Изделие из al-zn-mg сплава с пониженной чувствительностью к закалке
Группа изобретений относится к изделиям из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава. Изделие выполнено толщиной от 2 дюймов (50 мм) до 12 дюймов (305 мм) из сплава следующего химического состава, вес.%: Zn - от 3 до 11, Mg - от 1 до 3, Cu - от 0,9 до 3, Ge - от 0,03 до 0,4, Si - максимум 0,5, Fe -максимум 0,5, Ti - максимум 0,3, остальное - алюминий и обычные и/или неизбежные элементы и примеси. Способ изготовления изделия включает отливку заготовки, подогрев и/или гомогенизацию отлитой заготовки, горячую обработку заготовки, необязательную холодную обработку, термообработку на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке и необязательно холодной обработке заготовки, охлаждение ТТР заготовки, необязательное растяжение или сжатие охлажденной ТТР заготовки либо иную холодную обработку охлажденной ТТР заготовки для снятия напряжений, старение охлажденной и необязательно подвергнутой растяжению или сжатию либо иной холодной обработке ТТР заготовки для достижения нужного состояния. Обеспечивается получение изделия с высокой прочностью при высокой вязкости и пониженной чувствительности к закалке. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Область изобретения
Изобретение относится к изделию из алюминиевого сплава, в частности, изделию из дисперсионно-твердеющего сплава типа Al-Zn-Mg для конструктивных элементов, сочетающему в себе высокую прочность с высокой вязкостью и пониженной чувствительностью к закалке. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления таких изделий из алюминиевого сплава. Изделия, полученные из такого алюминиевого сплава, очень подходят для авиационно-космических применений, но не ограничиваются ими. Сплав может быть обработан до изделий различных видов, например, листа, тонкой плиты, толстой плиты, экструдированных или кованых изделий. Более конкретно, изобретение относится к изделиям из алюминиевого сплава с относительно большими толщинами, т.е. примерно от 2 до 12 дюймов в толщину. Изделия, полученные из такого Al-Zn-Mg сплава, также могут быть использованы в качестве литого изделия, т.е. отлитого под давлением изделия.
Предпосылки изобретения
Как будет понятно ниже, если не указано иное, обозначения сплавов и обозначения состояний приведены в соответствии с обозначениями Алюминиевой Ассоциации по в Стандартах и данных по алюминию и Регистрационных записях, опубликованных Алюминиевой Ассоциацией в 2008 г. и хорошо известных в данной области техники.
В случае любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на процентные величины представляют собой весовые проценты, если не указано иное.
В данной области техники известно использование термообрабатываемых алюминиевых сплавов в ряде применений, требующих относительно высокой прочности, высокой вязкости и коррозионной стойкости, таких как фюзеляжи летательных аппаратов, детали транспортных средств и другие назначения. Алюминиевые сплавы АА7050 и АА7150 проявляют высокую прочность в состояниях типа Т6. Известно, что состояние Т6 повышает прочность сплава, при этом изделия из вышеупомянутых сплавов АА7050 и АА7х50, содержащие большие количества цинка, меди и магния, известны своими высокими отношениями прочности к весу и поэтому находят применение, в частности, в авиационной промышленности. Однако эти применения приводят к воздействию самых разнообразных климатических условий, требуя тщательного контроля за условиями обработки давлением и старения для обеспечения адекватной прочности и стойкости к коррозии, включая как коррозию под напряжением, так и расслаивание. Для повышения стойкости к коррозии под напряжением и расслаиванию, а также вязкости разрушения такие сплавы серии 7000, как известно, подвергают искусственному перестариванию. При искусственном перестаривании, например, до состояния типа Т79, Т76, Т74 или Т73, их стойкость к коррозии под напряжением, коррозионному расслаиванию и вязкость разрушения улучшаются в перечисленном порядке, однако, в некоторой степени, за счет прочности по сравнению с состоянием отпуска Т6. Приемлемым состоянием отпуска является состояние типа Т74, которое представляет собой ограниченное перестаренное состояние между Т73 и Т76 для того, чтобы получить приемлемый уровень прочности на растяжение, стойкости к коррозии под напряжением, стойкости к коррозионному расслаиванию и вязкости разрушения.
