АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ СЕРИИ 2ХХХ
ALUMINIUM-LITHIUM ALLOYS OF 2XXX SERIES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[001] Данная заявка на патент испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/444,093, озаглавленной «АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ СЕРИИ 2ХХХ», поданной 17 февраля 2011 года, которая включена сюда по ссылке во всей своей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Алюминиевые сплавы используются в многообразных областях применения. Однако улучшение одного свойства алюминиевого сплава без ухудшения другого свойства часто оказывается труднодостижимым. Например, трудно повысить прочность сплава без снижения вязкости сплава. Прочие представляющие интерес свойства алюминиевых сплавов включают коррозионную стойкость и сопротивление росту усталостных трещин, и это только два примера.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] В общих чертах, настоящая заявка на патент относится к толстым изделиям из деформируемых алюминий-литиевых сплавов серии 2ххх с улучшенными свойствами. В целом, толстые изделия из деформируемых алюминий-литиевых сплавов серии 2ххх содержат от 3,0 до 3,8 вес.% Cu, от 0,05 до 0,35 вес.% Mg, от 0,975 до 1,385 вес.% Li, где -0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85, от 0,05 до 0,50 вес.% регулирующего структуру зерен элемента, выбранного из группы, состоящей из Zr, Sc, Cr, V, Hf, других редкоземельных элементов и их комбинаций, вплоть до 1,0 вес.% Zn, вплоть до 1,0 вес.% Mn, вплоть до 0,15 вес.% Ti, вплоть до 0,12 вес.% Si, вплоть до 0,15 вес.% Fe, вплоть до 0,10 вес.% любого прочего элемента, при сумме этих прочих элементов, не превышающей 0,35 вес.%, остальное составляет алюминий. Толстые деформированные изделия, включающие сплавы с такими составами, достигают улучшенного сочетания прочности и вязкости. Композиционные пределы для нескольких сплавов, применимых в соответствии с идеями настоящего изобретения, представлены ниже в Таблицах 1а-1с (значения в весовых процентах).
Таблица 1а
Примерный состав сплавов
Сплав
Cu
Mg
Li
Соотношение Cu-Mg-Li
Широкий
3,0-3,8
0,05-0,35
0,975-1,385
0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85
Предпочт. (1)
3,1-3,7
0,10-0,30
1,005-1,355
Предпочт. (2)
3,2-3,6
0,15-0,25
1,035-1,325
Предпочт. (3)
3,3-3,6
0,15-0,25
1,035-1,310
Таблица 1b
Примерный состав сплавов
Сплав
Mn
Регулирующий структуру зерен элемент
Ti
Zn
Широкий
0-1,0
0,05-0,50
0-0,15
0-1,0
Предпочт. (1)
0,10-0,80
0,05-0,20 Zr
0-0,10
0-1,0
Предпочт. (2)
0,20-0,60
0,07-0,14 Zr
0,01-0,06
0-1,0
Предпочт. (3)
0,20-0,40
0,08-0,13 Zr
0,01-0,03
0-1,0
Таблица 1с
Примерный состав сплавов
Сплав
Fe
Si
Ag
Прочие элементы: каждый/в сумме
Остальное
Широкий
≤0,15
≤0,12
Входит в «прочие элементы»
0,10/0,35
Al
Предпочт. (1)
≤0,12
≤0,10
Входит в «прочие элементы»
0,05/0,15
Al
Предпочт. (2)
≤0,08
≤0,06
Входит в «прочие элементы»
0,05/0,15
Al
Предпочт. (3)
≤0,05
≤0,04
Входит в «прочие элементы»
0,03/0,10
Al
[004] Толстые изделия из деформируемых алюминиевых сплавов представляют собой те обработанные давлением (т.е. деформированные) изделия, которые имеют толщину в поперечном сечении по меньшей мере 12,7 мм. В одном варианте воплощения толстое изделие из деформируемого алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 25,4 мм. В еще одном варианте воплощения толстое изделие из деформируемого алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 50,8 мм. Описываемые здесь улучшенные свойства могут быть достигнуты с толстыми обработанными давлением изделиями, имеющими толщину вплоть до 177,8 мм, или вплоть до 152,4 мм, или вплоть до 127 мм, или вплоть до 101,6 мм. Используемая в этом абзаце толщина относится к минимальной толщине изделия, с пониманием того, что на некоторых участках изделие может иметь несколько большие толщины, чем установленное минимальное значение.
[005] В новый сплав включена медь (Cu), и в общем она содержится в диапазоне от 3,0 вес.% до 3,8 вес.% Cu. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 3,1 вес.% Cu. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере 3,2 вес.% Cu, или по меньшей мере 3,3 вес.% Cu, или по меньшей мере 3,35 вес.% Cu, или по меньшей мере 3,4 вес.% Cu. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более 3,75 вес.% Cu. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более 3,7 вес.% Cu, или не более 3,65 вес.% Cu, или не более 3,6 вес.% Cu.
[006] В новый сплав включен магний (Mg), и в общем он содержится в диапазоне от 0,05 вес.% до 0,35 вес.% Mg. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 0,10 вес.% Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере 0,15 вес.% Mg. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более 0,35 вес.% Mg. В других вариантах воплощения новый сплав может включать не более 0,30 вес.% Mg, или не более 0,25 вес.% Mg.
