[发明专利]Al-Cu-Li合金片材改进的变形方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝-铜-锂合金产品，且更具体而言涉及特别是设计用于航空和航天工程的所述产品、其制造方法和用途。

背景技术

已开发由铝合金制成的轧制产品以制备特别是设计用于航空和航天工业的高强度部件。

在此方面，含有锂的铝合金特别受到关注，这是因为每加入1重量百分比的锂，就可以使铝的密度降低3%并使弹性模量提高6%。对于待选择用于飞机的这些合金，与其他通常的特性相比，其性能必须达到常规用途合金的性能，特别是对于静态机械强度性能（屈服应力、最终拉伸强度）和损伤容限性能（韧性、耐疲劳裂纹扩展性）之间的平衡，这些性能通常相互对立。机械强度和损伤容限之间的平衡的改进是不断探索的主题。

薄Al-Cu-Li合金片材、特别是厚度介于0.5mm至12mm之间的片材的另一重要的性能是成型的能力。这些片材特别用于制造具有复杂三维总体形状的飞机机身元件或火箭元件。为降低制造成本，飞机制造商力图使片材成型步骤数最少，并且力图使用能够通过短的变形过程而低成本地制造的片材，所述短的变形过程即包括尽可能少的单个步骤。

为制造机身面板，目前有多个可行的加工步骤，其特别地取决于成型方法过程中所需的变形。对于成型过程中的小的变形（通常小于4%），可以提供处于淬火和自然老化状态（轻度回火的“T3”或“T4”）的片材，并且在该状态下使片材成型。

然而，在大多数情况下，所需变形为局部至少5%或6%。飞机制造商目前的实践通常为：根据所需厚度获得热轧或冷轧片材，如原始制造状态（根据标准EN515的“F”状态）、自然老化状态（“T3”或“T4”状态）、或退火状态（“O”状态），对其进行固溶热处理，接着淬火，然后在刚刚淬火状态下（“W”状态）成型，最终使其自然老化或人工老化，从而获得所需的机械性能。一般而言，在固溶热处理和淬火后，片材处于具有良好的可成形性的状态，然而该状态不稳定（“W”状态），并且成型必须在刚刚淬火状态下进行，即在淬火后大致数十分钟至数小时的短暂时间内进行。如果这鉴于生产管理的原因不可行，则片材必须在温度足够低的冷藏间中储存且储存时间应足够短以避免自然熟化。在某些情况下，应注意，对于固溶热处理后过短的持续时间，在成型后出现Lüders线，这需要与最短等待时间一起的额外的附加要求。对于体积庞大且高度成型的部件，该固溶热处理需要大尺寸的熔炉，这使操作困难，包括涉及在平面片材上进行的相同操作。可能需要冷藏间会增加现有技术的成本和缺陷。此外，片材可能在淬火后变形并且产生与变形有关的问题，例如当将其置于拉伸成型的工具的钳口中时。对于高度成型的部件，该操作可以视需要重复进行，如果材料在其目前的冶金状态下不具有足以使其可以在单独的操作中获得所需形状的可成形性。

在目前的另一实践中，由O-状态片材或者甚至T3、T4或F-状态片材开始，由所述状态实施初始成型操作，并且接着在固溶热处理和淬火后实施第二成型操作。在所需形状无法由W-状态在单个操作中实现时，特别地使用这一变型，然而所述变型可能由O-状态开始进行两轮。此外，由于O-状态片材随时间更稳定，所以其更易于变形。然而，O-状态片材的制造包括轧制片材的最终退火，并且因此通常包括附加制造过程以及成型产品的固溶热处理和淬火，这与本发明的简便的目的相违背。

在T8状态中形成复杂的结构元件受限于温和的成型条件，因为在该状态中伸长率和R_m/R_p0,2比例过低。

应注意，就性能的折衷而言的最优性能必须是部件一旦成型就获得，特别是作为机身元件，这是因为成型的部件应具有损伤容限方面的良好性能特征，以避免过于频繁地修复机身元件。通常公认的是，在固溶热处理和淬火后的复杂变形使得机械强度提高但使韧性急剧劣化。

美国专利5,032,359记载了一大类铝-铜-锂合金，其加入镁和银，特别是0.3重量%至0.5重量%的镁和银，可以提高机械强度。

美国专利5,455,003记载了在低温下制造具有改进的机械强度和断裂韧性的Al-Cu-Li合金的方法，特别是由于合适的应变硬化和老化。该专利特别推荐组成Cu=3.0–4.5、Li=0.7-1.1、Ag=0-0.6、Mg=0.3-0.6和Zn=0-0.75，以重量%表示。

美国专利7,438,772记载了包括Cu:3-5、Mg:0.5-2、Li:0.01-0.9的合金，以重量%表示，并且由于断裂韧性和机械强度之间的平衡降低而不鼓励使用更高的锂含量。