Однако для толстых в сечении деталей, имеющих толщину более примерно 3 дюймов, или деталей, полученных механической обработкой из таких толстых профилей, важным является равномерный и надежный баланс свойств по всей толщине. В настоящее время, среди прочих, для таких видов применения используют сплавы АА7050 или АА7010, или АА7040, или АА7085. Пониженная чувствительность к закалке, т.е. пониженное ухудшение свойств по толщине при более низкой скорости закалки или более толстых изделиях, представляет собой основное пожелание, среди прочих, со стороны изготовителей летательных аппаратов.
При получении изделий из деформируемых сплавов такого типа их обычно подвергают термообработке на твердый раствор с последующей закалкой. При термообработке на твердый раствор и закалке толстых профилей чувствительность к закалке изделия из сплава имеет большое значение. После термообработки на твердый раствор желательно быстро охладить изделие для сохранения различных легирующих элементов в твердом растворе, не давая им выделиться из раствора в крупном виде, что в противном случае происходит при медленном охлаждении. В последнем случае появляются крупные выделения, например, Al2CuMg и/или Mg2Zn, что приводит к падению механических свойств. В изделиях с толстым поперечным сечением закалочная среда, действующая на наружные поверхности таких изделий (плиты, выдавленного профиля или поковки), неспособна эффективно извлечь тепло изнутри, включая центр или плоскость, проходящую через середину или четверть такого материала. Это объясняется физическим расстоянием до поверхности и тем фактом, что тепло извлекается из металла с помощью зависимой от расстояния проводимости. При тонких поперечных сечениях (например, 2 дюйма или менее) скорости закалки в проходящей через середину плоскости естественно выше, чем скорости закалки в поперечном сечении изделия большей толщины. Следовательно, общая чувствительность к закалке изделия из сплава часто не так важна при небольшой толщине, как для изделий большей толщины, по меньшей мере с точки зрения прочности и вязкости.
В патенте США № US-6027582, составляющем основу для разработки АА7040, раскрыт оптимизированный баланс между легирующими элементами для улучшения прочности и других свойств при исключении лишних добавок для минимизации чувствительности к закалке.
В заявке на патент США US-2002/0121319-А1, составляющей основу для разработки сплава АА7085, раскрыт другой тщательно регулируемый баланс добавления Zn, Mg и Cu для обеспечения улучшенной чувствительности к закалке при сохранении хороших свойств прочности и вязкости, в частности, в алюминиевых изделиях большей толщины.
В заявке на патент США US-2006/0096676 раскрыт другой регулируемый состав сплава серии 7ххх, имеющий высокое содержание магния, составляющее от 2,6 до 3,0% Mg, очень низкое содержание Cu от 0,10 до 0,2% и намеренное добавление от 0,05 до 0,2% Zr для получения тонкозернистой структуры в листовых изделиях посредством выбора комбинированной гомогенизации и термообработки на твердый раствор с последующим двухступенчатым охлаждением для снижения чувствительности к закалке в листовых изделиях.
Некоторыми другими известными аналогами являются следующие:
Заявка на Японский патент JP-10-212538-A раскрывает тонкое плакированное изделие из алюминиевого сплава для теплообменников. Изделие включает слой сердцевины из алюминиевого сплава со слоем плакировки из алюминиевого сплава, содержащим от 0,005 до 2,0% Ge для подавления образования окисленного покрытия на поверхности расходуемого материала в щелочной среде. Слой плакировки предпочтительно дополнительно включает от по меньшей мере 0,1 до 6% Zn, от 0,1 до 3,55% Mg. Кроме того, может быть добавлено от 0,005 до 0,5% In или Sn, поскольку они оказывают похожее действие, как и Zn. Может быть также добавлен V, а также Si в диапазоне от 0,1 до 0,7% для улучшения прочности.
В Международной заявке на патент WO-2004/090185 раскрыто изделие из алюминиевого сплава с высокой прочностью и вязкостью разрушения и хорошей коррозионной стойкостью, причем упомянутый сплав включает по существу, в вес.%: от Zn 6,5 до 9,5, Mg от 1,2 до 2,2, Cu от 1,0 до 1,9, Fe<0,3, Si<0,20, необязательно, один или более из: (Zr<0,5, Sc<0,7, Cr<0,4, Hf<0,3, Mn<0,8, Ti<0,4, V<0,4), а также другие примеси или случайные элементы, остальное составляет алюминий. Раскрыто, что данный сплав может дополнительно содержать вплоть до 1% серебра и до 1% германия. Однако не приведено никаких примеров относительно добавления Ag или Ge, а также не раскрыто какое-либо их действие.
