由具有改进的疲劳特性的铝-铜-锂合金制得的制品的制造方法与流程

本发明涉及铝-铜-锂合金锻制品，具体而言，涉及这样的制品及其制造方法和用途，特别地用于航空和航天结构的用途。

背景技术：

开发了轧制的铝合金制品以生产用于特别是航空航天工业的结构构件。

铝-铜-锂合金用于制造该类制品是特别有益的。航空制造业对耐疲劳性的规范标准日益严格。对于厚制品而言，特别难以达到这些规范。由于铸造板坯可能的厚度，通过热加工减少的厚度是十分少的，因此，与铸造相关的疲劳裂纹开始的地方在热加工的过程中没有变得越来越小。

由于锂特别容易氧化，因此铸造铝-铜-锂合金通常比不含锂的2XXX型合金或7XXX型合金产生更多的开始疲劳裂纹的地方。通常发现的获得由不含锂的2XXX型或7XXX型合金制得的厚轧制品的方案不能给予铝-锂-铜合金足够的疲劳特性。

由Al-Cu-Li合金制得的厚制品特别地记载于申请US2005/0006008和US2009/0159159中。

在申请WO2012/110717中，为了提高特别地含有至少0.1％Mg和/或0.1％Li的铝合金的性能，特别是疲劳特性，建议在铸造过程中进行超声波处理。但是由于制造厚板材所需的量，该类处理难以进行。

相比那些已知制品，现需要具有改进的性能，特别是疲劳特性的厚铝-铜-锂合金制品，同时具有有利的断裂韧性和静态机械强度特性。此外，需要得到这些制品的简单、经济的方法。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是制造铝合金制品的方法，所述方法包括以下步骤，其中

(a)制备熔融合金金属熔池，其包含，按重量百分比计，Cu:2.0–6.0；Li:0.5–2.0；Mg:0–1.0；Ag:0-0.7；Zn 0-1.0；和至少一种选自Zr、Mn、Cr、Sc、Hf和Ti的元素，所述元素的量——如果被选择——为0.05至0.20重量％的Zr，0.05至0.8重量％的Mn，0.05至0.3重量％的Cr、0.05至0.3重量％的Sc，0.05至0.5重量％的Hf和0.01至0.15重量％的Ti，Si≤0.1；Fe≤0.1；其余各自≤0.05且总量≤0.15，

(b)通过垂直半连铸方法铸造所述合金，得到厚度为T、宽度为W的板坯，从而在凝固时，

-所述熔融合金金属熔池的氢气含量低于0.4ml/100g，

-在液体表面(14,15)上方测定的氧含量低于0.5体积％，

-用于铸造的分布器装置(7)由主要包含碳的织物制成；其包括一个底面(76)；限定了引入熔融金属的开口的顶面(71)；和具有基本上呈矩形的截面的壁，所述壁包含两个与宽度W平行的纵向部分(720,721)和两个与厚度T平行的横向部分(730,731)，所述横向部分和纵向部分由至少两种织物形成，第一种是基本上密封和半刚性的织物(77)，确保分布器装置在铸造过程中保持其形状；第二种非密封织物(78)允许液体流过和过滤，所述第一种和第二种织物彼此不重叠地或重叠地连接，且没有间隙分开它们。所述第一种织物连续覆盖至少30％的所述壁(720,721,730,731)部分的表面且其被定位使得液体表面与其在整个截面上接触。

本发明的另一目的是由主要包含碳的织物制得的用于铝合金板坯的半连铸的分布器，其具有底面(76)；限定了引入熔融金属的开口的顶面(71)；和具有基本上呈矩形的截面的壁，所述壁包含两个与宽度W平行的纵向部分(720,721)和两个与厚度T平行的横向部分(730,731)，所述横向部分和纵向部分由至少两种织物形成，第一种是基本上密封和半刚性的织物(77)，确保分布器装置在铸造过程中保持其形状；第二种是非密封织物(78)，允许液体流过和过滤，所述第一种和第二种织物彼此不重叠地或重叠地连接，且没有间隙分开它们。所述第一种织物连续覆盖至少30％的所述壁(720,721,730,731)部分的表面，且其被定位使得液体表面与其在整个截面上接触。

