Сплав al-zn-mg-cu

Сплав al-zn-mg-cu

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к деформируемому алюминиевому сплаву типа Al-Zn-Mg-Cu (или к алюминиевым сплавам серий 7000 или 7ххх, как их обозначает Алюминиевая Ассоциация). Более конкретно, настоящее изобретение относится к дисперсионно-твердеющему, высокопрочному, обладающему высокой вязкостью разрушения и высокой коррозионной стойкостью алюминиевому сплаву и изделиям (продукции), изготовленным(ой) из этого сплава. Продукция, изготовленная из этого сплава, очень подходит для применения в аэрокосмической промышленности, но не ограничивается этим. Сплав может быть обработан до изделий различных видов, например листа, толстой плиты, тонкой плиты, прессованных (штампованных) или кованых изделий.

При любом виде продукции, изготовленной из этого сплава, возможно достижение сочетаний свойств, превосходящих продукцию, изготовленную из известных в настоящее время сплавов. Благодаря настоящему изобретению и в области аэрокосмической промышленности также возможно теперь применение концепции единого сплава. Это приведет к значительному снижению затрат в аэрокосмической промышленности. Благодаря концепции единого сплава значительно проще становится утилизация алюминиевого лома, образующегося во время производства конструктивных деталей или же после окончания службы конструктивных деталей.

Уровень техники

В прошлом для изготовления разнообразных изделий, предназначенных для применения в конструкционных целях в аэрокосмической промышленности, использовали различные типы алюминиевых сплавов. Конструкторы и изготовители в аэрокосмической промышленности постоянно пытаются улучшить топливную экономичность, рабочие характеристики продукции и постоянно пытаются снизить затраты на производство и обслуживание. Предпочтительным способом достижения таких улучшений, наряду со снижением затрат, является концепция единого сплава, т.е. одного алюминиевого сплава, который способен обладать улучшенным балансом свойств в соответствующих видах продукции.

Применяемые в данном описании обозначения элементов сплава и их состояний соответствуют хорошо известным стандартам на продукцию из алюминиевых сплавов, установленным Алюминиевой Ассоциацией (Aluminum Association). Все процентные содержания даны в массовых процентах, за исключением особо оговоренных случаев.

В настоящее время из уровня техники известно применение обладающих высокой стойкостью к повреждениям сплавов АА2×24 (например, АА2524) или АА6×13 или АА7×75 для листа фюзеляжа, АА2324 или АА7×75 - для нижней поверхности крыла, АА7055 или АА7449 - для верхней поверхности крыла и АА7050, или АА7010, или АА7040 - для лонжеронов и нервюр крыла или других профилей, полученных механической обработкой из толстой плиты. Главная причина использования различных сплавов в каждом отдельном виде применения заключается в различии баланса свойств, необходимого для получения оптимальных рабочих характеристик всей конструктивной детали.

Для обшивки фюзеляжа очень важными считаются свойства стойкости к повреждениям при растягивающей нагрузке, то есть сочетание скорости роста усталостных трещин (FCGR, от английского «fatigue crack growth rate»), вязкости разрушения при плоском напряженном состоянии и коррозии. Исходя из этих требований к свойствам, предпочтительным выбором для изготовителей гражданских самолетов будут обладающие высокой стойкостью к повреждениям сплавы АА2×24 в состоянии Т351 (см., например, US-5213639 или EP-1026270-А1) или Cu-содержащие сплавы АА6ххх в состоянии Т6 (см., например, US-4589932, US-5888320, US-2002/0039664-A1 или EP-1143027-A1).

Для обшивки нижней поверхности крыла требуется сходный баланс свойств, но допустимо некоторое пожертвование вязкостью с целью повышения прочности на разрыв. По этой причине АА2×24 в состоянии Т39 или Т8х рассматриваются как логичный выбор (см., например, US-5865914, US-5593516 или ЕР-1114877-А1), хотя иногда применяют также АА7×75 в том же состоянии.

В случае верхней поверхности крыла, где более важна сжимающая нагрузка, а не растягивающая нагрузка, наиболее важными свойствами являются прочность на сжатие, усталостная прочность (SN-усталостность или долговечность) и вязкость разрушения. В настоящее время предпочтительным выбором были бы АА7150, АА7055, АА7449 или АА7×75 (см., например, US-5221377, US-5865911, US-5560789 или US-5312498). Эти сплавы обладают высоким пределом текучести при сжатии с приемлемым в данный момент сопротивлением коррозии и вязкостью разрушения, хотя авиационные конструкторы приветствовали бы улучшения сочетаний этих свойств.

