具有改进的压缩强度和改进的韧性的铝-铜-锂合金的制作方法

发明领域本发明涉及由铝-铜-锂合金制成的产品，更具体地，此类产品旨在用于航空和航天构造。现有技术开发铝合金产品以制备旨在特别是用于航空工业和航天工业的高强度零件。在这方面，含锂的铝合金非常受关注，因为每添加1重量％的锂，锂可使铝的密度降低3％且弹性模量提高6％。对于选择用于飞机的这些合金，它们的与其他使用特性相关的性能必须达到常用合金的性能，特别是在静态机械强度性能(拉伸和压缩屈服强度、极限拉伸强度)和损伤容限性能(韧性、抗疲劳裂纹扩展性)之间的折衷方面，这些性能通常是互斥的。对于某些零件，例如上机翼蒙皮，压缩屈服强度为重要的特性。此外，这些机械性能优选地应随时间是稳定的，并具有良好的热稳定性，即，这些机械性能不会由于操作温度下的时效而显著改变。这些合金还必须具有足够的耐腐蚀性，能够根据常规方法成型，并且具有低残余应力，使得可对其进行完全机械加工。最后，它们必须能够通过稳健的制造方法来获得，特别是其性能必须能够在难以确保大型零件具有几度内的温度均匀性的工业设备上获得。专利us5,032,359记载了一大类铝-铜-锂合金，其中添加镁和银、特别是0.3至0.5重量％的镁和银允许提高机械强度。专利us5,455,003记载了一种制造al-cu-li合金的方法，所述al-cu-li合金特别是由于适当的加工硬化和回火(revenu)而在低温下具有改进的机械强度和改进的韧性。该专利特别是推荐以下组成：以重量百分比计，cu＝3.0-4.5、li＝0.7-1.1、ag＝0-0.6、mg＝0.3-0.6且zn＝0-0.75。专利us7,438,772记载了合金，所述合金包含：以重量百分比计，cu：3-5、mg：0.5-2、li：0.01-0.9，并且由于韧性和机械强度之间的折衷降低而不推荐使用更高的锂含量。专利us7,229,509记载了一种合金，所述合金包含(重量％)：(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，最高为0.4的zr或其他晶粒细化剂(如cr、ti、hf、sc、v)。专利申请us2009/142222a1记载了合金，所述合金包含(以重量％计)：3.4至4.2％的cu、0.9至1.4％的li、0.3至0.7％的ag、0.1至0.6％的mg、0.2至0.8％的zn、0.1至0.6％的mn和0.01至0.6％的至少一种用于控制粒状结构的元素。该申请还记载了一种制造挤压产品的方法。专利申请wo2009/036953涉及一种用于结构性元件的铝合金产品，所述铝合金产品的化学组成包含：以重量计，cu3.4至5.0、li0.9至1.7、mg0.2至0.8、ag约0.1至0.8、mn0.1至0.9、zn最高达1.5，以及一种或多种选自以下的元素：(zr约0.05至0.3、cr0.05至0.3、ti约0.03至0.3、sc约0.05至0.4、hf约0.05至0.4)，fe<0.15、si<0.5，常规且不可避免的杂质。专利申请wo2012/085359a2涉及一种制造由基于铝的合金制成的轧制产品的方法，所述基于铝的合金包含4.2至4.6重量％的cu、0.8至1.30重量％的li、0.3至0.8重量％的mg、0.05至0.18重量％的zr、0.05至0.4重量％的ag、0.0至0.5重量％的mn、至多0.20重量％的fe+si、小于0.20重量％的zn，至少一种选自cr、se、hf和ti的元素，所述元素(如果选择)的量为，对于cr和se为0.05至0.3重量％，对于hf为0.05至0.5重量％，对于ti为0.01至0.15重量％，其他元素各自为至多0.05重量％且总计为至多0.15重量％，其余为铝；所述方法包括制备，浇铸，均质化，在高于400℃的温度下轧制，固溶热处理，淬火，拉伸2％至3.5％，以及回火步骤。