[007] В новый сплав включен литий (Li), и в общем он содержится в диапазоне от 0,975 вес.% до 1,385 вес.%. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 1,005 вес.% Li. В других вариантах воплощения новый сплав может включать по меньшей мере 1,035 вес.% Li, или по меньшей мере 1,050 вес.% Li, или по меньшей мере 1,065 вес.% Li, или по меньшей мере 1,080 вес.% Li, или по меньшей мере 1,100 вес.% Li, или по меньшей мере 1,125 вес.% Li, или по меньшей мере 1,150 вес.%. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более 1,355 вес.% Li. В других вариантах воплощения новый сплав включает не более 1,325 вес.% Li, или не более 1,310 вес.%, или не более 1,290 вес.% Li, или не более 1,270 вес.% Li, или не более 1,250 вес.% Li.
[008] Совокупные количества Cu, Mg и Li могут быть соотнесены с реализацией улучшенных свойств. В одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает Cu, Mg и Li согласно вышеуказанным условиям и в соответствии со следующим выражением:
(1) -0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85.
Другими словами:
min
(2) Li = 1,65-0,3(Mg)-0,15(Cu); и
max
(3) Li = 1,85-0,3(Mg)-0,15(Cu).
Изделия из алюминиевого сплава, имеющие попадающие в пределах этих выражений уровни содержания Cu, Mg и Li, могут обеспечивать улучшенное сочетание свойств (например, улучшенное соотношение прочность-вязкость).
[009] Цинк (Zn) может необязательно быть включен в новый сплав, причем с содержанием вплоть до 1,0 вес.% Zn. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 0,20 вес.% Zn. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 0,30 вес.% Zn. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более 0,50 вес.% Zn. В еще одном варианте воплощения новый сплав включает не более 0,40 вес.% Zn.
6
12
3
2
[0010] Марганец (Mn) может необязательно быть включен в новый сплав, причем в количестве вплоть до 1,0 вес.%. В одном варианте воплощения новый сплав включает по меньшей мере 0,05 вес.% Mn. В других вариантах воплощения новый сплав включает по меньшей мере 0,10 вес.% Mn, или по меньшей мере 0,15 вес.% Mn, или по меньшей мере 0,2 вес.% Mn. В одном варианте воплощения новый сплав включает не более 0,8 вес.% Mn. В других вариантах воплощения новый сплав включает не более 0,7 вес.% Mn, или не более 0,6 вес.% Mn, или не более 0,5 вес.% Mn, или не более 0,4 вес.% Mn. В производящей сплавы промышленности марганец может рассматриваться как легирующий ингредиент и как регулирующий структуру зерен элемент - марганец, удерживаемый в твердом растворе, может улучшать механические свойства сплава (например, прочность), тогда как марганец в дисперсной форме (например, в виде AlMn, AlMnSi - иногда называемых дисперсоидами) может содействовать регулированию структуры зерен. Однако, поскольку в настоящей заявке на патент марганец Mn отдельно определяется со своими собственными композиционными пределами, он не входит в определение «регулирующий структуру зерен элемент» (описанный ниже) для целей настоящей заявки на патент.
[0011] Сплав может включать от 0,05 до 0,50 вес.% по меньшей мере одного регулирующего структуру зерен элемента, выбранного из группы, состоящей из циркония (Zr), скандия (Sc), хрома (Cr), ванадия (V) и/или гафния (Hf), и/или других редкоземельных элементов, и таким образом, что используемый(е) регулирующий(е) структуру зерен элемент(ы) поддерживает(ют)ся ниже предела их максимальной растворимости. Используемый здесь термин «регулирующий структуру зерен элемент» означает элементы или соединения, которые представляют собой намеренно введенные легирующие добавки с целью формирования частиц вторичных фаз, обычно в твердом состоянии, для регулирования изменений структуры твердофазных зерен во время термических процессов, таких как возврат и рекристаллизация. Для целей настоящей заявки на патент регулирующие структуру зерен элементы включают Zr, Sc, Cr, V, Hf и другие редкоземельные элементы, и это только некоторые примеры, но не включают Mn.
[0012] Используемое в сплаве количество регулирующего структуру зерен материала в общем зависит от типа материала, применяемого для регулирования структуры зерен, и/или способа получения сплава. В одном варианте воплощения регулирующий структуру зерен элемент представляет собой Zr, и сплав включает от 0,05 вес.% до 0,20 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения сплав включает от 0,05 вес.% до 0,15 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения сплав включает от 0,07 до 0,14 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения сплав включает 0,08-0,13 вес.% Zr. В одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает по меньшей мере 0,07 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает по меньшей мере 0,08 вес.% Zr. В одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает не более 0,18 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает не более 0,15 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает не более 0,14 вес.% Zr. В еще одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает не более 0,13 вес.% Zr.