Для толстых профилей, имеющих толщину более 3 дюймов, или деталей, полученных механической обработкой из таких толстых профилей, важен одинаковый и надежный баланс свойств по толщине. В настоящее время для этих видов применения используют сплавы АА7050, или АА7010, или АА7040 (см. US-6027582), или С80А (см. US-2002/0150498-A1). Главным желанием производителей самолетов является снижение чувствительности к закалке, т.е. подверженность ухудшению свойств по толщине при снижении скорости закалки или увеличении толщины изделий. Особую озабоченность конструкторов и изготовителей конструктивных деталей вызывают свойства в направлении ST.

Улучшения характеристик самолета, т.е. уменьшения производственных затрат и уменьшения эксплуатационных затрат, можно добиться за счет улучшения баланса свойств алюминиевых сплавов, используемых в данной конструктивной детали, а предпочтительно - использования сплава только одного типа для снижения стоимости этого сплава и снижения стоимости переработки алюминиевого лома и отходов.

Соответственно, предполагается, что существует потребность в алюминиевом сплаве, способном обеспечить улучшенный баланс нужных свойств в продукции каждого подходящего вида.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание алюминиевого сплава серии АА7ххх, обладающего способностью обеспечить баланс свойств в любом подходящем изделии, который лучше баланса свойств различных коммерческих алюминиевых сплавов (АА2ххх, АА6ххх, АА7ххх), применяемых в настоящее время в этих изделиях.

В предпочтительный состав сплава согласно настоящему изобретению входит или же сплав состоит по существу из, в массовых %, примерно от 6,5 до 9,5% цинка (Zn), примерно от 1,2 до 2,2% магния (Mg), примерно от 1,0 до 1,9% меди (Cu), примерно от 0 до 0,5% циркония (Zr), примерно от 0 до 0,7% скандия (Sc), примерно от 0 до 0,4% хрома (Cr), примерно от 0 до 0,3% гафния (Hf), примерно от 0 до 0,4% титана (Ti), примерно от 0 до 0,8% марганца (Mn), остальное приходится на долю алюминия (Al) и других случайных элементов. Предпочтительно (0,9Mg-0,6)≤Cu≤(0,9Mg+0,05).

Более предпочтительный состав сплава согласно настоящему изобретению состоит по существу из, в массовых %, примерно от 6,5 до 7,9% Zn, примерно от 1,4 до 2,10% Mg, примерно от 1,2 до 1,80% Cu и при этом предпочтительно (0,9Mg-0,5)≤Cu≤0,9Mg, примерно от 0 до 0,5% Zr, примерно от 0 до 0,7% Sc, примерно от 0 до 0,4% Cr, примерно от 0 до 0,3% Hf, примерно от 0 до 0,4% Ti, примерно от 0 до 0,8% Mn, причем остальное приходится на долю алюминия (Al) и других случайных элементов.

Более предпочтительный состав сплава согласно настоящему изобретению состоит по существу из, в массовых %, примерно от 6,5 до 7,9% Zn, примерно от 1,4 до 1,95% Mg, примерно от 1,2 до 1,75% Cu и при этом предпочтительно (0,9Mg-0,5)≤Cu≤(0,9Mg-0,1), примерно от 0 до 0,5% Zr, примерно от 0 до 0,7% Sc, примерно от 0 до 0,4% Cr, примерно от 0 до 0,3% Hf, примерно от 0 до 0,4% Ti, примерно от 0 до 0,8% Mn, причем остальное приходится на долю алюминия (Al) и других случайных элементов.

В более предпочтительном варианте реализации нижний предел содержания Zn составляет 6,7%, а более предпочтительно - 6,9%.

В более предпочтительном варианте реализации нижний предел содержания Mg составляет 1,90%, а более предпочтительно - 1,92%. Этот нижний предел содержания Mg особенно предпочтителен, когда полученный сплав используется для изготовления листового изделия, например листа фюзеляжа, и когда он используется для профилей, изготовленных из толстой плиты.

Упомянутые выше алюминиевые сплавы могут содержать примеси или случайные или преднамеренно внесенные добавки, такие как, например, вплоть до 0,3% Fe, предпочтительно - вплоть до 0,14% Fe, вплоть до 0,2% кремния (Si), а предпочтительно - вплоть до 0,12% Si, вплоть до 1% серебра (Ag), вплоть до 1% германия (Ge), вплоть до 0,4% ванадия (V). Другие добавки обычно ограничены диапазонами 0,05-0,15 мас.%, как установлено Алюминиевой Ассоциацией, так что любая неизбежная примесь имеет содержание в диапазоне <0,05%, а общее количество примесей составляет <0,15%.

