CN112969806A - 制造具有改善的耐疲劳失效性的2xxx系列铝合金板材产品的方法 - Google Patents

制造具有改善的耐疲劳失效性的2xxx系列铝合金板材产品的方法 Download PDF

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Abstract

一种制造具有改善的耐疲劳失效性和减少的缺陷数量的AA2xxx系列铝合金板材产品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)铸造所述2xxx系列的铝合金的锭，所述铝合金包含(以重量％计)：Cu 1.9至7.0、Mg 0.3至1.8、Mn至多1.2、余量的铝和杂质，所述余量的铝和杂质各自最大0.05且总计0.15；(b)对所述铸锭进行匀质化和/或预热；(c)通过以多个轧制道次对所述锭进行轧制来将所述锭热轧成板材产品，其特征在于，当所述板材的中间厚度达到介于100mm与200mm之间时，以至少15％的厚度减薄率进行至少一个高压下率热轧道次，其中所述板材产品的最终厚度小于60mm。本发明还涉及通过这种方法生产的铝合金产品。

Description

制造具有改善的耐疲劳失效性的2xxx系列铝合金板材产品的 方法
技术领域
本发明涉及一种制造2xxx系列铝合金板材产品的方法，该板材产品具有改善的耐疲劳失效性并且在板材产品的超声波检查中具有较少的缺陷。该板材产品可理想地应用于航天结构应用诸如机翼蒙皮壁板和机身结构，以及板材外的其他高强度最终用途。
背景技术
本领域中已知在涉及相对高强度的许多应用诸如飞行器机身、车辆构件和其他应用中使用可热处理的铝合金。铝协会合金AA2xxx诸如AA2024、AA2324和AA2524是众所周知的可热处理的铝合金，这些合金在T3、T39和T351回火中具有有用的强度和韧性。
商用飞行器的设计要求飞行器上不同类型的结构具有各种性质。特别是对于机身结构，对于由板材加工出的复杂零件或下机翼蒙皮而言，必须具有诸如断裂韧性或耐疲劳失效性形式的良好抗裂纹扩展性等性质。同时，合金的强度不应降低。无论以片材还是板材的形式使用均具有提高的耐损性的轧制合金产品将会提高乘客的安全性，将会减轻飞行器的重量，从而提高燃油经济性，继而延长飞行距离、降低成本并降低维护间隔。
另外，减少极细尺寸(≤2mm或更小)的内部缺陷对于轧制板材产品也很重要，因为过多的缺陷会导致轧制板材不能用于航天材料。板材产品中的内部缺陷可通过超声波检查进行证明。通常，在AA2xxx系列铝合金中，超声波测试屏幕上的不连续指示提供对以下类型的缺陷的反映：聚集的气孔、非金属夹杂物、金属夹杂物、盐颗粒或极大的初生相偏析。
根据AMS-STD-2154，在出现一个或多个尺寸为2.0mm或更大的超声波指示的况下，或者如果出现许多尺寸为1.2mm至1.9mm的指示(取决于数量和分布)，则板材产品必须被拒绝用作航天材料。
另外，ASTM B594是用于铝合金锻造产品超声波检查的标准实践。对于飞行器工业中使用的要求，级别通常设置为ASTM B594 A类。
本领域中已知具有以重量百分比计的以下宽泛组成范围的AA2x24合金组成：Cu3.7-4.9、Mg 1.2-1.8、Mn 0.15-0.9、Cr至多0.15、Si<0.50、Fe<0.50、Zn<0.25、Ti<0.15、余量的铝和偶然杂质。随时间推移，已在宽泛的AA2x24系列合金范围内开发出更窄的窗口，特别是涉及较低的Si和Fe组合范围的更窄的窗口，以改善特定的工程性质。
JP-H-07252574公开了一种制造Al-Cu-Mg合金的方法，该方法包括在连续铸造之后进行热轧并且指定凝固时的冷却速率的步骤。为了受益于连续铸造操作中的高冷却速率，控制Fe和Si的含量以使得Fe+Si的总和超过至少0.4重量％。
US-5,938,867公开了一种具有“2x24”化学性质的高耐损性Al-Cu合金，该合金基本上包含以下组成(以重量％计)：3.8-4.9Cu、1.2-1.8Mg、0.3-0.9Mn、不超过0.30Si、不超过0.30Fe、不超过0.15Ti、余量的铝和不可避免的杂质，其中在热轧之后以介于385℃与468℃之间的退火温度对锭进行中间退火。
