CN1325683C - Al－Cu－Mg－Si合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有高韧性，良好强度水平和改良抗疲劳裂纹生长性的平衡Al-Cu-Mg-Si合金，该合金基本上包含下列成分(按重量百分比)：Cu：3.6-4.9，Mg：1.0-1.8，Mn：≤0.50，优选＜0.30，Si：0.10-0.40，Zr：≤0.15，Cr：≤0.15，Fe：≤0.10，余量基本上是铝和附带的元素和杂质。同时公开了具有高韧性，良好强度水平和改良抗疲劳裂纹生长性的该平衡Al-Cu-Mg-Si合金产品的制造方法和该产品作为飞机结构部件的应用。

Description

Al-Cu-Mg-Si合金及其制造方法
发明领域
本发明涉及平衡Al-Cu-Mg-Si合金，该合金具有高韧性和改良的抗疲劳裂纹生长性，同时保持良好的强度水平，同时涉及具有高韧性，良好强度水平和改良抗疲劳裂纹生长性的平衡Al-Cu-Mg-Si合金的制造方法，和用于航空应用的轧制合金薄板产品。更具体地，本发明涉及用于结构航空应用并以AA2xxx系列标明的平衡Al-Cu-Mg-Si合金，该合金具有提高的性能，例如抗疲劳裂纹生长性，强度和断裂韧性。本发明同时涉及适合用作飞机的机身蒙皮或下机翼蒙皮的轧制合金产品。
发明背景
据了解本领域中在许多涉及相对高强度的应用例如飞机机身，车辆部件和其它应用中使用了可热处理铝合金。铝业协会合金(“AA”)2x24，例如AA2024，AA2324和AA2524是众所周知的可热处理铝合金，这些合金具有有效的强度和T3，T39和T351回火状态的韧性。
商用飞机的设计要求飞机上不同类型的结构具有不同的性能。特别是对于机身蒙皮或下机翼蒙皮，必须具有断裂韧性或疲劳裂纹生长形式的良好的裂纹生长抵抗性。同时不应降低该合金的强度。以薄板(sheet)或厚板(plate)形式使用且具有改良的破坏容限的轧制合金产品可提高乘客的安全，减少飞机的重量由此提高燃料的经济性，这可转化为更长的飞行范围，更低的成本和更低的维护频率。
据了解在本领域中使AA2x24合金的组成具有如下的宽的组成范围(按重量百分比)：
Cu    3.7-4.4
Mg    1.2-1.8
Mn    0.15-0.9
Cr    0.05-0.10
Si    ≤0.50
Fe    ≤0.50
Zn    ≤0.25
Ti    ≤0.15
余量是铝和附带的杂质。随后，在该宽的2024-系列合金范围内发展出较窄的范围，特别是涉及较低的Si和Fe的综合范围以便提高特定的工程性质。
US-5,593,516公开了具有平衡化学组成的高破坏容限Al-Cu合金，该合金基本上包含下列成分(按重量百分比)：
Cu     2.5-5.5
Mg     0.1-2.3
Cumax  -0.91Mg+5.59
Cumin  -0.91Mg+4.59
Zr    最高至0.2或
Mn    最高至0.8
余量是镁和不可避免的杂质。同时公开了这种合金的T6和T8回火，该回火可以向由这种合金制成的轧产品提供高的强度。
US-5,897,720公开了具有“2024”-化学组成的高破坏容限Al-Cu合金，其中基本上包含下列成分(按重量百分比)：
Cu    3.8-4.9
Mg    1.2-1.8
Mn    0.3-0.9
Si    ＜0.30，优选＜0.12
Fe    ＜0.30，优选＜0.08
Ti    ＜0.30，优选＜0.06
余量是铝和不可避免的杂质，其中在热轧制之后并在该金属间化合物基本不溶解的温度下对该合金进行退火。该退火温度在398℃和455℃之间。
JP-A-07252574公开了制造Al-Cu-Mg合金的方法，该方法包括连续铸造之后进行热轧制和凝固时指定冷却速率的步骤。为了从连续铸造操作的高冷却速率中受益，控制Fe和Si的含量以便使Fe+Si的总量超过至少0.4wt％。
