УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ АЛЮМИНИЕВО-МЕДНЫЕ СПЛАВЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ВАНАДИЙ
PERFECTED ALUMINIUM-COPPER ALLOYS CONTAINING VANADIUM

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/146,585, озаглавленной «Усовершенствованные алюминиево-медные сплавы, содержащие ванадий», поданной 22 января 2009 г. и связанной с заявкой на патент США № _________, озаглавленной «Усовершенствованные алюминиево-медные сплавы, содержащие ванадий», поданной 22 января 2010 г., которые обе включены сюда по ссылке во всей своей полноте.
Уровень техники
[0002] Алюминиевые сплавы могут быть использованы по различным назначениям. Однако улучшение одного свойства алюминиевого сплава без ухудшения другого свойства часто оказывается труднодостижимым. Например, трудно повысить прочность сплава без ухудшения его вязкости. Другие два представляющие интерес свойства алюминиевых сплавов включают сопротивление коррозии и сопротивление росту усталостных трещин.
Сущность
[0003] В широком смысле настоящее изобретение относится к новым и усовершенствованным алюминиевым сплавам 2ххх, содержащим ванадий и имеющим улучшенное сочетание свойств. В одном варианте воплощения новый сплав 2ххх состоит по существу из от примерно 3,3 вес.% до примерно 4,1 вес.% Cu, от примерно 0,7 вес.% до примерно 1,3 вес.% Mg, от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,16 вес.% V, от примерно 0,05 вес.% до примерно 0,6 вес.% Mn, от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,4 вес.% по меньшей мере одного регулирующего зеренную структуру элемента, а остальное составляют алюминий, второстепенные элементы и примеси. В одном варианте воплощения суммарное количество меди и магния не превышает 5,1 вес.%. В одном варианте воплощения суммарное количество меди и магния составляет по меньшей мере 4,0 вес.%. В одном варианте воплощения отношение меди к магнию составляет не более 5,0. В одном варианте воплощения отношение меди к магнию составляет по меньшей мере 2,75.
[0004] Из таких новых сплавов могут быть получены различные деформированные изделия, такие как прокатанные изделия (прокат), кованые изделия (поковки) и экструдированные (выдавленные или прессованные) изделия, имеющие улучшенное сочетание свойств. Как описано ниже более подробно, такие деформированные изделия могут реализовать улучшенную стойкость к повреждениям и/или улучшенное сочетание прочности и вязкости.
[0005] Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки описанных здесь новых сплавов частично изложены в дальнейшем описании и станут очевидными для специалистов в данной области техники после изучения нижеследующего описания и фигур, либо могут быть уяснены при практическом осуществлении изобретения.
Краткое описание чертежей
[0006] ФИГ.1 представляет собой график, иллюстрирующий предел текучести при растяжении и характеристику вязкости различных сплавов.
[0007] ФИГ.2 представляет собой график, иллюстрирующий влияние добавок Cu на различные сплавы.
[0008] ФИГ.3 представляет собой график, иллюстрирующий влияние добавок Mg на различные сплавы.
[0009] ФИГ.4 представляет собой график, иллюстрирующий влияние добавок Mn на различные сплавы.
[0010] ФИГ.5 представляет собой график, иллюстрирующий влияние добавок V на различные сплавы.
Q
[0011] ФИГ.6 представляет собой график, иллюстрирующий предел текучести при растяжении в зависимости вязкости разрушения K для различных сплавов.
арр
[0012] ФИГ.7 представляет собой график, иллюстрирующий предел текучести при растяжении в зависимости вязкости разрушения K для различных сплавов.
[0013] ФИГ.8 представляет собой график, иллюстрирующий сопротивление различных сплавов росту усталостной трещины при переменной нагрузке.
[0014] ФИГ.9 представляет собой график, иллюстрирующий сопротивление различных сплавов росту усталостной трещины при постоянной амплитуде нагрузки.
[0015] ФИГ.10 представляет собой график, иллюстрирующий предел текучести при растяжении и характеристику вязкости разрушения при плоском напряженном состоянии различных сплавов.
[0016] ФИГ.11 представляет собой график, включающий R-кривые в направлении L-T для различных сплавов.
Подробное описание
[0017] В широком смысле настоящее изобретение относится к новым алюминиево-медным сплавам с улучшенным сочетанием свойств. Новые алюминиевые сплавы в общем содержат (а в некоторых случаях состоят по существу из них) медь, магний, марганец и ванадий, а остальное составляют алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси. Эти новые сплавы могут реализовать улучшенное сочетание прочности, вязкости, сопротивления росту усталостной трещины и/или сопротивления коррозии, помимо прочих, как описано более подробно ниже. Пределы составов нескольких сплавов, применимых в соответствии с положениями настоящего изобретения, раскрыты в таблице 1, приведенной ниже. Все значения даны в весовых процентах.
<b>Таблица 1</b><b>Примеры составов новых сплавов</b>
<b>Сплав</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>Mn</b>
<b>V</b>
А
3,1-4,1
0,7-1,3
0,01-0,7
0,01-0,16
В
3,3-3,9
0,8-1,2
0,1-0,5
0,03-0,15
С
3,4-3,7
0,9-1,1
0,2-0,4
0,05-0,14
[0018] Медь (Cu) включают в новый сплав, причем обычно в количестве от примерно 3,1 вес.% до примерно 4,1 вес.% Cu. Как проиллюстрировано в приведенных ниже примерах, при содержании меди, составляющем менее примерно 3,1 вес.% или превышающем примерно 4,1 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если содержание меди превышает примерно 4,1 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. Если содержание меди составляет менее примерно 3,1 вес.%, может снизиться прочность сплава. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере примерно 3,1 вес.% Cu. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере примерно 3,2 вес.% Cu, или по меньшей мере примерно 3,3 вес.% Cu, или по меньшей мере примерно 3,4 вес.% Cu. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более примерно 4,1 вес.% Cu. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более примерно 4,0 вес.% Cu, или не более примерно 3,9 вес.% Cu, или не более примерно 3,8 вес.% Cu, или не более примерно 3,7 вес.% Cu.
[0019] Магний (Mg) включают в новый сплав, причем обычно в количестве от примерно 0,7 вес.% до примерно 1,3 вес.% Mg. Как проиллюстрировано в приведенных ниже примерах, при содержании магния, составляющем менее примерно 0,7 вес.% или превышающем примерно 1,3 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если содержание магния превышает примерно 1,3 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. Если содержание магния составляет менее примерно 0,7 вес.%, может снизиться прочность сплава. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере примерно 0,7 вес.% Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере примерно 0,8 вес.% Mg, или по меньшей мере примерно 0,9 вес.% Mg. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более примерно 1,3 вес.% Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более примерно 1,2 вес.% Mg, или не более примерно 1,1 вес.% Mg.
[0020] Марганец (Mn) включают в новый сплав, причем обычно в количестве от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,7 вес.% Mn. Как проиллюстрировано в приведенных ниже примерах, при содержании марганца, составляющем менее примерно 0,01 вес.% или превышающем примерно 0,7 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если содержание марганца превышает примерно 0,7 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. Если содержание марганца составляет менее примерно 0,01 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере примерно 0,05 вес.% Mn. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере примерно 0,1 вес.% Mn, или по меньшей мере примерно 0,2 вес.% Mn, или по меньшей мере примерно 0,25 вес.% Mn. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более примерно 0,7 вес.% Mn. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более примерно 0,6 вес.% Mn, или не более примерно 0,5 вес.% Mn, или не более примерно 0,4 вес.% Mn.
[0021] Ванадий (V) включают в новый сплав, причем обычно в количестве от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,16 вес.% V. Как проиллюстрировано в приведенных ниже примерах, при содержании ванадия, составляющем менее примерно 0,01 вес.% или превышающем примерно 0,16 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если содержание ванадия превышает примерно 0,16 вес.%, может снизиться прочность и/или вязкость разрушения сплава. Если содержание ванадия составляет менее примерно 0,01 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере примерно 0,01 вес.% V. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере примерно 0,03 вес.% V, или по меньшей мере примерно 0,07 вес.% V, или по меньшей мере примерно 0,09 вес.% V. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более примерно 0,16 вес.% V. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более примерно 0,15 вес.% V, или не более примерно 0,14 вес.% V, или не более примерно 0,13 вес. V, или не более примерно 0,12 вес.% V. В одном варианте воплощения сплав включает V в количестве от примерно 0,05 вес.% до примерно 0,15 вес.%.
[0022] Цинк (Zn) может быть необязательно включен в новый сплав в качестве легирующего компонента, причем обычно в количестве от примерно 0,3 вес.% до примерно 1,0 вес.% Zn. Если Zn не включают в сплав в качестве легирующего компонента, он может присутствовать в новом сплаве в качестве примеси, причем в количестве вплоть до примерно 0,25 вес.%.
