專利名稱：鋁－鋅－鎂－銅合金擠壓產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Al-Zn-Mg-Cu合金且更具體地涉及用于飛機應(yīng)用的Al-Zn-Mg-Cu擠壓產(chǎn)品和制造該擠壓產(chǎn)品的方法。此外，本發(fā)明涉及具有改良斷裂韌性的Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓產(chǎn)品。
現(xiàn)有的Al-Zn-Mg-Cu合金可能在適中的抗腐蝕性和適中的破壞容限或斷裂韌性下具有相對高的強度。(下面的)專利中將說明這樣的合金和獲得性能的方法。例如，美國專利4,863,528公開了生產(chǎn)鋁合金的方法和具有改良的強度和抗腐蝕性組合的最終產(chǎn)品。該方法包括提供基本上由下列成分組成的合金約6-16％鋅，約1.5-4.5％鎂，約1-3％銅，選自鋯，鉻，錳，鈦，釩和鉿的一種或多種元素，所述元素的總量不超過約1％，余量的鋁和附帶的雜質(zhì)。然后對該合金進行固溶熱處理，沉淀硬化以便將其強度提高到比固溶熱處理強度水平高出該固溶熱處理強度水平與最大強度的差的至少約30％的水平，在足以提高其抗腐蝕性能的溫度下進行處理，然后再次進行沉淀硬化以便提高其屈服強度并產(chǎn)生高強度，高抗腐蝕的合金產(chǎn)品。
美國專利5,221,377公開了具有改良的強度，密度，韌性和抗腐蝕性組合的合金產(chǎn)品，所述合金產(chǎn)品基本上由下列成分組成約7.6-8.4％鋅，約1.8-2.2％鎂，約2-2.6％銅和至少一種選自鋯，釩和鉿的元素，所述元素的存在總量不超過約0.5％，優(yōu)選約0.05至0.25％的鋯，余量的鋁和附帶的元素和雜質(zhì)。適用于航天應(yīng)用的該合金產(chǎn)品表現(xiàn)出高的屈服強度，比其7X50-T6的對應(yīng)產(chǎn)品高至少約10％的屈服強度，且具有良好的韌性和與其7X50-T76對應(yīng)產(chǎn)品典型相當或更好的抗腐蝕性能。由這種合金制成的上機翼部件典型具有超過84ksi的屈服強度，良好的斷裂韌性和“EC”或更好且典型為“EB”的EXCO抗剝離性能水平。
美國專利4,477,292公開了用來提高含有固溶熱處理鋁合金的產(chǎn)品的強度和抗腐蝕性的三步熱時效方法，該合金包含鋅，鎂，銅和至少一種選自鉻，錳和鋯的元素。在約175°至390°F下對該產(chǎn)品進行沉淀硬化，在約360°至390°F的溫度下熱處理幾分鐘到幾小時，然后在約175°至390°F下再次進行沉淀硬化。在優(yōu)選的實施方案中，處理的產(chǎn)品包含T6狀態(tài)的鋁合金7075。該發(fā)明的方法易于控制且比其它可比方法適用于處理更厚的產(chǎn)品。
美國專利5,108,520公開了對金屬合金進行固溶熱處理，沉淀硬化的時效工藝，該工藝包括首先對該合金進行不完全時效，以便獲得低于峰值屈服強度的屈服強度，隨后進行較高的時效以便提高該合金的抗腐蝕性，隨后進行較低溫度的時效以便將強度提高到初始強度以上。
美國專利5,560,789公開了具有高機械強度的AA 7000系列合金和得到它們的方法。該合金包含7至13.5wt％Zn，1至3.8wt％Mg，0.6至2.7wt％Cu，0至0.5wt％Mn，0至0.4wt％Cr，0至0.2wt％Zr，分別至多0.05wt％且總量至多0.15wt％的其它元素，和余量的Al?？梢缘玫娇慑懟蜩T造的合金，且該產(chǎn)品與DEA熔化信號相聯(lián)系的比能量低于3J/g。
美國專利5,312,498公開了具有改良抗剝離性能和斷裂韌性的鋁基合金產(chǎn)品的制造方法，該方法包括提供基本上由下列成分組成的鋁基合金組合物約5.5-10.0wt％的鋅，約1.75-2.6wt％的鎂，約1.8-2.75wt％的銅，余量的鋁和其它元素。對該鋁基合金進行加工，熱處理，淬火和時效以便制造具有改良的抗腐蝕性能和機械性能的產(chǎn)品。鋅，鎂和銅具有平衡的化學計量，這樣在由于時效工藝而產(chǎn)生的沉淀基本完成之后，不存在過剩的元素。該鋁基合金產(chǎn)品的制造方法利用了一步或兩步時效處理并結(jié)合了銅，鎂和鋅的化學計量平衡。
美國專利4,711,762公開了改良的鋁基合金產(chǎn)品，該合金包含0至3.0wt％Cu，0至1.5wt％Mn，0.1至4.0wt％Mg，0.8至8.5wt％Zn，至少0.005wt％Sr，至多1.0wt％Si，至多0.8wt％Fe和至多0.45wt％Cr，0至0.2wt％Zr，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)。
美國專利1,418,303公開了由下列成分組成的改良鋁合金約0.1％至小于3％的任意量的銅，約0.1％至約2％的鈦，約6％至約16％的鋅，優(yōu)選不超過0.6％的鐵(作為商用鋁的雜質(zhì)存在)，優(yōu)選不超過0.4％的硅(作為商用鋁的雜質(zhì)存在)，優(yōu)選不超過0.4％的其它元素(雜質(zhì))，余量的鋁。
美國專利2,290,020公開了含有鋁，鋅和鎂的三元化合物的改良鋁合金，該化合物的存在量的范圍是約2％至20％，優(yōu)選的范圍是3％至15％。室溫下該三元化合物以約2％的量進入鋁合金中的固溶體。高溫下固溶體中的百分比提高而冷卻時降低，過剩部分沉淀。
