Пригодное для сварки металлическое изделие
Изобретение относится к экструдированному или катаному плакированному металлическому изделию и может быть использовано в транспортной промышленности, аэрокосмических изделиях, судах. Изделие содержит плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слоя, при этом плакируемый и плакирующий металлические слои выполнены из алюминиевых сплавов, содержащих, вес.%: от 3 до 8 Mg и Sc в диапазоне от 0,05 до 1 и при этом содержание Sc в сплаве плакируемого слоя ниже, чем его содержание в сплаве плакирующего слоя на 0,02% или более. Изобретение также относится к сварной структуре, включающей такое металлическое изделие. В результате использования изобретения получают изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc, с улучшенным балансом прочности и свариваемости. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 пр.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к металлическому изделию, выполненному из алюминиевого сплава, содержащего скандий. Настоящее изобретение дополнительно относится к сварной конструкции, включающей в себя такое металлическое изделие. Продукты, выполненные из данного металлического изделия, являются весьма пригодными для применений в транспортной промышленности, таких как применение в аэрокосмических изделиях, судах, дорожных и рельсовых транспортных средствах.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как будет понятно ниже, за исключением, если не будет указано иного, маркировки алюминиевых сплавов и маркировки состояний относятся к маркировкам Алюминиевой Ассоциации в Стандартах Алюминия и Данных и Записей Регистраций, как опубликовано Алюминиевой Ассоциацией в 2009.
Для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на процентные содержания приведены в весовых процентах, если не указывается иного.
В данной области техники известно несколько Sc-содержащих алюминиевых сплавов.
Патент US № 5624632 раскрывает продукт из алюминиевого сплава, причем его состав по существу не содержит цинка и лития и имеет 3-7% Mg, 0,05-0,2% Zr, 0,2-1,2% Mn, не более 0,15% Si и 0,05-0,5% дисперсоидообразующего элемента, выбранного их группы, состоящей из: Sc, Er, Y, Gd, Ho или Hf, остальное - алюминий и неизбежные примеси. Данный продукт из алюминиевого сплава указан особенно подходящим для применений, где требуется стойкость к повреждениям.
Патент US № 6139653 раскрывает алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,1-0,5% Mn, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси. Далее раскрывается алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси.
Патент US № 6531004 раскрывает свариваемый, коррозионно-стойкий алюминиевый сплав, имеющий 5-6% Mg, 0,05-0,15% Zr, 0,05-0,12% Mn, 0,01-0,2% Ti, 0,05-0,5% в сумме Sc и Tb и по меньшей мере 0,1-0,2% Cu или 0,1-0,4% Zn, остальное - алюминий и неминуемые примеси, не превышающие 0,1% Si. В данном документе сообщается, что в сенсибилизированных условиях вследствие низкого содержания Mn достигается улучшенная коррозионная устойчивость.
Существует спрос на изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента с улучшенным балансом по прочности и свариваемости.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является обеспечение изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc и имеющего улучшенный баланс по прочности и свариваемости.
Другой задачей изобретения является обеспечение сварной конструкции, включающей в себя изделие из алюминиевого состава, содержащее Sc и имеющее улучшенный баланс по прочности и свариваемости.
Эти и другие задачи и дальнейшие преимущества решаются или превышаются настоящим изобретением, предоставляющим экструдированное или катаное плакированное металлическое изделие, имеющее плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой на по меньшей мере одной поверхности плакируемого металлического слоя, при этом металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими по меньшей мере Sc в диапазоне примерно от 0,05 до 1%, и при этом содержание Sc в плакируемом слое меньше, чем в упомянутом плакирующем металлическом слое.
В соответствии с изобретением было найдено, что для достижения хороших механических свойств в объеме металлических изделий требуется иной уровень Sc по сравнению с требующимся для достижения хороших сварочных характеристик и при этом более высокие уровни Sc выгодны для сварочных характеристик, таких как, например, сварка посредством луча лазера. Небольшая вариация в содержании Sc может иметь значительное влияние на одно из значимых технических свойств, и если бы следовало предоставить изделие из алюминиевого сплава, выполненное с одним единственным химическим составом, то нужно было бы найти некий баланс. Однако, обеспечивая плакированное металлическое изделие так, что плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой имеют различные уровни Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента и при этом плакирующий металлический слой металлургически связан с плакируемым металлическим слоем, получают улучшенное изделие, которое сочетает в себя выгодные механические свойства плакируемого металлического слоя с выгодными сварочными характеристиками плакирующего металлического слоя, имеющего более высокое содержание Sc, чем плакируемый металлический слой.
Также существует экономическое преимущество в том, что относительно высокий уровень Sc при довольно дорогостоящем Sc требуется только для выбранной части целого металлического изделия.
