專利名稱：鋁合金產(chǎn)品及人工時(shí)效方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及招合金,特別是招業(yè)協(xié)會(huì)(Aluminum Association)指定的7000系列(或者7XXX)鋁(“Al”)合金。更具體地，本發(fā)明涉及尺寸較厚，即約2-12英寸厚的Al合金產(chǎn)品。雖然本發(fā)明典型地應(yīng)用于軋制板材產(chǎn)品，但是其也可用于擠壓或鍛造產(chǎn)品。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明，由此類厚截面原材料/產(chǎn)品制成的部件具有更優(yōu)的強(qiáng)度-韌性組合，從而使其適合作為航空航天場(chǎng)合中的厚尺寸結(jié)構(gòu)部件或者由厚材料加工而成的薄截面部件。本發(fā)明也能有效改善耐腐蝕性能，尤其是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(或“SCC”)抗力。由所述合金制造的代表性結(jié)構(gòu)組件包括整體翼梁(integral spar)組件等,它們均由厚變形型材,包括軋制板材加工而成。這種翼梁組件可用于運(yùn)載量大的飛機(jī)的翼箱。本發(fā)明特別適合制造擠壓和鍛造的高強(qiáng)度飛機(jī)組件，例如主起落架臂。這種飛機(jī)包括商用噴氣客機(jī)、貨機(jī)(例如用于隔夜郵政服務(wù))和某些軍用飛機(jī)。在較低程度上，本發(fā)明的合金適合用于其它飛機(jī)，其中包括(但不限于)渦輪螺漿飛機(jī)。此外，根據(jù)本發(fā)明也可以制造非航空航天部件，如各種厚模鑄板(moldplate)。
背景技術(shù)：
隨著新型噴氣飛機(jī)的尺寸越來(lái)越大，或者隨著目前的噴氣機(jī)型的有效負(fù)載變得更重和/或飛行范圍變得更長(zhǎng)，以便改善飛機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)效益，不斷要求結(jié)構(gòu)部件如機(jī)身、機(jī)翼和翼梁的重量降低。航空工業(yè)正在通過(guò)指定強(qiáng)度更高的金屬部件，降低其截面厚度作為降低重量的權(quán)宜之計(jì)來(lái)滿足這一要求。除了強(qiáng)度之外，材料的耐久性和破壞容限對(duì)于飛機(jī)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。對(duì)在飛機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合材料多種特性的這種考慮最終導(dǎo)致了如今的破壞耐受設(shè)計(jì)技術(shù)，它將破損安全設(shè)計(jì)原理與周期性檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合。傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)包括一個(gè)翼箱，它在附

圖1中一般用數(shù)字2表示。它作為機(jī)翼的主要強(qiáng)度構(gòu)件由機(jī)身向外延伸，并且一般與圖1的平面垂直。此翼箱2包括上機(jī)翼蒙皮4和下機(jī)翼蒙皮6，所述上、下機(jī)翼蒙皮被在二者之間延伸或者將二者連接一起的垂直結(jié)構(gòu)組件或者翼梁12和20隔開(kāi)。翼箱也包括能夠在翼梁間延伸的翼肋(rib)。所述翼肋與圖1的平面平行，而機(jī)翼蒙皮和翼梁則與所述圖1的平面垂直。飛行期間，商用飛機(jī)機(jī)翼的上機(jī)翼結(jié)構(gòu)受到壓應(yīng)力作用，要求高的壓縮強(qiáng)度，同時(shí)又具有可接受的斷裂韌性。今天最大型飛機(jī)的上機(jī)翼蒙皮典型地由7XXX系列鋁合金例如7150(美國(guó)再發(fā)布專利34，008)或者7055鋁(美國(guó)專利5，221，377)制成。由于相同飛機(jī)機(jī)翼的下機(jī)翼結(jié)構(gòu)在飛行期間受拉應(yīng)力作用，因此，比相應(yīng)的上機(jī)翼 部件要求更高的破損極限。