EP-0473122以及US-5,213,639公开了一种铝基合金，该铝基合金基本上包含以下组成(以重量％计)：4.0-4.5Cu、1.2-1.5Mg、0.4-0.7Mn、Fe<0.12、Si<0.1、其余的铝、偶然的元素和杂质，其中将此类铝基料热轧，加热至高于487℃以溶解可溶成分，然后再次热轧，从而获得强度与高断裂韧性和低疲劳裂纹增长率的良好组合。更具体地，US-5,213,639公开了在479℃到524℃的温度范围内热轧铸锭并再次热轧中间退火的合金之后所需的中间退火处理，其中该合金可任选地含有来自由以下组成的组的一种或多种元素：0.02-0.40Zr、0.01-0.5V、0.01-0.40Hf、0.01-0.20Cr、0.01-1.00Ag和0.01-0.50Sc。相较于上述常规AA2024合金，此类合金在T-L断裂韧性方面显示出至少5％的改善，并且在某些ΔK水平下显示出改善的抗疲劳裂纹增长性。
然而，仍然需要包括AA2x24系列合金在内的AA2xxx系列合金的耐疲劳失效性的进一步改善或进一步发展，因为耐疲劳失效性是铝合金航天材料的重要工程参数，这归因于飞行器在服务中的循环应力。
因此，需要具有期望的强度、韧性和耐蚀性性质以及高耐疲劳失效性的Al-Cu-Mg(Mn)型合金。还需要表现出高耐疲劳失效性并且在超声波检查中显示出较少缺陷的飞行器结构零件。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种用于制造AA2xxx系列铝合金板材的方法，所述铝合金板材与通过常规方法生产的尺寸和回火类似的AA2xxx系列合金，特别是AA2x24铝合金板材产品相比具有高耐疲劳失效性。
本发明的另一个目的是提供一种铝合金板材产品，该铝合金板材产品在超声波检查中比尺寸和回火类似的常规AA2xxx系列铝合金，特别是常规AA2024板材产品具有更少的缺陷。
另一个目的是由在超声波检查中具有较少的缺陷的改进的耐疲劳铝合金板材提供航天结构构件，诸如下机翼蒙皮。
发明描述
这些和其他目的以及进一步优点通过本发明得以满足或超越，提供了一种制造具有改善的耐疲劳失效性和减少的缺陷数量的铝合金轧制板材产品的方法，所述铝合金轧制板材产品的最终厚度小于60mm，优选小于50mm，其理想地适于用作航天板材产品，所述方法包括顺序如下的步骤：
(a)铸造所述AA2xxx系列的铝合金的锭；
(b)对铸锭进行匀质化和/或预热；
(c)通过以多个轧制道次对所述锭进行轧制来将所述锭热轧成板材产品，其特征在于，当所述板材的中间厚度达到介于100mm与200mm之间时，以至少15％的厚度减薄率进行至少一个高压下率热轧道次(high reduction hot rolling pass)；
(d)任选地预拉伸或者通过对所述板材产品冷轧来应用平整道次(skin pass)；
(e)任选地对所述板材产品进行固溶热处理并将其冷却至环境温度，优选通过淬火手段进行冷却；
(f)任选地拉伸经固溶热处理的板材产品；
(g)对所述板材产品进行自然或人工时效。
根据本发明的方法可应用于广泛范围的AA2xxx系列铝合金，其具有包含以重量％计的以下各项的组成：
Cu 1.9至7.0，
Mg 0.3至0.8，
Mn 至多1.2，
余量为铝和杂质。
在铝合金的情境中，术语“包含”应理解为合金可含有进一步的合金元素，如下文所例示。
在一个实施方案中，所述2xxx系列铝合金具有包含以重量％计的以下各项的组成：
Cu 1.9％至7.0％，优选3.0％至6.8％，更优选3.8％至5.0％，
Mg 0.30％至1.8％，优选0.35％至1.6％，
Mn 至多1.2％，优选0.2％至1.2％，更优选0.2％至0.9％，
Si 至多0.40％，优选至多0.25％，
Fe 至多0.40％，优选至多0.25％，
Cr 至多0.35％，优选至多0.10％，
Zn 至多1.0％，
Ti 至多0.15％，优选0.01％至0.10％，
Zr 至多0.25％，优选至多0.12％，
V 至多0.25％，
Li 至多2.0％，
Ag 至多0.80％，
Ni 至多2.5％，
余量为铝和杂质。通常，此类杂质各自的存在量≤0.05％，总计≤0.15％。
