种登记的Al-Li合金片材产品中，两种(AA2198和AA2195)是含Ag的合金。
美国专利7,744,704揭示了一种用于飞行器机身片或轻型板应用的铝-锂合金。该专利是登记的AA2198Al-Li片合金的基础。该合金包含0.1-0.8重量％Ag，所以不能认为它是低成本合金。而且，与7075T6片材相比，该合金具有较低的强度。
美国专利7,438,772揭示了一种辅助添加了锂的铝-铜-镁合金。该专利是登记的AA2060Al-Li合金的基础。据称锂的含量仅为0.01-0.8重量％；因为添加的锂有限，所以不能认为是真正的“低密度”合金。
美国专利8,118,950揭示了改善的铝-铜-锂合金。该专利是登记的AA2055Al-Li合金的基础。该合金包含0.3-0.7重量％Ag，所以不能认为是低成本合金。如该专利中所述的，该合金用于高强度挤出。
美国专利7,229,509揭示了具有宽泛化学组成范围的合金，其包含0.2-0.8重量％Ag，所以不能认为是低成本合金。该专利是登记的AA2050Al-Li板材合金的基础。如论文“开发用于中等到厚板的铝-铜-锂合金2050(Aluminum-Copper-LithiumAlloy2050DevelopedforMediumtoThickPlate[Lequeu2010])”中所述，AA2050设计用于12.7mm(0.5”)-127mm(5’)的Al-Li板材产品。类似于专利US7229509，专利申请“US20110209801A2”包含0.15-0.35重量％Ag。另外，该申请特别涉及适用于厚度范围为30mm(1.2”)-100mm(3.9”)的板的合金。
其它包含Ag且也用于厚板的专利申请是“US2009/0142222A1”和“US2013/0302206”。
专利US5032359公开了一种合金，该合金包含0.05-1.2重量％Ag，所以不能认为它是低成本合金。该合金的主要优点是具有高强度、延性、极佳的可焊性和天然老化响应。
专利申请“US2014/0050936A1”揭示了包含3.00-3.80重量％Cu、0.05-0.35重量％Mg和0.975-1.385重量％Li的Al-Li合金产品。这是基本的“高损伤容限–中等强度”应用合金的Al-Li形式，强度不匹配AA7075性能。
通常，目前相关的现有技术描述(1)迫切需要能生产薄片产品的高强度、低密度、高成形性、低成本以及良好损伤容限和腐蚀性质的Al-Li合金；(2)生产这种产品在冶金学和技术方面有很大难度；(3)为了更佳的冶金性质，常常要添加非常昂贵的Ag，但是这种添加明显增加了Al-Li产品的成本。
发明概述
本发明提供一种适用于制备运输部件，例如航空结构部件的高强度、高成形性和低成本铝-锂合金。本发明的铝-锂合金包含约3.5-4.5重量％Cu，0.8-1.6重量％Li，0.6-1.5重量％Mg，一种或多种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，最高达1.0重量％Zn，最高达1.0重量％Mn，最高达0.12重量％Si，最高达0.15重量％Fe，最高达0.15重量％Ti，最高达0.15重量％偶然存在的元素，这些偶然存在的元素的总量不超过0.35重量％，其余为铝。在铝-锂合金中，以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn。Ag的量优选小于0.5重量％。
优选地，本发明的铝-锂合金是厚度为0.01-0.249英寸，更优选0.01-0.125英寸的片状挤出或锻造产品。已经惊奇地发现，本发明的不含Ag，或者仅含极低量的Ag和高Mg含量的铝-锂合金能产生0.01-0.249英寸厚度的片材产品，该产品具有高强度、低密度、低成本、极佳的成形性和良好的损伤容限性质和耐腐蚀性。
本发明的另一个方面是制备本发明的铝-锂合金的方法。
附图简要说明
参考附图，从以下优选实施方式的详细说明，本发明的特征和优点将会变得清楚，其中：
图1显示本发明的铝-锂合金和登记合金的屈服强度-片材规格；
图2显示合金AT3回火片，本发明的铝-锂合金弯曲后的表面裂纹情况；
图3显示合金AT3回火片，本发明的铝-锂合金的成形极限曲线(FormingLimitCurve，FLC)；
图4显示T8回火合金A(本发明的铝-锂合金)，T8回火2198合金和T6回火7075合金片材的有效耐裂纹KReff与有效裂纹延伸(Daeff)的关系；
图5显示合金A(本发明的铝-锂合金)，T8回火2198片材的da/dN与在T-L和L-T取向上的应力强度因子的关系；
图6显示合金A(本发明的铝-锂合金)和2198合金(在T/2位置)经672小时MASTMASSIS测试后典型的表面外观；