2
2
2
[0013] Сплав может включать вплоть до 0,15 вес.% Ti, в совокупности для измельчения зерен и/или других целей. Добавки для измельчения зерен представляют собой инокулянты, или зародышеобразователи, для затравки новых зерен во время затвердевания сплава. Одним примером добавки для измельчения зерен является пруток с диаметром 9,525 мм, включающий 96% алюминия, 3% титана (Ti) и 1% бора (В), где фактически весь бор присутствует в виде частиц тонко диспергированного TiB. Во время литья пруток для измельчения зерен подают в поточном режиме в текущий в литейную яму расплавленный сплав с регулируемой скоростью. Включаемое в состав сплава количество добавки для измельчения зерен в общем зависит от типа материала, используемого для измельчения зерен, и от способа получения сплава. Примеры добавок для измельчения зерен включают Ti, связанный с В (например, TiB) или углеродом (TiC), хотя могут быть применены другие добавки для измельчения зерен, такие как Al-Ti-е лигатуры. В общем, добавки для измельчения зерен добавляют в количестве, составляющем от 0,0003 вес.% до 0,005 вес.% сплава, в зависимости от желательного размера зерен в литом состоянии. В дополнение, Ti может быть добавлен в сплав отдельно в количестве вплоть до 0,15 вес.%, в зависимости от вида изделия, для повышения эффективности добавки для измельчения зерен, и типично в диапазоне от 0,01 до 0,03 вес.% Ti. Когда в сплав вводят Ti, он в общем присутствует в количестве от 0,01 до 0,10 вес.%. В одном варианте воплощения алюминиевый сплав включает добавку для измельчения зерен, и эта добавка для измельчения зерен представляет собой по меньшей мере одно соединение из TiB и TiC, где весовой процент Ti в сплаве составляет от 0,01 до 0,06 вес.%, или от 0,01 до 0,03 вес.%.
[0014] Алюминиевый сплав может включать железо (Fe) и кремний (Si), типично в качестве примесей. Содержание железа в новом сплаве в общем не должно превышать 0,15 вес.%. В одном варианте воплощения содержание железа в сплаве составляет не более 0,12 вес.%. В других вариантах воплощения алюминиевый сплав включает не более 0,10 вес.% Fe, или не более 0,08 вес.% Fe, или не более 0,05 вес.% Fe, или не более 0,04 вес.% Fe. Подобным образом, содержание кремния в новом сплаве в общем не должно превышать примерно 0,12 вес.%. В одном варианте воплощения содержание кремния в сплаве составляет не более 0,10 вес.% Si, или не более 0,08 вес.% Si, или не более 0,06 вес.% Si, или не более 0,04 вес.% Si, или не более 0,03 вес.% Si.
[0015] В некоторых вариантах воплощения по настоящей заявке на патент серебро (Ag) считается примесью, и в этих вариантах осуществления оно входит в определение «прочие элементы», определяемые ниже, т.е. оно содержится на уровне примеси 0,10 вес.% или менее, в зависимости от того, какие пределы «прочих элементов» применимы к сплаву. В других вариантах воплощения серебро целенаправленно вводят в состав сплава (например, для прочности), причем в количестве от 0,11 вес.% до 0,50 вес.%.
[0016] Новые алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх в общем содержат низкие количества «прочих элементов» (например, способствующих литью добавок и примесей, иных, нежели железо и кремний). Используемый здесь термин «прочие элементы» означает любой прочий элемент Периодической таблицы, за исключением алюминия и вышеописанных меди, магния, лития, цинка, марганца, регулирующих структуру зерен элементов (т.е. Zr, Sc, Cr, V, Hf и других редкоземельных элементов), железа и/или кремния, насколько это уместно, описанных выше. В одном варианте воплощения новые алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх содержат не более 0,10 вес.% каждого из любого прочего элемента, с общим совокупным количеством этих прочих элементов, не превышающим 0,35 вес.%. В еще одном варианте воплощения каждый из этих прочих элементов, по отдельности, не превышает 0,05 вес.% в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх, а общее совокупное количество этих прочих элементов в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх не превышает 0,15 вес.%. В еще одном варианте воплощения каждый из этих прочих элементов, по отдельности, не превышает 0,03 вес.% в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх, а общее совокупное количество этих прочих элементов в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх не превышает 0,10 вес.%.
[0017] Новые сплавы могут быть использованы во всех видах обработанных давлением изделий, включая плиты, поковки и экструдированные профили.
[0018] Новый сплав может быть получен в деформируемой форме, и в надлежащем состоянии, более или менее традиционными способами, включая литье с прямым охлаждением (DC) алюминиевого сплава в форме слитка. После стандартных операций обдирки, токарной обработки или шелушения (если необходимо) и гомогенизации, причем гомогенизация может быть выполнена до или после обдирки, эти слитки могут быть далее подвергнуты горячей обработке изделия давлением. Затем изделие необязательно может быть подвергнуто холодной обработке давлением, необязательно отжигу, термообработке на твердый раствор, закалке и конечной холодной обработке давлением. После стадии конечной холодной обработки давлением изделие может быть искусственно состарено. Таким образом, изделия могут быть получены в состоянии Т3 или Т8.