Содержания железа и кремния должны поддерживаться на низком уровне, например, не превышающем примерно 0,08% Fe и примерно 0,07% Si или менее. В любом случае, можно допустить несколько более высокие уровни содержания обеих примесей, вплоть до примерно 0,14% Fe и вплоть до примерно 0,12% Si, хотя это и является в настоящем изобретении менее предпочтительным. В частности, для вариантов реализации в виде плит пресс-форм или инструментальных плит допустимыми являются даже еще более высокие уровни содержания вплоть до 0,3% Fe и вплоть до 0,2% Si или менее.

Для регулирования зернистой структуры и чувствительности к закалке добавляют элементы, образующие дисперсоиды, такие как Zr, Sc, Hf, Cr и Mn. Оптимальные уровни содержания дисперсоидообразователей зависят от технологической обработки, но при выборе одного единственного состава по основным элементам (Zn, Cu и Mg) в пределах предпочтительного интервала («окна») и при использовании такого химического состава для всех подходящих видов продукции уровни содержания Zr предпочтительно составляют менее 0,11%.

Предпочтительное максимальное содержание Zr не должно превышать 0,15%. Подходящий диапазон содержания Zr находится в пределах от 0,04 до 0,15%. Более предпочтительным верхним предельным уровнем добавления Zr является 0,13%, а даже более предпочтительно - не более 0,11%.

Добавление Sc предпочтительно не превышает 0,3%, а предпочтительно - не более 0,18%. При комбинировании со Sc суммарное содержание Sc+Zr должно составлять менее 0,3%, предпочтительно - менее 0,2%, а более предпочтительно - максимум 0,17%, в частности, когда соотношение Zr и Sc составляет между 0,7 и 1,4.

Другим дисперсоидообразователем, который может быть добавлен в отдельности или вместе с другими дисперсоидообразователями, является Cr. Содержания Cr предпочтительно должны быть ниже 0,3%, а более предпочтительно - максимум 0,20% и даже более предпочтительно - 0,15%. При комбинировании с Zr суммарное содержание Zr+Cr не должно превышать 0,20%, а предпочтительно - не более 0,17%.

Предпочтительное суммарное содержание Sc+Zr+Cr не должно превышать 0,4%, а более предпочтительно - не более 0,27%.

Возможно также добавление Mn в отдельности или вместе с другими дисперсоидообразователями. Предпочтительный максимум добавления Mn составляет 0,4%. Подходящим диапазоном добавления Mn является диапазон от 0,05 до 0,40%, предпочтительно - диапазон от 0,05 до 0,30% и даже более предпочтительно - от 0,12 до 0,30%. Предпочтительным нижним пределом добавления Mn является 0,12%, а более предпочтительно - 0,15%. При комбинировании с Zr суммарное содержание Mn+Zr должно быть менее 0,4%, предпочтительно - менее 0,32%, а подходящий минимум составляет 0,14%.

В другом варианте реализации изделия из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению сплав не содержит Mn, и на практике это будет означать, что содержание Mn составляет <0,02%, а предпочтительно - <0,01%, а более предпочтительно - сплав практически свободен или по существу свободен от Mn. Под выражениями «практически свободен» и «по существу свободен» мы подразумеваем, что целенаправленного добавления этого легирующего элемента в состав не было, однако из-за примесей и/или «выщелачивания» при контакте с производственным оборудованием следовые количества этого элемента могут, тем не менее, попасть в конечное изделие из такого сплава.

В конкретном варианте реализации изделия из деформируемого сплава согласно настоящему изобретению сплав состоит по существу из, в массовых процентах:

Zn от 7,2 до 7,7, а обычно примерно 7,43

Mg от 1,79 до 1,92, а обычно примерно 1,83

Cu от 1,43 до 1,52, а обычно примерно 1,48

Zr или Cr от 0,04 до 0,15, предпочтительно от 0,06 до 0,10, а обычно 0,08

Mn необязательно в диапазоне от 0,05 до 0,19, а предпочтительно от 0,09 до 0,19, или в альтернативном варианте реализации <0,02, предпочтительно <0,01

Si <0,07, а обычно примерно 0,04

Fe <0,08, а обычно примерно 0,05

Ti <0,05, а обычно примерно 0,01

остальное приходится на алюминий и неизбежные примеси, каждая <0,05, а все вместе <0,15.

