用于制造飞机机身的各向同性铝‑铜‑锂合金板的制作方法

本发明涉及轧制的铝-铜-锂合金产品，更具体而言，涉及这样的产品/其制造方法和用途，尤其是用于航空和航天制造。
背景技术：
：开发轧制铝合金产品以制造尤其用于航空和航天业的机身部件。铝-铜-锂合金特别有希望用于制造该类产品。专利US5,032,359记载了一个铝-铜-锂合金大家族：其中添加镁和银，尤其是0.3-0.5重量％的镁和银，增加了机械强度。专利US5,455,003记载了用于制造铝-铜-锂合金的方法，所述合金在低温下，尤其是通过合适的冷锻和回火，具有改进了的机械强度和韧性。该专利尤其建议具有以下重量百分比的组合物：Cu＝3.0-4.5、Li＝0.7-1.1、Ag＝0-0.6、Mg＝0.3-0.6和Zn＝0-0.75。专利US7,438,772记载了包含以重量％计Cu:3-5％、Mg:0.5-2％、Li:0.01-0.9％的合金，且鉴于韧性和机械强度之间折衷的劣化，不鼓励使用更高含量的锂。专利US7,229,509记载了包含以重量％计(2.5-5.5％)Cu、(0.1-2.5％)Li、(0.2-1.0％)Mg、(0.2-0.8％)Ag、(0.2-0.8％)Mn、最大量为0.4％的Zr或其它晶粒细化剂如Cr、Ti、Hf、Sc、V的合金。专利US2009/142222A1记载了包含以重量％计3.4-4.2％Cu、0.9-1.4％Li、0.3-0.7％Ag、0.1-0.6％Mg、0.2-0.8％Zn、0.1-0.6％Mn和0.01-0.6％的至少一种用于控制晶粒结构的元素的合金。该申请还记载了用于制造拉拔产品(produitsfilés)的方法。专利申请US2011/0247730记载了包含以重量％计2.75-5.0％Cu、0.1-1.1％Li、0.3-2.0％Ag、0.2-0.8％Mg、0.50-1.5％Zn、最高1.0％Mn、同时Cu/Mg比为6.1-7的合金，该合金具有低的加工灵敏度。专利申请CN101967588记载了具有以下组成(以重量％计)的合金：Cu2.8-4.0％、Li0.8-1.9％、Mn0.2-0.6％、Zn0.20-0.80％、Zr0.04-0.20％、Mg0.20-0.80％、Ag0.1-0.7％、Si≤0.10％、Fe≤0.10％、Ti≤0.12％，其教导了锆和镁的联合添加。专利申请US2011/209801涉及了锻制品，例如基于铝的拉拔、轧制和/或锻造的产品，其包含(以重量％计)：Cu:3.0-3.9％、Li:0.8-1.3％、Mg:0.6-1.0％、Zr:0.05-0.18％、Ag:0.0-0.5％、Mn:0.0-0.5％、Fe+Si<＝0.20％、至少一种选自Ti:0.01-0.15％、Sc:0.05–0.3％、Cr:0.05–0.3％、Hf:0.05–0.5％的元素、其他元素各自<＝0.05且总计<＝0.15，余量为铝，所述产品特别用于制造用于航空业的结构元件的厚铝产品。用于制造机身应用的铝板的必要特征例如记载于专利EP1891247中。特别令人满意的是所述板具有高的屈服强度(对于抵抗弯曲)和高的平面应力断裂韧性，特征在于尤其是高的外观断裂应力强度因子(Kapp)和长的R曲线。专利EP1966402记载了具有以下组成(以重量％计)的合金：2.1-2.8％Cu、1.1-1.7％Li、0.1-0.8％Ag、0.2-0.6％Mg、0.2-0.6％Mn、各自小于或等于0.1重量％的Fe和Si，以及各自小于或等于0.05％且总计小于或等于0.15％的不可避免的杂质，合金基本上不含锆，尤其适用于制得再结晶板材。机身板可在几个方向载荷(sollicitées)，并且具有高性能且在L和TL方向上的机械强度与在L-T和T-L方向上的韧性平衡的的各向同性薄板是非常珍贵的。另外，已发现用在某些厚度，例如4mm，具有高性能的合金获得的薄板在一些情况下比用某些厚度，例如2.5mm，的合金获得的薄板具有较低的性质或各向异性。工业上使用具有不同厚度的不同合金常常是不利的，以及可以实现高的各向同性性质的任何厚度的合金将是特别有利的。需要薄板，特别是由铝-铜-锂合金制成的厚度为0.5-9mm的薄板，所述薄板与那些已知产品相比具有改进的性质和各向同性，尤其是在L和TL方向上的机械强度以及L-T和T-L方向上的韧性，并且在整个所述厚度范围内都如此。