美國專利3,637,441公開了鋁基粉末冶金合金產(chǎn)品，該合金產(chǎn)品具有高的抗彎屈服強度和高的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能的改良組合。該合金包含基本的沉淀硬化元素鋅，鎂和銅加彌散強化元素鐵和鎳。它還可另外包含鉻和/或錳。通過元素熔體的粉化，熱加工，固溶熱處理，淬火和人工時效來制備該合金。該合金除鋁之外的成分是，至少6.5至13wt％的鋅，1.75至6wt％的鎂，0.25至2.5wt％的銅，0.75至4.25wt％的鐵和0.75至6wt％的鎳，至多3wt％的錳和至多0.75wt％的鉻。鐵與鎳的比值為0.2∶1至2.0∶1。
美國專利5,028,393公開了用作滑動材料(sliding)的Al基合金，該合金具有優(yōu)良的抗疲勞性能和抗粘著(seizure)性能且由下列成分組成1-10wt％Zn，1-15wt％Si，0.1-5wt％Cu，0.1-5wt％Pb，0.005-0.5wt％Sr，和余量的Al及附帶雜質(zhì)。
美國專利6,315,842公開了由厚度大于60mm的軋制，擠壓或鍛造AlZnMgCu鋁合金產(chǎn)品制成的用于塑料產(chǎn)品的模具，且該合金包括如下組成(按重量百分比)5.7＜Zn＜8.7，1.7＜Mg＜2.5，1.2＜Cu＜2.2，F(xiàn)e＜0.14，Si＜0.11，0.05＜Zr＜0.15，Mn＜0.02，Cr＜0.02，同時Cu+Mg＜4.1且Mg＞Cu，其它元素每種＜0.05且總量＜0.10，通過固溶熱處理，淬火和時效至T6回火對該產(chǎn)品進行處理。
盡管已有這些公開，然而仍存在對具有高水平的強度，抗腐蝕性，斷裂韌性和良好的抗疲勞裂紋生長性能的用于飛機應(yīng)用的改良鋁合金和由此制造的擠壓產(chǎn)品的巨大需求。本發(fā)明提供了這樣的擠壓產(chǎn)品。
本發(fā)明的目的是提供用于飛機的改良Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個目的是提供具有改良的斷裂韌性并具有高的強度水平的Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓產(chǎn)品。
本發(fā)明的又一個目的是提供具有改良的強度性能，斷裂韌性和抗疲勞裂紋生長性能的Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓產(chǎn)品的制造方法。
本發(fā)明的另外一個目的是提供具有改良的強度性能，斷裂韌性，良好的抗腐蝕水平的Al-Zn-Mg-Cu合金產(chǎn)品的制造方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供航空結(jié)構(gòu)部件，例如由本發(fā)明的合金制成的擠壓產(chǎn)品。
依照這些目的，提供了制造具有改良斷裂韌性的鋁合金擠壓產(chǎn)品的方法，該方法包括下列步驟提供由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成的鋁基合金的熔融體；鑄造該鋁合金熔融體以便提供凝固體，在液相線和固相線溫度之間以每秒600°至800°K范圍的速率使熔融鋁基合金凝固，以便提供具有25至75μm范圍的晶粒尺寸的凝固體。其后，通過在840°至860°F的第一溫度范圍內(nèi)加熱隨后在680°至880°F的第二溫度范圍內(nèi)加熱對該凝固體進行均勻化以便提供具有MgZn2或η沉淀物的均勻分布的均質(zhì)體。然后對該均質(zhì)體進行擠壓以便提供擠壓產(chǎn)品，在600°至850°F的溫度范圍內(nèi)并以足夠?qū)⑺鰯D壓產(chǎn)品的至少80％維持在非再結(jié)晶狀態(tài)的速率進行該擠壓。對該擠壓產(chǎn)品進行固溶熱處理和人工時效以便提高強度性能并提供具有改良斷裂韌性的擠壓產(chǎn)品。
相比于類似尺寸的7xxx產(chǎn)品，該改良的鋁基合金擠壓產(chǎn)品可以具有大至少8％的斷裂韌性和大至少3％的屈服強度。
本發(fā)明還包括改良的鋁基合金的可鍛產(chǎn)品，例如基本上由下列成分組成的擠壓產(chǎn)品1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，0.05至0.2wt％Sc，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶的元素和雜質(zhì)。
附圖簡述

圖1是顯示本發(fā)明步驟的流程圖。
圖2圖解說明了與高強度7xxx合金(SSLLC)對比的，本發(fā)明合金(M703)的破壞容限(歸一化的凹陷速率)結(jié)果。
參照圖1，顯示了本發(fā)明中的步驟的流程圖。通常，在該步驟中中以受控的凝固速率對Al-Zn-Mg-Cu合金的熔體進行鑄造以便在鑄體中得到特定的晶粒尺寸范圍。其后，在受控條件下對該鑄體進行均勻化以便得到MgZn2或η沉淀物的均勻分布。以特定的速率范圍和溫度對該鑄體進行擠壓以便獲得其大部分例如至少80％為非再結(jié)晶狀態(tài)的擠壓產(chǎn)品。然后對該擠壓產(chǎn)品進行固溶熱處理和時效至極高水平的強度，斷裂韌性和抗腐蝕性。
本發(fā)明的合金包含約8.2至10wt％的Zn，1.9至2.5wt％的Mg，1.95至2.5wt％的Cu，0.05至0.25wt％的Zr，至多0.15wt％的Si，至多0.15wt％的Fe，至多0.1wt％的Mn，余量的鋁和附帶的元素和雜質(zhì)。