图7显示合金A(本发明的铝-锂合金)和2198合金(在T/2位置)经672小时MASTMASSIS测试后的微结构图。
发明详述
本发明涉及铝-锂合金，具体涉及铝-铜-锂-镁合金。本发明的铝-锂合金包含约3.5-4.5重量％Cu，约0.8-1.6重量％Li，约0.6-1.5重量％Mg，约0.03-0.6重量％至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，任选的最高达约1.0重量％Zn，任选的最高达约1.0重量％Mn，最高达约0.12重量％Si，最高达约0.15重量％Fe，最高达约0.15重量％Ti，最高达约0.15重量％偶然存在的元素，这些偶然存在的元素的总量不超过0.35重量％，其余为铝。本发明的铝-锂合金不能含有超过约0.5重量％的Ag。或者，优选在铝-锂合金中不特意添加Ag。因此，在其它实施方式中，铝-锂合金可包含小于约0.2重量％Ag，小于约0.1重量％Ag，小于约0.05重量％Ag，或小于约0.01重量％Ag。在优选的实施方式中，铝-锂合金中以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn。
在另一实施方式中，铝-锂合金包含约3.6-4.2重量％Cu，约0.9-1.5重量％Li，约0.8-1.2重量％Li，约至少0.05重量％的至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，最多约0.05重量％Si，最多约0.08重量％Fe。这些实施方式的铝-锂合金中以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn。另外，铝-锂合金可包含小于约0.2重量％Ag，小于约0.1重量％Ag，小于约0.05重量％Ag，或小于约0.01重量％Ag。在优选的实施方式中，在铝-锂合金中不特意添加Ag。
本发明的铝-锂合金可用于生产厚度为0.01-0.249英寸，更优选0.01-0.125英寸的锻造产品。除了低密度和低成本外，本发明的铝-锂合金是具有高强度、极佳成形性、良好损伤容限和腐蚀性质的锻造产品。
这些产品适用于许多结构应用，特别是航空结构部件如框架、纵梁和机身。本发明的铝-锂合金可用于许多制造片材金属部件的制造方法。常规方法是轧制成形、拉伸成形、落锤成形(hammerdropforming)、冲压、拉拔成形和液压成形。可由这些成形方法制备的部件的例子包括但不限于机身框架，机身纵梁，机身外壳轮廓，固定截面外壳，电线束夹，用于控制系统的电缆的支架，用于内部部件与主要结构如机身框架的附着点，用于连接机身框架到机身外壳的剪切线，用于连接翼肋到翼壳的剪切线，翼肋，连接翼肋到翼梁的夹子，尾翼壳，尾翼肋，机舱壳，发动机前缘进皮，压力舱壁壳，标塔壳，用于连接航空电子设备与结构部件的支架系统，用于连接乘客供氧系统的支架系统，航空电子设备外壳，用于航空电子设备部件的支架，等等。
如图1所示，与其它已知的铝-锂合金相比，本发明的铝-锂合金具有独特的高强度和低成本，还能产生极薄的片材产品。
本发明的铝-锂合金的主要合金元素(铜，锂，镁)的组成范围如表1所列：
本发明铝-锂合金中铜的添加量为3.5-4.5重量％，主要用于提高强度，以及改善强度、成形性和破裂韧性的综合性能。如果Cu过量，特别是在本发明的铝-锂合金设定的范围中，会导致不利的金属间颗粒，对延性、成形性和破裂韧性之类的材料性质造成负面影响。还应考虑Cu与其它元素如Li和Mg的相互作用。在一个优选的实施方式中，Cu为3.6-4.2重量％。应理解，在3.5-4.5重量％Cu的范围内，Cu量的上限或下限可选自3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4和4.5重量％Cu。
本发明铝-锂合金中锂的添加量为0.8-1.6重量％。加入Li元素的主要益处是减小密度并提高弹性模量。为了改善强度、损伤容限和耐腐蚀性能，与其它元素如Cu,Li组合也是重要的。但是，Li含量太高会不利地影响断裂韧性、拉伸性质各向异性和成形性。在一个优选的实施方式中，Li为0.9-1.5重量％。应理解，在0.8-1.6重量％Li的范围内，Li量的上限或下限可选自0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5和1.6重量％Li。
本发明铝-锂合金中Mg的添加量为0.6-1.5重量％。添加Mg的主要目的是提高强度，其次要目的是略微降低密度。但是，如果Mg的量太高会降低基质中Li的溶解度，因此明显不利地影响较高强度的老化动力学。在一个优选的实施方式中，Mg为0.8-1.2重量％。应理解，在0.6-1.5重量％Mg的范围内，Mg量的上限或下限可选自0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4和1.5重量％Mg。