В другом варианте реализации изделия из деформируемого сплава согласно настоящему изобретению сплав состоит по существу из, в массовых процентах:

Zn от 7,2 до 7,7, а обычно примерно 7,43

Mg от 1,90 до 1,97, предпочтительно от 1,92 до 1,97, а обычно примерно 1,94

Cu от 1,43 до 1,52, а обычно примерно 1,48

Zr или Cr от 0,04 до 0,15, предпочтительно 0,06 до 0,10, а обычно 0,08

Mn необязательно в диапазоне от 0,05 до 0,19, а предпочтительно от 0,09 до 0,19, или в альтернативном варианте реализации <0,02, предпочтительно <0,01

Si <0,07, а обычно примерно 0,05

Fe <0,08, а обычно примерно 0,06

Ti <0,05, а обычно примерно 0,01

остальное приходится на алюминий и неизбежные примеси, каждая <0,05, а все вместе <0,15.

Готовый сплав согласно настоящему изобретению может быть получен путем обычно плавления и может быть разлит (бесслитковое литье, DC) в виде слитков. Возможно также использование добавок, измельчающих зерно, таких как борид титана или карбид титана. После удаления поверхностного слоя и возможной гомогенизации слитки подвергают дальнейшей обработке, например, путем прессования (штамповки) или ковки или горячей прокатки, в одну или более стадий. Эта обработка может прерываться промежуточным отжигом. Дальнейшая обработка может представлять собой холодную обработку, которой может быть холодная прокатка или растяжение. Изделие подвергают термообработке на твердый раствор и закалке путем погружения или орошения холодной водой или быстрого охлаждения до температуры менее 95°С. Изделие может быть далее обработано, например, путем прокатки или растяжения, например, вплоть до 8%, или же может быть подвергнуто снятию напряжений путем растяжения или сжатия вплоть до примерно 8%, например, от примерно 1 до 3%, и/или подвергнуто старению до конечного или промежуточного состояния. Изделие может быть подвергнуто формовке или механической обработке до конечной или промежуточной конструкции перед окончательным старением или после него или даже перед термообработкой на твердый раствор.

Подробное описание изобретения

Конструкция коммерческого (гражданского) воздушного летательного аппарата (самолета) требует различных наборов свойств для различных конструктивных деталей. Сплав, будучи переработанным в изделия различных видов (т.е. лист, плиту, толстую плиту, поковку или штампованный профиль и т.д.) и предназначенный для использования в самых разных конструктивных деталях с различными последовательностями нагрузок в течение срока службы и, следовательно, сталкивающийся с различными требованиями к материалу в изделиях всех этих видов, должен быть беспрецедентно универсальным.

Важными свойствами материала для изделия в виде листа фюзеляжа являются свойства стойкости к повреждениям при растягивающих нагрузках (т.е. FCGR, вязкость разрушения и коррозионная стойкость).

Важные свойства материала для обшивки нижней поверхности крыла коммерческого реактивного самолета большой вместимости подобны тем, которые требуются для листа фюзеляжа, но обычно производителям самолетов требуется более высокая прочность на разрыв. Кроме того, главным свойством материала становится усталостная долговечность.

Поскольку самолет летает на большой высоте в условиях холода, предметом озабоченности в новых конструкциях коммерческих самолетов является вязкость разрушения при температуре минус 65°F. Дополнительными желательными признаками являются формуемость при старении, при которой материал может быть подвергнут формовке во время искусственного старения, наряду с хорошими коррозионными характеристиками в отношении сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением и сопротивления коррозионному расслаиванию.

Важными свойствами материала для изделия в виде обшивки верхней поверхности крыла являются свойства под сжимающими нагрузками, т.е. предел текучести при сжатии, усталостная долговечность и коррозионная стойкость.

Важные свойства материала для деталей, полученных механической обработкой из толстой плиты, зависят от самой полученной механической обработкой детали. Однако в общем случае градиент свойств материала по толщине должен быть очень небольшим, а такие свойства материала, как прочность, вязкость разрушения, усталостная прочность и коррозионная стойкость, должны быть на высоком уровне.

Настоящее изобретение направлено на создание такого сплава, который, будучи переработанным в изделия разнообразных видов, такие как, но не ограничиваясь ими, лист, плита, толстая плита и т.д., по своим свойствам будет соответствовать упомянутым выше желательным свойствам материалов или превосходить их. Баланс свойств изделия будет превосходить баланс свойств изделия, изготовленного из применяемых в настоящее время в промышленности сплавов.

