CN1444665A - 铝基合金及制造其半成品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶金领域,特别涉及铝-铜-锂体系的低密度的高强度可焊接合金,该发明可用于飞机和宇宙飞船工程技术中。该合金包括铜、锂、锆、钪、硅、铁、铍和至少一种以下元素:镁、锌、锰、锗、铈、钇、钛。由该合金制造半成品的方法,该方法包括轧制前加热作为铸件的坯料、热变形、固溶体处理及水淬、拉伸、三阶段的人工老化。

Description

铝基合金及制造其半成品的方法
技术领域
本发明涉及冶金领域,具体地涉及铝—铜—锂体系的低密度高强度可焊接合金,该发明可用于飞机和宇宙飞船工程技术中。
背景技术
公知的铝基合金包括(重量%):
铜                              2.6-3.3
锂                              1.8-2.3
锆                              0.09-0.14
镁                              ≤0.1
锰                              ≤0.1
铬                              ≤0.05
镍                              ≤0.003
铈                              ≤0.005
钛                              ≤0.02-0.06
硅                              ≤0.1
铁                              ≤0.1 5
铍                              0.008-0.1
铝                              余量
                            (OST1-90048-77)
此合金的缺点是当长期低温加热时其焊接性低、耐冲击载荷性减低和机械性能的稳定性低。
选择具有以下组成的铝基合金作为原型(质量%):
铜                            1.4-6.0
锂                            1.0-4.0
锆                            0.02-0.3
钛                            0.01-0.15
硼                            0.0002-0.07
铈                            0.005-0.15
铁                            0.03-0.25
至少一种以下元素:
铌                            0.0002-0.1
钪                            0.01-0.35
钒                            0.01-0.15
锰                            0.05-0.6
镁                            0.6-2.0
铝                            余量
                          (RU 1584414,C22C21/12,1988)
该合金的缺点是其减低的热稳定性、不足够高的抗裂性、性能尤其是延伸性的高各向异性。
由Al-Cu-Li体系的合金制备半成品的方法是公知的,该方法包括在470-537℃加热坯料、热轧(热轧过程结束时金属的温度没有规定)、自549℃硬化、拉伸(ε=2-8%)和在149℃人工老化8-24小时或在162℃下36-72小时或在190℃下18-36小时。(US4.806.174,C22F1/04,1989)
该方法的缺点是因为残余的过饱和的固溶体及其随后的硬化相微粒沉淀的分解而使半成品性能的热稳定性低、以及延展性和抗裂性低,所有这些都增加了使用寿命内破裂的危险。
选择由Al-Cu-Li体系的合金制造产品的公知方法作为原型,该方法包括:在430-480℃变形前加热作为铸体的坯体、在不低于375℃的轧制加工温度下变形、自525±5℃硬化、拉伸(ε=1.5-3.0%)和150±5℃的人工老化20-30小时。(TechnologicalRecommendation for fabrication of plates from 1440 and 1450 alloys,TR456-2/31-88,VILS,Moscow,1988)
该方法的缺点是由于变形温度的间隔宽而导致的机械性能值的范围宽以及由于老化后的固溶体的残余过度饱和而导致的热稳定性低。
发明内容
所建议的铝基合金包括(质量%):
铜                                3.0-3.5
锂                                1.5-1.8
锆                                0.05-0.12
钪                                0.06-0.12
硅                                0.02-0.15
铁                                0.02-0.2
铍                                0.0001-0.02
