多合金整体挤压结构部件及其制造方法

专利名称：多合金整体挤压结构部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及铝挤压结构部件。更具体地，本发明涉及铝多合金整 体挤压的飞才几或交通工具(vehicular)的结构部件。
背景技术：
许多应用要求整体结构部件满足两分支(dichotomous)的设计要 求。在航空航天应用中，例如发动机梁、机翼梁和水平稳定器翼梁具 有的材料要求在特定零件位置上不同。目前通过紧固机翼和机身中的 蒙皮与纵梁以及在翼梁中附加2XXX和7XXX系列铝合金翼梁盖板来实 现在这些零件中的材料布置，以获得最佳的载荷承受能力。2XXX系列 铝合金提高零件的损伤容限，而7XXX系列铝合金提高零件的结构和机 械强度。尽管这种常规的"构建"设计是重量有效的，但是其生产可 能非常昂贵。
其它航空航天结构部件如机身纵梁和顶部中央翼盒也能够从高性 能/可焊的合金组合中受益。关键在于接头附近的可焊合金。具有这种 组合的挤压件能够使合金具有良好的性能，但可焊性差以致不能用于 还要求良好可焊性的更广泛的结构应用。
考虑到上述，需要能够满足两分支设计要求并同时减少总的制造 时间和制造相关费用的多合金整体挤压结构部件，例如交通工具的结 构部件。发明概述
本发明公开了一种多合金整体挤压结构部件。该多合金整体挤压 交通工具结构部件包括第一铝合金和第二铝合金。
在一个实施方案中，第一铝合金和/或第二铝合金是可热处理的或 不可热处理的铝合金。在另一实施方案中，第一铝合金和/或第二铝合 金是铝-锂合金。
在又一实施方案中，第一铝合金和/或第二铝合金是铝业协会
2XXX， 6XXX或7XXX系列铝合金。
在另一实施方案中，为强度性能选择第一合金，并为韧性、疲劳 和可焊性性能而选择至少第二合金，取决于挤压件的性能要求。
本发明还公开了制造多合金整体挤压结构部件的方法。该方法包 括提供第一坯料和至少第二坯料，所述坯料各自具有外表面、第一端 和第二端；机加工第一坯料以形成第一基本平整表面；机加工第二坯
料以形成笫二平整表面，将第一坯料的第一平整表面邻近于第二坯料 的第二平整表面放置，将第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以形 成第三坯料，和挤压第三坯料以形成整体多合金结构部件。
本发明的另 一方面是提供一种适于航空航天应用的挤压交通工具 结构部件，其具有改善的断裂韧性和抗疲劳裂紋扩展性能。
本发明的另一方面是提供一种挤压的交通工具结构部件，该结构 部件表现出改善的断裂韧性、承载强度、抗压强度、抗拉强度以及提 高的抗疲劳裂紋扩展性和抗腐蚀性。
本发明的另一方面是提供一种飞机结构部件，该结构部件能够满 足典型用于航空航天工业的该分支的强度和损伤容限要求，而且还具 有轻的重量。
本发明的另一方面是提供一种飞机或交通工具结构部件，该结构 部件能够降低与制造"常规"飞机或交通工具结构部件相关的费用。
通过阅读说明书和权利要求书以及查阅所附的权利要求，这些和 其它方面将变得显而易见。附图简述


图1图解显示了挤压件的纵向(L)、长横向(LT)和短横向(ST)。
图2描绘了根据本发明由铝业协会2XXX系列合金和铝业协会7XXX 系列合金构成的多合金整体挤压件的跨横截面的显微硬度曲线图。
图3a-3d描绘了在根据本发明形成的多合金整体挤压件构造中可 以提供的4种形状。
图4描绘了根据本发明形成的多合金一体式加强板的一个实施方案。
图5a和5b描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，该挤压件 包括具有为焊接性能选择的合金的部分。
图6描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，该挤压件具有由 提供改良裂紋扩展性能的合金构成的连接凸缘(attachment flange )。
图7描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，该挤压件是由为 强度、耐久性和磨损特性而选择的合金构成的摇臂。
图8描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，该挤压件是由提
供高强度和改良疲劳性能的合金构成的机身框架。
图9描绘了以多合金整体挤压件形成的高强度加强件 (stiffener)的一个实施方案，该挤压件由选择用以提供改良韧性性 能的合金构成。
图10描绘了以根据本发明的多合金整体挤压件形成的纵梁的一 个实施方案，其中为强度和韧性(抗疲劳性)性能而选择合金。
图lla (横截面视图)和lib (侧视图)描绘了多合金整体挤压件 的一个实施方案，其中具有改良抗疲劳性的合金充当具有高强度的多 合金整体挤压件部分之间的止裂器(crack stopper)。
图12a和12b描绘了根据本发明在共挤压前的切割坯料布置的实 施方案侧视图。
图13是描绘根据本发明形成的由铝业协会2024和7075构成的多 合金整体挤压件的一个实施方案以及铝业协会2024和7075挤压件的比较例的极限抗拉强度的坐标图。
图14描绘了在时效到T73状态的2024/7075多合金整体挤压件的 一个实施方案中观察到的失效的显微照片。