優(yōu)選地，該合金包含1.95至2.3wt％的Cu，1.9至2.3wt％的Mg，8.45至9.4wt％的Zn，0.05至0.2wt％的Cr，0.05至0.15wt％的Zr。Cr的范圍可以為0.05至0.08wt％。為了延緩再結(jié)晶，該合金可以包含0.01至0.2wt％的Sc，優(yōu)選0.01至0.1wt％。當依照本發(fā)明進行處理時，這些合金與傳統(tǒng)的7xxx合金例如AA7075-T6相比，在可接受或甚至高水平的強度和抗腐蝕性下具有顯著提高的斷裂韌性。1993年12月出版的題目為“用于可鍛鋁和可鍛鋁合金的鋁業(yè)協(xié)會命名和化學組成范圍注冊登記”的鋁業(yè)協(xié)會出版物中闡述了AA7xxx合金的組成。術(shù)語“7xxx”是指包含鋅作為主要合金組分的鋁合金。AA 7075-T6指鋁業(yè)協(xié)會登記的AA組成范圍。對于7075的典型T6時效操作是在約250°F下加熱24小時并在約175°至330°F的典型溫度范圍下加熱3到30小時。
對于本發(fā)明，以可提供受控顯微組織或晶粒尺寸的速率將本發(fā)明的熔融鋁合金鑄造成凝固體。當希望制造擠壓產(chǎn)品時，典型將這種熔融鋁合金鑄成坯條(billet)的形式。此外，典型以約1至6英寸每分鐘，優(yōu)選以2至4英寸每分鐘的速率鑄造該凝固體，且該坯條典型具有約1至7英寸范圍的直徑。對于本發(fā)明，該凝固體優(yōu)選具有25至100μm，優(yōu)選35至75μm的平均晶粒尺寸。如果以控制的速率對本發(fā)明的合金進行鑄造并依照本發(fā)明進行熱機械處理，可以獲得非常高的拉伸和壓縮強度，斷裂韌性和抗腐蝕性。即，為了獲得用于依照本發(fā)明進行熱機械處理的期望顯微組織，以受控的凝固速率對熔融鋁進行鑄造。據(jù)發(fā)現(xiàn)，本公開鋁合金的受控凝固速率與隨后的受控熱機械處理的結(jié)合可產(chǎn)生具有優(yōu)異性能擠壓產(chǎn)品，即非常高的拉伸強度，良好抗腐蝕性和耐沖擊(dent resistance)性。
應(yīng)注意，可以通過彌散硬化或應(yīng)變硬化提高本發(fā)明鋁合金的強度。應(yīng)變硬化是塑性變形的結(jié)果并且取決于變形的程度。彌散硬化是通過形成原子簇(稱為Guiner-Preston或GP區(qū))而產(chǎn)生的。另外，彌散硬化也可以由合金中新相或沉淀物的形成而產(chǎn)生，該新相或沉淀物形成了位錯移動的障礙。這可以顯著提高合金的強度。在Al-Zn-Mg-Cu合金中，新的強化相包括MgZn2，也稱為M或η-相，Mg3Zn3Al2也稱為T-相，CuMgAl2也稱為S-相。新相沉淀產(chǎn)生的強化比形成GP區(qū)產(chǎn)生的強化更有效。然而，新相沉淀導(dǎo)致的強化會對破壞容限或斷裂韌性造成不利影響。通常，沉淀相的體積分數(shù)越大，破壞容限能越低。相比之下，GP區(qū)的形成產(chǎn)生的強化不會犧牲破壞容限能。因此，為了提供改良的強度和破壞容限，本發(fā)明平衡了最終產(chǎn)品中的沉淀物體積分數(shù)和GP區(qū)或富鋅簇的體積分數(shù)，同時維持過量的溶解的鋅。對于本發(fā)明，GP區(qū)尺寸的范圍應(yīng)為2至35nm且GP區(qū)密度的范圍應(yīng)為每cm34×1018至5×1018個區(qū)。
為了制造依照本發(fā)明的坯條，可以使用通過空氣和液體冷卻劑冷卻的模具來進行鑄造，以便在可提供期望的晶粒尺寸或組織的受控速率下使坯條凝固。該晶?？梢跃哂?5至75μm范圍的尺寸。與模具一同使用的空氣和冷卻劑的混合物特別適于從鋁合金熔融體中吸收熱量，從而對于具有1至6英寸直徑的坯條可獲得每秒鐘5至50℃的凝固速率。在美國專利4,598,763中描述了使用空氣和冷卻劑混合物的模具，該模具適于控制鑄造本發(fā)明的熔融鋁合金的冷卻速率。與作為用于本發(fā)明的這些模具一起使用的冷卻劑由氣體和液體組成，其中將氣體作為微小，離散的不溶氣泡注入該液體并在新形成的鑄塊上結(jié)合。該附帶有氣泡的冷卻劑能夠以提高的熱去除速率冷卻金屬，而且如果需要，可以利用該提高的熱去除速率與冷卻劑排出量一起控制鑄造操作任何階段包括穩(wěn)態(tài)鑄造階段的冷卻速率。
為了鑄造例如鋁合金的金屬，以便提供適于本發(fā)明用途的顯微組織，由環(huán)形模具一端的開口將熔融金屬引入該模具的腔體，并且當該金屬在模具內(nèi)部分凝固并在與該腔體另一端開口相鄰的支撐物上形成金屬凝固體時，使該模具與支撐物延腔體縱向相互移動以便將金屬凝固體從腔體的后一個開口抽出。向環(huán)繞模具體的腔體的環(huán)形流動管路中引入液體冷卻劑，該管路通向模具前述相反端開口相鄰的環(huán)境大氣，以便以冷卻劑幕排放冷卻劑并沖擊在正形成的金屬體上以便直接冷卻。同時，將基本不溶于該冷卻劑液體的氣體加壓注入置于該模具體的管路附近的環(huán)形分配室，該分配室通過位于該管路排出口上游且位于其中冷卻劑流周圍的環(huán)形狹縫通入該管路中。將腔體中的氣體部分通過該狹縫釋放到該管路中，并當通過該狹縫排氣時通過該狹縫分成多個氣體噴射流。以一定溫度和壓力將該噴射流注入冷卻劑流，在該條件下將氣體帶入冷卻劑流中形成大量氣泡，當冷卻劑幕通過管路的開口排出并沖擊在正產(chǎn)生的金屬體上時，該氣泡傾向于在冷卻劑中維持離散和不溶的狀態(tài)。有了其中包含的大量氣泡，該冷卻幕具有提高的速度，并且可使用該提高來調(diào)整冷卻劑液體的冷卻速率，因為其足夠補償冷卻劑導(dǎo)熱性的任何減少。事實上，該高速且攜帶氣泡的冷卻劑幕可能對金屬產(chǎn)生洗刷作用，這可以破壞任何膜并降低金屬表面發(fā)生的膜的傾向，從而(如果需要)允許在更理想水平的核嗆火下進行該處理。氣泡的加入還可以在冷卻劑幕中產(chǎn)生更多的冷卻劑蒸氣，增加的蒸氣傾向于上升進入通常剛剛在幕的上方形成的金屬體和模具壁之間的間隙中，并冷卻該位置的金屬。結(jié)果，金屬傾向于在壁上發(fā)生出乎意料的更快凝固，這不僅是以上述方式達到更高冷卻速率的結(jié)果，而且還是在間隙中形成冷卻劑蒸氣的結(jié)果。該更高水平可確保金屬在存在潤滑油的模具壁上以一定水平凝固，同時，所有這些效果可以在鑄錠的整個長度上產(chǎn)生優(yōu)異，更具緞光狀，無拉痕的金屬體表面而且特別適合于熱形變。