专利申请us2012/0225271a1涉及厚度为至少12.7mm的锻造产品，其含有3.00至3.80重量％的cu、0.05至0.35重量％的mg、0.975至1.385重量％的li，其中-0.3mg-0.15cu+1.65≤li≤-0.3mg-0.15cu+1.85，0.05至0.50重量％的至少一种晶粒结构控制元素，其中所述晶粒结构控制元素选自zr、sc、cr、v、hf、其他稀土元素及其组合，最高达1.0重量％的zn、最高达1.0重量％的mn、最高达0.12重量％的si、最高达0.15重量％的fe、最高达0.15重量％的ti、最高达0.10重量％的其他元素，所述其他元素的总量不超过0.35重量％。申请wo2013/169901记载了包含以下元素的合金：以重量百分比计，3.5至4.4％的cu、0.65至1.15％的li、0.1至1.0％的ag、0.45至0.75％的mg、0.45至0.75％的zn和0.05至0.50％的至少一种用于控制粒状结构的元素。有利地，所述合金的zn与mg的比率为0.60至1.67。需要这样的铝-铜-锂合金产品，其与已知产品的性能相比具有改进的性能，特别是在静态机械强度性能(特别是拉伸和压缩屈服强度)和损伤容限性能(特别是韧性、热稳定性、耐腐蚀性和机械加工性)之间的折衷方面，同时具有低密度。此外，需要一种制造这些产品的稳健、可靠且经济的方法。技术实现要素：本发明的第一个目的为一种基于铝合金的产品，所述铝合金包含：以重量百分比计，4.0至4.6重量％的cu、0.7至1.2重量％的li、0.5至0.65重量％的mg、0.10至0.20重量％的zr、0.15至0.30重量％的ag、0.25至0.45重量％的zn、0.05至0.35重量％的mn、至多0.20重量％的fe+si，至少一种选自cr、sc、hf、v和ti的元素，所述元素(如果选择)的量为，对于cr和sc为0.05至0.3重量％，对于hf和v为0.05至0.5重量％，对于ti为0.01至0.15重量％，其他元素各自为至多0.05重量％且总量为至多0.15重量％，其余为铝。本发明的第二个目的为一种制造基于铝合金的产品的方法，其中，依次地，a)制备基于铝的液态金属熔池，其包含：4.0至4.6重量％的cu；0.7至1.2重量％的li；0.5至0.65重量％的mg；0.10至0.20重量％的zr；0.15至0.30重量％的ag；0.25至0.45重量％的zn；0.05至0.35重量％的mn；至多0.20重量％的fe+si；至少一种选自cr、sc、hf、v和ti的元素，所述元素(如果选择)的量为，对于cr和sc为0.05至0.3重量％，对于hf和v为0.05至0.5重量％，对于ti为0.01至0.15重量％；其他元素各自为至多0.05重量％且总量为至多0.15重量％，其余为铝；b)由所述液态金属熔池浇铸粗制品；c)将所述粗制品在450℃至550℃且优选480℃至530℃的温度下均质化5至60小时；d)将所述均质化的粗制品热变形，优选通过轧制；e)将经热变形的产品在490至530℃下固溶热处理15min至8h，并将所述经固溶热处理的产品淬火；f)将所述产品进行冷变形，变形率为2至16％；g)进行回火，其中使所述冷变形的产品达到130至170℃且优选140至160℃的温度，持续5至100小时且优选10至70小时。本发明的另一个目的为一种本发明的合金产品或可根据本发明的方法获得的合金产品，其厚度为8至50mm，在中等厚度处具有以下性能：i)压缩屈服强度rcp0.2(l)≥590mpa，优选rcp0.2(l)≥595mpa；ii)韧性kapp(l-t)≥60mpa√m，优选kapp(l-t)≥75mpa√m，其中kapp(l-t)是根据标准astme561(2015)定义的断裂时的表观应力强度因子的值，其在宽度w＝406mm且厚度b＝6.35mm的cct试样上测得；iii)拉伸屈服强度rp0.2(l)和压缩屈服强度rcp0.2(l)之间的差值rp0.2(l)-rcp0.2(l)小于或等于10mpa，优选≤5mpa。另一个目的为一种飞机结构构件，优选飞机上机翼蒙皮元件。附图说明图1：实施例1的合金的韧性kappl-t和压缩屈服强度rcp0.2l之间的折衷。