具有提高的抗撞击性能的铝-铜-锂合金的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种铝基合金制成的挤压产品，包含4.2wt%到4.8wt%WCu，0.9wt%到1.lwt%的Li,0.15wt%到0.25wt%的Ag,0.2wt%到0.6wt%的Mg,0.07wt%到0.15wt%的Zr,0.2wt%M0.6wt%|^Mn,0.01wt%5!j0.15wt%|^Ti，Zn的量低于0.2wt%,Fe和Si的量各自低于或等于0.lwt%，不可避免的杂质各自的含量低于或等于0.05wt%且总量低于或等于0.15wt%。本发明的型材，由于与那些已知产品的性能相比改善的性能，尤其在撞击过程中的能量吸收、静态力学性能和抗腐蚀性方面的性能，及其低密度，特别适用于作为机身加劲肋或纵向加劲肋、环架、翼肋、地板梁或地板轮廓或座椅轨道。
【专利说明】具有提高的抗撞击性能的铝-铜-锂合金
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝-铜-锂合金制成的挤压产品（produit fil6)，更具体地涉及这种产 品、它们的生产方法和应用，特别是设计用于航空和航天工程。
【背景技术】
[0002] 由铝合金制成的挤压产品被特别开发用于生产为航空和航天工业设计的高强度 零件。
[0003] 由铝合金制成的挤压产品被用于航空工业的许多应用，如机身加劲肋 (raidisseur)和纵向加劲肋（Iisse)、环架（cadre)、翼肋（raidisseur de voilure)、地板 梁（poutre de plancher)或地板轮廓（profil6de plancher)和座椅轨道（rail de siSge)。
[0004] 更多复合材料越来越多地引入航空结构中，提高了对用于飞机的挤压产品的要 求，尤其对于如地板梁的结构元件。已发现撞击过程中或尤其在坠毁时的能量吸收是现在 选择此产品的主要标准。其他重要性能是尽可能高的机械性能，以降低结构重量，以及抗腐 蚀性。
[0005] 可采用如比能量吸收能力（capacit6 sp6cifique (!'absorption)的一个数值表征 撞击过程中的能量吸收。
[0006] 可在撞碎测试方法中测量撞击过程中的比能量吸收能力，其中，根据撞碎过程中 产生的位移测量所提供的力。这是在稳定撞碎阶段撞碎单位质量的材料所消耗的能量的 量。特别地，由于其塑性变形，延性铝合金具有较高的吸收撞击时的能量的能力。作为初始 近似值，在铝合金制成的型材的撞击过程中的比能量吸收能力与相关材料的拉伸测试方法 中得到的曲线有关，尤其是与在力-形变曲线以下的区域有关。因此通过L方向和LT方向 的乘积R m X A%或Rp(l.2x A%能够进行评价。
[0007] 已知 Al-Cu-Li 合金。
[0008] 美国专利5，032，359描述了一大类的铝-铜-锂合金，其中，镁和银的添加，尤其 是在0. 3和0. 5重量％之间，能够提高其机械强度。
[0009] 美国专利5,455,003描述了生产具有低温下的提高的机械强度和韧性的 Al-Cu-Li合金的方法，特别归因于适宜的加工硬化（6crouissage)和时效（revenu)。此专 利特别提出以重量％表示的组成，Cu = 3. 0-4. 5、Li = 0. 7-1. UAg = 0-0. 6、Mg = 0. 3-0. 6 和 Zn = 0-0? 75。
[0010] 美国专利7,438, 772描述了合金包括以重量％表示的Cu: 3-5、Mg:0. 5-2、 Li:0. 01-0. 9,并由于韧性和机械强度之间的平衡的降低而不鼓励采用高锂含量。
[0011] 美国专利 7,229,509 描述了一种合金包括（wt% ) : (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、最高 0? 4 的 Zr 或其他晶粒细化剂，如 Cr、Ti、Hf、 Sc 和 V。
[0012] 美国专利申请2009/142222A1描述了合金包括（以重量％表示）3.4wt%到 0.2界1:(%到0.8￥1:(%的211、0.1￥1:(%到0.6￥1: (%的]\&1和0.01￥1:(%到0.6￥1:(%的至少一种用于 控制晶粒结构的元素。此申请还描述了生产挤压产品的方法。