當結(jié)合美國專利4,598,763中描述的設(shè)備和技術(shù)使用該冷卻劑時，這種鑄造方法具有另外的優(yōu)點，即由幕釋放到間隙中的任何氣體和/或蒸氣會與從模具腔排出的流體的環(huán)面混合，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的排放流，而不是作為流體的間歇脈沖發(fā)生的排放。
正如所指出的，在該液體中該氣體應(yīng)具有低的溶解性，且當該液體為水時，為了廉價和便于利用起見該氣體可以是空氣。
在鑄造操作中，可以在錠坯(butt)形成階段和穩(wěn)態(tài)鑄造階段期間，通過狹縫將分配室中的氣體釋放到冷卻劑流動管路中?；蛘撸梢灾皇窃诜€(wěn)態(tài)鑄造階段期間，通過該狹縫將氣體釋放到管路中。例如，在錠坯形成階段，可以調(diào)節(jié)冷卻劑的排放速率以便通過產(chǎn)生膜嗆火效應(yīng)使鑄錠過冷，而且當金屬溫度達到需要提高冷卻速率以便在金屬上維持期望的表面溫度的水平時，可以通過該狹縫將氣體釋放到管路中。這時，當表面溫度降低到前述水平以下時，可以不再通過狹縫將氣體釋放到該管路中，以便再一次使金屬過冷。最終，當穩(wěn)態(tài)鑄造開始時，通過狹縫并以不確定的方式再一次將氣體釋放到管路中直到鑄造操作完成?；蛘?，可以在錠坯形成階段調(diào)節(jié)冷卻劑的排放速率以便將金屬的溫度維持在前述的范圍之內(nèi)，而且直到提高冷卻劑排放速率并且穩(wěn)態(tài)鑄造開始時，才通過狹縫將氣體釋放到管路中。
美國專利4,598,763和4,693,298中對冷卻劑，模具和鑄造方法進行了進一步的描述，這里引用作為參考文獻。
雖然對本發(fā)明制造坯條的鑄造程序進行了詳細的描述，其中該坯條具有用于依照本發(fā)明的熱變形所需的組織，然而應(yīng)明白可以使用其它鑄造方法來提供可產(chǎn)生本發(fā)明所必需的晶粒結(jié)構(gòu)的凝固速率。如前面所述，可以通過帶式鑄造，整體鑄造或輥式鑄造和電磁鑄造來獲得這樣的凝固。
含8.9wt％Zn，2.1wt％Mg，2.3wt％Cu，0.11wt％Zr，余量含鋁的合金的七英寸坯條，使用利用空氣和水冷卻劑的模具以及每秒35°至50°F的冷卻速率的鑄造，對于依照本發(fā)明的擠壓和熱機械處理可提供滿意的晶粒組織。
雖然關(guān)于坯條對鑄造進行了描述，應(yīng)明白可以將這里所述的原理應(yīng)用于鑄錠或鋁合金電磁鑄造。
鑄造坯條之后，對其進行均勻化處理。優(yōu)選地，對該坯條進行兩次均勻化處理。第一個均勻化處理中，優(yōu)選在840°至880°F的溫度范圍內(nèi)對坯條處理6至18小時。其后，優(yōu)選在880°至900°F的溫度范圍內(nèi)對坯條處理4至36小時。對坯條進行上述的雙重均勻化處理可提供MgZn2沉淀物或M或η相以及含鋅和鉻的彌散體的更均勻分布的坯條。
均勻化處理之后，對坯條進行擠壓以便提供擠壓產(chǎn)品。為了進行擠壓，將坯條加熱到600°至850°F范圍的溫度并在擠壓期間將坯條維持在這個溫度范圍內(nèi)。優(yōu)選地，以0.8至8ft/min的速率且優(yōu)選以10至60范圍的擠壓比對坯條進行擠壓。為了獲得其中至少80％且優(yōu)選90％的擠壓產(chǎn)品為非再結(jié)晶狀態(tài)的擠壓產(chǎn)品，這些條件是重要的。該擠壓產(chǎn)品在最薄和最厚的截面之間可具有1∶4至1∶18的縱橫比。
擠壓之后，通過在約845°F至約900°F的溫度范圍內(nèi)加熱對產(chǎn)品進行固溶熱處理，且優(yōu)選870°至890°F的溫度范圍。在這些溫度下的典型時間范圍是5至120分鐘。應(yīng)使該固溶熱處理進行足夠的時間以便溶解大部分合金元素。即，基本上使全部的鋅，鎂和銅溶解以便提供固溶體。
固溶熱處理之后，使擠壓產(chǎn)品快速冷卻或者例如通過浸入冷水或用冷水噴淋對其進行淬火。淬火之后，可以對擠壓產(chǎn)品進行矯直和/或拉伸。即，在時效之前對擠壓產(chǎn)品進行矯直以便提高強度性能。
固溶熱處理之后，對該擠壓產(chǎn)品進行處理以便提高例如強度，腐蝕和斷裂韌性的性能。
因此，可以根據(jù)需要的性能對擠壓產(chǎn)品進行不同的熱處理。例如，可以對擠壓產(chǎn)品進行稱為T6型回火的單一步驟熱處理以便獲得高或峰值的強度。然而，這種回火可能容易受到應(yīng)力腐蝕開裂的影響。通過在175°至325°F的溫度范圍內(nèi)時效3至30小時可以獲得T6回火?？梢允褂脙刹綍r效處理，其中在175°至300°F下進行第一個時效步驟并持續(xù)3至30小時的一段時間，隨后在300°至360°F下進行第二個時效步驟并持續(xù)3至24小時的一段時間。這個時效處理可產(chǎn)生被稱為T7x回火的過時效回火。這種狀態(tài)可改善應(yīng)力腐蝕開裂性能但會降低強度。
為了提高強度和抗腐蝕性，可以對擠壓產(chǎn)品進行三步時效工藝。該時效步驟或階段包括低-高-低的時效工序。在第一個或低時效步驟中，對擠壓產(chǎn)品施加一定溫度并持續(xù)一段時間，其間沉淀物可將該擠壓產(chǎn)品強化達到或接近峰值強度。這可以通過在約150°至325°F的溫度范圍內(nèi)進行沉淀硬化并典型持續(xù)2至30小時的時間來實現(xiàn)。然后，對擠壓產(chǎn)品進行第二個處理以便提高抗腐蝕性。第二個處理包括在300°至500°F的溫度范圍內(nèi)處理擠壓產(chǎn)品并持續(xù)例如5分鐘至約3小時。第三個步驟中，對擠壓產(chǎn)品進行另一個強化步驟。該第三個熱處理包括在175°至325°F的溫度下對擠壓產(chǎn)品處理約2至30小時。