盡管可以要求使用強(qiáng)度更高的合金設(shè)計(jì)下機(jī)翼，以使重量效率最大，但是，這種合金的破損極限經(jīng)常不能滿足設(shè)計(jì)要求。為此，如今，大多數(shù)的商用噴氣飛機(jī)制造商指定破損極限更高的2XXX系列合金如2024或2324鋁(美國(guó)專利4，294，625)用于制造下機(jī)翼，采用所述2XXX合金制造的下機(jī)翼的強(qiáng)度比采用7XXX合金的上機(jī)翼低。自始至終使用的合金成員和特性的標(biāo)示均依據(jù)著名的鋁業(yè)協(xié)會(huì)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。附圖1中的上、下機(jī)翼蒙皮4和6分別采用縱向延伸的桁條構(gòu)件8和10加固。這種桁條(stringer)構(gòu)件可以設(shè)計(jì)成各種形狀，包括“J”，“I”，“L”，“T”和/或“Z”型橫截面結(jié)構(gòu)。這種桁條構(gòu)件典型地固定至機(jī)翼蒙皮內(nèi)表面上，如圖1所示。固定件典型地是鉚釘。上機(jī)翼桁條構(gòu)件8以及上翼梁緣條14和22目前采用7XXX系列合金制造，而下機(jī)翼桁條構(gòu)件10以及下翼梁緣條16和24，由于前述同樣的結(jié)構(gòu)上的原因，考慮到相對(duì)強(qiáng)度和破損極限，目前采用2XXX系列合金制造。垂直翼梁腹板構(gòu)件18和26也由7XXX合金制成，它們固定至上下翼梁緣條上，而同時(shí)又在由構(gòu)件翼梁12和20構(gòu)成的機(jī)翼縱向延伸。這種傳統(tǒng)的翼梁設(shè)計(jì)也被稱作“組合”翼梁，其包括上翼梁緣條14或22、腹板18或20和下翼梁緣條16或24，以及緊固件(未示出)。顯然，與翼梁接頭處的緊固件和緊固件孔是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。為了確保組合翼梁如18或20的結(jié)構(gòu)整體性，許多組成部件如腹板和/或翼梁緣條必須加厚，從而增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量?？朔鲜鲆砹褐亓肯拗茊?wèn)題的一個(gè)潛在設(shè)計(jì)方法是通過(guò)對(duì)單一厚截面的鋁合金產(chǎn)品例如板材進(jìn)行機(jī)械加工來(lái)制造上翼梁、腹板和下翼梁，典型地是通過(guò)去除相當(dāng)多的金屬，來(lái)制備更復(fù)雜、厚度較小的截面或形狀，例如翼梁。有時(shí)，這種機(jī)加工操作被稱作由其板材產(chǎn)品“彎拱”成部件。采用這種設(shè)計(jì)，可以免去制造腹板-上翼梁和腹板-下翼梁連接件的需要。類似這樣的一體式翼梁有時(shí)稱作“整體翼梁”，其可以由擠壓或鍛造的厚板加工而成。整體翼梁不僅重量低于其組合翼梁，而且由于不需要緊固件，其制造和組裝成本也較低。制造整體翼梁的理想合金應(yīng)該具有上機(jī)翼合金的強(qiáng)度性能，同時(shí)又具有下機(jī)翼合金要求的斷裂韌性/破損容限。目前已用于飛機(jī)的商品合金不能滿足這一優(yōu)選性能的組合。例如，下機(jī)翼蒙皮合金2024-T351的強(qiáng)度低，除非其截面厚度明顯增加，否則，將不能安全地承受自高荷載的上機(jī)翼傳遞的載荷。這繼而要求整個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的重量發(fā)生令人不希望的增力口。反過(guò)來(lái)，設(shè)計(jì)上機(jī)翼具有2XXX強(qiáng)度水平將導(dǎo)致總體重量的增加。大的噴氣飛機(jī)要 求很大的機(jī)翼。制造這種用于機(jī)翼的整體翼梁要求厚度為6-8英寸或更大的產(chǎn)品。合金7050-T74經(jīng)常用于厚截面部件。在航空材料規(guī)范AMS4050F中列出了 6英寸厚7050-T7451板的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定縱(L)向的最小屈服強(qiáng)度為60ksi，平面應(yīng)變斷裂韌性或者Klc; (L-T)為24ksi V in。對(duì)于同樣的合金特性和厚度，橫向(LT和T-L)的規(guī)定值分別為60ksi和22ksi V in。