JP2022513112A - ７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品 - Google Patents

７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品 Download PDF

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Abstract

本発明は、重量％で、Ｚｎ ６．４０～７．５０、Ｍｇ ２．１５～２．７５、Ｃｕ １．２０～２．００、Ｃｕ＋Ｍｇ＜４．５０、Ｍｇ＜２．５＋５／３（Ｃｕ－１．２）、Ｆｅが最大０．２５、Ｓｉが最大０．２５、及び任意選択で（Ｚｒが最大０．３、Ｃｒが最大０．３、Ｍｎが最大０．４５、Ｔｉが最大０．２５、Ｓｃが最大０．５、Ａｇが最大０．５）からなる群から選択される１つ以上の元素を含み、残部がアルミニウムと不純物である組成を有する、鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品に関し、この合金製品は、４８５－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超（ｔはｍｍでの製品の厚さ）の１／４の厚さで測定する、Ｌ方向で測定する従来の引張降伏強度（ＭＰａで）；１７０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、少なくとも３０日の、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に準拠して測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命；及び、少なくとも平均４０ＭＰａ√ｍのＣＴサンプル上で、Ｌ－Ｓ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値を達成するために、時効化される。

Description

本発明は、鍛造Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕアルミニウムタイプ（またはアルミニウム協会指定の７０００または７ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金）に関する。より具体的には、本発明は、亀裂偏向耐性が向上した、時効硬化性、高強度、高応力腐食耐性のアルミニウム合金、及びそのアルミニウム合金製の製品に関する。この合金から作られた製品は、航空宇宙用途に非常に適しているが、それに限定されない。アルミニウム合金は、例えば、薄いプレート、厚いプレート、押し出し製品、鍛錬（ｆｏｒｇｅｄ）製品などの様々な製品形態に加工することができる。
アルミニウム－亜鉛－マグネシウム－銅系に基づく高強度アルミニウム合金は、多くの用途で使用されている。通常、これらの合金の特性プロファイルは用途に合わせて調整する必要があり、他の特性に悪影響を与えずに１つの特性を改善することは困難である。例えば、強度と腐食耐性は、目的の用途に最適な質別を適用することによってバランスをとる必要がある。関連性のある別の特性は、亀裂偏向に対する耐性であり、その場合、高感受性の合金がＬ－Ｓサンプルの予亀裂に疲労荷重を受ける場合、材料中に亀裂経路の偏向が生じ得る。この現象は、特定の条件下では構造の完全性に影響を及ぼす可能性があるため、部品メーカーにとって課題となり得る。亀裂偏向に対する感受性は、特にＺｎ含有高強度アルミニウム合金で観察されている。したがって、高強度と優れたＳＣＣ腐食耐性を兼ね備え、同時に亀裂偏向に対する耐性を高めたアルミニウム合金が必要である。
欧州特許ＥＰ－０８６３２２０－Ｂ２は、自動車産業で使用するための、押出加工によりＡｌＺｎＭｇＣｕ合金から製造されるスクリューまたはリベットを開示しており、ＡｌＺｎＭｇＣｕ合金は、重量％で、６．０～８．０％Ｚｎ、２．０～３．５％Ｍｇ、好ましくは２．６～２．９％Ｍｇ、１．６～１．９％Ｃｕ、０．０５～０．３０％Ｚｒ、最大０．１０％Ｃｒ、最大０．５０％Ｍｎ、最大０．１０％Ｔｉ、最大０．２０％Ｓｉ、最大０．２０％Ｆｅ、その他の元素がそれぞれ最大０．０５％、合計で最大０．１５％であり、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなる。
試験したすべての合金のＬ方向のＴＹＳに対するＫｍａｘ，ｄｅｖをプロットしたグラフ。
本明細書中で理解されているように、別段示される場合を除き、アルミニウム合金の指定及び質別の指定は、２０１８年にアルミニウム協会によって公開されているように、アルミニウム規格及びデータならびに登録記録におけるアルミニウム協会による指定を指し、当業者に周知である。質別の指定は、欧州規格ＥＮ５１５に規定されている。
合金組成物または好ましい合金組成物の任意の記載について、パーセンテージに対するすべての言及は、別段示されない限り、重量パーセントである。
本明細書中で使用する場合、用語「約」とは、合金添加元素の組成範囲または量を記載するために使用する場合、当業者によって理解されているように、標準的な処理のバリエーションなどの要因によって、合金添加元素の実際の量が、公称の意図された量に対して変動し得ることを意味する。
本明細書中で使用する場合、用語「最大」及び「最大約」とは、それが言及する特定の合金化成分がゼロ重量パーセントである可能性を明示的に含んでいるが、限定されない。例えば、最大０．５％のＳｃには、Ｓｃを含まないアルミニウム合金が含まれ得る。
本発明の目的は、高強度と高ＳＣＣ耐性のバランスが改良され、亀裂偏向に対する耐性が向上した鍛造７ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金製品を提供することである。
