CN108291281B - 具有改善的机械强度和韧性的铝铜锂合金 - Google Patents

具有改善的机械强度和韧性的铝铜锂合金 Download PDF

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Abstract

本发明为由铝基合金制成的轧制和/或锻造产品，所述铝基合金包含以重量％计的以下元素：Cu：3.2‑4.0；Li：0.80‑0.95；Zn：0.45‑0.70；Mg：0.15‑0.7；Zr：0.07‑0.15；Mn：0.1‑0.6；Ag：＜0.15；Fe+Si≤0.20；至少一种选自以下的元素：Ti：0.01‑0.15；Se：0.02‑0.1；Cr：0.02‑0.1；Hf：0.02‑0.1；V：0.02‑0.1；其他元素各自＜0.05且总量＜0.15，余量为铝。在制造本发明的产品的方法中，制造基于本发明的铝合金的液态金属熔池，由所述液态金属熔池铸造粗产品；在450℃至550℃温度下，将所述粗产品均化；将所述粗产品热加工并任选地冷加工成优选至少15mm的厚度；在490至530℃下，将所述产品进行固溶热处理15分钟至8小时，并进行淬火；通过受控方式，以1％至7％的永久变形进行拉伸，并进行所述产品的回火。所述产品有利地被用于制造飞机结构元件。

Description

具有改善的机械强度和韧性的铝铜锂合金
技术领域
本发明涉及铝-铜-锂合金产品，更具体地涉及所述产品及其制备方法和特别是旨在用于航空和航天构造的用途。
背景技术
开发了由铝合金制成的产品、特别是厚的轧制和/或锻造产品(produit forgé)，以通过块体的切割、表面加工
Figure BDA0001683963580000011
或机械加工制备特别是旨在用于航天工业、航空工业或机械构造的高强度部件。
在此方面，含有锂的合金特别受到关注，这是因为加入每重量百分比的锂，所述锂即可使铝的密度降低3％并且使弹性模量提高6％。如果将要选择的这些合金用于飞机，则它们在使用中的性能必须与目前所用的合金一样好，特别是对于静态机械强度性能(屈服应力、极限强度)和损伤容限性能(韧性、耐疲劳裂纹扩展性)之间的平衡，这些性能通常相互对立。对于厚的产品，这些产品必须特别是在四分之一厚度时和在中间厚度时获得，因此这些产品对于淬火必须具有低的敏感度。据说，如果产品的静态机械性能如其屈服应力随淬火速率降低而减小，则该产品对淬火是敏感的。所述淬火速率是淬火期间产品的平均冷却速率。
这些合金也必须具有足够的耐腐蚀性，使其能够使用常规方法成形，并且它们必须具有低的残余应力，从而使其可以进行整体机械加工。
已知若干种其中添加有银的Al-Cu-Li。
专利US 5,032,359记载了一大类铝-铜-锂合金，其中加入镁和银、特别是加入0.3至0.5重量％的镁和银可以增加机械强度。
专利US 7,229,509记载了含有以下元素(以重量％计)的合金：(2.5-5.5)的Cu、(0.1-2.5)的Li、(0.2-1.0)的Mg、(0.2-0.8)的Ag、(0.2-0.8)的Mn、最多0.4的Zr或其他晶粒细化剂如Cr、Ti、Hf、Sc、V，特别是在屈服应力Rp0.2(L)＞448.2MPa下的韧性K1C(L)＞37.4MPa√m(大于76.2mm厚度的产品)，并且特别是在屈服应力Rp0.2(L)＞489.5MPa下的韧性K1C(L)＞38.5MPa√m(小于76.2mm厚度的产品)。
AA2050合金包含(以重量％计)：(3.2-3.9)的Cu、(0.7-1.3)的Li、(0.20-0.6)的Mg、(0.20-0.7)的Ag、最多0.25的Zn、(0.20-0.50)的Mn、(0.06-0.14)的Zr；以及AA2095合金包含：(3.7-4.3)的Cu、(0.7-1.5)的Li、(0.25-0.8)的Mg、(0.25-0.6)的Ag、最多0.25的Zn、最多0.25的Mn、(0.04-0.18)的Zr。AA2050合金产品因其在静态机械强度和韧性方面的特性而被知晓，特别是对于厚的轧制产品，并且其被选择用于一些飞机中。
专利申请WO2009036953记载了一种具有以重量％计的如下组成的合金：Cu：3.4至5.0，Li：0.9至1.7，Mg：0.2至0.8，Ag：0.1至0.8，Mn：0.1至0.9，Zn至多1.5，以及一种或几种选自下述的元素：(Zr约0.05至0.3、Cr约0.05至0.3、Ti约0.03至0.3、Sc约0.05至0.4、Hf约0.05至0.4)，Fe＜0.15，Si＜0.5，常规且不可避免的杂质，余量为铝。
专利申请US 2009/142222A1记载了包含以下元素(以重量％计)的合金：3.4至4.2％的Cu、0.9至1.4％的Li、0.3至0.7％的Ag、0.1至0.6％的Mg、0.2至0.8％的Zn、0.1至0.6％的Mn和0.01至0.6％的至少一种用于控制晶粒结构的元素。
专利申请WO2011130180记载了含有以下元素(以重量％计)的铝合金应变硬化产品(produit corroyé)：2.75至5.0％的Cu、0.2至0.8％的Mg(其中在铝合金中铜与镁(Cu/Mg)之比在约6.1至约17的范围内)、0.1至1.10％的Li、0.3至2.0％的Ag、0.5至1.5％的锌、至多1.0％的Mn，余量为铝，以及任选的辅助元素和杂质。
专利申请WO2013169901记载了含有以下元素(以重量％计)的铝合金：3.5至4.4％的Cu、0.45至0.75％的Mg、0.45至0.75％的Zn、0.65至1.15％的Li、0.1至1.0％的Ag、0.05至0.50％的至少一种控制晶粒结构的元素、至多1.0％的Mn、至多0.15％的Ti、至多0.12％的Si、至多0.15％的Fe、至多0.10％的任何其他元素，这些元素的总量不超过0.35％，余量为铝。
还已知其中任选添加有银或未提到添加银的Al-Cu-Li合金。