US-5,938,867公开了具有“2024”-化学组成的高破坏容限Al-Cu合金，该合金基本上包含下列成分(按重量百分比)：
Cu    3.8-4.9
Mg    1.2-1.8
Mn    0.3-0.9
余量是铝和不可避免的杂质，其中在热轧制之后使用385℃至468℃之间的退火温度对该铸锭进行中间退火。
EP-0473122及US-5,213,639公开了基本上包含下列成分的铝基合金(按重量百分比)：
Cu    3.8-4.5，优选4.0-4.5
Mg    1.2-1.8，优选1.2-1.5
Mn    0.3-0.9，优选0.4-0.7
Fe    ≤0.12，优选最多0.1
S i    ≤0.10
余量是铝，附带元素和杂质，其中对这种铝基合金进行热轧制，加热到约910°F以便溶解可溶成分，然后再次热轧，由此得到了强度与高断裂韧性和低疲劳裂纹生长速率的良好组合。更具体地，US-5,213,639公开了在对铸锭进行热轧之后使用479℃至524℃范围的温度进行的必要的中间退火处理，并对该中间退火的合金再次进行热轧，其中该合金可选包含下列元素中的一种或多种：
Cr    0.02-0.40
V     0.01-0.5
Hf    0.01-0.40
Cr    0.01-0.20
Ag    0.01-1.00
Sc    0.01-0.50
相比上述的传统2024合金，这种合金在T-L断裂韧性上显示出5％的提高和某些ΔK水平上改良的抗疲劳裂纹生长性。
EP-1170394-A2公开了具有改良的抗疲劳裂纹生长性的铝薄板产品，该合金具有一定以晶粒限定的各向异性显微组织，其中晶粒具有大于约4的平均长宽比，并且该产品基本上包含下列成分(按重量百分比)：
Cu    3.5-4.5
Mg    0.6-1.6
Mn    0.3-0.7
Zr    0.08-0.13
余量基本上是铝，附带元素和杂质。该实例显示Si的水平在0.02至0.04的范围内，同时维持Cu的水平大于3.0。此外公开了Si水平在0.10和2.50之间而Cu水平低于2.0的Al-Mg-Si合金(AA6xxx系列)，以及具有至多0.50的Si水平而Cu水平低于1.5的Al-Mg合金(AA5xxx系列)。相比传统的2524薄板产品，首先提到的合金具有通过相应薄板产品得到的提高的压缩屈服强度性能。此外，据介绍这种具有高Mn变量的薄板产品的强度和韧性的组合优于2524-T3。通过晶粒结构中的高度各向异性，可以提高抗疲劳裂纹生长性。
此外，据介绍低铜-高锰试样相对于高铜-低锰试样表现出更高的性能。拉伸强度测试所得结果显示高的锰变量表现出比低锰变量更高的强度值。据报道锰的增强效果出人意料地高于铜的强化效果。
发明概述
本发明的一个目的是提供平衡2xxx合金，该合金具有高韧性和改良的抗疲劳裂纹生长性，同时维持传统2024，2324或2524合金良好的强度水平。本发明的另一个目的是提供可用于飞机应用如机身蒙皮或下机翼蒙皮的铝合金薄板产品，该产品具有改良的断裂韧性和抗疲劳裂纹生长性。
本发明的又一个目的是提供轧制铝合金薄板产品和制造这些产品的方法，以便提供可用于飞机的结构部件，该部件具有提高的抗疲劳裂纹生长性，并提供提高的断裂韧性同时维持高的强度水平。
更具体地，对于2024至2524合金范围内的轧制2xxx系列铝合金，当用于航空应用时一般要求其疲劳裂纹生长速率(“FCGR”)应当不大于规定的最大值。满足高破坏容限2024系列合金产品要求的FCGR是例如ΔK＝20MPa√m下低于0.001mm/循环和ΔK＝40MPa√m下0.01mm/循环的FCGR。同时不应降低拉伸屈服强度(或屈服强度)和极限拉伸强度，例如在L-方向Rp不低于例如310MPa而Rm不低于例如430MPa。
本发明优选解决上述目的中的一个或多个。
优选实施方案详述
依照本发明公开了具有高韧性，良好强度水平和改良抗疲劳裂纹生长性的平衡Al-Cu-Mg-Si合金，该合金包含下列成分(按重量百分比)：
