專利名稱：可焊接的金屬制品的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及由含鈧的鋁合金制成的金屬制品。本發(fā)明進一步涉及整合有該金屬制品的焊接結(jié)構(gòu)(welded structure)。由這種金屬制品制成的產(chǎn)品非常適合于運輸業(yè)應用， 例如航天產(chǎn)品、船舶、公路和鐵路車輛方面的應用。
背景技術(shù)：
在下文中將會明了的是，除非另作說明，鋁合金牌號和狀態(tài)代號(temper designations)是指由美國鋁業(yè)協(xié)會(Aluminum Association)在2009年出版的“Aluminum Standards and Data and the Registration Records，，中的“Aluminum Association designations，，。除非另作說明，對于合金組成或優(yōu)選合金組成的任何描述，所指的百分數(shù)均為重
量百分數(shù)。在本領域中已知有若干種含有&的鋁合金。美國專利No. 5，624，632公開了一種鋁合金產(chǎn)品，其組成中實質(zhì)上不含鋅和鋰，并含有 3-7% 的 Mg、0. 05-0. 2% 的 Zr、0. 2-1. 2% 的 Μη、0· 15% 以下的 Si 和 0. 05-0. 5%形成彌散體的元素(dispersoid-forming element)，所述形成彌散體的元素選自于由Sc、Er、Y、 GcUHo或Hf組成的組，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。據(jù)稱此鋁合金產(chǎn)品尤其適合于對損傷容限(damage tolerance)有要求的應用。美國專利No. 6，139，653公開了由下列成分組成的鋁合金4_8 %的Mg、 0. 05-0. 6% 的 Sc、0. 1-0. 5% 的 Μη、0· 05-2% 的 Cu 或 Ζη、0. 05-0. 20% 的 Hf 或 Zr，余量為鋁和附帶的雜質(zhì)。該專利進一步公開了由下列成分組成的鋁合金4-8%的Mg、0.05-0.6%的 Sc、0. 05-2%的Cu或&ι、0. 05-0. 20%的Hf或^ ，余量為鋁和附帶的雜質(zhì)。美國專利No. 6，531，004公開了一種可焊接的、耐腐蝕的鋁合金，該鋁合金含有 5-6%的 Mg、0. 05-0. 15%的 Zr、0. 05-0. 12%的 Μη、0· 01-0. 2%的 Ti、總量為 0. 05-0. 5%的 &和Tb、以及至少0. 1-0. 2%的Cu或0. 1-0. 4%的Si，余量為鋁和不可避免的污染物，該污染物中的Si不超過1%。據(jù)該文件報道，在敏化條件下，由于Mn含量低而得到了改進的耐腐蝕性。含有&作為目的合金元素的鋁合金制品需要在強度和可焊性方面的平衡得到改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供含有&的鋁合金制品，該鋁合金制品在強度和可焊性方面的平衡得到改進。本發(fā)明的另一個目的是提供整合有含&鋁合金制品的焊接結(jié)構(gòu)，該鋁合金制品在強度和可焊性方面的平衡得到改進。通過提供經(jīng)擠出或軋制的包覆金屬制品(clad metal article)，本發(fā)明滿足或超
4出了這些目的和其他目的以及進一步的優(yōu)點；所述包覆金屬制品具有芯金屬層和包覆金屬層(cladding metal layer)，所述包覆金屬層位于所述芯金屬層的至少一個表面上，其中所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為含有至少約0. 05% -1% Sc的鋁合金，其中所述芯金屬層中的&含量低于所述包覆金屬層中的&含量。根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了在大量金屬制品中實現(xiàn)良好的機械性能，所需要的& 水平與用于實現(xiàn)良好焊接特性的&水平不同；由此，更高的&水平有利于焊接特性、例如通過激光束焊接。