[0019] Если не оговорено иное, в настоящей заявке применимы следующие определения:
[0020] «Изделие из деформируемого алюминиевого сплава» означает изделие из алюминиевого сплава, которое подвергнуто горячей обработке давлением после литья, и включает катаные изделия (плита), кованые изделия и экструдированные изделия.
[0021] «Кованое изделие из алюминиевого сплава» означает изделие из деформируемого алюминиевого сплава, которое подвергнуто либо объемной штамповке, либо ручной ковке.
[0022] «Термообработка на твердый раствор» означает подвергание алюминиевого сплава воздействию повышенной температуры с целью перевода растворимого(ых) компонента(ов) в твердый раствор.
[0023] «Горячая обработка давлением» означает обработку изделия из алюминиевого сплава давлением при повышенной температуре, как правило, по меньшей мере 250°F.
[0024] «Холодная обработка давлением» означает обработку изделия из алюминиевого сплава давлением при температурах, которые не считаются температурами горячей обработки давлением, как правило, ниже примерно 250°F.
[0025] «Искусственное старение» означает подвергание алюминиевого сплава воздействию повышенной температуры с целью выделения фазы растворенного(ых) компонента(ов). Искусственное старение может происходить в одну или множество стадий, которые могут включать переменные температуры и/или продолжительности воздействия.
[0026] Эти и прочие аспекты, преимущества и новые признаки этой новой технологии изложены отчасти в нижеследующем описании и станут понятными специалистам после ознакомления с нижеследующим описанием и фигурами, или же могут быть уяснены при практической реализации одного или более вариантов воплощения технологии, предусмотренной настоящим изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] ФИГУРЫ 1-4 представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примеру 1.
[0028] ФИГУРЫ 5-6а и 7-8 представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примеру 2.
[0029] ФИГ.6b представляет собой график, показывающий пример линии минимальных характеристик для изделий толщиной 50,8-76,2 мм, выполненных из алюминиевых сплавов согласно настоящему изобретению.
[0030] ФИГУРЫ 9-10 представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примерам 1-2.
[0031] ФИГУРЫ 11-12 представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примеру 3.
[0032] ФИГУРЫ 13а-13b представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примерам 1-3.
[0033] ФИГУРЫ 14а-14с представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики разных изделий из алюминиевых сплавов согласно Примерам 1-3.
[0034] ФИГУРЫ 15а-15с представляют собой графики, иллюстрирующие различный состав алюминиевых сплавов, применимых в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] Пример 1 - Испытание плиты
[0036] Разные Al-Li-е сплавы отлили в виде прямоугольного слитка и гомогенизировали. Подвергнутые обдирке слитки имели толщину 368,3 мм. Состав каждого слитка показан ниже в Таблице 2а. Сплавы А-В представляют собой сплавы по изобретению, тогда как сплавы С-D представляют собой сплавы не по изобретению.
Таблица 2а
Состав сплавов
Сплав
Si
Fe
Cu
Mg
Mn
Zn
Ti
Zr
Li
A
0,018
0,027
3,50
0,21
0,30
0,35
0,019
0,130
1,18
B
0,015
0,027
3,48
0,21
0,29
0,34
0,017
0,127
1,17
C
0,02
0,03
3,86
0,19
0,35
0,46
0,02
0,11
1,40
D
0,02
0,03
3,75
0,20
0,35
0,46
0,02
0,11
1,37
Остальное в каждом сплаве составляет алюминий и прочие элементы, причем ни один прочий элемент не превышает 0,05 вес.%, а сумма этих прочих элементов не превышает 0,15 вес.%. Сплавы подвергают горячей прокатке, термообработке на твердый раствор, закалке и вытяжке на примерно 6%. Сплавы С и D прокатывают до двух различных калибров. Приблизительные конечные размеры приведены ниже в Таблице 2b.
Таблица 2b
Сплавы и конечные калибры
Сплав
Конечный калибр (мм)
Конечный калибр (дюймов)
A
63,5
2,5
B
101,6
4,0
C-1
68,6
2,7
C-2
101,6
4,0
D-1
76,2
3,0
D-2
119,4
4,7
[0037] На сплавах проводят разные двухстадийные операции искусственного старения, причем первую стадию выполняют при 290°F (143,3°С) в течение разных длительностей, как приведено ниже в Таблицах 3-4, тогда как вторую стадию выполняют в течение 12 часов при 225°F (107,2°С). Разные механические свойства состаренных плит из алюминиевых сплавов измеряют в соответствии со стандартами ASTM Е8 и В557, результаты чего приведены ниже в Таблице 3. Также измерены свойства вязкости разрушения, результаты чего приведены ниже в Таблице 4.