图15是描绘根据本发明形成的由铝业协会2024和7055构成的多 合金整体挤压件的一个实施方案以及铝业协会2024、 7075挤压件的比 较例的沿纵向(L)方向测量的抗拉屈服强度的坐标图。
图16是描绘根据本发明形成的由铝业协会2024和7055构成的多 合金整体挤压件的一个实施方案以及铝业协会2024和7075挤压件的 比较例的沿长横向(LT)方向测量的伸长率的坐标图。
图17是描绘根据本发明形成的由铝业协会7475和7055构成的多 合金整体挤压件的一个实施方案以及铝业协会7475和7055挤压件的 比较例的抗拉屈服强度的坐标图。
图18是描绘根据本发明形成的由铝业协会7475和7055构成的多 合金整体挤压件的一个实施方案以及铝业协会7475和7055挤压件的 比较例的沿短横向(ST)方向测量的抗压屈服强度的坐标图。
优选实施方案详述
附图及下面的说明书以优选的实施方案说明本发明。然而，可以 预料的是，通常熟悉铝合金挤压件的技术人员能够通过改变某些细节， 将本文说明和描述的结构和方法的新特征应用到其它场合。因此，附 图和说明书并不限制本发明的范围，而应理解为广泛和一般的教导。 当提及任何数值范围时，这些范围应理解为包括所述范围最小值和最 大值之间的各个和每个数值和/或部分。如本文使用的术语"偶存杂质" 指的是并非有意添加到合金中然而是由于杂质和/或与制造设备接触 而浸出的元素，然而痕量的这些元素(不超过0.05重量％)仍可能在 最终合金产品中出现。最后，对于下面的说明书，术语"上部"、"下 部"、"右"、"左"、"竖直"、"水平"、"顶部"、"底部" 及其派生词将涉及本发明，正如在附图中所定向的。
本发明公开了具有至少第 一铝合金和第二铝合金的铝多合金整体挤压的飞机或交通工具结构部件(结构部件)。优选地，选择第一和 第二合金以满足该结构的性能要求，其中可选择合金组成以提供改善 的疲劳韧性、承载强度、抗压强度、抗拉强度、提高的抗疲劳裂紋扩 展性能、抗腐蚀性能和可焊性能。对于本公开，术语"多合金整体挤 压件"表示由至少两种金属合金(沿结构纵向方向具有尺寸恒定的横 截面)构成的单体结构，其中该多合金单体结构的机械性能表现为单
一、刚性、均匀的整体。图l描绘了挤压件的纵向(L)、长橫向(LT) 和短横向(ST)方向。纵向(L)方向平行于挤压方向，长横向(LT) 表示挤压件的宽度，短横向方向(ST)表示挤压件的高度。
通过挤压处理使第一铝合金冶金熔合到第二铝合金形成整体结构 部件，从而产生轻质、费用节省的结构部件，并且该结构部件能够满 足各种强度和损伤容限的要求。术语"冶金熔合"定义为在两种金属 之间形成的结合，当机械测试时该结合的特征可以在于响应外加力而 具有跨结构横截面从第一合金到第二合金的机械性能的逐渐变化。机 械测试可包括剥离试验、剪切试验或任何测试第一和第二合金间界面 性能的测试方法。机械性能的逐渐变化定义为在具有无多组分界面的 单体结构的制品中观察到的响应外加应力的机械性能改变。
图2描绘了根据本发明一个实施方案的由铝业协会2024和7075 合金构成并热处理到T73状态的多合金整体挤压件横截面上的硬度性 质的图解显示。如图2描绘的，多合金整体挤压件的铝业协会2XXX合 金部分和铝业协会7XXX合金部分间的界面100具有与7XXX合金相等 的显微硬度，因此跨从第 一合金到第二合金的界面提供逐渐变化的显 微硬度(响应外加应力的机械性能变化)，其中在7XXX和2XXX合金 界面上的机械性能的逐渐变化与两种合金的金属熔合相一致。与本发 明的多合金整体挤压件相反，通过现有方法连接的结构典型导致失效 或在两种合金间的界面处形成金属间化合物。当与在界面处连接的合 金组成的机械性能相比时，失效或界面处的金属间化合物典型导致界 面处机械性能的可测降低。
在一个实施方案中，铝业协会7XXX系列铝合金与铝-锂(Al-Li)合金结合适用于机翼盒。此外，铝业协会7XXX系列铝合金与铝业协会 6XXX系列合金结合适用于机身纵梁。可以设计另外的多合金组合例如 强度/耐久性和磨损、低性能/高性能和低费用/高费用以便利用满足设 计要求的最佳铝合金优化挤压交通工具结构部件，以及放入需要其的 挤压件中从而允许单一交通工具结构部件同时满足不同的要求。
因此，应理解的是，用于整体挤压交通工具结构部件的铝合金可 选自相同的合金族，但具有不同的性能特征，因此被认为是不同的铝 合金。
在一个实施方案中，由可热处理或不可热处理的铝合金制备第一 铝合金和/或第二铝合金。可热处理铝合金是可通过受控的加热和冷却 循环进行强化的铝合金。可热处理合金的一些实例包括铝业协会2XXX， 6XXX和7XXX系列铝合金。可热处理铝合金可通过析出硬化机制提供 提高的强度。析出硬化组成可以是可通过在初始相基质中形成第二相 的均匀分散颗粒(析出物)以提高其强度特性的铝合金，其中使用热 处理形成析出物。不可热处理合金依赖于加工硬化，通过机械压缩并 结合各种退火过程以获得性能发展。通过合金化元素的硬化效应获得 不可热处理合金例如5XXX系列的强度。通过冷加工荻得另外的强化。
在另一实施方案中，由铝-锂合金制备第一铝合金和/或第二铝合 金。在一个实施方案中，铝锂合金可包括约0. 7至约2. 0重量。/。Li。优 选的铝-锂合金包括铝业协会2099和2199。