附图说明

图1为用于光滑(图1a)和开孔(图1b)疲劳试验的试样的示意图。尺寸以mm为单位给出。

图2为在本发明的一个实施方案中使用的凝固装置的总图。

图3为在本发明方法中使用的分布器装置的总图。

图4示出了本发明的一个实施方案的分布器装置的底部、侧壁部分和纵壁部分的表示。

图5示出了光滑的疲劳特性和在凝固过程中熔融合金金属熔池的氢气含量的关系(图5a)或光滑的疲劳特性和在凝固过程中在液体表面上方测定的氧含量的关系(图5b)。

图6示出了在试验3、7和8中在方向L-T(图6a)和T-L(图6b)上得到的曲线。

具体实施方式

除非另有说明，所有关于合金的化学组成的标示均以基于合金的总重量计的重量百分比表示。表述1.4Cu意指以重量百分比计的铜含量乘以1.4。合金的命名符合铝业协会(The Aluminum Association)的规定，本领域专家对此是知晓的。除非另有说明，使用在欧洲标准EN 515中所列的冶金状态的定义。

静态拉伸机械性能，也就是极限抗拉强度Rm、在0.2％的伸长率时的常规屈服应力(Rp0.2)和断裂时的伸长率A％，根据NF EN ISO 6892-1的拉伸测试确定，且采样和测试方向由标准EN 485-1定义。

光滑试样的疲劳特性的测试在环境空气中，在242MPa的最大应力幅度下，在频率50Hz下，且应力比R＝0.1，在如图1a中所示的试样上，在L-T方向上在板材的中间宽度和中间厚度采样进行。测试条件符合标准ASTM E466。所得结果的对数平均值在至少四个样品上测定。

开孔试样的疲劳特性的测试在环境空气中，对不同程度的应力，在频率50Hz下，且应力比R＝0.1，在如图1b所示的试样上，Kt＝2.3，在L-T和T-L方向上在板材的中心和中间厚度采样进行。用沃克方程(Walker equation)确定在100,000次循环下体现50％未破裂的最大应力值。为此，通过下式计算曲线的每个点的疲劳质量指数(IQF)

其中，σmax为施加在给定样品上的最大应力，N为至破裂的循环次数，N0为100,000且n＝-4.5。记录相当于中位值，或100,000次循环50％破裂的IQF。

在本发明的上下文中，厚的锻制品是厚度为至少6mm的制品。本发明制品的厚度优选为至少80mm且优选至少100mm。在本发明的一个实施方案中，锻制品的厚度为至少120mm或优选140mm。本发明的厚制品的厚度通常为至多240mm，通常至多220mm且优选至多180mm。

除非另有说明，采用标准EN 12258的定义。特别地，本发明的板材为矩形横截面的轧制品，其均一厚度为至少6mm且不超过宽度的1/10。

如本文使用的，机械结构的“结构构件”是指静态和/或动态的机械性能对于该结构的性能特别重要、并且对其通常规定有或进行结构分析的机械部件。其通常为失效可致使所述结构、使用者或其他人员处于危险的构件。对于飞机而言，这些结构构件包括组成机身的构件(例如机身蒙皮、机身桁条、隔板和环形框架)、组成机翼的部件(例如机翼蒙皮、机翼桁条或加劲杆、翼肋和翼梁)，以及尾翼部分，其由水平和垂直的稳定件和地板梁、座椅调节导轨和门组成。

此处，“整个铸造设备”是指借助液相将任何形式的金属转化成原料半成品的所有装置。铸造设备可包括许多装置，例如一个或多个融化金属所需的炉(“熔炉”)和/或将其保持在给定温度的火炉(“保温炉”)和/或其操作用于制备液态金属和调节组成的火炉(“生产炉”)；一个或多个用于除去溶解和/或悬浮在熔融金属中的杂质的容器(或“浇注包”)，该处理可包括通过“过滤袋”中的过滤介质过滤液态金属或引入熔池中“处理”气体，所述气体可为在“脱气袋”中呈惰性或活性的；通过半连续直冷式垂直铸造机引入铸坑，用于凝固液态金属的装置(或“铸造机”)，其可包括装置例如铸模(或“锭模”)、用于供入液态金属的装置(或“喷口”)和冷却系统；这些炉、容器和凝固装置通过传输装置或称作“槽”的管道相互连接，所述槽中可运载液态金属。