在本发明的铝-锂合金中添加低含量的Zn的目的是提高耐腐蚀性。在一个实施方式中，Zn的添加是任选的，最高可达1.0重量％。应理解，Zn量的上限可选自0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0重量％Zn。在另一个实施方式中，Mg/Zn的比值应高于1.0。
在一个实施方式中，在本发明的铝-锂合金中不特意添加Ag。Ag可以作为不特意添加的元素存在于合金中。在此情况中，Ag不应超过0.5重量％。在其它实施方式中，铝-锂合金可包含小于0.2重量％Ag，小于0.1重量％Ag，或小于0.05重量％Ag。据信Ag会改善最终产品性质，因此在许多铝-锂合金中以及许多专利和专利申请中包含Ag。但是，Ag明显增加了合金成本。在一个优选的本发明铝-锂合金的实施方式中，为了降低成本，不特意包含Ag。令人惊奇地发现，为了低成本，本发明的铝-锂合金中没有加入Ag，也能用于产生适用于结构应用、特别是航空结构应用的高强度、高成形性、极佳耐腐蚀性和良好损伤容限性能的片材产品。
在一个实施方式中，可任选地包含最多1.0重量％的Mn。在一个实施方式中,Mn的含量至少为0.1重量％。应理解，Mn量的上限或下限可选自0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0重量％Mn。Mn有助于改善晶粒结构，从而获得更好的机械各向异性和成形性。
可以添加最高达0.15重量％的Ti。添加Ti的目的主要是为了细晶化。应理解，Ti量的上限可选自0.01,0.02,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.10,0.11,0.12,0.13,0.14和0.15重量％Ti。
除了铝，铜，锂，镁，任选的锌，任选的锰，和钛之外，本发明的铝-锂合金可包含至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，总量最高达1.0重量％。在一个实施方式中，这种晶粒结构控制元素至少为0.05重量％。应理解，晶粒结构控制元素的总量的上限或下限可选自0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0重量％。
在本发明的铝-锂合金中可能存在作为杂质的Si和Fe，但是不特意添加Si和Fe。当存在Si和Fe时，它们的含量必须为Si最高达约0.12重量％，Fe最高达0.15重量％。Si，优选≤0.05重量％Si。在一个实施方式中，本发明的铝-锂合金包含最大含量约0.05重量％的Si和0.08重量％的Fe。
本发明的铝-锂合金还可包含低含量的并非特意添加的“偶然存在的元素”。“偶然存在的元素”指除了上述Al,Cu,Li,Mg,Zn,Mn,Ag,Fe,Si,Ti,Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素之外的任何其它元素。
本发明的高强度低成本Al-Li合金可用于生产锻造产品。在一个实施方式中，本发明的铝-锂合金能生产轧制产品，优选厚度为0.01-0.249英寸，更优选0.01-0.125英寸的片材或卷材产品。
可使用已知方法制备轧制产品，例如浇注，均化，热轧，任选的冷轧，固溶热处理和骤冷，任选的拉伸和流平，以及老化处理。可通过传统的直接冷却(DC)铸造方法铸造锭。可在454-549℃(850-1020°F),优选482-543℃(900-1010°F)和更优选496-538℃(925-1000°F)的温度下均化锭。热轧温度可为343-499℃(650-930°F)，优选357-482℃(675-900°F)，更优选为371-466℃(700-870°F)。特别对于最薄的规格，可能需要任选的冷轧。冷作缩减可以为20％-95％，优选40％-90％。可在454-543℃(850-1010°F)，优选482-538℃(900-1000°F)，更优选493-532℃(920-990°F)的温度范围对产品进行固溶热处理。用冷水将锻造产品骤冷到室温，可任选地进行拉伸或冷作到最高为15％，优选2-8％。骤冷的产品可进行本领域技术人员已知的任何老化措施，包括但限于一步老化方法，产生最终所需的回火如T8回火，从而获得航空元件非常需要的更佳的强度、断裂韧性和耐腐蚀性的综合性能。老化温度可以为121-205℃(250-400°F)，优选为135-193℃(275-380°F)，更优选为149-182℃(300-360°F)，老化时间为2-60小时，优选为10-48小时。
