АЛЮМО-МЕДНО-МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, ИМЕЮЩИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ДОБАВКИ ЛИТИЯ
ALUMINIUM-COPPER-MAGNESIUM ALLOYS, ALLOWING SUBSIDIARY ADDITIVES OF LITHIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к алюминиевым сплавам, применяемым в аэрокосмической промышленности, и более конкретно относится к алюмо-медно-магниевым сплавам, имеющим вспомогательные добавки лития, которые обладают улучшенным сочетанием свойств трещиностойкости и прочности, а также улучшенным сопротивлением развитию усталостной трещины.
Уровень техники
В аэрокосмической промышленности обычно хорошо известно, что одним из наиболее эффективных способов снижения веса летательных аппаратов является уменьшение плотности алюминиевых сплавов, применяемых при конструировании летательных аппаратов. Это требование лежит в основе добавления в алюминиевые сплавы лития - металлического элемента с наименьшей плотностью. Сплавы Алюминиевой ассоциации, такие как 2090 и 2091, содержат приблизительно 2,0 массовых процента лития, что приводит приблизительно к 7-процентному снижению веса по сравнению со сплавами, не содержащими лития. Алюминиевые сплавы 2094 и 2095 содержат приблизительно 1,2 массовых процента лития. Другой алюминиевый сплав, 8090, содержит приблизительно 2,5 массовых процента лития, что приводит приблизительно к 10-процентному снижению веса по сравнению со сплавами без лития.
Однако литье таких традиционных сплавов, содержащих относительно большие количества лития, является затруднительным. Кроме того, сочетание свойств прочности и трещиностойкости для таких сплавов не является оптимальным. Существует компромиссное решение для традиционных сплавов алюминия и лития, в которых трещиностойкость снижается с повышением прочности.
Другим важным свойством аэрокосмических алюминиевых сплавов является сопротивление развитию усталостной трещины. Например, при определении допустимых повреждений в летательных аппаратах повышенное сопротивление развитию усталостной трещины является желательным. Лучшее сопротивление развитию усталостной трещины означает, что трещины растут медленнее, таким образом, обеспечивается повышенная безопасность самолетов, поскольку небольшие трещины могут быть обнаружены до того, как они достигнут критического размера для катастрофического распространения. Более того, замедленный рост трещин может иметь экономические преимущества благодаря тому, что могут быть использованы более продолжительные интервалы между обследованиями.
Следовательно, существует потребность в алюминиевом сплаве, который применяется для производства летательных аппаратов, который имеет высокую трещиностойкость, высокую прочность и отличное сопротивление развитию усталостной трещины.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение предоставляет алюминиевые сплавы, содержащие приблизительно от 3 до 5 массовых процентов меди; приблизительно от 0,5 до 2 массовых процентов магния; и приблизительно от 0,01 до 0,9 массового процента лития. Установлено, что вспомогательные добавки малых количеств лития к алюминиевым сплавам, имеющим контролируемые количества меди и магния, обеспечивают высокую трещиностойкость и высокую прочность материалу, который также обладает эквивалентным или улучшенным сопротивлением развитию усталостной трещины по сравнению с алюмо-медно-магниевыми сплавами уровня техники. В замысел настоящего изобретения входит предоставление алюминиевого сплава, содержащего приблизительно от 3 до 5 массовых процентов Cu, приблизительно от 0,5 до 2 массовых процентов Mg, и приблизительно от 0,01 до 0,9 массового процента Li, в котором суммарное количество Cu и Mg, присутствующих в сплаве, меньше предела растворимости этого сплава.
Этот и другие замыслы настоящего изобретения станут более понятны из следующего описания.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой график зависимости содержания Mg от содержания Cu, демонстрирующей максимальные пределы содержания этих элементов для Al-Cu-Mg-Li сплавов согласно вариантам воплощения настоящего изобретения.
Q
Фигура 2 представляет собой график зависимости трещиностойкости (K) и относительного удлинения от содержания лития для сплавов на основе Al-Cu-Mg для продукта в форме пластины, имеющих различные количества Li.
Q
Фигура 3 представляет собой график зависимости трещиностойкости (K) и предела текучести при растяжении от содержания лития для сплавов на основе Al-Cu-Mg для продукта в форме пластины, имеющих различные количества Li.
c
арр
Фигура 4 представляет собой график зависимости трещиностойкости (K и К) и предела текучести при растяжении от содержания лития для сплавов на основе Al-Cu-Mg для продукта в форме листа, имеющих различные количества Li.
Фигура 5 представляет собой график зависимости значений трещиностойкости и предела текучести при растяжении, приведенных на фигуре 4, по сравнению с типичными заводскими и минимальными значениями трещиностойкости и предела прочности при растяжении для листа традиционного сплава 2524.
Фигура 6 демонстрирует предел текучести при растяжении для различных образцов, полученных из Al-Cu-Mg сплавов с различным содержанием Li, обозначенных как Сплав А, Сплав В, Сплав С и Сплав D, которые были подвергнуты старению в различных условиях.
Фигура 7 представляет собой диаграмму, демонстрирующую улучшение удельной прочности для некоторых образцов, приведенных на фигуре 6.
Фигура 8 представляет собой график, демонстрирующий типичное представление скорости роста усталостных трещин, da/dN (дюйм/цикл) и ее изменения.