专利US 5,455,003记载了一种制造在低温下具有改善的机械强度和韧性的Al-Cu-Li合金的方法，特别是由于合适的冷锻(écrouissage)和回火。特别地，该专利推荐以重量％表示的以下组成：Cu＝3.0-4.5、Li＝0.7-1.1、Ag＝0-0.6、Mg＝0.3-0.6和Zn＝0-0.75。
专利US 5,211,910记载了可包含以下元素(以重量％表示)的合金：1至7％的Cu，0.1至4％的Li，0.01至4％的Zn，0.05至3％的Mg，0.01至2％的Ag，0.01至2％的选自Zr、Cr、Mn、Ti、Hf、V、Nb、B和TiB2的晶粒细化剂，余量为Al和次要的杂质。
专利US 5,234,662记载了具有如下组成(以重量％计)的合金：Cu＝2.60-3.30、Mg＝0.0-0.50、Li＝1.30-1.65、Mg：0.0-1.8以及选自Zr和Cr的控制晶粒结构的元素＝0.0-1.5。
专利US 5,259,897的一个实施方案记载了一种制备铝基合金的方法，所述铝基合金具有在以下范围内的组成(以重量％计)：3.5至5.0的Cu，0.8至1.8的Li，0.25至1.0的Mg，0.01至1.5的选自Zr、Cr、Mn、Ti、Hf、V、Nb、B、TiB2及其混合物的晶粒细化剂，余量基本上为铝。
专利US 7,438,772记载了含有以下元素(以重量百分比计)的合金：Cu＝3-5、Mg＝0.5-2、Li＝0.01-0.9，并且由于韧性和机械强度之间的平衡劣化而不鼓励使用更高的锂含量。
专利申请WO2009103899记载了一种轧制的基本上非再结晶的产品，其包含以重量％计的以下元素：2.2至3.9重量％的Cu、0.7至2.1重量％的Li、0.2至0.8重量％的Mg、0.2至0.5重量％的Mn、0.04至0.18重量％的Zr、小于0.05重量％的Zn和任选0.1至0.5％重量的Ag，余量为铝和不可避免的杂质，其在疲劳测试期间在LS方向上的裂纹分叉的倾向低。
专利申请WO2010149873涉及一种由铝基合金制成的应变硬化产品，例如挤出、轧制和/或锻造产品，所述铝基合金含有以重量％计的以下元素：Cu＝3.0-3.9；Li＝0.8-1.3；Mg＝0.6-1.0；Zr＝0.05-0.18；Ag＝0.0-0.5；Mn＝0.0-0.5；Fe+Si≤0.20；Zn≤0.15；至少一种元素选自：Ti(0.01-0.15)、Sc(0.05-0.3)、Cr(0.05-0.3)、Hf(0.05-0.5)；其他元素各自＜0.05并且总量＜0.15-；余量为铝。
专利申请WO2012112942涉及由含有以下元素(以重量％计)的铝合金制成的至少12.7mm厚的产品：3.00至3.80％的Cu、0.05至0.35％的Mg、0.975至1.385％的Li，其中Li含量为-0.3Mg-0.15Cu+1.65至-0.3Mg-0.15Cu+1.55；0.05至0.50％的至少一种选自Zr、Sc、Cr、V、Hf的用于控制晶粒结构的元素；其他稀土元素及其结合的元素，至多1.0％的Zn、至多1.0％的Mn、至多0.12％的Si、至多0.15％的Fe、至多0.15％的Ti、至多0.10％的其他元素，这些其他元素的总和不超过0.35％；余量为铝。
据观察，根据现有技术由基本上不含银的合金制成的产品不可能获得与使用由含有银的合金(例如AA2050合金)获得的产品一样有益的性能。特别是，对于厚的产品，尤其厚度为至少12mm或至少40mm的产品，不能实现机械强度和韧性之间的有利平衡，并且同时保持令人满意的耐腐蚀性。添加银——一种在铝合金中很少使用的元素——会在回收期间污染其他合金，并由于在低含量下的作用而影响它们的性能。此外，限定银的量在经济上是非常有利的。对淬火具有低敏感度的产品也特别是有利的。
需要由铝-铜-锂合金制成的产品，特别是厚的产品，所述产品与基本上不含银的已知产品相比具有更好的性能，特别是在静态机械强度性能与损伤容限性能之间的平衡、热稳定性、耐腐蚀性和机械加工性方面，并且同时具有低密度。
发明内容
本发明的第一目的是一种轧制和/或锻造的铝基合金产品，其包含以重量％计的以下元素：
Cu：3.2-4.0；
Li：0.80-0.95；
Zn：0.45-0.70；
Mg：0.15-0.70；
Zr：0.07-0.15；
Mn：0.1-0.6；
Ag：＜0.15；
Fe+Si≤0.20；
至少一种选自以下的元素：
Ti：0.01-0.15；
Sc：0.02-0.15，优选0.02-0.1；
Cr：0.02-0.3，优选0.02-0.1；
Hf：0.02-0.5；
V：0.02-0.3，优选0.02-0.1；
其他元素各自＜0.05且总量＜0.15，余量为铝。
本发明的第二目的是一种制造本发明的产品的方法，其包括：
a)制造基于本发明的铝合金的液态金属熔池；
b)由所述液态金属熔池铸造粗产品；
c)在450℃至550℃、优选480℃至530℃的温度下，将所述粗产品均化，持续5至60小时；
d)将所述粗产品热加工并任选地冷加工成优选厚度为至少12mm、优选至少15mm、甚至更优选至少40mm的轧制和/或锻造产品；
e)在490℃至530℃下，将所述产品进行固溶热处理15分钟至8小时，并进行淬火；
f)优选通过受控方式的拉伸，以1至7％且优选至少4％的永久变形对所述产品进行应力释放；
g)使所述产品回火，包括加热至130-170℃、优选140-160℃、更优选140-150℃的温度，持续5至100小时且优选10至50小时。
本发明的另一个目的是包括本发明产品的飞机结构元件。
附图说明
图1表示对于50mm的厚度，LT方向上的屈服应力Rp0.2与T-L方向上的韧性K1C之间的平衡。
图2表示对于50mm的厚度，ST方向上的屈服应力Rp0.2与S-L方向上的韧性K1C之间的平衡。
图3表示对于102mm的厚度，LT方向上的屈服应力Rp0.2与T-L方向上的韧性K1C之间的平衡。
图4表示对于102mm的厚度，ST方向上的屈服应力Rp0.2与S-L方向上的韧性K1C之间的平衡。