[0013] 专利申请W02009/036953公开了 一种结构元件用合金，包括（以重量％表 示）3. 4-6. 0% 的 Cu、0. 9-1. 7% 的 Li、约 0? 2-0. 8% 的 Mg、约 0? 1-0. 8% 的 Ag、约 0? 1-0. 8% 的Mn、最高1. 5%的Zn和一种或多种选自Zr、Cr、Ti、Sc和Hf的元素，以及Fe〈0. 15、 Si〈0.15。
[0014] 此外还已知AA2195合金包括（以重量％表示）3.7-4.3%的&1、0.8-1.2%的1^、 0? 25-0. 8 的 Mg、0. 25-0. 6% 的 Ag、低于 0? 25% 的 Mn、低于 0? 25% 的 Zn、0. 08-0. 16 的 Zr、 低于0. 10%的Ti、低于0. 15%的Fe和低于0. 12%的Si。2195合金型材例如记载于文献 Friction stir welding dissimalr alloys for tailoring properties of aerospace part, I. Eberl, C. Hantrais, J. -C. Ehrstrom et C. Nardin, Science and Technology of Welding and Joining，2010，vol. 15, no. 8, pp 699-705 中。
[0015] 存在对于铝-铜-锂合金制成的具有与已知产品的性能相比的提高的性能的挤压 产品的需求，尤其是在撞击过程中的能量吸收、静态机械强度和抗腐蚀性能方面，同时该产 品应具有低密度。同时，必须保持这些产品的符合要求的韧性。
【发明内容】
[0016] 本发明的第一个主题是一种铝基合金制成的挤压产品，所述合金包含：
[0017] 4. 2wt%到 4. 8wt% 的 Cu,
[0018] 0? 9wt%到 I. lwt%的 Li,
[0019] 0? 15wt% 到 0? 25wt% 的 Ag,
[0020] 0? 2wt % 到 0? 6wt % 的 Mg,
[0021] 0? 07wt%到 0? 15wt% 的 Zr,
[0022] 0? 2wt %到 0? 6wt % 的 Mn,
[0023]
[0024] Zn的量低于0. 2wt %，Fe和Si的量各自低于或等于0. Iwt %，不可避免的杂质各 自的含量低于或等于〇. 〇5wt%且总量低于或等于0. 15wt%。
[0025] 本发明的另一个主题是生产本发明的挤压产品的方法，其特征在于：
[0026] (a)铸造由本发明的合金制成的粗糙形块，
[0027] (b)将所述粗糙形块在490°C到520°C的温度下均匀化8到48小时，
[0028] (c)通过在420°C到480°C的初始热加工温度下挤压热加工所述粗糙形块以获得 挤压产品，
[0029] (d)使所述挤压产品经历500°C到520°C温度下的固溶热处理15分钟到8小时，
[0030] (e)淬火，
[0031] (f)使所述挤压产品经历2%到4%的永久变形的受控拉伸。
[0032] (g)任选地，所述挤压产品被矫直。
[0033] (h)通过在KKTC到170°C的温度下加热5到100小时对所述挤压产品时效处理。
[0034] 本发明的另一个主题是本发明的产品作为机身加劲肋或纵向加劲肋、环架、翼肋、 地板轮廓或地板梁或座椅轨道用于航空工程的用途。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1 :实施例1的挤压产品的截面图。
[0036] 图2 :实施例1的挤压产品的拉伸屈服应力和EA参数之间的平衡。
【具体实施方式】
[0037] 除非另有说明，将涉及合金的化学组成的全部标示表示为基于该合金的总重量的 重量百分数。表述1.4CU意指将表示为重量％的铜含量乘以1.4。合金的命名遵照本领域 技术人员所熟知的错业协会（The Aluminium Association)的规则。密度取决于组成，并 通过计算而非通过重量测量的方法确定密度。
[0038] 依照"Aluminum Standards and data"的2-12和2-13页所描述的错业协会的步 骤计算数值。冶金状态的定义在欧洲标准EN 515中指出。