Фигура 9 представляет собой график, демонстрирующий кривые роста усталостных трещин для пластины Сплава А-Т3; пластины Сплава С-Т3 и пластины Сплава D-T3.
Фигура 10 представляет собой график, демонстрирующий кривые роста усталостных трещин для пластины Сплава А-Т39; пластины Сплава С-Т39; и пластины Сплава D-T39.
Фигура 11 представляет собой график, демонстрирующий кривые роста усталостных трещин для пластины Сплава А-Т8; пластины Сплава С-Т8; и пластины Сплава D-T8.
3/2
Фигура 12 представляет собой диаграмму, демонстрирующую процент изменения скорости роста трещин (da/dN) при ΔК=10 кг/дюйм (Ksi).
Фигура 13 представляет собой график, демонстрирующий R-кривые трещиностойкости для Сплава А-Т3 и Сплава С-Т3.
Фигура 14 представляет собой график, демонстрирующий R-кривые трещиностойкости для пластин Сплава А-Т39, Сплава С-Т39 и Сплава D-T39.
Подробное описание
При описании состава сплавов этого изобретения все ссылки относятся к массовым процентам, если не указано иное. При ссылке на любой диапазон численных величин следует понимать, что такие диапазоны включают каждое и любое число и/или его часть между указанным диапазоном минимума и максимума.
Используемый в этом изобретении термин "приблизительно", обычно применяемый для описания диапазонов композиций или количества легирующих добавок, означает, что фактическое количество легирующей добавки может отличаться от номинально намеченного количества вследствие таких факторов, как стандартные изменения процесса, которые понятны специалистам в этой области техники.
Термин "по существу свободный" означает, что отсутствует значимое количество этого компонента, специально добавленного в композицию сплава, причем подразумевается, что в целевом конечном продукте могут встретиться следовые количества случайных элементов и/или примесей.
Термин "предел растворимости" означает максимальное количество легирующих добавок, которое может быть добавлено в алюминиевый сплав, при сохранении состояния твердого раствора в сплаве при заданной температуре. Например, предел растворимости для суммарного количества Cu и Mg представляет собой точку, в которой Cu и/или Mg уже не могут оставаться в виде твердого раствора в алюминиевом сплаве при данной температуре. Выбранная температура может представлять собой практический компромисс между данными термодинамической фазовой диаграммы и температурой регулятора печи в условиях производства.
Термин "улучшенное сочетание свойств трещиностойкости и прочности" означает, что сплавы согласно изобретению или обладают повышенной трещиностойкостью и эквивалентной или повышенной прочностью, или обладают повышенной прочностью и эквивалентной или повышенной трещиностойкостью, по меньшей мере, при одном отпуске по сравнению с аналогичными сплавами, не содержащими лития или имеющими повышенное количество лития.
Используемый в этом изобретении термин "допустимое повреждение детали летательного аппарата" означает любую деталь летательного или аэрокосмического аппарата, спроектированную таким образом, чтобы обеспечить такой срок роста трещины, который больше любого срока накопления эксплуатационных нагрузок, которые могли бы довести трещину до критического размера, приводящего к катастрофическому разрушению. Расчет допустимого повреждения применяется для большинства первичных структур в корпусе транспортной категории, включая фюзеляжные панели, крылья, корпус крыльев, горизонтальные и вертикальные стабилизаторы, герметические перегородки, дверные и оконные рамы, но не ограничиваясь перечисленным выше. В обследуемых областях допустимые повреждения обычно достигаются с помощью дублирующих конструкций, для которых установлены интервалы инспектирования, чтобы обеспечить, по меньшей мере, два обследования на такое число полетов или летных часов, при которых могли бы визуально выявляться трещины, вырастающие до критического размера.
