Алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх
Изобретение относится к алюминий-литиевым сплавам серии 2ххх. Продукт, выполненный из деформированного алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: 3,5-4,4 Cu, 0,45-0,75 Mg, 0,45-0,75 Zn, причем (мас.% Zn)/(мас.% Mg) составляет 0,60-1,67, 0,65-1,000 Li, 0,1-1,0 Ag, от 0,05 до 0,50 по меньшей мере одного элемента, регулирующего зеренную структуру, выбранного из группы, состоящей из Zr, Sc, Cr, V, Hf, редкоземельных элементов и сочетаний из упомянутых элементов, до 1,0 Mn, до 0,15 Ti, до 0,12 Si, до 0,15 Fe, до 0,05 любого другого элемента при суммарном содержании этих элементов не более 0,15 , и остальное – алюминий, имеет толщину по меньшей мере 12,7 мм, и вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 22 ksi·√in. Изобретение направлено на получение сплавов серии 2ххх с сочетанием прочности и вязкости, позволяющих получить повышенное сопротивление растрескиванию при коррозии под напряжением. 50 з.п. ф-лы, 2 пр., 10 табл., 3 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке на патент США №13/798750 под названием «АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ СЕРИИ 2ХХХ», поданной 13 марта 2013 г., и по предварительной заявке на патент США №61/644869 под названием «АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ СЕРИИ 2ХХХ», поданной 09 мая 2012 г. Каждая из идентифицированных выше патентных заявок в настоящее описание посредством ссылки во всей своей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Алюминиевые сплавы пригодны для применения в различных областях. Однако улучшение одного свойства алюминиевого сплава без ухудшения другого свойства нередко оказывается труднодостижимым. Например, трудно повысить прочность сплава без снижения вязкости сплава. Другие интересные свойства алюминиевых сплавов включают прежде всего коррозионную стойкость и сопротивление скорости роста усталостной трещины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В широком смысле настоящая патентная заявка относится к алюминий-литиевым сплавам серии 2ххх. В целом алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх содержат 3,5-4,4 масс. % (здесь и далее – по весу, если не указано иное) Cu, 0,45-0,75 масс. % Mg, 0,45-0,75 масс. % Zn, 0,65-1,15 масс. % Li, 0,1-1,0 масс. % Ag, 0,05-0,50 масс. % элемента, регулирующего зеренную структуру и выбранного из группы – Zr, Sc, Cr, V, Hf, редкоземельные элементы, и сочетания из указанных элементов, не более 1,0 масс. % Mn, не более 0,15 масс. % Ti, не более 0,12 масс. % Si, не более 0,15 масс. % Fe, не более 0,10 масс. % любого другого элемента при суммарном содержании этих других элементов не более 0,35 масс. %, остальное – алюминий. Деформированные продукты из таких алюминиевых сплавов могут достигать улучшенных свойств таких, как повышенная прочность, и/или вязкость, и/или коррозионная стойкость.
При одном подходе продукт из деформированного алюминиевого сплава представляет собой толстый продукт из алюминиевого сплава, то есть деформированный продукт, толщина поперечного сечения которого составляет по меньшей мере 12,7 мм. В одном варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 25,4 мм. В другом варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 50,8 мм. В одном варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 177,8 мм. В другом варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 152,4 мм. Еще в одном варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 127,0 мм. В другом варианте осуществления толстый продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 101,6 мм. Как используется в этом абзаце, толщина относится к минимальной толщине продукта при допущении того, что некоторые части продукта могут иметь толщину, немного превышающую минимально заданную.
При другом подходе продукт из деформированного алюминиевого сплава представляет собой тонкий продукт из деформированного алюминиевого сплава, то есть деформированный продукт, имеющий толщину поперечного сечения меньше чем 12,7 мм, например, тонкий лист или тонкую плиту. В одном варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 1,0 мм. В другом варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 1,27 мм. Еще в одном варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 1,52 мм. В одном варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 10,2 мм. В другом варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 7,62 мм. Еще в другом варианте осуществления тонкий деформированный продукт из алюминиевого сплава имеет толщину не более чем 6,35 мм. Как используется в этом абзаце, толщина относится к минимальной толщине продукта при допущении того, что некоторые части продукта могут реализовать толщину, немного превышающую минимально заданную.
Медь (Cu) включена в новый сплав, и обычно в диапазоне от 3,5 масс. % до 4,4 масс. % Cu. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 3,6 масс. % Cu. В других вариантах осуществления новый сплав может содержать по меньшей мере 3,7 масс. % Cu или 3,8 масс. % Cu. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 4,3 масс. % Cu. В другом варианте осуществления новый сплав может содержать не более чем 4,2 масс. % Cu.
Магний (Mg) включен в новый сплав, и обычно в диапазоне от 0,45 масс. % до 0,75 масс. %. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,50 масс. % Mg. В другом варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,55 масс. % Mg. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,70 масс. % Mg. В другом варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,65 масс. % Mg.