Cu是2xxx系列铝合金中的主要合金元素，对于根据本发明的方法而言，Cu应在1.9％至7.0％的范围内。Cu含量的优选下限为约3.0％，更优选为约3.8％，并且更优选为约4.2％。Cu含量的优选上限为约6.8％。在一个实施方案中，Cu含量的上限为约5.0％。
Mg是另一种重要的合金元素，并且应以0.3％至1.8％范围内的量存在。Mg含量的优选下限为约0.35％。Mg含量的更优选下限为约1.0％。Mg含量的优选上限为约1.6％。
Mn是许多2xxx系列铝合金的另一种重要的合金元素，并且应以至多1.2％的范围内的量存在。在一个实施方案中，Mn含量在0.2％至约1.2％、优选0.2％至约0.9％的范围内。
Zr可以至多0.25％的范围内的量存在，优选以至多0.12％的范围内的量存在。
Cr可以至多0.35％的范围内的量存在，优选以至多0.15％的范围内的量存在。在一个实施方案中，没有有意地添加Cr，并且Cr可以至多0.05％的量存在，并且优选保持低于0.02％。
可以有意地添加至多约0.8％的范围内的银(Ag)，以进一步增强时效过程中的强度。有意的Ag添加的优选下限将为约0.05％，并且更优选为约0.1％。优选上限将为约0.7％。
在一个实施方案中，Ag是杂质元素，并且它可以至多0.05％、优选至多0.03％的量存在。
可以有意地添加至多1.0％的范围内的锌(Zn)，以进一步增强时效过程中的强度。有意的Zn添加的优选下限将为0.25％，并且更优选为约0.3％。优选上限将为约0.8％。
在一个实施方案中，Zn是杂质元素，并且它可以至多0.25％、优选至多0.10％的量存在。
可以有意地添加至多约2％的范围内的锂(Li)，以进一步增强耐损性并降低合金产品的比密度。有意的Li添加的优选下限将为约0.6％，并且更优选为约0.8％。优选上限将为约1.8％。
在一个实施方案中，Li是杂质元素，并且它可以至多0.10％、优选至多0.05％的量存在。
可添加至多约2.5％的镍(Ni)，以改善高温下的性质。当有意地添加时，优选下限为约0.75％。优选上限为约1.5％。当有意地添加Ni时，还要求铝合金中的Fe含量增加到约0.7％至1.4％的范围。
在一个实施方案中，Ni是杂质元素，并且它可以至多0.10％、优选至多0.05％的量存在。
可以有意地添加至多0.25％、优选至多约0.15％的范围内的钒(V)。有意的V添加的优选下限将为0.05％。
在一个实施方案中，V是杂质元素，并且它可以至多约0.05％的量存在，并且优选保持低于约0.02％。
可添加至多0.15重量％的Ti以用作晶粒细化剂。由于Ti与硼的协同晶粒细化作用，通常将它们一起添加到铝合金中。有意的Ti添加的优选下限将为约0.01％。优选上限将为约0.10％，优选为约0.08％。
Fe是铝合金中的常规杂质，并且可容许至多0.4％。优选地将它保持在至多约0.25％、更优选至多约0.15％、最优选至多约0.10％的水平。然而，无需将Fe含量降低至低于0.05重量％。
Si也是铝合金中的常规杂质，并且可容许至多约0.4％。优选地将它保持在至多约0.25％、更优选至多约0.15％、最优选至多约0.10％的水平。然而，无需将Si含量降低至低于0.05重量％。
在一个实施方案中，2xxx系列铝合金具有由以重量％计的以下各项构成的组成：Cu 1.9％至7.0％、Mn至多1.2％、Mg 0.3％至1.8％、Zr至多0.25％、Ag至多0.8％、Zn至多1.0％、Li至多2％、Ni至多2.5％、V至多0.25％、Ti至多0.15％、Cr至多0.35％、Fe至多0.4％、Si至多0.4％、各自<0.05％且总计<0.15％的余量的铝和杂质，并且具有如本文所述和要求保护的优选的较窄组成范围。
在另一个实施方案中，铝合金具有在AA2024、AA2324和AA2524及其变型范围内的化学组成。
在具体实施方案中，铝合金具有在AA2024的范围内的化学组成。
如在本文应理解的，除另外指示之外，否则铝合金命名和回火命名是指铝协会在2018年发布的铝标准和数据以及注册记录(Aluminium Standards and Data and theRegistration Records)中的铝协会命名，并且是本领域技术人员众所周知的。