[0023] Серебро (Ag) может быть необязательно включено в новый сплав в качестве легирующего компонента, причем обычно в количестве от примерно 0,01 вес.%, или от примерно 0,05 вес.%, или примерно 0,1 вес.%, до примерно 0,4 вес.%, или до примерно 0,5 вес.%, или до примерно 0,6 вес.% Ag. Например, серебро может быть добавлено в сплав для улучшения сопротивления коррозии. В других вариантах воплощения новый сплав по существу свободен от серебра (например, серебро присутствует в сплаве только в качестве примеси (если присутствует вообще), обычно в количестве менее примерно 0,01 вес.% Ag, и практически не влияет на свойства нового сплава).
[0024] Как упомянуто выше, новый сплав включает медь и магний. Общее количество меди и магния (Cu+Mg) может быть связано со свойствами сплава. Например, если сплав содержит менее примерно 4,1 вес.% или же содержит более примерно 5,1 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если содержание Cu+Mg превышает примерно 1,5 вес.%, может снизиться вязкость разрушения сплава. Если содержание Cu+Mg составляет менее примерно 4,1 вес.%, может снизиться прочность сплава. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере примерно 4,1 вес.% Cu+Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере примерно 4,2 вес.% Cu+Mg, или по меньшей мере примерно 4,3 вес.% Cu+Mg, или по меньшей мере примерно 4,4 вес.% Cu+Mg. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более примерно 5,1 вес.% Cu+Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более примерно 5,0 вес.% Cu+Mg, или не более примерно 4,9 вес.% Cu+Mg, или не более примерно 4,8 вес.% Cu+Mg.
[0025] Подобным же образом, отношение меди к магнию (отношение Cu/Mg) может быть связано со свойствами сплава. Например, если отношение Cu/Mg составляет менее примерно 2,6 или составляет более примерно 5,5, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Например, если отношение Cu/Mg превышает примерно 5,5 или составляет менее примерно 2,6, соотношение прочности к вязкости сплава может оказаться низким. В одном варианте воплощения отношение Cu/Mg у нового сплава составляет по меньшей мере примерно 2,6. В других вариантах воплощения отношение Cu/Mg у нового сплава составляет по меньшей мере примерно 2,75, или по меньшей мере примерно 3,0, или по меньшей мере примерно 3,25, или по меньшей мере примерно 3,5. В одном варианте воплощения отношение Cu/Mg у нового сплава составляет не более примерно 5,5. В других вариантах воплощения отношение Cu/Mg у нового сплава составляет не более примерно 5,0, или не более примерно 4,75, или не более примерно 4,5, или не более примерно 4,25, или не более примерно 4,0.
[0026] Как упомянуто выше, новые сплавы обычно включают указанные легирующие компоненты, а остальное составляют алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси. Используемый здесь термин «регулирующий зеренную структуру элемент» означает элементы или соединения, представляющие собой намеренные легирующие добавки с целью формирования частиц вторичных фаз, обычно в твердом состоянии, для регулирования изменений зеренной структуры в твердом состоянии во время термических процессов, таких как усвоение и перекристаллизация. Для целей данной заявки на патент регулирующие зеренную структуру элементы включают Zr, Sc, Cr и Hf, помимо прочих, но исключают Mn и V.
6
12
3
2
[0027] В области легирования марганец может считаться как легирующим компонентом, так и регулирующим зеренную структуру элементом - марганец, оставшийся в твердом растворе, может повысить механическое свойство сплава (например, прочность), в то время как марганец в дисперсном виде (например, в виде AlMn, AlMnSi, иногда называемых дисперсоидами) может способствовать регулированию зеренной структуры. Подобные результаты могут быть получены с ванадием. Однако поскольку в данной заявке на патент и Mn, и V отдельно ограничены своими собственными пределами содержания в составе, они не подпадают под определение «регулирующие зеренную структуру элементы» для целей данной заявки на патент.
[0028] Количество регулирующего зеренную структуру материала, используемого в сплаве, обычно зависит от типа материала, используемого для регулирования зеренной структуры, и/или процесса получения сплава. В одном варианте воплощения регулирующий зеренную структуру элемент представляет собой Zr, и при этом сплав включает от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,25 вес.% Zr. В других вариантах воплощения Zr включают в сплав в количестве от примерно 0,05 вес.%, или от примерно 0,08 вес.%, до примерно 0,12 вес.%, или до примерно 0,15 вес.%, или до примерно 0,18 вес.%, или до примерно 0,20 вес.% Zr. В одном варианте воплощения Zr включают в сплав в количестве от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,20 вес.% Zr.
[0029] Скандий (Sc), хром (Cr) и/или гафний (Hf) могут быть включены в сплав в качестве заменителя (полного или частичного) Zr, и поэтому они могут быть включены в сплав в таких же или подобных количествах, как и Zr. В одном варианте воплощения регулирующий зеренную структуру элемент представляет собой по меньшей мере один из Sc и Hf.
[0030] Используемый здесь термин «второстепенные элементы» означает те элементы или материалы, отличные от вышеуказанных легирующих элементов и регулирующих зеренную структуру элементов, которые могут быть необязательно добавлены в сплав для способствования получению сплава. Примеры второстепенных элементов включают улучшающие литье добавки, такие как измельчающие зерно добавки и раскислители.
2
2
2
[0031] Измельчающие зерно добавки представляют собой затравки или зародыши для зарождения новых зерен во время затвердевания сплава. Примером измельчающей зерно добавки является пруток размером 3/8 дюйма, содержащий 96% алюминия, 3% титана (Ti) и 1% бора (В), в котором практически весь бор присутствует в виде тонкодиспергированных частиц TiB. Во время литья измельчающий зерно пруток поточно подают в стекающий с литейную яму расплавленный сплав с регулируемой скоростью. Количество измельчающей зерно добавки, включаемой в сплав, обычно зависит от типа материала, используемого для измельчения зерна, и процесса получения сплава. Примеры измельчающих зерно добавок включают Ti в сочетании с В (например, TiB) или углеродом (TiC), хотя могут быть использованы и другие измельчающие зерно добавки, такие как лигатуры Al-Ti. Обычно измельчающие зерно добавки добавляют к сплаву в количестве от примерно 0,0003 вес.% до примерно 0,005 вес.%, в зависимости от желаемого размера зерен в состоянии после литья. Кроме того, Ti может быть отдельно добавлен к сплаву в количестве вплоть до 0,03 вес.% для повышения эффективности измельчающей зерно добавки. При включении Ti в сплав он обычно присутствует в количестве от примерно 0,01 вес.%, или от примерно 0,03 вес.%, до примерно 0,10 вес.%, или до примерно 0,15 вес.%. В одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает измельчающую зерно добавку, причем эта измельчающая зерно добавка представляет собой по меньшей мере одно из TiB и TiC, а весовой процент Ti в сплаве составляет от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,1 вес.%.
[0032] Некоторые второстепенные элементы могут быть добавлены к сплаву во время литья для уменьшения или ограничения (а в некоторых случаях и устранения) растрескивания слитка, например, из-за оксидных складок, раковин и окисных плен. Такие типы второстепенных элементов обычно называются здесь «раскислителями». Примеры некоторых раскислителей включают Ca, Sr и Be. При включении в сплав кальция (Ca) он обычно присутствует в количестве вплоть до примерно 0,05 вес.%, или вплоть до примерно 0,03 вес.%. В некоторых вариантах воплощения Ca включают в сплав в количестве примерно 0,001-0,03 вес.% или примерно 0,05 вес.%, таком как 0,001-0,008 вес.% (или от 10 до 80 м.д. (миллионных долей)). Стронций (Sr) может быть включен в сплав в качестве заменителя Ca (полного или частичного), и поэтому он может быть включен в сплав в таких же или подобных количествах, как и Ca. Традиционно добавки бериллия (Be) помогали снижению склонности к растрескиванию слитка, хотя по соображениям охраны окружающей среды, здоровья и безопасности некоторые варианты сплава являются по существу свободными от Be. При включении Be в сплав он обычно присутствует в количестве вплоть до примерно 20 м.д.
[0033] Второстепенные элементы могут присутствовать в небольших количествах, или же могут присутствовать в значительных количествах, и могут придавать желательные или прочие характеристики сами по себе, без отклонения от описываемого здесь сплава, при условии, что сплав сохраняет описываемые здесь желательные характеристики. Однако следует отметить, что объем настоящего изобретения не должен/не может нарушаться в результате простого введения элемента или элементов в количествах, которые в противном случае не повлияли бы на сочетание желательных и достигаемых здесь свойств.
