2xxx系列铝锂合金的制作方法

2xxx系列铝锂合金的制作方法
【专利摘要】本发明公开了新的2xxx铝锂合金。所述铝合金包含3.5-4.4wt.％的Cu、0.45-0.75wt.％的Mg、0.45-0.75wt.％的Zn、0.65-1.15wt.％的Li、0.1-1.0wt.％的Ag、0.05-0.50wt.％的至少一种晶粒结构控制元素、至多1.0wt.％的Mn、至多0.15wt.％的Ti、至多0.12wt.％的Si、至多0.15wt.％的Fe、至多0.10wt.％的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过0.35wt.％，余量为铝。
【专利说明】2XXX系列铝锂合金
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本专利申请要求2013年3月13日提交的名称为"2XXX系列铝锂合金（2XXX SERIES ALUMINUM LITHIUM ALLOYS) " 的美国专利申请 No. 13/798, 750 和 2012 年 5 月 9 日 提交的名称为"2XXX系列铝锂合金（2XXX SERIES ALUMINUM LITHIUM ALLOYS)"的美国临时 专利申请No. 61/644, 869的优先权。每份上述专利申请均通过引用完整地结合在本文中。

【背景技术】
[0003] 铝合金在多种应用中是有用的。然而，改进铝合金的一种性能而不损害另一种性 能通常证实是难以实现的。例如，在不降低合金的韧性的情况下增加合金的强度是困难的。 铝合金的令人感兴趣的其他性能包括耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展速率，仅举两个例子。


【发明内容】

[0004] 大体上讲，本专利申请涉及2xxx错锂合金。总体上，所述2xxx错锂合金具有3. 5 至 4. 4wt % 的 Cu、0. 45 至 0· 75wt % 的 Mg、0. 45 至 0· 75wt % 的 Ζη、0· 65 至 I. 15wt % 的 Li、 0· lwt%至I. Owt%的Ag、0. 05至0· 50wt%选自由Zr、Sc、Cr、V、Hf、稀土元素及其组合所 组成的组的晶粒结构控制元素、至多I. 〇wt%的Μη、至多0. 15wt%的Ti、至多0. 12wt%的 Si、至多0. 15wt %的Fe、至多0. IOwt %的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过 0. 35wt%，余量为铝。包含这类铝合金的形变产品可以实现改进的性能，例如改进的强度和 /或韧性和/或耐蚀性。
[0005] 在一个方案中，所述形变铝合金产品是厚形变铝合金产品，即，具有至少12. 7mm 的横截面厚度的形变产品。在一个实施例中，厚形变铝合金产品具有至少25. 4mm的厚度。 在另一个实施例中，厚形变铝合金产品具有至少50. 8mm的厚度。在一个实施例中，厚形变 铝合金产品具有不大于177. 8mm的厚度。在另一个实施例中，厚形变铝合金产品具有不大 于152. 4mm的厚度。在又一个实施例中，厚形变铝合金产品具有不大于127. Omm的厚度。在 另一个实施例中，厚形变铝合金产品具有不大于101. 6mm的厚度。如在本段中所使用的，厚 度指产品的最小厚度，可以知道的是，所述产品的一些部分可以实现比所述最小厚度稍大 的厚度。
[0006] 在另一个方案中，所述形变铝合金产品是薄形变铝合金产品，S卩，具有小于12. 7mm 的横截面厚度的形变产品，如薄厚度板材或薄板。在一个实施例中，薄形变铝合金产品具有 至少I. Omm的厚度。在另一个实施例中，薄形变铝合金产品具有至少I. 27mm的厚度。在又 一个实施例中，薄形变铝合金产品具有至少I. 52mm的厚度。在一个实施例中，薄形变产品 具有不大于10. 2mm的厚度。在另一个实施例中，薄形变产品具有不大于7. 62mm的厚度。在 又一个实施例中，薄形变产品具有不大于6. 35mm的厚度。如在本段中所使用的，厚度指产 品的最小厚度，可以知道的是，所述产品的一些部分可以实现比所述的最小厚度稍大的厚 度。
[0007] 新的合金中包含铜（Cu),并且Cu通常在3. 5wt. %至4. 4wt. %的范围内。在一个 实施例中，所述新的合金包含至少3. 6wt. %的Cu。在其他实施例中，所述新的合金可以包 含至少3. 7wt. %的Cu,或至少3. 8wt. %的Cu。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于 4. 3wt. %的Cu。在其他实施例中，所述新的合金可以包含不大于4. 2wt. %的Cu。
[0008] 新的合金中包含镁（Mg),并且Mg通常在0. 45wt. %至0. 75wt. %的范围内。在一 个实施例中，所述新的合金包含至少〇.50wt. %的Mg。在另一个实施例中，所述新的合金包 含至少0. 55wt. %的Mg。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0. 70wt. %的Mg。在 另一个实施例中，所述新的合金包含不大于〇. 65wt. %的Mg。