图5表示对于130mm的厚度，ST方向上的屈服应力Rp0.2与S-L方向上的韧性K1C之间的平衡。
图6表示在实施例2中测试的两种淬火条件下，淬火条件下韧性的差值作为屈服应力的差值的函数。
具体实施方式
除非另有说明，与合金的化学组成有关的所有表示均以基于合金的总重量计的重量百分比表示。表述1.4Cu意指以重量％表示的铜含量乘以1.4。合金根据本领域技术人员已知的铝业协会(Aluminum Association)的规则来命名。冶金状态的定义示于欧洲标准EN515(EN515:1993)中。
除非另有说明，静态机械性能即极限强度Rm、在0.2％伸长率下的常规屈服应力Rp0.2(“屈服应力”)和断裂伸长率A％均根据标准EN ISO6892-1:2009(以前的10002-1:2001)通过拉伸实验测定，取样和测试方向按照标准EN 485-1(EN 485-1:2008+A1:2009)定义。
应力强度因子(KQ)根据标准ASTM E 399(ASTM E 399-12e3)测定。标准ASTM E399(ASTM E 399-12e3)给出了标准以确定KQ是否为K1C的有效值。对于给定的试样几何形状，对不同材料所获得的KQ值彼此相当的，条件是所述材料的屈服应力在同一数量级。
得到的作为有效裂纹延伸的函数的有效应力强度因子的曲线，称为R曲线，根据ASTM标准E 561(ASTM E 561-10e2)测得。由R曲线计算临界应力强度因子KC，即，使裂纹不稳定的强度因子。通过规定临界负荷下单负荷开始时的初始裂纹长度也计算了应力强度因子KCO。计算出具有所需形状的测试件的这两个值。Kapp代表对应于用于进行R曲线测试的测试件的因子KCO。Keff代表对应于用于进行R曲线测试的测试件的因子KC。
对于在中间厚度采集的样品，沿ST和LT方向根据标准ASTM G47和G49(ASTM G47-98(2011)和G49-85(2011))进行应力腐蚀研究。
根据本发明，选择的一类含特定量和临界量的铜、锂、镁、锌、锰和锆但基本不含银的铝合金，可用于制造具有在韧性和机械强度之间改善的平衡并且具有良好的耐腐蚀性的应变硬化产品。
本发明人已观察到，出人意料地，对于厚的产品，通过严格选择锂、铜、镁、锰、锌和锆的量，可获得在静态机械强度性能和损伤容限性能之间的平衡与含银的铝-铜-锂合金(特别是例如AA2050合金)所获得的至少相当。
本发明的产品的铜含量为3.2至4.0重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铜含量为至少3.3或优选至少3.4重量％，和/或最多3.8且优选最多3.7重量％。
本发明的产品的锂含量为0.80至0.95重量％。锂含量有利地为0.84至0.93重量％。优选地，锂含量为至少0.86重量％。
银含量小于0.15重量％，优选小于0.10重量％且更优选小于0.05重量％。本发明人已发现，已知的对于通常含有0.3至0.4重量％的银的合金的机械强度与损伤容限之间的有利的平衡，对于基本不含银而具有所选择的组成的合金也可以获得。
本发明的产品的镁含量为0.15至0.7％，优选为0.2至0.6重量％。有利地，镁含量为至少0.30重量％且优选为至少0.34重量％，更优选为至少0.38重量％。本发明人已发现，在镁含量小于0.30重量％时，对于最大厚度、特别是大于76mm的厚度，没有获得机械强度与损伤容限之间的有利平衡。
本发明人已发现，对于最低含量的镁，通常含量小于0.5重量％，优选小于0.45重量％，存在少量的银的可能是有利的，优选镁含量至少等于(0.3-1.5*Ag)。在本发明的一个实施方案中，镁含量为最多(0.55-1.5*Ag)。
在本发明的一个实施方案中，镁含量为最多0.45重量％且优选最多0.43重量％。在一个有利的实施方案中，镁含量为最多0.45重量％且优选最多0.43重量％，并且Ag含量少于0.15重量％，且优选少于0.10重量％。
锌含量为0.45至0.70重量％。有利地，锌含量为0.50至0.60重量％，这可有助于实现所需的韧性和机械强度之间的平衡。
锆含量为0.07至0.15重量％，优选为0.09至0.12重量％。
锰含量为0.1至0.6重量％。有利地，锰含量为0.2至0.4重量％，并且可以改善韧性但并不危害机械性能。如果不添加锰，则所需的平衡就不能实现。
铁含量和硅含量的总和不大于0.20重量％。优选地，铁和硅含量各自不大于0.08重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铁和硅含量各自不大于0.06重量％和0.04重量％。
合金也包含至少一种有助于控制晶粒尺寸的元素，其选自V、Cr、Sc、Hf和Ti，如果选择所述元素，则所述元素的量为：对于V、Cr为0.02至0.3重量％，优选0.02至0.1重量％；对于Sc为0.02至0.15重量％，优选0.02至0.1重量％；对于Hf为0.02至0.5重量％且对于Ti为0.01至0.15重量％。优选地，将选择0.02至0.10重量％的钛。
本发明的合金特别是旨在用于制造厚的轧制和/或锻造产品，更特别是厚的轧制产品。就本发明而言，厚的产品意指至少12mm且优选至少40mm厚的产品。在一个有利的实施方案中，本发明的轧制和/或锻造产品为至少76mm厚或甚至至少121mm厚。
本发明的厚的产品提供了机械强度和韧性之间特别有利的平衡。
在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、拉伸和回火的状态时，本发明产品在40至75mm厚度下具有以下成对特征中的至少一对：