对于合金组成或优选合金组成的任何描述，除非另外指示，否则所有对百分比的提及均为重量百分比。
如本文所用的术语“≤”和“至多”以及“至多约”明确包括但不限于其所指代的特定合金组分的重量百分比为零的可能性。例如，至多0.10％Cr可以包括不具有Cr的合金。
在本发明的方法的实施方案中，可以在固溶热处理步骤之后以小于1％，优选小于0.5％的压下率进行非常温和的冷轧步骤(平整轧制或平整道次)，以改善最终产品的平坦度。优选地，当板材被轧制至最终厚度时不进行压下率超过1％的冷轧，以避免在随后固溶热处理步骤期间发生至少部分重结晶，导致对最终板材产品的工程性质的平衡产生不利影响。
在本发明的方法的替代实施方案中，可以在固溶热处理步骤之前将板材预拉伸。该预拉伸步骤可以至多3％、优选介于0.5％至1％之间的压下率进行，以改善最终产品的平坦度。
经轧制的板材产品的最终厚度小于60mm、优选小于50mm、优选小于45mm、更优选小于40mm并且最优选小于35mm。在非常有用的实施方案中，板材产品的最终厚度大于10mm、优选大于12mm、更优选大于15mm并且最优选大于19mm。
如本文所述的铝合金可以在工艺步骤(a)中以锭或板坯或锭料的形式提供，以通过锻造产品领域中例行的铸造技术(例如，DC铸造、EMC铸造、EMS-铸造)制造成合适的锻造产品，并且优选地具有在300mm或更大的范围内，例如为400mm、500mm或600mm的厚度。在不太优选的基础上，也可以使用由连续铸造(如带式铸造机或辊式铸造机)产生的板坯，这在生产更薄规格的最终产品时可能特别有利。如本领域众所周知的，可以使用晶粒细化剂，例如含有钛和硼，或钛和碳的那些。在铸造轧制合金原料之后，通常对锭进行剥皮处理(scalped)，以除去锭的铸造表面附近的偏析区。
接下来，对锭进行匀质化和/或预热。在本领域中已知，匀质化热处理的目的具有至少以下目标：(i)尽可能多地溶解在凝固期间形成的粗糙可溶相，以及(ii)降低浓度梯度以利于溶解步骤。预热处理也实现这些目标中的一些。AA2xxx系列合金的典型预热处理将在420℃至505℃的温度下进行，均热时间在3小时至50小时、更典型地3小时至20小时的范围内。
首先，使用例行工业实践溶解合金原料中的可溶共晶相诸如S相。这通常通过将原料加热到低于500℃的温度来进行，因为AA2xxx系列合金中的S相共晶相(Al2MgCu相)的熔化温度为约507℃。在AA2x24系列合金中，还存在熔点为约510℃的θ相(Al2Cu相)。如本领域中已知的，这可以通过在所述温度范围内进行匀质化和/或预热处理并允许冷却至热的工作温度来实现，或者在匀质化之后，随后将原料冷却并在热轧前进行再加热。例行匀质化和/或预热过程还可以根据需要以一个或多个步骤进行，并且通常在400℃至505℃的温度范围内进行。例如，在两步骤过程中，存在在480℃与500℃之间的第一步骤以及在470℃与490℃之间的第二步骤，以优化各种相的溶解过程，这取决于确切的合金组成。在任一种情况下，铸造时合金元素在材料中的偏析都得以减少并且可溶元素被溶解。如果在400℃以下进行处理，则所得的匀质化效果不足。如果温度高于505℃，则可能发生共晶熔化，从而导致不期望的孔形成。
根据工业实践，在匀质化温度下的均热时间为合金依赖性的，如技术人员众所周知的，并且通常在1至50小时的范围内。上述热处理的优选时间为2小时至30小时。较长的时间通常无害。匀质化通常在高于485℃的温度下进行，并且典型的匀质化温度为493℃。典型的预热温度在440℃至460℃的范围内，均热时间在3小时至15小时的范围内。可以应用的升温速率为本领域中例行的升温速率。
在匀质化和/或预热实践之后，对锭进行热轧。锭的热轧以多个热轧道次进行，通常在热轧机中进行。热轧道次的数目通常在15与35之间，优选在20与29之间。当热轧的板材产品已达到介于100mm与200mm之间、优选介于120mm与180mm之间的中间厚度时，所述方法应用至少一个厚度减薄率为至少约15％、优选至少约20％，最优选至少约25％的高压下率热轧道次。在有用的实施方案中，在此高压下率道次中的厚度减薄率小于70％、优选小于55％并且更优选小于40％。轧制道次的“厚度减薄率”还称为压下率，优选为在单个轧制道次中板材厚度减薄的百分比。
