专利名称：改进通过固态连接加工的铝合金性能的方法
技术领域：
本发明一般性地涉及一种制备铝合金的方法，更具体地，本发明涉及一种改进通过固态连接(solid state joining)加工的铝合金性能的方法。
背景技术：
当采用固态连接技术，包括例如传统的旋转摩擦，以在圆形截面金属部件中获得连接时，其产生的全世界接受的经济效益和高焊接质量已经导致其它连接非圆形的和复杂形状零件的高质量焊接工艺的发展。
一种关于旋转摩擦焊接的新型改进技术，被称为线性摩擦焊接(“LFW”)，涉及用对称的线性往复运动摩擦一个穿过第二个钢性压紧部件表面的部件。该线性往复运动产生摩擦热并软化焊接界面材料(作为溢料排出)。将两个部件精确对准焊接环的末端，并保持或增加焊接力以加固连接。加工或摩擦随后可以去除LFW工艺中产生的溢料。LFW工艺相对传统的旋转摩擦工艺的优势在于可以用LFW来焊接非圆形或复杂几何形状的部件，例如航空发动机叶片到盘片。
摩擦搅拌焊接(“FSW”)是一种用非耗损工具连接各种类型金属的固态工艺。当FSW旋转工具被插入并横穿材料时，该工具塑化材料并迫使材料沿着工具周围流动，在此它们重新凝固。
尽管这些工艺如FSW和LFW已经在各种工业中普及，但是这些工艺确实有缺陷。老化、加工、或应变硬化金属暴露在焊接的强烈局部加热下，在焊接熔核(weldnugget)中易于再结晶和软化，因为强化沉淀物(strengthening precipitate)已经溶解。焊接熔核可以通过实施重新沉淀这些强化沉淀物的后焊接老化(post weld agingg)处理来强化。焊接也导致熔核周围产生热影响区(heat-affected zone)(HAZ)。尽管熔核获得足够高的温度来促使沉淀物加速固溶化，但HAZ被加热到一个较低的温度使得沉淀物尺寸长大，并且使强化作用变得较为无效。后焊接老化只能进一步粗化这些沉淀物。
例如，FSW和LFW都通过局部改变微观结构和回火(例如，在摩擦焊接铝中，摩擦焊接工艺使微观结构的晶粒尺寸减小到约2-5微米，其比母材更细)来减少常用铝合金(如7050和7055)的强度。实际上，因为HAZ中的过度老化，通常强度下降约25-30％。熔核起初较脆弱，但是通过在室温下自然老化会逐渐加强。
例如，如下表1所示，对于一种铝合金(7050-T7451)，线性摩擦焊接和随后的老化导致允许的极限拉伸应力(Ftu)降低约15％，在材料开始拉伸屈服时允许的拉伸应力(Fty)降低约27％，并且延伸率降低约35-45％。
表1
通过进一步机械处理恢复这些强度性能是不可能的或不切实际的，这严格限制了这些铝合金在低成本生产工艺中的有效性和适用性，特别是对于飞机机架部件的应用。
一种恢复这些铝合金在FSW或LFW工艺中改变的强度的技术是采用固溶体热处理(solution heat treating)(温度在约900到1000华氏度之间)，淬火和老化(温度范围约为250-350华氏度)来进一步热处理合金。然而，虽然固溶体热处理步骤对强度的恢复是必需的，但它也导致焊接件本身晶粒过变生长(约从4微米到400微米)，和延展性严重降低，常常到接近零的水平。
过度的晶粒生长和延展性损失被认为是因为摩擦焊接块包含了相当数量的储存能，这会导致在固溶体处理阶段发生二次再结晶和反常的晶粒生长。
因此，非常希望在FSW，LFW或类似的固态工艺中恢复损失的铝合金强度，同时防止产生延展性的损失。
发明内容
本发明通过在固溶体热处理前进行热暴露处理解决了延展性降低的问题。该热暴露处理，或者后焊接退火，在低于固溶体热处理温度下进行并释放材料中的储存能。然后材料在随后的固溶体热处理工艺中没有足够的能量发生再结晶。所得的材料具有恢复的机械强度，在初始延展性上仅有轻微的但可以接受的降低。
当该工艺被理想地用于连接铝合金零件时，本发明适合用于连接任何类型的金属。
本发明在于如下方面