(i)在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥480MPa且优选Rp0.2(LT)≥490MPa，以及韧性K1C(T-L)≥31MPa√m，有利地使得K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+119.2、优选K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+120.5且优选K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+121.5，
(ii)在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥450MPa且优选Rp0.2(ST)≥455MPa，以及韧性K1C(S-L)≥24MPa√m，有利地使得K1C(S-L)≥-0.34Rp0.2(ST)+185.6、优选K1C(S-L)≥-0.34Rp0.2(ST)+187.2且优选K1C(S-L)≥-0.34Rp0.2(ST)+188.7。
其中镁含量为至少0.34重量％且优选为至少0.38重量％以及银含量小于0.10重量％且优选小于0.05重量％的本发明的产品是有利的，并且该产品在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放(优选通过拉伸实现)和回火的状态时，在76至150mm厚度下具有以下成对特征中的至少一对：
(i)对于76至120mm的厚度，在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥460MPa且优选Rp0.2(LT)≥470MPa，并且有利地韧性为K1C(T-L)≥27MPa√m，使得K1C(T-L)≥-0.1Rp0.2(LT)+77，优选K1C(T-L)≥-0.1Rp0.2(LT)+78且优选K1C(T-L)≥-0.1Rp0.2(LT)+79，
(ii)对于76至120mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥435MPa且优选Rp0.2(ST)≥445MPa，以及韧性K1C(S-L)≥23MPa√m，有利地使得K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+139.25，优选K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+140.85且优选K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+142.45，
(iii)对于121至150mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥420MPa且优选Rp0.2(ST)≥425MPa，以及韧性K1C(S-L)≥20MPa√m，有利地使得K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+133，优选K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+133.5且优选K1C(S-L)≥-0.25Rp0.2(ST)+134。
在根据标准ASTM E561(ASTM E 561-10e2)所测量的韧性方面，本发明的产品也具有有利的性能。因此，当处于已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放(优选通过拉伸实现)和回火的状态时，本发明的产品在40至150mm厚度下具有以下成对特征中的至少一对，其中平面应力下的韧性Kapp在测试件型号为CCT406(2ao＝101.6mm)上测定：
(i)对于40至75mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少105MPa√m且优选至少110MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少500MPa且优选至少510MPa，
(ii)对于40至75mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少60MPa√m且优选至少70MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少480MPa且优选至少490MPa，
(iii)对于76至120mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少80MPa√m且优选至少90MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少475MPa且优选至少485MPa，
(iv)对于76至120mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少40MPa√m且优选至少50MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少455MPa且优选至少465MPa，
(v)对于121至150mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少75MPa√m且优选至少80MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少470MPa且优选至少480MPa，
(vi)对于121至150mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少40MPa√m且优选至少45MPa√m，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少445MPa且优选至少455MPa。