当生产AA2xxx系列板材产品时，此种至少一个高压下率热轧制道次未在常规工业热轧实践中进行。因此，根据本发明的非限制性实例的在100mm与200mm之间的热轧道次可描述如下(看板材的中间厚度)：199mm–192mm–183mm–171mm–127mm–125mm–123mm。从171mm至127mm的高压下率热轧道次对应于约26％的厚度减薄率。对于通过常规热轧过程生产的铝合金板材，当中间厚度达到介于100mm与200mm之间时，每个热轧道次的厚度减薄率通常在1％与12％之间。因此，根据常规方法的实例的在100mm与200mm之间的热轧道次可描述如下(看板材的中间厚度)：200mm–188mm–177mm–165mm–154mm–142mm–131mm。因此，根据本发明的方法限定了热轧步骤，其中进行至少一个高压下率热轧道次。这种高压下率道次由至少约15％、优选至少约20％，更优选至少约25％的厚度减薄率来定义。
在高压下率道次之前和之后的本发明方法的热轧道次的压下率与常规热轧方法的热轧道次的压下率相当。因此，在高压下率热轧道次之前和之后的每个热轧道次的厚度减薄率可在1％与12％之间。因为厚度减薄率根据板材的厚度(例如，具有大于300mm的厚板材或具有小于60mm的薄板材)而变化，因此所要求保护的方法的特征在于，当板材产品的中间厚度已达到介于200mm与100mm之间、优选180mm至120mm、最优选介于150mm与170mm之间时，执行高压下率步骤。这个厚度被选择为确保高变形/剪切在整个板材产品厚度中是一致的。对于厚于200mm的板材产品，要保证整个板材的一致变形是较困难的。通常，在较厚的板材产品中，板材产品的中心(一半厚度)的变形比四分之一厚度位置处或次表面区域中的变形小。
优选地，进行一个高压下热轧道次。在替代实施方案中，进行两个或更多个(例如三个)高压下率热轧道次。
在替代实施方案中，产品接受两个热轧步骤。在这个实施方案中，所述锭被热轧至100mm至140mm范围内的中间厚度，接受高压下率道次。然后将板材产品再加热至匀质化和/或预热步骤的温度，即在400℃至505℃之间。在优选的实施方案中，再加热步骤可根据需要以两个或更多个步骤进行。该再加热步骤最大限度地减少或避免了可由热轧的第一部分产生的可溶成分或次生相颗粒。该再加热步骤具有将大部分Cu和Mg置于固溶体中的作用。此后，进行第二系列的热轧步骤以实现板材产品的最终厚度。这些第二热轧步骤不包括高压下率道次。
在这两个实施方案(即，匀质化和/或预热或者在第一次热轧至中间厚度之后存在再加热步骤的匀质化和/或预热)中，可以将热轧机的出口温度保持在高于385℃，优选高于400℃，更优选高于410℃。
已经发现，在制造最终厚度小于60mm的板材产品的情况下，热轧过程期间的变形速率也对最终板材产品性质产生影响。因此，在所述方法的有用的实施方案中的至少一个高压下率道次期间的变形速率优选低于＜0.77s-1，优选≤0.6s-1。据信这种强烈的剪切会导致构成粒子(例如，富Fe金属间化合物)的破碎。
每个轧制道次的热轧期间的变形速率可通过下式进行描述：
Figure BDA0003047151680000111
其中
Figure BDA0003047151680000121
变形速率(以s-1为单位)
h0板材的入口厚度(以mm为单位)
h1板材的出口厚度(以mm为单位)
v1工作辊的轧制速度(以mm/s为单位)
R工作辊的半径(以mm为单位)。
变形速率是材料的应变(变形)相对于时间的变化。有时也称为“应变速率”。所述式显示，不仅铝合金板材的入口厚度和出口厚度，而且工作辊的轧制速度都对变形速率产生影响。
对于常规的工业规模热轧实践，每个轧制道次的变形速率通常等于或大于0.77s-1。如上面已经概述的，依据根据本发明方法的实施方案，在高压下率道次期间，将变形速率降低至＜0.77s-1，优选降低至≤0.6s-1。通过使用低变形速率，有可能在板材料内实现更强烈的剪切。