[0034] Используемый здесь термин «примеси» означает те материалы, которые могут присутствовать в новом сплаве в небольших количествах из-за, например, присущих алюминию свойств и/или выщелачивания в результате контакта с технологическим оборудованием. Примерами примесей, обычно присутствующих в алюминиевых сплавах, являются железо (Fe) и кремний (Si). Содержание Fe в новом сплаве обычно не должно превышать примерно 0,25 вес.%. В некоторых вариантах воплощения содержание Fe в сплаве составляет не более примерно 0,15 вес.%, или не более примерно 0,10 вес.%, или не более примерно 0,08 вес.%, или не более примерно 0,05 или 0,04 вес.%. Подобным же образом, содержание Si в новом сплаве обычно не должно превышать примерно 0,25 вес.%, и обычно меньше содержания Fe. В некоторых вариантах воплощения содержание Si в сплаве составляет не более примерно 0,12 вес.%, или не более примерно 0,10 вес.%, или не более примерно 0,06 вес.%, или не более примерно 0,03 или 0,02 вес.%. Если Zn не включен в состав нового сплава в качестве легирующего компонента, он может присутствовать в новом сплаве в качестве примеси, причем в количестве вплоть до примерно 0,25 вес.%. Если Ag не включено в состав нового сплава в качестве легирующего компонента, оно может присутствовать в новом сплаве в качестве примеси, причем в количестве вплоть до примерно 0,01 вес.%.
[0035] В некоторых вариантах воплощения сплав по существу свободен от других элементов, и это означает, что сплав содержит не более чем примерно 0,25 вес.% любых других элементов, за исключением описанных выше легирующих элементов, регулирующих зеренную структуру элементов, необязательных второстепенных элементов и примесей. Кроме того, общее суммарное количество таких других элементов в сплаве не должно превышать примерно 0,5 вес.%. Присутствие других элементов за пределами указанных количеств может повлиять на основные и новые свойства сплава, такие как его прочность, вязкость и/или сопротивление усталости, помимо прочих. В одном варианте воплощения содержание каждого из таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,10 вес.%, а сумма таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,35 вес.% или примерно 0,25 вес.%. В другом варианте воплощения содержание каждого из таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,05 вес.%, а сумма таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,15 вес.%. В еще одном варианте воплощения содержание каждого из таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,03 вес.%, а сумма таких других элементов в сплаве не превышает примерно 0,1 вес.%.
[0036] При отсутствии иных указаний выражение «вплоть до», относящееся к количеству какого-либо элемента, означает, что содержание элемента является необязательным и включает нулевое количество этого конкретного входящего в состав компонента. Если не указано иное, все процентные содержания в составах приведены в весовых процентах (вес.%).
[0037] Новый сплав может быть использован в деформированных изделиях. Деформированное изделие представляет собой такое изделие, которое было обработано давлением с образованием одного из проката (например, листа, плиты), экструдированного изделия или поковки. Новый сплав может быть получен в деформируемом виде и в соответствующем состоянии более или менее традиционными методами, включая плавление и литье с прямым охлаждением (DC от англ. direct chill) в виде слитка. После традиционного удаления поверхностного слоя, обработки на токарном станке или обдирки (при необходимости) и гомогенизации такие слитки могут быть подвергнуты дальнейшей обработке в деформированные изделия, например, прокаткой до листа или плиты, или экструдированию (прессованию) или ковке до специальных фасонных профилей. После термообработки на твердый раствор (ТТР) и закалки с изделия могут быть необязательно сняты механические напряжения, например, растягиванием и/или сжатием. В некоторых вариантах воплощения сплав может быть подвергнут искусственному старению, например, при получении деформированных изделий в состоянии Т8.
[0038] Новый сплав обычно подвергают холодной обработке давлением и естественному старению (состояние Т3) или холодной обработке давлением и искусственному старению (состояние Т8). В одном варианте воплощения новый сплав подвергают холодной обработке давлением и естественному старению до состояния Т39. В другом варианте воплощения новый сплав подвергают холодной обработке давлением и искусственному старению до пиковой прочности в состоянии Т89 (например, старением при примерно 310°F в течение примерно 48 часов). В других вариантах воплощения новый сплав обрабатывают до состояния Т851, Т86, Т351 или Т36. Могут быть полезны и другие состояния.
[0039] Используемый здесь термин «лист» означает прокатанное изделие, причем (i) лист имеет конечную толщину не более 0,249 дюйма (примерно 6,325 мм), или (ii) прокатанную заготовку с толщинами, меньшими или равными 0,512 дюйма (примерно 13 мм), при холодной прокатке после конечной горячей обработки давлением и до термообработки на твердый раствор. В одном варианте воплощения новый сплав внедрен в листовом продукте, имеющем минимальную конечную толщину по меньшей мере примерно 0,05 дюйма (примерно 1,27 мм). Максимальная толщина этих листовых продуктов может быть такой, как указано выше в (i) или (ii).
[0040] Используемый здесь термин «плита» означает горячекатаное изделие или горячекатаное изделие, которое подвергнуто холодной прокатке после термообработки на твердый раствор и которое имеет конечную толщину по меньшей мере 0,250 дюйма. В одном варианте воплощения новый сплав внедрен в изделии-плите, имеющем конечную толщину по меньшей мере примерно 0,5 дюйма. Предполагается, что реализуемые новым сплавом улучшенные свойства могут быть реализованы в изделиях-плитах, имеющих толщину вплоть до примерно 2 дюймов. В одном варианте воплощения изделия-плиты используют в качестве элементов авиационных конструкций, таких как обшивка или панели фюзеляжей летательных аппаратов, которые могут быть плакированы защищающим от коррозии наружным слоем, обшивка нижней поверхности крыла, горизонтальные стабилизаторы, герметические шпангоуты и элементы жесткости фюзеляжа, помимо прочих. В других вариантах воплощения сплавы используют в нефтегазовой промышленности (например, для бурильных труб и/или буровых стояков или трубопроводов, соединяющих морскую платформу с подводным месторождением).
[0041] Как проиллюстрировано в приведенных ниже примерах, раскрытые здесь новые сплавы обеспечивают улучшенное сочетание свойств относительно других сплавов серии 2ххх. Например, новые сплавы могут обеспечить улучшенное сочетание двух или более из следующих свойств: предел прочности при растяжении (UTS), предел текучести при растяжении (TYS), вязкость разрушения (FT), сопротивление росту усталостной трещины при переменной нагрузке (SFCGR), сопротивление росту усталостной трещины при постоянной амплитуде нагрузки (CAFCGR) и/или сопротивление коррозии, помимо прочих. В одном варианте воплощения новый сплав обеспечивает по меньшей мере примерно 5%-ое улучшение одного или более из этих свойств, измеренных относительно полученного подобным же образом традиционного сплава 2624 в таком же состоянии, и с по меньшей мере эквивалентной характеристикой по меньшей мере одного другого свойства. В других вариантах воплощения новый сплав обеспечивает по меньшей мере примерно 6%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 7%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 8%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 9%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 10%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 11%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 12%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 13%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 14%-ое улучшение, или по меньшей мере примерно 15%-ое улучшение, или более, одного или более из этих свойств, измеренных относительно полученного подобным же образом традиционного сплава 2624 в таком же состоянии, и с по меньшей мере эквивалентной характеристикой по меньшей мере одного другого свойства. Это особенно верно для новых сплавов, получаемых в состоянии Т89.
[0042] Прокатанные изделия, полученные из нового сплава, могут реализовать улучшенную прочность. Прокатанные изделия, полученные из нового сплава, могут реализовать продольный предел текучести при растяжении (TYS-L - сдвиг 0,2%), составляющий по меньшей мере примерно 460 МПа в состоянии Т89 и по меньшей мере примерно 430 МПа в состоянии Т39. В одном варианте воплощения прокатанное изделие реализует TYS-L, на по меньшей мере примерно 5 МПа больший, чем вышеуказанная минимальная величина TYS-L в Т89 или Т39, в зависимости от ситуации (например, по меньшей мере примерно 465 МПа в состоянии Т89 и по меньшей мере примерно 435 МПа в состоянии Т39). В других вариантах воплощения прокатанное изделие реализует TYS-L, на по меньшей мере примерно 15 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 20 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 25 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 30 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 35 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 40 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 45 МПа больший, а возможно и более, чем вышеуказанная минимальная величина TYS-L в Т89 или Т39, в зависимости от ситуации. Подобные продольные прочности могут быть достигнуты у поковок, а более высокие прочности может быть достигнуты в случае экструдированных изделий.
[0043] Прокатанные изделия, полученные из нового сплава, могут реализовать продольный предел прочности при растяжении (UTS-L), составляющий по меньшей мере примерно 480 МПа в состоянии Т89 и по меньшей мере примерно 450 МПа в состоянии Т39. В одном варианте воплощения прокатанное изделие реализует UTS-L, на по меньшей мере примерно 5 МПа больший, чем вышеуказанная минимальная величина UTS-L в Т89 или Т39, в зависимости от ситуации (например, по меньшей мере примерно 485 МПа в состоянии Т89 и по меньшей мере примерно 450 МПа в состоянии Т39). В других вариантах воплощения прокатанное изделие реализует UTS-L, на по меньшей мере примерно 10 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 15 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 20 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 25 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 30 МПа больший, или на по меньшей мере примерно 35 МПа больший, а возможно и более, чем вышеуказанная минимальная величина TYS-L в Т89 или Т39, в зависимости от ситуации.