Cu    3.6-4.9
Mg    1.0-1.8
Mn    ＜0.30
Si    0.10-0.40
Zr    ≤0.15
Cr    ≤0.15
Fe    ≤0.10
余量基本上是铝和附带的元素和杂质，附带的元素和杂质典型每种＜0.05，且总量小于0.15。
意外发现较低水平的锰可产生高的韧性和改良的抗疲劳裂纹生长性，特别是在拉伸载荷下的韧性和抗疲劳裂纹生长性较为重要的领域中。意外地是，通过降低锰的量，处于T3回火，更特别是处于T351回火的本发明的合金具有显著提高的韧性。此外，已发现通过提高Si的量可获得与传统AA2x24合金的强度水平相当的强度水平。另外，已发现通过提高Si的含量并得到了改良的FCGR性能。将Si含量提高到当前航空等级材料中所用水平以上的水平，即典型＜0.10，且优选＜0.07wt％。
更具体地，已发现降低锰的水平和通过提高硅的水平，可以将该合金的抗疲劳裂纹生长性相比传统2024合金提高最多达90％，而且如果维持强度水平可以将其提高到传统2024合金的约65％。在该情形中，与传统的2024合金相比甚至韧性也得到了提高。通过降低锰的水平，提高了韧性以及抗疲劳裂纹生长性，但其中强度水平降低。通过同时提高硅的水平，强度水平再次提高且不会使韧性降低到不能接受的水平。
锰含量(按重量百分比)的优选范围为至多0.10，最优选在附带元素和杂质的范围以内。这意味着锰的量应为0或至少可以忽略。
铜含量(按重量百分比)的优选范围是3.9至4.6，最优选为4.3至4.5。铜是增加合金强度的重要元素。已发现约4.4的铜含量可产生强度，韧性，可成形性和腐蚀性能的良好均衡，同时仍可产生足够的破坏容限性能。
镁含量(按重量百分比)的优选范围是1.2至1.7，最优选为1.5至1.7。镁也向该铝合金产品提供强度。
硅含量(按重量百分比)的优选范围是0.23至0.30，更优选的是0.23至0.28，且最优选约0.25。然而现有技术的AA2xxx系列合金试图避免硅，因为据认为它是有害的杂质元素，本发明慎重地使用硅来提高低Mn含量合金的强度水平，而且该合金优选基本上不含锰。依照本发明，已发现铸造技术对于有某些提高的Si含量以及低Mn含量产生的益处较为重要。
另一个根据本发明的优选的具体合金包含约4.4％的铜，约1.68％的锰，约0.25％的硅且不含镁(除非作为不可避免的杂质)。
此外，本发明的合金可优选另外包含元素Zn，Ag，Hf，V，Sc，Ti或Li中的一种或多种，其总量小于1.00(按重量百分比)。本发明的合金是非再结晶合金或再结晶合金或者是它们的组合。
根据本发明制造如上所述的平衡Al-Cu-Mg-Si合金的方法，且该合金具有高韧性，良好的强度水平和改良的抗疲劳裂纹生长性，该方法包括下列步骤：
a)铸造具有下列成分(按重量百分比)的轧制坯锭：
Cu    3.6-4.9
Mg    1.0-1.8
Mn    ＜0.30
Si    0.10-0.40，优选0.15至0.35
Zr    ≤0.15
Cr    ≤0.15
Fe    ≤0.10
余量基本上是铝和附带的元素和杂质，其中通过半连续直接激冷(DC)铸造铸造该坯锭；
b)铸造后对该坯锭进行均匀化和/或预热；
c)将该坯锭热轧和可选冷轧，成为轧制产品；
d)固溶热处理(SHT)；
e)对该热处理产品进行淬火；
f)对该淬火产品进行拉伸；和
g)对轧制且固溶热处理和淬火的产品进行自然时效。
热轧坯锭之后，可以对该热轧坯锭进行退火和/或再次加热，并进一步对该轧制坯锭进行热轧。此外可以在热轧和冷轧之间以与均匀化期间的相同温度和时间进行热处理，例如460℃下1至5小时和490℃下约24小时。优选在冷轧之前和/或期间对该热轧坯锭进行中间退火以便提高晶粒的有序化。优选以约2.0mm的厚度(gauge)进行这个中间退火并在350℃下持续1小时。此外，建议将该轧制和热处理产品拉伸最大3％，且优选拉伸1-2％，然后将该拉伸产品自然时效10天以上，优选约10至20天以便达到T3或T351回火状态。