Совершенно неожиданно в не исследовавшемся ранее интервале химических составов сплавов серии АА7000 было обнаружено «окно» по химическому составу, которое обеспечивает достижение этой уникальной способности.

Настоящее изобретение получено в результате изучения влияния уровней содержания Cu, Mg и Zn в сочетании с различными уровнями содержания и видами дисперсоидообразователей (например, Zr, Cr, Sc, Mn) на те фазы, которые образуются в процессе обработки. Некоторые из этих сплавов перерабатывали до листа и плиты и испытывали на растяжение, вязкость на надрыв по Кану (от английского «Kahn-tear toughness») и коррозионную стойкость. Интерпретация этих результатов привела к поразительному пониманию того, что алюминиевый сплав с химическим составом в пределах конкретного окна будет демонстрировать превосходные свойства как в виде листа, так и в виде плиты, и в виде толстой плиты, и в виде штамповок, и в виде поковок.

В другом аспекте изобретения предлагается способ производства изделия из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению. Способ производства высокопрочного, обладающего высокой вязкостью изделия из алюминиевого сплава серии АА7000, имеющего хорошую коррозионную стойкость, включает в себя производственные стадии:

а) литья слитка, имеющего химический состав согласно настоящему изобретению;

b) гомогенизации и/или предварительного нагрева слитка после литья;

с) горячей обработки слитка давлением с получением предварительно деформированной заготовки одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, штамповки и ковки;

d) необязательного повторного нагрева предварительно деформированной заготовки и тому подобного;

е) горячей и/или холодной обработки давлением до получения формованной заготовки желательной формы;

f) термообработки на твердый раствор (SHT, от английского «solution heat treating») упомянутой формованной заготовки при температуре и в течение времени, достаточных для перевода в твердый раствор по существу всех растворимых компонентов в сплаве;

g) закалки подвергнутой термообработке на твердый раствор заготовки путем закалки оросительным охлаждением или закалки погружением в воду или другую закалочную среду;

h) необязательного растяжения или сжатия закаленной заготовки или холодной обработки иным образом для снятия напряжений, например, правка листовых изделий;

i) искусственное старение закаленной и необязательно растянутой или сжатой заготовки для достижения желательного состояния, например, состояний, выбранных из группы, состоящей из: Т6, T74, T76, T751, T7451, T7651, T77 и Т79.

Изделия из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению обычно получают плавлением, и они могут быть подвергнуты бесслитковому литью (D.C.), литью в слитки или другим подходящим приемам разливки. Гомогенизирующую обработку обычно осуществляют в одну или более стадий, причем каждая стадия имеет температуру предпочтительно в диапазоне от 460 до 490°С. Обработка предварительным нагревом предполагает нагрев прокатываемого слитка до температуры входа в стан горячей прокатки, которая обычно находится в диапазоне температур от 400 до 460°С. Горячая обработка давлением изделия из сплава может быть выполнена одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, прессования (штамповки) и ковки. Для предложенного в настоящем изобретении сплава предпочтительной является горячая прокатка. Термообработку на твердый раствор обычно осуществляют в том же температурном диапазоне, который используется для гомогенизации, хотя времена выдержки могут быть выбраны несколько более короткими.

В одном из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению стадия i) искусственного старения включает в себя первый этап старения при температуре в диапазоне от 105°С до 135°С, предпочтительно - в течение 2 до 20 часов, и второй этап старения при температуре в диапазоне от 135°С до 210°С, предпочтительно - в течение 4 до 20 часов. В еще одном варианте реализации может быть использован третий этап старения при температуре в диапазоне от 105°С до 135°С и предпочтительно в течение 20 до 30 часов.