本发明人已出乎意料地发现，通过使用以下方法制备板材，可获得由铝铜锂合金制得的具有改进的疲劳特性的厚锻制品。

在第一步中，制得熔融合金金属熔池，其包含，以重量百分比计，Cu:2.0–6.0；Li:0.5–2.0；Mg:0–1.0；Ag:0-0.7；Zn 0-1.0；和至少一种选自Zr、Mn、Cr、Sc、Hf和Ti的元素，所述元素的量——如果被选择——为0.05至0.20重量％的Zr，0.05至0.8重量％的Mn，0.05至0.3重量％的Cr、0.05至0.3重量％的Sc，0.05至0.5重量％的Hf和0.01至0.15重量％的Ti，Si≤0.1；Fe≤0.1；其余各自≤0.05且总计≤0.15，其余为铝。

用于本发明方法的有利的合金包含，以重量百分比计，Cu:3.0–3.9；Li:0.7–1.3；Mg:0.1至1.0，至少一种选自Zr、Mn和Ti的元素，所述元素的量——如果被选择——为0.06至0.15重量％的Zr，0.05至0.8重量％的Mn和0.01至0.15重量％的Ti；Ag:0–0.7；Zn≤0.25；Si≤0.08；Fe≤0.10；其余各自≤0.05且总计≤0.15，其余为铝。

有利地，铜含量为至少3.2重量％。锂含量优选为0.85至1.15重量％且优选为0.90至1.10重量％。镁含量优选为0.20至0.6重量％。同时添加锰和锆通常是有利的。优选地，锰含量为0.20至0.50重量％且锆含量为0.06至0.14重量％。银含量优选为0.20至0.7重量％。有利的是银含量为至少0.1重量％。在本发明的一个实施方案中，银含量为至少0.20重量％。一方面，银含量为至多0.5重量％。在本发明的一个实施方案中，银含量限制为0.3重量％。优选地，硅含量为至多0.05重量％且铁含量为至多0.06重量％。有利地，钛含量为0.01至0.08重量％。在本发明的一个实施方案中，锌含量为至多0.15重量％。

优选的铝-铜-锂合金为合金AA2050。

该熔融合金金属熔池在铸造设备的炉中制备。例如由US 5,415,220(该专利通过引用的方式全文纳入本说明书中)已知，在熔炉中可使用含有锂的熔融盐，例如KCl/LiCl混合物以钝化合金，同时将其转移至铸造设备中。但是，本发明人在熔炉中，没有使用含有锂的熔融盐但通过在此熔炉中保持低氧气气氛，获得了具有优异的疲劳特性的厚板材，他们相信，熔炉中盐的存在，在某些情况下，对厚的锻制品的疲劳特性具有不利的影响。因此，一方面，公开内容提供了一种不使用含锂熔融盐制造本文所述的厚板材合金的方法。在有利的实施方案中，在整个铸造设备中不使用熔融盐。优选地，在铸造设备的炉中保持氧含量低于0.5体积％且优选低于0.3体积％。但是，在铸造设备的炉中，可以容许氧含量至少0.05体积％且甚至至少0.1体积％，这特别是在方法的经济方面是有利的。有利地，铸造设备的炉为感应炉。本发明人还已发现，该类炉是有利的，尽管混合是通过感应加热产生的。