この目的及び他の目的ならびにさらなる利点は、鍛造７ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金製品を提供する本発明によって満たされ、達成され、合金製品は、好ましくは少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）のゲージを有し、重量％で以下の組成を有する。
Ｚｎ ６．４０％～７．５０％、
Ｍｇ ２．１５％～２．８５％、
Ｃｕ １．２０％～２．００％、
ただし、Ｃｕ及びＭｇ含有量が、Ｃｕ＋Ｍｇ＜４．５０％及びＭｇ＜２．５＋５／３（Ｃｕ－１．２）である。
Ｆｅ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
Ｓｉ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
及び、任意選択で以下からなる群から選択される１つ以上の元素：
Ｚｒ 最大０．３％、
Ｃｒ 最大０．３％、
Ｍｎ 最大０．４５％、
Ｔｉ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
Ｓｃ 最大０．５％、
Ａｇ 最大０．５％、
残部はアルミニウム及び不純物である。通常、そのような不純物は、それぞれ＜０．０５％、合計＜０．１５％で存在し、以下の特性を有するように製品を時効化する：
－ ４８５－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超（ｔはｍｍでの製品の厚さ）の１／４の厚さで測定するＬ方向のＡＳＴＭ－Ｂ５５７－１５規格に従って測定する従来の引張降伏強度（ＭＰａで）。好ましい実施形態では、引張降伏強度は、＞５００－０．１２（ｔ－１００）ＭＰａ、より好ましくは＞５１０－０．１２（ｔ－１００）ＭＰａである。
－ １７０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、少なくとも３０日の、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に準拠して測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命。好ましい実施形態では、厚さ方向（ＳＴ）応力レベルは、２０５ＭＰａ、より好ましくは２４０ＭＰａである。
－ 荷重制御疲労試験で試験した、少なくとも平均４０ＭＰａ√ｍ、好ましくは少なくとも平均４５ＭＰａ√ｍ、より好ましくは少なくとも平均５０ＭＰａ√ｍのＣＴサンプル上で、Ｌ－Ｓ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値（亀裂偏向は、意図した破壊面から２０°を超えて偏向する亀裂として定義される）。本明細書中で使用する場合、「亀裂偏向耐性」は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｒａｃｋ Ｇｒｏｗｔｈ Ｒａｔｅｓ」（「ＡＳＴＭ Ｅ６４７」）と題されたＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に従って少なくとも３つのＣ（Ｔ）試験片を調製することによって決定される。少なくとも３つのＣ（Ｔ）試験片は、Ｌ－Ｓ方向に材料の幅／３～２×幅／３で取り、試験片の「Ｂ」寸法は６．３５ｍｍ（０．２５インチ）であり、試験片の「Ｗ」寸法は少なくとも２５ｍｍ（０．９８インチ）であり、Ｔ／２位置から取る。試験片を、ＡＳＴＭ Ｅ６４７の定荷重振幅試験法に従って試験し、Ｒ＝０．１（Ｐ分／Ｐｍａｘ）、大気または高湿度空気、室温とする。予亀裂はＡＳＴＭ Ｅ６４７のすべての有効性要件を満たしていなければならず、予亀裂の生成はＡＳＴＭ Ｅ６４７の要件に従って実施しなければならない。Ｋｍａｘ＞１０ＭＰａ√ｍ．（９．０９８ｋｓｉ√インチ）を使用して試験を開始し、開始力は、ＡＳＴＭ Ｅ６４７ Ｃ（Ｔ）試験片の有効性要件（（Ｗ－ａ）≧（４／π）＊（Ｋｍａｘ－ｄｅｖ／ＴＹＳ）２）がもはや試験に適合しなくなる前に亀裂偏向が生じるのに十分な大きさでなければならない。試験は、最大で亀裂偏向のポイントまでＡＳＴＭ Ｅ６４７に従って有効でなければならない。Ｃ（Ｔ）試験片の亀裂が意図した破壊面から任意の方向に実質的に（例えば、２０～１１０°）ずれる場合、亀裂は「偏向」し、その偏向は、意図しない破壊面に沿った試験片の分離をもたらす。偏向時の平均亀裂長さ（ａｄｅｖ）は、２つの表面値（前面と背面の値）の平均を使用して導出される。Ｋｍａｘ－ｄｅｖは、Ｃ（Ｔ）試験片に対する、偏向時の平均亀裂長さ（ａｄｅｖ）、最大加力（Ｐｍａｘ）、及びＡＳＴＭ Ｅ６４７ Ａ１．５．１．１に準拠した応力拡大係数の式を使用して計算された最大応力拡大係数である（注：ΔＫとΔＰは、ＡＳＴＭ Ｅ６４７３．２．１４で定義されるように、応力比関係Ｒ＝Ｋmin／Ｋｍａｘ及び＾Ｋ＝Ｋｍａｘ－Ｋminに従って、それぞれ、Ｋｍａｘ－ｄｅｖとＰｍａｘに置き換えるべきである）。
特にアルミニウム合金のＺｎ、Ｃｕ及びＭｇレベルを注意深く制御することにより、特にＴ７条件で時効化すると、鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品は、高強度、高ＳＣＣ耐性と、優れた亀裂偏向耐性を有することの組み合わせのバランスが改善される。
一実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品のＺｎ含有量は、最大７．３０％、好ましくは最大７．１０％である。十分な強度を得るための好ましい最小Ｚｎ含有量は、６．５０％、より好ましくは６．６０％、そして最も好ましくは６．７５％である。