图2：实施例2的合金的韧性kql-t和压缩屈服强度rcp0.2l之间的折衷。图3：实施例2的合金的压缩屈服强度rcp0.2l和拉伸屈服强度rp0.2l之间的折衷。图4：实施例3的合金的韧性kappl-t和压缩屈服强度rcp0.2l之间的折衷。具体实施方式除非另有说明，否则与合金的化学组成有关的所有指示值均表示为基于合金总重量计的重量百分比。表述1.4cu意指以重量％表示的铜含量乘以1.4。合金的名称符合本领域技术人员已知的铝业协会(thealuminumassociation)的规定。当浓度以ppm(百万分之一)表示时，该指示值也是指质量浓度。除非另有说明，否则适用欧洲标准en515(1993)中给出的冶金状态定义。拉伸静态机械特征，换言之，极限拉伸强度rm、0.2％伸长率下的常规屈服强度rp0.2和断裂伸长率a％，根据标准nfeniso6892-1(2016)通过拉伸测试测定，取样和测试方向按照标准en485(2016)定义。rp0.2(l)意指在纵向方向上测得的rp0.2。压缩屈服强度rcp0.2根据标准astme9-09(2018)在0.2％压缩下测量。rcp0.2(l)意指在纵向方向上测得的rcp0.2。应力强度因子(k1c)根据标准astme399(2012)测定。应力强度因子(kq)根据标准astme399(2012)测定。标准astme399(2012)提供了允许确定kq是否为k1c的有效值的标准。对于给定的试样几何形状，对不同材料所获得的kq值是彼此相当的，条件是所述材料的屈服强度在同一数量级。除非另有说明，否则适用标准en12258(2012)的定义。断裂时的表观应力强度因子(kapp)和断裂时的应力强度因子(kc)的值如标准astme561中所定义的。给出了作为有效裂纹延伸的函数的有效应力强度因子的曲线，称为r曲线，根据标准astme561(astme561-10-2)测得。由r曲线计算临界应力强度因子kc，即，使裂纹不稳定的强度因子。此外，通过将单负荷开始时的初始裂纹长度分配给临界负荷来计算应力强度因子kco。计算出具有所需形状的试样的这两个值。kapp代表对应于用于进行r曲线测试的试样的因子kco。keff代表对应于用于进行r曲线测试的试样的因子kc。这样的机械零件在本文中称为机械构造的“结构元件”或“结构性元件”，所述机械零件的静态和/或动态机械特性对于结构的性能特别重要，且通常需要或进行结构计算。这些通常为这样的元件，其故障可能危及所述构造、其使用者、消费者或他人的安全。就飞机而言，这些结构元件特别包括构成机身的元件(例如机身蒙皮，英文fuselageskin)、机身的加强杆或加强肋(stringers)、水密舱壁(bulkheads)、机身的周向框架(circumferentialframes)、机翼(例如上机翼蒙皮或下机翼蒙皮，upperorlowerwingskin)、加强件(stringers或stiffeners)、加强筋(ribs)和翼梁(spars)以及特别是由水平和垂直安定面(horizontalorverticalstabilisers)构成的尾翼，以及地板横梁(floorbeams)、座椅轨道(seattracks)和门。根据本发明，选择的一类含有特别是特定量和临界量的锂、铜、镁、银、锰和锌的铝合金允许制备这样的结构元件、特别是上机翼蒙皮板，其具有高的压缩屈服强度rcp0.2(l)、压缩屈服强度rcp0.2(l)和拉伸屈服强度rp0.2(l)之间较小的差值，以及特别改善的断裂时的表观应力强度因子kapp。本发明所选择的合金组成还允许在宽的回火时间范围内(特别是在给定的回火温度下至少5小时的范围内)获得全部或部分上述优点。因此，这种组成允许确保制造方法的稳健性，并因此确保工业制造期间产品的最终性能。