Таблица 3
Свойства прочности и удлинения плит
Сплав
Длительность 1-ой стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
TYS(МПа)
UTS (МПа)
Относительное удлинение (%)
A
20
LT
T/4
442,6
499,2
14,0
A
31
LT
T/4
439,9
499,9
13,6
A
44
LT
T/4
476,5
525,4
10,3
A
60
LT
T/4
488,3
535,0
9,8
A
20
ST
T/2
408,9
500,6
6,3
A
31
ST
T/2
426,1
513,7
6,2
A
44
ST
T/2
450,9
530,0
5,1
A
60
ST
T/2
455,2
534,3
4,3
B
20
LT
T/4
428,5
486,1
10,0
B
31
LT
T/4
433,3
491,3
11,1
B
44
LT
T/4
467,1
515,8
8,7
B
60
LT
T/4
477,5
526,1
6,9
B
20
ST
T/2
414,0
481,9
4,7
B
31
ST
T/2
425,4
487,1
4,7
B
44
ST
T/2
441,4
505,4
3,1
B
60
ST
T/2
452,1
512,1
2,7
C-1
12
LT
T/4
474,7
547,1
11,4
C-1
24
LT
T/4
514,0
570,9
7,9
C-1
36
LT
T/4
540,2
587,8
6,1
C-1
12
ST
T/2
431,3
535,4
6,2
C-1
24
ST
T/2
464,0
545,0
3,1
C-1
36
ST
T/2
478,8
554,3
3,1
C-2
6
LT
T/4
387,8
497,5
11,1
C-2
16
LT
T/4
470,6
540,2
7,9
C-2
26
LT
T/4
501,9
562,3
3,6
C-2
6
ST
T/2
371,6
479,2
3,9
C-2
16
ST
T/2
457,1
533,3
3,1
C-2
26
ST
T/2
488,2
515,0
0,8
D-1
6
LT
T/4
389,6
498,5
14,3
D-1
16
LT
T/4
468,8
533,7
10,7
D-1
26
LT
T/4
493,3
553,3
7,5
D-1
6
ST
T/2
365,4
472,6
6,2
D-1
16
ST
T/2
406,1
459,9
4,7
D-1
26
ST
T/2
475,1
549,5
3,1
D-2
12
LT
T/4
467,5
526,1
5,7
D-2
24
LT
T/4
500,6
548,1
2,9
D-2
36
LT
T/4
533,0
563,3
2,9
D-2
12
ST
T/2
424,0
485,4
2,4
D-2
24
ST
T/2
453,0
508,5
1,6
D-2
36
ST
T/2
471,9
517,1
1,6
Таблица 4
Свойства вязкости разрушения плит - Т/2
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
K<sub>IC</sub> T-L (МПа√м)
K<sub>IC</sub> S-L (МПа√м)
A
20
--
39,9
A
31
43,3
35,3
A
44
36,3
31,6
A
60
33,6
28,7
B
20
37,5
35,3
B
31
39,0
34,6**
B
44
33,7
27,8
B
60
31,8
24,1
C-1
12
29,1
25,2
C-1
24
24,4
20,5
C-1
36
21,5
16,3**
C-2
6
36,9
22,1
C-2
16
27,5
19,6
C-2
26
24,7
14,8
D-1
6
42,0
30,9
D-1
16
30,8
24,1
D-1
26
25,8
21,0
D-2
12
26,2
19,3
D-2
24
22,8
15,3**
D-2
36
21,0
14,4**
** = значения K<sub>Q</sub>, но показательны для значений K<sub>IC</sub>; В=25,4 мм, W=50,8 мм и а≈25,4 мм
[0038] ФИГУРЫ 1-4 иллюстрируют механические свойства сплавов. Сплавы по изобретению из Примера 1, с усредненным составом примерно 3,5 вес.% Cu, 0,20 вес.% Mg и примерно 1,20 вес.% Li, реализуют значительно лучшие свойства прочности-вязкости сравнительно со сплавами не по изобретению.
[0039] Свойства стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением многих из сплавов испытаны в соответствии со стандартом ASTM G47. Все сплавы А-В по изобретению, за исключением одного образца сплава А (образец, состаренный в течение 31 часа во время первой стадии старения), не достигают повреждения при результирующем напряжении 241,3 МПа или 310,3 МПа на протяжении периода времени свыше 100 дней испытания. Сплавы С и D проявляют многочисленные повреждения на протяжении того же периода времени при таких же условиях испытания. Это обусловливается тем фактом, что сплавы С и D требуют недостаривания для достижения хорошей вязкости, что делает их склонными к коррозии. Сплавы С и D могли бы быть состарены далее для улучшения коррозионной стойкости, но тогда снижалась бы вязкость. Напротив, сплавы А и В по изобретению достигают хорошего сочетания всех трех свойств (прочности, вязкости и коррозионной стойкости).
[0040] Один образец сплава А (60 часов первой стадии старения) также испытан при 379,2 МПа, наряду с одним образцом сплава А (44 часа первой стадии старения) и двумя образцами сплава В (44 и 60 часов первой стадии старения). Все эти образцы также выдерживают испытание при результирующем напряжении 379,2 МПа, за исключением одного образца одного сплава А (60 часов первой стадии старения), который разрушился после 94 часов воздействия. Многие из сплавов по изобретению также испытаны на стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением с использованием испытания в условиях морского побережья и при результирующем напряжении 241,3, 310,3 и 379,2 МПа. Ни один из сплавов не получил повреждений при испытании в условиях морского побережья после по меньшей мере 250 дней воздействия.