Цинк (Zn) включен в новый сплав, и обычно в диапазоне от 0,45 масс. % до 0,75 масс. % Zn. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,50 масс. % Zn. В другом варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,55 масс. % Zn. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,70 масс. % Zn. В другом варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,65 масс. % Zn.
Отношение Zn/Mg может быть установлено около 1,00, например, в диапазоне от 0,60 до 1,67 (Zn/Mg). В одном варианте осуществления отношение Zn/Mg находится в диапазоне от 0,70 до 1,40. В другом варианте осуществления отношение Zn/Mg находится в диапазоне от 0,80 до 1,20. Еще в другом варианте осуществления отношение Zn/Mg находится в диапазоне от 0,85 до 1,15.
Литий (Li) включен в новый сплав, и обычно в диапазоне от 0,65 масс. % до 1,15 масс. % Li. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,70 масс. % Li. В других вариантах осуществления новый сплав может содержать по меньшей мере 0,75 масс. % Li, или по меньшей мере 0,80 масс. % Li, или по меньшей мере 0,825 масс. % Li, или по меньшей мере 0,850 масс. % Li, или по меньшей мере 0,875 масс. % Li. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 1,10 масс. % Li. В других вариантах осуществления новый сплав содержит не более чем 1,05 масс. % Li, или не более чем 1,025 масс. % Li, или не более чем 1,000 масс. % Li, или не более чем 0,975 масс. % Li, или не более чем 0,950 масс. % Li.
Серебро (Ag) включено в новый сплав, и обычно в диапазоне от 0,1 масс. % до 1,0 масс. % Ag. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,15 масс. % Ag. В другом варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,2 масс. % Ag. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,5 масс. % Ag. В другом варианте осуществления новый сплав может содержать не более чем 0,4 масс. % Ag.
Марганец (Mn) может быть включен в новый сплав при необходимости, и в количестве вплоть до 1,0 масс. %. В одном варианте осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,05 масс. % Mn. В других вариантах осуществления новый сплав содержит по меньшей мере 0,10 масс. % Mn, или по меньшей мере 0,15 масс. % Mn, или по меньшей мере 0,2 масс. % Mn. В одном варианте осуществления новый сплав содержит не более чем 0,8 масс. % Mn. В других вариантах осуществления новый сплав содержит не более чем 0,7 масс. % Mn, или не более чем 0,6 масс. % Mn, или не более чем 0,5 масс. % Mn, или не более чем 0,4 масс. % Mn. В производстве сплавов марганец можно рассматривать и как легирующий компонент и как элемент, регулирующий зеренную структуру – марганец, оставшийся в твердом растворе, может повышать механические свойства сплава (например, прочность), в то время, как марганец в форме частиц (например, Al6Mn, Al12Mn3Si2, которые иногда называют дисперсоидами) может принимать участие в регулировании зеренной структуры. Однако, поскольку марганец отдельно ограничен по своим пределам содержания в настоящей патентной заявке, то он не подпадает под определение «элемент, регулирующий зеренную структуру» (описано ниже) применительно к целям настоящей заявки.
Данный сплав может содержать 0,05-0,50 масс. % по меньшей мере одного элемента, регулирующего зеренную структуру, выбранного из группы, состоящей из циркония (Zr), скандия (Sc), хрома (Cr), ванадия (V) и/или гафния (Hf), и/или редкоземельных элементов, и так, что применяемый элемент (элементы), регулирующий (регулирующие) зеренную структуру содержится (содержатся) в количестве, ниже максимальной растворимости и/или на уровнях, которые ограничивают образование первичных частиц. Как используется здесь, термин «элемент, регулирующий зеренную структуру» относится к элементам или соединениям, которые являются специальными легирующими добавками, вводимыми с целью формирования частиц второй фазы, обычно в твердом состоянии, для регулирования изменений зеренной структуры в термических процессах таких, как возврат и рекристаллизация. Применительно к целям настоящей патентной заявки элементы, регулирующие зеренную структуру, включают прежде всего Zr, Sc, Cr, V, Hf, и редкоземельные элементы, но исключают Mn.
Количество материала, регулирующего зеренную структуру, применяемого в сплаве, обычно зависит от типа материала, используемого с целью регулирования зеренной структуры и/или от процесса производства сплава. В одном варианте осуществления в качестве элемента, регулирующего зеренную структуру, применяют Zr, и данный сплав содержит от 0,05 масс. % до 0,20 масс. % Zr. В другом варианте осуществления сплав содержит от 0,05 масс. % до 0,15 масс. % Zr. В другом варианте осуществления сплав содержит 0,07-0,14 масс. % Zr. В одном варианте осуществления алюминиевый сплав содержит по меньшей мере 0,07 масс. % Zr. В другом варианте осуществления алюминиевый сплав содержит по меньшей мере 0,08 масс. % Zr. В одном варианте осуществления алюминиевый сплав содержит не более чем 0,18 масс. % Zr. В другом варианте осуществления алюминиевый сплав содержит не более чем 0,15 масс. % Zr. В другом варианте осуществления алюминиевый сплав содержит не более чем 0,14 масс. % Zr.