арр
Ic
[0044] Прокатанные изделия, полученные из нового сплава, могут реализовать улучшенную вязкость. При вышеуказанных значениях продольного предела текучести при растяжении прокатанные изделия могут реализовать сочетание прочность-вязкость, совпадающее с или находящееся над характеристической линией Z-Z на ФИГ.1 относительно вязкости, измеренной с помощью испытания на удельную энергию распространения трещины (UPE). В одном варианте воплощения прокатанные изделия реализуют сочетание прочность-вязкость, совпадающее с или находящееся над характеристической линией Y-Y на ФИГ.1 относительно вязкости, измеренной с помощью UPE. В одном варианте воплощения прокатанные изделия реализуют сочетание прочность-вязкость, совпадающее с или находящееся над характеристической линией А-А на ФИГ.10 относительно вязкости, измеренной с помощью испытания при плоском напряженном состоянии (K). В одном варианте воплощения прокатанные изделия реализуют сочетание прочность-вязкость, совпадающее с или находящееся над характеристической линией В-В на ФИГ.10, измеренной с помощью испытания при плоском напряженном состоянии. В одном варианте воплощения прокатанные изделия реализуют сочетание прочность-вязкость, совпадающее с или находящееся над характеристической линией С-С на ФИГ.10, измеренной с помощью испытания при плоском напряженном состоянии. Что касается вязкости при плоском напряженном состоянии, то прокатанные изделия могут реализовать вязкость L-T (K), составляющую по меньшей мере примерно 53 МПа√м, или по меньшей мере примерно 54 МПа√м, или по меньшей мере примерно 55 МПа√м, или по меньшей мере примерно 56 МПа√м, или по меньшей мере примерно 57 МПа√м, или по меньшей мере примерно 58 МПа√м, или по меньшей мере примерно 59 МПа√м, или по меньшей мере примерно 60 МПа√м, или более, в сочетании с хорошей продольной прочностью (UTS и/или TYS), в зависимости от состояния, как описано выше. Подобная вязкость L-T может быть достигнута у поковок, а более высокая вязкость может быть достигнута в случае экструдированных изделий.
[0045] Что касается коррозионной стойкости, то деформированные изделия, полученные из нового сплава, могут быть коррозионностойкими и при указанных выше состояниях. В одном варианте воплощения изделие из нового сплава достигает уровня ED по EXCO или лучше (например, ЕС, ЕВ, ЕА или Р) в плоскости Т/10 при испытании в соответствии с ASTM G34 и после 96 часов воздействия. В одном варианте воплощения изделие из нового сплава имеет глубину точечной коррозии менее примерно 150 микрон в плоскости Т/10 после 6 часов воздействия при испытании в соответствии с ASTM G110. В одном варианте воплощения изделие из нового сплава проходит испытания на сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в продольно-поперечном (LT) направлении в соответствии с ASTM G44 и G47 с использованием образца для испытаний на растяжение диаметром 1/8 дюйма, длиной 2 дюйма с двойным заплечиком, при уровне напряжения примерно 250 МПа. При проведении таких испытаний на SCC изделия из такого сплава не разрушаются после 30 дней воздействия.
Примеры
Пример 1 - Характеристики нового сплава в состоянии Т89
[0046]
Получение сплава
[0047]
[0048] Отливают прямоугольные слитки размером 2,25 дюйма × 3,75 дюйма с различными составами нового сплава, указанными ниже в таблице 2 (все значения в вес.%).
<b>Таблица 2</b><b>Составы различных новых сплавов</b>
<b>Сплав</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>V</b>
<b>Mn</b>
<b>Остальное</b>
1
3,52
0,98
0,14
0,28
Алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси
2
3,42
0,99
0,11
0,29
3
3,38
1,22
0,11
0,28
4
3,5
0,98
0,11
0,29
5
3,46
0,97
0,068
0,29
6
3,41
0,96
0,03
0,29
7
4,04
0,82
0,11
0,28
8
3,84
0,99
0,11
0,29
9
3,47
0,97
0,11
0,051
10
3,53
0,98
0,11
0,6
11
4,06
0,95
0,11
0,3
[0049] Все сплавы из таблицы 2 содержат цирконий в количестве от примерно 0,10 до примерно 0,18 вес.% Zr. Все сплавы из таблицы 2 содержат не более примерно 0,15 вес.% Fe и не более примерно 0,10 вес.% Si.
[0050] Для целей сравнения также отливают сплавы, имеющие составы за пределами диапазона составов нового сплава, включая три известных из уровня техники сплава Алюминиевой ассоциации, составы которых указаны ниже в таблице 3.
<b>Таблица 3</b><b>Составы сравнительных сплавов</b>
<b>Сплав</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>V</b>
<b>Mn</b>
<b>Остальное</b>
12
3,41
0,95
0,11
0,29
Алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси
13
3,54
0,5
0,11
0,28
14
3,83
1,07
0
0,33
15
3,48
0,98
0,18
0,3
16
2,92
0,82
0,11
0,28
17
3,86
0,6
0,11
0,28
18
4,24
0,96
0,11
0,3
19
3,48
1,4
0,1
0,3
20
3,55
1,62
0,1
0,3
21
3,5
0,95
0,12
0,82
22
3,57
0,96
0,1
1,02
23
3,49
0,96
0,18
0,3
24
3,58
0,98
0,22
0,31
25
3,43
0,93
0,001
0,3
АА2027
4,43
1,26
0
0,87
АА2027+V
4,24
1,23
0,11
0,84
АА2139
4,74
0,44
0,002
0,26
[0051] Все сплавы из таблицы 3, за исключением сплавов 12, 15 и АА2139, содержат цирконий в количестве от примерно 0,10 до примерно 0,13 вес.% Zr. Сплавы 12, 15 и АА2139 содержат не более 0,001 вес.% Zr. АА2139 содержит примерно 0,34 вес.% Ag. Все сплавы из таблицы 3 содержат не более примерно 0,15 вес.% Fe и не более примерно 0,10 вес.% Si.
[0052] Все слитки затем гомогенизируют, используя следующую процедуру:
- нагрев за 4 часа до 910°F,
- выдержка при 910°F в течение 4 часов,
- подъем за 1 час до 940°F,
- выдержка при 940°F в течение 4 часов,
- подъем за 2 часа до 970°F,
- выдержка при 970°F в течение 24 часов,
- охлаждение на воздухе.
[0053] С поверхностей гомогенизированных слитков затем снимают верхний слой (толщиной ~0,1 дюйма), после чего слитки нагревают до 940°F и затем подвергают горячей прокатке при ~900°F. Во время прокатки сляб подогревают до 940°F, если температура падает ниже 750°F. Слиток подвергают прямолинейной прокатке до калибра 0,2 дюйма с обжатием за проход примерно 0,3 дюйма. Горячекатаное изделие затем подвергают термообработке на твердый раствор при 970°F в течение 1 часа и закалке в холодной воде. Затем изделие подвергают холодной прокатке до 0,18 дюйма (примерно 10%-ое обжатие) в пределах 2 часов после закалки. Холоднокатаное изделие затем растягивают на примерно 2% для снятия напряжений.
[0054] Новые сплавы (1-11) и сравнительные сплавы (12-25) подвергают естественному старению в течение по меньшей мере 96 часов при комнатной температуре, а затем искусственному старению при примерно 310°F в течение примерно 48 часов для достижения пиковой прочности и состояния Т89 (т.е. термообработка на твердый раствор, холодная обработка давлением, а затем искусственное старение). АА2027, АА2027+V и АА2139 получают подобным образом, достигая пиковой прочности при состоянии Т89.
Испытания на прочность и вязкость
[0055]
[0056] После старения все сплавы подвергают испытаниям на растяжение, включая испытания на предел текучести при растяжении (TYS), в соответствии с ASTM Е8 и В557. Измеренные значения TYS в продольном (L) направлении приведены ниже в таблицах 4 и 5. Все сплавы также подвергают испытаниям на разрыв в соответствии с ASTM В871 в ориентации L-T. Испытание на разрыв дает меру вязкости разрушения. Размер образца составляет 0,25 дюйма (толщина) × 1,438 дюйма (ширина) × 2,25 дюйма (длина), согласно ФИГ.2 ASTM В871, тип образца № 5. Результаты этих испытаний по удельной энергии распространения трещины (UPE) приведены ниже в таблицах 4 и 5. Все приведенные значения TYS и UPE представляют собой среднее значение от измерения трех образцов.