Поразительно превосходный баланс свойств получается при производстве изделия любой толщины. В диапазоне толщин листовых изделий, составляющем вплоть до 1,5 дюйма, свойства будут превосходными для листа фюзеляжа, и предпочтительно толщина составляет вплоть до 1 дюйма. В диапазоне толщин тонких плит, составляющем от 0,7 до 3 дюймов, свойства будут превосходными для обшивки крыла, например обшивки нижней поверхности крыла. Диапазон толщин тонких плит может также быть использован для изготовления стрингеров или для формирования цельной консоли крыла и стрингера для использования в конструкции крыла самолета. Более состаренный до максимальной твердости материал позволит получить превосходную плиту для обшивки верхней поверхности крыла, в то время как несколько большее перестаривание даст превосходные свойства для обшивки нижней поверхности крыла. При производстве более толстых изделий с толщиной более 2,5 дюйма и вплоть до примерно 11 дюймов или более превосходные свойства будут получены для цельных деталей, полученных путем механической обработки из плит, или при формировании цельного лонжерона, предназначенного для использования в конструкции крыла самолета, или в виде нервюры, предназначенной для использования в конструкции крыла самолета. Изделия большей толщины могут также использоваться в качестве инструментальной плиты или плиты пресс-формы, например пресс-форм для изготовления формованных изделий из пластмассы, например, путем литья под давлением или инжекционного формования. При указании вышеупомянутых диапазонов толщин специалисту в данной области техники сразу же станет очевидно, что указанная толщина относится к обладающей наибольшей толщиной точке поперечного сечения изделия из сплава, изготовленного из такого(ой) листа, тонкой плиты или толстой плиты. Изделия из сплава согласно изобретению могут также быть представлены в виде ступенчатого прессованного профиля или в виде прессованного лонжерона, предназначенного для использования в конструкции самолета, или в виде кованого лонжерона, предназначенного для использования в конструкции самолета. Как ни поразительно, но все эти изделия с превосходными свойствами могут быть получены из одного сплава с одним химическим составом.

В том варианте реализации изобретения, в котором конструктивные элементы, например нервюры, изготовлены из изделия из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению, имеющего толщину в 2,5 дюйма или более, такой элемент обладает повышенным относительным удлинением по сравнению с аналогичным элементом из алюминиевого сплава АА7050. В частности, относительное удлинение (или А50) при испытании в направлении ST составляет 5% или более, а при лучших результатах - 5,5% или более.

Кроме того, в том варианте реализации, в котором конструктивные элементы изготовлены из изделия из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению, имеющего толщину в 2,5 дюйма или более, такой элемент имеет вязкость разрушения

K_app при испытании в направлении L-T при комнатной температуре окружающей среды, измеренную при S/4 согласно ASTM E561 с использованием 16-дюймовой панели с трещиной по центру (М(Т) или СС(Т)), демонстрирующую улучшение на по меньшей мере 20% по сравнению с аналогичным элементов из алюминиевого сплава АА7050, а в наилучших примерах обнаруживается улучшение на 25% или более.

В том варианте реализации, в котором изделие из алюминиевого сплава было получено прессованием, предпочтительно такие изделия из алюминиевого сплава были выпрессованы в профили, имеющие в самом толстом месте поперечного сечения толщину в диапазоне вплоть до 10 мм, а предпочтительно - в диапазоне от 1 до 7 мм. Однако прессованное изделие из алюминиевого сплава может также заменить толстолистовой материал, который обычно механически обрабатывают с помощью технологий высокоскоростной механической обработки или фрезерования, получая имеющий заданную форму конструктивный элемент. В этом варианте реализации прессованное изделие из алюминиевого сплава предпочтительно имеет в точке наиболее толстого поперечного сечения толщину в диапазоне 2 до 6 дюймов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана диаграмма Mg-Cu, представляющая диапазоны содержания Cu-Mg в сплаве согласно настоящему изобретению, наряду с более узкими предпочтительными диапазонами;

на фиг.2 показана диаграмма, на которой сравниваются зависимости вязкости разрушения от предела текучести при растяжении для изделия из алюминиевого сплава согласно изобретению по сравнению с несколькими контрольными образцами;

на фиг.3 показана диаграмма, на которой сравниваются зависимости вязкости разрушения от предела текучести при растяжении для изделия из алюминиевого сплава согласно изобретению при толщине 30 мм по сравнению с двумя контрольными образцами;

на фиг.4 показана диаграмма, на которой сравниваются зависимости вязкости разрушения при плоском напряженном состоянии от предела текучести при растяжении для изделий из алюминиевого сплава согласно изобретению при использовании различных процедур обработки.

На фиг.1 схематически показаны диапазоны содержания Cu и Mg в алюминиевом сплаве согласно настоящему изобретению в их предпочтительных вариантах, изложенных в зависимых пунктах 2-4 формулы. Показаны также два более узких и более предпочтительных диапазона. Эти диапазоны могут быть также идентифицированы с использованием угловых точек А, В, С, D, Е и F шестиугольной рамки. Предпочтительные диапазоны обозначены точками А'-F', а более предпочтительные диапазоны - точками А”-F”. Координаты этих точек перечислены в Таблице 1. На фиг.1 в виде отдельных точек также проиллюстрированы составы сплава согласно настоящему изобретению, упомянутые в приведенных далее примерах.

