[发明专利]一种断裂韧性优异的Goss+Cube或P+Cube织构铝合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种断裂韧性优异的Goss+Cube或P+Cube织构铝合金及其制备方法，所述铝合金包括如下质量百分比的组分，Cu 3.5～4.2％，Mg 1.0～1.5％，Zr 0.1～0.28％，Mn 0.05～0.7％，Ti 0.02～0.09％，Fe0.06％，Si0.06％，余量为Al；各组分的质量百分比之和为100％。制备方法是将含有特定组分的铝合金板材，进行首次长时间固溶、水淬处理、人工时效处理，后进行高温中大变形量热轧，后进行再结晶退火处理，最后再次进行固溶、水淬、自然时效处理。本发明工艺简单合理，使最终获得的合金板材具有优良的断裂韧性，适于工业化应用。

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，尤其是涉及一种断裂韧性优异的Goss+Cube或P+Cube织构铝合金及其制备方法。

背景技术

Al-Cu-Mg系合金由于具有中等强度，良好的韧性和优异的抗疲劳性能，是航空工业主要结构材料之一，尤其常作为飞机蒙皮和舱壁材料应用。但随着航空领域的迅猛发展，对飞机的要求越来越高，其服役环境更加恶劣，除了要求基本的高强度之外，对抗疲劳损伤性能及断裂韧性有了更高的要求。目前针对Al-Cu-Mg系合金薄板的关键性能指标是疲劳裂纹扩展速率，现已开发出许多通过织构控制提高疲劳裂纹扩展抗力的技术专利。而针对Al-Cu-Mg合金中板及厚板的主要关键性能指标为断裂韧性。众所周知，合金断裂韧性的服役条件是在单轴拉应力作用下，这不同于疲劳服役的交变应力作用条件。且断裂韧性应力大小接近合金的屈服强度，远高于疲劳的低载荷应力；断裂裂纹扩展速率也远高于疲劳裂纹扩展速率。这意味着断裂韧性的损伤机理与疲劳损伤机理存在较大差异。如何提高该系合金中厚板材料的断裂韧性成为亟待解决的问题，这也对该系铝合金在航空航天领域的应用和发展具有十分深远的意义。

研究表明，织构是影响疲劳裂纹扩展速率的一个关键因素。再结晶Goss{110}001及P{110}221晶粒被认为有利于提高合金的疲劳裂纹扩展抗力。其原因在于强Goss或P组分使合金晶粒中{111}面大多处在或者接近于最大外加切应力方向，有利于位错在交变应力作用下的滑移，提高裂纹闭合效应，缓解应力集中；另一方面Goss和P晶粒都与周围晶粒具有大的偏转或扭转角，有利于裂纹在交变应力下的偏转，使裂纹扩展消耗的能量增加，提高了铝合金的疲劳裂纹扩展抗力。与之相反，Brass{110}112}形变晶粒虽然与周围晶粒存在较大的扭转或偏转角，但是其晶粒中{111}面大多处在或者远离最大外加切应力方向，不利于位错在交变应力作用下的滑移，容易诱发应力集中，不利于合金疲劳性能的提高。Copper{112}111与S{123}634晶粒由于与周围晶粒存在较小的扭转及偏转角，也不利于疲劳抗力的增加。而Cube晶粒对疲劳裂纹扩展抗力的阻碍程度介于Goss与Brass晶粒之间。

目前一些相关专利已经公布通过采用合理的加工工艺手段调整Goss或P织构组分强度，以此提高合金疲劳性能。如中国专利CN103526140A中，对Al-Cu-Mg合金冷轧板进行高温短时固溶(505-535℃/1-25min)及淬火处理，再在室温下自然时效至少96h，获得了Goss织构强度值为6.27的时效板材，其疲劳性能较优异。中国专利CN103045976A中，对冷轧板先进行300-440℃/20-120min中间退火，再进行475-505℃/10-120min固溶淬火处理后，在室温自然时效至少100小时，获得了Goss织构强度值为6.52的时效板材,同样其疲劳性能也较优异。中国专利CN10358997A，采用中小变形量热轧+一次固溶+大变形量冷轧+二次固溶+自然时效处理获得板材的Goss织构方向强度为3.72，疲劳性能也相对优异。中国专利CN108504915A中，通过控制合金Cu/Mg质量比，将合金铸锭进行依次均匀化、高温快速热轧、再结晶退火、固溶淬火+自然时效后获得了较高强度的Goss+P织构板材。中国专利CN108103373A中，通过在Al-Cu-Mg合金中添加适量的Ag，将合金热轧板材经过300-450℃/60-240min再结晶退火，再进行480-510℃/20-120min固溶淬火处理后，自然时效至少96小时，获得了较高强度的P织构。