一実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品のＣｕ含有量は、最大１．９０％、好ましくは最大１．８０％、より好ましくは最大１．７５％、最も好ましくは最大１．７０％である。亀裂偏向を伴わずに、高い最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値と組み合わせて十分な強度を提供するための好ましい最小Ｃｕ含有量は１．３０％、より好ましくは１．３５％である。
一実施形態では、亀裂偏向を伴わずに、増加した最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値と組み合わせて十分な強度を提供するための鍛造アルミニウム合金製品のＭｇ含有量は、少なくとも２．２５％、好ましくは少なくとも２．３０％、より好ましくは少なくとも２．３５％、最も好ましくは少なくとも２．４５％である。一実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品のＭｇ含有量は、最大２．７５％、好ましくは最大２．６０％、より好ましくは最大２．５５％である。
好ましい実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品は、Ｚｎ ６．４０％～７．３０％、Ｍｇ ２．２５％～２．７５％、及びＣｕ １．２５％～１．９０％を有し、ただし、Ｃｕ＋Ｍｇ＜４．４５、及びＭｇ＜２．５５＋２（Ｃｕ－１．２５）である。
より好ましい実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品は、Ｚｎ ６．５０％～７．２０％、Ｍｇ ２．３０％～２．６０％、及びＣｕ １．３０％～１．８０％を有する。
より好ましい実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品は、Ｚｎ ６．７５％～７．１０％、Ｍｇ ２．３５％～２．５５％、及びＣｕ １．３５％～１．７５％を有する。
最も好ましい実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品は、Ｚｎ ６．７５％～７．１０％、Ｍｇ ２．４５％～２．５５％、及びＣｕ １．３５％～１．７５％を有する。
本発明による鍛造アルミニウム合金製品の好ましいＺｎ、Ｃｕ及びＭｇ範囲の概要を以下の表１に示す。
表１． 本発明による鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品における好ましいＺｎ、Ｃｕ及びＭｇの範囲の概要。
Figure 2022513112000002

一実施形態では、鍛造アルミニウム合金製品は、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｇｅ、Ｅｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｙ、Ｄｙ、及びＳｒの群から選択される１つ以上の元素を、最大０．３％、さらに含む。
鉄及びシリコンの含有量は、例えば、Ｆｅが約０．１５％を超えない、好ましくはＦｅが０．１０％未満であり、及びＳｉが約０．１５％超えない、好ましくはＳｉが０．１０％以下であるように、有意に低く保つべきである。いずれにせよ、本明細書ではあまり好ましくない基準ではあるが、依然としてわずかに高いレベルの両方の不純物、すなわち、最大で約０．２５％のＦｅ、及び最大で約０．２５％のＳｉが許容され得ると考えられる。
鍛造アルミニウム合金製品は、任意選択で、粒子構造と急冷感受性を制御するために：最大０．３％のＺｒ、最大０．３％のＣｒ、最大０．４５％のＭｎ、最大０．２５％のＴｉ、最大０．５％のＳｃからなる群から選択される１つ以上の分散質形成元素を含む。
Ｚｒレベルの好ましい最大値は０．２５％である。Ｚｒレベルの適切な範囲は、約０．０３％～０．２５％、より好ましくは約０．０５％～０．１８％、最も好ましくは約０．０５％～０．１３％である。Ｚｒは、本発明によるアルミニウム合金製品における好ましい分散質形成合金元素である。
Ｓｃの添加は、好ましくは約０．５％以下、より好ましくは約０．３％以下、最も好ましくは約０．２５％以下である。好ましいＳｃ添加の下限は、０．０３％、より好ましくは０．０５％である。一実施形態では、Ｚｒと組み合わせるとき、Ｓｃ＋Ｚｒの合計は、０．３５％未満、好ましくは０．３０％未満とするべきである。
単独で、または他の分散質形成剤と一緒に添加することができる別の分散質形成元素は、Ｃｒである。Ｃｒレベルは、好ましくは０．３％未満、より好ましくは最大約０．２５％、最も好ましくは最大約０．２２％とするべきである。好ましいＣｒの下限は、約０．０４％であろう。
本発明によるアルミニウム合金鍛造製品の別の実施形態では、合金はＣｒを含まず、これは、実際にはＣｒが不純物とみなされ、Ｃｒ含有量は、最大０．０５％、好ましくは最大０．０４％、より好ましくは最大でも０．０３％に過ぎないことを意味する。
Ｍｎは、単一の分散質形成剤として、または他の言及された分散質形成剤のいずれかと組み合わせて添加することができる。Ｍｎ添加の最大値は約０．４％である。Ｍｎ添加の実用的な範囲は、約０．０５％～０．４％の範囲であり、好ましくは約０．０５％～０．３％の範囲である。好ましいＭｎ添加の下限は、約０．１２％である。Ｚｒと組み合わせるとき、ＭｎとＺｒの合計は、約０．４％未満、好ましくは約０．３２％未満とするべきであり、適切な最小値は約０．１２％である。
本発明によるアルミニウム合金鍛造製品の別の実施形態では、合金はＭｎを含まず、これは、実際には不純物とみなされ、Ｍｎ含有量は、最大０．０５％、好ましくは最大０．０４％、より好ましくは最大でも０．０３％に過ぎないことを意味する。
別の実施形態では、Ｃｒ及びＭｎのそれぞれは、アルミニウム合金鍛造製品中に不純物レベルでのみ存在する。好ましくは、ＣｒとＭｎは合計で、最大０．０５％、好ましくは最大０．０４％、より好ましくは最大０．０２％のみ存在する。