<b>Таблица 4</b><b>Состав и свойства новых сплавов</b>
<b>Новый сплав</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>V</b>
<b>Mn</b>
<b>TYS (L)</b>
<b>UPE (L-T)</b>
1
3,52
0,98
0,14
0,28
475
247,8
2
3,42
0,99
0,11
0,29
465
232,5
3
3,38
1,22
0,11
0,28
477
203,6
4
3,5
0,98
0,11
0,29
472
205,0
5
3,46
0,97
0,068
0,29
467
202,5
6
3,41
0,96
0,03
0,29
466
202,5
7
4,04
0,82
0,11
0,28
500
184,7
8
3,84
0,99
0,11
0,29
495
166,3
9
3,47
0,97
0,11
0,051
472
171,6
10
3,53
0,98
0,11
0,6
489
164,8
11
4,06
0,95
0,11
0,3
506
158
<b>Таблица 5</b><b>Состав и свойства сравнительных сплавов</b>
<b>Сравнительные сплавы</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>V</b>
<b>Mn</b>
<b>TYS (L)</b>
<b>UPE (L-T)</b>
12
3,41
0,95
0,11
0,29
451
189,9
13
3,54
0,5
0,11
0,28
423
224,8
14
3,83
1,07
0
0,33
498
115,7
15
3,48
0,98
0,18
0,3
463
151,7
16
2,92
0,82
0,11
0,28
391
284,8
17
3,86
0,6
0,11
0,28
450
201,6
18
4,24
0,96
0,11
0,3
505
120
19
3,48
1,4
0,1
0,3
491
139
20
3,55
1,62
0,1
0,3
488
102
21
3,5
0,95
0,12
0,82
469
109
22
3,57
0,96
0,1
1,02
449
146
23
3,49
0,96
0,18
0,3
473
104
24
3,58
0,98
0,22
0,31
450
163
25
3,43
0,93
0,001
0,3
451
162
АА2027
4,43
1,26
0
0,87
539
106
АА2027+V
4,24
1,23
0,11
0,84
531
61
АА2139
4,74
0,44
0,002
0,26
481
147
2
[0057] ФИГ.1 иллюстрирует результаты для этих сплавов по пределу текучести при растяжении (TYS) в зависимости от удельной энергии распространения трещины (UPE). Как показано, новые сплавы обеспечивают улучшенное сочетание прочности и вязкости по отношению к сравнительным и известным сплавам. Как показано линией Z-Z, все новые сплавы имеют сочетание прочности к вязкости, удовлетворяющее выражению FT≥456-0,611*TYS при минимальном пределе текучести при растяжении 460 МПа, где FT означает удельную энергию распространения трещины в сплаве в кДж/м, измеренную в соответствии с ASTM B871, как предусмотрено выше, и где TYS означает продольный предел текучести сплава при растяжении в МПа, измеренный в соответствии с ASTM Е8 и В557. Типичный уровень характеристик нового сплава в состоянии Т89 может находиться на или выше линии Y-Y, что отвечает такому же уравнению, как и линия Z-Z, за исключением того, что пересечение выражения линии имеет величину примерно 485 вместо примерно 456.
[0058] Новые сплавы достигают этих улучшенных свойств благодаря, по меньшей мере частично, их уникальному и синергетическому сочетанию элементов. Например, в том случае, если количество меди в сплаве падает ниже примерно 3,1 вес.% или превышает примерно 4,1 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы содержат медь в диапазоне от примерно 3,1 вес.% до примерно 4,1 вес.%. Сравнительные сплавы 16 и 18 подчеркивают эффект использования сплавов с Cu за пределами этого диапазона. Сравнительные сплавы 16 и 18 включают Mg, Mn и V, все в пределах состава новых сплавов. Однако сравнительный сплав 16 включает всего лишь 2,92 вес.% Cu, в то время как сравнительный сплав 18 включает 4,24 вес.% Cu. Как проиллюстрировано на ФИГ.2, сплав 16 испытывает заметное снижение прочности по сравнению со сплавами, содержащими по меньшей мере примерно 3,1 вес.% Cu. Сплав 18 испытывает заметное снижение вязкости по сравнению со сплавами, содержащими не более примерно 4,1 вес.% Cu.
[0059] Что касается магния, то в том случае, если количество магния в сплаве падает ниже примерно 0,7 вес.% или превышает примерно 1,3 вес.% Mg, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы содержат магний в диапазоне от примерно 0,7 вес.% до примерно 1,3 вес.% Mg. Сравнительные сплавы 13, 17, 19 и 20 подчеркивают эффект использования сплавов с Mg за пределами этого диапазона. Сравнительные сплавы 13, 17, 19 и 20 включают Cu, Mn и V, все в пределах состава новых сплавов. Однако сравнительные сплавы 13 и 17 включают низкие количества Mg, причем сравнительный сплав 13-0,5 вес.% Mg, а сравнительный сплав 17-0,6 вес.% Mg. Сравнительные сплавы 19 и 20 включает большие количества Mg, причем сравнительный сплав 19-1,4 вес.% Mg, а сравнительный сплав 20-1,62 вес.% Mg. Как проиллюстрировано на ФИГ.3, сплавы 13 и 17 испытывают заметное снижение прочности по сравнению со сплавами, содержащими по меньшей мере примерно 0,7 вес.% Mg. Сплавы 19 и 20 испытывают заметное снижение вязкости по сравнению со сплавами, содержащими не более примерно 1,3 вес.% Mg.
[0060] Что касается марганца, то в том случае, если количество марганца в сплаве падает ниже примерно 0,01 вес.% или превышает примерно 0,7 вес.% Mn, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы содержат марганец в диапазоне от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,6 вес.% Mn. Сравнительные сплавы 21 и 22 подчеркивают эффект использования сплавов с большими количествами Mn. Сравнительные сплавы 21 и 22 включают Cu, Mg и V, все в пределах состава новых сплавов. Однако сравнительный сплав 21 включает 0,82 вес.% Mn, а сравнительный сплав 22 включает 1,02 вес.% Mn. Как проиллюстрировано на ФИГ.4, сплавы 21 и 22 испытывают заметное снижение вязкости по сравнению со сплавами, содержащими не более примерно 0,7 вес.% Mn. Подобным же образом, ожидается, что, исходя из тренда характеристик, относящихся к новым сплавам, содержащим примерно 0,3 вес.% Mn, и новым сплавам, содержащим примерно 0,05 вес.% Mn, сплавы, содержащие менее 0,01 вес.% Mn, не реализовывали бы улучшенное сочетание свойств. Например, новый сплав 9 содержит 0,05 вес.% Mn и обеспечивает улучшенное сочетание прочности и вязкости, однако это улучшение меньше, чем у сплавов, содержащих примерно 0,29 вес.% Mn. Поэтому сплавы, содержащие менее примерно 0,01 вес.% Mn, могут не реализовать улучшенное сочетание свойств.
[0061] Что касается ванадия, то в том случае, если количество ванадия в сплаве падает ниже примерно 0,01 вес.% или превышает примерно 0,16 вес.% V, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы содержат ванадий в диапазоне от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,16 вес.% V. Сравнительные сплавы 14, 15, 23, 24 и 25 подчеркивают эффект использования сплавов с V за пределами этого диапазона. Сравнительные сплавы 14, 15, 23, 24 и 25 включают Cu, Mg и Mn, все в пределах состава новых сплавов. Однако сравнительные сплавы 14 и 25 по существу не включают V, содержа не более 0,001 вес.% V. Как проиллюстрировано на ФИГ.5, сплавы 14 и 25 испытывают заметное снижение вязкости по сравнению со сплавами, содержащими по меньшей мере примерно 0,01 вес.% V. Сравнительные сплавы 15, 23 и 24 включают большие количества V, причем сравнительные сплавы 15 и 23-0,18 вес.% V, а сравнительный сплав 24-0,22 вес.% V. Сплавы 15, 23 и 24 испытывают заметное снижение прочности и/или вязкости по сравнению со сплавами, содержащими не более примерно 0,16 вес.% V.
[0062] Регулирующие зеренную структуру элементы также могут играть роль в достижении улучшенных свойств. Например, сплавы, содержащие Cu, Mg, Mn и V в рамках вышеописанных диапазонов из таблицы 1, а также содержащие по меньшей мере 0,05 вес.% Zr, обеспечивали улучшенное сочетание прочности и вязкости, как проиллюстрировано в таблицах 2 и 4 и на ФИГ.1. Однако сравнительный сплав 12, содержащий не более 0,001 вес.% Zr, но содержавший Cu, Mg, Mn и V в рамках вышеописанных диапазонов из таблицы 1, не реализовал улучшенное сочетание свойств. Поэтому сплавы, содержащие менее примерно 0,01 вес.% регулирующего зеренную структуру элемента, могут не реализовать улучшенное сочетание свойств.