优选地，铝业协会2099由少于0. 05重量y。Si、少于0. 07重量。/。Fe、 约2. 4至约3. 0重量y。Cu、约0. 10至约0. 50重量y。Mn、约0. 10至约 0. 50重量y。Mg、约0.40至约1.0重量。/。Zn、少于0. 1重量。/。Ti、约1. 6 至约2. 0重量。/。Li、约0. 05至约0. 12重量。/。Zr和余量的Al及偶存杂 质构成。优选地，铝业协会2199由少于0.05重量。/iSi、少于O. 07重 量。/。Fe、约2. 3至约2. 9重量。/。Cu、约0. 10至约0. 50重量。掘n、约0. 05 重量至约0.40重量y。Mg、约0. 20至约0.9重量y。Zn、少于0.1重量 %Ti、约0. 7至约1. 3重量y。Li、约0. 20至约0. 7重量y。Ag和余量的 Al及偶存杂质构成。在一些优选的实施方案中，铝业协会2099用于高强度应用而铝业协会2199用于需要高损伤容限的应用。
在另一实施方案中，由铝业协会2XXX, 6XXX或7XXX系列铝合金 制造第一铝合金和/或第二铝合金。铝业协会2XXX铝合金中的主要合 金化元素是Cu。铝业协会6XXX铝合金中的主要合金化元素是Si。铝 业协会7XXX铝合金中的主要合金化元素是Zn。
在另一实施方案中，由铝业协会2x24、 2x26、 7x50、 7x55、 7x75 和7x85铝合金制造第一铝合金和/或第二铝合金。铝业协会2x24铝合 金中的主要合金化元素包括优选含量约3. 7至约4. 9重量°/。的Cu;优 选含量约0. 15-0. 9重量％的Mn;和优选约1. 2至约1. 8重量％的Mg。 铝业协会2x26铝合金中的主要合金化元素包括优选含量约3.6至约
4. 3重量％的Cu;优选含量约0. 3-0. 8重量°/。的Mn;和优选约1. 0至约
1. 6重量％的Mg。
铝业协会7x50铝合金中的主要合金化元素优选包括优选含量约
5. 7至约6. 9重量％的Zn;优选含量约1. 7-2. 6重量％的Cu;和优选含 量约1. 9至约2. 6重量％的Mg。铝业协会7x55铝合金中的主要合金化 元素优选包括优选含量约7.6至约8.4重量％的Zn;优选含量约
2. 0-2. 6重量％的Cu;和优选含量约2. 1至约2. 9重量％的Mg。铝业 协会7x75铝合金中的主要合金化元素优选包括优选含量约5.1至约
6. 1重量％的Zn;优选含量约1. 2-2. 0重量％的Cu;和优选含量约2. 1 至约2. 9重量％的Mg;和优选含量约0. 18至约0. 28重量。/o的Cr。铝 业协会7x85铝合金中的主要合金化元素优选包括优选含量约7. 0至约 8. 0重量％的Zn;优选含量约1. 3-2. 0重量°/。的Cu;和优选含量约1. 2 至约2. 8重量％的Mg。
铝业协会6XXX铝合金包括但不限于铝业协会6061、6063和6013， 并且在一些优选的应用中用于提供焊接性能。铝业协会6061优选包括 约0. 4至约0. 8重量。/。Si、少于0. 7重量。/。Fe、约0. 15至约0. 40重 量。/。Cu、少于0. 15重量。/。Mn，约0. 8至约1. 2重量。/。Mg、约0. 040至约 0.35重量。/。Cr、少于0.25重量。/。Zn、少于0.15重量。/。Ti、和余量的 Al及偶存杂质。铝业协会6063优选包括约0. 2至约0. 6重量。/。Si、少于0. 35重量。/。Fe、少于约0. 10重量。/。Cu、少于0. 10重量，n、约0. 45 至约O. 9重量。/。Mg、少于约0. 10重量y。Cr、少于O. 10重量。/。Zn、少于 0. 10重量。/。Ti和余量的Al及偶存杂质。铝业协会6013优选包括约0. 6 至约1. 0重量。/。Si、少于0. 50重量y。Fe、约0. 60至约1. 1重量。/。Cu、 约0. 20至约0. 80重量，n、约0. 8至约1. 2重量，g，少于约0. 10 重量。/。Cr、少于0. 25重量。/。Zn、少于0. 10重量。/。Ti和余量的Al及偶 存杂质。
在另一实施方案中，由铝业协会7075和7475铝合金制造第一铝 合金，而由铝业协会2024和7055铝合金制造第二铝合金。铝业协会 7075是优选包括如下成分的铝合金少于0. 12重量。/。Si、少于0. 15重 量。/。Fe、约2. 0至约2. 6重量。/。Cu、少于0. 10重量。/。Mn、约1. 9至约2. 6 重量，g、少于0. 04重量。/。Cr、约5. 7至约6. 7重量。/。Zn、少于0. 06重 量订i、约G. 08至约0. 15重量。/。Zr和余量的Al及偶存杂质。铝业协 会7475是优选包括如下成分的铝合金少于0. 10重量。/。Si、少于0. 12 重量。/。Fe、约1. 2至约1. 9重量。/。Cu、少于0. 06重量。/。Mn、约1. 9至约 2. 6重量。/。Mg、约0. 18至约0. 25重量。/。Cr、约5. 2至约6. 2重量。/。Zn、 少于0. 06重量。/。Ti和余量的Al及偶存杂质。铝业协会2024是优选包 括如下成分的铝合金少于0.5重量。/。Si、少于0.5重量。/。Fe、约3.8 至约4. 9重量。/。Cu、约0. 30至约0. 9重量。/。Mn、约1. 2至约1. 8重量 %Mg、少于0.10重量y。Cr、少于O. 25重量％、少于O. 15重量VH和余 量的Al及偶存杂质。