最大約０．５％の範囲の銀（Ａｇ）を合目的に添加して、時効中に強度をさらに向上させることができる。合目的なＡｇ添加の好ましい下限は、約０．０５％、より好ましくは約０．０８％であろう。好ましい上限は、約０．４％であろう。
一実施形態では、Ａｇは、不純物元素であり、それは最大で０．０５％、好ましくは最大で０．０３％存在し得る。
一実施形態では、鍛造７ｘｘｘ系アルミニウム合金製品は、好ましくは少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）のゲージを有し、重量％で、以下からなる組成を有する。
Ｚｎ ６．４０％～７．５０％、
Ｍｇ ２．１５％～２．８５％、
Ｃｕ １．２０％～２．００％、
ただし、Ｃｕ＋Ｍｇ＜４．５０及びＭｇ＜２．５＋５／３（Ｃｕ－１．２）、
Ｆｅ 最大０．２５％、
Ｓｉ 最大０．２５％、
及び、任意選択で以下からなる群から選択される１つ以上の元素：
Ｚｒ 最大０．３％、
Ｃｒ 最大０．３％、
Ｍｎ 最大０．４５％、
Ｔｉ 最大０．２５％、
Ｓｃ 最大０．５％、
Ａｇ 最大０．５％、
残部は、アルミニウムと不純物が、各＜０．０５％、合計で＜０．１５％であり、本明細書に記載し、請求されているように、より狭い組成範囲が好ましい。
別の実施形態では、鍛造７ｘｘｘ系アルミニウム合金製品は、好ましくは少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）のゲージを有し、重量％で、以下からなる組成を有する。
Ｚｎ ６．４０％～７．５０％、
Ｍｇ ２．１５％～２．８５％、
Ｃｕ １．２０％～２．００％、
ただし、Ｃｕ＋Ｍｇ＜４．５０及びＭｇ＜２．５＋５／３（Ｃｕ－１．２）、
Ｆｅ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
Ｓｉ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
Ｚｒ ０．０５％～０．１８％、好ましくは０．０５％～０．１３％、
Ｔｉ 最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、
残部は、アルミニウムと不純物が、各＜０．０５％、合計で＜０．１５％であり、本明細書に記載し、請求されているように、より狭い組成範囲が好ましい。
強度、ＳＣＣ耐性、及び改善された亀裂偏向耐性の最適なバランスを提供するために、鍛造製品を、過時効したＴ７状態で提供することが好ましい。より好ましくは、Ｔ７状態は、Ｔ７３、Ｔ７４、Ｔ７６、Ｔ７７、及びＴ７９からなる群から選択される。
好ましい実施形態では、鍛造製品を、Ｔ７４質別、より具体的にはＴ７４５１質別に、またはＴ７６質別、より具体的にはＴ７６５１質別で提供する。
好ましい実施形態では、鍛造製品を、Ｔ７７質別、より具体的にはＴ７７５１質別に、またはＴ７９質別、より具体的にはＴ７９５１質別で提供する。
好ましい実施形態では、本発明による鍛造製品は、少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）の公称厚さを有する。さらなる実施形態では、厚さは、少なくとも２５．４ｍｍ（１．０インチ）である。さらに別の実施形態では、厚さは、少なくとも３８．１ｍｍ（１．５インチ）、好ましくは少なくとも７６．２ｍｍ（３．０インチ）である。一実施形態では、最大厚さは、３０４．８ｍｍ（１２．０インチ）である。好ましい実施形態では、最大厚さは、２５４ｍｍ（１０．０インチ）であり、より好ましくは最大２０３．２ｍｍ（８．０インチ）である。
鍛造製品は、様々な形態で、特に圧延製品、押し出し製品または鍛錬製品として提供することができる。
好ましい実施形態では、鍛造製品を、圧延製品として、より具体的には圧延プレート製品として提供する。
一実施形態では、鍛造製品は、航空宇宙製品、より具体的には、航空機構造部品、例えば、翼桁、翼リブ、翼外板、床梁、または胴体フレームである。
特定の実施形態では、鍛造製品を、３８．４ｍｍ（１．５インチ）～３０７．２ｍｍ（１２．０インチ）の範囲の、本明細書中に記載し請求するような好ましい狭い範囲の厚さを有する圧延製品として、理想的には航空機構造部品として提供し、Ｔ７状態で、より好ましくはＴ７４またはＴ７６状態で提供する。この実施形態では、圧延製品は、本明細書に記載し、請求するような特性を有する。
特定の実施形態では、鍛造製品を、３８．１ｍｍ（１．５インチ）～３０４．８ｍｍ（１２．０インチ）の範囲の、本明細書中に記載し請求するような好ましい狭い範囲の厚さを有する圧延製品として、理想的には航空機構造部品として提供し、Ｔ７６状態で、より好ましくはＴ７６５１状態で提供する。この実施形態では、圧延製品は、本明細書に記載し、請求するような特性を有する。
本発明のさらなる態様では、それは、好ましくは少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）のゲージを有する鍛造７ｘｘｘ系アルミニウム合金製品の製造方法に関し、方法は、
ａ． 本発明によるＡＡ７０００シリーズアルミニウム合金のインゴットの素材を鋳造し、
ｂ． 鋳造した素材を予備加熱及び／または均質化し、
ｃ． 圧延、押し出し、及び鍛錬からなる群から選択される１つ以上の方法により、素材を熱間加工し、
ｄ． 任意選択で、熱間加工した素材を冷間加工し、
ｅ． 熱間加工し、任意選択で冷間加工した素材を溶体化熱処理（「ＳＨＴ」）し、
ｆ． 好ましくは、スプレー焼入れまたは水もしくは他の焼入れ媒体へのずぶ焼入れのうちの１つにより、ＳＨＴ素材を冷却し、
ｇ． 任意選択で、冷却したＳＨＴ素材を延伸または圧縮するか、あるいは冷却したＳＨＴ素材を冷間加工、例えば、冷却したＳＨＴ素材をレベリングまたは延伸または冷間圧延して応力を緩和し、