1、一种形成具有改进的延展性和延伸率的通过固态连接加工的铝合金制品的方法，该方法包括用固态连接工艺形成铝合金材料；退火所述铝合金材料以释放所述铝合金材料中的储存能；冷却所述铝合金材料；并且固溶体处理和老化所述铝合金材料。
2、上述项1的方法，其中退火所述铝合金材料包括将所述铝合金材料在约700到800华氏度下退火足够的时间以释放所述铝合金材料中的储存能。
3、上述项2的方法，其中退火所述铝合金材料包括在约725华氏度退火所述铝合金材料约2小时。
4、上述项1的方法，其中冷却所述铝合金材料包括在约室温和约250华氏度之间空气冷却所述铝合金材料。
5、上述项4的方法，其还包括在空气冷却所述铝合金材料前炉冷却所述铝合金材料到约500华氏度。
6、上述项1的方法，其中固溶体处理和老化所述铝合金材料包括加热所述铝合金材料到固溶化温度；将所述铝合金材料保持所述固溶化材料状态预定量的时间；淬火所述铝合金材料；并且在约250到350华氏度之间老化所述铝合金材料。
7、上述项6的方法，其中老化所述铝合金材料包括在250华氏度老化所述铝合金材料约4小时，接着在约350华氏度进行最后的老化步骤约8小时。
8、上述项6的方法，其中加热所述铝合金材料到固溶化温度包括加热所述铝合金材料到约850与1000华氏度之间。
9、上述项6的方法，其中加热所述铝合金材料到固溶化温度和将所述铝合金材料保持在所述固溶化温度下包括加热所述铝合金材料到约890华氏度1小时。
10、上述项1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；并且采用线性摩擦焊接工艺连接所述一对铝合金片的一片和另一片。
11、上述项10的方法，其中连接所述一对铝合金片中的一片和另一片包括牢固地固定所述一对铝合金片中的第一片；连接所述一对铝合金片中的第二片，使所述第一片的第一面紧紧地连接所述第二片的第二面；对所述一对铝合金中的第二片施加第一力使得第一面充分地邻接所述第二面，在此界定焊接界面；在第一频率和第一振幅下以线性往复方式移动所述一对铝合金片中的第二片，使得所述第二面摩擦所述第一面并沿着所述焊接界面形成焊接熔核。
12、上述项11的方法，其中所述第一力包括每平方毫米大约50牛顿的摩擦压力，并且还包括每平方毫米约100牛顿的锻造压力。
13、上述项11的方法，其中所述第一振幅在约+/-1～3毫米之间。
14、上述项11的方法，其中所述第一频率在约25与125赫兹之间。
15、上述项1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；以及采用摩擦搅拌焊接工艺连接所述一对铝合金片中的一片和另一片。
16、上述项15的方法，其中连接所述一对铝合金片中的一片和另一片包括牢固地连接所述一对铝合金片，使得所述一对铝合金片中的一片的面充分邻接到所述一对铝合金片中另一片的相应面，其中所述面和所述相应面限定具有第一末端和第二末端的连接线；连接摩擦搅拌焊接设备工具，使得尖头沿所述连接线位于第一末端；当所述摩擦搅拌焊接设备以固定的速度从所述第一末端到所述第二末端穿过所述连接线时，以固定的旋转速率旋转所述尖头，其中沿着所述面和所述相应面，所述固定的旋转速率和所述固定的速度足以软化但不融化所述铝合金片，在此沿着所述软化面和所述软化的相应面形成焊接线；并且沿着所述焊接线冷却和再结晶所述铝合金片，以连接所述铝合金片中的所述一片到所述铝合金片的所述另一片，以形成连接的铝合金材料。
17、一种改善通过固态连接工艺形成的铝合金制品延展性的方法，该方法包括释放铝合金材料中的储存能，以充分阻止在随后的固溶化步骤中发生铝合金材料的再结晶。
18、上述项17的方法，其中释放储存能包括在第一温度退火铝合金材料第一段时间，所述第一温度低于铝合金材料的固溶化温度。