然后将该熔融合金金属熔池在脱气袋和过滤袋中处理，特别地使得其氢气含量低于0.4ml/100g且优选低于0.35ml/100g。熔融金属的氢气含量通过市售可得的装置(例如在商标ALSCAN^TM下售出的那些)测定，这是本领域技术人员已知的，探针保持在氮气吹扫下。优选地，在脱气、过滤步骤过程中，在熔炉中与熔融合金金属熔池接触的气氛中的氧含量低于0.5体积％且优选低于0.3体积％。优选地，在整个铸造设备中，与熔融合金金属熔池接触的气氛中的氧含量低于0.5体积％且优选低于0.3体积％。但是，至少0.05体积％且甚至至少0.1体积％的氧含量在整个铸造设备中时可以容许的，其特别是在本方法的经济方面是有利的。

然后，将熔融合金金属熔池凝固为板坯。板坯为基本上平行六面体形状、长度为L、宽度为W且厚度为T的铝块。在凝固过程中，控制液体表面上方的气氛。在凝固过程中用于控制液体表面上方气氛的装置的实例示于图2中。

在合适装置的该实例中，将来自槽(63)的熔融金属引入喷口(4)中，所述喷口(4)由可在置于底砖(21)(bottom block)的锭模(31)中向上和向下移动(81)的控制销(8)控制。铝合金通过直接冷却凝固。熔融合金金属熔池(1)具有至少一个固体表面(11,12,13)和至少一个液体表面(14,15)。升降机(2)保持液体表面(14,15)的水平面基本不变。分布器装置(7)用于分布熔融金属。盖子(62)覆盖在液体表面上。盖子可包括密封件(61)以保证与铸造台(32)密封不漏。槽(63)中的熔融金属可有利地被盖子(64)保护。将惰性气体(9)引入在盖子和铸造台之间限定的腔室(65)内。惰性气体优选选自稀有气体、氮气和二氧化碳或这些气体的混合物。优选的惰性气体为氩气。在液体表面上方的腔室(65)中测定氧含量。可调节惰性气体的流速以获得期望的氧含量。但是有利的是借助泵(101)维持铸造坑(10)中充分的抽吸。本发明人发现，锭模(31)和凝固金属(5)之间的密封通常不充分，这导致气体从铸造坑(10)中扩散至腔室(65)中。有利地，泵(101)的抽吸是这样的，使得铸造坑(10)中的压力低于腔室(65)中的压力，这可以优选向通过铸造坑的开口区的气体施加一个至少2m/s且优选至少2.5m/s的速度来获得。通常，腔室(65)中的压力接近大气压且铸造坑(10)中的压力低于大气压，通常是大气压的0.95倍。使用本发明的方法，借助所述装置，维持腔室(65)中的氧含量低于0.5体积％且优选低于0.3体积％。

用于本发明方法的分布器装置的实例示于图3和4中。本发明的分布器装置由主要包含碳的结构制得，所述装置包括底面(76)；通常是空的顶面(71)，其限定了引入熔融金属的开口；和具有通常基本不变的基本上为矩形的截面和通常基本不变的高的壁，所述壁包括两个与板坯的宽度W平行的纵向部分(720,721)和两个与板坯的厚度T平行的横向部分(730,731)。所述横向部分和纵向部分由至少两种织物组成，第一种织物是基本上密封和半刚性的织物(77)，确保分布器装置在铸造的过程中保持其形状；第二种非密封织物(78)允许液体流过和过滤。所述第一种织物和第二种织物彼此无重叠或重叠地连接且没有间隙分离它们。所述第一种织物连续覆盖至少30％的所述壁(720,721,730,731)部分的表面，其被安置使得液体表面与其在整个截面上接触。当第一种织物和第二种织物彼此无重叠或重叠且在它们之间没有间隙地缝合，即，接触时，熔融金属不会流过第一种织物且被第二种织物转向，如例如在申请WO 99/44719图2至5所述的组合包(combo-bag)的情况。通过第一种织物提供的支撑，分布器装置是半刚性的，且在铸造的过程中几乎没有变形。在有利的实施方案中，第一种织物的高度h1(从壁(720,721,730,731)周围的顶面测定的)是这样的，使得h1≥0.3h且优选h1≥0.5h，其中h为分布器装置壁的总高度。