ｈ． 冷却し、任意選択で延伸または圧縮するか、あるいは冷間加工したＳＨＴ素材を人工的に時効させて、所望の質別を達成し、好ましくはＴ７状態とする、工程を順に含む。
アルミニウム合金は、鋳造製品のための当技術分野で一般的な鋳造技術、例えば直接チル（ＤＣ）鋳造法、電磁鋳造（ＥＭＣ）法、電磁攪拌（ＥＭＳ）鋳造法により、適切な鍛造製品に製造するためのインゴット、スラブ、またはビレットとして提供することができる。連続鋳造から生じるスラブ、例えば、ベルトキャスターまたはロールキャスターもまた使用してよく、これは特により薄いゲージの最終製品を製造するときに有利であり得る。当技術分野で周知のように、例えば、チタンとホウ素、またはチタンと炭素を含有する結晶粒微細化剤もまた使用してもよい。アルミニウム合金のＴｉ含有量は、最大０．２５％、好ましくは最大０．１５％、より好ましくは０．０１％～０．１％の範囲である。任意選択で、鋳造インゴットは、例えば、それを約３５０℃～４５０℃の範囲の温度に保持し、続いて周囲温度までゆっくりと冷却することによって、応力を軽減することができる。合金素材を鋳造した後、一般的に、インゴットの表面を削ってインゴットの鋳放し表面近くの分離ゾーンを取り除く。
均質化熱処理の目的は、少なくとも以下の目的を有する。（ｉ）凝固中に形成される粗い可溶性相を可能な限り溶解すること、及び（ｉｉ）溶解工程を容易にするために濃度勾配を低減すること。予熱処理はまた、これらの目的のうちのいくつかも達成する。
一般的に、予熱とは、インゴットを設定温度に加熱し、この温度で設定時間浸漬した後、ほぼその温度で熱間圧延を開始することを指す。均質化とは、圧延インゴットに適用する、１つ以上の浸漬工程を含む加熱、浸漬、及び冷却サイクルを指し、均質化後の最終温度は周囲温度である。
本発明による方法で用いるＡＡ７ｘｘｘシリーズ合金についての一般的な予熱処理は、２～５０時間、より一般的には２～２０時間の範囲の浸漬時間で、３９０℃～４５０℃の温度であろう。
最初に、合金素材のＳ相、Ｔ相、及びＭ相などの可溶性共晶相及び／または金属間相を、通常の業界慣行を使用して溶解する。これは、ＡＡ７ｘｘｘシリーズ合金ではＳ相（Ａｌ２ＭｇＣｕ相）の融点が約４８９℃であり、Ｍ相（ＭｇＺｎ２相）の融点が約４７８℃であることから、通常、素材を５００℃未満の温度、通常は４５０℃～４８５℃の範囲で加熱することによって実行する。これは、当該温度範囲で均質化処理し、熱間圧延温度まで冷却するか、または均質化後、素材を引き続き冷却し、熱間圧延の前に再加熱することによって達成することができる。均質化プロセスは、所望の場合、２つ以上の工程で行ってもよく、これは、一般的には、ＡＡ７ｘｘｘシリーズ合金では４３０℃～４９０℃の温度範囲で実行され得る。特定の好ましい実施形態では、２工程均質化プロセスを適用し、正確な合金組成に応じて様々な相の溶解プロセスを最適化するために、４５５℃～４７０℃の第１工程、及び４７０℃～４８５℃の第２工程が存在する。
均質化温度での浸漬時間は１～５０時間の範囲であり、より一般的には２～２０時間である。適用し得る加熱速度は、当技術分野で一般的なものである。
予熱及び／または均質化の実施に続いて、圧延、押し出し、及び鍛錬からなる群から選択される１つ以上の方法によって素材を熱間加工する。本発明には熱間圧延法が好ましい。
熱間加工、特に熱間圧延は、好ましくは１２．７ｍｍ（０．５インチ）以上の最終ゲージまで実施してもよい。
一実施形態では、プレート材を、第１の熱間圧延工程において中間熱間圧延ゲージに熱間圧延し、続いて中間焼鈍工程、次いで第２の熱間圧延工程において熱間圧延して最終熱間圧延ゲージとする。
別の実施形態では、プレート材を第１の熱間圧延工程において中間熱間圧延ゲージに圧延し、続いて最大でＳＨＴ温度範囲の温度で再結晶焼鈍処理し、次いで第２の熱間圧延工程において熱間圧延して最終的な熱間圧延ゲージとする。これにより、特性の等方性が向上し、亀裂偏向に対する耐性がさらに向上する。
あるいは、熱間加工工程を実施して、中間ゲージで素材を提供することもできる。その後、中間ゲージのこの素材を、例えば圧延によって、最終ゲージまで冷間加工することができる。冷間加工の量に応じて、冷間加工作業の前または最中に中間焼鈍を使用してもよい。
次のプロセス工程は、熱間加工及び任意選択で冷間加工した素材の溶体化熱処理（「ＳＨＴ」）である。製品を加熱して、可能な限り、可溶性の亜鉛、マグネシウム、及び銅のすべてまたは実質的にすべての部分を溶液内に入れるべきである。ＳＨＴは、好ましくは、本明細書に記載の本発明による均質化処理と同じ温度範囲及び時間範囲で、好ましい狭い範囲と共に実施される。しかしながら、より短い浸漬時間もまた、例えば、約２～１８０分の範囲において、依然として非常に有用であり得ると考えられる。ＳＨＴは通常、バッチまたは連続炉で実施する。ＳＨＴ後、アルミニウム合金を高い冷却速度で１７５℃以下の温度、好ましくは周囲温度まで冷却して、二次相、例えば、Ａｌ２ＣｕＭｇ及びＡｌ２Ｃｕ、及び／またはＭｇＺｎ２の制御不能な析出を防止または最小限に抑えることが重要である。一方、冷却速度は、製品における十分な平坦性及び低レベルの残留応力を可能とするために、高過ぎるべきではない。適切な冷却速度は、水の使用、例えば、水浸漬または水ジェットを用いて達成され得る。
素材を、例えば、元の長さの約０．５％～８％の範囲で延伸することによってさらに冷間加工して、内部の残留応力を緩和し、製品の平坦性を向上させてもよい。好ましくは、延伸は、約０．５％～６％、より好ましくは約１％～３％の範囲である。冷却後、素材を人工時効化して、好ましくはＴ７状態、より好ましくはＴ７ｘ５１状態を提供する。
次いで、これらの熱処理したプレートの切片から、より一般的には、例えば、人工時効後に、所望の構造形状または最終製品に近い構造形状に機械加工する。