本发明的产品的耐应力腐蚀性通常较高；有利地，根据ASTM标准G47和G49(ASTMG47-98(2011)和G49-85(2011))在中等厚度处进行测试，对于ST方向上的350MPa的应力失效之前的天数为至少30天，优选地，特别是对于40至75mm厚的板材，ST方向上450MPa的应力失效之前的天数为至少30天。
制造本发明的产品的方法包括制备、铸造、轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放和回火的步骤。
在第一步骤中，制备液态金属熔池以获得具有本发明组成的铝合金。
然后，将液态金属熔池浇注成粗产品，通常是轧制板坯或锻造坯料。
然后，在450℃至550℃、优选480℃至530℃温度下，将粗产品均化，持续5至60小时；
均化后，通常将粗产品冷却至环境温度，然后预热以进行热加工。预热的目的是为了达到优选400至550℃且优选约500℃的温度，以便可以加工粗产品。
通过轧制和/或锻造实现热加工，以获得优选厚度为至少12mm且优选至少40mm的轧制和/或锻造产品。然后，在490至550℃下对产品进行固溶热处理15分钟至8小时，随后通常用环境温度的水淬火。之后优选通过拉伸和/或通过压缩，使产品以1至7％且优选至少2％的永久变形进行受控应力释放。使轧制产品优选以至少4％的永久变形进行受控拉伸。在本发明的一个有利的实施方案中——特别是可以改善静态机械强度和韧性之间的平衡，受控拉伸以5至7％的永久变形来进行。优选的冶金状态为T84和T86状态，且优选T86。诸如轧制、整平、矫直、成形等步骤可任选地在固溶热处理和淬火之后且在受控拉伸之前或之后进行。在本发明的一个实施方案中，在施用1至3％永久变形的受控拉伸之前，进行冷轧步骤到至少7％且优选至少9％。
进行的包括加热至130至170℃、优选140至160℃且更优选140至150℃的温度，持续5至100小时且优选10至50小时。本发明人已观察到，机械强度和韧性之间的平衡可以通过在优选范围内的回火来改善。在一个有利的实施方案中，受控拉伸以5至7％的永久变形来进行，并且回火在140至160℃、优选140至150℃的温度下，持续10至30小时来进行。
本发明的产品可有利地用于结构元件中，特别是飞机中。就本说明书而言，机械构造中的“结构元件”是指这样的机械部件，所述机械部件的静态和/或动态机械特性对于结构的性能特别重要，且通常规定或进行所述结构部件的结构分析。这些通常为这样的元件，即，其失效可能危及所述构造、其使用者或他人的安全。就本发明而言，这些飞机结构元件特别包括舱壁、机翼(例如机翼蒙皮)、翼肋和翼梁和特别是由水平稳定件或垂直稳定件构成的尾翼以及机门。
使用包括本发明的至少一种产品的结构元件或由这样的产品制造的结构元件是有利的，特别是对于航空结构。本发明的产品特别有利地用于制造由块体机械加工而成的产品，特别是用于其中蒙皮和加强件均源于相同初始产品的机翼下蒙皮或上蒙皮元件、翼梁和翼肋，以及用于这些性能是有利的任何其他用途。
本发明的这些方面和其他方面将借助以下示例性但非限制性的实施例进行更加详细地解释。
实施例
实施例1
在该实施例中，铸造了数个具有表1中给出的组成的400mm厚的板坯。
表1：板坯形式的Al-Cu-Li合金铸件的以重量％计的组成
Cu Mn Mg Zn Li Ag Zr Fe Si Ti
54 3.61 0.34 0.17 0.56 0.93 0.13 0.10 0.023 0.015 0.022
55 3.60 0.52 0.17 0.54 0.94 0.13 0.10 0.023 0.015 0.021
56 3.60 0.34 0.43 0.57 0.93 0.00 0.10 0.021 0.015 0.022
57 3.62 0.55 0.34 0.56 0.95 0.00 0.10 0.017 0.015 0.023
71 3.62 0.36 0.43 0.56 0.90 0.01 0.10 0.040 0.024 0.031
72 3.55 0.00 0.51 0.56 0.90 0.00 0.10 0.035 0.023 0.029
将板坯在约500℃下均化约12小时，然后整平。然后，热轧板坯以获得50mm、102mm或130mm厚的板材。将板材在527℃下进行固溶热处理，并用冷水淬火。然后以4％或6％的永久伸长率拉伸该板材。
将板材在145℃或150℃下回火。在1/4-厚度处取样以测量L、LT、L-T和T-L方向的静态拉伸机械性能和韧性，在1/2-厚度处取样以测量ST和S-L方向的静态拉伸机械性能和韧性。用于测量韧性的测试件为具有CT几何形状的测试件，并且它们的尺寸定义如下：
Figure BDA0001683963580000121
结果在表2和表3中给出：
表2：对于不同板材获得的静态机械性能
Figure BDA0001683963580000122
Figure BDA0001683963580000131
表3：对于不同板材获得的韧性性能K1C
Figure BDA0001683963580000132
所述结果在图1至2(厚度50mm)、图3和4(厚度102mm)以及图5(厚度130mm)中示出。
所获得的应力腐蚀结果示于下表4中。
表4：应力腐蚀测试的结果
Figure BDA0001683963580000133
Figure BDA0001683963580000141
实施例2
在该实施例中，铸造了数个具有表5中给出的组成的120mm厚的板坯。
表5：板坯形式的Al-Cu-Li合金铸件的以重量％计的组成
合金 Cu Mn Mg Zn Li Ag Zr Fe Si Ti
58 3.68 0.33 0.30 0.68 0.81 0.00 0.10 0.021 0.015 0.025
59 3.64 0.35 0.32 0.00 0.85 0.12 0.10 0.023 0.015 0.025
61 3.64 0.34 0.51 0.66 0.84 0.00 0.10 0.020 0.015 0.025