由于液体表面与所述第一种密封织物接触，液态金属仅在液体表面下，在壁的各部分的特定方向上流过分布器装置。优选地，被第一种织物覆盖的分布器装置(7)浸渍入液态金属的壁(721,720,730,731)的高度至少占浸渍壁的总高的20％，优选40％且理想为60％。

图4示出了壁的底部和纵向壁部分。底面(76)通常被第一种织物和/或第二种织物覆盖。有利地，第一种织物至少位于底面(76)的中心部位，长度为L1，和/或位于两个与宽度W平行的纵向部分(720,721)的中心部位，在整个高度h上且长度为L2。

有利地，被第一种织物覆盖的表面部分为两个与宽度W平行的纵向部分(720,721)的30至90％且优选为50至80％，和/或为两个与厚度T平行的横向部分(730,731)的30至70％且优选为40至60％，和/或为底面(76)的30至100％且优选为50至80％。

有利的是位于底面(76)上的第一种织物的长度L1大于与底部接触的两个与宽度W平行的纵向部分(720,721)上的第一种织物的长度L2。

本发明人相信，分布器装置的几何形状使得可以改善液态金属流的质量，减少湍流并改善温度分布。

第一种织物和第二种织物优选通过编织主要包含碳的丝来获得。编织的石墨丝是特别有利的。织物通常彼此缝合。除了第一种织物和第二种织物外，还可以使用具有至少两个或密或疏的编织区域的单独的织物分布器装置。

为了便于编织，有利的是，将含碳的线用有助于滑动的涂层涂覆。所述涂层可包括，例如氟化的聚合物(例如聚四氟乙烯(Teflon))或聚酰胺(例如木纤维(xylon))。

第一种织物基本上是密封的。通常，这种织物为网孔尺寸小于0.5mm，优选小于0.2mm的织物。第二种织物是非密封的，能够使得熔融金属流过。通常，这种织物为网孔尺寸为1至5mm，优选2至4mm的织物。在本发明的一个实施方案中，第一种织物局部覆盖第二种织物，同时紧密接触使得在这两种织物之间不存在间隙。

有利地，之后加工以此方式得到的板坯以得到锻制品。

然后将以此方式得到的板坯均质化，在此之前或之后任选机加工，以得到可以热加工的成形体。在一个实施方案中，板坯被机加工成轧制板坯的形式，然后其通过轧制进行热加工。在另一实施方案中，板坯被机加工成锻坯的形式，然后其通过锻造进行热加工。在又一个实施方案中，板坯被机加工成方钢坯的形式，然后其通过挤出进行热加工。优选地，在470至540℃的温度下进行均质化2至30小时。

然后将所述均质化成形体进行热加工和任选地冷加工，以得到锻制品。热加工的温度有利地为至少350℃且优选为至少400℃。热加工和任选地冷加工的比值，即在加工前但经过任选的机加工之后的初始厚度和最终厚度的差值与初始厚度之间的比值为小于85％且优选小于80％。在实施方案中，在加工过程中的变形比为小于75％且优选小于70％。

然后将由此获得的锻制品经过固溶热处理和淬火。固溶热处理的温度有利地为470至540℃且优选为490至530℃，且时间取决于制品的厚度。

任选地，已经过固溶热处理的所述锻制品通过塑性变形(形变为至少1％)而消除应力。在轧制品的情况中，通过受控拉伸所述已经过固溶热处理的锻制品来消除应力是有利的，永久形变为至少1％且优选为2至5％。

最终对经过所述固溶热处理和任选的应力消除的制品进行老化。老化在一个或多个阶段中在优选130至160℃温度下进行5至60小时。优选地，老化后得到T8状态，例如T851、T83、T84或T85。

通过本发明的方法获得的锻制品具有有利的特性。

根据本发明的方法获得的厚度为至少80mm的锻制品的疲劳对数平均值——在图1a的光滑试样上的中间厚度的LT方向上，在242MPa的最大应力幅度下，50Hz频率，应力比R＝0.1下测定——为至少250,000次循环；有利地，通过本发明的方法获得的厚度为至少100mm，或优选至少120mm或甚至至少140mm的锻制品获得该疲劳特性。