&含量的細微變化可顯著地影響相應的工程性能之一；如果要提供由單一化學組成制成的鋁合金制品，必須尋求平衡。然而，通過提供包覆金屬制品使得芯金屬層和包覆金屬層具有不同含量的&作為目的合金元素，并且籍此將所述包覆金屬層以冶金的方式(metallurgically)結(jié)合至所述芯金屬層，得到改進的制品，所述制品兼具所述芯金屬層有利的機械性能以及所述包覆金屬層有利的焊接特性，所述包覆金屬層含有比所述芯金屬層更高的&含量。僅在整個金屬制品的選定部分需要相對高水平的、相當昂貴的Sc，本發(fā)明在這方面還具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢?？蓪π窘饘賹雍退霭步饘賹又g&含量的差異進行定制(tailored)，以滿足工程性能方面的具體需求。在一個實施方式中，所述芯金屬層和所述包覆金屬層之間的 Sc含量差異為0. 02%以上、優(yōu)選0. 04%以上，例如約0. 06%或約0. 08%的差異。在一個實施方式中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬為鋁合金，所述鋁合金包含約3% -8%的Mg并進一步包含至少0. 05% _1%的&。在一個實施方式中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的所述金屬為鋁合金，所述鋁合金含有下列成分(以計)Mg 約 3%-8%，優(yōu)選約 3.8%-6% ；Mn 約 1. 4% 以下，優(yōu)選約 0. 05%-1. 2% ；Sc 0. 05% -1% ；Ag 約 0.5% 以下；Zn 約 2% 以下；Cu 約 2% 以下；Li 約 3% 以下；任選含有選自于由Zr 0. 03% -0. 4%,Cr 0. 03% -0. 4%,Hf 0. 03%-0. 4%和 Ti 0. 005% -0. 4%所組成的組中的一種或多種元素；Fe 約 0.；35% 以下；Si 約 0.25% 以下；不可避免的雜質(zhì)；余量為鋁。通常，不可避免的雜質(zhì)以每種0. 05%以下、合計0. 25%以下存在。鐵可以約0. 35%以下存在，優(yōu)選保持在約0. 25%的最大值。典型的優(yōu)選鐵水平可 0. 14%以下。硅可以約0.25%以下存在，優(yōu)選保持在約0.2%的最大值。典型的優(yōu)選Si水平可 0. 12%以下，例如約0. 04%的水平。在一個實施方式中，鋅可以約0.4%以下存在。然而，在另一個實施方式中，Si可作為強化元素(strengthening element)以約0.4%-2%存在。相對高的Si量對所述金屬制品的耐腐蝕性也具有積極作用。Cu可作為強化元素以約2 %以下的含量存在于AlMgk合金中。然而，在所述金屬制品其耐腐蝕性為非常關(guān)鍵的工程性能的應用中，優(yōu)選將Cu維持在0. 25%以下的低水平、 優(yōu)選0. 1 %以下的水平、更優(yōu)選0. 04%以下的水平。Li可在所述AlMgk合金中以約3%以下的含量存在，從而使產(chǎn)品具有低密度、高強度、良好的可焊性以及非常良好的自然老化響應(natural ageing response)。如果有目的地加入，優(yōu)選的Li水平為0. 5-3%，更優(yōu)選約1-2. 5%。在替代性的實施方式中，并未有目的地加入Li，Li應該保持在最大值0. 05%的雜質(zhì)水平上；更優(yōu)選所述鋁合金不含鋰。所述AlMgSc 合金可含有選自于由 Zr 0. 03% -0.4%, Cr 0. 03% -0.4%, Hf 0. 03% -0. 4%,Ti 0. 005% -0. 4%所組成的組中的一種或多種元素。在所述Al-Mg-Sc中， 優(yōu)選的合金元素為&。優(yōu)選加入的rLx為約0. 05% -0. 2%。Ti可作為強化元素加入所述AlMgk合金中，或者為了改進耐腐蝕性或者為了晶粒細化(grain refiner)的目的加入所述AlMgk合金中。在特定的優(yōu)選實施方式中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的所述金屬均為鋁合金，所述鋁合金由下列成分組成(以計)Mg 約 3. 