Настоящее изобретение относится к алюмо-медно-магниевым сплавам, имеющим вспомогательные добавки лития. Согласно изобретению предоставляются деформируемые алюмо-медно-магниевые сплавы, которые имеют улучшенное сочетание свойств трещиностойкости и прочности по сравнению с алюмо-медно-магниевыми сплавами уровня техники. Кроме того, сплавы согласно изобретению обладают улучшенным сопротивлением развитию усталостной трещины. Сплавы настоящего изобретения особенно применимы для деталей летательных аппаратов, для которых требуется высокое значение допустимого повреждения, таких как нижние компоненты крыльев, в том числе тонкие листы для обшивки и выдавленные профили для стрингеров, применяемых во встроенных структурах, или более толстые листы или выдавленные профили для жестких панелей, применяемых в интегральных структурах; фюзеляжные компоненты, включающие листы и тонкие листы для обшивки, выдавленные профили для стрингеров и рам, которые применяются во встроенных, интегральных или сварных конструкциях. Кроме того, они могут быть использованы для компонентов лонжеронов и шпангоутов, включая тонкие и толстые листы и выдавленные профили для встроенных или интегральных конструкций, или для компонентов оперения, в том числе конструкции из листов, пластин и выдавленного профиля, а также компоненты летательных аппаратов, выполненные из кованых заготовок, включая колеса летательных аппаратов, лонжероны и компоненты стойки шасси. Прочностные свойства сплавов являются такими, что они также могут быть использованы для верхних компонентов крыла и другого применения, где обычно применяются алюмо-медно-магний-цинковые сплавы. Добавки малых количеств лития устраняют проблемы, связанные с повышенными (т.е. свыше 1,5 массовых процента лития) добавками лития, такими как взрывы расплавленного металла при литье слитков.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения алюминиевый сплав может быть предоставлен в форме листа или пластины. Листовые продукты включают прокатанные алюминиевые продукты, имеющие толщину приблизительно от 0,006 до 0,25 дюйм (1 дюйм = 25,4 мм). Предпочтительно толщина листа составляет приблизительно от 0,025 до 0,25 дюйм, более предпочтительно, приблизительно от 0,05 до 0,25 дюйм. Для многих областей применения, таких как некоторые фюзеляжи летательных аппаратов, толщина листа предпочтительно составляет приблизительно от 0,05 до 0,25 дюйм, более предпочтительно, приблизительно от 0,05 до 0,2 дюйм. Пластинчатые продукты включают прокатанные алюминиевые продукты, имеющие толщину приблизительно от 0,25 до 8 дюйм. Для применения в крыльях типичная толщина пластины составляет приблизительно от 0,50 до 4 дюймов. Кроме того, в производстве фюзеляжей также применяются пластины легкого сортамента, толщиной в диапазоне от 0,25 до 0,50 дюйма. Листы и пластины легкого сортамента могут быть плакированными или неплакированными, причем предпочтительная толщина слоя плакирования составляет приблизительно от 1 до 5 процентов от толщины листа или пластины. Кроме листового и пластинчатого проката сплавы согласно изобретению могут быть произведены в виде обработанных давлением продуктов другого типа, таких как выдавленные профили и кованые заготовки, с помощью традиционных приемов.
Композиционные диапазоны содержания основных легирующих элементов (меди, магния и лития) в улучшенных сплавах этого изобретения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Композиционные диапазоны для меди, магния и лития
Состав
Cu
Mg
Li
Al
Типичный
3-5
0,5-2
0,01-0,9
остальное
Предпочтительный
3,5-4,5
0,6-1,5
0,1-0,8
остальное
Более предпочтительный
3,6-4,4
0,7-1
0,2-0,7
остальное
Медь добавляют с целью повышения прочности базового алюминиевого сплава. Однако следует соблюдать осторожность и не добавлять слишком много меди, поскольку это может снизить сопротивление коррозии. Кроме того, добавки меди сверх максимальной растворимости могут привести к снижению трещиностойкости и величины допустимого повреждения.
Магний добавляют с целью обеспечения прочности и пониженной плотности. Однако следует соблюдать осторожность и не добавлять слишком много магния, поскольку добавки магния сверх максимальной растворимости могут привести к снижению трещиностойкости и величины допустимого повреждения.
В соответствии с настоящим изобретением суммарное количество Cu и Mg, добавляемое в сплав, поддерживают ниже предела растворимости, показанного на фигуре 1. На фигуре 1 проиллюстрированы типичные композиционные диапазоны Cu и Mg, приведенные в таблице 1, с первым пределом растворимости (1) и вторым пределом растворимости (2) для содержащегося в сплаве сочетания Cu и Mg. Предел растворимости может уменьшаться, например, от первого (1) до второго (2) предела растворимости, когда количество других легирующих добавок увеличивается. Например, добавки Li, Ag и/или Zn могут привести к пониженному пределу растворимости Cu и Mg.
Для поддержания содержания Cu и Mg ниже предела растворимости их количества должны соответствовать формуле: Cu≤2 - 0,676 (Mg - 6). Предпочтительно количество Cu и Mg соответствует формуле: Cu≤1,5 - 0,556 (Mg - 6), когда добавляют приблизительно 0,8 мас.% Li.
Таким образом, количество меди и магния регулируются, чтобы обеспечить их растворимость в сплаве. Это важно в связи с тем, что атомы легирующих элементов в твердом растворе или образующие кластеры с атомами растворенного вещества могут способствовать повышенному сопротивлению развития усталостной трещины. Более того, следует контролировать сочетание меди, магния и лития для того, чтобы не превышать максимальную растворимость.
3
3
В пределах контролируемых диапазонов меди и магния диапазон содержания лития может составлять приблизительно от 0,01 до 0,9 массовых процента, предпочтительно приблизительно от 0,1 или 0,2 до 0,7 или 0,8 массовых процента. В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что относительно небольшие количества лития существенно увеличивают трещиностойкость и прочность сплавов, а также обеспечивают повышенное сопротивление развитию усталостной трещины и пониженную плотность. Однако при содержании лития выше указанного уровня трещиностойкость существенно снижается. Кроме того, следует соблюдать осторожность и не добавлять слишком много лития, поскольку превышение максимальной растворимости может привести к снижению трещиностойкости и уменьшению величины допустимого повреждения. Добавки лития в количестве приблизительно 1,5 массовых процента и выше приводят к образованию фазы δ' ("дельта прим") состава AlLi. Следует избегать наличия этой фазы, AlLi, в сплавах настоящего изобретения.