至少一种以下元素:
镁                                0.1-0.6
锌                                0.01-1.0
锰                                0.05-0.5
锗                                0.02-0.2
铈                                0.05-0.2
钇                                0.005-0.02
钛                                0.005-0.05
铝                                余量
Cu/Li比为1.9-2.3。
还建议制造半成品的方法,其包括加热作为铸件的坯料至460-500℃,温度≥400℃时变形,自525℃水淬,拉伸(ε=1.5-3.0%),包括以下阶段的三阶段人工老化:
I-155-165℃,10-12小时,
II-180-190℃,2-5小时,
III-155-165℃,8-10小时,随后在炉子中以2-5℃/小时的冷却速率冷却至90-100℃,然后空气冷却至室温。
所建议的方法与原型不同之处在于变形加工前的坯料加热至460-500℃,变形温度不低于400℃,且人工老化过程在三个阶段实施:首先在155-165℃下10-12小时,然后在180-190℃下2-5小时和最后155-165℃下8-10小时;然后以2-5℃/小时的冷却速率实施冷却至90-100℃及随后的空气冷却至室温。
本发明的任务是减少飞机结构体的重量、增加其可靠性和使用寿命。
本发明的技术结果是提高了可塑性、包括耐冲击载荷性的抗裂性,还提高了长时间低温加热时的机械性能的稳定性。
所建议的合金组合物和由所述合金制造半成品的方法确保了必须的和足够的固溶体的饱和,容许在消耗主要地微T1-相(Al2CuLi)沉淀物而没有含Li的固溶体的残余过饱和方面达成高硬化效果,以及导致在实践中该合金当长期低温加热时的完全的热稳定性。
除此之外,在晶界上和晶粒内的硬化沉淀颗粒的体积分数和形态也是它们容许达成高强度和流动性、以及高可塑性、耐裂性和耐冲击负荷性的原因。
由于Al3(Zr、Sc)相颗粒的沉淀,所建议的合金组合物在锭中和在焊缝中形成均匀的微细晶粒结构,没有再结晶发生(包括相邻缝隙区),并因此提供了良好的防焊缝裂纹性。
因此,所建议的合金组合物和制造其半成品的方法容许达成高机械性能和损伤容限特性的总和,包括良好冲击性能,这归因于最小残余超饱和固溶体时T1-相硬化沉淀的合适形态,其导致高热稳定性。该合金的密度低而弹性模量高。此类性能的结合确保了重量减轻(15%)以及物品的可靠性和使用寿命提高25%
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明的实施方案。
实施例
由四种合金通过半连续方法制备平板锭(flat ingot)(90×220毫米截面)。所述合金的组成见表1。
该均匀化的锭在轧制前在电炉中加热。然后轧制7毫米厚的薄板。该轧制进程显示于表2中。该薄板自525℃水淬,然后伸展2.5-3%的永久变形。老化如下实施:
1阶段160℃,10-12小时,
2阶段180℃,3-4小时,
3阶段160℃,8-10小时,
由合金原型制备的薄板依照所建议的进程老化,以及依照原型的方法(150℃,24小时)老化。
一些薄板(老化后)另外在115℃下加热254小时,当判断结构变化和性能变化时其相当于在90℃下加热4000小时。
表3-4所示为用于机械性能测定的测试结果。在所述表中给出的数据明显地表明与原型相比较,所建议的合金和半成品的制造方法在热轧薄板性能方面是优良的,即伸长率—高10%、断裂韧度—高15%、比冲击能量—高10%,而他们的最终强度和流动性近乎相同。
在延长低温加热后,观察到在热稳定性能方面更高的优越性。
因此,由本发明的合金用本发明的方法制造的薄板的性能在实际中不发生变化。加热后几乎所有的性能的变化都不超过2-5%。
相反,原型合金显示:最终强度和流动性提高6%,伸长率减低30%,断裂韧度减低7%,疲劳裂缝生长增加10%,冲击强度减低5%。
这些性能的比较表明所建议的合金及制造其半成品的方法可提供不低于15%的结构重量减少(由于高强度和抗裂性)和增加不低于20%的物品的可靠性和使用寿命。
                                                                 表1
                                                           合金组成,重量%
合金  组成     Cu     Li    Zr     Sc    Si     Fe     Be    Mg    Mn    Zn   Ce     Ti     Y    Al    Cu/Li
本发明   1     3.4     1.5   0.08     0.09   0.04   0.02     0.07   0.3   0.15  -   -   -   0.001   余量     2.26
  2     3.48     1.76   0.11     0.069   0.05   0.02     0.06   0.28   0.31  0.02   -   0.02   0.001   余量     1.98