Разница в содержании Sc между плакируемым и плакирующим металлическими слоями может быть подобрана для соответствия специфическим требованиям по техническим свойствам. В одном варианте осуществления различие в содержании Sc между плакируемым металлическим слоем и плакирующим металлическим слоем составляет 0,02% или более, а предпочтительно 0,04% или более, например, разница в примерно 0,06% или в примерно 0,08%.
В одном варианте осуществления металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, содержащими примерно от 3 до 8% Mg и дополнительно по меньшей мере Sc в диапазоне от 0,05 до 1%.
В одном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:
| Mg | примерно от 3 до 8, предпочтительно примерно от 3,8 до 6 |
| Mn | не более примерно 1,4, предпочтительно примерно от 0,05 до 1,2 |
| Sc | от 0,05 до 1 |
| Ag | не более примерно 0,5 |
| Zn | не более примерно 2 |
| Cu | не более примерно 2 |
| Li | не более примерно 3 |
| необязательно по меньшей мере один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr от 0,03 до 0,4, Cr от 0,03 до 0,4, Hf от 0,03 до 0,4 и Ti от 0,005 до 0,4 | |
| Fe | не более примерно 0,35 |
| Si | не более примерно 0,25 |
| неизбежные примеси и остальное - алюминий |
Типично, неизбежные примеси присутствуют в диапазоне каждая не более 0,05% и в общем не более 0,25%.
Железо может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,35% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,25%. Типичный предпочтительный уровень железа будет находится в диапазоне не более 0,14%.
Кремний может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,25% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,2%. Типичный предпочтительный уровень Si будет находится в диапазоне не более 0,12%, например на уровне примерно 0,04%.
В одном варианте осуществления цинк может присутствовать не более примерно 0,4%. А в другом варианте осуществления изобретения Zn может присутствовать в качестве упрочняющего элемента в диапазоне примерно от 0,4 до 2%. Относительно высокое количество Zn также имеет положительный эффект на коррозионную стойкость металлического изделия.
Cu может присутствовать в AlMgSc-сплаве в качестве упрочняющего элемента в диапазоне не более примерно 2%. Однако в тех применениях металлического изделия, где коррозионная стойкость является крайне критичным техническим свойством, является предпочтительным поддержание Cu на низком уровне в 0,25% или менее, а предпочтительно на уровне в 0,1% или менее и более предпочтительно на уровне в 0,04% или менее.
Li может присутствовать в AlMgSc-сплаве в диапазоне не более примерно 3% для обеспечения продукта с низкой плотностью, высокой прочностью, хорошей свариваемостью и очень хорошей реакцией на естественное старение. При целенаправленном добавлении предпочтительный уровень Li находится в диапазоне от 0,5 до 3%, а более предпочтительно в диапазоне от примерно 1 до 2,5%. В альтернативном варианте осуществления нет целенаправленного добавления Li и его содержание должно сохраняться на уровне примесей максимум 0,05%, а более предпочтительно алюминиевый сплав не содержит лития.
AlMgSc-сплав может содержать один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr 0,03-0,4%, Cr 0,03-0,4%, Hf 0,03-0,4%, Ti 0,005-0,4%. В Al-Mg-Sc предпочтительным легирующим элементом является Zr. Добавка Zr предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,05-0,2%.
Ti может быть добавлен к AlMgSc-сплаву в качестве упрочняющего элемента, или для улучшения коррозионной стойкости, или в целях добавки, измельчающей зерно.
В частном предпочтительном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, состоящими, вес.%:
| Mg | примерно от 3,8 до 5,1, предпочтительно примерно от 3,8 до 4,7 |
| Mn | не более примерно 0,4, предпочтительно не более примерно 0,25 |
| Sc | от 0,05 до 1 и предпочтительно от 0,05 до 0,4 |
| Zn | не более примерно 0,4 |
| Cu | не более примерно 0,25 |
| Cr | не более примерно 0,10 |
| Zr | примерно от 0,05 до 0,20 |
| Ti | не более примерно 0,20 |
| Fe | не более примерно 0,35, предпочтительно не более примерно 0,15 |
| Si | не более примерно 0,25, предпочтительно не более примерно 0,10, |
| другие и неизбежные примеси, каждая максимум 0,05, общий максимум 0,15, а остальное - алюминий |
Сохраняя разницу в содержании Sc, как определено в соответствии с данным изобретением для плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя, плакируемый и плакирующий слои могут иметь по существу идентичный химический состав, очевидно в пределах точности измерений и контроля при производстве таких продуктов. Это улучшает совместимость между плакируемым и плакирующим слоями при производстве плакированного металлического изделия.