在本发明的另一实施方案中，多合金整体挤压件可由至少两种选 自单一合金族的合金构成。例如，该多合金整体挤压件可由两种或更 多种铝业协会7XXX系列合金例如铝业协会7055， 7075或7475构成； 或者由两种或更多种铝业协会6XXX系列合金例如铝业协会6061 ， 6063 或6013构成；或者由两种或更多种铝业协会2XXX系列合金例如铝业 协会2199， 2024和2099构成。
由相同铝业协会系列合金(具有相似合金化成分的合金)构成的 多合金整体挤压件的一个优点是可将整个多合金整体挤压件热处理到基本上峰值的性能，因为具有相似合金化成分和浓度的铝合金一般受 益于相似的热处理。在一些情况下，不同合金化成分和浓度的合金的 多合金整体挤压件可导致不同的热处理要求，并且可能导致一部分挤 压件没有被热处理到最佳规格的多合金整体挤压件。
在一个实施方案中，可在该族内选择合金组成以提供强度或疲劳/ 韧性性能。典型地，强度和疲劳/韧性性能是成反比的，其中当与较低 强度的合金相比时，具有非常高强度的合金可能具有较低的延展性、
韧性和疲劳性能。可在2XXX和7XXX系列合金中可观察到这种情况， 其中2XXX合金可提供韧性和抗疲劳性能，而7XXX合金可提供强度。 例如，在析出硬化组成中，高度强化析出物能够提供增加的强度，但 典型导致降低的延展性、韧性和疲劳性能。
在本发明中公开的铝多合金整体挤压的飞机或交通工具结构部件 可以是飞机结构部件，例如飞机发动机梁、起落架梁、机翼梁、水平 稳定器翼梁、机身纵梁、顶部中央机翼盒或挤压的机加工肋材。在另 一实施方案中，在本发明中公开的铝多合金整体挤压的飞机或交通工 具结构部件是用于汽车、摩托车、自行车、踏板车、卡车、公共汽车、
船、潜水艇、拖拉机或列车中的构件。
图3(a) - 3(d)描绘了可根据本发明形成为多合金整体挤压件的四 种形状。图3(a) -3(d)描绘了由第一铝合金4和第二铝合金6构成的 机翼梁2的一个实施方案。第一铝合金4可选自可热处理铝合金组成、 不可热处理铝合金组成和包括锂的铝合金组成。第二铝合金6也可选 自可热处理铝合金组成、不可热处理铝合金组成和包括锂的铝合金组 成。
图3(b)和3(d)描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，配置该 多合金整体挤压件用以提供包括止裂要素8的机翼梁2。在一个实施 方案中，第 一铝合金4和/或第二铝合金6可选自铝业协会2XXX或7XXX 系列的铝合金。这些合金的选择及它们在多合金整体挤压件中的定位 可由结构所需的机械性能决定。
例如，在一个实施方案中，需要韧性和抗疲劳性能例如止裂要素的结构部分，可利用铝业协会2XXX系列合金族中的铝合金例如铝业协 会2199、 2024和2099,而需要高强度的结构部分可利用铝业协会7XXX 系列合金族中的铝合金例如铝业协会7x50、 7x55、 7x75、 7x85,优选 是铝业协会7055、 7075或7475。在另一实施方案中，第一或第二铝 合金4、 6可以是铝锂(Al - Li )铝合金。在另一实施例中，多合金整 体挤压件机翼梁2可由相同铝业协会系列的铝合金构成，然而要求高 强度的部分相比要求疲劳和韧性性能的结构部分将具有更高程度的析 出硬化成分。
图4描绘了多合金整体挤压件的一个实施方案，配置该多合金整 体挤压件用以提供一体式加强板10。在一个实施方案中， 一体式加强 板10的表面11由高韧性和抗疲劳性的合金例如铝业协会2XXX系列合 金构成，支撑结构12可由高强度合金例如铝业协会7XXX系列合金构 成。在一些优选实施方案中将铝业协会2099用于高强度应用，而铝业 协会2199用于需要高损伤容限的应用。在另一实施例中，多合金整体 挤压一体式加强板IO可由相同铝业协会系列的铝合金构成，而需要高 强度的部分比需要疲劳和韧性性能的结构部分具有更高程度的析出硬 化成分。
图5a和5b描绘了由多合金整体挤压件形成的焊接结构15,配置 该多合金整体挤压件以提供另一结构部件的焊接连接方式，其中通过 冶金熔合到基础结构14上的可焊合金的可焊接衬垫13来提供焊接连 接方式。可焊接衬垫13可以由6XXX铝合金形成例如6013、 6063或 6061或者与铝业协会7005类似的7XXX合金。铝业协会7005典型包 括少于0. 35重量。/。Si、少于O. 4重量。/。Fe、少于O. 10重量y。Cu，约 0. 20至约0. 7重量。/。Mn、约1. 0至约1. 8重量。/。Mg、约0. 06至约0. 20 重量。/。Cr、约4. 0至约5. 0重量o/。Zn、少于0. 06Ti、约0. 08至约0. 025 重量。/。Zr。
图6描绘了一种多合金整体挤压件，配置该多合金整体挤压件用 以提供肋材或隔壁(bulkhead )20，所述肋材或隔壁具有连接凸缘21a、 21b，所述连接凸缘是由向连接点提供改善的裂紋扩展性能的合金构成。在一个实施方案中，可通过具有高韧性和抗疲劳性的铝合金例如
铝业协会2XXX提供连接凸缘21,通过具有高强度的铝合金例如铝业 协会7XXX铝合金提供芯部22。在一个实施方案中，每一相对的连接 凸缘21a、 21b可为不同的合金。在另一实施例中，多合金整体挤压隔 壁或肋材20可由来自相同铝业协会系列的铝合金构成，而需要高强度 的芯部部分22比需要疲劳和韧性性能及抗开裂性的连接凸缘21具有
更高程度的析出硬化成分。