[0041] Пример 2 - Дополнительное испытание плит
[0042] Разные Al-Li-е сплавы отлили в виде прямоугольных слитков и гомогенизировали, причем из каждого сплава получены два слитка. Подвергнутые обдирке слитки имели толщину 298 мм. Состав каждого слитка показан ниже в Таблице 5. Сплавы E-F представляют собой сплавы по изобретению. Сплав G представляет собой сплав не по изобретению и подобен сплаву XXI, описанному в патенте США № 5259897, который содержал 3,5 вес.% Cu, 1,3 вес.% Li, 0,4 вес.% Mg, 0,14 вес.% Zr, 0,03 вес.% Ti, остальное составляли алюминий и примеси.
Таблица 5
Состав сплавов
Сплав
Si
Fe
Cu
Mg
Mn
Zn
Ti
Zr
Li
E
0,03
0,04
3,27
0,25
0,24
0,38
0,02
0,11
1,21
F
0,03
0,04
3,27
0,26
0,24
0,31
0,02
0,11
1,19
G
0,02
0,03
3,48
0,39
0,01
0,02
0,02
0,11
1,29
Остальное в каждом сплаве составляют алюминий и прочие элементы, причем ни один прочий элемент не превышает 0,05 вес.%, а сумма этих прочих элементов не превышает 0,15 вес.%. Сплавы подвергают горячей прокатке, термообработке на твердый раствор, закалке и вытяжке на примерно 6%. Сплавы Е и F прокатывают до двух различных калибров. Приблизительные конечные калибры приведены ниже в Таблице 6.
Таблица 6
Сплавы и конечные калибры
Сплав
Конечный калибр (мм)
Конечный калибр (дюймов)
E-1
63
2,48
E-2
102
4,02
F
125
4,92
G-1
63
2,48
G-2
102
4,02
[0043] На сплавах проводят разные двухстадийные операции искусственного старения, причем первую стадию выполняют при 290°F (143,3°С) в течение разных длительностей, как приведено ниже в Таблице 7, тогда как вторую стадию выполняют в течение 12 часов при 225°F (107,2°С). Разные механические свойства состаренных плит из алюминиевых сплавов измеряют в соответствии со стандартами ASTM Е8 и В557, результаты чего приведены ниже в Таблицах 7, 9 и 11. Также измерены свойства вязкости разрушения, результаты чего приведены ниже в Таблицах 8, 10 и 12.
Таблица 7
Свойства прочности плит толщиной 63 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
TYS(МПа)
UTS (МПа)
Относительное удлинение (%)
E-1
24
LT
T/4
442
496
14,3
E-1
42
LT
T/4
478
525
11,4
E-1
60
LT
T/4
490
534
8,6
E-1
72
LT
T/4
490
536
10
G-1
24
LT
T/4
462
521
11,4
G-1
42
LT
T/4
502
552
8,6
G-1
60
LT
T/4
514
563
7,1
G-1
72
LT
T/4
519
567
5,7
E-1
24
ST
T/2
438
520
6
E-1
42
ST
T/2
459
538
4,3
E-1
60
ST
T/2
466
538
3,2
E-1
72
ST
T/2
473
547
2,9
G-1
24
ST
T/2
451
540
3,6
G-1
42
ST
T/2
479
560
1,8
G-1
60
ST
T/2
485
552
0,9
G-1
72
ST
T/2
486
534
0,6
Таблица 8
Свойства вязкости разрушения плит толщиной 63 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
K<sub>IC</sub> (МПа√м)
E-1
24
T-L
T/2
37,0
E-1
42
T-L
T/2
31,8
E-1
60
T-L
T/2
30,5
E-1
72
T-L
T/2
--
G-1
24
T-L
T/2
31,7
G-1
42
T-L
T/2
26,2
G-1
60
T-L
T/2
--
G-1
72
T-L
T/2
--
E-1
24
S-L
T/2
31,1
E-1
42
S-L
T/2
26,5
E-1
60
S-L
T/2
25,2
E-1
72
S-L
T/2
24,3
G-1
24
S-L
T/2
23,7
G-1
42
S-L
T/2
21,1
G-1
60
S-L
T/2
17,4
G-1
72
S-L
T/2
17,8
Таблица 9
Свойства прочности плит толщиной 102 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
TYS (МПа)
UTS (МПа)
Относительное удлинение (%)
E-2
42
LT
T/4
470
520
6,4
E-2
60
LT
T/4
483
530
5,7
E-2
72
LT
T/4
485
532
6,4
G-2
24
LT
T/4
443
505
9
G-2
42
LT
T/4
489
540
5
G-2
60
LT
T/4
504
553
4,3
G-2
72
LT
T/4
505
554
5
E-2
42
ST
T/2
444
505
2,4
E-2
60
ST
T/2
452
509
1,9
E-2
72
ST
T/2
451
508
1,7
G-2
24
ST
T/2
430
504
2,3
G-2
42
ST
T/2
467
533
1,7
G-2
60
ST
T/2
473
525
1,2
G-2
72
ST
T/2
472
525
1,2
Таблица 10
Свойства вязкости разрушения плит толщиной 102 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
K<sub>IC</sub> (МПа√м)
E-2
42
T-L
T/2
29,0
E-2
60
T-L
T/2
27,5
E-2
72
T-L
T/2
--
G-2
24
T-L
T/2
29,9
G-2
42
T-L
T/2
25,2
G-2
60
T-L
T/2
--
G-2
72
T-L
T/2
--
E-2
42
S-L
T/2
23,6
E-2
60
S-L
T/2
23,4
E-2
72
S-L
T/2
23,5
G-2
24
S-L
T/2
21,8
G-2
42
S-L
T/2
16,0
G-2
60
S-L
T/2
17,3
G-2
72
S-L
T/2
14,9
Таблица 11
Свойства прочности плит толщиной 125 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
TYS (МПа)
UTS (МПа)
Относительное удлинение (%)
F
42
LT
T/4
458
506
6,4
F
60
LT
T/4
469
515
5,4
F
72
LT
T/4
471
517