此外，如果需要，可以对本发明制造的铝合金板材产品进行冷轧或预拉伸(以改善平坦度)、固溶热处理(SHT)、冷却(优选通过淬火的手段)、拉伸或冷轧并在轧制至最终规格之后进行时效。如果需要，可以在板材的原始长度的0.5％至1％的范围内进行预拉伸，以使板材产品足够平坦，以便出于质量控制原因进行后续的超声波测试。如果进行固溶热处理(SHT)，则应将板材产品加热到460℃至505℃范围内的温度并持续一段足以使固溶效果达到平衡的时间，其中典型的均热时间在5分钟至120分钟的范围内。固溶热处理通常在间歇式炉中进行。在指示温度下的典型均热时间在5分钟至30分钟的范围内。在高温下的设定均热时间之后，应将板材产品冷却至175℃或更低的温度，优选冷却至环境温度，以防止或最大程度地降低次生相的不受控沉淀，例如Al2CuMg和Al2Cu。另一方面，冷却速率不应过高，以使板材产品具有足够的平坦度和低水平的残余应力。合适的冷却速率可通过使用水，例如浸水或喷水来实现。
在冷却至环境温度之后，板材产品可例如通过在其原始长度的0.5％至8％范围内拉伸来进一步冷加工，以便减轻其中的残余应力并改善该产品的平坦度。优选地，拉伸的范围为0.5％至4％，更优选0.5％至5％，并且最优选0.5％至3％。
冷却后，通常在环境温度下使板材产品经受自然时效，并且/或者替代地可对板材产品进行人工时效。人工时效可能特别适用于更高规格的产品。本领域中已知并且可随后进行开发的所有时效实践均可应用于根据本发明方法获得的AA2xxx系列合金产品，以开发出所需强度和其他工程性质。典型的回火将是例如T4、T3、T351、T39、T6、T651、T8、T851和T89。
在特别优选的实施方案中，使板材产品自然时效至T3回火，优选T39或T351回火。
本发明的优点在于，通过在热轧操作期间以中间规格使用至少一个高压下率热轧道次，铝合金板材产品显示出改善的耐疲劳失效性。这种优异的疲劳性能在不将Fe和Si的含量限制在极低的杂质水平(即小于0.05重量％)的情况下得以实现。
此外，通过所要求保护的方法生产的铝合金板材产品在超声波检测中显示出较少的缺陷。这是通过使用本发明的方法，即高压下率热轧步骤实现的。
AA2000系列合金板材产品在根据本发明制造时适用于飞行器应用，诸如机翼蒙皮或飞行器机身壁板。
在特定实施方案中，该铝合金板材产品用作机翼壁板或构件，更特别是用作上机翼壁板或构件。
因此，根据本发明制造的板材产品与根据这种类型的铝合金的常规标准方法制造的具有相同尺寸并且被加工至相同回火的板材产品相比具有改善的性质。
附图说明
本发明的实施方案将通过非限制性实施例进行描述，并且还给出了代表现有技术的现状的比较例。
图1是根据本发明方法制备的板材和通过常规方法制备的板材的最大净应力与失效循环的关系图。
图2是示出根据本发明方法制备的板材和通过常规方法制备的板材的超声波指示的数量与板材厚度的关系图。
实施例
实施例1
轧制锭为铝合金AA2024的DC铸造，其具有表1中给出的组成(以重量％计，余量为铝和杂质)。
表1
锭 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti
批号
A、B 0.07 0.03 4.0 0.5 1.3 0.02 0.03
轧制锭在起始时的厚度为约330mm。锭的匀质化和预热以两步程序进行，第一步骤在495℃下持续18-24小时，第二步骤在485℃下持续1至16小时(预热)。然后该锭被热轧至100mm-140mm的中间厚度(第一次热轧)，其中锭A是根据本发明进行加工的，即，该锭在第一次热轧期间接受高压下率道次。在约170mm处，锭A的厚度减薄，减薄率为约26％(171mm至127mm)。此高压下率道次期间的轧制速度为约25m/min，得到0.52s-1的变形速率。
锭B是根据常规热轧方法进行加工的(对于介于300mm至120mm之间的每个热轧道次，厚度减薄率介于3％与8％之间)。标准热轧道次期间的轧制速度在60m/min(入口厚度177mm)和100m/min(入口厚度131mm)之间，得到在0.77s-1和1.56s-1之间的变形速率。第一热轧系列后的出口温度高于400℃。在120mm的中间厚度(批次A和批次B)处，将这两个板材加热至490℃并保持24至30小时，然后设置为485℃并保持1至12小时。在这个再加热之后，将板材热轧至23mm的最终厚度(第二热轧系列)。第二次热轧后的出口温度高于400℃。