19、上述项17的方法，其中在第一温度退火铝合金材料第一段时间包括在约700到800华氏度下退火铝合金材料一段足以释放铝合金材料中的储存能的时间。
20、上述项19的方法，其中退火铝合金材料包括在约725华氏度下退火铝合金材料约2小时。
当根据附图和所附权利要求书考虑时，本发明的其它特征，好处和优势将从下面的发明描述变得显而易见。
图1是依照本发明的一个优选实施方式采用固态连接工艺形成铝合金制品的逻辑流程图(logic flow diagram)；图2A是依照本发明的一个优选实施方式在焊接工艺前用于图1的摩擦搅拌焊接加工设备的透视图。
图2B是图2A的摩擦搅拌焊接加工设备在沿部分连接线横过后的透视图；图3是依照本发明的另一个优选实施方式采用固态连接工艺形成铝合金制品的逻辑流程图；图4是依照本发明的优选实施方式用于图3的线性摩擦焊接工艺的透视图。
具体实施例方式
现在参考图1，利用固态连接工艺生产铝合金制品的逻辑流程图通常如50所示。
过程开始于采用传统的摩擦搅拌焊接(“FSW”)工艺把铝合金的两个部件12，14连接起来的步骤60。
正如图2A和2B所示，在传统的FSW工艺中，一个圆柱形带肩的(cylindrical-shouldered)摩擦搅拌焊接工具16，具有异形螺纹的(profiled threaded)/无螺纹的探头(尖头)18，以固定的速度旋转并以固定的横穿速率输入连接在一起的片状或盘状铝材料的两个部件12，14之间的连接线20。正如图2A所示，部件12和14必须以一定的方式牢固地夹紧到垫板上(没有显示)，该方式防止沿连接线20放置尖头18时邻接的连接面24和26被分开。当工具16沿着连接线20(箭头32所示)从第一末端27横穿到第二末端29时，尖头18以固定的速率(箭头34所示)旋转，从而在耐摩擦焊接工具突肩(shoulder)17和尖头18之间以及和材料的工作面12，14之间产生摩擦热。该摩擦热和机械混合过程产生的热和材料中隔绝的热一起，使得搅拌的材料在没有达到熔点时软化(下文称为固态工艺)，允许工具16沿焊接线20穿过。这是在图2B中显示的。固态中的剧烈的塑性变形有助于材料的焊接8，包括基体铝材料的动态再结晶。结果得到连接在一起的铝合金材料。
在步骤70，将连接在一起的铝合金材料在低于铝合金材料的固溶化温度约100-300华氏变的温度下退火。退火消除了焊接熔核中的储存能，使得随后的固溶体处理和老化步骤不会引起二次再结晶和异常晶粒生长。对于铝合金，如7050-T7451母材，退火在700和800华氏度之间，更优选在约725华氏度下进行大约2小时。
在步骤80，退火材料在室温与250华氏度之间空气冷却。作为该工艺的一部分，退火材料在空气冷却前可任选炉冷却到约500华氏度。
接下来，在步骤90，用传统方法将退火的铝合金材料进行固溶体处理和老化(STA)。对于铝合金如7050和7055，典型的STA处理包括将铝合金材料置于850到1000度之间的固溶化温度，更优选在约890华氏度下处理约1小时，然后进行淬火步骤。随后淬火材料在250华氏度下老化约4小时，接着在350华氏度进行最后的老化步骤约8小时。
在步骤100，将铝合金材料进行与典型的航空产品或部件相关的常规生产步骤，如加固，化学处理和机械加工，包括但不限于冷加工和冷成形，但是不需要相关的热量或热处理步骤。这些生产步骤使零件形成其近似的最终形状。成型的零件适用于生产各种制品。
现在参考图3，一种可选择的利用固态连接工艺生产铝合金制品的逻辑流程图通常如150所示。
从步骤160开始，正如图4中显示，将两片铝合金材料72，74彼此紧密靠近，使得各自的表面76和78充分邻接。第一片72被牢固地固定(夹住)住，而第二片74能线性往复移动。
在步骤170，如箭头92，94所示对每一片施加力。当可以利用大范围的摩擦和锻造压力时，本发明优选的实施方式利用大约每平方毫米50牛顿的摩擦压力和约每平方毫米100牛顿的锻造压力。