Данный сплав может содержать суммарно до 0,15 масс. % Ti для измельчения зерна и/или для других целей. Когда Ti включен в данный сплав, он обычно присутствует в количестве от 0,005 до 0,10 масс. %. В одном варианте осуществления алюминиевый сплав содержит добавку, измельчающую зерно, и в качестве такой добавки служит TiB2 и/или TiC при содержании Ti в сплаве от 0,01 до 0,06 масс. % или от 0,01 до 0,03 масс. %.
Данный алюминиевый сплав может содержать железо (Fe) и кремний (Si), обычно в качестве примесей. Содержание железа в новом сплаве обычно не должно превышать 0,15 масс. %. В одном варианте осуществления содержание железа в данном сплаве не более чем 0,12 масс. %. В других вариантах осуществления данный алюминиевый сплав содержит не более чем 0,10 масс. % Fe, или не более чем 0,08 масс. % Fe, или не более чем 0,05 масс. % Fe, или не более чем 0,04 масс. % Fe. Аналогично, содержание кремния в новом сплаве не должно обычно превышать 0,12 масс. %. В одном варианте осуществления содержание кремния в данном сплаве не более чем 0,10 масс. % Si, или не более чем 0,08 масс. % Si, или не более чем 0,06 масс. % Si, или не более чем 0,04 масс. % Si, или не более чем 0,03 масс. % Si.
Эти новые алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх обычно содержат незначительное количество «других элементов» (например, литейные добавки и примеси, но не железо и кремний). Как используется здесь, «другие элементы» означает любой другой элемент периодической системы за исключением алюминия и описанных выше меди, магния, цинка, лития, серебра, марганца, элементов, регулирующих зеренную структуру (т.е. Zr, Sc, Cr, V, Hf, и редкоземельных элементов), железа и кремния, описанных выше. В одном варианте осуществления эти новые алюминий-литиевые сплавы серии 2ххх содержат не более чем 0,10 масс. % каждого из любых других элементов при суммарном количестве этих элементов, не превышающем 0,35 масс. %. В другом варианте осуществления содержание каждого из этих других элементов в отдельности не превышает 0,05 масс. % в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх, а суммарное количество этих других элементов не превышает 0,15 масс. % в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх. В другом варианте осуществления содержание каждого из этих других элементов в отдельности не превышает 0,03 масс. % в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх, а суммарное количество этих других элементов не превышает 0,10 масс. % в алюминий-литиевом сплаве серии 2ххх.
Эти новые сплавы могут быть использованы в деформированных продуктах любой формы, включая тонкий лист, толстый лист, поковки и прессованные профили. Этот новый сплав может быть изготовлен в деформированной форме, и с соответствующей термообработкой, с применением более или менее обычных методов, включая литье с прямым охлаждением (DC) от англ. (Direct chill casting) алюминиевого сплава в кристаллизатор. После обычных операций обдирки, обточки или зачистки (при необходимости) и гомогенизации, которую можно проводить перед или после обдирки, эти слитки могут быть затем обработаны методом горячей обработки продукта с или без отжига между проходами горячей прокатки. Полученный продукт может быть затем при необходимости подвергнут холодной обработке, при необходимости отжигу, обработке на твердый раствор, закалке и окончательной холодной обработке. После стадии окончательной холодной обработки продукт может быть подвергнут искусственному старению. Таким образом, данные продукты могут быть изготовлены в термообработанном состоянии Т3 temper или Т8 temper.