本发明进一步提供了轧制的平衡Al-Cu-Mg-Si合金薄板产品，该产品具有改良的抗疲劳裂纹生长性并具有上文所述的合金成分。这种轧制合金薄板产品优选具有用于例如机身蒙皮应用的约2.0mm至12mm的厚度和用于例如飞机下机翼蒙皮应用的约25mm至50mm的厚度。本发明由此提供了具有改良的抗裂纹生长性质且维持良好强度水平的飞机机身薄板或飞机下机翼构件薄板。
由下列两个优选实施例的详述，依照本发明的合金产品的前述和其它特征和优点将变得显而易见。
实施例
以工业规模将四种不同铝合金铸造成具有如表1所示的下列化学成分的坯锭，其中前两种合金是分别命名为AA2024和AA2524的参照合金。
将该合金加工成具有T35 1回火且最终厚度为2.00mm的薄板。将DC铸锭在约490℃下均匀化约24小时，然后在410℃进行热轧。进一步对该板材进行冷轧，表面热处理并拉伸约1％。在至少10天的自然时效之后对所有的合金进行测试。
然后，在L方向测量拉伸屈服强度(PS)和极限拉伸强度(UTS)性能。另外，在T-L方向测量缺口韧性(TS/Rp)。对于Kahn抗裂试验依照ASTM-B871(1996)进行该测试，而对于拉伸试验依照EN-10.002。
表1：DC铸造铝合金的化学成分，以重量百分比表示，Fe约0.06％，余量是铝和不可避免的杂质。
合金 Cu  Mn  Mg  Zr  Si
 AA2024  4.4  0.59  1.51  0  0.05
 AA2524  4.3  0.51  1.39  0  0.05
 1  4.4  0  1.68  0  0.25
 2  4.4  0  1.61  0  0.11
表2：表1中合金1至4在L方向和T-L方向的拉伸性能和缺口韧性
L  T-L
 合金 PS(MPa) UTS(MPa)  TS/Rp
 AA2024  344  465  1.74
 AA2524  338  447  1.99
 1  325  451  1.97
 2  310  458  2.09
由表2可看出，合金1和2的缺口韧性约等于或优于传统的2024/2524合金。基本上不含锰的合金表现出极好的韧性。通过将硅增加(合金1)到当前航空等级铝合金产品所用硅含量以上的水平，可以提高拉伸强度水平而且不会将韧性和极限拉伸强度水平降低到无法接受的水平。
为确定疲劳裂纹生长速率(“FCGR”)，依照ASTM E647在80mm宽的M(T)板上以R＝0.1和不变载荷并以8Hz的频率对所有的合金进行测试。表3中所示的寿命定义为裂纹从5mm的长度生长到20mm的时间(以循环数表示)。最大应力是54MPa。初始缺口是4.1mm。不使用抗压曲设备。结果如表3所示。
表3：所有合金与商品化AA2024合金(＝基线)相比的疲劳裂纹生长速率
合金 a＝5和20mm之间的循环 相对于AA2024的寿命提高
AA2024  170，694 基线
AA2524  216，598  27％
1  283，876  66％
2  322，940  89％
从表3的结果可以看出锰水平越低则寿命越长。通过增加硅，强度水平(如表2所示)再次提高然而寿命的提高仍相当高。这意味着当锰水平较低时，疲劳裂纹生长速率的提高显著更高，或多或少与硅的水平无关。这意味着这些合金，特别是较低ΔK值的合金具有显著更长的寿命因此非常适合用于航空应用。
现在已全部描述了本发明，本领域的普通技术人员明白在不背离下面所述的本方面的范围的情况下可以做出多种变化和改变。

Claims (27)

1.具有高韧性，良好强度水平和改良的抗疲劳裂纹生长性的平衡Al-Cu-Mg-Si合金，该合金包含下列成分(按重量百分比)：
Cu：3.6-4.9
Mg：1.0-1.8
Mn：＜0.10
Si：0.10-0.40