62 3.67 0.35 0.33 0.70 0.86 0.14 0.10 0.020 0.015 0.025
将板坯机械加工成100mm的厚度。在约500℃下均化该板坯约12小时，然后整平。均化后，热轧板坯以获得27mm厚的板材。对板材进行固溶热处理，并在冷水或90℃的热水中淬火，以改变淬火速率，然后以3.5％的永久伸长率进行拉伸。
将板材在155℃下回火15小时至50小时。在中间厚度处取样以测量静态拉伸机械性能和韧性KQ。用于测量T-L方向的韧性的测试件的宽度W为50mm，厚度B为25mm。所有样品均符合K1C的有效性标准。对于S-L方向，测量是在宽度W＝36mm且厚度B＝25.4mm的测试件上进行。所得的结果在表6和表7中给出。
表6：在90℃水中淬火后，对于不同板材获得的机械性能
Figure BDA0001683963580000142
Figure BDA0001683963580000151
表7：在25℃水中淬火后，对于不同板材获得的机械性能
Figure BDA0001683963580000152
图6示出了相对于在25℃水中淬火的值，在90℃水中淬火的性能(机械强度、韧性)的降低，以百分数表示。从韧性来看，组成61对淬火最不敏感；从屈服应力来看，组成58对淬火最不敏感。
实施例3
在该实施例中，研究了受控拉伸和回火条件对于由R曲线测量的韧性结果Kapp和Keff的影响。
使用表1中的合金56和71制成50mm和102mm厚的板材。将所述板材在527℃下进行固溶热处理并且在冷水中淬火。然后，将由合金56制成的板材拉伸到4％的永久伸长率，并将由合金71制成的板材拉伸到6％的永久伸长率。
然后，将由合金56制成的板材在150℃下回火40小时，并将由合金71制成的板材在150℃下回火20小时。
对于50mm厚的板材，在1/2厚度处取样，对于102mm和130mm厚的板材，在1/4厚度处取样，以测量L、LT、L-T和T-L方向的静态拉伸机械性能和平面应力韧性Kapp和Keff。对于韧性，R曲线在宽度W＝406mm且厚度B＝6.35mm的CCT测试件上测量。
结果总结于下表8中：
表8：测得的机械性能
Figure BDA0001683963580000161
6％永久变形的受控拉伸和在150℃下持续20小时的结合是特别有利的。

Claims (66)

1.轧制和/或锻造的铝基合金产品，其包含以重量%计的以下元素：
Cu：3.2-4.0；
Li：0.80-0.95；
Zn：0.50-0.70；
Mg：0.15-0.6，不包括0.6；
Zr：0.07-0.15；
Mn：0.1-0.6；
Ag：＜0.15；
Fe+Si≤0.20；
至少一种选自以下的元素：
Ti：0.01-0.15；
Sc：0.02-0.15；
Cr：0.02-0.3；
Hf：0.02-0.5；
V：0.02-0.3；
其他元素各自＜0.05且总量＜0.15，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的产品，其中Sc含量为0.02-0.1。
3.根据权利要求1或2所述的产品，其中Cr含量为0.02-0.1。
4.根据权利要求1或2所述的产品，其中V含量为0.02-0.1。
5.根据权利要求1或2所述的产品，其中镁含量为最多[0.55-1.5*Ag]。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的产品，其中铜含量为3.3至3.8重量%。
7.根据权利要求6所述的产品，其中铜含量为3.4至3.7重量%。
8.根据权利要求1或2所述的产品，其中锌含量为0.50至0.60重量%。
9.根据权利要求1或2所述的产品，其中锰含量为0.2至0.4重量%。
10.根据权利要求1或2所述的产品，其中锂含量为0.84至0.93重量%。
11.根据权利要求10所述的产品，其中锂含量为至少0.86重量%。
12.根据权利要求1或2所述的产品，其厚度至少等于12 mm。
13.根据权利要求12所述的产品，其厚度至少等于40 mm。
14.根据权利要求1或2所述的产品，在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放和回火的状态中，对于40至75 mm厚的产品具有以下成对特征中的至少一对：
(i) 在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥480 MPa，以及韧性K1C(T-L)≥31 MPa
Figure 111
，
(ii) 在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥450 MPa，以及韧性K1C(S-L)≥24 MPa
Figure 111
。
15.根据权利要求14所述的产品，其中应力释放通过拉伸实现。
16.根据权利要求14所述的产品，其中(i) 在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥490MPa。
17.根据权利要求14所述的产品，其中(i) 在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+119.2。
18.根据权利要求17所述的产品，其中(i) 在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+120.5。
19.根据权利要求18所述的产品，其中(i) 在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.175Rp0.2(LT)+121.5。
20.根据权利要求14所述的产品，其中(ii) 在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥455MPa。