Новые сплавы могут проявлять улучшенные свойства, такие как повышенная прочность и/или коррозионная стойкость при аналогичном или улучшенном соотношении между прочностью и вязкостью разрушения. В одном варианте осуществления продукт из деформированного алюминиевого сплава, изготовленный из нового алюминиевого сплава, выдерживает испытание по ASTM G47 в течение по меньшей мере 50 суток (среднее значение для 5 образцов) при напряжении по меньшей мере в 310 МПа. В другом варианте осуществления продукт из деформированного алюминиевого сплава, изготовленный из нового алюминиевого сплава, выдерживает испытание по ASTM G47 в течение по меньшей мере 60 суток (среднее значение для 5 образцов) при напряжении по меньшей мере в 310 МПа. Еще в другом варианте осуществления продукт из деформированного алюминиевого сплава, изготовленный из нового алюминиевого сплава, выдерживает испытание по ASTM G47 в течение по меньшей мере 70 суток (среднее значение для 5 образцов) при напряжении по меньшей мере в 310 МПа. В другом варианте осуществления продукт из деформированного алюминиевого сплава, изготовленный из нового алюминиевого сплава, выдерживает испытание по ASTM G47 в течение по меньшей мере 80 суток (среднее значение для 5 образцов) при напряжении по меньшей мере в 310 МПа. В любом из упомянутых вариантов осуществления деформированный алюминиевый сплав может проявлять предел текучести при продольном растяжении (TYS-L) при испытаниях в соответствии с ASTM E8 или В557 на уровне по меньшей мере около 70 ksi 483 МПа, такой, как TYS-L по меньшей мере 71 ksi - 489 МПа, или TYS-L по меньшей мере 72 ksi -496 МПа, или TYS-L по меньшей мере 73 ksi -503 МПа, или TYS-L по меньшей мере 74 ksi - 510 МПа), или TYS-L по меньшей мере 75 ksi - 517 МПа, или TYS-L по меньшей мере 76 ksi - 524 МПа, или TYS-L по меньшей мере 77 ksi - 531 МПа, или TYS-L по меньшей мере 78 ksi - 538 МПа, или TYS-L по меньшей мере 79 ksi - 545 МПа, или TYS-L по меньшей мере 80 ksi - 552 МПа, или TYS-L по меньшей мере 81 ksi- 558 МПа, или TYS-L по меньшей мере 82 ksi - 565 МПа, или TYS-L по меньшей мере 83 ksi - 572 МПа, или TYS-L по меньшей мере 84 ksi - 579 МПа, или TYS-L по меньшей мере 85 ksi - 586 МПа, или TYS-L по меньшей мере 86 ksi - 593 МПа, или более. В любом из упомянутых вариантов осуществления деформированный алюминиевый сплав может реализовать вязкость разрушения (T-L) при плоской деформации (KIc) при испытаниях в соответствии с ASTM E399 на уровне по меньшей мере около 20 ksi - 138 МПа, такую, как KIc(T-L) по меньшей мере 21 ksi - 145 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 22 ksi - 152, или KIc(T-L) по меньшей мере 23 ksi- 159 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 24 ksi- 165 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 25 ksi- 172 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 26 ksi- 179 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 27 ksi-186 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 28 ksi- 193 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 29 ksi- 200 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 30 ksi- 207 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 31 ksi- 214 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 32 ksi - 221 МПа, или KIc(T-L) по меньшей мере 33 ksi - 227 МПа, или более.
Если не указано иное, в настоящей заявке приняты следующие определения:
«Продукт из деформированного алюминиевого сплава» означает продукт из алюминиевого сплава, который после литья подвергают горячей обработке, и включает катаные продукты (тонкий или толстый лист), кованые продукты и прессованные продукты.
«Кованый продукт из алюминиевого сплава» означает продукт из деформированного алюминиевого сплава, изготовленный методом объемной штамповки или ручной ковки.
«Обработка на твердый раствор» означает выдержку алюминиевого сплава при повышенной температуре с целью перевода растворенного вещества (веществ) в твердый раствор.
«Искусственное старение» означает выдержку алюминиевого сплава при повышенной температуре с целью выделения растворенного вещества (веществ). Искусственное старение может происходить в одной или нескольких стадиях, которые могут включать изменение температур и/или времени выдержки.
Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки этой новой технологии частично изложены в нижеследующем описании и станут очевидными специалистам в данной области при изучении последующего описания и чертежей, или могут стать понятными за счет практического применения одного или нескольких вариантов осуществления этой технологии, предусмотренной раскрытием предмета настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой график, иллюстрирующий характеристики продуктов из различных алюминиевых сплавов по примеру 1.
Фиг. 2а-2b представляют собой графики, иллюстрирующие характеристики продуктов из различных алюминиевых сплавов по примеру 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Пример 1
Исследование слитков кокильного литья
С помощью кокиля с вертикальным разъемом типа «книга» изготовили девять слитков, составы которых приведены в представленной ниже таблице 1 (все величины выражены в масс. %).
| Таблица 1 Составы сплавов по примеру 1 |
||||||||
| Сплав | Cu | Mg | Mn | Zn | Ag | Li | Отношение Zn/Mg | Плотность г/см3 |
| 1 | 3,95 | 0,78 | 0,28 | 0,37 | 0,25 | 0,82 | 0,47 | 2,725 |
| 2 | 3,54 | 0,43 | 0,27 | 0,21 | 0,35 | 0,92 | 0,49 | 2,710 |
| 3* | 3,87 | 0,57 | 0,28 | 0,63 | 0,34 | 0,94 | 1,11 | 2,728 |
| 4* | 4,25 | 0,59 | 0,27 | 0,65 | 0,35 | 0,89 | 1,10 | 2,728 |
| 5 | 4,16 | 0,58 | 0,26 | 0,01 | 0,35 | 0,9 | 0,02 | 2,718 |
| 6 | 4,1 | 0,58 | 0,27 | 0,32 | 0,35 | 0,91 | 0,55 | 2,723 |
| 7 | 4,2 | 0,58 | 0,29 | 0,97 | 0,35 | 0,93 | 1,67 | 2,733 |
| 8 | 4,2 | 0,44 | 0,28 | 0,65 | 0,35 | 0,93 | 1,48 | 2,732 |
| 9 | 4,17 | 0,77 | 0,28 | 0,65 | 0,35 | 0,93 | 0,84 | 2,725 |
| * По настоящему изобретению |
Все сплавы содержали не более чем 0,03 масс. % кремния, не более чем 0,04 масс. % железа, около 0,02 масс. % титана, около 0,11-0,12 масс. % циркония, остальное – алюминий и другие примеси, где содержание каждой из других примесей не превышало 0,05 масс. % при суммарном содержании этих примесей не более чем 0,15 масс. %.