將本發(fā)明合金的剝離腐蝕(EXCO)特性與7075 T6511和7075T76511合金進行比較。美國材料與試驗協(xié)會開發(fā)出可提供用于2xxx和7xxx系列鋁合金的加速剝離腐蝕試驗的方法。使用參考標準照片建立的性能等級，通過目測確定剝離的敏感度。依照該試驗方法進行試驗時，當時效至T76回火時，本發(fā)明的合金可表現(xiàn)出典型的EA剝離腐蝕等級。當時效至T77回火時，本發(fā)明的合金可表現(xiàn)出典型的EB剝離腐蝕等級。
雖然關(guān)于擠壓產(chǎn)品對合金進行了描述，此處預(yù)料該合金也可以用作薄板或厚板產(chǎn)品。
這里提出的全部范圍包括范圍內(nèi)的所有數(shù)值，正如具體描述過一樣。
這里所述的依照本發(fā)明的產(chǎn)品或部件特別適用于航天應(yīng)用并且可以在大型飛機例如商用和軍用飛機中得到許多應(yīng)用。該產(chǎn)品可用于機翼構(gòu)件，機尾部件，機身部分或組件或構(gòu)成飛機的其它組件。即，該飛機部件可包含機翼部件或機翼組件，中翼箱部件或組件，地板部件或組件包括座椅導(dǎo)軌，地板梁，支柱，載貨板部件和組件，地板面板，載貨地板面板，機身部件或組件機身框架，機身縱梁等。此外，可以以無縫或非無縫管材的形式制造該產(chǎn)品并用于體育用品例如棒球球棒。
表格對于0.249英寸厚的擠壓產(chǎn)品，本發(fā)明合金(M703)的典型機械性能與7075 T6511和7150 T77511的比較。
該表格說明了當時效至T76和T77回火時本發(fā)明合金的機械性能。
下列實施例對本發(fā)明進行更進一步的示例性說明。
實施例1將包含8.9wt％Zn，2.1wt％Mg，2.3wt％Cu，0.11wt％Zr，附帶元素和雜質(zhì)，余量鋁的合金坯條鑄成直徑7英寸的坯條。使用利用空氣和液體冷卻劑的鑄模(購自Wagstaff Engineering Inc.，Spokane，Washington)鑄造該坯條。調(diào)節(jié)該空氣/水冷卻劑，以便以每分鐘4英寸的速率鑄造該鋁合金的熔融體。該鑄造后的組織具有35μm的平均晶粒尺寸。在870°F下保持8小時然后在890°F下保持24小時對該坯條進行均勻化。其后，使坯條處于725°F然后擠壓成空心管材，該管材具有2.65英寸的外徑和0.080英寸的壁厚。
該擠壓產(chǎn)品具有非再結(jié)晶晶粒組織。將該擠壓產(chǎn)品在880°F下固溶熱處理25分鐘然后在水-15％乙二醇溶液中淬火。其后，在250°F下對該淬火擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化并持續(xù)24小時然后，將其置于315°F的溫度并持續(xù)6小時以便提高抗腐蝕性和屈服強度性能。然后對該擠壓產(chǎn)品進行拉伸強度和屈服強度的試驗并與AA 7075 T6進行比較。結(jié)果如表1所示。
然后對該擠壓產(chǎn)品進行耐沖擊或破壞容限試驗。通過向擠壓管材投擲相同尺寸和重量的球來進行耐沖擊試驗。在擠壓管材上形成第一個凹痕的投擲數(shù)代表耐沖擊性。將該擠壓產(chǎn)品與以類似方式處理的AA7055合金進行對比。將本發(fā)明的合金稱為M703而將7055稱為SSLLC(參見圖2)。對兩種合金進行同樣的時效。從圖2中可以看出M703具有更優(yōu)異的耐沖擊性。
實施例2將包含8.9wt％Zn，2.1wt％Mg，2.3wt％Cu，0.11wt％Zr，附帶元素和雜質(zhì)，余量鋁的合金坯條鑄成直徑7英寸的坯條。使用利用空氣和液體冷卻劑的鑄模(購自Wagstaff Engineering Inc.，Spokane，Washington)鑄造該坯條。調(diào)節(jié)該空氣/水冷卻劑以便以每分鐘4英寸的速率鑄造該鋁合金的熔融體。該鑄造后的組織具有35μm的平均晶粒尺寸。在870°F下保持8小時然后在890°F下保持24小時對該坯條進行均勻化。其后，使坯條處于725°F然后擠壓成具有T型橫截面和0.245英寸的壁厚的飛機縱梁。
該擠壓產(chǎn)品具有非再結(jié)晶晶粒組織。將該擠壓產(chǎn)品在880°F下固溶熱處理35分鐘然后在水-15％乙二醇溶液中淬火。其后，在250°F下對該淬火擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化并持續(xù)24小時隨后在380°F下保持25至35分鐘，然后在250°F下保持24小時。然后對該擠壓產(chǎn)品進行拉伸強度和屈服強度和斷裂韌性，疲勞裂紋生長的試驗并與AA 7075T6511和AA 7150 T77511進行比較。結(jié)果如表1所示?？梢钥闯霎斉cAA 7075 T6511和AA 7150 T77511比較時，本發(fā)明的合金具有更優(yōu)異的強度和斷裂韌性。此外，該擠壓產(chǎn)品具有獨特的拉伸強度，抗腐蝕性，和破壞容限(即斷裂韌性和疲勞裂紋生長)的組合。