比較而言，最近開(kāi)發(fā)的上機(jī)翼合金是7055-T7751鋁，厚度為約0.375-1.5英寸，它能夠滿足根據(jù)MIL-HDBK-5H的最小屈服強(qiáng)度86ksi。如果最小屈服強(qiáng)度為60ksi的7050-T74的整體翼梁與上述的7055合金一起使用，則為了使重量效率最大，上機(jī)翼蒙皮的總體強(qiáng)度水平不能得到充分利用。因此，需要具有充分?jǐn)嗔秧g性的更高強(qiáng)度的厚鋁合金制造現(xiàn)在新噴氣機(jī)設(shè)計(jì)要求的整體翼梁結(jié)構(gòu)。這僅僅是高強(qiáng)度和韌性的厚截面鋁材料的益處的一個(gè)具體實(shí)例。在現(xiàn)代飛機(jī)上還存在許多其它應(yīng)用實(shí)例，例如機(jī)翼翼肋(Wing rib)、腹板或祐1條、翼板或蒙皮、機(jī)身框架、地板梁或艙壁(bulkhead)、甚至起落架梁(landing gear beam)或者上述各種飛機(jī)部件的各種組合。已知不同的人工時(shí)效處理導(dǎo)致不同的回火狀態(tài)，從而導(dǎo)致不同的強(qiáng)度和包括耐腐蝕性與斷裂韌性的其它性能。7XXX系列合金最經(jīng)常在諸如“峰值”強(qiáng)度(“T6型”)或“過(guò)時(shí)效”(“T7型”)回火狀態(tài)的人工時(shí)效條件下制造和銷售。美國(guó)專利4，863，528、4，832，758、4，477，292和5，108，520中的每一種均介紹了具有一定范圍的強(qiáng)度與性能組合的7ΧΧΧ系列回火態(tài)合金。在此全部引入這些專利的所有內(nèi)容，作為參考。本領(lǐng)域的專業(yè)人員周知的是:對(duì)于給定的7ΧΧΧ系列可鍛合金，峰值強(qiáng)度或者Τ6型回火狀態(tài)提供最高的強(qiáng)度值，但其同時(shí)具有較低的斷裂韌性和耐腐蝕性能。對(duì)于同樣的合金，也已知:過(guò)時(shí)效程度最大的回火狀態(tài)，如典型的Τ73型回火狀態(tài)，能夠提供最高的斷裂韌性和耐腐蝕性，但其強(qiáng)度值明顯較低。因此，當(dāng)制造給定的飛機(jī)部件時(shí)，部件設(shè)計(jì)者必須在上述兩個(gè)極端狀態(tài)之間選擇適當(dāng)?shù)幕鼗鹨?guī)范，以滿足特定的應(yīng)用場(chǎng)合?？梢栽阡X業(yè)協(xié)會(huì)的著名出版物-Aluminum Standards and Data2000發(fā)現(xiàn)包括“T_XX”后綴的回火狀態(tài)的更全面的描述。大多數(shù)的航空合金的加工均要求固溶熱處理(或“SHT”)，之后，進(jìn)行淬火和隨后的人工時(shí)效，以獲得強(qiáng)度和其它性能。然而，尋求改善厚截面的性能需面對(duì)兩個(gè)自然現(xiàn)象。第一，隨著產(chǎn)品的形狀變厚，產(chǎn)品內(nèi)部截面經(jīng)歷的淬火速度自然降低。這種降低進(jìn)而導(dǎo)致尺寸更厚的產(chǎn)品尤其是整個(gè)厚度的內(nèi)部區(qū)域的強(qiáng)度和斷裂韌性的損失。本領(lǐng)域的專業(yè)人員將這種現(xiàn)象稱之為“淬火敏感性”。第二，眾所周知，強(qiáng)度與斷裂韌性之間存在反向關(guān)系，因此，如果設(shè)計(jì)組成部件具有更高的強(qiáng)度，則它們的相對(duì)韌性就下降，反之亦然。為了更好地了解本發(fā)明，在商用航空7ΧΧΧ系列合金領(lǐng)域某些已證實(shí)的傾向值得注意。例如，鋁合金7050中，為了更好地控制晶粒結(jié)構(gòu)，用Zr替代Cr作為彌散劑，并且使Cu和Zn含量高于老的7075合金。與老的7075合金相比，合金7050的淬火敏感性得到明顯改善(即降低)，從而使得7050鋁成為厚截面航空應(yīng)用場(chǎng)合中的板材、擠壓件和/或鍛件的主要來(lái)源。對(duì)于強(qiáng)度-韌性要求更高的上機(jī)翼場(chǎng)合，稍稍提高7050鋁中Mg和Zn的組成最小量，便成為7050的一個(gè)鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)7150合金的變體。與老的7050合金相比，7150中Zn的最低含量由5.7wt.%增至5.9wt.%, Mg的最低含量由1.9wt.%增至2.0wt.%.