许多航空部件如框架需要成形为所设计的用于最终应用的几何形状。因此，成形性也是与静态和动态材料性质一样需重点考虑的性质。通常通过简单的弯曲测试方法和/或更精细的成形极限图(FLD)方法来评价成形性。对于本发明的铝-锂合金，主要考虑T3回火片的成形性。对于高强度7xxx和2xxx合金片，O回火常常从铝产品制造者(铝轧机)提供给机身制造者。以不同的方式处理O回火片，例如成形、固溶化，冷水骤冷和老化。提供的T3回火片具有明显的成本优势，因为它消除了在机身的固溶化和冷水骤冷处理步骤。
最大厚度约为0.249”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi。或者，最大厚度约为0.249”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为74ksi。而且，最大厚度约为0.249”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向弯曲半径为1.88*t。另外，最大厚度约为0.249”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi或74ksi，最低纵向弯曲半径为1.88*t。
最大厚度约为0.125”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi。或者，最大厚度约为0.125”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为74ksi。而且，最大厚度约为0.125”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向弯曲半径为1.88*t。另外，最大厚度约为0.125”的包含本发明铝-锂合金的轧制产品在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi或74ksi，最低纵向弯曲半径为1.88*t。
以下实施例用来举例说明本发明的各种方面，但是不会对本发明的范围构成限制。
实施例1：基于铰接式铸型锭的产品的研究
铸造11个尺寸约1.25”x6”x12”的铰接式铸型锭，加工成0.05"的片材制品。表2给出了这11个铰接式铸型锭的化学组成。在这11个化学锭中，#5的Cu含量极低，因此不在本发明化学组成的范围内。#6-#11锭含有约0.3重量％Ag，因此不在本发明的化学组成范围内。
表2
对铰接式铸型锭进行表面修整、均化、热轧、冷轧、固溶热处理、骤冷、拉伸和老化，得到最终的T8回火0.05”厚度的片材。
在496-538℃(925-1000°F)的温度下对锭进行均化。热轧温度为399-466℃(750-870°F)。对锭进行多次热轧，形成厚度为0.06-0.20”的片材。尽管冷轧是任选的，所有实施例的铰接式铸型片都进一步冷轧到0.05”的厚度。在493-532℃(920-990°F)的温度范围固溶热处理所述经过冷轧的片材。所述片材用冷水骤冷到室温。尽管拉伸或冷作是任选的，所有实施例的片材都拉伸约2-6％。经过拉伸的片材在166℃(330°F)的温度老化24小时，成为T8回火。评价T3回火片的成形性，评价T8回火片的拉伸性质。
表3给出T8(老化)回火的片材拉伸性质。根据ASTMB557说明测量沿轧制方向(L)的0.2％补偿屈服强度(TYS)和极限拉伸强度(UTS)。不在本发明化学组成范围内的#5锭由于Cu含量极低，其强度明显较低。如同所预期的，非本发明含银合金样品#6-#11具有高强度。但是，令人吃惊地发现本发明的不含Ag的合金#1-#4也具有非常接近含Ag合金的高强度。
表3包括在工业AMS规范中，对于7075T62片材和2024T3片材所需的最低量。本发明合金在7075T62的水平上，明显高于2024T3最小值。
表3还包括比屈服强度，即强度/密度：本发明合金明显高于7075T62现有合金。
表3
还基于ASTM290-09评价T3回火片的弯曲性能。将片样品的一端与弯曲支撑模一起保持在老虎钳中。对片的另一端施加力，相对于支撑模的半径弯曲到180°。在弯曲后，检查样品表面，确定是否存在裂纹。通常用弯曲比R/t，即支撑模半径(R)与片厚度(t)的比值来评价弯曲性能。弯曲比越低，表明弯曲性能更好。
表4给出了各合金片的弯曲性能。表中“裂纹”表示在弯曲测试后有明显的裂纹。可以看出，出现裂纹前的最低弯曲比为1.6*t-1.88*t，表明极佳的性能：例如，在广泛使用的2024T3片上，在工业规范AMS4037中的最低弯曲比为2.5*t。含Ag合金与本发明的低成本不含Ag合金之间没有明显区别。
表4