8 % -5. 1 %，優(yōu)選約 3. 8 % -4. 7 % ；Mn 約0.4%以下，優(yōu)選約0.25%以下；Sc 0. 05% -1%,^it 0. 05% -0. 4% ；Zn 約 0.4% 以下；Cu 約 0.25% 以下；Cr 約 0.10% 以下；Zr 約 0.05-0. 20%;Ti 約 0.20% 以下；Fe 0.；35%以下，優(yōu)選約0. 15%以下；Si 0.25%以下，優(yōu)選約0. 10%以下；其他元素和不可避免的雜質(zhì)，各自的最大值為0. 05%，合計最大值為0. 15% ；余量為鋁。除了本發(fā)明為芯金屬層和包覆金屬層限定的&含量差異，顯然在生產(chǎn)該產(chǎn)品時的測量和控制精度之內(nèi)，所述芯金屬層和所述包覆金屬層可具有實質(zhì)上相同的化學組成。 當生產(chǎn)所述包覆金屬制品時，這改進了芯金屬層和包覆金屬層之間的相容性。在替代性的實施方式中，為實現(xiàn)所述包覆金屬制品的工程性能的進一步平衡，芯金屬層和包覆金屬層中的一種或多種合金元素所選擇的量可隨彼此進行變化。在一個實施方式中，所述芯金屬層的&含量為0. 05 % -0. 25 %、優(yōu)選約 0. 1% -0. 22%，例如約0. 14%或約0. 16%。所述包覆金屬層的&含量為約0. 2% -1%, 例如約0. 25%。特別是當生產(chǎn)包覆金屬層的制造工藝中在澆鑄期間應用高凝固速率時，Sc 水平可以下，例如約0.5%或約0.9%。在例如將板坯(slabs)或方坯(billets)進行直接激冷(DC)澆鑄的澆鑄工藝中，凝固速率達到約100K/秒以下，使得所使用的&水平約 0. 3%以下。
本發(fā)明所述的包覆金屬制品可作為經(jīng)擠出的制品提供，更優(yōu)選作為經(jīng)軋制的制品提供。在所述包覆金屬制品的一個實施方式中，所述包覆金屬制品以經(jīng)軋制的產(chǎn)品的形式提供，其中包覆金屬層的厚度為芯金屬層厚度的約_70%、優(yōu)選約2% -25%。在所述包覆金屬制品的一個實施方式中，所述包覆金屬制品以經(jīng)軋制的產(chǎn)品的形式提供，其中，在芯金屬層的至少一側(cè)設置有&含量不同的多個包覆金屬層。例如&含量為約0. 16%的芯金屬層可具有Sc含量為約0. 21 %的第一包覆金屬層和Sc含量為約 0. 28 %的第二包覆金屬層，所述第二包覆金屬層位于所述第一包覆金屬層外側(cè)?？衫糜糜趩我缓辖?uni-alloy)金屬制品的模擬技術(shù)(analogue technique) 使本發(fā)明所述的包覆金屬制品成形，例如通過蠕變成形或超塑成形。在本發(fā)明所述的包覆金屬制品的制造中，可通過任何合適的方法(例如通過軋制包覆)將所述包覆金屬層施用至所述芯金屬層?？赏ㄟ^例如2007年6月21日公布的專利文件W0-2007/070731(特別是在
40068]段中)中公開的擠出技術(shù)制造擠出形式的包覆金屬制品，該專利文件所公開的內(nèi)容以引用的方式具體引入本文。本發(fā)明一方面還涉及生產(chǎn)經(jīng)軋制的包覆金屬制品的方法，所述方法包括(i)通過共鑄在芯錠塊(core ingot)的至少一個面上設置包覆層(cladding)，以形成包覆錠塊；以及(ii)軋制所述包覆錠塊，以生產(chǎn)具有芯金屬層和至少一個包覆層的板制品或片制
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ΡΠ O在一個實施方式中，為了在金屬層之間產(chǎn)生實質(zhì)上連續(xù)的冶金結(jié)合 (metallurgical bond)，通過向所述包覆層上澆鑄所述芯錠塊來進行共鑄步驟(i)，其中所述包覆金屬層的金屬的溫度處于該金屬的固相線溫度和液相線溫度之間。這一共鑄法和設備也記載在2005年1月20日公布的美國專利公開號No. 2005/0011630中(上述專利所公開的內(nèi)容以引用的方式具體引入本文)。在另一個實施方式中，通過將所述包覆層以熔融形式向固態(tài)(solid)的芯錠塊上澆鑄來進行共鑄步驟(i)。