Авторы, не связывая себя конкретной теорией, полагают, что взаимодействие атомов лития в пересыщенном твердом растворе с атомами магния и/или меди, по-видимому, приводит к формированию кластеров атомов растворенного вещества при отпусках W или Т3. Это состояние проявляется в виде диффузного рассеяния в электронно-дифракционных изображениях. Такое состояние может содействовать улучшению усталостных свойств сплавов согласно изобретению.
Кроме алюминия, меди, магния и лития, сплавы настоящего изобретения могут содержать, по меньшей мере, один элемент, формирующий дисперсную систему, который выбирают из хрома, ванадия, титана, циркония, марганца, никеля, железа, гафния, скандия и редкоземельных элементов в общем количестве приблизительно от 0,05 до 1 массовых процента. Например, марганец может присутствовать в предпочтительном количестве приблизительно от 0,2 до 0,7 массовых процента.
Необязательно могут быть добавлены другие легирующие элементы, такие как цинк, серебро и/или кремний, в количестве приблизительно до 2 массовых процентов. Например, может быть добавлен цинк в количестве приблизительно от 0,05 до 2 массовых процентов, обычно приблизительно от 0,2 до 1 массового процента. В качестве конкретного примера в сплав может быть добавлен цинк в количестве 0,5 массового процента. Когда в сплав добавлен цинк, он может выступать в качестве частичной или полной замены магнию.
Серебро может быть добавлено в количестве приблизительно от 0,01 до 2 массовых процентов, типично приблизительно от 0,05 до 0,6 массового процента. Например, серебро может быть добавлено в количестве приблизительно от 0,1 до 0,4 массового процента.
Кремний может быть добавлен в количестве приблизительно от 0,1 до 2 массовых процентов, типично приблизительно от 0,3 до 1 массового процента.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения определенные элементы могут быть исключены из композиций сплавов, т.е. эти элементы преднамеренно не добавляют в сплавы, но они могут присутствовать в виде случайной или неизбежной примеси. Таким образом, желательно, чтобы сплавы были практически свободны от таких элементов, как Sc, Ag и/или Zn.
Найдено, что при сочетании малых добавок меди, повышенного содержания магния и малых добавок лития получается алюминиевый сплав, который обладает повышенной трещиностойкостью и прочностью, более высоким сопротивлением развитию усталостной трещины и относительно низкой плотностью. Трещиностойкость и прочность являются решающими свойствами для алюминиевых сплавов, применяемых в производстве летательных аппаратов. Сопротивление развитию усталостной трещины также представляет собой существенную характеристику для допустимого повреждения деталей летательных аппаратов, таких как отделения фюзеляжа и нижние отделения крыльев. Как известно, эти детали летательных аппаратов подвергаются действию циклических напряжений, как например, фюзеляжная обшивка, которая расширяется и сжимается при повышении давления и снижении давления в кабине летательного аппарата, и нижняя обшивка крыльев, которая испытывает напряжение при растяжении в полете и сжимающее напряжение, когда летательный аппарат находится на земле. Улучшенное сопротивление развитию усталостной трещины означает, что рост трещин с достижением критического размера будет происходить медленнее. Это позволит использовать более длительные интервалы обследования и, таким образом, снизить эксплуатационные затраты для летательных аппаратов. Альтернативно при сохранении такого же интервала обследования может быть повышено приложенное напряжение, в результате чего снижается вес летательных аппаратов.
Следующие примеры иллюстрируют различные аспекты этого изобретения, и они не предназначены для ограничения объема изобретения.
ПРИМЕР 1
Отливают в виде слитков пять сплавов на основе Al-Cu-Mg с различным содержанием Li, состав которых приведен в таблице 2.
Таблица 2
Определенный состав слитков
Сплав №
Cu
Mg
Li
Ag
Mn
Zr
Si
Fe
1
4,0
0,76
-
0,49
0,3
0,11
0,06
0,04
2
3,9
0,74
0,19
0,49
0,3
0,11
0,02
0,03
3
4,0
0,79
0,49
0,50
0,3
0,11
0,02
0,03
4
4,1
0,75
0,70
0,50
0,3
0,11
0,02
0,03
5
4,1
0,78
1,20
0,50
0,3
0,11
0,02
0,03
Затем из слитков, указанных в таблице 2, были изготовлены листы и пластины. На основе калориметрических анализов эти слитки гомогенизировали следующим образом. Слитки сплавов 1, 2 и 3 нагревали со скоростью 50°F/час (27,8°С/час) до 905°F (485°C) за 16 часов, затем подвергали выдержке при 905°F в течение 4 часов, затем нагревали за 2 часа до 970°F (521,1°С) и подвергали выдержке в течение 24 часов. Окончательно слитки охлаждали на воздухе до комнатной температуры. Слитки сплавов 4 и 5 нагревали со скоростью 50°F/час (27,8°С/час) до 905°F (485°C) за 16 часов, подвергали выдержке при 905°F в течение 8 часов, затем нагревали за 2 часа до 940°F (504,4°C) и подвергали выдержке в течение 48 часов прежде, чем охладить на воздухе до комнатной температуры.