板材A接受了24个热轧道次，其中高压下率道次为12号道次。板材B接受了26个不具有高压下率的热轧道次。如上文已经概述的，首先将这两个板材热轧至介于100mm与140mm之间的中间厚度。使板材A在第15个道次后经受第二次预热，并且使板材B在第17个道次后经受第二次预热。在热轧过程之后，这两块板材的最终厚度为23mm。在热轧步骤之后，对这两个板材在约495℃的温度下进行固溶热处理并淬火。然后，它们接受了轧制平整道次以改善平坦度，并被拉伸约2％-3％。应用自然时效步骤至少5天，使板材产品达到T351条件。
根据DIN-EN-6072，通过使用净应力集中系数Kt为2.3的单开孔试样(single openhole test coupon)进行疲劳测试。试样为150mm长乘30mm宽乘3mm厚，单孔直径为10mm。将该孔在每个侧面钻孔至0.3mm的深度。使试样以R＝0.1的应力比(最小负荷/最大负荷)接受轴向应力。测试频率为30Hz并且在高湿度空气(RH≥90％)中进行测试。这些测试的各个结果示于表2和图1中。
表2
Figure BDA0003047151680000151
Figure BDA0003047151680000161
图1说明了通过使用本发明方法，可以相对于通过常规方法制备的AA2xxx合金板材，显著改善疲劳寿命并且因此改善耐疲劳失效性。例如，在施加的净截面应力为200MPa时，板材A的寿命为252.233个循环，该寿命与寿命为109.719个循环的合金B相比提高了2.3倍。
实施例2
根据AMS-STD-2154对表3中给出的合金板材进行超声波检查。使用厚度为16mm或23mm的测试板材。下表3给出了组成(以重量％计，并且余量为铝和杂质)。
表3
锭 最终厚度 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti
批
A、B 23mm 0.07 0.03 4.0 0.5 1.3 0.02 0.03
C、D、E、F 16mm 0.07 0.03 4.0 0.5 1.3 0.02 0.03
轧制锭在起始时的厚度为约330mm。如上文在实施例1中概述的那样生产板材A和B，即，板材B接受了26个不具有高压下率道次的热轧道次，而板材A接受了包括在约170mm处的高压下率道次的24个热轧道次。
对于批次C、D、E和F，轧制锭在起始时的厚度为约330mm。如实施例1中所概述的那样对锭进行匀质化和预热、第一次热轧、第二次预热和第二次热轧，即在约170mm处，使批次E和F的厚度减薄，减薄率为约26％(171mm至127mm)，并且根据常规热轧方法对批次C和D进行加工。在热轧过程之后，所有板材的最终厚度为16mm。在热轧步骤之后，将板材在0.5％至1％的范围内预拉伸以改善板材的平坦度。然后对这些板材在495℃的温度下进行固溶热处理，淬火并再次拉伸约2％-3％。应用自然时效步骤，使板材产品达到T351条件。
下表4示出了板材显示的超声波(US)指示的数量。最终厚度为16mm的板材的尺寸为16mm x 1000mm x 12000mm，而最终厚度为23mm的板材的尺寸为23mm x 1500mm x17000mm。
表4
Figure BDA0003047151680000171
从该表可以明显看出，在通过本发明的方法制备的批次A、E和F的板材产品(即接受高压下率道次的板材产品)中，根据AMS-STD-2154通过超声波检查而检测到的缺陷数量减少了(参见US指示的总数)。
本发明不限于之前描述的实施方案，其可以在如由所附权利要求书所限定的本发明的范围内广泛地变化。

Claims (19)

1.一种制造具有改善的耐疲劳失效性和减少的缺陷数量的AA2xxx系列铝合金板材产品的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)铸造所述AA2xxx系列的铝合金的锭；
(b)对铸锭进行匀质化和/或预热；
(c)通过以多个轧制道次对所述锭进行轧制来将所述锭热轧成板材产品，其特征在于，当所述板材的中间厚度达到介于100mm与200mm之间时，以至少15％的厚度减薄率进行至少一个高压下率热轧道次；