[0039] 通过根据标准NF EN ISO 6892-1的拉伸测试确定了拉伸下的静态力学性能，也就 是极限抗拉强度Rm、〇. 2%伸长率下的传统拉伸屈服应力（Rpa2)和断裂伸长率A%，取样和 测试方向如标准EN 485-1定义。
[0040] 根据标准ASTM E399确定应力强度因子（Kq)。标准ASTM E399给出用于确定Kq是 否为K1。的有效值的判断标准。对于给定的试样几何形状，只要材料的拉伸屈服应力具有相 同的数量级，所得到的各种材料的K q值彼此之间是可比较的。
[0041] 除非另有规定，否则适用标准EN 12258的定义。
[0042] 根据标准EN 2066:2001定义挤压产品的厚度：横截面分为具有尺寸A和B的基本 矩形；A总是基本矩形的最大尺寸，B作为基本矩形的厚度。底部是具有最大尺寸A的基本 矩形。
[0043] 根据本发明，所选的一类铝-铜-锂合金能够生产具有与已知产品相比的提高的 性能的挤压产品，尤其是在撞击过程中的能量吸收、静态机械强度和抗腐蚀性能方面，并具 有低密度。
[0044] 同时添加锰、钛、锆、镁和银能够使所选择的铜和锂的含量获得在撞击过程中的能 量吸收的代表参数与特别优越的拉伸屈服应力之间的平衡。
[0045] 铜含量为至少4. 2wt %，优选地为至少4. 3wt %，更优选地为至少4. 35wt %。在本 发明的一个实施方案中，铜含量为至少4. 50wt %。铜含量为最高4. 8wt %，优选地为最高 4. 7wt %，更优选地为最高4. 55wt %。所选择的铜含量显著提高静态力学性能。然而，高铜 含量尤其对于合金的密度是无益的。
[0046] 锂含量为至少0. 9wt%，优选地为至少0. 95wt%。锂含量为最高I. Iwt%，优选地 为最高1.05Wt%。在本发明的一个实施方案中，锂含量为最高1.04Wt%。所选择的锂含量 尤其能提高撞击过程中的能量吸收。然而，太低的锂含量尤其对于合金的密度是无益的。
[0047] 锰的添加是本发明的一个重要方面。锰含量为至少0.2wt%，优选地为至少 0. 3wt%。锰含量为最高0.6wt%，优选地为最高0. 5wt%。在本发明的一个实施方案中，锰 含量为最高〇. 40wt%。在这些量之内添加锰尤其改善所寻求的性能之间的平衡。
[0048] 镁含量为至少0. 2wt%，优选地为至少0. 30wt%。镁含量为最高0. 6wt%，优选地 为最高0. 50wt%。在本发明的一个实施方案中，镁含量为最高0.40wt%。银含量为至少 0.15wt%。银含量为最高0.25wt%。
【发明者】意外发现添加高于0.25%重量％的银对撞击 过程中的能量吸收具有相反的作用。重要的是将〇. 15到0. 25重量％的银含量与在固溶热 处理和淬火之后具有2到4%的永久变形的受控拉伸相结合，特别地，这是因为低于2%的 受控拉伸不能获得所需的机械强度。镁和银的添加对于达到静态力学强度、能量吸收、密度 和韧性之间的有益平衡是必要的。
[0049] 锆含量为至少0. 07wt%，优选地为至少0. 10wt%。锆含量为最高0. 15wt%，优选 地为最高〇. 13wt%。锆的添加尤其是对于维持本发明的挤压产品所需的基本上非再结晶的 结构是必要的。
[0050] 钛含量在0. Olwt%和0. 15wt%之间，优选地在0. 02wt%和0. 05wt%之间。钛的 添加尤其使铸造后得到的粗糙形块能够获得受控制的晶粒结构。
[0051] Fe和Si的量各自为低于或等于0. Iwt %。优选地，Fe和Si的含量分别低于 0. 08wt%。
[0052] Zn含量低于0. 2wt%，优选地低于0. 15wt%，更优选地低于0. lwt%。Zn的存在对 于静态机械强度、能量吸收、密度和韧性之间的平衡具有不利作用，尤其是此元素反作用于 合金的密度，同时对静态机械强度、能量吸收和韧性无有利作用。
[0053] 不可避免的杂质各自维持在低于或等于0.05被％，且总量低于或等于0. 15wt%。