图7描绘了以多合金整体挤压件形成的摇臂30,其中支点31和 与挺柱(lifter )或用于驱动摇臂30运动和阀作动的其它机械装置接 触的摇臂30部分，由提供高耐久性、疲劳和韧性性能的合金构成，摇 臂体的芯部32由高强度合金例如铝业协会7XXX或6XXX系列合金构 成。在另一实施例中，多合金整体挤压件摇臂可由来自相同铝业协会 系列的铝合金构成，而需要高强度的部分比需要疲劳和韧性性能及抗 开裂性的部分具有更高程度的析出硬化成分。
图8描绘了以多合金整体挤压件形成的机身框架40，其具有由高 强度合金例如选自铝业协会7XXX系列合金的合金构成的第一部分41 和由具有比笫一部分41更高疲劳性能的合金例如选自铝业协会2XXX 系列合金的合金构成的第二部分42。在另一实施例中，多合金整体挤 压件机身框架40可由来自相同铝业协会系列的铝合金构成，其中需要 高强度的部分将比需要疲劳和韧性性能及抗开裂性的部分具有更高程 度的析出硬化成分。
图9描绘了高强度加强件50，其具有由具有高疲劳和韧性性能的 合金例如选自铝业协会2XXX系列合金的合金构成的外壳部分51。外 壳部分51可通过由高强度合金例如选自铝业协会7XXX系列合金的合 金构成的增强部件52进行加强。
图10描绘了根据本发明由多合金整体挤压件形成的纵梁60。在 一个实施方案中，纵梁体61由高强度铝合金例如铝业协会7XXX构成， 并且包括由具有比纵梁体更高抗疲劳性能的合金例如铝业协会2XXX 构成的凸缘62。图lla和llb描绘了具有一体式止裂器70的多合金整体挤压件。 在一个实施方案中，在提供提高强度的合金组成例如铝业协会7XXX之 间设置提供抗开裂性的合金组成例如铝业协会2XXX系列合金。值得注 意的是上述描述不局限于2XXX、 6XXX或7XXX合金，也可考虑其它合 金，它们在本发明的范围之内。
在本发明的另一方面，提供了制备上述多合金整体挤压件的方法。 尽管下面的描述讨论了双合金的挤压件，其中整体挤压件由两种合金 构成，下面的内容公开也适用于三种、四种、五种和多于五种的合金 的挤压件，只要将每一坯料进行切割和机加工并相互接触，然后连接 以允许每一合金被共挤压到一起。
首先，该方法要求提供由第一铝合金制成的第一坯料和至少第二 坯料，该第二坯料由第二铝合金制成。每一坯料具有第一端、第二端 和外表面。然后切割坯料，优选沿坯料的纵向方向(L)，以暴露出内 表面。优选地，对要进行连接的表面进行机加工以基本平整。在一个 实施方案中，将第一和第二坯料的每一个切成两半以形成半块坯料。 由第一坯料形成的半块坯料在下文中称为第一半块坯料。由第二坯料
形成的半块坯料在下文中称为第二半块坯料。
一旦将第一半块坯料适当地放置在第二半块坯料邻近，如图12a
所示，便将第一半块坯料焊接到第二半块坯料以形成第三坯料。尽管 定位焊(例如气体保护金属极电弧焊、气体保护鴒极电弧焊、搅拌摩 擦焊)是优选地，但值得注意的是本领域技术人员将了解可使用其它 焊接技术例如高密度焊接(激光、电子束)、压力/冷焊接、钎焊、粘 结结合、机械冷接合、机械锻造接合、沿面焊接拼接和沿坯料焊接拼 接用于将两个坯料半块彼此焊接。
然后通过挤压模具挤压第三坯料，从而形成所需的多合金整体挤 压件。换句话说，通过挤压模具对第一和第二半块坯料进行共挤压， 这将用于第一半块坯料的铝合金冶金熔合到用于第二半块坯料的铝合 金 选择挤压过程的温度使得合金软化以提供将多合金整体挤压件的 合金组成结合的冶金熔合。在公开方法的一个实施方案中，在将第一半块坯料临近于第二半 块坯料放置前对第一半块坯料的内表面及第二半块坯料的内表面进行 平整机加工以确保每个坯料半块的内表面基本平整。每个坯料半块的
内表面被平整机加工后，在焊接前将第一半块坯料的内表面邻近于第 二半块坯料的内表面放置并与其接触。在一个实施方案中，通过使用 干燥剂包裹坯料并减少水分含量来在切割坯料上提供清洁的内表面。
在另一实施方案中，垂直于纵向方向切割第一坯料和至少第二坯
料，其中放置每一坯料使得它们的切割端彼此邻近，如图12b所示。 应注意的是，本领域的技术人员清楚可以将第一和第二半块坯料竖直 叠置，以水平方式并排放置，或以竖直和水平的混合方式进行放置。
尽管上面已经概括描述了本发明，但提供下面的实施例以便进一 步说明本发明和证实由此获得的一些优点。并不意图将本发明限制为 公开的具体实施例。
实施例
图13描绘了由铝业协会2024和7075构成的多合金整体挤压件 (共挤压件)以及铝业协会2024挤压件及铝业协会7075挤压件的比 较例的极限抗拉强度。如从图13中可以看到的，铝合金挤压件在共挤 压后进行各种时效处理。例如，比较例铝业协会2024挤压件时效到 T351状态，比较例铝业协会7075挤压件时效到T73状态，而由铝业 协会2024和7075构成的多合金整体挤压件(共挤压件)时效到T351 或T73状态。还记录由铝业协会2024和7075构成的多合金整体挤压 件(共挤压件)在F状态的极限抗拉强度。
通过提供一块2024铝合金坯料和一块7075铝合金坯料制备由铝 业协会2024和7075构成的多合金整体挤压件(共挤压件)。将每一 块坯料切成两半，并在将一个坯料半块叠置到另一个上之前对内表面 进行平整机加工。 一旦叠置后，检查坯料以确保每一坯料的侧面邻近 于另 一坯料的相应侧面并与该相应侧面 一致。在检查坯料的定位后， 在每个角处(4个角)对坯料半块进行定位焊接以确保在挤压处理过程中坯料牢固的彼此固定。值得注意的是，本领域技术人员清楚可使 用其它方法将两块坯料焊接在一起，而不脱离本发明的教导。对焊缝 进行砂带打磨以使每个角光滑，然后挤压焊接的坯料。