Все слитки нагревают до 940°F (504,4°С) и подвергают горячей прокатке приблизительно при 900°F (482,2°C). Повторное нагревание при 940°F (504,4°С) обеспечивает поддержание температуры отпуска металла выше 750°F (398,9°C). Параметры прокатки регулируют таким образом, чтобы обеспечить уменьшение зазора между валками приблизительно на 0,5 дюйма. Произведен продукт в виде пластин толщиной 0,7 дюйма (17,8 мм) и 0,5 дюйма (12,7 мм). Кроме того, листовой продукт был подвергнут горячей прокатке до толщины 0,10 дюйма (2,5 мм).
Образцы сплавов 1,2 и 3 были подвергнуты термообработке с раствором (ТОР) при температуре 970°F (521,1°С). Пластинчатые заготовки подвергали ТОР в течение 2 часов. Листовые образцы подвергали выдержке только 1 час. Образцы сплавов 4 и 5 были подвергнуты термообработке с раствором при температуре 940°F (504,4°С). Пластинчатые заготовки подвергали ТОР в течение 2 часов. Листовые образцы подвергали выдержке только 1 час.
Все образцы закаливали в воде при комнатной температуре и растягивали на 4% до старения, чтобы прийти в состояние ТЗ отпуска. Все образцы состаривали при 310°F (154,4°С) в течение 24 часов, чтобы придти в состояние T8-отпуска.
Ic
Q
Ic
Измеряют трещиностойкость (K или К), предел прочности при растяжении (UTS), предел текучести при растяжении (TYS) и относительное удлинение (4D) пластины толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм). Испытания при растяжении проводят в продольном направлении в соответствии со стандартом ASTM В 557 "Методы стандартных испытаний на растяжение продукции из деформированного и литейного алюминия и магниевых сплавов" на круглых образцах диаметром 0,350 дюйм (8,9 мм). Трещиностойкость измеряют в L-T (длина-толщина) ориентации в соответствии со стандартом ASTM E3 99-90 "Метод стандартных испытаний трещиностойкости при плоской деформации металлических материалов", дополненным документом ASTM В645-02 "Стандартная практика для трещиностойкости при плоской деформации алюминиевых сплавов". Использованные при испытании образцы имели полную толщину пластины, причем размер W(ширина) составлял 1,0 дюйм (25,4 мм). Результаты приведены в таблице 3 и показаны на фигурах 2 и 3. Только для сплава 5 результаты испытаний соответствуют требованиям валидности в документе ASTM E3 99-90 для достоверного показателя K. Результаты испытаний для сплавов 1-4 не соответствовали следующим критериям валидности:
Q
ys
Q
ys
max
Q
Q
ys
2
2
(1) В≥2,5(K/σ); (2) а≥2,5 (K/Q); и (3) P/P≤1,1, где показатели В, К, σ,
max
Q
Q
Ic
Ic
Ic
Q
Q
Q
Ic
Р, и P определены в документе ASTM E399-90. Все остальные критерии валидности выполняются. Результаты испытаний, не соответствующие критериям валидности, обозначены как К, причем обозначение K зарезервировано для результатов испытаний, соответствующих всем критериям валидности. Отсутствие соответствия указанным выше трем критериям указывает на то, что толщина образца недостаточна для достижения условий линейно-эластичной, плоской деформации, которая определена в документе ASTM E399. Специалисты в этой области техники могут признать, что чем выше ударная вязкость или ниже предел текучести продукта, тем больше толщина и ширина для того, чтобы удовлетворять требованиям указанных выше трех критериев и получить достоверный результат, K. Толщина образца в этих испытаниях обязательно ограничивается толщиной пластины. Обычно достоверный показатель K рассматривается как свойство материала, относительно независимое от размера образца и его геометрии. Специалисты в этой области техники могут признать, что показатели K, хотя и могут обеспечить пригодную величину трещиностойкости материала, как в данном случае, могут существенно изменяться с размером образца и его геометрией. Поэтому при сопоставлении показателей K для различных сплавов необходимо, чтобы сравнение проводилось на основе образцов обычного размера, как было выполнено в этих испытаниях. Показатели K для образцов недостаточной толщины и ширины, для того чтобы удовлетворять требованиям указанных выше критериев валидности, обычно меньше, чем достоверные значения K, полученные на более крупных образцах.