本發(fā)明另一方面提供了一種焊接結(jié)構(gòu)，所述焊接結(jié)構(gòu)包含本發(fā)明所述的包覆金屬制品和通過焊接操作連接至所述包覆金屬層的至少一個鋁合金加強元件(stiffening element)。在一個實施方式中，本發(fā)明涉及航空器(aircraft)的焊接構(gòu)件(welded structural member)，所述構(gòu)件包含本發(fā)明所述的經(jīng)軋制的包覆金屬制品和至少一個鋁合金加強元件、優(yōu)選桁條(stringer)，所述鋁合金加強元件通過焊接操作(例如通過激光束焊接或通過摩擦攪拌焊接)連接至所述包覆金屬層。本發(fā)明還包括航空器或航天器(spacecraft)，其機身(fuselage)完全或部分地由本發(fā)明所述的焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)建，所述焊接結(jié)構(gòu)可整合入所述航空器的各個結(jié)構(gòu)部分。例如， 可使用所公開的各個實施方式來形成機翼組裝件(wing assembly)中的結(jié)構(gòu)部分和/或尾翼組裝件(tail assembly)中的結(jié)構(gòu)部分。所述航空器通常為商業(yè)客機，包括例如波音公司的737、747、757、767和777商業(yè)客機；或空中客車公司的A320、A350和A380商業(yè)客機。 在替代的實施方式中，本發(fā)明也可被整合入其他類型的飛行器(flight vehicle)中。這些飛行器的實例包括有人駕駛或無人駕駛的軍用航空器、旋翼航空器或甚至彈道式飛行器。 實施例含有0. 23% Sc的AA50M系列鋁合金的機身片可通過例如激光束焊接的方式連接至AlMgk桁條元件。所述機身片中的&水平應該達到熔合區(qū)(fusion zone)的高&水平，目的是從有利的焊接特性中獲益。根據(jù)本發(fā)明，利用含有約8% AA5024包覆層的AA50M片芯(core sheet)得到了更有利的焊接結(jié)構(gòu)；其中所述片芯的Sc水平為約0. 14%，從而使機械性能最佳；所述包覆層的&水平為約0.23%，目的是從相對高的&含量帶來的焊接特性中獲益?？赏ㄟ^相同于與單片機身片(monolithic fuselage sheet)進行焊接的方式，將AlMgk桁條焊接至包覆層。由AA50M合金制成的包覆金屬制品(該包覆金屬制品的芯金屬層和包覆層中含有不同水平的Sc)可通過例如本領域中已知的常規(guī)輥壓接合(roll bonding)進行生產(chǎn)。雖然已經(jīng)記載了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和替代實施方式(如上所述)，人們?nèi)匀豢梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出許多改變。因此，本發(fā)明的范圍并不局限于這些優(yōu)選實施方式和替代實施方式所公開的內(nèi)容。而是應該通過參見所附的權(quán)利要求書對本發(fā)明從整體上進行確定。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)擠出或軋制的包覆金屬制品，所述包覆金屬制品具有芯金屬層和包覆金屬層，所述包覆金屬層位于所述芯金屬層的至少一個表面上，其中所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為至少含有0. 05%-1% Sc的鋁合金，并且其中所述芯金屬層中的&含量低于所述包覆金屬層中的&含量。
2.如權(quán)利要求1所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為含有3%-8% Mg和0. 05% -1% &的鋁合金。