Таблица 1 Координаты (в мас.%) угловых точек предпочтительных диапазонов содержания Cu-Mg в изделии из алюминиевого сплава согласно изобретению
Угловая точка	Широкий диапазон содержания Cu, Mg	Угловая точка	Предпочтительный диапазон содержания Cu, Mg	Угловая точка	Более предпочтительный диапазон содержания Cu, Mg
А	1,20; 1,00	А'	1,40; 1,10	А”	1,40; 1,10
В	1,20; 1,13	В'	1,40; 1,26	В”	1,40; 1,16
С	2,05; 1,90	С'	2,05; 1,80	С”	2,05; 1,75
D	2,20; 1,90	D'	2,10; 1,80	D”	2,10; 1,75
E	2,20; 1,40	E'	2,10; 1,40	E”	2,10; 1,40
F	1,77; 1,00	F'	1,78; 1,10	F”	1,87; 1,10

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Выполняли литье сплавов в лабораторном масштабе с целью проверки принципов настоящего изобретения и обрабатывали их до листа толщиной 4,0 мм и плиты толщиной 30 мм. Химические составы сплавов перечислены в Таблице 2, причем для всех слитков Fe<0,06, Si<0,04, Ti 0,01, остальное - алюминий. Блоки для прокатки размерами приблизительно 80 на 80 на 100 мм (высота × ширина × длина) выпиливали из круглых лабораторных литых слитков массой примерно 12 кг. Слитки подвергали гомогенизации при температуре 460±5°С в течение примерно 12 часов, а затем при температуре 475±5°С в течение примерно 24 часов, с последующим медленным охлаждением на воздухе, чтобы имитировать промышленный процесс гомогенизации. Слитки для прокатки подвергали предварительному нагреву в течение примерно 6 часов при температуре 410±5°С. При промежуточной толщине в диапазоне примерно от 40 до 50 мм блоки повторно нагревали при температуре 410±5°С. Некоторые блоки подвергали горячей прокатке до конечной толщины 30 мм, а другие подвергали горячей прокатке до конечной толщины 4,0 мм. Во время всего процесса горячей прокатки старались имитировать горячую прокатку в промышленных масштабах. Горячекатаные изделия подвергли термообработке на твердый раствор и закалке. Большинство из них закаливали в воде, но некоторые закаливали в масле для того, чтобы имитировать скорость охлаждения при закалке на половине и четверти толщины 6-дюймовой толстой плиты. Изделия подвергли холодному растяжению на примерно 1,5% для снятия остаточных механических напряжений. Исследовали поведение сплавов при старении. Конечные изделия были перестарены почти до максимальной прочности (например, состояния Т76 или Т77).

Свойства на растяжение испытывали согласно EN10.002. Образцами для испытаний на растяжение из толстого листа толщиной 4 мм были плоские образцы EURO-NORM толщиной 4 мм. Образцами для испытаний на растяжение из плиты толщиной 30 мм были образцы круглого сечения для испытаний на растяжение, взятые на середине толщины. Результаты испытаний на растяжение, приведенные в таблице 1, получены для направления L. Вязкость при испытании на надрыв по Кану определяли согласно ASTM B871-96. Направлением испытаний в случае результатов, приведенных в таблице 2, является направление T-L. Так называемая ударная вязкость (в образце с надрезом) может быть получена путем деления прочности на разрыв, полученной при испытании на надрыв по Кану, на предел текучести при растяжении (TS/R_p). В технике известно, что этот типичный результат испытания на надрыв по Кану является хорошим показателем действительной вязкости разрушения. Удельная энергия распространения трещины (UPE, от английского «unit propagation energy»), также полученная в ходе испытания на надрыв по Кану, является энергией, требующейся для развития трещины. Полагают, что чем выше UPE, тем более затруднен рост трещины, что является желательным признаком материала.

Для признания хорошими коррозионных характеристик необходимо, чтобы сопротивление коррозионному расслаиванию (EXCO), измеренное согласно ASTM G34-97, было на уровне по меньшей мере «ЕА» или лучше. Межкристаллитная коррозия (IGC), измеренная согласно MIL-H-6088, предпочтительно отсутствует. Приемлема некоторая питтинговая (точечная) коррозия, но предпочтительно она также должна отсутствовать.

Для того чтобы иметь многообещающий сплав-кандидат, пригодный для получения разнообразных изделий, он должен удовлетворять в лабораторном масштабе следующим требованиям: предел текучести при растяжении (R_p или TYS, от английского «tensile yield strength») - по меньшей мере 510 МПа, предел прочности при растяжении (R_m или UTS, от английского «ultimate tensile strength») - по меньшей мере 560 МПа, ударная вязкость - по меньшей мере 1,5, а UPE - по меньшей мере 200 кДж/м². Результаты для различных сплавов в зависимости от обработки также приведены в таблице 2.