Таблица 3
Свойства, измеренные на пластинах
Сплав №
Количество Li (мас.%)
TYS (кг/дюйм<sup>2</sup>)
UTS (кг/дюйм<sup>2</sup>)
Относительное удлинение(%)
Трещиностойкость K<sub>Q</sub> (кг/дюйм<sup>3/2</sup>)
1
0
66,1
70,3
15,7
37
1
0
65,9
70.1
16,4
37,4
2
0,19
68,6
72,4
17,1
42,3
2
0,19
68,4
72,4
17,1
41,3
3
0,49
76,4
79,6
15
40,3
3
0,49
76,8
79,7
14,3
39,8
4
0,70
80,6
84,5
12,9
39
4
0,70
80,6
84,4
12,9
40,6
5
1,20
85,9
90
8,6
26,5 (K<sub>Ic</sub>)
5
1,20
85,7
89,9
8,6
25,6
с
арр
о
с
арр
арр
c
арр
c
о
арр
c
арр
с
Трещиностойкость (К и К) для L-T ориентации и предел текучести при растяжении в L ориентации измеряют для листа толщиной 0,150 дюйм (0,38 мм). Испытания были проведены в соответствии со стандартом ASTM E561-98 "Стандартная практика для определения R-кривой", дополненным документом ASTM B646-97 "Стандартная практика для испытания трещиностойкости алюминиевых сплавов". Испытуемый образец представляет собой напряженный образец (со средними трещинами М(Т)) листа полной толщины, имеющего ширину 16 дюймов (406,4 мм), общую длину 44 дюйма (1118 мм), приблизительно с 38 дюймами (965 мм) между зажимами, и с начальной длиной трещин, 2а, равной 4 дюйма (101,6 мм). Показатель К рассчитывают в соответствии со стандартом ASTM B646 и К в соответствии с Mil-Hdbk-5J "Металлические материалы и элементы для аэрокосмических конструкционных летательных аппаратов". Результаты приведены в таблице 4 и на фигуре 4. Из уровня техники известно, что для сплавов, имеющих высокую трещиностойкость, показатели К и К обычно возрастают с увеличением ширины образца или когда уменьшается толщина образца. Кроме того, на показатели К и К влияет начальная длина трещин, 2а, и геометрия образца. Таким образом, показатели К и К для различных сплавов можно надежно сопоставлять с испытуемыми образцами только при эквивалентной геометрии, ширине, толщине и начальной длине трещин, как это выполнено в испытаниях настоящего изобретения. Хотя для сплавов согласно изобретению наблюдается улучшение ударной вязкости (Сплавы 2-4), соответствующее испытуемым образцам того же типа и размеров, можно ожидать, что будет наблюдаться аналогичное улучшение для других типов и размеров испытуемых образцов, в то время как показатели К и К и абсолютная величина численных различий могут изменяться по указанным выше причинам.
Таблица 4
Свойства, измеренные на листах L ориентации
№ Сплава
Количество Li (мас.%)
TYS (кг/дюйм<sup>2</sup>)
Трещиностойкость К<sub>арр</sub> (кг/дюйм<sup>3/2</sup>)
Трещиностойкость К<sub>с</sub> (кг/дюйм<sup>3/2</sup>)
1
0
63
122
172
2
0,19
69
128
184
3
0,49
77
131
183
4
0,70
80
131
185
5
1,20
90
87
97
Фигура 5 представляет собой график зависимости значений трещиностойкости и продольного предела текучести при растяжении, приведенных на фигуре 4, по сравнению с обычными заводскими и минимальными значениями для листа традиционного сплава 2524 в аналогичных условиях.
Как показано на фигурах 2-5, сплавы настоящего изобретения на основе Al-Cu-Mg, имеющие добавки лития 0,2 до 0,7 массовых процента, обладают существенно улучшенной трещиностойкостью по сравнению с аналогичными сплавами, или не содержащими Li, или имеющими большее количество Li. Кроме того, в сплавах настоящего изобретения, имеющих относительно малые добавки лития, достигаются существенно лучшие сочетания трещиностойкости и прочности.
ПРИМЕР 2
Отливают слиток алюмо-медно-магниевого сплава, имеющего следующий состав (остаток приходится на алюминий и случайные примеси):
Слиток №1
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Zr
0,03
0,03
3,24
0,58
1,32
0
0,11
Материал, произведенный из этого слитка, обозначен как сплав А.
После этого, оставшийся расплавленный металл повторно легируют (т.е. повторное легирование уже произведенного сплава) путем добавления 0,25% лития, чтобы создать целевую добавку 0,25 массового процента лития. Затем отливают второй слиток, имеющий следующий состав (остаток приходится на алюминий и случайные примеси):
Слиток №2
Li
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Zr
0,19
0,03
0,04
3,41
0,61
1,28
0
0,1
Материал, произведенный из этого слитка, в этом примере далее обозначен как сплав В.
Слиток №3 получают повторным легированием оставшегося расплавленного металла после литья слитка №2 и затем добавляют еще 0,25 массового процента лития, чтобы создать суммарное содержание целевой добавки 0,50 массового процента лития. Слиток №3 имеет следующий состав (остаток приходится на алюминий и случайные примеси):
Слиток №3
Li
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Zr
0,35
0,04
0,04
3,37
0,6
1,2
0
0,11
Материал, произведенный из этого слитка, в этом примере далее обозначен как сплав С.
Слиток №4 получают повторным легированием оставшегося расплавленного металла после литья слитка №3 и затем добавляют еще 0,26 массового процента лития, чтобы создать суммарное содержание целевой добавки 0,75 массового процента лития. Отливают четвертый слиток, имеющий следующий состав (остаток приходится на алюминий и случайные примеси):
Слиток №4
Li
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Zr
0,74
0,02
0,03
3,34
0,56
1,35
0,01
0,12
Материал, произведенный из этого слитка, в этом примере далее обозначен как сплав D.
Эти четыре слитка обрабатывают, снимая напряжение, и гомогенизируют. Затем слитки подвергают стандартной предварительной обработке выдержкой, после которой слитки подвергают обдирке на станке. Затем слитки после обдирки подвергают горячей прокатке, получая четыре (4) отдельных пластины толщиной 0,7 дюйма (17,8 мм), используя технологию горячей прокатки типичных сплавов 2ХХХ.