對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行了描述，應(yīng)明白在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以以另外的方式實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.制造具有改良斷裂韌性的鋁合金擠壓產(chǎn)品的方法，該方法包括下列步驟(a)提供由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成的鋁基合金的熔融體；(b)對所述鋁基合金的所述熔融體進行鑄造以便提供凝固體，以每分鐘1至6英寸的速率鑄造所述的熔融鋁基合金；(c)通過在840°至860°F的第一溫度范圍內(nèi)加熱隨后在860°至880°F的第二溫度范圍內(nèi)加熱對所述凝固體進行均勻化，以便提供具有η沉淀物和含鋯分散體的均勻分布的均質(zhì)體；(d)對所述均質(zhì)體進行擠壓以便提供擠壓產(chǎn)品，在600°至850°F的溫度范圍內(nèi)并在足以將所述擠壓產(chǎn)品的橫截面積的至少80％維持在非再結(jié)晶狀態(tài)的速率進行所述的擠壓；(e)對所述擠壓產(chǎn)品進行固溶熱處理；和(f)對所述產(chǎn)品進行人工時效以便提高強度性能，從而提供具有改良斷裂韌性的擠壓產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含1.95至2.3wt％Cu。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含1.9至2.3wt％Mg。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含0.05至0.2wt％Cr。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含8.45至9.4wt％Zn。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含0.01至0.1wt％Sc。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該合金包含0.01至0.2wt％Ti。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括在所述的第一溫度范圍內(nèi)加熱6至18小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括在所述的第二溫度范圍內(nèi)加熱4至36小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括對所述擠壓產(chǎn)品進行快速淬火。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以0.5至8ft/min的速率進行所述的擠壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在870至890°F的溫度范圍內(nèi)進行所述的固溶熱處理并持續(xù)5至120分鐘。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過在175至300°F的溫度范圍內(nèi)時效3至30小時隨后在280至360°F下時效3至24小時進行所述的人工時效。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過在210至280°F的溫度范圍內(nèi)時效4至24小時隨后在320至400°F下時效30分鐘至14小時進行所述的人工時效。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過在150至325°F的溫度范圍內(nèi)時效2至30小時隨后在300至500°F下時效5分鐘至3小時隨后在175至325°F下時效2至30小時進行所述的人工時效。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的人工時效是三步工藝，其中所述的第一步和第三步提高強度而第二步提高抗腐蝕性。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的人工時效包括(i)在高于室溫的低溫下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化；(ii)在提高所述擠壓產(chǎn)品的抗腐蝕性能的溫度下時效；(iii)在高于室溫的較低溫度下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該擠壓產(chǎn)品具有比由7075合金制成的相似擠壓產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該擠壓產(chǎn)品具有比由7075合金制成的相似擠壓產(chǎn)品大至少8％的拉伸強度。
20.制造具有改良的強度和斷裂韌性的鋁合金擠壓產(chǎn)品的方法，該方法包括下列步驟(a)提供由1.95至2.3wt％Cu，1.9至2.3wt％Mg，8.2至9.4wt％Zn，0.05至0.2wt％Cr，0.05至0.15wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成的鋁基合金的熔融體；(b)對所述鋁基合金的所述熔融體進行鑄造以便提供凝固體，以每分鐘1至6英寸的速率鑄造所述的熔融鋁基合金；(c)通過在840°至860°F的第一溫度范圍內(nèi)加熱6至24小時隨后在860°至880°F的第二溫度范圍內(nèi)加熱4至36小時對所述凝固體進行均勻化以便提供具有η沉淀物和含鋯和鉻的分散體的均勻分布的均質(zhì)體；(d)對所述均質(zhì)體進行擠壓以便提供擠壓產(chǎn)品，在600°至850°F的溫度范圍內(nèi)并以0.5至8.0ft/min的速率進行所述的擠壓以便提供非再結(jié)晶區(qū)域占該擠壓產(chǎn)品橫截面至少80％的擠壓產(chǎn)品；(e)對所述擠壓產(chǎn)品進行快速淬火；(f)對所述擠壓產(chǎn)品進行固溶熱處理；和(g)對所述產(chǎn)品進行人工時效以便提高強度性能，從而提供具有改良斷裂韌性的擠壓產(chǎn)品。