[0054] 本发明的挤压产品采用如下方法制备，其中首先铸造由本发明合金制成的粗糙形 块。优选地，该粗糙形块为挤压坯。随后在490°C到520°C下将该粗糙形块进行8到48小 时的均匀化。以一个或多个阶段实施均匀化。均匀化之后可将该粗糙形块冷却至室温或直 接置于热加工温度下。通过在420°C到480°C的初始热加工温度下挤压来热加工该均匀化 的粗糙形块以获得挤压产品。所采用的挤压温度尤其使其能够获得所需的基本上非再结晶 的结构。
[0055] 本发明的挤压产品优选为下述型材，其中，基本矩形中的至少一个的厚度在Imm 和30mm之间，优选地在2mm和20mm之间，更优选地在5mm和16mm之间。用于航空工程的挤 压产品通常包含几部分或不同厚度的基本矩形。这些产品遇到的一个困难是于不同部分中 达到符合要求的性能。本发明的合金尤其使不同厚度的基本矩形能够获得静态机械强度、 能量吸收、密度和韧性之间的有益平衡。
[0056] 所得到的挤压产品随后在500°C到520°C的温度下进行15分钟到8小时的固溶热 处理，然后在室温下水淬。优选地，通过喷射或浸没在水中实施淬火。
[0057] 固溶热处理并淬火后的挤压产品随后以2%到4%的永久变形进行拉伸。不充分 拉伸引起的永久变形，如1.5%的拉伸变形，不能达到所需性能之间的平衡。过度拉伸下的 永久变形，如6%的变形，尤其不能保证挤压产品的尺寸特点，尤其是关于多个基本矩形之 间的角度。
[0058] 为获得所需的尺寸特点，实施挤压产品的矫直操作可能是必要的。
[0059] 最后通过在KKTC到170°C的温度下加热5到100小时将挤压产品时效处理。可以 一个或多个阶段实施时效处理。优选地，在130°C和170°C之间，更优选地在150°C和160°C 之间，以一个阶段实施时效处理20到40小时。
[0060] 所得到的挤压产品优选地为基本上非再结晶的晶粒结构。在本发明范围内，基本 上非再结晶的晶粒结构指的是基本矩形的1/4和1/2厚度之间的再结晶率低于30%并优选 地低于10%。
[0061] 本发明的挤压产品具有特别优异的力学性能。
[0062] 例如，本发明的挤压产品在半厚度处优选地具有以下性能：
[0063] 对于5mm和16mm之间的厚度
[0064] 至少630MPa且优选地至少635MPa的沿L方向的平均拉伸屈服应力Rpa2JP
[0065] 至少625MPa且优选地至少630MPa的沿LT方向的平均拉伸屈服应力1^.2，及
[0066] EA 因子
[0067] EA= (Rm (L)+RpO. 2 (L)/2*A % (L) + (Rm(LT)+RpO. 2 (LT)/2*A % (LT)
[0068] 至少等于14000且优选地至少等于14500，
[0069] 和 / 或
[0070] 对于17mm和30mm之间的厚度，
[0071] 至少655MPa且优选地至少660MPa的沿L方向的平均拉伸屈服应力Rpa2JP
[0072] 至少600MPa且优选地至少605MPa的沿L方向的平均拉伸屈服应力1^.2，及
[0073] EA 因子
[0074] EA= (Rm (L)+RpO. 2 (L)/2*A % (L) + (Rm(LT)+RpO. 2 (LT)/2*A % (LT)
[0075] 至少等于9500且优选地至少等于9800。
[0076] 另外，本发明的产品具有优异的韧性。
[0077] 例如，本发明的产品优选地在5mm和16mm之间的厚度下具有至少24MPa ^且优 选地至少25MPa ^的韧性Kie (L-T)，及在17mm和30mm之间的厚度下具有至少2IMPa ^ 且优选地至少22MPa ^的韧性Kic(L-T)。
[0078] 最后，本发明的产品具有优异的抗腐蚀性。例如，在根据标准ASTM G44和ASTM G49 的于采样试样的LT方向上的450MPa压力下的应力腐蚀测试中，本发明的挤压产品具有至 少30天的抗腐蚀性。
[0079] 本发明的挤压产品尤其有益于航空工业。例如，本发明的产品作为机身加劲肋或 纵向加劲肋、环架、翼肋、地板梁或地板轮廓、或座椅轨道用于航空工程。在一个优选实施方 案中，本发明的产品用作地板梁，尤其是作为飞机的下层地板（或称货物层地板）的梁，该 层在撞击过程中尤为重要。 实施例
[0080] 实施例1
[0081] 在此实施例中，制备并以粗糙形块铸造了 5种合金，表1给出了它们的组成。
[0082] 表1?以重量％表示的合金的组成
【权利要求】