在步骤180，如箭头82所示，第二片74以线性往复运动移动，从而使表面76，78一起摩擦。线性往复运动产生摩擦热，材料在被各自表面76，78限定的焊接界面84处软化，在那里产生软化材料的焊接熔核86。焊接熔核86的一部分，或溢料88，从焊接界面84除去并进行修整，或者机械加工除去。对于上面描述的使用优选的摩擦和锻造压力的铝合金，往复运动的小振幅为+/-1-3毫米，更优选+/-2毫米，频率约在25-125赫兹间，更优选40赫兹。
在步骤190，将成型铝合金材料退火。退火消除了焊接熔核中的储存能，使得随后的老化阶段不会引起二次再结晶和异常晶粒生长。退火在低于铝合金材料的固溶化温度约100-300华氏度进行。对于铝合金，如7050，退火优选在700和800度之间，更优选在约725华氏度下进行约2小时。
在步骤200，退火材料在室温与250华氏度之间空气冷却。作为该工艺的一部分，退火材料在空气冷却前可以任选炉冷却至约500华氏度。
接下来，在步骤210，用传统的方式将退火铝合金固溶体处理和老化。对于铝合金，如7050和7055，典型的STA处理包括将铝合金材料置于850到1000度的固溶化温度，更优选在约890华氏度下约1小时，然后进行淬火步骤。随后淬火材料在250华氏度老化约4小时，接着在350华氏度进行最后的老化步骤约8小时。
在步骤220中，将铝合金材料进行与典型的航空产品或部件有关的常规生产工艺，如加固，化学处理和机械加工，包括但不限于冷加工和冷成形，但是不需要相关的热量或热处理步骤。这些生产步骤使零件形成其近似的最终形状。成型零件适用于生产各种制品。
本发明通过在固溶体热处理前实施热暴露处理解决了延展性降低的问题。该热暴露处理，或后焊接退火，在低于固溶体热处理温度的温度下进行，并释放材料中的储存能。材料在随后的固溶体热处理工艺中没有足够的能量再结晶。所得的铝合金材料具有恢复的机械强度，在初始延展性上仅有轻微的但可以接受的降低。
例如，如下表2所示，对于一种铝合金(7050-T7451)的机械性能进行了比较。行1显示自然状态下合金的机械性能。行2描述通过线性摩擦焊接工艺连接并根据现有技术老化的铝合金相同的机械性能。行3列出了合金在根据现有技术的线性摩擦焊接后经固溶体处理和老化的机械性能。行4在固溶体处理和老化步骤之前增加了本发明主题的退火步骤。所得的机械性能归纳在表2中。
表2
正如表2所示，在采用后焊接退火步骤的焊接件和HAZ之间的拉伸强度表明有显著改善。熔核允许的极限拉伸强度(Ftu)是75ksi并且材料在开始拉伸屈服时允许的拉伸应力(Fty)是70ksi，同时延伸率百分数在3-7.5％之间，这与行1描述的原料基本相同，比行2显示的常规老化工艺和行3显示的常规固溶体处理和老化工艺有显著提高。因而，退火工艺允许恢复在例如线性摩擦焊接的固态连接工艺中损失的机械性能。
由此，本发明公开了一种释在如LFW或FSW的固态连接工艺中产生的储存于连接材料中的能量的方法。在低于热处理温度约100到300华氏度下热暴露释放该储存能。这个温度范围应足够高以使能量释放，但也应足够低以避免在随后的固溶体热处理，淬火和老化过程中发生再结晶和/或晶粒生长。连接的铝合金制品仅在初始延展性上有较小的但可以接受的降低(通常在约8％与12％间)。
当所述方法理想地与用于连接铝合金部件的固态工艺结合使用时，本发明适合利用固态工艺来连接任何类型的金属或合金。
尽管根据优选实施方式描述了本发明，但应该理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以对其进行修改，特别是依照上述教导进行修改。
权利要求
1.一种形成具有改进的延展性和延伸率的通过固态连接加工的铝合金制品的方法，该方法包括用固态连接工艺形成铝合金材料；退火所述铝合金材料以释放所述铝合金材料中的储存能；冷却所述铝合金材料；并且固溶体处理和老化所述铝合金材料。