5,7
F
42
ST
T/2
432
480
1,6
F
60
ST
T/2
441
489
1,7
F
72
ST
T/2
445
489
1,6
Таблица 12
Свойства вязкости разрушения плит толщиной 125 миллиметра
Сплав
Длительность 1-й стадии старения при 290°F (часов)
Ориентация
Плоскость испытания
K<sub>IC</sub> (МПа√м)
F
42
T-L
T/2
31,4
F
60
T-L
T/2
29,5
F
72
T-L
T/2
--
F
42
S-L
T/2
24,0
F
60
S-L
T/2
22,2
F
72
S-L
T/2
20,8
[0044] Как проиллюстрировано на ФИГ.5 и 7, сплав Е по изобретению проявляет улучшенный тренд прочности-вязкости в длинном поперечном (LT) направлении относительно сплава G уровня техники. Как проиллюстрировано на ФИГ.6а и 8, сплав Е по изобретению проявляет улучшенный тренд прочности-вязкости в коротком поперечном направлении (ST) относительно сплава G уровня техники. В отношении короткого поперечного направления и как проиллюстрировано в ФИГ.6а, при примерно эквивалентной прочности сплав Е проявляет приблизительно 17%-ное улучшение вязкости по сравнению со сплавом G. При примерно эквивалентной вязкости сплав Е проявляет на примерно 5% лучшую прочность по сравнению со сплавом G. Подобные результаты реализованы в отношении плит, имеющих толщину 102 мм (ФИГ.8).
[0045] Один пример линии минимальных характеристик в коротком поперечном направлении для изделий толщиной 50,8-76,2 мм проиллюстрирован на ФИГ.6b. Этот пример линии минимальных характеристик основан на данных сплава Е толщиной 63,5 мм в направлении ST. Как проиллюстрировано на ФИГ.6b, линия минимальных характеристик требует, чтобы изделие в виде плиты из алюминиевого сплава толщиной 50,8-76,2 мм реализовывало соотношение прочность-вязкость, которое удовлетворяет следующему выражению:
FT-SL≥=-0,199(TYS-ST)+116,
IC
где TYS-ST - предел текучести при растяжении в направлении ST плиты в МПа, измеренный в соответствии со стандартами ASTM Е8 и ASTM В557, и где FT - вязкость разрушения при плоской деформации S-L (K) плиты в МПа√м, измеренная в соответствии со стандартом ASTM Е399. Линия минимальной характеристики требует, чтобы изделие из деформируемого алюминиевого сплава реализовывало значение TYS-ST по меньшей мере 400 МПа, а FT-SL - по меньшей мере 22 МПа√м. В одном варианте воплощения точка пересечения этой линии минимальных характеристик составляет 116,5. В еще одном варианте воплощения точка пересечения этой линии минимальных характеристик составляет 117. В еще одном дополнительном варианте воплощения точка пересечения этой линии минимальных характеристик составляет 117,5. В еще одном варианте воплощения точка пересечения этой линии минимальных характеристик составляет 118.
[0046] Как проиллюстрировано на ФИГ.9-10, более толстые изделия из сплава также достигают улучшенных свойств. Сплав F по изобретению в форме плиты и с толщиной 125 мм достигает улучшенного сочетания прочности-вязкости по сравнению со сплавом D-2 не по изобретению в форме плиты и с толщиной 119,4 мм.
[0047] Свойства стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением плит из сплавов Е-F по изобретению испытаны в соответствии со стандартом ASTM G47 в ST-направлении на середине толщины. Все из сплавов Е-F по изобретению не достигают повреждений при результирующем напряжении 310,3 МПа и 379,2 МПа на протяжении периода времени 60 дней испытания.
[0048] Пример 3 - Кованые изделия
[0049] Отлили в виде прямоугольного слитка и гомогенизировали Al-Li-й сплав, состав которого показан ниже в Таблице 13. Подвергнутый обдирке слиток имел толщину 356 мм. Сплав Н представляет собой сплав по изобретению.
Таблица 13
Состав сплава
Сплав
Si
Fe
Cu
Mg
Mn
Zn
Ti
Zr
Li
H
0,02
0,03
3,50
0,21
0,30
0,35
0,02
0,13
1,18
Остальное в сплаве составляют алюминий и прочие элементы, причем ни один прочий элемент не превышает 0,03 вес.%, а сумма этих прочих элементов не превышает 0,12 вес.%. Из слитка получены штампованные поковки в состоянии Т852 (т.е. горячая ковка до заданного калибра, термообработка на твердый раствор, закалка, холодная обработка давлением на примерно 6% и затем старение), после чего измерены механические свойства. Результаты приведены ниже в Таблице 14.