本发明的基于铝合金的产品包含：以重量百分比计，4.0至4.6重量％的cu；0.7至1.2重量％的li；0.5至0.65重量％的mg；0.10至0.20重量％的zr；0.15至0.30重量％的ag；0.25至0.45重量％的zn；0.05至0.35重量％的mn；至多0.20重量％的fe+si；至少一种选自cr、sc、hf、v和ti的元素；其他元素各自为至多0.05重量％且总量为至多0.15重量％，其余为铝。本发明的产品的铜含量为4.0至4.6重量％，优选为4.2至4.5重量％，且更优选为4.2至4.4重量％。在一个有利的实施方案中，最小铜含量为4.25重量％。本发明的产品的锂含量为0.7至1.2重量％。有利地，锂含量为0.8至1.0重量％；优选为0.85至0.95重量％。铜含量的增加以及在较小程度上锂含量的增加有助于改善静态机械强度，然而，铜对特别是密度具有不利影响，优选将铜含量限制在优选的4.4重量％的最大值。锂含量的增加对密度具有有利的影响，然而本发明人已观察到，对于本发明的合金，优选的0.85重量％至0.95重量％的锂含量允许改善机械强度(拉伸强度和压缩屈服强度)和韧性之间的折衷。高的锂含量、特别是高于优选的0.95重量％的最大值可导致韧性降低。本发明的产品的镁含量为0.5重量％至0.65重量％。优选地，镁含量为至少0.50重量％甚或至少0.55重量％，这同时改善了静态机械强度和韧性。特别地，对于本发明所选择的组成，镁含量大于0.65重量％可导致韧性降低。锌和银的含量分别为0.25至0.45重量％和0.15至0.30重量％。这些锌和银含量对于确保压缩屈服强度的值接近于拉伸屈服强度的值是必需的。在一个有利的实施方案中，本发明的产品的拉伸屈服强度rp0.2(l)和压缩屈服强度rcp0.2(l)之间的差值小于或等于10mpa，优选小于或等于5mpa。银和锌的存在允许获得良好的各种所需性能之间的折衷。特别地，银的存在允许以可靠且稳健的方式获得产品，即，在宽的回火时间范围内、特别是大于5小时的时间范围内实现所需的性能折衷，这与工业制造方法固有的可变性是相容的。银的最小含量为0.20重量％是有利的。银的最大含量为0.27重量％是有利的。锌的最小含量为0.30重量％是有利的。锌的最大含量为0.40重量％是有利的。优选地，zn含量为0.30至0.40重量％。有利地，zn、mg和ag含量的总和为0.95至1.35重量％，优选为1.00至1.30重量％，仍更优选为1.15至1.25重量％。本发明人已观察到，特别是对于上机翼蒙皮结构元件而言，仅zn、mg和ag的总和的特定值和临界值实现了期望的最佳性能折衷。锰含量为0.05至0.35重量％。有利地，mn含量为0.10至0.35重量％。在一个实施方案中，锰含量为0.2至0.35重量％，且优选为0.25至0.35重量％。在另一个实施方案中，锰含量为0.1至0.2重量％，且优选为0.10至0.20重量％。特别地，添加mn允许获得高韧性。然而，如果mn含量大于0.35重量％，则疲劳寿命可显著降低。合金的zr含量为0.10至0.20重量％。在一个有利的实施方案中，zr含量为0.10至0.15重量％，优选为0.11至0.14重量％。铁含量和硅含量的总和为至多0.20重量％。优选地，铁和硅含量各自为至多0.08重量％。在本发明的一个有利的实施方案中，铁和硅含量分别为至多0.06重量％和0.04重量％。可控且有限的铁和硅含量有助于改善机械强度和损伤容限之间的折衷。合金还含有至少一种有助于控制晶粒尺寸的选自cr、sc、hf、v和ti的元素，所述元素(如果选择)的量为，对于cr和sc为0.05至0.3重量％，对于hf和v为0.05至0.5重量％，对于ti为0.01至0.15重量％。在一个有利的实施方案中，选择添加0.01至0.15重量％的钛。在一个优选的实施方案中，ti含量为0.01至0.08重量％，优选0.02至0.06重量％。有利地，在选择添加钛的实施方案中，将cr、sc、v和hf的含量限制为最大含量为0.05重量％，这些元素特别是对于密度而言可能具有不利的影响，并且其添加仅为了进一步促进产生基本上非再结晶的结构(如果需要)。以一个特别有利的方式，ti特别是以tic颗粒的形式存在。