技术实现要素：本发明的目的是由铝基合金制成的基本再结晶(essentiellementrecristallisée)晶粒结构的厚度为0.5-9mm的板，该板包含：2.8-3.2重量％Cu、0.5-0.8重量％Li、0.1-0.3重量％Ag、0.2-0.7重量％Mg、0.2-0.6重量％Mn、0.01-0.15重量％Ti、含量小于0.2重量％的Zn、含量各自小于或等于0.1重量％的Fe和Si，以及含量各自小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％的不可避免的杂质，所述板通过包括铸造、均质化、热轧和任选的冷轧、固溶处理(miseensolution)、淬火和回火的方法获得。本发明的另一目的是用于制造由铝基合金制成的厚度为0.5-9mm本发明的板的方法，其中，依序地a)制造(élaborer)一个液态金属浴，其包含：2.8-3.2重量％Cu、0.5-0.8重量％Li、0.1-0.3重量％Ag、0.2-0.7重量％Mg、0.2-0.6重量％Mn、0.01-0.15重量％Ti、含量小于0.2重量％的Zn，含量各自小于或等于0.1重量％的Fe和Si，以及含量各自小于或等于0.05重量％且总计小于或等于0.15重量％的不可避免的杂质，b)由所述液态金属浴铸造一个板；c)在480-535℃的温度下均质化所述板；d)通过热轧以及任选的冷轧将所述板轧制成厚度为0.5-9mm的板；e)将所述板在450-535℃的温度下固溶处理且淬火；h)将所述板用可控的方式以0.5-5％的永久变形拉伸，在固溶处理和淬火之后的总冷变形为小于15％；i)进行回火，包括加热至130-170℃的温度以及优选150-160℃的温度5-100小时以及优选10-40小时。本发明的另一目的是本发明的板在用于飞机机身壁板的用途。附图说明图1–R曲线：对于760mm宽试样(éprouvette)在厚度为4-5mm的板的L-T方向上得到。图2–R曲线：对于760mm宽试样在厚度为1.5-2.5mm的板的L-T方向上得到。具体实施方式除非另有说明，涉及合金的化学组成的所有指示均基于合金的总重量以重量％表示。表示1.4Cu是指以重量％表示的铜含量乘以1.4。合金的命名与本领域技术人员已知的铝业协会(TheAluminiumAssociation)的规则一致。除非另有说明，应用欧洲标准EN515中所示的冶金状态的命名。拉伸静态力学特性，也就是极限抗拉强度(larésistanceàlarupture)Rm、在0.2％伸长率时的常规抗拉屈服强度(lalimited’élasticitéconventionnelleà)Rp0.2和断裂伸长率A％根据标准NFENISO6892-1的拉伸测试测定，测试的取样和方向根据EN485-1进行定义。在本发明的框架中，基本非再结晶晶粒结构是指例如在1/2厚度处的再结晶率(taux)小于30％、优选小于10％的晶粒结构，以及基本再结晶晶粒结构是指例如在1/2厚度处的再结晶率大于70％、优选大于90％的晶粒结构。再结晶率被定义为被再结晶晶粒占据的冶金切片(coupe)上的表面面积分数。晶粒大小根据标准ASTME112测量。给出了根据有效裂纹扩展的有效应力强度因子的曲线——称为R曲线——根据标准ASTME561进行定义。临界应力强度因子KC，换言之，使裂纹不稳定的强度因子由R曲线计算出来。另外，通过将单调加载开始时的初始裂纹长度归因于临界加载计算得到的应力强度因子KCO。计算所需形式的样品的这两个值。Kapp表示与已经被用于进行R曲线试验的样品对应的因子KCO。Keff表示与已经被用于进行R曲线试验的样品对应的因子KC。Kr60表示有效裂纹扩展Δaeff为60mm的有效应力强度因子。除非另有说明，对于M(T)型样品，裂纹大小在疲劳预裂阶段结束时为W/3，其中W为根据标准ASTME561中定义的样品的宽度。除非另有说明，应用标准EN12258的定义。本发明的产品的铜含量为2.8-3.2重量％。在本发明的一个有利实施方案中，铜含量为2.9-3.1重量％。本发明的产品的锂含量为0.5-0.8重量％以及优选0.55-0.75重量％。有利地，锂含量为至少0.6重量％。在本发明的一个实施方案中，锂含量为0.64-0.73重量％。加入的锂可有助于提高机械强度和韧性，过高或过低的含量无法获得高韧性值和/或足够的抗拉强度。