Из представленных сплавов отливали слитки толщиной 73 мм, шириной 120 мм, длиной 432 мм. Эти слитки подвергали обдирке до толщины в 50,8 мм (2 дюйма) и гомогенизации. Затем слитки подвергали горячей прокатке до толщины около 0,82 дюйма - 21 мм, соответствующей относительному обжатию около 60%. Толстые листы последовательно подвергали термообработке на твердый раствор, закалке в горячей воде при 90°С, после чего растягивали приблизительно на 6%. Закалка в горячей воде имитирует скорость закалки толстого листа толщиной около 76,2 мм (3 дюйма). После растяжения сплавы подвергали старению при температуре около 310 °F (154°С) с различной длительностью выдержки, представляющей режимы неполного старения и вплоть до режима пиковой прочности (длительность периодов старения изменяли в зависимости от состава сплава). Прочность и вязкость этих сплавов испытывали в соответствии со стандартом ASTM E8, B557, E399 и B645; результаты испытаний показаны на приведенных ниже Фиг. 1 и в табл.4 (дублированные образцы для измерения прочности и относительного удлинения и одиночные образцы для измерения вязкости разрушения).
Как показано на Фиг. 1, сплавы 3-4 реализовали улучшенное соотношение прочность-вязкость по сравнению со сплавами 1-2 и 5-9. Предполагается, что сочетание легирующих элементов в сплавах 3-4 реализует синергетический эффект. Действительно, сплавы 3-4 реализуют улучшенное сочетание прочность-вязкость по сравнению со следующим ближайшим сплавом (сплав 1) за счет повышения предела текучести при растяжении (TYS) приблизительно на 14-28 МПа - 2-4 ksi(и повышения предела прочности на разрыв (UTS) приблизительно 21-34 Мпа – 3-5 ksi) при близкой вязкости. Эти результаты показывают, что 2ххх сплавы, содержащие 3,5-4,4 масс. % Cu, около 0,45-0,75 масс. % Mg, 0,45-0,75 масс. % Zn, 0,65-1,15 масс. % Li, 0,1-1,0 масс. % Ag, 0,05-0,50 масс. % элементов, регулирующих зеренную структуру, выбранных из группы, содержащей Zr, Sc, Cr, V, Hf, редкоземельные элементы, и комбинацию из указанных элементов, вплоть до 1,0 масс. % Mn, вплоть до 0,15 масс. % Ti, вплоть до 0,12 масс. % Si, вплоть до 0,15 масс. % Fe, вплоть до 0,10 масс. % любых других элементов при суммарном содержании этих других элементов не более 0,35 масс. %, остальное – алюминий, могут достигать улучшенного соотношения прочность-вязкость.
Например, сплав 1 содержит приблизительно то же количество меди и лития, что и сплавы 3-4, но сплав 1 содержит слишком много магния и недостаточное количество цинка. Сплав 2 содержит слишком мало магния и цинка. Сплавы 5 и 6 содержат слишком мало цинка. Сплав 7 содержит слишком много цинка. Сплав 8 содержит слишком мало магния. Сплав 9 содержит слишком много магния. Поэтому представляется, что сплавы, имеющие отношение Zn/Mg около 1,0 при соответствующих количествах Cu, Mg, Zn, Li, Ag и (при необходимости) Mn, реализуют улучшенное соотношение прочность-вязкость.
Начальные оценки сопротивления коррозионному растрескиванию (SCC) в направлении толщины были выполнены на С-образных кольцах, которые испытывали при попеременном погружении (по стандарту ASTM G47); результаты испытаний представлены в приведенных ниже таблицах 2-3. Сплавы 3 и 4 реализовали хорошие свойства сопротивления коррозии.