押し出し工程または鍛錬加工工程で作製する切片の製造において、続いて、ＳＨＴ、急冷、任意選択の応力緩和操作、及び人工時効も行う。
本発明を、本発明による非限定的な例を参照して例示する。
実施例１．
６つの異なるアルミニウム合金の圧延インゴットを製造する工業規模では、１２６０×４４０ｍｍの寸法を有する合金Ａ３を除いて、１４７０×４４０ｍｍの寸法と数メートルの長さでＤＣ鋳造されている。アルミニウム組成物（重量％）は、表２に記載されており、合金Ａ１、Ａ２及びＡ３は比較用の合金であり、合金Ａ４、Ａ５及びＡ６は本発明による合金である。合金Ａ１はＡＡ７４７５、合金Ａ２はＡＡ７１８１及び合金Ａ３はＡＡ７０１０の組成範囲内にある。当技術分野で通常行われているように、インゴットの応力を緩和し、続いて２工程の均質化熱処理を行う。合金Ａ１は、４７０℃で２時間、続いて４９５℃で１５時間均質化し、合金Ａ２～Ａ６は、それぞれ４７０℃で１２時間、続いて４７５℃で２５時間均質化した。ロジスティック上の理由から、均質化後のインゴットを、当技術分野で通常の冷却速度を使用して周囲温度に冷却し、スカルピングして、インゴットの平坦性を向上させ、鋳造表面を除去し、４１０℃に再加熱し、次に複数回の圧延工程で熱間圧延して１００ｍｍ厚の圧延製品とした。熱間圧延プレート製品から部分サンプルを取り出し、実験室規模の炉で４７０℃、２４時間熱処理し、冷水で急冷した。続いて、サンプルを１２０℃で５時間、続いて１６５℃で１５時間、人工時効化した。適用した人工時効化の慣行により、圧延製品は、Ｔ７６質別となる。次に、人工時効化した材料から、部分サンプルを関連する場所から取り出して機械加工し、適切な基準に従って試験するための寸法にした。
表２． 試験した６つの合金の合金組成（重量％）。残部はアルミニウムと不可避的不純物によって構成される。
Figure 2022513112000003

Ｌ方向及びＳＴ方向の機械的特性（引張降伏強度（ＴＹＳ）、引張強度（ＵＴＳ）、及び伸びＡ５０ｍｍ）は、適用される規格ＥＮ２００２－１に従って１／４の厚さで決定された。３つのサンプルの平均を表３に示す。
１７０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に準拠して測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命（日）を試験した。結果は表３にも記載されており、すべてのサンプルは、破損することなく３０日を上回る寿命を有していた。
また、荷重制御疲労試験で試験したＣＴサンプル上で、Ｌ－Ｓ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値も試験した（亀裂偏向は、意図した破壊面から２０°を超えて偏向する亀裂として定義される）。本明細書中で使用する場合、「亀裂偏向耐性」は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｒａｃｋ Ｇｒｏｗｔｈ Ｒａｔｅｓ」（「ＡＳＴＭ Ｅ６４７」）と題されたＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に従って少なくとも３つのＣ（Ｔ）試験片を調製することによって決定される。少なくとも３つのＣ（Ｔ）試験片は、Ｌ－Ｓ方向に材料の幅／３～２×幅／３で取り、試験片の「Ｂ」寸法は６．３５ｍｍ（０．２５インチ）であり、試験片の「Ｗ」寸法は少なくとも２５ｍｍ（０．９８インチ）であり、Ｔ／２位置から取る。試験片を、ＡＳＴＭ Ｅ６４７の定荷重振幅試験法に従って試験し、Ｒ＝０．１（Ｐ分／Ｐｍａｘ）、大気または高湿度空気、室温とする。予亀裂はＡＳＴＭ Ｅ６４７のすべての有効性要件を満たしていなければならず、予亀裂の生成はＡＳＴＭ Ｅ６４７の要件に従って実施しなければならない。Ｋｍａｘ＞１０ＭＰａ√ｍ．（９．０９８ｋｓｉ√インチ）を使用して試験を開始し、開始力は、ＡＳＴＭ Ｅ６４７ Ｃ（Ｔ）試験片の有効性要件（（Ｗ－ａ）≧（４／π）＊（Ｋｍａｘ－ｄｅｖ／ＴＹＳ）２）がもはや試験に適合しなくなる前に亀裂偏向が生じるのに十分な大きさでなければならない。試験は、最大で亀裂偏向のポイントまでＡＳＴＭ Ｅ６４７に従って有効でなければならない。Ｃ（Ｔ）試験片の亀裂が意図した破壊面から任意の方向に実質的に（例えば、２０～１１０°）ずれる場合、亀裂は「偏向」し、その偏向は、意図しない破壊面に沿った試験片の分離をもたらす。偏向時の平均亀裂長さ（ａｄｅｖ）は、２つの表面値（前面と背面の値）の平均を使用して導出される。Ｋｍａｘ－ｄｅｖは、Ｃ（Ｔ）試験片に対する、偏向時の平均亀裂長さ（ａｄｅｖ）、最大加力（Ｐｍａｘ）、及びＡＳＴＭ Ｅ６４７ Ａ１．５．１．１に準拠した応力拡大係数の式を使用して計算された最大応力拡大係数である（注：ΔＫとΔＰは、ＡＳＴＭ Ｅ６４７３．２．１４で定義されるように、応力比関係Ｒ＝Ｋmin／Ｋｍａｘ及び＾Ｋ＝Ｋｍａｘ－Ｋminに従って、それぞれ、Ｋｍａｘ－ｄｅｖとＰｍａｘに置き換えるべきである）。
表３． ６つの合金すべての試験結果。
Figure 2022513112000004

表３の結果から、すべてのアルミニウム合金製品が優れたＳＣＣ耐性を備えていると理解することができ、これは、多くの航空宇宙用途で使用するための前提条件である。
表３の結果から、合金Ａ１は、亀裂偏向に対する優れた耐性と組み合わせて、非常に優れたＳＣＣ耐性を提供すると理解することができる。しかしながら、少なくともＬ方向の強度レベルは非常に低く、アルミニウム合金は特定の構造的航空宇宙用途の理想的な候補ではない。
合金Ａ２は、Ｚｎ含有量が有意に増加しており、Ｌ方向の強度レベルが高くなっている。しかしながら、亀裂偏向に対する耐性は、合金Ａ１及び合金Ａ３に比べて有意に低くなっている。