同时考虑强度和成形性，本发明合金#1-#4具有极高的强度，高成形性和低成本。非本发明的合金#5由于低Cu含量，具有极低的强度。其它非本发明的合金#6-#11也具有高强度和高成形性，但是由于添加了Ag而成本高。
实施例2：工厂设备试验
通过DC(直接冷却)铸造方法铸造两个工业规格的406mm(16”)厚度本发明合金锭和一个2198合金锭，并加工为0.05”厚度的片材。2198合金用作基线合金。表5给出了本发明合金和2198合金的工业规格锭的化学组成。
表5
在496-538℃(925-1000°F)的温度下对锭进行均化。热轧温度为371-466℃(700-870°F)。对锭进行多次热轧，形成厚度为0.06-0.20”的片材。尽管冷轧是任选的，所有片材都进一步冷轧到0.05”的厚度。在493-532℃(920-990°F)的温度范围固溶热处理经过冷轧的片材。所述片材用冷水骤冷到室温。尽管拉伸或冷作是任选的，所有实施例的片材都拉伸2-7％。经过拉伸的片材不经人工老化用于T3回火拉伸和成形性评价。经过拉伸的片进一步老化到T8回火，用于评价强度、断裂和疲劳性能。老化温度为166°F(330°F)，老化时间为24小时。
T3回火片沿轧制方向(L)、长横向(LT)和45度偏离轧制方向(L45)的拉伸性质如表6所示。根据AMS4037，与现有的T3回火2198合金片以及2024-T3最小值相比，本发明的合金片，合金A和合金B具有更高的强度。在不同拉伸取向L,LT和L45的强度差值(即平面内各向异性)也非常低。
表6
表7给出了对于不同合金沿L,LT和L45取向的拉伸性质以及在330°F的老化时间。在所有测试取向和老化时间下，与现有的2198合金片相比，本发明的合金片，合金A和合金B都具有明显更高的强度。
表7
7075-T62铝片是典型的用于“高强度–中等损伤容限”航空应用的产品。与7075-T62相比，本发明的合金具有明显更高的强度，特别是屈服强度(TYS)。
通过标准单轴弯曲和成形极限图(FLD)测试来评价成形性。
如上所述，基于ASTM290-09进行弯曲测试。例如，图2给出了弯曲的合金AT3回火片在不同弯曲比和不同方向纵向(L)和长横向(LT)的表面裂纹情况。对于低弯曲比1.6*t可以观察到小裂纹，但是在1.88*t弯曲比观察到无裂纹。
表8给出了纵向和长横向方向上T3回火片在骤冷后两种不同拉伸水平(2％和6％)和不同弯曲比下的弯曲性能。对于本发明合金，在1.6*t-1.88*t的弯曲比可以发现少量裂纹；对于强度明显更低的AA2198合金，在1.25*t未发现裂纹。合金A和B具有相同的弯曲性能。与本发明合金相比，2198合金具有略微更好的弯曲性能，但是强度明显更低。还应注意2198中的Ag含量，它也是生产成本明显更高的合金。
表8
本发明的合金比广泛使用的2024T3片具有更好的弯曲性能，工业规范AMS4037要求的最低弯曲比为2.5*t。
图3显示本发明合金AT3回火片的成形极限图(FLD)。根据ASTME2218-02(2008年重新核准)规范评价FLD。样品颈缩确认的点产生成形极限曲线(FLC)。
根据ASTME561-10e2和ASTMB646-06a评价断裂韧性。常规使用的16”宽、40”长的样品用于0.05”厚度片中心裂化拉伸断裂韧性测试。图4显示T8回火的本发明合金A和2198的有效耐裂纹性KReff与有效裂纹延伸(Daeff)的关系。图4中还包括来自ASM手册(ASM手册第19卷:疲劳和断裂(FatigueandFracture),R.J.Bucci等，771-812页)的7075-T6数据。T8回火片的本发明合金的断裂韧性优于7075-T6，但是比2198-T8片差。这与本发明合金的“高强度–中等损伤容限”目标一致，当AA2198是中等强度–高损伤容限”合金时。
根据ASTME647-08(9.1)评价疲劳裂纹生长速率(FCGR)。图5显示本发明合金A和2198T8回火片的da/dN与在T-L和L-T取向上的应力强度因子的关系。图5中2198和合金A的测试结果是基于应力比为0.1，频率为10Hz。图5中还包括来自ASM手册(ASM手册第19卷:疲劳和断裂(FatigueandFracture),R.J.Bucci等，771-912页)的7075-T6数据。本发明合金的疲劳裂纹生长耐受性能优于7075-T6片，但是与2198合金相当或者比之略差。
根据MASTMASSIS测试评价耐腐蚀性。MASTMASSIS测试通常被认为是用于Al-Li基合金的良好的代表性加速腐蚀方法。
根据ASTMG85-11附录-2在干底(dry-bottom)条件下进行MASTMASSIS测试。样品尺寸为0.050”厚x4.0”Lx4.0”LT。在测试过程中接触室的温度为49±2℃。在T/2(厚度中心)和T/10(距离表面1/10厚度)位置测试T8回火2198和合金A。测试时间为24,48,96,168,336,504和672小时。