最終，開(kāi)發(fā)出了一種更新的上機(jī)翼蒙皮合金。與合金7050或7150相比，所述合金7055部分地通過(guò)使用7.6-8.4wt.%的更高Zn含量，類似的Cu含量以及稍稍降低的Mg含量(1.8-2.3wt.% )，其壓縮屈服強(qiáng)度提高10 %。過(guò)去為了獲得更高強(qiáng)度(通過(guò)增加合金組分和組成優(yōu)化)所進(jìn)行的努力不得不被金屬雜質(zhì)的增加和為了改善韌性與疲勞壽命通過(guò)熱機(jī)械處理(“TMP”)進(jìn)行的顯微結(jié)構(gòu)控制所抵消。美國(guó)專利5，865，911報(bào)告7XXX系列合金板材在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下，其韌性得到顯著提高。然而，據(jù)認(rèn)為，較厚尺寸的該合金的淬火敏感性會(huì)引起其它性能顯著劣化。鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)的合金7040要求主要合金組元的含量范圍如下:5.7-6.7wt.%Zn, 1.7-2.4wt.% Mg 和 1.5-2.3wt.% Cu。相關(guān)文獻(xiàn)，即:Shahani 等的文章 “HighStrength7XXX Al 1ys For Ultra-Thick Aerospace Plate:Optimization of AlloyComposition” (PROC.1CAA6,1998 年，第 2 卷，第 105-1110 頁(yè))和美國(guó)專利 6027582 指出:7040的開(kāi)發(fā)者為了改善強(qiáng)度和其它性能，尋求在合金元素之間建立優(yōu)化平衡，同時(shí)避免合金元素的過(guò)量添加，以便將淬火敏感性降至最低。盡管較厚尺寸的合金7040聲稱其某些性能比7050高，但是這些提高仍不能滿足更新的商用飛機(jī)設(shè)計(jì)者的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在幾個(gè)關(guān)鍵方面與目前用于航空領(lǐng)域的商品合金不同。鋁業(yè)協(xié)會(huì)給出了幾種目前商用7XXX航空合金的主要合金元素，具體如下:
權(quán)利要求
1.種厚度至少4英寸的鋁合金產(chǎn)品，其包含: 7.0-9.5wt.% 的 Zn ;1.3-1.7wt.%的 Mg ;1.4-1.9wt.% 的 Cu ;和 選自下組中的一種或多種元素:最多 0.3 或 0.4wt.%的21.， 最多0.4wt.%的Sc,和最多 0.3wt._Hf ; 其余部分為Al、附帶元素和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含晶粒細(xì)化劑。
3.權(quán)利要求2所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含0.05-0.15wt.%的Zr。
4.權(quán)利要求3所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含的Mg的量少于Cu的量。
5.權(quán)利要求4所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含7.0-8.0wt.%的211。
6.權(quán)利要求5所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含1.4-1.85wt.%的Cu。
7.權(quán)利要求6所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含1.4-1.68wt.%的Mg。
8.權(quán)利要求7所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含1.4-1.8wt.%的&1。
9.權(quán)利要求8所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品中包含1.4-1.6wt.%的1%。
10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品的厚度為至少6英寸。
11.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述鋁合金產(chǎn)品的厚度為至少8英寸。
全文摘要
鋁合金產(chǎn)品如板材、鍛件和擠壓件，其適合于航空結(jié)構(gòu)部件，例如整體的機(jī)翼翼梁、翼肋和腹板。所述合金產(chǎn)品含有約6-10wt.％Zn；1.2-1.9wt.％Mg；1.2-2.2wt.％Cu，其中，Mg≤(Cu+0.3)；以及約0.05-0.4wt.％Zr，余者為Al，附帶的元素和雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述合金含有約6.9-8.5wt.％Zn；1.2-1.7wt.％Mg；1.3-2wt.％Cu。厚尺寸的該合金提供改善的強(qiáng)度與斷裂韌性組合。當(dāng)采用優(yōu)選實(shí)施方案中的三階段方法進(jìn)行人工時(shí)效時(shí)，該合金也能獲得包括在海邊條件下較優(yōu)的SCC性能。
文檔編號(hào)C22F1/00GK103088241SQ20131000702
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2001年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者D·J·查克拉巴提, J·劉, J·H·古德曼, G·B·維尼瑪, R·R·薩特爾, C·M·克維斯特, R·W·維斯特倫德 申請(qǐng)人:阿爾科公司