[0009] 新的合金中包含锌（Zn),并且Zn在0. 45wt. %至0. 75wt. %的范围内。在一个实 施例中，所述新的合金包含至少〇.50wt. %的Zn。在另一个实施例中，所述新的合金包含至 少0. 55wt. %的Zn。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0. 70wt. %的Zn。在另一 个实施例中，所述新的合金包含不大于〇. 65wt. %的Zn。
[0010] Zn/Mg比可以围绕1. 00,例如在0. 60至I. 67(Zn/Mg)的范围内。在一个实施例中， 所述Zn/Mg比是在0. 70至1.40的范围内。在另一个实施例中，所述Zn/Mg比是在0.80至 1.20的范围内。在又一个实施例中，所述Zn/Mg比是在0.85至1. 15的范围内。
[0011] 新的合金中包含锂（Li),并且Li通常在0. 65wt. %至I. 15wt. %的范围内。在 一个实施例中，所述新的合金包含至少〇. 7〇wt. %的Li。在其他实施例中，所述新的合金 可以包含至少〇. 75wt. %的Li,或至少0. 80wt. %的Li,或至少0. 825wt. %的Li,或至 少0. 850wt. %的Li,或至少0. 875wt. %的Li。在一个实施例中，所述新的合金包含不大 于I. IOwt. %的Li。在其他实施例中，所述新的合金包含不大于I. 05wt. %的Li,或不大 于I. 025wt. %的Li,或不大于I. OOOwt. %的Li,或不大于0. 975wt. %的Li,或不大于 0· 950wt. %的 Li。
[0012] 新的合金中包含银（Ag),并且Ag通常在0. Iwt. %至I. Owt. %的范围内。在一个 实施例中，所述新的合金包含至少0. 15wt. %的Ag。在另一个实施例中，所述新的合金包含 至少0. 2wt. %的Ag。在一个实施例中，所述新的合金包含不大于0. 5wt. %的Ag。在另一 个实施例中，所述新的合金包含不大于〇. 4wt. %的Ag。
[0013] 新的合金中任选地可以包含锰（Mn)，并且以至多I. Owt. %的量包含锰（Mn)。在 一个实施例中，所述新的合金包含至少〇.〇5wt. %的Μη。在其他实施例中，所述新的合金 包含至少0. IOwt. %的Mn,或至少0. 15wt. %的Mn,或至少0. 2wt. %的Μη。在一个实施例 中，所述新的合金包含不大于〇.8wt. %的Μη。在其他实施例中，所述新的合金包含不大于 0. 7wt. %的Mn,或不大于0. 6wt. %的Mn,或不大于0. 5wt. %的Mn,或不大于0. 4wt. %的 Μη。在合金工业中，锰可被视为合金组分和晶粒结构控制元素--留在固溶体中的锰可以 提高合金的机械性能（例如，强度），同时颗粒形态的锰（例如，作为Al 6Mn, Al12Mn3Si2--有 时称作弥散质）可以有助于晶粒结构控制。然而，由于在本专利申请中Mn被单独地用其自 身的成分限值限定，它不在出于本专利申请目的的"晶粒结构控制元素"（在下文描述）的 定义内。
[0014] 该合金可以包含0· 05至0· 50wt. %选自由锆（Zr)、钪（Sc)、铬（Cr)、钒（V)和/ 或铪（Hf),和/或稀土元素所组成的组的至少一种晶粒结构控制元素，从而所采用的晶粒 结构控制元素被维持在最大溶解度以下和/或在限制初始颗粒形成的水平。如本文所使用 的，"晶粒结构控制元素"意指作为有意的合金添加剂的元素或化合物，目的在于形成第二 相颗粒，通常呈固态，以控制晶粒结构在热处理期间的变化，如回复和重结晶。出于本专利 申请的目的，晶粒结构控制元素包括Zr、Sc、Cr、V、Hf和稀土元素,仅举几个例子,但是不包 括Μη。
[0015] 在合金中使用的晶粒结构控制物质的量通常取决于所使用的用于晶粒结构控制 的物质的类型和/或合金生产工艺。在一个实施例中，所述晶粒结构控制元素是Zr,并且所 述合金包含0. 05wt. %至0. 20wt. %的Zr。在另一个实施例中，所述合金包含0. 05wt. %至 0. 15wt. %的Zr。在另一个实施例中，所述合金包含0. 07wt. %至0. 14wt. %的Zr。在一个 实施例中，所述铝合金包含至少0.07wt. %的Zr。在另一个实施例中，所述铝合金包含至少 0. 08wt. %的Zr。在一个实施例中，所述铝合金包含不大于0. 18wt. %的Zr。在另一个实施 例中，所述错合金包含不大于〇. 15wt. %的Zr。在另一个实施例中，所述错合金包含不大于 0· 14wt. % 的 Zr。
[0016] 该合金可以累积性地包含至多0. 15wt. %的Ti用于晶粒细化和/或其他目的。当 合金中包含Ti时，它通常以0.005至0. IOwt. %的量存在。在一个实施例中，所述铝合金包 含晶粒细化剂，并且所述晶粒细化剂是TiB2和TiC中的至少一种，其中合金中的Ti的重量 百分含量（wt. % )是 0· 01 至 0· 06wt. %，或 0· 01 至 0· 03wt. %。
[0017] 该铝合金可以包含一般作为杂质的铁（Fe)和硅（Si)。该新的合金的铁含量通 常不应当超过〇. 15wt. %。在一个实施例中，所述合金的铁含量不大于0. 12wt. %。在其 他实施例中，所述错合金包含不大于〇. IOwt. %的Fe,或不大于0. 08wt. %的Fe,或不大 于0. 05wt. %的Fe,或不大于0. 04wt. %的Fe。类似地，该新的合金的娃含量通常不应当 超过0. 12wt. %。在一个实施例中，所述合金的娃含量不大于0. IOwt. %的Si,或不大于 0· 08wt. %的Si，或不大于0· 06wt. %的Si，或不大于0· 04wt. %的Si，或不大于0· 03wt. % 的Si。