После получения отдельных пластин удаляют шлиф с каждой пластины. Каждый из четырех шлифов (а) подвергают термообработке с раствором; (b) закаливают; и (с) растягивают на 1,5%. После этого получают восемь образцов для испытания предела прочности при растяжении из каждого из четырех (4) обработанных шлифов, получая в сумме тридцать два образца для испытания предела прочности при растяжении. Каждый один образец для испытания предела прочности при растяжении из каждой группы по восемь образцов (имеются всего четыре пластины в каждой группе) обрабатывают в восьми различных условиях старения, как описано в надписи на фигуре 6. После этого проводят испытания предела текучести при растяжении, результаты которых показаны на фигуре 6. Можно отметить, что сплавы, имеющие добавки лития, обладают большей прочностью, чем сплавы без лития, которые в то же время проявляют термическую стабильность.
После этого оставшиеся три пластины из четырех (т.е. пластина из слитка №1, пластина из слитка №3 и пластина из слитка №4) разрезают на три части, получая заготовки 1, 2 и 3 для каждой пластины, или всего 9 заготовок. Заготовку 1 от всех трех пластин (а) подвергают термообработке с раствором; (b) закаливают; (с) растягивают на 1,5%; и (d) подвергают старению до отпуска Т8, выдерживая заготовку 24 часа при 350°F (176,7°С). Эти заготовки обозначены как сплав А-Т8, сплав С-Т8; и сплав D-T8. Заготовку 2 от всех трех пластин (а) подвергают термообработке с раствором; (b) закаливают; (с) растягивают на 1,5%; и (d) подвергают естественному старению до отпуска Т3. Эти заготовки обозначены как сплав А-Т3, сплав С-Т3; и сплав D-T3. Наконец, заготовку 3 от всех трех пластин подвергают: (а) термообработке с раствором; (b) закаливанию; (с) холодной прокатке 9%; (d) растягиванию на 1,5%; и (е) подвергают естественному старению. Эти заготовки обозначены как сплав А-Т39, сплав С-Т39; и сплав D-T39. Именно эти заготовки, представляют собой материал для всех дальнейших испытаний, которые будут приведены в этом изобретении.
Теперь обратимся к фигуре 7, на которой показаны величины отношения предела текучести при растяжении к плотности для испытуемой части каждой из девяти заготовок, полученных выше. Можно отметить, что установлено улучшение предела текучести при растяжении, отнесенное к плотности, для вспомогательных добавок лития.
3/2
2
3/2
3/2
Теперь обратимся к фигурам 8-12, для того чтобы рассмотреть главное свойство сплавов - сопротивление развитию усталостной трещины. Фигура 8 представляет собой график, демонстрирующий типичное представление скорости роста усталостных трещин и возможность улучшения этой характеристики. На оси абсцисс этого графика указана приложенная движущая сила распространения усталостных трещин в единицах диапазона фактора интенсивности напряжения, ΔК, который представляет собой функцию приложенного напряжения, длины трещин и геометрии детали. На оси ординат этого графика указан показатель сопротивления материала приложенной движущей силе, в единицах скорости распространения трещин, da/dN, в дюймах за цикл. Оба фактора, ΔК и da/dN, как обычно, представлены в логарифмическом масштабе. Каждая кривая относится к различным сплавам, причем кривая в правой части представляет сплав, имеющий улучшенное сопротивление развитию усталостной трещины по сравнению со сплавом в левой части графика. Это обусловлено тем, что кривая справа представляет сплав, имеющий меньшую скорость распространения трещин для заданного диапазона ΔК, который является движущей силой распространения трещин. Определение роста усталостных трещин для всех сплавов в L-T ориентации проводили в соответствии со стандартом ASTM Е647-95а "Метод стандартных испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин ". Испытуемый образец представляет собой напряженный образец (со средними трещинами М(Т)), имеющий ширину 4 дюйма (101,6 мм) и толщину 0,25 дюйма (6,35 мм). Эти испытания проводили на воздухе с контролируемой высокой влажностью (относительная влажность выше, чем 90%) при частоте 25 Гц. Начальное значение диапазона фактора интенсивности напряжения, ΔК, в этих испытаниях составляло приблизительно 6 кг/дюйм (ksi = кг/дюйм· = кг/дюйм), и испытания завершали при ΔК, приблизительно равном 20 кг/дюйм.
Рассматривая фиг.9-11, можно увидеть на основе критериев, рассмотренных в связи с фигурой 8, что добавка лития существенно повышает сопротивление развитию усталостной трещины соответствующих сплавах, в условиях Т3 и Т39. На фигуре 12 обобщены данные скорости роста усталостных трещин для движущей силы распространения трещин ΔК, равной 10 кг/дюйм. Процент улучшения сопротивления развитию усталостной трещины (т.е. процент уменьшения скорости роста усталостных трещин) указан в верхней части графика. Сплав С-Т3 и сплав D-T3 демонстрируют улучшение на 27% и 26% соответственно по сравнению со сплавом А-Т3 (без добавки лития). Процент улучшения сопротивления развитию усталостной трещины для сплава С-Т39 и сплава D-Т39 по сравнению со сплавом А-Т39 (без добавки лития) составляет 67% и 47% соответственно. Специалисты в этой области техники могут признать, что на скорость роста усталостных трещин может существенно влиять уровень влажности и частота в условиях влажного воздуха, как результат воздействия окружающей среды на рост усталостных трещин. Таким образом, хотя улучшение показателя роста усталостных трещин наблюдается для сплавов согласно изобретению в соответствующих конкретных условиях влажности и частоты, можно ожидать, что аналогичное улучшение будет наблюдаться и в других условиях испытаний.