| Таблица 2 Испытания на коррозионное растрескивание при 45 KSI |
||||
| Повреждения при испытаниях на SCC при напряжении в 45 KSI при попеременном погружении (ASTM G47)- С-образное кольцо 0,720 дюма - в положении T/2-в направлении толщины | ||||
| Одна стадия старения при 154°С | ||||
| Сплав | 15 ч | 20 ч | 30 ч | 40 ч |
| Сплав 1 | - | 3/3(22,22,22) | 1/3(25) | 2/3(25,25)** |
| Сплав 2 | - | 1/3(25) | 2/3(25,25) | 0,3** |
| Сплав 3 | 0/3 | 2/3(25,25) | 0/2 | 1/3(25)** |
| Сплав 4 | 0/3 | 0/3** | 0/3 | 0/3 |
| Сплав 5 | - | 0/3 | 0/3** | 0/3 |
| Сплав 6 | 0/3 | 0/3** | 0/3 | 0/3 |
| Сплав 7 | 0/3 | 0/3** | 1/3(25) | 0/3 |
| Сплав 8 | 0/3 | 0/3 | 0/3** | 0/3 |
| Сплав 9 | 3/3(25,60,4) | 0/3 | 0/3** | 0/3 |
| ** =максимальная прочность |
| Таблица 3 Испытания на коррозионное растрескивание при 55 KSI |
||||
| Повреждения при испытаниях на SCC при напряжении в 55 KSI при попеременном погружении (ASTM G47)- С-образное кольцо 18,3 мм - в положении T/2-в направлении толщины | ||||
| Одна стадия старения при 154°С | ||||
| Сплав | 15 ч | 20 ч | 30 ч | 40 ч |
| Сплав 1 | - | 3/3(14,14,14) | 1/3(14) | 2/3(14,14)** |
| Сплав 2 | - | 1/3(14) | 2/3(28,21) | 1/3(35)** |
| Сплав 3 | 0/3 | 0/2 | - | 0/1** |
| Сплав 4 | 0/3 | 0/3** | 1/3(35) | - |
| Сплав 5 | - | 0/3 | 0/3** | - |
| Сплав 6 | 0/3 | 0/3** | 0/3 | 0/3 |
| Сплав 7 | 0/3 | 0/3** | 0/3 | 0/3 |
| Сплав 8 | 0/3 | 0/3 | 1/3(21)** | - |
| Сплав 9 | 3/3(4,4,11) | 1/3(21) | 0/3** | - |
| **=максимальная прочность |
| Таблица 4 Механические свойства сплавов по Примеру 1 |
|||||
| Сплав | Время старения, ч | TYS, МПа | UTS, МПа | Общее удлинение, масс. % | KIc ksi·√in. |
| 1 | 10 | 78,2 | 81,6 | 8,5 | 31,2 |
| 40 | 82,7 | 85,0 | 9,0 | 26,1 | |
| 2 | 20 | 75,4 | 79,0 | 10,0 | 27,3 |
| 40 | 76,4 | 80,1 | 10,0 | 28,4 | |
| 3 | 15 | 86,4 | 89,7 | 8,5 | 26,3 |
| 20 | 87,2 | 90,1 | 7,0 | 23,8 | |
| 4 | 15 | 85,2 | 88,3 | 7,5 | 26,5 |
| 20 | 87,0 | 90,2 | 7,0 | 23,2 | |
| 5 | 20 | 82,1 | 85,3 | 9,0 | 28,0 |
| 30 | 83,5 | 86,5 | 9,0 | 25,8 | |
| 6 | 15 | 83,4 | 86,5 | 8,0 | 25,5 |
| 20 | 84,1 | 87,0 | 8,0 | 22,9** | |
| 7 | 15 | 84,8 | 87,9 | 8,0 | 23,3** |
| 20 | 85,7 | 88,9 | 7,0 | 20,3 | |
| 8 | 15 | 84,6 | 87,6 | 8,0 | 26,2 |
| 30 | 84,9 | 88,3 | 8,0 | 20,9 | |
| 9 | 20 | 85,8 | 88,6 | 6,5 | 20,7** |
| 30 | 85,2 | 88,3 | 7,0 | 18,6 | |
| **=KQ |
Пример 2
Заводские испытания
На промышленном оборудовании изготовили два слитка промышленных размеров, составы которых представлены в приведенной ниже таблице 5 (все величины в весовых процентах).
| Таблица 5 Пример 2 – составы сплавов по настоящему изобретению |
||||||||
| Сплав | Cu | Mg | Mn | Zn | Ag | Li | Отношение Zn/Mg | Плотность г/см3 |
| 10 | 3,80 | 0,61 | 0,29 | 0,69 | 0,35 | 0,87 | 1,13 | 2,718 |
| 11 | 3,80 | 0,58 | 0,29 | 0,59 | 0,32 | 0,86 | 1,02 | 2,718 |
Все сплавы содержали не более чем 0,03 масс. % Si, не более чем 0,05 масс. % Fe, около 0,01-0,02 масс. % Ti, около 0,07-0,08 масс. % Zr, остальное – алюминий и другие примеси. Содержание каждой из других примесей не превышало 0,05 масс. % при суммарном содержании этих примесей не более чем 0,15 масс. %.
После обдирки слитки подвергали гомогенизации, а затем горячей прокатке в толстые листы различной толщины. Конкретно, сплав 10 прокатывали до толщины 3 дюйма (76 мм), а сплав 11 прокатывали до толщины 2 дюйма (51 мм) и 1,5 дюйма (38 мм). После горячей прокатки листы подвергали обработке на твердый раствор, закалке в холодной воде и растяжению приблизительно на 6 масс. %. Далее, листы искусственно состаривали при 154°С в течение различных промежутков времени.