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該合金包含0.01至0.1wt％Sc。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該合金包含0.01至0.2wt％Ti。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中在870至890°F的溫度范圍內(nèi)進行所述的固溶熱處理并持續(xù)5至120分鐘。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中通過在175至300°F的溫度范圍內(nèi)時效3至30小時隨后在280至360°F下時效3至24小時進行所述的人工時效。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中通過在245至255°F的溫度范圍內(nèi)時效6至24小時隨后在360至390°F下時效5至120分鐘進行所述的人工時效。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述的人工時效是三步工藝，其中所述的第一步和第三步提高強度而第二步提高抗腐蝕性。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述的人工時效包括(i)在高于室溫的低溫下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化；(ii)在提高所述擠壓產(chǎn)品的抗腐蝕性能的溫度下時效；(iii)在高于室溫的較低溫度下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該擠壓產(chǎn)品具有比由7075合金制成的相似擠壓產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中通過在150至325°F的溫度范圍內(nèi)時效2至30小時隨后在300至500°F下時效5分鐘至3小時隨后在175至325°F下時效2至30小時進行所述的人工時效。
30.制造具有改良的強度和斷裂韌性的鋁合金擠壓產(chǎn)品的方法，該方法包括下列步驟(a)提供由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成的鋁基合金的熔融體；(b)對所述鋁基合金的所述熔融體進行鑄造以便提供凝固體，以每分鐘1至4英寸的速率鑄造所述的熔融鋁基合金；(c)對所述凝固體進行均勻化以便提供具有η沉淀物的均勻分布的均質(zhì)體；(d)對所述均質(zhì)體進行擠壓以便提供擠壓產(chǎn)品，在600°至850°F的溫度范圍內(nèi)并以10至60的擠壓比和0.5至8.0ft/min的擠壓速率進行所述的擠壓，以便提供處于基本上非再結(jié)晶狀態(tài)的擠壓產(chǎn)品；(e)對所述擠壓產(chǎn)品進行快速淬火；(f)對所述擠壓產(chǎn)品進行固溶熱處理；和(g)對所述產(chǎn)品進行人工時效以便提高強度性能，從而提供具有改良斷裂韌性的擠壓產(chǎn)品。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中該合金包含0.05至0.2wt％Cr。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中該合金包含0.01至0.2wt％Ti。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中該合金包含0.01至0.2wt％Sc。
34.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中在875至885°F的溫度范圍內(nèi)進行所述的固溶熱處理并持續(xù)5至120分鐘。
35.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中通過在175至300°F的溫度范圍內(nèi)時效3至30小時隨后在280至360°F下時效3至24小時進行所述的人工時效。
36.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中通過在210至280°F的溫度范圍內(nèi)時效4至24小時隨后在300至400°F下時效1至14小時進行所述的人工時效。
37.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中所述的人工時效包括(i)在高于室溫的低溫下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化；(ii)在提高所述擠壓產(chǎn)品的抗腐蝕性能的溫度下時效；(iii)在高于室溫的較低溫度下時效以便對所述擠壓產(chǎn)品進行沉淀硬化。
38.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中通過在150至325°F的溫度范圍內(nèi)時效2至30小時隨后在300至500°F下時效5分鐘至3小時隨后在175至325°F下時效2至30小時進行所述的人工時效。