[0063] Суммарное содержание меди и магния (Cu+Mg) в сплаве также может быть связано с характеристиками сплава. Например, в некоторых вариантах воплощения, когда суммарное количество Cu+Mg падает ниже примерно 4,1 вес.% или превышает примерно 5,1 вес.%, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы содержат Cu+Mg в диапазоне от примерно 4,1 вес.% до примерно 5,1 вес.%. Сравнительные сплавы 16, 18 и 20 подчеркивают эффект использования сплавов с Cu+Mg за пределами этого диапазона. Как проиллюстрировано выше, сравнительный сплав 15 имеет мало Cu+Mg на уровне 3,74 вес.% и реализует низкую прочность. Сравнительные сплавы 18 и 20 имеют много Cu+Mg на уровне 5,2 вес.% и 5,15 вес.% соответственно. Оба сравнительных сплава 18 и 20 имеют низкую вязкость разрушения.
[0064] Отношение меди к магнию (отношение Cu/Mg) в сплаве также может быть связано с характеристиками сплава. Например, в некоторых вариантах воплощения, когда отношение Cu/Mg падает ниже примерно 2,6 или превышает примерно 5,5, сплав может не реализовать улучшенное сочетание свойств. Как предусмотрено выше, все новые сплавы имеют отношение Cu/Mg в диапазоне от примерно 2,6 до примерно 5,5. Сравнительные сплавы 13, 17 и 19 подчеркивают эффект использования сплавов, имеющих отношение Cu/Mg за пределами этого диапазона. Как проиллюстрировано выше, сравнительный сплав 19 имеет низкое отношение Cu/Mg на уровне 2,5 и реализует низкую вязкость разрушения. Сравнительные сплавы 13 и 17 имеют высокие отношения Cu/Mg на уровне 7,1 и 6,4 соответственно. Оба сравнительных сплава 13 и 17 имеют низкую прочность.
Пример 2 - Дополнительные испытания нового сплава в состоянии Т89
[0065]
Получение сплава
[0066]
[0067] Отливают прямоугольные слитки размером 6 дюймов × 16 дюймов из одного нового сплава и трех сравнительных сплавов, как указано ниже в таблице 6 (все значения в вес.%).
<b>Таблица 6</b><b>Состав нового сплава (26) и сравнительных сплавов (27-29)</b>
<b>Сплав</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>V</b>
<b>Mn</b>
<b>Ag</b>
<b>Остальное</b>
26
3,66
0,88
0,12
0,28
0,02
Алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси
27
3,58
0,92
0
0,27
0
28
3,60
0,94
0
0,29
0,48
29
5,01
0,49
0,11
0,29
0
[0068] Сплав 26 представляет собой новый сплав, а сплавы 27-29 - сравнительные сплавы, содержащие по меньшей мере один элемент за пределами состава нового сплава. Например, сравнительный сплав 27 не содержит ванадия. Сравнительный сплав 28 не содержит ванадия, но содержит серебро. Сравнительный сплав 29 содержит большое количество меди и небольшое количество магния.
[0069] Все слитки гомогенизируют, используя следующую процедуру:
- нагрев за 16 часов до 910°F,
- выдержка при 910°F в течение 4 часов,
- подъем за 1 час до 940°F,
- выдержка при 940°F в течение 8 часов,
- подъем за 2 часа до 970°F,
- выдержка при 970°F в течение 24 часов,
- охлаждение на воздухе.
[0070] С поверхностей гомогенизированных слитков затем снимают верхний слой (~0,25-0,5 дюйма с каждой поверхности), после чего слитки нагревают до 940°F, а затем подвергают горячей прокатке при ~900°F. Слитки уширяют до примерно 23 дюймов и затем подвергают прямолинейной прокатке до калибра 0,75 дюйма. Во время горячей прокатки сляб подогревают до 940°F, если температура падает ниже 750°F. Горячекатаное изделие затем подвергают термообработке на твердый раствор при 970°F в течение 1 часа и закалке в холодной воде. Затем изделие подвергают холодной прокатке до 0,675 дюйма (примерно 10%-ое обжатие) в пределах 2 часов после закалки. Сплавы затем подвергают естественному старению в течение по меньшей мере 96 часов при комнатной температуре, а затем искусственному старению при примерно 310°F в течение примерно 48 часов для достижения пиковой прочности и состояния Т89.
Испытания на прочность и вязкость
[0071]
Q
арр
о
[0072] После старения все сплавы подвергают испытаниям на растяжение, включая испытания на предел текучести при растяжении (TYS), в соответствии с ASTM Е8 и В557, в продольной (L) и продольно-поперечной (LT) ориентации. Вязкость разрушения, K, в ориентации L-T определяют в соответствии с ASTM Е399 и ASTM В645. Ширина (W) образца составляет 3 дюйма, а его толщина (В) равна полной толщине плиты (0,675 дюйма). Вязкость разрушения при плоском напряженном состоянии, K, в ориентации L-T определяют в соответствии с ASTM Е561 и ASTM В646. Ширина (W) образца составляет 16 дюймов, толщина (В) - 0,25 дюйма, а первоначальная длина трещины (2а) - 4 дюйма. Результаты этих испытаний приведены ниже в таблице 7.
<b>Таблица 7</b><b>Прочность и вязкость нового сплава (26) и сравнительных сплавов (27-29) в состоянии Т89</b>
<b>Сплав</b>
<b>L растяжение</b>
<b>LT растяжение</b>
<b>L-T вязкость</b>
TYS
UTS
Удлин.
TYS
UTS
Удлин.
K<sub>Q</sub>
K<sub>арр</sub>
(МПа)
(МПа)
(%)
(МПа)
(МПа)
(%)
(МПа√м)
26
484
513
14
496
523
12
57,8
135
27
481
512
15
472
511
14
51,3
113
28
501
524
13
490
523
13
52,3
132
29
473
508
14
471
514
12
44,8
118
Q
арр
Q
арр
Q
арр
[0073] Все приведенные значения при растяжении представляют собой среднее значения от измерения трех образцов, значения K представляют собой среднее значения от измерения двух образцов, а значения K - от одного образца. Специалисты в данной области техники поймут, что на численные значения K и K влияют ширина образца, его толщина, первоначальная длина трещины и геометрия испытываемого образца. Таким образом, можно достоверно сравнивать K и K только от испытываемых образцов с эквивалентными геометрией, шириной, толщиной и первоначальной длиной трещины.
Q
арр
Q
арр
Q
арр
Q
арр
[0074] ФИГ.6 иллюстрирует предел текучести при растяжении (TYS) в зависимости от вязкости разрушения K, а ФИГ.7 иллюстрирует TYS в зависимости от вязкости разрушения K. Новый сплав 26, содержащий 0,12 вес.% V, проявляет наивысшие K и K. Улучшение K и K по сравнению со сравнительным сплавом 27, не содержащим ванадия, составляет примерно 13% для K и примерно 19% для K соответственно.
Q
арр
Q
арр
[0075] Сравнительный сплав 28 также не содержит ванадия, но включает 0,48 вес.% Ag и реализует более высокие K и Kи TYS, чем сравнительный сплав 27, демонстрируя, что благоприятные эффекты могут быть реализованы с добавками Ag. Однако по сравнению с новым сплавом 26 сравнительный сплав 28 имеет K и K, соответственно на 9% и 2% меньшие, чем новый сплав 26, и его сочетание прочности и вязкости хуже, чем у нового сплава 26.
Q
арр
[0076] Сравнительный сплав 29 содержит 0,11 вес.% V, но содержит большое количество меди (5,01 вес.%) и низкое количество магния (0,49 вес.%). Сравнительный сплав 29 демонстрирует самую низкую величину K и вторую низшую величину K - соответственно на 22% и 13% меньше, чем новый сплав 26.
[0077] Эти результаты показывают, что количество меди, магния и ванадия играет роль при достижении высокой вязкости разрушения. Данные результаты также показывают, что добавки Ag могут оказать благоприятное влияние на вязкость разрушения, но также указывают на, что процентная добавка ванадия, необходимая для обеспечения улучшений вязкости, намного меньше, чем требуемая процентная добавка Ag. Это важное открытие, поскольку стоимость Ag существенно выше стоимости V. Однако добавки Ag в дополнение к добавкам V могут все же оказаться желательными по другим причинам, таким как сопротивление коррозии.
Сопротивление росту усталостной трещины при переменной нагрузке
[0078]
[0079] Сопротивление росту усталостной трещины при переменной нагрузке у нового сплава 26 и сравнительных сплавов 27-29 измеряют в соответствии со спецификацией по производству летательных аппаратов. Образец представляет собой образец М(Т) с трещиной в центре в ориентации L-T, имеющий ширину 200 мм (7,87 дюйма) и толщину 12 мм (0,47 дюйма). Перед приложением переменной нагрузки к образцам М(Т) эти образцы подвергали предварительному усталостному растрескиванию в условиях нагрузки с постоянной амплитудой до половины длины трещины (а) примерно 20 мм. Сбор данных о росте трещины при нагрузке с переменной амплитуде начинают при половине длины трещины 25 мм для того, чтобы уменьшить влияние переходных эффектов, возникающих в результате изменения условий нагрузки с постоянной амплитуды на переменную. Данные о росте трещины при переменной нагрузке собирают по интервалу длины трещины 25-65 мм и получают длину трещины в зависимости от числа моделируемых полетов и число полетов до достижения 65 мм. Частота при испытаниях составляет примерно 10 Гц, и при этом испытания проводят во влажной воздушной среде с относительной влажностью более примерно 90%. ФИГ.8 показывает графики зависимости длины трещин от числа моделируемых полетов, а таблица 8 - число полетов до достижения 65 мм.