本发明的产品的镁含量为0.2-0.7重量％，优选0.3-0.5重量％以及优选0.35-0.45重量％。锰含量为0.2-0.6重量％以及优选0.25-0.3重量％。在本发明的一个实施方案中，锰含量至多为0.45重量％。加入所限定的含量的锰可以控制晶粒结构并且同时避免过高含量对韧性产生的不利影响。银含量为0.1-0.3重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，银含量为0.15-0.28重量％。钛含量为0.01-0.15重量％。有利地，钛含量为至少0.02重量％以及优选至少0.03重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，钛含量至多为0.1重量％以及优选至多0.05重量％。加入钛有助于控制晶粒结构，尤其在铸造过程中。铁和硅含量各自至多为0.1重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铁和硅含量至多为0.08％以及优选至多为0.04重量％。受控且有限的铁和硅含量有助于改进机械强度和损伤容限之间的折衷。锌含量小于0.2重量％以及优选小于0.1重量％。锌含量有利地小于0.04重量％。不可避免的杂质的含量各自维持在小于或等于0.05重量％且总计为0.15重量％。特别地，锆含量小于或等于0.05重量％，优选小于或等于0.04重量％以及优选小于或等于0.03重量％。用于制造本发明的板的方法包括制造、铸造、轧制、固溶处理、淬火、可控拉伸以及回火的步骤。在第一步骤中，制造一个液体金属浴以便获得具有本发明的组成的铝合金。随后，将所述液体金属浴铸造成轧制板的形式。随后，将轧制板在480-535℃以及优选490-530℃以及优选500-520℃的温度下均质化。均质化的持续时间优选为5-60小时。在本发明的框架中，过低的均质化温度或缺少均质化无法获得与那些已知产品相比改进的性质和各向同性，尤其是在L和TL方向上的机械强度以及在L-T和T-L方向上的韧性方面，并且在整个该厚度范围内都如此。在均质化之后，通常将轧制板在预热之前冷却至室温，以便热变形。所述预热的目的在于获得优选400-500℃的温度，该温度允许通过热轧而变形。进行热轧以及任选的冷轧以便获得厚度为0.5-9mm的板。有利地，在热轧过程中，将温度维持在400℃以上直至厚度为20mm以及优选将温度维持在450℃以上直至厚度为20mm。在某些情况下在轧制过程中和/或轧制之后进行中间热处理。然而，优选地，所述方法在轧制过程中和/或轧制之后不包括任何中间热处理。由此获得的板然后通过450-535℃、优选490-530℃以及优选500-520℃的热处理进行固溶处理优选5分钟至2小时，然后进行淬火。有利地，固溶处理的持续时间至多为1小时以便使表面氧化最小化。本领域技术人员已知固溶处理的具体条件应该根据厚度和组成选择以便使硬化元素固溶(mettreensolutionsolide)。随后所述板通过受控拉伸应力经受永久变形为0.5-5％以及优选1-3％的冷变形。已知步骤如轧制、平整化、压平、矫直和成形可任选地在固溶处理和淬火之后以及在可控拉伸应力之前或之后进行，然而，在固溶处理和淬火之后的整个冷变形必须保持在小于15％以及优选小于10％。在固溶处理和淬火之后的高冷变形实际上导致许多穿过若干晶粒的剪切带出现，这些剪切带不是所需的。通常，淬火的板可在可控拉伸之前或之后经受平整化或压平步骤。在此，“平整化/压平”是指没有永久变形或永久变形小于或等于1％的改进平整度的冷变形步骤。进行回火，包括加热至130-170℃以及优选150-160℃的温度5-10小时以及优选10-40小时。优选地，最终冶金状态为T8状态。在本发明的一个实施方案中，在可控拉伸之后以及在回火之前进行短暂的加热处理以便改进板的成形性。因此所述板可通过例如在进行回火之前的拉伸成形方法来成形。本发明的板的晶粒结构为基本再结晶。本发明的组成以及转化参数的组合使得可以控制再结晶晶粒的各向异性指数。因此，本发明的板为使得在L/TC平面内通过截距法根据标准ASTME112在半厚度处测得的晶粒各向异性指数小于20、优选小于15以及优选小于10的板。有利地，对于厚度小于或等于3mm的板而言，在L/TC平面通过截距法根据标准ASTME112在半厚度处测得的晶粒的各向异性指数小于或等于8，优选小于或等于6，以及优选小于或等于4。