На другом промышленном оборудовании также отливали серийный сплав для сравнения, состав которого показан в приведенной ниже таблице 5 (все величины в весовых процентах). Серийный сплав аналогичен сплавам, раскрытым в патенте США №7438772 того же заявителя.
| Таблица 6 Пример 2 – состав серийного сплава |
||||||||
| Сплав | Cu | Mg | Mn | Zn | Ag | Li | Отношение Zn/Mg | Плотность г/см3 |
| 12 | 3,96 | 0,79 | 0,30 | 0,34 | 0,25 | 0,71 | 0,43 | 2,727 |
Сплав 12 содержал не более чем 0,03 масс. % Si, не более чем 0,04 масс. % Fe, около 0,03 масс. % Ti, около 0,13 масс. % Zr, остальное – алюминий и другие примеси. Содержание каждой из других примесей не превышало 0,05 масс. % при суммарном содержании этих примесей не более чем 0,15 масс. %.
После обдирки слиток подвергали гомогенизации, а затем горячей прокатке в толстый лист толщиной 2,5 дюйма. После горячей прокатки лист подвергали обработке на твердый раствор, закалке в холодной воде и растяжению приблизительно на 6 масс. %. Далее, лист искусственно состаривали двухстадийным методом. Конкретно, на первой стадии сплавы состаривали при 290 и 310°F в течение различных промежутков времени, а затем на второй стадии состаривали при 225°F в течение 12 ч.
После обработки проводили испытания листов из новых сплавов и серийного сплава на прочность и вязкость в соответствии со стандартом ASTM E8, B557, E399 и B645. Результаты представлены в приведенных ниже таблицах 7-8. Испытания на прочность и удлинение проводили в положении Т/4 в продольном направлении (L) и в направлении ширины (LT), и в положении Т/2 в направлении толщины (ST). Значения параметра KIc вязкости разрушения находились в положении Т/2 для плоскостей T-L (ширина-длина) и S-L (толщина-длина). В таблицах 7,8: ПТР – предел текучести при растяжении, ППР – предел прочности при растяжении.
Сплавы 10-12 оценивали также по величине сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением в направлении ST в соответствии со стандартом ASTM G44(1999) методом попеременного погружения в 3,5 масс. %-ный раствор NaCl и G47(1998) (диаметр 1/8 дюйма (3,2 мм) - Т-стержни - 2 дюйма (50,8 мм)) при суммарном напряжении 45 ksi. Результаты испытаний на коррозионное растрескивание представлены в приведенных ниже таблицах 9 и 10.
| Таблица 9 Результаты испытаний на коррозионное растрескивание сплавов 10-11 по настоящему изобретению |
||||||
| Сплав | Толщина, дюйм | Время старения (ч) при 310°F | Число суток до разрушения | |||
| Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 | Среднее значение | |||
| 11 | 1,5 | 8 | 89 | 47 | 46 | 60,7 |
| 1,5 | 12 | 52 | 46 | 57 | 51,7 | |
| 1,5 | 16 | 80 | 49 | 122+ | 83,7 | |
| 1,5 | 24 | 61 | 57 | 54 | 57,3 | |
| 1,5 | 36 | 14 | 19 | 6 | 13 | |
| 11 | 2 | 8 | 89 | 18 | 38 | 48,3 |
| 2 | 12 | 122+ | 50 | 61 | 77,7 | |
| 2 | 16 | 88 | 84 | 67 | 79,7 | |
| 2 | 24 | 35 | 61 | 70 | 55,3 | |
| 2 | 36 | 6 | 6 | 8 | 6,67 | |
| 10 | 3 | 8 | 8 | 6 | 6 | 6,67 |
| 3 | 12 | 30 | 36 | 50 | 38,7 | |
| 3 | 16 | 109 | 96 | 70 | 91,7 | |
| 3 | 24 | 94 | 116 | 122+ | 111 | |
| 3 | 36 | 42 | 54 | 74 | 56,7 |
| Таблица 10 Результаты испытаний на коррозионное растрескивание серийного сплава 12 |
||||||||
| Сплав | Толщина, дюйм | Время старения (ч) при 310°F | Число суток до разрушения | |||||
| Образец № | Среднее значение | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| 12 | 2,5 | 20** | 26 | 5 | 10 | 19 | 17 | 15,4 |
| 2,5 | 30** | 38 | 56 | 34 | 45 | 34 | 41,4 | |
| 2,5 | 40* | 54 | 17 | 50 | 58 | 6 | 37 | |
| **Включена вторая стадия старения при 225°F в течение 12 ч. |
Как показано выше и на Фиг. 2а-2b, новые сплавы 10-11 реализуют повышенную прочность по сравнению с серийным сплавом 12 при аналогичном соотношении прочности и вязкости. Новые сплавы 10-11 также реализуют неожиданно повышенное сопротивление растрескиванию вследствие коррозии под напряжением по сравнению с серийным сплавом 12. Например, образцы толщиной 1,5 дюйма (38 мм) из сплава 11, подвергнутые старению в течение 16 ч, выдержали в среднем 84 сут до разрушения и достигли предела текучести при растяжении (L) в 83,6 ksi (578 Мпа). Образцы толщиной 2 дюйма из сплава 11, подвергнутые старению в течение 16 ч, выдержали в среднем 80 сут до разрушения и достигли предела текучести при растяжении (L) в 82,2 ksi. Образцы толщиной 3 дюйма из сплава 10, подвергнутые старению в течение 16 ч, выдержали в среднем 92 сут до разрушения и достигли предела текучести при растяжении (L) в 80,3 ksi. С другой стороны, наиболее стойкие к коррозии образцы серийного сплава 12, подвергнутые старению в течение 30 ч, выдержали в среднем 41 сут до разрушения, а предел текучести при растяжении (L) составил только 78,8 ksi. Другими словами, новые сплавы 10-11 реализуют практически вдвое более высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с серийным сплавом 12 при более высокой прочности. Кроме того, плотность новых сплавов ниже, чем у сплава 12.