2.权利要求1的方法，其中退火所述铝合金材料包括所述铝合金材料在约700到800华氏度下退火足够的时间以释放所述铝合金材料中的储存能；优选的是其中冷却所述铝合金材料包括在约室温和约250华氏度之间空气冷却所述铝合金材料。
3.权利要求1的方法，其中固溶体处理和老化所述铝合金材料包括加热所述铝合金材料到固溶化温度；将所述铝合金材料以所述固溶化材料状态保持预定量的时间；淬火所述铝合金材料；并且在约250到350华氏度之间老化所述铝合金材料。
4.权利要求3的方法，其中老化所述铝合金包括在250华氏度老化所述铝合金材料约4小时，接着在约350华氏度进行最后的老化步骤约8小时；优选的是其中加热所述铝合金材料到固溶化温度包括加热所述铝合金材料到约850与1000华氏度之间。
5.权利要求1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；并且采用线性摩擦焊接工艺连接所述一对铝合金片的一片和另一片。
6.权利要求5的方法，其中连接所述一对铝合金片中的一片到另一片包括牢固地固定所述一对铝合金片中的第一片；连接所述一对铝合金片中的第二片，使所述第一片的第一面紧紧地连接所述第二片的第二面；对所述一对铝合金中的第二片施加第一力使得使第一面充分地邻接所述第二面，在此界定焊接界面；在第一频率和第一振幅下以线性往复方式移动所述一对铝合金片中的第二片，使得所述第二面摩擦所述第一面并沿着所述焊接界面形成焊接熔核。
7.根据权利要求6的方法，其中所述第一力包括每平方毫米大约50牛顿的摩擦压力，并且还包括每平方毫米约100牛顿的锻造压力。
8.权利要求1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；采用摩擦搅拌焊接技术连接所述一对铝合金片中的一片和另一片。
9.权利要求8的方法，其中连接所述铝合金片中的一片和另一片包括牢固地连接所述一对铝合金片，使得所述一对铝合金片中的一片的面充分邻接到所述铝合金片中另一片的相应面，其中所述面和所述相应面限定具有第一末端和第二末端的连接线；连接摩擦搅拌焊接设备工具，使得尖头沿所述连接线位于第一末端；以固定的旋转速率旋转所述尖头，当所述摩擦搅拌焊接设备以固定的速度从所述第一末端到所述第二末端穿过所述连接线时，其中沿着所述面和所述相应面，所述固定的旋转速率和所述固定的速度足以软化但不融化所述铝合金片，在此沿着所述软化面和所述软化的相应面形成焊接线；并且沿着所述焊接线冷却和再结晶所述铝合金片，以连接所述铝合金片中的所述一片到所述铝合金片的所述另一片，以形成连接的铝合金材料。
10.一种通过固态连接工艺提高铝合金制品延展性的方法，该方法包括释放铝合金材料中的储存能，以充分阻止在随后的固溶化步骤中发生铝合金材料的再结晶；优选的是其中释放储存能包括在第一温度退火铝合金材料第一段时间，所述第一温度低于铝合金材料的固溶化温度；更优选的是在第一温度退火铝合金材料第一段时间包括在约700到800华氏度下退火铝合金材料一段足以释放铝合金材料中的储存能的时间。
全文摘要
一种采用固态连接工艺形成具有改进的机械性能的铝合金制品的方法，其中通过在固溶体热处理前实施热暴露处理使延展性降低的问题最小化。这种热暴露处理，在温度低于固溶体热处理温度下进行，释放铝合金材料中的储存能。从而铝合金材料在固溶体热处理过程中没有足够的能量来发生再结晶和异常晶粒生长。所得的铝合金材料具有恢复的机械强度，在初始延展性上仅有轻微的但可以接受的降低。
文档编号C22F1/04GK1789474SQ20051012912
公开日2006年6月21日 申请日期2005年9月13日 优先权日2004年9月13日
发明者理查德·J·莱德里克, 凯文·T·斯莱特里, 克里什南·K·桑卡兰 申请人:波音公司