出乎意料地，本发明人已观察到，在本发明合金的特定情况下，在浇铸期间(altic细化)晶粒细化棒中存在的tic颗粒，允许获得具有最佳性能折衷的产品。有利地，细化剂具有式altixcy，其还写作atxcy，其中x和y为对于1重量％al的ti和c的以重量％计的含量，且x/y>4。特别地，本发明的合金的altic细化允许改善韧性kappl-t和压缩屈服强度rcp0.2l之间的折衷。可选择合金元素的含量以使密度最小化。优选地，将有助于增加密度的添加元素(例如cu、zn、mn和ag)最小化，并将有助于降低密度的元素(如li和mg)最大化，以实现小于或等于2.73g/cm3且优选小于或等于2.72g/cm3的密度。其他元素的含量各自为至多0.05重量％且总量为至多0.15重量％。其他元素通常为不可避免的杂质。制造本发明的产品的方法包括制备，浇铸，均质化，热变形，固溶热处理和淬火，拉伸2至16％以及回火步骤。在第一步中，制备液态金属熔池，以获得具有本发明的组成的铝合金。然后将液态金属熔池浇铸成粗制品形式，优选以轧制铸锭或挤压坯料的形状。然后将粗制品均质化，以达到450℃至550℃且优选480℃至530℃的温度，持续5至60小时。均质化处理可以以一个或多个阶段进行。均质化后，通常将粗制品冷却至室温，然后预加热以进行热变形。热变形可为特别是挤出或热轧。优选地，其为热轧步骤。进行热轧至优选厚度为8至50mm且以优选的方式为15至40mm。然后，将如此获得的产品进行固溶热处理以达到490至530℃的温度，持续15min至8h，然后通常在室温下用水淬火。然后将产品进行冷变形，变形率为2至16％。其可为永久变形为2至5％、优选为2.0％至4.0％的受控拉伸。在一个替代的有利实施方案中，冷变形分两个步骤进行：首先对产品进行冷轧，其厚度减薄率为8％至12％，然后以受控的方式拉伸，永久变形率为0.5至4％。然后，通过在130至170℃且优选140至160℃的温度下持续5至100小时且优选10至70小时加热来对产品进行回火步骤。本发明人已观察到，出乎意料地，本发明合金的特定含量和临界含量允许实现优异的性能，特别是压缩屈服强度rcp0.2(l)和平面应力韧性kapp之间的特别地改善的折衷。有利地，无论在155℃下15h至25h的回火时间如何，本发明的合金均可获得这些性能，这确保了制造方法的稳健性。有利地，所得产品的粒状结构主要是非再结晶的。中等厚度处的非再结晶粒状结构的比率优选为至少70％且优选为至少80％。通过本发明的方法获得的产品、特别是厚度为8至50mm的轧制产品，在中等厚度处具有以下特征：i)压缩屈服强度rcp0.2(l)≥590mpa，优选rcp0.2(l)≥595mpa，其中压缩屈服强度rcp0.2(l)根据标准astme9(2018)在0.2％压缩下在纵向方向上测量；ii)韧性kapp(l-t)≥60mpa√m，优选kapp(l-t)≥75mpa√m，其中根据标准astme561(2015)定义的断裂时的表观应力强度因子的值kapp(l-t)在宽度w＝406mm且厚度b＝6.35mm的cct试样上测得；iii)拉伸屈服强度rp0.2(l)和压缩屈服强度rcp0.2(l)之间的差值rp0.2(l)-rcp0.2(l)小于或等于10mpa，优选≤5mpa。有利地，特征i)和ii)在给定的回火温度下在宽的回火时间范围内、特别是至少5小时的范围内获得。因此，这种组成允许确保制造方法的稳健性，并因此确保工业制造期间产品的最终性能。在一个有利的实施方案中，韧性使得kapp(l-t)≥-0.48rcp0.2(l)+355.2，其中kapp(l-t)，以mpa√m表示，为根据标准astme561(2015)定义的断裂时的表观应力强度因子的值，其在宽度w＝406mm且厚度b＝6.35mm的cct试样上测得；并且rcp0.2(l)，以mpa表示，为根据标准astme9(2018)在0.2％压缩下测得的压缩屈服强度。本发明的合金产品特别是允许制造结构元件、特别是飞机结构元件。