<b>Таблица 8</b><b>Ресурс по FCG при переменной нагрузке нового сплава (26) и сравнительных сплавов (27-29) в состоянии Т89</b>
<b>Сплав</b>
<b>Число полетов</b>
26
6951
27
5431
28
6381
29
4144
[0080] Новый сплав 26 имеет самый длительный ресурс при переменной нагрузке. Улучшение ресурса по сравнению со сравнительным сплавом 27, не содержащим V, составляет 28%. Характеристика сравнительного сплава 28 подобна новому сплаву 26, указывая на то, что Ag может оказать благоприятное влияние, однако все же на 8% меньшее, чем новый сплав 26. Сравнительный сплав 29 имеет наименьший ресурс при переменной нагрузке, на примерно 40% меньший, чем новый сплав 26. Эти результаты иллюстрируют благоприятные влияния состава новых сплавов на сопротивление росту усталостной трещины при переменной нагрузке.
Сопротивление росту усталостной трещины при постоянной амплитуде
[0081]
о
min
max
[0082] Сопротивление росту усталостной трещины при постоянной амплитуде нагрузки у образцов из нового сплава 26 и сравнительных сплавов 27-29 измеряют в соответствии с ASTM E647 в ориентации L-T. Испытываемые образцы представляют собой образцы М(Т), имеющие ширину (W) 4 дюйма и толщину (B) 0,25 дюйма. Данные испытания представляют собой испытания с увеличивающимся K с нормализованным градиентом K С=0,69/мм, первоначальной длиной трещины (2а) 5 мм и начальным ∆K 4,9 МПа√м. Отношение напряжений (P/P) равно 0,1. Испытания проводят при частоте 25 Гц во влажной воздушной среде с относительной влажностью по меньшей мере примерно 90%. Полученные при испытаниях данные анализируют в соответствии с многочленным методом приращений по ASTM E647, получая скорость роста усталостной трещины (da/dN) как функцию диапазона коэффициента интенсивности напряжений (∆K).
[0083] ФИГ.9 иллюстрирует зависимость da/dN от ∆K, выведенную из данных испытаний каждого из сплавов из таблицы 6. Новый сплав 26 демонстрирует более медленную скорость роста трещины в большой части диапазона ∆K по сравнению со сравнительным сплавом 27, не содержащим ванадия. Характеристика сравнительного сплава 28 подобна новому сплаву 26, вновь указывая на то, что Ag может оказать благоприятное влияние. Сравнительный сплав 29 демонстрирует хорошую характеристику роста усталостной трещины, однако, учитывая все механические свойства, работает хуже всех сплавов из таблицы 6.
Коррозионные характеристики нового сплава
[0084]
2
2
[0085] Сплав, имеющий состав в пределах диапазона из таблицы 1, получают в состоянии Т89, как описано выше, и испытывают на сопротивление коррозионному расслаиванию. Для оценки общего сопротивления коррозии сплава используют ASTM G110. Изучение оптических микроснимков сплава в плоскости Т/10 после 6-часового погружения в 3,5%-ый раствор NaCl+HO показывает, что режим коррозионного воздействия на сплав представляет собой точечную (Р) и межкристаллитную (IG) коррозию. Сплав также испытывают на сопротивление коррозионному расслаиванию (ЕХСО) в плоскости Т/10 в соответствии с ASTM G34. После 96 часов воздействия сплав реализует уровень ЕС по ЕХСО. Сплав также испытывают на сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением в продольно-поперечном (LT) направлении в соответствии с ASTM G44 и G47. Для испытания используют образец диаметром 1/8 дюйма и длиной 2 дюйма с двойным заплечиком. Уровень напряжения в испытании составляет 250 МПа. Сплав проходит стандартный 40-дневный период воздействия для ориентации LT и даже превышает 120-дневный период без разрушений.
Пример 3 - Характеристики нового сплава в естественно состаренном состоянии (Т39)
[0086]
Q
Q
[0087] Сплавы из таблицы 6 получают так же, как и в примере 2, за исключением того, что их подвергают естественному старению до состояния Т39, не подвергая какой-либо стадии искусственного старения. Прочность на растяжение измеряют в направлениях L и LT, а вязкость разрушения, K, измеряют в ориентации L-T. Геометрия и размеры испытываемого образца такие же, как и в примере 2. Результаты этих испытаний приведены ниже в таблице 9. Все приведенные значения на растяжение представляют собой среднее значение от измерения трех образцов, а значения K представляют собой среднее значение от двух образцов.
<b>Таблица 9</b><b>Прочность и вязкость нового сплава (26) и сравнительных сплавов (27-29) в состоянии Т39</b>
<b>Сплав</b>
<b>L растяжение</b>
<b>LT растяжение</b>
<b>L-T вязкость</b>
TYS
UTS
Удлин.
TYS
UTS
Удлин.
K<sub>Q</sub>
(МПа)
(МПа)
(%)
(МПа)
(МПа)
(%)
(МПа√м)
26
400
469
10
380
474
14
52,1
27
403
476
12
369
474
16
49,1
28
399
483
14
372
485
16
54,2
29
390
462
14
366
464
14
51,1
Q
Q
[0088] Прочность нового сплава 26 с ванадием (0,12 вес.%) и сравнительного сплава 27 без ванадия похожа, но K(вязкость) нового сплава улучшена на 6%. Сравнительный сплав 29, содержащий ванадий (0,11 вес.%), но много меди (5,01 вес.%) и мало магния (0,49 вес.%), демонстрирует как более низкую прочность, так и более низкую вязкость разрушения. Сравнительный сплав 28, не содержащий ванадия, но содержащий 0,48 вес.% серебра, демонстрирует подобный новому сплаву 26 предел текучести при растяжении (TYS), но более высокие предел прочности при растяжении (UTS) и K(вязкость), вновь иллюстрируя эффективность Ag по улучшению механических свойств. Однако уровень добавок дорогостоящего Ag, обеспечивающих вышеописанное улучшение (т.е. 0,48 вес.%), был существенно выше, чем уровень ванадия, необходимый для достижения похожих результатов.
Пример 4 - Оценка ~1-дюймовой плиты в различных состояниях
[0089]
[0090] Вариант содержащего ванадий нового сплава 2xxx (30), а также сравнительного сплава 2xxx (31) получают в различных состояниях путем гомогенизации, горячей прокатки, термообработки на твердый раствор, закалки, холодной обработки давлением, растягивания и естественного старения (для состояний Т3) или искусственного старения (для состояния Т89). Их микроструктура представляет собой частично перекристаллизованную микроструктуру. Конечный калибр изделий составляет примерно 1 дюйм (примерно 25,4 мм). В таблице 10 показан состав нового сплава (30) и сравнительного сплава, а также состав подобных известных из уровня техники сплавов 2027 и 2624.
Таблица 10
Составы сплавов
Сплав
Cu
Mg
V
Mn
Ag
Остальное
30
3,66
0,96
0,066
0,27
--
алюминий, регулирующие зеренную структуру элементы, необязательные второстепенные элементы и примеси
31
4,18
1,4
0,003
0,65
--
2027
3,9-4,9
1,0-1,5
--
0,5-1,2
--
2624
3,8-4,3
1,2-1,6
--
0,45-0,7
--
о
[0091] Свойства на растяжение сплавов 30 и 31 измеряют в соответствии с ASTM B557, а вязкость разрушения при плоском напряженном состоянии сплавов 30 и 31 измеряют в соответствии с ASTM Е561 и ASTM В646. В испытаниях на вязкость ширина образца составляет 16 дюймов, толщина - 0,25 дюйма, а первоначальная длина трещины (2а) - 4 дюйма. Как показано ниже в таблице 11, сплав 30 в состоянии Т39 и Т89 обеспечивает улучшенное сочетание свойств по сравнению со сплавом 31.
<b>Таблица 11</b><b>Механические свойства сплавов</b>
<b>Сплав</b>
<b>Размеры плиты</b>
<b>L растяжение (Т/2)</b>
<b>L-T FT (T/2)</b>
Толщина
Ширина
TYS
UTS
Удлин.