21.根据权利要求14所述的产品，其中(ii) 在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.34 Rp0.2(ST)+185.6。
22.根据权利要求21所述的产品，其中(ii) 在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.34 Rp0.2(ST)+187.2。
23.根据权利要求22所述的产品，其中(ii) 在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.34 Rp0.2(ST)+188.7。
24.根据权利要求1或2所述的产品，在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放和回火的状态中，对于40至150 mm厚的产品具有下述成对特征中的至少一对，平面应力下的韧性Kapp在测试件型号CCT406，2ao = 101.6 mm上测定：
(i) 对于40至75 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少105 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少500 MPa，
(ii) 对于40至75 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少60 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少480 MPa，
(iii) 对于76至120 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少80 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少475 MPa，
(iv) 对于76至120 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少40 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少455 MPa，
(v) 对于121至150 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少75 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(L)为至少470 MPa，
(vi) 对于121至150 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少40 MPa
Figure 111
，以及屈服应力Rp0.2(LT)为至少445 MPa。
25.根据权利要求24所述的产品，其中应力释放通过拉伸实现。
26.根据权利要求24所述的产品，其中(i) 对于40至75 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少110 MPa
Figure 111
。
27.根据权利要求24所述的产品，其中(i) 对于40至75 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(L)为至少510 MPa。
28.根据权利要求24所述的产品，其中(ii) 对于40至75 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少70 MPa
Figure 111
。
29.根据权利要求24所述的产品，其中(ii) 对于40至75 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(LT)为至少490 MPa。
30.根据权利要求24所述的产品，其中(iii) 对于76至120 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少90 MPa
Figure 111
。
31.根据权利要求24所述的产品，其中(iii) 对于76至120 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(L)为至少485 MPa。
32.根据权利要求24所述的产品，其中(iv) 对于76至120 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少50 MPa
Figure 111
。
33.根据权利要求24所述的产品，其中(iv) 对于76至120 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(LT)为至少465 MPa。
34.根据权利要求24所述的产品，其中(v) 对于121至150 mm的厚度，Kapp在L-T方向上为至少80 MPa
Figure 111
。
35.根据权利要求24所述的产品，其中(v) 对于121至150 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(L)为至少480 MPa。
36.根据权利要求24所述的产品，其中(vi) 对于121至150 mm的厚度，Kapp在T-L方向上为至少45 MPa
Figure 111
。
37.根据权利要求24所述的产品，其中(vi) 对于121至150 mm的厚度，屈服应力Rp0.2(LT)为至少455 MPa。
38.根据权利要求1或2所述的产品，其中镁含量为至少0.34重量%，银含量小于0.05重量%。
39.根据权利要求38所述的产品，在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放和回火的状态中，对于76至150 mm厚的产品具有下述成对特征中的至少一对：