不论产品的厚度如何，本发明的板均具有有利的性质。厚度为0.5-9mm以及特别是1.5-6mm的本发明的板有利地在T8状态下具有以下多对性质中的至少一种：-由CCT760型(2ao＝253mm)样品在L-T方向以及T-L方向上测定的平面应力断裂韧性(uneténacitéencontrainteplane)Kapp为至少140MPa√m以及优选至少150MPa√m，以及在L和TL方向上的抗拉屈服强度(unelimite)RP0.2为至少360Mpa以及优选至少365Mpa，-由CCT760型(2ao＝253mm)样品在L-T方向以及T-L方向上测定的平面应力断裂韧性Kr60为大于190MPa√m以及优选大于200MPa√m，以及在L和TL方向上的极限抗拉强度(résistanceàrupture)Rm为至少410Mpa以及优选至少415Mpa，以及以下性质中的至少一种：-由CCT760型(2ao＝253mm)样品在T-L和L-T方向上测定的平面应力断裂韧性Kapp比(rapport)Kapp(T-L)/Kapp(L-T)为0.85-1.15以及优选0.90-1.10，-在L和TL方向上的极限抗拉强度Rm比Rm(L)/Rm(TL)为小于1.06以及优选小于1.05。不受任何特定理论约束，本发明人认为组成，尤其是锆的限定量、镁的加入和选择的镁的量，以及制造方法，尤其是均质化以及热轧温度的组合使得可以获得有利的所要求的性质。本发明的板的耐腐蚀性、尤其耐晶间腐蚀性、耐剥离腐蚀性以及耐应力腐蚀性高。在本发明的优选实施方案中，在无覆盖层下可使用本发明的板。本发明的板在飞行器机身壁板中的用途是有利的。本发明的板在航空航天应用如火箭的制造中也是有利的。实施例在该实施例中，制备由Al-Cu-Li合金制成的板。铸造其组成在表1中给出的7块板。表1.板的组成(以重量％计)合金CuLiMgZrMnAgFeSiTiA3.20.730.680.14<0.010.260.030.040.03B3.00.700.640.17<0.010.270.020.030.03C3.00.730.350.15<0.010.270.020.030.03D2.70.750.580.14<0.010.280.030.020.03E2.90.730.450.14<0.010.290.040.020.03F2.90.680.420.030.280.280.030.020.03G2.90.750.440.050.280.260.030.020.03所述板在505℃下均质化12小时。将所述板进行热轧以获得厚度为4.4-6.3mm的板。随后将一些板冷轧至1.5-2.5mm。表2中给出了制得的板和回火条件的详细说明。表2:制得的板和老化条件的详细说明在热轧和任选的冷轧之后，将所述板在505℃下进行固溶处理然后进行平整化、以2％的永久伸长进行拉伸以及回火。回火条件并非全部相同，因为对于不同的合金屈服强度随着回火时间的增长是不同的。寻求“处于峰值”同时限制回火时间的屈服强度。表2给出了回火条件。样品(échantillon)的晶粒结构由在偏振光下在阳极氧化之后利用显微镜观察到的横截面表征。板的晶粒结构对于除了板D#2、E#2、F#1、F#2、G#1和G#2(其晶粒结构为基本再结晶)之外的所有板而言为基本非再结晶。对于其中晶粒结构为基本再结晶的板而言，晶粒的大小通过在L/TC平面上通过截距法根据标准ASTME112在半厚度处由在偏振光下在阳极氧化之后利用显微镜观察到的横截面确定。各向异性指数为在L方向上测得的晶粒大小与在TC方向上测得的晶粒大小之比。结果呈现于表3中。表3：由其中晶粒结构为基本再结晶的样品测得的晶粒大小将所述样品进行机械测试以确定其静态机械性能以及其韧性。以全厚度测定其机械特性。抗拉屈服强度、极限抗拉强度以及断裂伸长率列于表4中。表4:以MPa(Rp0.2,Rm)或以百分比(A％)表示的机械特性表5总结了对于这些样品的760mm宽CCT试样上的韧性试验结果。表5：760mm宽CCT试样的R曲线结果图1和2示出了本发明的实施例F和G尤其是在L-T方向上的显著韧性。实施例F和G证明了可以获得这样的本发明的薄板：其具有与其他实施例A-E、并且尤其是相对于实施例C获得的那些薄板相比具有改进的性质和各向异性，并且在所述薄板的常规厚度的宽范围内都如此。当前第1页1 2 3