Zr：≤0.15
Cr：≤0.15
Fe：≤0.10
余量基本上是铝和附带的元素和杂质。
2.根据权利要求1的合金产品，其中Si含量按重量百分比的范围是0.15至0.35。
3.根据权利要求1的合金产品，其中Mn含量按重量百分比在附带元素和杂质的范围内。
4.根据权利要求1的合金产品，其中Cu含量按重量百分比的范围是3.9至4.6。
5.根据权利要求1的合金产品，其中Cu含量按重量百分比的范围是4.3至4.5。
6.根据权利要求1的合金产品，其中Mg含量按重量百分比的范围是1.2至1.7。
7.根据权利要求1的合金产品，其中Mg含量按重量百分比的范围是1.5至1.7。
8.根据权利要求1的合金产品，其中Si含量按重量百分比的范围是0.23至0.30％。
9.根据权利要求1的合金产品，其中Si含量按重量百分比的范围是0.23％至0.28％。
10.根据权利要求1的合金产品，其中所述合金另外包含元素Zn，Ag，Hf，V，Sc，Ti或Li中的一种或多种，其总量按重量百分比小于1.00。
11.根据权利要求1的合金产品，其中该合金产品处于T3回火状态。
12.根据权利要求1的合金产品，其中该合金处于T351回火状态。
13.根据权利要求11的合金产品，其中通过包括下列步骤的工艺制造该合金产品：半连续直接激冷铸造，热轧，固溶热处理，对该固溶热处理产品进行淬火，对该淬火产品进行拉伸，对该产品进行自然时效以达到T3或T352回火状态。
14.根据权利要求13的合金产品，其中在热轧和固溶热处理之间还包括冷轧。
15.制造根据权利要求1至10任何一个的平衡Al-Cu-Mg-Si合金的方法，且该合金具有高的韧性，良好的强度水平和改良的抗疲劳裂纹生长性，该方法包括下列步骤：
a)铸造包含下列成分的坯锭，按重量百分比：
Cu    3.6-4.9
Mg    1.0-1.8
Mn    ＜0.10
Si    0.10-0.40
Zr    ≤0.15
Cr    ≤0.15
Fe    ≤0.10
余量基本上是铝和附带的元素和杂质，其中通过半连续直接激冷铸造铸造该坯锭，
b)铸造后对该坯锭进行均匀化和/或预热，
c)将该坯锭热轧，成为轧制产品，
d)固溶热处理，
e)对该热处理产品进行淬火，
f)对该淬火产品进行拉伸，和
g)对该轧制且热处理的产品进行自然时效。
16.根据权利要求14的方法，其中Si含量按重量百分比的范围是0.15至0.35。
17.根据权利要求15的方法，其中在对坯锭进行热轧之后，对该热轧坯锭进行退火和/或再次加热并进一步热轧该轧制坯锭。
18.根据权利要求15的方法，其中对所述热轧坯锭在冷轧之前和/或期间进行中间退火。
19.根据权利要求15的方法，其中将所述轧制和热处理产品拉伸最高3％并自然时效10天以上。
20.根据权利要求15的方法，其中在步骤c)中将该坯锭热轧和冷轧，成为轧制产品。
21.根据权利要求1至14任何一个和/或通过依照权利要求15至20任何一个的方法制造的轧制平衡Al-Cu-Mg-Si合金薄板产品，该产品具有高的韧性和提高的抗疲劳裂纹生长性。
22.根据权利要求21的轧制产品，其中该产品具有2.0至12mm范围的最终厚度。
23.根据权利要求21的轧制产品，其中该产品具有25至50mm范围的最终厚度。
24.根据权利要求21至23任何一个的轧制Al-Cu-Mg-Si合金薄板产品，其中所述产品是飞机或飞船的结构部件。
25.根据权利要求21至23任何一个的轧制薄板产品，其中所述产品是飞机的机身蒙皮。
26.根据权利要求21至23任何一个的轧制薄板产品，其中所述产品是飞机的下机翼部件。
27.由根据权利要求1至14任何一个和/或依照权利要求15至20任何一个制造的轧制平衡Al-Cu-Mg-Si合金薄板制成的飞机机身薄板或飞机下机翼部件薄板。
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