(i) 对于76至120 mm的厚度，在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥460 MPa，以及韧性为K1C(T-L)≥27 MPa
Figure 111
，
(ii) 对于76至120 mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥435 MPa，以及韧性K1C(S-L)≥23 MPa
Figure 111
，
(iii) 对于121至150 mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥420 MPa，以及韧性K1C(S-L)≥20 MPa
Figure 111
。
40.根据权利要求39所述的产品，其中应力释放通过拉伸实现。
41.根据权利要求39所述的产品，其中(i) 对于76至120 mm的厚度，在四分之一厚度处，屈服应力Rp0.2(LT)≥470 MPa。
42.根据权利要求39所述的产品，其中(i) 对于76至120 mm的厚度，在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.1 Rp0.2(LT)+77。
43.根据权利要求42所述的产品，其中(i) 对于76至120 mm的厚度，在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.1 Rp0.2(LT)+78。
44.根据权利要求43所述的产品，其中(i) 对于76至120 mm的厚度，在四分之一厚度处，使得K1C(T-L)≥-0.1 Rp0.2(LT)+79。
45.根据权利要求39所述的产品，其中(ii) 对于76至120 mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥445 MPa。
46.根据权利要求39所述的产品，其中(ii) 对于76至120 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+139.25。
47.根据权利要求46所述的产品，其中(ii) 对于76至120 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+140.85。
48.根据权利要求47所述的产品，其中(ii) 对于76至120 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+142.45。
49.根据权利要求39所述的产品，其中(iii) 对于121至150 mm的厚度，在中间厚度处，屈服应力Rp0.2(ST)≥425 MPa。
50.根据权利要求39所述的产品，其中(iii) 对于121至150 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+133。
51.根据权利要求50所述的产品，其中(iii) 对于121至150 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+133.5。
52.根据权利要求51所述的产品，其中(iii) 对于121至150 mm的厚度，在中间厚度处，使得K1C(S-L)≥-0.25 Rp0.2(ST)+134。
53.根据权利要求1或2所述的产品，在已经过轧制和/或锻造、固溶热处理、淬火、应力释放和回火的状态中，其中根据ASTM标准G47和G49在中等厚度处进行测试，对于ST方向上的350 MPa的应力失效之前的天数为至少30天。
54.根据权利要求53所述的产品，其中应力释放通过拉伸实现。
55.根据权利要求53所述的产品，其中对于40至75 mm厚的板材，ST方向上450 MPa的应力失效之前的天数为至少30天。
56.制造轧制和/或锻造的基于铝合金的产品的方法，其中
a）制造基于根据权利要求1至38中任一项的铝合金的液态金属熔池；
b）由所述液态金属熔池铸造粗产品；
c）在450℃至550℃的温度下，将所述粗产品均化，持续5至60小时；
d）将所述粗产品热加工并任选地冷加工成厚度为至少12 mm、的轧制和/或锻造产品；
e）在490至530℃下，将所述产品进行固溶热处理15分钟至8小时，并进行淬火；
f）通过受控方式的拉伸，以1至7%的永久变形对所述产品进行应力释放；
g）使所述产品回火，包括加热至130至170℃的温度，持续5至100小时。
57.根据权利要求56所述的方法，其中c）在480℃至530℃的温度下，将所述粗产品均化，持续5至60小时。
58.根据权利要求56所述的方法，其中d）将所述粗产品热加工并任选地冷加工成厚度为至少15 mm的轧制和/或锻造产品。
59.根据权利要求58所述的方法，其中d）将所述粗产品热加工并任选地冷加工成厚度为至少40 mm的轧制和/或锻造产品。
60.根据权利要求56所述的方法，其中f）通过受控方式的拉伸，以至少4%的永久变形对所述产品进行应力释放。
61.根据权利要求56所述的方法，其中g）使所述产品回火，包括加热至140至160℃的温度。
62.根据权利要求61所述的方法，其中g）使所述产品回火，包括加热至140至150℃的温度。
63.根据权利要求56所述的方法，其中g）使所述产品回火，包括加热持续10至50小时。
64.根据权利要求56至63中任一项所述的方法，其中受控拉伸以5至7%的永久变形进行，并且回火时间为10至30小时。
65.飞机结构元件，其包括根据权利要求1至55中任一项所述的产品。
66.根据权利要求65所述的飞机结构元件，其为其中蒙皮和加强件均由相同的初始产品制成的机翼下蒙皮或上蒙皮元件，翼梁和翼肋。
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