合金Ａ１に比べて、合金Ａ３は少なくともＺｎ含有量が高いため、Ｌ方向の強度も高くなっている。亀裂偏向に対する耐性は合金Ａ１よりもわずかに低く、これは、強度の増加、特に引張降伏強度の増加に伴ってＫｍａｘ，ｄｅｖが減少すると予想されるとおりである。本発明による合金Ａ４、Ａ５及びＡ６は、良好なＳＣＣ耐性、向上した強度レベル、及び亀裂偏向に対する向上した耐性の好ましい組み合わせを提供する。図１には、試験したすべての合金のＬ方向のＴＹＳに対するＫｍａｘ，ｄｅｖをプロットしている。この図から、合金Ａ６が最も好ましいバランスを提供していると理解することができる。
本発明は、前術した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で広く変化し得る。

Claims (25)

  1. 重量％で、
    Ｚｎ ６．４０～７．５０、
    Ｍｇ ２．１５～２．８５、
    Ｃｕ １．２０～２．００、
    及びＣｕ＋Ｍｇ＜４．５０、及びＭｇ＜２．５＋５／３（Ｃｕ－１．２）、
    Ｆｅ 最大で０．２５、
    Ｓｉ 最大で０．２５、
    及び、任意選択で以下からなる群から選択される１つ以上の元素：
    Ｚｒ 最大で０．３、
    Ｃｒ 最大で０．３、
    Ｍｎ 最大で０．４５、
    Ｔｉ 最大で０．２５、
    Ｓｃ 最大で０．５、
    Ａｇ 最大で０．５を含み、
    残部がアルミニウム及び不純物である組成を有する、鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品であって、
    前記製品を時効化して：
    － ４８５－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超（ｔはｍｍでの前記製品の厚さ）の１／４の厚さで測定する、Ｌ方向に測定する従来の引張降伏強度（ＭＰａで）；
    － １７０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、少なくとも３０日の、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に準拠して測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命；
    － 荷重制御疲労試験で試験した、少なくとも平均４０ＭＰａ√ｍ、好ましくは少なくとも平均４５ＭＰａ√ｍのＣＴサンプル上で、Ｌ－Ｓ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値（亀裂偏向は、意図した破壊面から２０°を超えて偏向する亀裂として定義される）を達成する、前記鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  2. 前記Ｍｇ含有量が、少なくとも２．２５％、好ましくは少なくとも２．３０％である、請求項１に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  3. 前記Ｚｎ含有量が、少なくとも６．５０％、好ましくは少なくとも６．６０％である、請求項１または２に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  4. 前記Ｚｎ含有量が、最大７．３０％、好ましくは最大７．１０％である、請求項１～３のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  5. Ｚｎ ６．４０～７．３０、
    Ｍｇ ２．２５～２．７５、
    Ｃｕ １．２５～１．９０、
    及びＣｕ＋Ｍｇ＜４．４５、及びＭｇ＜２．５５＋２（Ｃｕ－１．２５）である、請求項１～４のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  6. Ｚｎ ６．５０～７．２０、
    Ｍｇ ２．３０～２．６０、
    Ｃｕ １．３０～１．８０である、請求項１～５のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  7. Ｚｎ ６．７５～７．１０、
    Ｍｇ ２．３５～２．５５、
    Ｃｕ １．３５～１．７５である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  8. Ｚｎ ６．７５～７．１０、
    Ｍｇ ２．４５～２．５５、
    Ｃｕ １．３５～１．７５である、請求項１～７のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  9. 前記製品が、０．０３％～０．２５％の範囲、好ましくは０．０５％～０．１８％の範囲のＺｒ含有量を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  10. 前記製品が、０．０４％～０．３％の範囲、及び好ましくは０．０４％～０．２５％の範囲のＣｒ含有量を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  11. 前記製品が、最大０．０５％、及び好ましくは最大０．０３％のＣｒ含有量を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  12. 前記製品が、０．０５％～０．４％の範囲、及び好ましくは０．０５％～０．３％の範囲のＭｎ含有量を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  13. 前記製品が、最大０．０５％、及び好ましくは最大０．０３％のＭｎ含有量を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  14. 