Таблица 14
Свойства подвергнутого объемной штамповке сплава
Калибр
25,4 мм
50,8 мм
76,2 мм
1-я стадия старения
24 часа при 290°F
48 часов при 290°F
24 часа при 290°F
48 часов при 290°F
24 часа при 290°F
48 часов при 290°F
2-я стадия старения
12 часов при 225°F
12 часов при 225°F
12 часов при 225°F
12 часов при 225°F
12 часов при 225°F
12 часов при 225°F
TYS, LT (МПа)
496,4
517,1
475,7
503,3
468,8
496,4
UTS, LT (МПа)
530,9
551,6
517,1
537,8
510,2
530,9
Удлинение, LT (%)
14
14
14
13
9
6
TYS, ST (МПа)
--
--
413,7
434,4
413,7
434,4
UTS, ST (МПа)
--
--
482,6
503,3
468,8
496,4
Удлинение, ST (%)
--
--
10
10
10
10
K<sub>IC</sub>, T-L (МПа√м)
50,5
46,2
47,3
35,2
40,7
26,4
K<sub>IC</sub>, S-L (МПа√м)
--
--
41,8
36,3
38,5
31,9
[0050] Как показано на ФИГ.11-12, сплав по изобретению реализует хорошее сочетание прочности-вязкости. Как показано на ФИГ.13а-14b, сплавы по изобретению реализуют сходные свойства как в форме штампованной поковки, так и в форме плиты (включает Пример 1-3). ФИГ.13а-13b иллюстрируют характеристики плит толщиной 63 мм и штампованной поковкой толщиной 50,8 мм. Как показано, тренды является сходными. Таким образом, кованые и экструдированные обработанные давлением изделия, выполненные из сплавов по изобретению, предполагаются достигающими свойств, подобных аналогичным по размерам изделиям-плитам, выполненным из сплавов по изобретению. Таким образом, линия минимальных характеристик на ФИГ.6b предполагается применимой ко всем обработанным давлением изделиям, имеющим толщину от 50,8 мм до 76,2 мм. ФИГ.13с иллюстрирует объединенные характеристики поковки толщиной 50,8 мм и плит толщиной 63 мм по сравнению со сплавами С-1 и G не по изобретению. ФИГ.14а-14b иллюстрируют характеристики соответственно плит по изобретению толщиной 101,6 мм и штампованной поковки. ФИГ.14с иллюстрирует объединенные характеристики плит толщиной 101,6 мм и штампованной поковки по изобретению по сравнению со сплавами С-2 и G не по изобретению.
[0051] Результаты Примеров 1-3 указывают на то, что количество Cu, Mg и Li должно быть точно отрегулировано так, чтобы состав сплава удовлетворял следующему выражению:
(1) -0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85.
Это проиллюстрировано на ФИГ.15а-15с. По мере повышения содержания Cu и/или Mg сплавы могут проявлять тенденцию к большей чувствительности к закалке. Количество лития, которое может быть использовано, может зависеть от такой чувствительности к закалке, и эта формула учитывает вариации Cu и Mg с тем, чтобы упростить получение толстых изделий, имеющих хорошие свойства прочности-вязкости.
[0052] Свойства стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) сплава Н испытаны в соответствии со стандартом ASTM G47 в ST-направлении на середине толщины поковок толщиной 50,8 и 101,6 мм. Эти поковки не достигают повреждений при результирующем напряжении 241,3 МПа и 310,3 МПа на протяжении периода времени свыше 100 дней испытания. Те же поковки также испытаны на стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, будучи подвергнутыми SCC-испытанию в условиях морского побережья при результирующем напряжении 241,3 МПа и 310,3 МПа. Ни для одного из сплавов испытание в условиях морского побережья не оказалось неудачным после по меньшей мере 150 дней воздействия. Образцы для SCC-испытания в условиях морского побережья протестированы в зажимных приспособлениях с постоянной нагрузкой (например, подобных тем, которые применяются при ускоренном лабораторном SCC-испытании). Условия SCC-испытания на морском побережье включают непрерывное воздействие на образцы на стеллажах окружающей среды морского побережья, где образцы находятся на высоте примерно 1,5 метра над землей, образцы ориентированы под углом 45° к горизонтали, и с лицевой поверхностью образцов, обращенной к господствующим ветрам. Образцы размещены примерно в 100 метрах от береговой линии. В одном варианте воплощения береговая линия имеет скалистый характер, с господствующими ветрами, ориентированными в сторону образцов, чтобы обеспечивать агрессивное воздействие соляного тумана (например, местоположение, подобное станции для воздействия климатических условий морского побережья фирмы Alcoa Inc. в Пойнт-Джудит, Род-Айленд, США).
[0053] Хотя выше были подробно описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения, очевидно, что специалистам придут на ум модификации и адаптации этих вариантов воплощения. Однако должно быть совершенно понятно, что такие модификации и адаптации находятся в пределах смысла и объема настоящего изобретения.