[0018] 该新的2XXX铝锂合金通常含有少量的"其他元素"（例如，铸造助剂和除铁和硅之 外的杂质）。如本文所采用的，"其他元素"意指除了铝和上述的铜、镁、锌、锂、银、锰、晶粒 结构控制元素（即，21"、3(：、(>、￥、批和稀土元素）、上述的铁和硅之外的周期表上的任何其 他元素。在一个实施例中，所述新的2 XXX铝锂合金含有均不多于0. IOwt. %的任何其他元 素，并且这些其他元素的总组合量不超过〇.35wt. %。在另一个实施例中，这些其他元素的 每一种在该2XXX铝锂合金中各自均不超过0. 05wt. %，并且这些其他元素的总组合量在该 2xxx铝锂合金中不超过0. 15wt. %。在另一个实施例中，这些其他元素的每一种在该2xxx 铝锂合金中各自均不超过0. 03wt. %，并且这些其他元素的总组合量在该2xxx铝锂合金中 不超过0. IOwt. %。
[0019] 该新的合金可以用于所有的形变产品形式，包括薄板、板材、锻件和挤压件。该新 的合金可以通过或多或少常规的方法（包括将铝合金直冷（DC)铸造成铸锭形式）被制备 成形变形式并且处于适宜的状态。在常规的修整、车削或剥离（如果需要的话）和均匀化 (所述均匀化可以在修整前或修整后完成）之后，可以在热轧操作之间有或没有退火的情 况下通过热加工产品将这些铸锭进一步加工。随后可以将产品任选地冷加工、任选地退火、 固溶热处理、淬火和最终冷加工。在最终的冷加工步骤之后，可以将产品人工时效。因此， 可以将产品生产成T3或T8状态。
[0020] 新的合金可以实现改进的性能，例如改进的强度和/或耐蚀性，并且强度和断裂 韧性之间具有类似或改进的平衡。在一个实施例中，由新的铝合金制成的形变铝合金产品 通过了在至少45ksi的应力下持续至少50天（5份试样的平均）的ASTM G47测试。在另 一个实施例中，由新的铝合金制成的形变铝合金产品通过了在至少45ksi的应力下持续至 少60天（5份试样的平均）的ASTM G47测试。在又一个实施例中，由新的铝合金制成的形 变铝合金产品通过了在至少45ksi的应力下持续至少70天（5份试样的平均）的ASTM G47 测试。在另一个实施例中，由新的铝合金制成的形变铝合金产品通过了在至少45ksi的应 力下持续至少80天（5份试样的平均）的ASTM G47测试。在上述实施例的任一项中，当根 据ASTM E8和B557测试时，所述形变铝合金可以实现至少大约70ksi的拉伸屈服强度（L) (TYS-L)，例如至少71ksi的TYS-L，或至少72ksi的TYS-L，或至少73ksi的TYS-L，或至少 74ksi的TYS-L，或至少75ksi的TYS-L，或至少76ksi的TYS-L，或至少77ksi的TYS-L，或至 少78ksi的TYS-L，或至少79ksi的TYS-L，或至少80ksi的TYS-L，或至少81ksi的TYS-L，或 至少82ksi的TYS-L，或至少83ksi的TYS-L，或至少84ksi的TYS-L，或至少85ksi的TYS-L， 或至少86ksi的TYS-L，或更高的TYS-L。在上述实施例的任一项中，当根据ASTM E399测 试时，所述形变铝合金可以实现至少大约20ksi的平面应变（Klc)断裂韧性（T-L)，例如至 少 21ksi 的 Kle (T-L)，或至少 22ksi 的 Kle (T-L)，或至少 23ksi 的 Kle (T-L)，或至少 24ksi 的 Klc (T-L)，或至少 25ksi 的 Kle (T-L)，或至少 26ksi 的 Kle (T-L)，或至少 27ksi 的 Kle (T-L)，或 至少 28ksi 的 Kle (T-L)，或至少 29ksi 的 Kle (T-L)，或至少 30ksi 的 Kle (T-L)，或至少 31ksi 的 Kle (T-L)，或至少 32ksi 的 Kle (T-L)，或至少 33ksi 的 Kle (T-L)，或更高的 Kle (T-L)。
[0021] 除非另外说明，以下定义适用于本申请：
[0022] "形变铝合金产品"意指在铸造后热加工的铝合金产品，并且包括轧制产品（薄板 或板材）、锻造产品和挤压产品。
[0023] "锻造铝合金产品"意指模具锻造或手工锻造的形变铝合金产品。
[0024] "固溶热处理"意指为了将溶质置于固溶体中而将铝合金暴露于升高的温度。
[0025] "人工时效"意指为了使溶质析出而将铝合金暴露于升高的温度。人工时效可以在 一个或多个阶段中进行，所述阶段可以包括不同的温度和/或暴露时间。
[0026] 这项新技术的这些和其他方面、优点和新特征部分在下面的说明书中进行阐述， 并且对本领域技术人员而言在审阅下面的说明书和附图后将变得显而易见，或者可以通过 实施本发明公开提供的此项技术的一个或更多的实施例而获知。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1是说明实例1的各种铝合金产品的性能的图示。
[0028] 图2a_2b是说明实例2的各种铝合金产品的性能的图示。

【具体实施方式】
[0029] 实例1-铰接式铸型研究
[0030] 生产了 9种铰接式铸型铸锭，在下表1中提供了这些铸锭的组成（所有数值以重 量百分比表示）。
[0031] 表1-实例1的合金组成
[0032]

【权利要求】