1. 一种错基合金制成的挤压产品，包含： 4. 2wt%到 4. 8wt% 的 Cu, 0? 9wt%到 I. lwt%的 Li, 0? 15wt% 到 0? 25wt% 的 Ag, 0? 2wt % 到 0? 6wt % 的 Mg, 0? 07wt%到 0? 15wt% 的 Zr, 0? 2wt %到 0? 6wt % 的 Mn, 0.0^^%到0.15￥七％的11， Zn的量低于0. 2wt %，Fe和Si的量各自低于或等于0. Iwt %，不可避免的杂质各自的 含量低于或等于〇. 〇5wt %且总量低于或等于0. 15wt %。
2. 根据权利要求1所述的挤压产品，包含4. 3wt%到4. 7wt%的Cu,优选地4. 35wt%到 4. 55wt% 的 Cu。
3. 根据权利要求1或2所述的挤压产品，包含0. 95wt%到I. 05wt%的Li。
4. 根据权利要求1到3中的任意一项所述的挤压产品，包含0. 30wt%到0. 50wt%的 1\%和/或0.10界1:(%到0.13￥1:(%的21'。
5. 根据权利要求1到4中的任意一项所述的挤压产品，包含0. 3wt%到0. 5wt%的Mn。
6. 根据权利要求1到5中的任意一项所述的挤压产品，包含低于0. 15wt%的Zn,优选 地低于CL Iwt %的Zn。
7. 根据权利要求1到6中的任意一项所述的挤压产品，其特征在于，其是如下型材，其 中基本矩形中的至少一个的厚度在Imm和30mm之间，优选地在2mm和20mm之间，更优选地 在5mm和16mm之间。
8. 根据权利要求1到7中的任意一项所述的挤压产品，其特征在于，基本矩形的1/4和 1/2厚度之间的再结晶率低于30%，优选地低于10%。
9. 根据权利要求1到8中的任意一项所述的挤压产品，于半厚度处 对于5mm和16mm之间的厚度， 具有至少630MPa且优选地至少635MPa的沿L方向的平均拉伸屈服应力Rpa2，和 至少625MPa且优选地至少630MPa的沿LT方向的平均拉伸屈服应力Rpa2，及 EA因子 EA= (Rm (L)+RpO. 2 (L)/2*A % (L) + (Rm(LT)+RpO. 2 (LT)/2*A % (LT) 至少等于14000且优选地至少等于14500 和/或 对于17mm和30mm之间的厚度， 具有至少655MPa且优选地至少660MPa的沿L方向的平均拉伸屈服应力Rpa2，和 至少600MPa且优选地至少605MPa的沿LT方向的平均拉伸屈服应力Rpa2，及 EA因子 EA= (Rm (L)+RpO. 2 (L)/2*A % (L) + (Rm(LT)+RpO. 2 (LT)/2*A % (LT) 至少等于9500且优选地至少等于9800。
10. 根据权利要求9所述的产品， 对于5mm和16mm之间的厚度，具有至少24MPa^且优选地具有至少25MPa ^ 的韧性Kic(L-T)，以及 对于17mm和30mm之间的厚度,具有至少21 MPa 且优选地具有至少22MPa 的韧性Kic(L-T)。
11. 生产根据权利要求1到10中的任意一项所述的挤压产品的方法，其中： (a) 铸造由权利要求1到6之一的合金制成的粗糙形块， (b) 将所述粗糙形块在490°C到520°C的温度下均匀化8到48小时， (c) 通过在420°C到480°C的初始热加工温度下的挤压热加工所述粗糙形块以获得挤 压产品， (d) 使所述挤压产品经历500°C到520°C温度下的固溶热处理15分钟到8小时， (e) 淬火， (f) 使所述挤压产品经历2%到4%的永久变形的受控拉伸。 (g) 任选地，所述挤压产品被矫直。 (h) 通过在100°C到170°C的温度下加热5到100小时对所述挤压产品时效处理。
12. 根据权利要求1-10中的任意一项所述的产品作为机身加劲肋或纵向加劲肋、环 架、翼肋、地板轮廓或地板梁或座椅轨道应用于航空工程的用途。
【文档编号】B21C29/00GK104220616SQ201380019554
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2012年4月11日
【发明者】A·达涅卢, M·马凯特, J·皮尼亚泰尔, G·普热, T·沃纳 申请人:法国肯联铝业