В альтернативном варианте осуществления количество одного или более легирующих элементов в плакируемом металлическом слое и плакирующем металлическом слое может быть выбрано с вариацией по отношению друг к другу, чтобы достигнуть последующего баланса в технических свойствах в плакированном металлическом изделии.
В одном варианте осуществления плакируемый металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,05 до 0,25%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 0,1 до 0,22%, например, при примерно 0,14% или при примерно 0,16%. Плакирующий металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне примерно от 0,2 до 1%, например, примерно 0,25%. В частности, когда применяют высокую скорость затвердевания при литье в промышленном процессе производства плакирующего металлического слоя, уровень Sc может быть не более 1%, например, примерно 0,5% или примерно 0,9%. В процессах литья, подобных литью с прямым охлаждением (DC) плоских или круглых заготовок, достигаются скорости затвердевания вплоть до примерно 100 К/сек, в результате чего используют уровни Sc вплоть до примерно 0,3%.
Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть предусмотрено в виде экструдированного изделия или, более предпочтительно, в виде катаного изделия.
В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом плакирующий металлический слой имеет толщину в диапазоне примерно от 1 до 70%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 2 до 25%, от толщины плакируемого металлического слоя.
В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом по меньшей мере одна сторона плакируемого металлического слоя снабжена множественными плакирующими металлическими слоями с различным содержанием Sc. Например, плакируемый металлический слой, имеющий содержание Sc примерно 0,16%, может быть снабжен первым плакирующим металлическим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,21%, и вторым плакирующим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,28%, на внешней стороне от первого плакирующего металлического слоя.
Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть сформировано с использованием аналогичных методов, как и для металлического изделия из уни-сплава, например, посредством формования при ползучести или суперпластического формования.
В производстве плакированного металлического изделия в соответствии с изобретением плакирующий металлический слой может быть нанесен на плакируемый металлический слой любыми пригодными средствами, такими как посредством плакировки прокаткой. Плакированное металлическое изделие в экструдированной форме может быть произведено, например, посредством метода экструзии, как описывается в патентном документе WO-2007/070731, опубликованном 21 июня 2007 г., в частности в абзацах [0063]-[0068], раскрытие публикации которого специально включено сюда посредством ссылки.
В еще одном аспекте настоящего изобретения оно также относится к способу получения катаного плакированного металлического изделия, при этом способ содержит:
(i) обеспечение плакировки на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слитка посредством совместного литья с образованием плакированного слитка, и
(ii) прокатку упомянутого плакированного слитка с получением изделия-плиты или листового изделия, имеющего плакируемый металлический слой и по меньшей мере один плакирующий слой.
В одном варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакируемого слитка на плакирующий слой в точке, где металл плакирующего металлического слоя находится в температуре между температурой солидуса и температурой ликвидуса металла плакирующего металлического слоя, с получением по существу непрерывной металлургической связи между металлическими слоями. Данный способ совместного литья и устройство также описываются в патентной публикации US № 2005/0011630, опубликованной 20 января 2005 г. (раскрытие которой специально включено сюда посредством ссылки).
В другом варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакирующего слоя в расплавленной форме на твердый плакируемый слиток.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения предусмотрена сварная конструкция, содержащая плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки.
В одном варианте осуществления изобретение относится к сварной конструктивной детали воздушного судна, содержащей катаное плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, предпочтительно стрингер, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки, например посредством сварки лазерным лучом или посредством сварки трением с перемешиванием.
Данное изобретение также содержит воздушное судно или космический аппарат, фюзеляж которого полностью или частично выполнен из сварной конструкции в соответствии с изобретением, которая может быть внедрена в различные конструктивные части воздушного судна. Например, различные раскрытые варианты осуществления могут использоваться для формирования конструктивных частей в узлах крыльев и/или конструктивных частей в хвостовом оперении. Воздушное судно, как правило, представляет собой коммерческое пассажирское воздушное судно, которое может включать в себя, например, коммерческие пассажирские самолеты 737, 747, 757, 767 и 777, доступные от The Boeing Company, или коммерческие пассажирские самолеты А320, А350 и А380, доступные от Airbus S.A.S. В альтернативных вариантах осуществления настоящее изобретение может также быть внедрено в летательные аппараты других типов. Примеры таких летательных аппаратов включали пилотируемое и непилотируемое военное воздушное судно (самолет), винтокрылое воздушное судно (вертолет) или даже баллистические летательные аппараты.
Пример
Фюзеляжный лист алюминиевого сплава серии AA5024 с 0,23% Sc может быть присоединен к элементу стрингера из AlMgSc, например, посредством сварки лазерным лучом. Уровень Sc в фюзеляжном листе должен находится на данном уровне, чтобы добиться высокого уровня Sc в зоне проплавления для извлечения пользы из выгодных сварочных характеристик.