3.如權(quán)利要求1或2所述的包覆金屬制品，其中，所述芯金屬層中的Sc含量比所述包覆金屬層中的&含量至少低0. 02%，優(yōu)選至少低0. 04%。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為鋁合金，所述鋁合金以計含有下列成分Mg 3%-8%，優(yōu)選 3.9%-6% ；Mn 1.4% 以下；Sc 0. 05% -1% ；Ag 0.5% 以下；Zn 2%以下；Cu 2%以下；Li 3%以下；任選含有選自于由 Zr 0.03-0. 4%、Cr 0.03-0. 4%、Hf 0. 03-0. 4%和 TiO. 005-0. 4% 所組成的組中的一種或多種元素； Fe 0.；35% 以下； Si 0.25% 以下； 不可避免的雜質(zhì)；余量為鋁。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為鋁合金，所述鋁合金以計含有下列成分Mg 3. 8%-5. 1%，優(yōu)選 3. 8%-4. 7% ；Mn 0.4% 以下；Sc 0. 05% -1% ；Zn 0.4% 以下；Cu 0.25% 以下；Cr 0.10% 以下；Zr 0. 05-0. 20% ；Ti 0.20% 以下；Fe 0.；35% 以下；Si 0.25% 以下；其他元素和不可避免的雜質(zhì)，各自的最大值為0. 05%，合計最大值為0. 15% ；余量為ο
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述芯金屬層的&含量為 0. 05 % -0. 25 %，所述包覆金屬層的&含量為0. 2 % -1 %。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述芯金屬層由具有ΑΑ50Μ中的組成的鋁合金制成。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬層的厚度為所述芯金屬層的厚度的1^-70 ^
9.如權(quán)利要求1-8任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬制品為經(jīng)軋制的制品。
10.如權(quán)利要求1-8任一項所述的包覆金屬制品，其中，所述包覆金屬制品為經(jīng)擠出的制品。
11.包含如權(quán)利要求1-10任一項所述的包覆金屬制品和至少一個鋁合金加強元件的焊接結(jié)構(gòu)，所述鋁合金加強元件通過焊接連接至所述包覆金屬層。
12.航空器的焊接構(gòu)件，所述構(gòu)件包含如權(quán)利要求1-10任一項所述的經(jīng)軋制的包覆金屬制品和至少一個鋁合金加強元件、優(yōu)選桁條，所述鋁合金加強元件通過焊接連接至所述包覆金屬層。
13.—種生產(chǎn)如權(quán)利要求1-9任一項所述的經(jīng)軋制的包覆金屬制品的方法，所述方法包括通過共鑄在芯錠塊的至少一個面上設置包覆層，以形成包覆錠塊；以及軋制所述包覆錠塊，以生產(chǎn)含有芯層和至少一個包覆層的板制品或片制品。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過向所述包覆層上澆鑄所述芯錠塊來進行所述共鑄步驟，其中所述包覆金屬層的金屬的溫度處于所述金屬的固相線溫度和液相線溫度之間。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過將所述包覆層以熔融形式向固態(tài)的芯錠塊上澆鑄進行所述共鑄步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)擠出或軋制的包覆金屬制品，所述包覆金屬制品具有芯金屬層和包覆金屬層，所述包覆金屬層位于所述芯金屬層的至少一個表面上，其中所述包覆金屬層和所述芯金屬層的金屬均為至少含有0.05％-1％Sc的鋁合金、優(yōu)選鋁鎂合金，其中所述芯金屬層中的Sc含量低于所述包覆金屬層中的Sc含量。本發(fā)明進一步涉及整合有該金屬制品的焊接結(jié)構(gòu)。
文檔編號C22C21/02GK102395693SQ201080016367
公開日2012年3月28日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者安德魯·諾曼, 薩拜因·斯潘格爾 申請人:阿勒里斯鋁業(yè)科布倫茨有限公司