1. 一种铝合金，由以下成分组成： 3. 5-4. 4wt. % 的 Cu ; 0? 45-0. 75wt. % 的 Mg ; 0? 45-0. 75wt. % 的 Zn ; 0? 65-1. 15wt. % 的 Li ; 0? 1-1. Owt. % 的 Ag ; 0. 05至0. 50wt. %的至少一种晶粒结构控制元素，其中所述至少一种晶粒结构控制元 素选自由Zr、Sc、Cr、V、Hf、稀土元素及其组合所组成的组； 至多 1. Owt. % 的 Mn ; 至多 0. 15wt. % 的 Ti ; 至多 0? 12wt. % 的 Si ; 至多 0? 15wt. % 的 Fe ; 至多0. 10wt. %的任何其他元素，并且这些其他元素的总量不超过0. 35wt. % ;以及 余量为错。
2. 根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至少是Zr，并且 其中所述合金含有〇. 05-0. 20wt. %的Zr。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至 少是Zr，并且其中所述合金包括至少0. 07wt. %的Zr。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至 少是Zr，并且其中所述合金包括至少0. 08wt. %的Zr。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其特征在于，所述晶粒结构控制元素至 少是Zr，并且其中所述合金包括不大于0. 18wt. %的Zr。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少3. 6wt. %的Cu。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少3. 7wt. %的Cu。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少3. 8wt. %的Cu。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于4. 3wt. %的Cu。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于4. 2wt. %的Cu。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少〇. 50wt. %的Mg。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 55wt. %的Mg。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.70wt. %的Mg。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.65wt. %的Mg。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 50wt. %的Zn。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 55wt. %的Zn。
17. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于0.70wt. %的Zn。
18. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.65wt. %的Zn。
19. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，其特征在于，（wt. % Zn)/(wt. % Mg)是 0? 60-1. 67。
20. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，其特征在于，（wt. % Zn)/(wt. % Mg)是 0? 70-1. 40。
21. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，其特征在于，（wt. % Zn)/(wt. % Mg)是 0? 80-1. 20。
22. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 70wt. %的Li。
23. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少0. 75wt. %的Li。
24. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0.80wt. %的Li。
25. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少0.825wt. %的Li。
26. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少0.850wt. %的Li。
27. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括至少0.875wt. %的Li。
28. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于1. 10wt. %的Li。
29. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于1. 05wt. %的Li。
30. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于l.〇25wt. %的Li。
31. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于1. 〇〇〇wt. %的Li。
32. 根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，包括不大于0.975wt. %的Li。
33. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 2wt. %的Ag。
34. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.5wt. %的Ag。
35. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.4wt. %的Ag。
36. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0.05wt. %的Mn。
37. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 10wt. %的Mn。
38. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 15wt. %的Mn。
39. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括至少0. 20wt. %的Mn。
40. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于〇.8wt. %的Mn。
41. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于〇.7wt. %的Mn。
42. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.6wt. %的Mn。
43. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.5wt. %的Mn。
44. 根据前述权利要求中任一项所述的错合金，包括不大于0.4wt. %的Mn。
45. -种由根据权利要求1-的铝合金中的任一种制成的形变铝合金产品。
46. 根据权利要求45所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金产品具有 至少12. 7mm的厚度。
47. 根据权利要求45所述的铝合金制成的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝 合金产品具有至少25. 4mm的厚度。
48. 根据权利要求45任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金产 品具有至少50. 8mm的厚度。
49. 根据权利要求45-48中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金产品具有不大于177. 8mm的厚度。
50. 根据权利要求45-48中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金产品具有不大于152. 4mm的厚度。
51. 根据权利要求45-48中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金产品具有不大于127mm的厚度。
52. 根据权利要求45-51中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金是板材产品。
53. 根据权利要求45-51中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金是挤压产品。
54. 根据权利要求45-51中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合 金是锻造产品。
55. 根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金 产品通过了在至少45ksi的应力下持续至少50天的ASTM G47测试。
56. 根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金 产品通过了在至少45ksi的应力下持续至少60天的ASTM G47测试。
57. 根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金 产品通过了在至少45ksi的应力下持续至少70天的ASTM G47测试。
58. 根据前述权利要求中任一项所述的形变铝合金产品，其特征在于，所述形变铝合金 产品通过了在至少45ksi的应力下持续至少80天的ASTM G47测试。
【文档编号】C22C21/12GK104334760SQ201380023370
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2012年5月9日
【发明者】朱利恩·博塞利, J·C·林, 罗伯托·J·洛加, 费延·格瑞特, 库拉穆·莎赫扎德·乔杜里 申请人:美铝公司