使用下面的挤压参数挤压图13中的所有铝合金。压力容器设定为 约750。F，加热工具和坯料到约780。F。挤压比为32: 6,压头(ram) 速度设定为4 ipm(英寸/分钟)，产物速度为10. 9fpm(英尺/分钟)。 为了获得T351状态，在约905至约915。F对铝合金进行固溶热处理持 续约30分钟，在约室温下进行淬火，然后拉伸约2%。为了获得T73 状态，在约905至约915。F对铝合金进行固溶热处理持续约15分钟， 在约室温下进行淬火，利用约244至约255。F的温度时效约10小时， 然后在约335至约345。F时效另外8小时。
如从图13中可以看到的，比较例2024-T351铝合金挤压件具有 74. 9ksi的极限抗拉强度。比较例铝业协会7075-T73铝合金挤压件具 有76. 2ksi的极限抗拉强度。由铝业协会2024和7075构成并热处理 到T351状态的多合金整体挤压件(共挤压件)表现出77. 8ksi的极限 抗拉强度，当与比较例铝业协会2024-T351铝合金挤压件比较时，在 纵向方向的极限抗拉强度提高4%,当与比较例铝业协会7075-T73铝 合金挤压件比较时，在纵向方向的极限抗拉强度提高2%。图13也显 示了由铝业协会2024和7075构成的在F状态的多合金整体挤压件(共 挤压件)具有53. 4ksi的极限抗拉强度，由铝业协会2024和7075构 成并热处理到T73状态的多合金整体挤压件(共挤压件)具有72. 3ksi 的极限抗拉强度。
还测试由铝业协会2024和7075构成并热处理到T73状态的多合 金整体挤压件(共挤压件)的显微硬度，其中切断坯块以允许测量跨 界面从多合金整体挤压件的2024合金部分到多合金整体挤压件的 7075合金部分中的显微硬度值。根据ASTM标准E92 (金属材料维氏硬 度的标准测试方法)测量显微硬度。在图2中描绘了时效到T73状态 的2024/7075多合金整体挤压件的显微硬度数据，该图描绘了显微硬 度(HV)与挤压件位置(mm)关系的曲线图。2024合金部分和7075合金部分间的界面用参考数字100表示。从2024合金部分到7075合 金部分的过渡表现出响应于外加应力的机械性能的逐渐变化(一般在 没有金属间界面的单体结构的制品中观察上述变化)。该显微硬度测 量结果与在合金界面处的2024合金和7075合金的金属熔合相一致， 正如本发明所教导的。图14描绘了在时效到T73状态的2024/7075多 合金整体挤压件的一个实施方案中观察到的失效的显微照片。该失效 发生在与较高强度7075合金相比较弱的铝业协会2024合金中，而并 不在7075和2024合金间的界面处，因此进一步说明了两种合金间的 金属熔合，并且多合金整体挤压件的特征是作为具有单一、刚性、均 匀整体的性能的单体结构。
图15描绘了由铝业协会2024和7075构成的多合金整体挤压件 (共挤压件)与铝业协会2024和7075的单一合金挤压件进行比较的 抗拉屈服强度。如在图15中可以看到的，铝合金挤压件在挤压后进行 各种时效处理。例如2024挤压件时效到T351状态，7075挤压件时效 到T73状态，2024/7075多合金整体挤压件时效到T351或T73状态。 还记录2024/7075多合金整体挤压件在F状态的抗拉屈服强度。
通过提供一块2G24铝合金坯料和一块7075铝合金坯料制备 2024/7075多合金整体挤压件。将每块坯料切成两半，并且在将一个 坯料半块叠置到另 一个上之前对内表面进行平整机加工。 一旦叠置后， 检查坯料以确保每块坯料的角与另 一坯料的相应角邻近并与该相应角 一致。在检查坯料的定位后，在每个角处(4个角)对坯料半块进行 定位焊接以确保在挤压处理过程中坯料牢固的彼此固定。对焊缝进行 砂带打磨以使每个角光滑，然后对焊接的坯料进行挤压。
以下面方式挤压图15中的所有铝合金。压力容器设定为约750。F， 加热工具和坯料到约780°F。挤压比为32: 6，压头速度设定为4 ipm (英寸/分钟)，且产物速度为10.9fpm(英尺/分钟)。为了达到T351 状态，在约905至约915。F对铝合金进行固溶热处理约30分钟，在约 室温下进行淬火，然后拉伸约2%。为了达到T73状态，在约905至 约915。F对铝合金进行固溶热处理约15分钟，在约室温下进行淬火，利用约244至约255。F的温度时效约IO小时，然后在约335至约345°F 下时效另外8小时。
如从图15中可以看到的，2024-T351铝合金具有48. 6ksi的抗拉 屈服强度。7075-T73铝合金具有66.9ksi的抗拉屈服强度。 2024/7075-T351多合金整体挤压件具有59. 7ksi的抗拉屈服强度，当 与2024-T351铝合金比较时，在纵向方向的抗拉屈服强度提高19%。 图15还显示了 2024/7075-F状态的多合金整体挤压件具有28.1 ksi 的抗拉屈服强度，2024/7075-T73状态的多合金整体挤压件具有58.2 ksi的抗拉屈服强度。