1. Продукт из деформированного алюминиевого сплава, состоящий из:
3,5-4,4 мас.% Cu,
0,45-0,75 мас.% Mg,
0,45-0,75 мас.% Zn,
причем (мас.% Zn)/(мас.% Mg) составляет 0,60-1,67,
0,65-1,000 мас.% Li,
0,1-1,0 мас.% Ag,
от 0,05 до 0,50 мас.% по меньшей мере одного элемента, регулирующего зеренную структуру,
причем по меньшей мере один элемент, регулирующий зеренную структуру, выбран из группы, состоящей из Zr, Sc, Cr, V, Hf, редкоземельных элементов и сочетаний из упомянутых элементов,
до 1,0 мас.% Mn,
до 0,15 мас.% Ti,
до 0,12 мас.% Si,
до 0,15 мас.% Fe,
до 0,05 мас.% любого другого элемента при суммарном содержании этих элементов не более 0,15 мас.%, и
остальное – алюминий,
причем этот продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет толщину по меньшей мере 12,7 мм, и
при этом продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 22 ksi·√in.
2. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором элемент, регулирующий зеренную структуру, является по меньшей мере Zr, причем этот продукт содержит 0,05-0,20 мас.% Zr.
3. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п. 2, содержащий по меньшей мере 0,07 мас.% Zr.
4. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п. 2, содержащий по меньшей мере 0,08 мас.% Zr.
5. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п. 4, содержащий не более чем 0,18 мас.% Zr.
6. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 3,6 мас.% Cu.
7. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 3,7 мас.% Cu.
8. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 3,8 мас.% Cu.
9. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий не более 4,3 мас.% Cu.
10. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.7 или 8, содержащий не более 4,2 мас.% Cu.
11. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,50 мас.% Mg.
12. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,55 мас.% Mg.
13. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.11, содержащий не более чем 0,70 мас.% Mg.
14. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.11, содержащий не более чем 0,65 мас.% Mg.
15. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,50 мас.% Zn.
16. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,55 мас.% Zn.
17. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.15, содержащий не более чем 0,70 мас.% Zn.
18. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.16, содержащий не более чем 0,65 мас.% Zn.
19. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором (мас.% Zn)/(мас.% Mg) составляет 0,70-1,40.
20. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором (мас.% Zn)/(мас.% Mg) составляет 0,80-1,20.
21. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,70 мас.% Li.
22. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,75 мас.% Li.
23. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,80 мас.% Li.
24. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,825 мас.% Li.
25. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий 0,850-0,975 мас.% Li.
26. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий 0,875-0,950 мас.% Li.
27. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,2 мас.% Ag.
28. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.27, содержащий не более чем 0,5 мас.% Ag.
29. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.27, содержащий не более 0,4 мас.% Ag.
30. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,05 мас.% Mn.
31. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,10 мас.% Mn.
32. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,15 мас.% Mn.
33. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, содержащий по меньшей мере 0,20 мас.% Mn.
34. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.30, содержащий не более чем 0,8 мас.% Mn.
35. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.31, содержащий не более чем 0,7 мас.% Mn.
36. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.32, содержащий не более чем 0,6 мас.% Mn.
37. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.33, содержащий не более чем 0,5 мас.% Mn.
38. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.33, содержащий не более чем 0,4 мас.% Mn.
39. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором этот продукт имеет толщину по меньшей мере 25,4 мм.
40. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором этот продукт имеет толщину по меньшей мере 50,8 мм.
41. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором этот продукт имеет толщину не более чем 177,8 мм.
42. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором этот продукт имеет толщину не более чем 152,4 мм.
43. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором этот продукт имеет толщину не более чем 127 мм.
44. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором деформированный алюминиевый сплав представляет собой пластину.
45. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором деформированный алюминиевый сплав представляет собой подвергнутый экструзии продукт.
46. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, в котором деформированный алюминиевый сплав представляет собой кованый продукт.
47. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, причем продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 23 ksi·√in.
48. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, причем продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 24 ksi·√in.
49. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, причем продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 25 ksi·√in.
50. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, причем продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 26 ksi·√in.
51. Продукт из деформированного алюминиевого сплава по п.1, причем продукт из деформированного алюминиевого сплава имеет вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 27 ksi·√in.