Для получения всех этих желательных свойств материала требуется тщательно сбалансировать химический состав сплава. Согласно полученным в настоящем изобретении результатам было обнаружено, что слишком высокие уровни содержания Cu, Mg и Zn отрицательно влияют на вязкость и коррозионную стойкость. В то же время обнаружено, что слишком низкие уровни их содержания отрицательно влияют на уровни высокой прочности.

Таблица 2
Номер образца	Сплав по изобретению (да/нет)	Толщина (мм)	Состояние	Mg, мас.%	Cu, мас.%	Zn, мас.%	Zr, мас.%	Прочие, мас.%
1	да	30	Т77	1,84	1,47	7,4	0,10	-
2	да	30	Т76	1,66	1,27	8,1	0,09	-
3	да	4	Т76	2,00	1,54	6,8	0,11	-
4	нет	4	Т76	2,00	1,52	5,6	0,01	0,16 Cr
5	нет	4	Т76	2,00	1,53	5,6	0,06	0,08 Cr
6	да	4	Т76	1,82	1,68	7,4	0,10	-
7	да	30	Т76	2,09	1,30	8,2	0,09	-
8	да	4	Т77	2,20	1,70	8,7	0,11	-
9	да	4	Т77	1,81	1,69	8,7	0,10	-
10	нет	4	Т76	2,10	1,54	5,6	0,07	-
11	нет	4	Т76	2,20	1,90	6,7	0,10	-
12	нет	4	Т76	1,98	1,90	6,8	0,09	-
13	нет	4	Т77	2,10	2,10	8,6	0,10	-
14	нет	4	Т77	2,50	1,70	8,7	0,10	-
15	нет	4	Т77	1,70	2,10	8,6	0,12	-
16	нет	4	Т77	1,70	2,40	8,6	0,11	-
17	нет	4	Т76	2,40	1,54	5,6	0,01	-
18	нет	4	Т76	2,30	1,54	5,6	0,07	-
19	нет	4	Т76	2,30	1,52	5,5	0,14	-
20	да	4	Т76	2,19	1,54	6,7	0,11	0,16 Mn
21	нет	4	Т76	2,12	1,51	5,6	0,12	-

Таблица 2 (продолжение)
Номер образца	Сплав по изобретению (да/нет)	Rp (МПа)	Rm (МПа)	UPE (кДж/м2)	Ts/Rp
1	да	587	627	312	1,53
2	да	530	556	259	1,76
3	да	517	563	297	1,62
4	нет	473	528	232	1,45
5	нет	464	529	212	1,59
6	да	594	617	224	1,44
7	да	562	590	304	1,64
8	да	614	626	115	1,38
9	да	574	594	200	1,47
10	нет	490	535	245	1,53
11	нет	563	608	-	1,07
12	нет	559	592	-	1,32
13	нет	623	639	159	1,31
14	нет	627	643	117	1,33
15	нет	584	605	139	1,44
16	нет	598	619	151	1,42
17	нет	476	530	64	1,42
18	нет	488	542	52	1,54
19	нет	496	543	155	1,66
20	да	521	571	241	1,65
21	нет	471	516	178	1,42

Однако очень удивительно, что более высокий уровень содержания Zn способствует повышению вязкости и сопротивления росту трещин. Поэтому желательно использовать более высокий уровень содержания Zn в сочетании с более низкими уровнями содержания Mg и Cu. Обнаружено, что содержание Zn не должно быть ниже 6,5%, а предпочтительно - не ниже 6,7%, а еще более предпочтительно - не ниже 6,9%.

Mg требуется для достижения приемлемых уровней прочности. Было обнаружено, что отношение Mg/Zn в примерно 0,27 или ниже обеспечивает, похоже, наилучшее сочетание прочности и вязкости. Однако уровни содержания Mg не должны превышать 2,2%, а предпочтительно - не превышают 2,1%, и даже более предпочтительно - не превышают 1,97%, при еще более предпочтительном верхнем пределе в 1,95%. Этот верхний предел является более низким, чем в обычных АА-окнах или диапазонах составов, применяемых в настоящее время в аэрокосмической промышленности сплавов, таких как АА7050, АА7010 и АА7075.

Для достижения нужного очень высокого сопротивления росту трещин (или UPE) нужно очень тщательно сбалансировать уровни содержания Mg,