图16描绘了 2024/7075多合金整体挤压件以及铝业协会2024和 7075的单一合金挤压件比较例的伸长率。如从图16中可以看到的， 铝合金挤压件在挤压后进行各种时效处理。例如2024挤压件时效到 T351状态，7075挤压件时效到T73状态，2024/7075共挤压件时效到 T351或T73状态。还记录了 2024/7075共挤压件在F状态的伸长率。
通过提供一块2024铝合金坯料和一块7075铝合金坯料制备 2024/7075多合金整体挤压件。将每块坯料切成两半，并且在将一个 坯料半块叠置到另 一个上之前对内表面进行平整机加工。 一旦叠置后， 检查坯料以确保每块坯料的角与另 一坯料的相应角邻近并与该相应角 一致。在检查坯料的定位后，在每个角处(4个角)对坯料半块进行 定位焊接以确保挤压处理过程中坯料牢固的彼此固定。对焊缝进行砂 带打磨以使每个角光滑，然后挤压焊接的坯料。
以下面方式挤压图16中的所有铝合金。压力容器设定为约750°F， 加热工具和坯料到约780。F。挤压比为32: 6，压头速度设定为4 ipm (英寸/分钟)，产物速度为10.9 fpm(英尺/分钟)。
如从图16中可以看到的，2024-T351铝合金对比挤压件具有18 %的长横向伸长率。7075-T73铝合金对比挤压件具有12%的长横向伸 长率。2024/7075-T351多合金整体挤压件具有16%的长横向伸长率， 当与7075-T73铝合金比较时伸长率提高25%。图16也显示了 2024/7075-F多合金整体挤压件具有20 %的长横向伸长率并且2024/7075-T73多合金整体挤压件具有20%的长横向伸长率，当与 7075-T73铝合金对比挤压件比较时，伸长率提高40%,与2024-T351 铝合金对比挤压件比较时伸长率提高10%。
图17描绘了 7475/7055多合金整体挤压件以及铝业协会7475和 7075铝合金的单一合金挤压件比较例的抗拉屈服强度。如在图17中 可以看到的，所有铝合金挤压件均为F状态。通过提供一块7475铝合 金坯料和一块7055铝合金坯料制备7475/7055多合金整体挤压件。对 每一坯料的半块进行机加工并检测以确保机加工表面(即，每一坯料 内表面)光滑并且具有32微英寸的机械光洁度。在将一个坯料半块叠 置到另一个坯料半块上之前，用溶剂(例如丙酮)擦拭每一坯料的机 加工表面以确保清洁的表面。然后将坯料半块叠置、焊接并通过挤压 模具进行挤压。
以下面方式挤压图17中的所有铝合金。压力容器设定为约850。F, 加热工具和坯料到约688至约735°F。挤压比为20: 1，压头速度设定 2. 54cm/分钟(1英寸/分钟)至5. G8cm/分钟(2英寸/分钟)。
如从图17中可以看到的，当压头速度设定为3.81 cm/分钟(1.5 英寸/分钟)至5.08cm/分钟(2英寸/分钟)时，7475/7055-F多合金 整体挤压件在短横向方向的抗拉屈服强度是23. 3ksi，并且当压头速 度设定为2. 54 cm/分钟(1英寸/分钟)时为26. 7ksi。当压头速度设 定为5.08 cm/分钟(2英寸/分钟)时，7475-F铝合金挤压件在短横 向方向的抗拉屈服强度为24.5 ksi，且7055-F合金挤压件的抗拉屈 服强度为36. 7ksi。图17显示当使用2.54 cm/分钟(1英寸/分钟) 的压头速度挤压的7475/7055-F多合金整体挤压件与使用5.08 cm/分 钟(2英寸/分钟)的压头速度进行挤压的7475-F铝合金比较时，抗 拉屈服强度提高8%。
图18描绘了铝合金7475、 7075和7475/7075多合金整体挤压件 的抗拉屈服强度。如从图18中可以看到的，7475/7055多合金整体挤 压件时效到T76511状态。7475和7055铝合金时效到T76511状态。 通过提供一块7475铝合金坯料和一块7075铝合金坯料制备7475/7075-T6511多合金整体挤压件。对每一坯料的半块进行机加工 并检测以确保机加工的表面光滑并具有32微英寸的机械光洁度。在将 一个坯料半块叠置到另一个坯料半块上之前，用溶剂(例如丙酮)擦 拭每一坯料的机加工表面以确保清洁的表面。然后将坯料半块叠置、 焊接并通过挤压模具进行挤压。
以下面方式挤压图18中的所有铝合金。压力容器设定为约850。F， 加热工具和坯料到约688至约735。F。挤压比为30: 1，压头速度i殳定 3. 81cm/分钟(1.5英寸/分钟)。
如从图18中可以看到的，7475/7055-T76511多合金整体挤压件 的抗压屈服强度是92. lksi。 7475-T76511合金具有82. 8 ksi的抗拉 屈服强度，7055-T76511铝合金具有93. 9ksi的抗拉屈服强度。图18 显示当与7475-T6511铝合金比较时，7475/7055-T6511多合金整体挤 压件的抗压屈服强度提高10% ，并且当与7475-T76511铝合金比较时，
具有几乎相同的屈服强度。
制备由铝锂合金铝业协会2099和2199构成的多合金整体挤压件 并且热处理到T8状态。也制备铝业协会2199和2099的单一合金挤压 件比较例并且热处理到T-8状态。以下面方式挤压2099/2199多合金 整体挤压件。压力容器设定为约760。F，加热工具和坯料到约790。F。 挤压比为32: 6，压头速度设定约4 ipm (英寸/分钟)且产物速度大 于约9. Ofpm (英尺/分钟)。为了达到T8状态，坯料在设定为850°F 的烘箱温度下保持17小时，接着在约1000。F温度下进行固溶热处理， 在约室温下进行淬火，.然后拉伸约3%,在约300°F的温度下时效约 36小时。