在一个有利的实施方案中，优选的飞机结构元件为飞机上机翼蒙皮元件。使用以下说明性且非限制性的实施例更详细地解释本发明的这些方面和其他方面。实施例实施例1.在该实施例中，浇铸由合金制成的截面为406×1520mm的板，所述合金的组成列于表1。表1.合金n°1至8的组成，以重量％计合金sifecumnmgzntizrliag10.020.034.60.320.620.620.030.130.910.0120.020.034.30.310.600.350.030.120.910.2430.030.054.50.340.710.040.040.111.030.2140.030.044.3-0.330.030.020.151.130.2150.030.044.20.330.54-0.030.130.880.1960.020.044.40.020.210.040.020.141.050.2170.030.043.9-0.36-0.030.111.310.3680.040.064.10.420.420.020.020.151.180.29对于各组成，将板在500℃下进行15h的第一阶段均质化，然后在510℃下进行20h的第二阶段均质化。将板在高于440℃的温度下热轧，以获得对合金2至8而言厚度为25mm的薄板以及对合金1而言厚度为28mm的薄板。将薄板在约510℃下固溶热处理3h，在20℃下水淬。然后将薄板以2％至6％的永久伸长率进行拉伸。使薄板经历如表2所示的单阶段回火。在中等厚度处取样，以测量纵向方向上的在拉伸和压缩下的静态机械特征。在使用406mm宽且6.35mm厚的cct试样进行r曲线测试期间，还测量了在l-t方向上在中等厚度处的平面应力韧性。结果示于表2和图1。所得薄板的结构大部分是非再结晶的。中等厚度处的非再结晶的粒状结构的比率为90％。表2.各薄板在中等厚度处的受控拉伸和回火条件以及所获得的机械性能。实施例2在该实施例中，除实施例1的合金板2之外，还浇铸了截面为406×1520mm的板，所述板的组成在表3中给出。表3，合金2和10的组成，以重量％计，合金sifecumnmgzntizrliag20.020.034.30.310.600.350.030.120.910.24100.040.024.30.310.640.330.030.140.900.35将板在约510℃下均质化，然后剥皮。均质化后，将板热轧以获得厚度为25mm的薄板。将薄板在约510℃下进行固溶热处理3小时，在冷水中淬火，并以3％的永久伸长率拉伸。所得薄板的结构主要是非再结晶的。中等厚度处的非再结晶的粒状结构的比率为90％。将薄板在155℃下回火15h至50h。在中等厚度处取样，以测量在纵向方向上的拉伸、压缩下的静态机械特征以及在l-t方向上的韧性kq。用于韧性测量的试样的宽度w＝40mm且厚度b＝20mm。所得结果示于表4以及图2和图3。表4：薄板2和10的回火条件和所获得的机械性能。实施例3在该实施例中，除实施例1的合金2的板之外，还使用altic细化(含tic型核的晶粒细化棒)浇铸截面为406×1700mm的板，所述板的组成如表3所示。表5.合金2和9的组成，以重量％计。合金sifecumnmgzntizrliag20.020.034.30.310.600.350.030.120.910.2490.020.044.30.140.610.360.050.130.880.25将板在约510℃下均质化，然后剥皮。均质化后，将板热轧以获得厚度为25mm的薄板。将薄板在约510℃下固溶热处理3h，在冷水中淬火，并以3％的永久伸长率拉伸。将薄板在155℃下回火15h至25h。在中等厚度处取样，以测量在纵向方向上的拉伸、压缩下的静态机械特征以及在l-t方向上的韧性kq。用于韧性测量的试样的宽度w＝40mm且厚度b＝20mm。一些样品符合k1c的有效性标准。平面应力韧性的测量值还在406mm宽且6.35厚的cct样品上获得。所得结果示于表6和图4。表6：薄板2和9的回火条件以及在中等厚度处所获得的机械性能当前第1页12