图6显示本发明合金A和2198合金在T/2位置经672小时MASTMASSIS测试后典型的表面外观。本发明合金A具有点蚀等级(pittingrating)，2198具有强点蚀等级。图7显示T8回火本发明合金A和2198合金在T/2位置经672小时MASTMASSIS测试后的微结构。没有观察到剥离特征。
表9总结了本发明合金和T8回火2198合金的MASTMASSIS测试腐蚀等级。
表9
虽然已经描述了本发明的具体实施方式，本领域技术人员应理解根据整个说明书的教导可以开发出对这些细节的各种改变和替换。因此，所描述的特定设置仅仅是说明性的，不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求以及任何和全部等同涵盖的全部范围限定。

Claims (31)

1.一种高强度、高成形性和低成本的铝-锂合金，其包含：
约3.5-4.5重量％Cu，
约0.8-1.6重量％Li，
约0.6-1.5重量％Mg，
小于约0.2重量％Ag，
约0.03-0.6重量％的至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，
任选的最多约1.0重量％的Zn,
任选的最多约1.0重量％的Mn,
最多约0.15重量％的Ti,
最多约0.12重量％的Si,
最多约0.15重量％的Fe,
最多约0.15重量％的偶然存在的元素，这些偶然存在的元素的总量不超过约0.35重量％，余量为铝，以及
其中以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn。
2.如权利要求1所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中的Cu含量约为3.6-4.2重量％。
3.如权利要求1-2中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中的Li含量约为0.9-1.5重量％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中的Mg含量约为0.8-1.2重量％。
5.如权利要求1-4中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，选自Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素的晶粒结构控制元素至少为0.05重量％。
6.如权利要求1-5中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中Si含量最大约为0.05重量％。
7.如权利要求1-6中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中Fe含量最大约为0.08重量％。
8.如权利要求1-7中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中的Ag含量小于0.1重量％。
9.如权利要求1-8中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，合金中的Ag含量小于0.05重量％。
10.如权利要求1-9中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，不特意向铝合金中添加Ag。
11.如权利要求1-10中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，所述铝-锂合金为约0.01-0.249”厚的轧制、挤出或锻造产品形式。
12.如权利要求11所述的铝-锂合金，其特征在于，所述铝-锂合金的最大厚度约为0.125”。
13.如权利要求1-12中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，铝-锂合金为厚度约0.01”-0.249”的片材或卷材形式。
14.如权利要求13所述的铝-锂合金，其特征在于，所述铝-锂合金的最大厚度约为0.125”。
15.一种包含如权利要求1-14中任一项所述的铝-锂合金的轧制产品，该产品的最大厚度约为0.249”，在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi。
16.一种包含如权利要求1-14中任一项所述的铝-锂合金的轧制产品，该产品的最大厚度约为0.249”，在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为74ksi。
