[发明专利]生产用于航空航天应用的成形Al合金板的方法

说明书

技术领域

本发明涉及由5000-系列铝合金片材生产成形(shaped)铝合金板(优选用于航空航天应用或汽车应用)的方法。

背景技术

在下文中将会明了的是，除非另作说明，铝合金牌号和状态代号(temper designations)是指本领域公知的由美国铝业协会(Aluminum Association)在2010年出版的“Aluminum Standards and Data and the Registration Records”中的“Aluminum Association designations”。

除非另作说明，对于合金组成或优选合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。

与多种现有的铝合金相比，由于具有较低的密度并在同时具有与现有铝合金相当的强度和韧性水平，使得AlMg合金、特别是AlMgSc合金成为航空航天应用的合适侯选物。但是，航空航天应用需要片材成型(formed)为复杂的弯曲形状，例如机身蒙皮、下机翼蒙皮、上机翼蒙皮或桁条。目前，蠕变成型是5000-系列铝合金片材成型的优选方法。在蠕变成型期间，将片材在高压釜中加热至通常高于约300℃的温度，并对片材施加载荷，例如通过使用真空将片材引入模具中。在这一过程中，片材缓慢变形至期望的形状，这一过程可能花费数个小时。这一成型方法的优势主要在于形状的准确度高，以及可将这一成型方法与激光束焊接(将桁条焊接至片材)相结合。不利之处在于蠕变退火装置的成本高，并且所需要的成型时间长。

本领域已知的另一成型方法为拉伸成型，其中，在片材边缘处夹住片材，并在模具内拉伸。这一成型技术在航空航天工业中被用于可时效硬化的铝合金。但是，当将拉伸成型用于5000合金时，由于Portevin-Le Chatelie(PLC)效应在成型板上产生了所谓的PLC带。这些PLC带是由于拉伸过程中的不均匀流动(inhomogeneous flow)而在成型片材的表面上出现的平行带，从拉伸成型过程中所记录的锯齿状应力-应变曲线中也可看到。此类PLC带被认为是不可接受的表面缺陷，因此，至今仍避免将此类板用于航空航天工业或汽车应用中。

防止PLC带形成的一种可能方式是将拉伸成型期间的温度降低至低温温度(cryogenic temperatures)。专利文件US4,159,217中公开了这一方法，该文件中提出在-100℃至约-200℃的低温温度下对加工硬化片材进行拉伸成型。通过将片材浸入合适的低温介质(例如液氮)或者浸入干冰和乙醇的混合物中使其冷却。但是，US4,159,217并未描述拉伸性能，因此未描述将低温下的拉伸成型用于5000-系列合金的可行性。此外，所使用的温度很低，需要大量使用低温介质。

因此，本发明的一个目的是提供使成形铝合金板得以成型的方法，所述方法对5000-系列合金片材提供了良好的结果，并且所述方法比起已公开的现有技术方法具有更高的成本效益。此外，本发明的另一目的是提供5000合金系列的成形铝合金板，所述铝合金板在成型后同时具有良好的伸长率、拉伸性能以及抗腐蚀性。

发明内容

通过权利要求1中所述方法和权利要求11中所述成形铝合金板限定的本发明满足或超出了这一目的和进一步的优势。

具体实施方式

出乎预料的是，发现了在-100℃至-25℃的温度下，对5000-系列合金片材进行拉伸成型也有可能不形成PLC带。成型温度的上限优选为约-30℃、更优选约-35℃、最优选约-40℃。成型温度的下限优选为约-90℃、最优选约-80℃。由于实践上的原因，成型温度通常在选在温度范围的较高部分、例如在约-40℃至-70℃之间，并通过例如干冰使得合金片材冷却(干冰的温度仅为-78℃)。

这一相对高的温度在所施加的拉伸成型过程中允许更多的灵活性。例如，可在拉伸成型前冷却铝片材，即，拉伸成型装置自身不需要冷却。或者，在成型期间冷却片材，但可在成型过程中停止主动冷却。可通过如下方式实现冷却至成型温度：将冷却介质(例如干冰)放置在片材上；用液氮进行喷涂；或者借助于用于冰箱的常规冷却器械对拉伸成型设备进行冷却。根据优选的实施方式，在拉伸成型前通过使用干冰、特别是通过浸于干冰中或用干冰喷涂来对板材进行冷却，并且在拉伸成型期间不再进行冷却。因此，可实现约-70℃至约-40℃的成型温度，所述成型温度完全足以实现良好的成型结果(如下文所示)，同时由于使用了相对便宜的干冰，所以冷却方法具有成本效益。