  3     3.1     1.63   0.07     0.1   0.1   0.2     0.0001   0.56   0.3  -   0.1   0.02   -   余量     1.9
现有技术(原型)   4     3.0     1.75   0.11     0.09   0.08   -     -   0.56   0.27  -   -   0.02   -   余量     1.71
                                                表2
                                        制造薄板的工艺进程
合金 组成 轧制前薄板的加热温度,℃ 轧制加工前金属的温度℃ 拉伸的永久变形,%                 老化
   1阶段   2阶段    3阶段
本发明  1 490 420 3.0 160℃,10h 180℃,3h 160℃,10h
 2 460 410 2.5 160℃,12h 180℃,4h 160℃,10h
 3 460 410 2.5 160℃,10h 180℃,3h 160℃,8h
现有技术(原型)  4 480 400 2.8 160℃,10h 180℃,3h 160℃,10h
 4′ 480 380 2.8                 150℃,24h
注意:1)合金1-3的薄板在拉伸前自525℃硬化,而合金4自530℃
  2)4’-依照原型方法老化。
                                               表3
                                在老化条件下热轧薄板的机械性能
                                             (纵向)
合金 组成 UTS,MPa YTS,MPa 伸长率,% 应力强度的临界系数*Kco,Mpa√mΔK=32Mpa√m 疲劳裂纹生长速率dl/dN,mm/k cycl.ΔK=32Mpa√m 负荷的比冲击能E,J/mm
本发明 1 569 534 9.5 65.8 2.35 18.2
2 657 542 9.1 64.3 2.4 17.6
3 560 530 10.8 66.4 2.2 18.4
原型 4 570 540 8.9 58.6 3.68 16.1
4′ 550 523 12.8 69.2 2.6 16.9
*样品的宽度(w)-160毫米
                                          表4
                       长期低温加热后热轧薄板的机械性能(115℃,254小时)
合金 组成 UTS,MPa YTS,MPa 伸长率,% 应力强度的临界系数*Kco,Mpa√mΔk=32Mpa√m 疲劳裂纹生长速率dl/dN,mm/kcycl.ΔK=32Mpa√m 负荷的比冲击能E,J/mm
本发明 1 570 534 9.5 64.5 2.07 18.0
2 578 545 8.4 65.2 2.4 17.6
3 565 532 10.6 67.2 2.1 18.5
原型 4 599 567 6.4 58.1 3.71 15.4
4′ 586 547 8.1 64.2 2.9 16.2

Claims (2)

1.铝基合金,其包括铜、锂、锆、钪、铁和至少一种以下元素:镁、锰,该合金的特征在于其另外含有硅和铍和至少一种以下元素:镁、锰、锌、锗、钇、铈、钛,其组成如下(质量%):
铜                            3.0-3.5
锂                            1.5-1.8
锆                            0.05-0.12
钪                            0.06-0.12
硅                            0.02-0.15
铁                            0.02-0.2
铍                            0.0001-0.02
至少一种以下元素:
镁                            0.1-0.6
锌                            0.02-1.0
锰                            0.05-0.5
锗                            0.02-0.2
铈                            0.05-0.2
钇                            0.005-0.02
钛                            0.005-0.05
铝                            余量
Cu/Li比为1.9-2.3。
2.由权利要求1的合金制造半成品的方法,该方法包括加热作为铸件的坯料、热变形、固溶体处理及水淬、拉伸、人工老化和最后冷却,该方法的特征在于变形过程前的坯料加热至460-500℃,变形温度不低于400℃,以及人工老化在三个阶段实施:首先在155-165℃下10-12小时,然后在180-190℃下2-5小时和最后155-165℃下8-10小时;然后以2-5℃/小时的冷却速率实施冷却至90-100℃及随后的空气冷却至室温。
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