17.一种包含如权利要求1-14中任一项所述的铝-锂合金的轧制产品，该产品的最大厚度约为0.125”，在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi。
18.一种包含如权利要求1-14中任一项所述的铝-锂合金的轧制产品，该产品的最大厚度约为0.125”，在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为74ksi。
19.一种包含如权利要求1-18中任一项所述的铝-锂合金的轧制产品，该产品的最大厚度约为0.249”，在固溶热处理、骤冷和拉伸条件下表现出的在纵向上的最低弯曲半径为1,88*t。
20.一种制备高强度、高成形性和低成本铝-锂合金的方法，该方法包括：
a.铸造包含如权利要求1-20中任一项所述的铝-锂合金产品的铝合金锭料，产生铸造料；
b.对铸造料进行均化，产生均化的铸造料；
c.通过一种或多种选自下组的方法对均化的铸造料进行热作处理：轧制、挤出和锻造，形成经过热作的料；
d.任选地对经过热作的料进行冷轧；
e.对经过任选的冷轧、热作的料进行固溶热处理(SHT)，产生SHT料；
f.用冷水对所述SHT料进行骤冷，产生经过冷水骤冷的SHT料；
g.任选地，对经过冷水骤冷的SHT料进行拉伸；以及
h.对经过冷水骤冷的任选拉伸的SHT料进行人工老化。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述均化步骤包括在454-549℃(850-1020°F)的温度进行均化。
22.如权利要求20-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述热作步骤包括在343-499℃(650-930°F)的温度进行热轧。
23.如权利要求20-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述任选的冷作步骤包括冷轧缩减约20％-95％。
24.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述固溶热处理步骤包括在454-543℃(850-1010°F)的温度进行固溶热处理。
25.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述任选的拉伸步骤包括最多拉伸约15％。
26.如权利要求20-25中任一项所述的方法，其特征在于，所述老化步骤包括121-205°F(250-400°F)，老化时间为2-60小时。
27.如权利要求20-26中任一项所述的方法，其特征在于，
a.所述均化步骤包括在454-549℃(850-1020°F)的温度均化；
b.所述热作步骤包括在343-499℃(650-930°F)的温度进行热轧；
c.所述任选的冷作步骤包括冷轧缩减约20％-95％；
d.所述固溶热处理步骤包括在454-543℃(850-1010°F)的温度进行固溶热处理；
e.所述任选的拉伸步骤包括最多拉伸约15％；
f.所述老化步骤包括121-205°F(250-400°F)，老化时间可为2-60小时。
28.一种高强度、高成形性和低成本的铝-锂合金，其包含：
约3.5-4.5重量％Cu，
约0.8-1.6重量％Li，
约0.6-1.5重量％Mg，
小于0.05重量％Ag，
约0.03-0.6重量％的至少一种选自下组的晶粒结构控制元素：Zr,Sc,Cr,V,Hf和其它稀土元素，
任选的最多约1.0重量％的Zn,
任选的最多约1.0重量％的Mn,
最多约0.15重量％的Ti,
最多约0.12重量％的Si,
最多约0.15重量％的Fe,
其中以最多约0.15重量％存在的各种其它偶然存在的元素，这些其它偶然存在的元素的总量不超过约0.35重量％，余量为铝，
其中以重量百分比计的Mg的含量至少等于或高于Zn，
其中，所述铝-锂合金是厚度小于0.249”的轧制合金产品，
其中，所述铝-锂合金在固溶热处理、骤冷、拉伸和人工老化条件下表现出的最低纵向屈服强度为68ksi，最低纵向弯曲半径为1.88*t。
29.如权利要求28所述的铝-锂合金，其特征在于，所述铝-锂合金的厚度小于0.125”。
30.如权利要求28-29中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，所述铝-锂合金不包含任何特意添加的Ag。
31.如权利要求28-30中任一项所述的铝-锂合金，其特征在于，所述最低纵向屈服强度为74ksi。
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