前記製品が、最大０．０５％のＭｎ＋Ｃｒの合計を有する、請求項１１及び１３に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  15. 前記製品が、少なくとも１２．７ｍｍの厚さを有する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  16. 前記製品が航空宇宙製品である、請求項１～１５のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  17. 前記製品がＴ７状態にある、請求項１～１６のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  18. 前記製品が、Ｔ７３、Ｔ７４、Ｔ７６、Ｔ７７、及びＴ７９からなる群から選択され、好ましくはＴ７４５１、Ｔ７６５１、Ｔ７７５１、及びＴ７９５１からなる群から選択されるＴ７状態にある、請求項１７に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  19. 前記製品が、少なくとも２５．４ｍｍの、より好ましくは少なくとも３８．１ｍｍの、最も好ましくは少なくとも７６．８ｍｍの、及び好ましくは最大３０４．８ｍｍの厚さを有する、請求項１～１８のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  20. 前記製品が、圧延、押し出し、または鍛錬製品の形態である、請求項１～１９のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  21. 前記製品が、圧延製品の形態である、請求項１～２０のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  22. 前記製品を、時効化して：
    － ５００－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超（ｔはｍｍでの前記製品の厚さ）の１／４の厚さで、好ましくは５１０－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超で測定する、Ｌ方向に測定する従来の引張降伏強度（ＭＰａで）；
    － 荷重制御疲労試験で試験した、少なくとも平均５０ＭＰａ√ｍのＣＴサンプル上で、Ｌ－Ｓ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値（亀裂偏向は、意図した破壊面から２０°を超えて偏向する亀裂として定義される）；
    － ２０５ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、好ましくは２４０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、少なくとも３０日の、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に従って測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命、のうちの１つ以上を達成する、請求項１～２１のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  23. 前記鍛造製品が航空機構造部品である、請求項１～２２のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  24. 前記鍛造製品が、翼桁、翼リブ、翼外板、床梁、及び胴体フレームの群から選択される航空機構造部品である、請求項１～２３のいずれか一項に記載の鍛造７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金製品。
  25. 請求項１～２４のいずれか一項に記載の、好ましくは少なくとも１２．７ｍｍのゲージを有する圧延アルミニウム合金製品の製造方法であって、前記方法が：
    （ａ） 請求項１～１４のいずれか一項に記載の組成を有するインゴットを鋳造し；
    （ｂ） 前記鋳造したインゴットを、均質化し；
    （ｃ） 前記鋳造インゴットを、少なくとも１２．７ｍｍの厚さを有する熱間圧延製品に熱間圧延し；
    （ｄ） 任意選択で、前記熱間圧延製品を冷間加工し；
    （ｅ） 前記圧延製品を溶体化熱処理し；
    （ｆ） 前記溶体化熱処理した製品を、好ましくは、スプレー焼入れまたは水もしくは他の焼入れ媒体へのずぶ焼入れのうちの１つによって冷却し；
    （ｇ） 前記溶体化熱処理して冷却した製品を、好ましくは元の長さの０．５％～６％の範囲で延伸し；そして
    （ｈ） 好ましくはＴ７４５１、Ｔ７６５１、Ｔ７７５１、及びＴ７９５１からなる群から選択されるＴ７条件に人工時効化して：
    － ４８５－０．１２＊（ｔ－１００）ＭＰａ超（ｔはｍｍでの前記製品の厚さ）の１／４の厚さで測定する、Ｌ方向に測定する従来の引張降伏強度（ＭＰａで）；
    － １７０ＭＰａの厚さ方向（ＳＴ）応力レベルで、少なくとも３０日の、ＡＳＴＭ Ｇ４７－９８に準拠して測定する応力腐食割れ（ＳＣＣ）による破損のない最小寿命；
    － 荷重制御疲労試験で試験した、少なくとも平均４０ＭＰａ√ｍ、好ましくは少なくとも平均４５ＭＰａ√ｍのＣＴサンプル上で、ＬＳ方向のＡＳＴＭ Ｅ６４７－１３ｅ０１に準拠した、室温、標準大気での亀裂伝播試験による、亀裂偏向のない最小Ｋｍａｘ－ｄｅｖ値（亀裂偏向は、意図した破壊面から２０°を超えて偏向する亀裂として定義される）を達成する工程を含む、前記製造方法。
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