39.改良鋁基合金的可鍛產(chǎn)品，其基本上由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成，所述合金產(chǎn)品具有比相似尺寸的7075產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性和大至少8％的屈服強度。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含1.95至2.3wt％Cu。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含1.9至2.3wt％Mg。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含0.05至0.2wt％Cr。
43.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含8.45至9.4wt％Zn。
44.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含0.01至0.2wt％Sc。
45.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中該合金包含0.01至0.2wt％Ti。
46.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是擠壓產(chǎn)品。
47.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述合金產(chǎn)品是在最薄和最厚的截面之間具有1∶4至1∶18縱橫比的擠壓產(chǎn)品。
48.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是飛機縱梁。
49.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是飛機地板梁。
50.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是飛機機身梁。
51.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是中空的擠壓產(chǎn)品。
52.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是中空的非無縫擠壓產(chǎn)品。
53.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是中空無縫的擠壓產(chǎn)品。
54.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是棒球球棒。
55.根據(jù)權(quán)利要求39的合金產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品是汽車搖臂。
56.改良鋁基合金的可鍛產(chǎn)品，其基本上由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，0.05至0.2wt％Sc，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的合金產(chǎn)品，其中該合金包含0.05至0.2wt％Cr。
58.根據(jù)權(quán)利要求56的合金產(chǎn)品，其中該合金包含0.05至0.2wt％Ti。
59.改良鋁基合金的可鍛產(chǎn)品，其基本上由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成，所述合金產(chǎn)品具有比相似尺寸的7075產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性和大至少8％的屈服強度并且具有EB或更好的抗剝離性。
60.改良鋁基合金的飛機部件，其基本上由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成，所述合金產(chǎn)品具有比相似尺寸的7075產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性和大至少8％的屈服強度。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的合金產(chǎn)品，其中所述部件是飛機縱梁。
62.根據(jù)權(quán)利要求60的合金產(chǎn)品，其中所述部件是飛機地板梁。
63.根據(jù)權(quán)利要求60的合金產(chǎn)品，其中所述部件是飛機機身梁。
64.改良鋁基合金的飛機部件，其基本上由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，余量的鋁和附帶元素及雜質(zhì)組成，所述合金產(chǎn)品具有比相似尺寸的7075產(chǎn)品大至少5％的斷裂韌性和大至少8％的屈服強度，且具有EB或更好的抗剝離性。
全文摘要
具有改良的強度和斷裂韌性的鋁合金擠壓產(chǎn)品，該鋁基合金由1.95至2.5wt％Cu，1.9至2.5wt％Mg，8.2至10wt％Zn，0.05至0.25wt％Zr，至多0.15wt％Si，至多0.15wt％Fe，至多0.1wt％Mn，和余量的鋁和附帶的元素和雜質(zhì)組成。
文檔編號C22C21/10GK1692174SQ03824402
公開日2005年11月2日 申請日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月21日
發(fā)明者J·格奧爾基, D·C·馬萊簡, R·梅克勒 申請人:通用合金公司