厚度为至少80mm的本发明的锻制品对于开孔试样也表现出有利的疲劳特性，在50Hz频率下，在环境空气下，值R＝0.1时，在图1b的Kt＝2.3的开孔试样的T-L方向上获得的疲劳质量指数IQF为至少180MPa且优选至少190MPa。

此外，通过本发明的方法获得的制品具有有利的静态机械特性。对于厚度至少80mm的锻制品(其包含，以重量百分比计，Cu:3.0–3.9；Li:0.7–1.3；Mg:0.1至1.0，至少一种选自Zr、Mn和Ti的元素，所述元素的量——如果被选择——为0.06至0.15重量％的Zr,0.05至0.8重量％的Mn和0.01至0.15重量％的Ti；Ag:0至0.7；Zn≤0.25；Si≤0.08；Fe≤0.10；其余各自≤0.05且总计≤0.15，其余为铝)而言，在L方向上的四分之一厚度上测定的屈服应力为至少450MPa且优选至少470MPa，和/或测定的极限拉伸强度为至少480MPa且优选至少500MPa，和/或伸长率为至少5％且优选至少6％。

通过本发明的方法获得的锻制品可有利地用于生产结构构件，优选用于飞机的结构构件。优选的飞机结构构件为翼梁、翼肋或框架。本发明特别有利的是通过整体机加工得到的复杂形状的构件，所述构件特别地用于飞机机翼的制造，以及任意其他的对该用途来说本发明的制品的性质是有利的用途。

实施例

在该实施例中，制备AA2050厚合金板材。通过半连续直冷式垂直铸造法铸造AA2050厚合金板坯。

在熔炉中制造合金。对于实施例1至7来说，在熔炉中的液态金属表面上使用KCL/LiCl混合物。对于实施例8至9来说，在熔炉中不使用盐。对于实施例8至9来说，在整个铸造设备中，与液态金属接触的气氛的氧含量小于0.3体积％。铸造设备包括安置在铸造坑上面的一个罩以限制氧含量。对于试验8和9，额外使用抽吸系统，从而使得铸造坑(10)中的压力低于腔室(65)中的压力，从而使得通过铸造坑的开口表面上的气体流速为至少2m/s。在铸造过程中使用氧气分析仪测定氧含量。此外，使用Alscan^TM型探针和氮气吹扫测定液态铝中的氢气含量。使用两种熔融金属分布器装置。例如记载于国际申请WO99/44719(在此处通过引用的方式全文纳入本说明书中)图2-6中的“Combo Bag”型第一种分布器装置，但其由含碳的织物制得，在下文中称为“分布器装置A”；和例如在图3中描述的第二种分布器装置，在下文中称为“分布器装置B”，由石墨线织物制得。

各种试验的铸造条件在表1中给出。

表1-各种试验的铸造条件

将厚板坯在505℃下均质化12小时、机加工至厚度约365mm、热轧制以得到最终厚度为154至158mm的板材，在504℃下将其固溶热处理、淬火并通过受控拉伸而消除应力，永久伸长率为3.5％。以此方式得到的板材在155℃下进行老化18小时。

在四分之一厚度处表征静态机械特性和断裂韧性。静态机械特性和断裂韧性在表2中给出。

表2机械性能

对于一些在中间厚度处采样的试样，疲劳特性在光滑试样和开孔试样上进行表征。

对于光滑的疲劳特性而言，在中间厚度和中间宽度处的LT方向上测定如图1a中的图所示的四个试样，试验条件为σ＝242MPa，R＝0.1。一些试验在200,000次循环后停止，其他试验在300,000次循环后停止。

对于开孔的疲劳特性而言，使用在图1b中示出的Kt值为2.3的试样。在50Hz频率下，在环境空气下，R＝0.1时测定试样。对应的曲线示于图6a和6b中。计算疲劳质量指数IQF。

表3–疲劳试验结果

氢气含量低于0.4ml/100g，在液体表面上方测定的氧含量低于0.3体积％，以及分布器装置B这三者的结合给出了高水平的疲劳特性。这些结果示于图5中。