K<sub>арр</sub>
(мм)
(м)
(МПа)
(МПа)
(%)
(МПа√м)
30-Т351
26,9
2,438
359,0
445,8
20,5
112,4
30-Т39
30,0
431,5
473,0
14,0
123,4
30-Т89
26,9
460,3
486,5
16,3
133,4
31-Т351
26,9
2,438
412,5
503,3
17,5
117,8
31-Т39
27,9
482,5
518,8
12,0
112,1
арр
[0092] Как проиллюстрировано на ФИГ.10 и 11, новый сплав (30) в состояниях Т39 и Т89 обеспечивает лучшее сочетание прочности и вязкости, чем сравнительный сплав (31), равно как и предполагаемые типичные свойства для подобных известных из уровня техники сплавов 2027 и 2624. Сплав 30 в состояниях Т39 и Т89 реализует сочетание прочность-вязкость, удовлетворяющее выражению FT≥146,1-0,062*TYS при минимальном пределе текучести при растяжении 300 МПа, как проиллюстрировано линией А-А, где FT представляет собой вязкость разрушения при плоском напряженном состоянии в K, измеренную в соответствии с ASTM Е561 и ASTM В646 с использованием описанных выше размера образца и первоначальной длины трещины, и где TYS представляет собой продольный предел текучести сплава при растяжении в МПа, измеренный в соответствии с ASTM Е8 и В557. Типичные уровни характеристик нового сплава в состоянии Т39 могут находиться на или выше линии В-В, отвечающей такому же уравнению, как и линия А-А, за исключением того, что пересечение выражения линии имеет величину примерно 149,5 вместо примерно 146,1. Типичные уровни характеристик нового сплава в состоянии Т89 могут находиться на или выше линии С-С, отвечающей такому же уравнению, как и линия А-А, за исключением того, что пересечение выражения линии имеет величину примерно 161 вместо примерно 146,1.
[0093] В некоторых вариантах воплощения составы раскрытых здесь новых сплавов могут обеспечивать высокую стойкость к повреждениям в тонкой плите (например, толщиной от примерно 0,25 или 0,5 дюйма до примерно 1,5 дюйма или примерно 2 дюймов) благодаря своим повышенным, комбинированным свойствам вязкости разрушения, предела текучести и/или сопротивления росту усталостной трещины. Сопротивление вызванному усталостью растрескиванию является желаемым свойством. Упомянутое усталостное растрескивание происходит в результате повторяющихся циклов нагрузки и разгрузки либо перепадов высокой и низкой нагрузки, такой как при движении крыла вверх и вниз. Такие перепады нагрузки могут происходить во время полета из-за порывов ветра или иных внезапных изменений давления воздуха либо на земле во время выруливания летательного аппарата. Усталостные разрушения являются причиной большого процента повреждений деталей летательных аппаратов. Такие повреждения являются коварными, поскольку они могут происходить при нормальных условиях эксплуатации, без излишних перегрузок и без предварительных признаков.
[0094] Если в структуре существует трещина или трещиноподобный дефект, повторяющаяся циклическая или усталостная нагрузка может вызвать рост трещины. Это называется распространением усталостной трещины. Распространение трещины в результате усталости может привести к достаточно большой, катастрофически распространяющейся трещине в том случае, если сочетания размера трещины и нагрузок достаточны для превышения вязкости разрушения материала. Таким образом, характеристики сопротивления материала распространению вызванной усталостью трещины обеспечивают существенные выгоды по продлению срока службы авиационных конструкций. Чем медленнее распространяется трещина, тем лучше. Быстро распространяющаяся трещина в авиационном конструктивном элементе может привести к катастрофическому выходу из строя без соответствующего времени на ее обнаружение, в то время как медленно распространяющаяся трещина дает время на ее обнаружение и корректирующее действие или ремонт. Следовательно, низкая скорость роста усталостной трещины является желательным свойством.
Ic
Ic
Ic
Ic
Q
Ic
Ic
Q
Q
Ic
Q
Ic
[0095] В том случае, если геометрия детали конструкции такова, что она пластически не деформируется по толщине при приложении растягивающей нагрузки (плоская деформация), вязкость разрушения часто измеряют как плоскую вязкость разрушения, K. Это обычно относится к относительно толстым изделиям или профилям, например, 0,6 или 0,75 дюйма, или 1 дюйм, или более. ASTM установил стандартное испытание с использованием образца с предварительно образованной в нем сжимающим напряжением усталостной трещиной для измерения K(ASTM Е399), который выражается в единицах ksi√дюйм или МПа√м. Это испытание обычно используют для измерения вязкости разрушения в том случае, когда материал толстый, поскольку она предполагается не зависящей от геометрии образца при условии, что соблюдены соответствующие стандарты по ширине, длине трещины и толщине. Символом K, используемым в K, обозначают коэффициент интенсивности напряжений. Что касается некоторых из значений приведенных здесь свойств, то из-за размерных ограничений материала вместо значений K были получены значения K. Для получения действительных результатов по плоской деформации K потребовался бы более толстый и более широкий образец. Однако они, тем не менее, свидетельствуют о более высокой вязкости новых сплавов в целом, поскольку данные по различным составам сплавов были получены с использованием результатов от образцов одинакового размера и при одинаковых условиях испытаний. Действительный Kобычно считается свойством материала, относительно независимым от размера и геометрии образца. С другой стороны, Kможет не быть истинным свойством материала в самом строгом академическом смысле, поскольку он может варьироваться с размером и геометрией образца. Однако типичные значения K от меньших чем нужно образцов консервативны относительно K. Иными словами, приведенные значения вязкости разрушения (K) обычно ниже, чем стандартные значения K, полученные того, когда соблюдены соответствующий размер образца и критерии действительности стандарта ASTM Е399.
c
арр
c
c
арр
арр
арр
арр
арр
с
арр
с
арр
арр
[0096] В том случае, если геометрия изделия или конструктивного элемента из сплава такова, что он допускает пластическую деформацию по своей толщине при приложении растягивающей нагрузки, вязкость разрушения часто измеряют как вязкость разрушения при плоском наряженном состоянии. Такая мера вязкости разрушения использует максимальную нагрузку, возникающую на относительно тонком, широком образце с предварительной трещиной. Когда длину трещины при максимальной нагрузке используют для вычисления коэффициента интенсивности напряжений при такой нагрузке, за коэффициент интенсивности напряжений принимают вязкость разрушения при плоском наряженном состоянии K. Однако, когда коэффициент интенсивности напряжений вычисляют с использованием длины трещины до приложения нагрузки, результат такого вычисления известен как кажущаяся вязкость разрушения, K, материала. Поскольку длина трещины при вычислении K обычно больше, значения K обычно выше, чем K для данного материала. Обе эти меры вязкости разрушения выражают в единицах ksi√дюйм или МПа√м. Для вязких материалов численные значения, получаемые в таких испытаниях, обычно повышаются по мере того, как увеличивается ширина образца или уменьшается его толщина. Следует понимать, что ширина испытываемой панели, используемой в испытании на вязкость, может оказывать существенное влияние на измеренную в этом испытании интенсивность напряжений. Некий данный материал может обладать вязкостью K в 60 ksi√дюйм при использовании испытываемого образца шириной 6 дюймов, в то время как измеренная K будет повышаться при более широких образцах. Например, один и тот же материал, который реализует при плоском напряженном состоянии вязкость 60 ksi√дюйм (K) при использовании 6-дюймовой панели, может проявлять более высокую K при использовании панели шириной 16 дюймов (например, около 90 ksi√дюйм), еще более высокую при использовании панели шириной 48 дюймов (например, около 150 ksi√дюйм), и еще более высокую при использовании панели шириной 60 дюймов (например, около 180 ksi√дюйм) в качестве образца для испытаний. Соответственно, при упоминании здесь значений K в испытаниях на вязкость при плоском напряженном состоянии, если не указано иное, это относится к испытаниям с панелью шириной 16 дюймов. Однако специалистам в данной области техники понятно, что результаты испытаний могут варьироваться в зависимости от ширины панели для испытаний, поэтому при ссылке на вязкость подразумевается включение всех таких испытаний. Следовательно, вязкость, по существу эквивалентная или по существу соответствующая минимальному значению для K или K при характеризации изделий из нового сплава, в основном относясь к испытанию с 16-дюймовой панелью, подразумевается охватывающей вариации в K или K, встречающиеся при использовании панелей другой ширины, как поймут специалисты в данной области техники. Испытание на вязкость разрушения при плоском наряженном состоянии (K) применимо ко всем толщинам изделий, но при некоторых видах использования может найти применение к более тонким изделиям, таким как изделия толщиной 1 дюйм или ¾ дюйма или менее, например, толщиной 5/8 дюйма или 1/2 дюйма или менее.
[0097] Хотя большая часть данного описания была приведена применительно к прокатанным изделиям, т.е. листу и плите, ожидается, что аналогичные улучшения могут быть реализованы с раскрытым сейчас сплавом в других видах деформированных изделий, таких как экструдированные изделия и поковки. Более того, хотя выше были подробно описаны конкретные варианты воплощения настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в свете общих положений данного раскрытия могут быть разработаны различные модификации и альтернативы таких подробностей. Соответственно, подразумевается, что раскрытые конкретные варианты являются всего лишь иллюстративными и не ограничивающими объем настоящего изобретения, полная широта которого определяется прилагаемой формулой изобретения и любыми и всеми ее эквивалентами.