[发明专利]用于飞机机身的高韧度铝－铜－锂板材

说明书

技术领域

本发明总体而言涉及铝合金产品，更具体地说，涉及这类产品、其制备方法以及用途，特别是在航空航天工业中的用途。

背景技术

正在不断地努力研发能够同时降低重量并提高高性能飞机的结构效率的材料。在这方面，铝-锂(AlLi)合金是非常有利的，这是由于锂重量每增加百分之一，就能够将铝的密度降低3％并且能将弹性模量提高6％。但是，AlLi合金并未广泛应用于航空航天工业中，这是由于迄今为止生产的合金的某些缺陷，例如热稳定性不够，强各向异性和韧度不够。

例如，在《铝和铝合金(Aluminium and Aluminium Alloys)》，(ASMSpecialty Handbook，1994)一书的“铝-锂合金”一章中已描述了AlLi合金的发展史。在二十世纪二十年代德国人发明了第一种铝-锂合金(Al-Zn-Cu-Li)，接着苏联于二十世纪五十年代晚期发明了合金AA2020(Al-Cu-Li-Mn-Cd)，并于二十世纪六十年代中期发明了合金1420(Al-Mg-Li)。合金AA2020唯一的工业应用是RA5C Vigilante飞机的机翼和水平稳定器。合金AA2020的常规组成是(以重量百分比计)：Cu：4.5，Li：1.2，Mn：0.5，Cd：0.2。在与AA2020合金的有限应用相关的原因中，可以重点指出的是其低韧度。除Cd的特殊效应之外，其性能受限的原因之一是该合金中使用Mn。在1982年，E.A.Starke声称(在《冶金学报A(Metallurgical Transactions A)》，Vol 13A，p2267中)“较大的富含Mn的分散胶体可能通过引起孔隙也对延展性有害”。这种Mn的有害作用的观点已为本领域普通技术人员广泛认同。例如，在1991年，Blackenship声称(在《第六次国际铝-锂会议记(Proceedings ofthe Sixth International Aluminium-Lithium Conference)》，Garmisch-Partenkirchen，p190中)“富含锰的分散胶体造成孔隙从而加速断裂过程”。曾有人建议，锆应该取代锰作为用于控制粒状结构的制剂。在同一篇文献中，Blackenship声称“锆是用于控制Al-Li-X合金中的粒状结构的优质元素”。

在二十世纪八十年代AlLi合金继续发展并导致商用合金AA8090、AA2090和AA2091的发明。所有这些合金都含有锆而不含有锰。

在二十世纪九十年代早期，发明了一种新的含银的AlLi合金系列，其商标是“”。这些合金一般含有更少的Li并具有更好的热稳定性。美国专利No.5,032,359(Pickens，Martin Marietta)描述了包含以下成分的合金：2.0-9.8重量％的由Cu、Mg及其混合物组成的合金元素，0.01-2.0重量％的Ag，0.2-4.1重量％的Li，0.05-1.0重量％的选自Zr、Cr、Mn、Ti、B、Hf、V、TiB₂及其混合物的晶粒细化添加剂。应当注意Pickens提出的细化添加剂表实际上混合了用于铸造时细化晶粒的元素(诸如TiB₂)和用于变形操作时控制晶粒结构的元素(诸如锆)。虽然Pichens指出“虽然本文的重点应放在用于细化晶粒的锆的使用上，但是可以使用常规的晶粒细化剂，例如Cr、Mn、Ti、B、Hf、V、TiB₂及其混合物”，但是AlLi合金的发展史清楚地表明，对于本领域普通技术人员存在一种与使用除Zr之外的任何元素以控制晶粒结构相关的偏见。因此，在Pickens描述的所有实例中都使用Zr。在一种最近开发的合金(AA2050，另见WO2004/106570)中也发现使用锆用于晶粒细化，添加锰能够改进韧度。

也可以列举合金AA2297，其含有锂、铜和锰、可含有镁但不含银，对于合金AA2297也使用锆用于晶粒细化。US 5,234,662公开一种组成，优选是1.6重量％的Li、3重量％的Cu、0.3重量％的Mn和0.12重量％的Zr。

已经提出AA2050和AA2297合金主要用于厚度大于0.5英寸(12.7mm)的厚板材。

另一个含Zn的AlLi合金系列在例如美国专利No.4,961,792和美国专利No.5,066,342中进行了描述并在二十世纪九十年代早期得到了发展。这些合金的冶炼不能与“”合金的冶炼相比，这是因为大量的锌的掺入，特别是因为锌与镁的结合，显著改变了合金的性能，例如机械强度和抗腐蚀性。