Что касается сплавов Т8, можно отметить, что добавки лития не улучшают сопротивление развитию усталостных трещин. В случае сплавов, искусственно состаренных до максимальной прочности, единственным преимуществом добавок лития является улучшение прочности и снижение плотности.
R
R25
R
Q
R25
Q
о
R25
R25
с
арр
Q
ys
Q
ys
max
σ
Q
ys
max
Q
Q
2
2
На фигурах 13 и 14 продемонстрированы R-кривые трещиностойкости для сплавов после отпуска Т3 и Т39 соответственно в T-L ориентации. Кривая R представляет собой показатель сопротивления растрескиванию (К) относительно стабильного расширения трещин (Δaeff). Кроме того, в таблице 5 приведены данные одноточечных измерений трещиностойкости для сплавов А, С и D в условиях отпуска ТЗ, Т39 и Т8, в единицах К, который представляет собой показатель сопротивления расширению трещины, K, на кривой R, соответствующий 25% секущей линии от начала записи испытания, зависимости перемещения устья трещины (COD) от нагрузки, и K, который представляет собой показатель сопротивления расширению трещины, соответствующий 5% секущей линии от начала записи испытания, зависимости COD от нагрузки. Показатель К является подходящей мерой трещиностойкости при умеренной прочности, высокой ударной вязкости сплавов после отпуска, таких как Т3 и Т39, причем K является подходящим показателем для повышенной прочности, пониженной ударной вязкости сплавов после отпуска, таких как Т8. Испытания по R-кривой проводят в соответствии со стандартом ASTM E561-98 "Стандартная практика для определения R-кривой". Испытуемый образец представляет собой компактно-растянутый С(Т) образец, имеющий ширину (W) 6 дюймов (152 мм), толщину 0,3 дюйма (7,6 мм) и начальную длину трещины, а, равную 2,1 дюйма (52,5 мм). Значение К определяют в таких же испытаниях в соответствии со стандартом ASTM B646-94 "Стандартная практика для испытания трещиностойкости алюминиевых сплавов". Специалисты в этой области техники могут признать, что показатели К, подобно К и К, зависят от ширины образца, толщины и начальной длины трещины и что надежное сопоставление характеристик сплавов может быть выполнено только для испытуемых образцов эквивалентных размеров. Испытание трещиностойкости при плоской деформации проводят в L-T ориентации в соответствии со стандартом ASTM E399-90, дополненным ASTM B645-95. Использованные при испытании образцы имеют толщину 0,65 дюйма (16,5 мм) и ширину W 1,5 дюйма (38 мм). Результаты не соответствуют одному или нескольким из следующих критериев валидности: В≥2,5 (K/σ); (2) а≥2,5 (K/σ); и (3) P/P≤1,1, где определения В, K, σ, Р и P приведены в документе ASTM E399-90. К этим результатам также применимы предыдущие рассуждения относительно показателей K, которые не являются подходящими по указанным выше критериям.
Таблица 5
Измерения прочности и ударной вязкости (свойства продольного растяжения-ударной вязкости при ориентации L-T или T-L)
Сплав/Отпуск
TYS (кг/дюйм<sup>2</sup>)
UTS (кг/дюйм<sup>2</sup>)
Относительное удлинение (%)
K<sub>Q</sub>, L-T (кг/дюйм<sup>3/2</sup>)
K<sub>R25</sub>, T-L (кг/дюйм<sup>3/2</sup>)
Сплав А-Т3
47.7
65,6
18,6
-
97,9
Сплав С-Т3
51,4
69,8
17,1
-
107,8
Сплав D-T3
51,1
70,6
17,5
-
не испытан
Сплав А-Т39
61,2
67,3
11,4
-
88.8
Сплав С-Т39
63,3
70,7
9,3
-
91,5
Сплав D-T39
65,7
70,5
9,9
-
97,5
Сплав А-Т8
63,7
69,7
12,1
32,4
-
Сплав С-Т8
65,9
71,9
11,7
38,7
-
Сплав D-T8
67,8
73,8
10,7
38,9
-
Можно признать, что трещиностойкость существенно улучшается за счет малых добавок лития согласно настоящему изобретению по сравнению с аналогичными сплавами без лития или имеющими большее содержание лития. Кроме того, добавки лития согласно изобретению обеспечивают улучшение ударной вязкости при повышенном уровне прочности. Следовательно, существенно улучшается сочетание свойств трещиностойкости и прочности. Этот эффект является неожиданным, так как известно, что добавки лития снижают трещиностойкость в традиционных алюмо-медно-магний-литиевых сплавах.
Хотя здесь раскрыты конкретные варианты воплощения изобретения, специалисты в этой области техники могут признать, что могут быть разработаны различные модификации и изменения деталей изобретения в свете общих рекомендаций описания изобретения. Соответственно, описанные конкретные устройства предназначаются только в качестве иллюстрации, и не ограничивают объем изобретения, которое во всей полноте защищено в прилагаемой формуле изобретения и любых и всех ее эквивалентах.