测量2099/2199多合金整体挤压件的机械性能，其具有约59Ksi 的抗拉屈服强度(长横向)，约68 Ksi的极限抗拉强度，约13%的 伸长率。铝业协会2199比较例具有约67Ksi的抗拉屈服强度(长横向), 约76 Ksi极限抗拉强度，约13%的伸长率。铝业协会2099比较例具 有约58Ksi的抗拉屈服强度(长横向)，约66 Ksi的极限抗拉强度， 和约15%的伸长率。观察到，必须控制铝锂坯料的界面以确保两种合金界面处的水分 最小化。过多的水分会不利地导致界面处的氧化。为了减少水分含量 和界面处的氧化物形成，可在装入压力容器之前通过使用干燥剂包裹 坯料和降低水分含量来在切开坯料上提供清洁的内表面。
已经描述了本发明优选的实施方案，应理解的是可在所附权利要 求的范围内以另外的方式实施本发明。
权利要求
1. 结构部件，其包含包含第一铝合金和第二铝合金的多合金整体挤压件，且所述第一铝合金冶金熔合到所述第二铝合金。
2. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金和所述第二铝合 金中的至少一种是可热处理的铝合金。
3. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金和所述第二铝合 金中的至少一种不是可热处理的铝合金。
4. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金和所述第二铝合 金中的至少一种是铝-锂合金。
5. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金选自铝业协会 2XXX、 6XXX或7XXX系列铝合金。
6. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金和所述第二铝合 金中的至少一种包含铝业协会2XXX、 6XXX或7XXX系列铝合金。
7. 权利要求6的结构部件，其中所述第一铝合金和所述第二铝合 金中的至少一种包含铝业协会7x50、 7x85、 7x75、 7x55、 2x24或2x26。
8. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金是7075，且所述 第二铝合金是2024。
9. 权利要求1的结构部件，其中所述第一铝合金是7475，且所述 第二铝合金是7055。
10. 权利要求1的结构部件，其中所述整体多合金挤压件是飞机结 构部件。
11. 权利要求10的结构部件，其中所述飞机结构部件包括飞机发 动机梁、起落架梁、翼梁、水平稳定器翼梁、机身纵梁、顶部中央机 翼盒或;f几加工的肋材。
12. 权利要求1的结构部件，其中所述多合金整体挤压件是交通工 具结构部件。
13. 权利要求12的结构部件，其中所述交通工具结构部件包括汽车、摩托车、自行车、踏板车、卡车、公共汽车、船、潜水艇、拖拉 机或列车的构件。
14. 挤压方法，包括 提供第一坯料和至少第二坯料； 机加工第一坯料以形成第一基本平整表面； 机加工第二坯料以形成第二平整表面；将第一坯料的第一平整表面邻近于笫二坯料的第二平整表面放置；将第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以形成第三坯料；及 挤压该第三坯料以形成整体多合金结构部件。
15. 权利要求14的挤压方法，还包括 提供至少一个其它坯料；机加工所述至少一个其它坯料以形成至少一个其它平整表面；及 在挤压形成整体多合金结构部件之前，将所述至少一个其它坯料的所述至少一个其它平整表面连接到所述第一或笫二坯料的暴露表面。
16. 权利要求14的挤压方法，其中第一坯料或第二坯料的至少一 种包括铝-锂合金。
17. 权利要求14的挤压方法，其中第一坯料和第二坯料的至少一 种包括铝业协会2XXX、 6XXX或7XXX系列铝合金。
18. 权利要求14的挤压方法，其中将第一坯料焊接到第二坯料的 所述焊接包括气体保护金属极电弧悍、气体保护鵠极电弧焊或搅拌摩 擦焊。
19. 权利要求14的挤压方法，还包括在挤压第三坯料前，研磨第 三坯料的焊接部分。
20. 权利要求14的挤压方法，还包括热处理所述多合金整体结构 部件。
全文摘要
本发明提供了多合金整体挤压件的结构部件(2)，该结构部件包含第一铝合金(4)和第二铝合金(6)；其中第一铝合金(4)冶金熔合到第二铝合金(6)。在本发明的另一方面，提供了一种挤压方法，该方法包括如下步骤提供第一坯料和至少第二坯料；机加工第一坯料以形成第一基本平整表面；机加工第二坯料以形成第二平整表面，将第一坯料的第一平整表面邻近于第二坯料的第二平整表面放置；将第一坯料的至少一部分焊接到第二坯料以便形成第三坯料；和挤压第三坯料以形成整体多合金结构部件。
文档编号B21C23/22GK101304822SQ200680042027
公开日2008年11月12日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者B·H·伯蒂里, G·迪克松, M·B·黑尼曼, M·库拉克, R·C·帕尔 申请人:美铝公司