并且其中所述板材产品的最终厚度小于60mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：
(d)任选地在所述热轧之后进行预拉伸或者通过对所述板材产品冷轧来应用平整道次；
(e)对所述板材产品进行固溶热处理；
(f)冷却经固溶热处理的板材产品，优选通过淬火的手段进行冷却；
(g)任选地拉伸所述经固溶热处理的板材产品，以及
(h)对所述经固溶热处理并且冷却的板材产品进行自然时效或人工时效。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中以至少20％，优选至少25％的压下率进行所述高压下率热轧道次。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述高压下率道次期间的变形速率为<0.77s-1，优选≤0.6s-1。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在进行所述高压下率道次之前所述板材的中间厚度在120mm与180mm之间，优选在150mm与170mm之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2xxx铝合金具有包含以重量％计的以下各项的组成：
Cu 1.9至7.0，
Mg 0.3至1.8，
Mn 至多1.2，
余量的铝和杂质。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2xxx铝合金具有包含以重量％计的以下各项的组成：
Figure FDA0003047151670000021
余量的铝和杂质。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2xxx铝合金具有3.0％至6.8％、优选3.8％至5.0％的Cu含量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2xxx铝合金具有0.35％至1.6％的Mg含量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2xxx铝合金具有0.2％至1.2％、优选0.2％至0.9％的Mn含量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述Ti含量在0.01重量％至0.10重量％的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铝合金具有根据AA2024的组成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述板材的最终厚度小于50mm，优选小于40mm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述板材产品的最终厚度大于10mm，优选大于12mm，更优选大于15mm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述方法步骤(c)中，热轧机出口温度高于385℃，优选高于400℃。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使所述板材产品自然时效至T3回火，优选自然时效至T39或T351回火。
17.铝板材产品，所述铝板材产品由通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法获得的铝合金产品制造，并且具有改善的耐疲劳失效性并且在超声波检查中具有较少的缺陷。
18.飞行器蒙皮产品，所述飞行器蒙皮产品由通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法获得的铝合金板材产品制造。
19.根据权利要求1至16中任一项制造的铝合金产品用于制造飞行器蒙皮的用途。
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