В соответствии с изобретением более выгодная сварная конструкция получена при использовании плакируемого листа из AA5024, имеющего плакировку из AA5024 в примерно 8%, при этом плакируемый лист имеет уровень Sc примерно 0,14% для оптимизации механических свойств, а плакирующий слой имеет уровень Sc примерно 0,23% для извлечения пользы из сварочных характеристик, которые являются благоприятными при относительно высоком уровне Sc. Стрингер из AlMgSc может быть сварен с плакирующим слоем тем же способом, как и при монолитном фюзеляжном листе. Плакированное металлическое изделие, сделанное из сплава AA5024 с различными уровнями Sc в плакируемом слое и в плакирующем слое, может быть произведено посредством, например, регулярного соединения прокаткой, известного в данной области техники.
Хотя выше были описаны предпочтительные и альтернативные варианты осуществления изобретения, как отмечено выше, много изменений может быть внесено не отходя от сущности и объема изобретения. Соответственно, объем изобретения не ограничен раскрытием этих предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления. Вместо этого, изобретение должно быть определено полностью при обращении к последующей формуле изобретения.
1. Плакированное металлическое изделие, полученное путем экструзии или прокатки, содержащее плакируемый металлический слой, выполненный из алюминиевого сплава, и плакирующий металлический слой, выполненный из алюминиевого сплава на, по меньшей мере, одной поверхности плакируемого слоя, при этом плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими от 3 до 8% Mg и Sc в диапазоне от 0,05 до 1%, и при этом содержание Sc в алюминиевом сплаве плакируемого металлического слоя ниже, чем содержание Sc в алюминиевом сплаве плакирующего металлического слоя на 0,02% или более.
2. Плакированное металлическое изделие по п.1, в котором содержание Sc в плакируемом металлическом слое составляет на по меньшей мере 0,04% ниже, чем в плакирующем металлическом слое.
3. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором упомянутые металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:
| Mg | от 3 до 8, предпочтительно от 3,9 до 6 |
| Mn | не более 1,4 |
| Sc | от 0,05 до 1 |
| Ag | не более 0,5 |
| Zn | не более 2 |
| Cu | не более 2 |
| Li | не более 3, |
| необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr 0,03-0,4, Cr 0,03-0,4, Hf 0,03-0,4 и Ti 0,005-0,4 | |
| Fe | не более 0,35 |
| Si | не более 0,25 |
| алюминий и неизбежные примеси - остальное |
4. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором упомянутые металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:
| Mg | от 3,8 до 5,1, предпочтительно от 3,8 до 4,7 |
| Mn | не более 0,4 |
| Sc | от 0,05 до 1 |
| Zn | не более 0,4 |
| Cu | не более 0,25 |
| Cr | не более 0,10 |
| Zr | от 0,05 до 0,20 |
| Ti | не более 0,20 |
| Fe | не более 0,35 |
| Si | не более 0,25, |
| неизбежные примеси каждая максимум 0,05, общий максимум 0,15, а остальное - алюминий |
5. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакируемый металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,05 до 0,25%, а плакирующий металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,2 до 1%.
6. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакируемый металлический слой выполнен из алюминиевого сплава, имеющего состав в пределах AA5024.
7. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакирующий металлический слой имеет толщину в диапазоне от 1 до 70% толщины плакируемого металлического слоя.
8. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакированное металлическое изделие является катаным изделием.
9. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакированное металлическое изделие является экструдированным изделием.
10. Сварная конструкция, содержащая плакированное металлическое изделие по любому из пп.1-9 и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством сварки.
11. Сварная конструкционная деталь воздушного судна, полученная путем экструзии или прокатки, содержащая катаное плакированное металлическое изделие по любому из пп.1-8 и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, предпочтительно стрингер, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством сварки.
12. Способ получения плакированного металлического изделия по любому из пп.1-8 путем прокатки, включающий:
обеспечение плакировки на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слитка посредством совместного литья с образованием плакированного слитка, и
прокатку упомянутого плакированного слитка с получением изделия-плиты или листового изделия, имеющего плакируемый металлический слой и по меньшей мере один плакирующий слой.
13. Способ по п.12, в котором этап совместного литья проводят посредством литья плакируемого слитка на плакирующий слой в точке, где метал плакирующего слоя находится при температуре между температурой солидуса и температурой ликвидуса метала плакирующего слоя.
14. Способ по п.12, в котором этап совместного литья проводят посредством литья плакирующего слоя в расплавленном состоянии на твердый плакируемый слиток.