Описание изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить изделие из сплава алюминия-цинка-магния-меди, имеющего пониженную чувствительность к закалке.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления изделия из такого сплава.
Эти и другие задачи и дополнительные преимущества могут быть решены или достигнуты с помощью настоящего изобретения, касающегося изделия из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава в виде катаного, экструдированного или кованого изделия для конструктивных элементов, имеющего химический состав, включающий, в вес.%:
Zn примерно от 3% до 11%
Mg примерно от 1% до 3%
Cu примерно от 0,9% до 3%
Ge примерно от 0,03% до 0,4%
Si от 0 до 0,5%
Fe от 0 до 0,5%
Ti самое большее примерно 0,3%,
необязательно, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из:
Zr самое большее примерно 0,5%, предпочтительно от 0,03% до 0,25%,
Ti самое большее примерно 0,3%, предпочтительно самое большее 0,1%,
Cr самое большее примерно 0,4%,
Sc самое большее примерно 0,5%,
Hf самое большее примерно 0,3%,
Mn самое большее примерно 0,4%, предпочтительно <0,3%,
Ag самое большее примерно 0,5%,
Li самое большее примерно 2,5%,
и, необязательно, самое большее:
примерно 0,05% Са
примерно 0,05% Sr
примерно 0,004% Be,
остальное составляют алюминий и обычные и/или неизбежные случайные элементы и примеси, причем такие элементы или примеси присутствуют в количестве <0,05% каждый, в целом <0,15%.
В соответствии с изобретением было установлено, что намеренное добавление германия (Ge) в изделия из алюминиево-цинкового сплава способно значительно понизить чувствительность к закалке, что позволяет закаливать изделия большей толщины, все еще достигая очень хороших сочетаний прочности-вязкости и характеристик коррозионной стойкости. Такая пониженная чувствительность к закалке была обнаружена, в частности, в более толстых изделиях из алюминиевого сплава, т.е. имеющих толщину более 2 дюймов (50 мм) или более. Добавление Ge может быть выполнено также в изделия из сплавов, в настоящее время поставляемых на коммерческой основе для авиационно-космических целей, таких как АА7050, АА7010, АА7040, АА7081 и АА7085, при сохранении высоких прочностно-вязкостных свойств в изделиях из сплавов.
Пониженная чувствительность к закалке также позволяет использовать более низкую скорость охлаждения при получении изделий из сплавов. Более низкие скорости охлаждения привносили бы в изделие из сплава меньшие остаточные напряжения, приводящие, в свою очередь, к меньшей степени деформации в обработанных резанием изделиях. Это сделало бы изделие из сплава хорошим кандидатом на специфические авиационно-космические применения, где критическими являются допуски при обработке резанием, а также на такое применение, как инструментальная плита.
Более предпочтительный нижний предел добавления Ge составляет примерно 0,05%, а более предпочтительно - примерно 0,08%. При слишком низких содержаниях не было обнаружено никакого влияния добавления Ge на чувствительность к закалке. Добавление Ge не должно превышать 0,4%, а более предпочтительный верхний предел добавления Ge составляет примерно 0,35%. Добавление Ge не должно быть слишком большим, поскольку слишком высокое содержание Ge вносит вклад в образование эвтектических фаз, т.е. эвтектической фазы Ge-Si, которые имеют более низкую температуру плавления и могут отрицательно влиять, среди прочего, на вязкость изделия из сплава. Хотя это не имеет полного объяснения, добавление Ge замедляет выделение вторичных фаз при охлаждении изделия из сплава от высокой температуры.
В предпочтительном варианте реализации изделия из сплава согласно этому изобретению оно имеет нижний предел содержания Zn примерно 6,1%, а предпочтительно - примерно 6,4%. А более предпочтительный верхний предел содержания Zn составляет примерно 8,5%, а более предпочтительно - примерно 8,1%.
В предпочтительном варианте реализации изделие из сплава согласно этому изобретению имеет предпочтительный верхний предел содержания Mg примерно 2,5%, а предпочтительно - примерно 2,0%, а более предпочтительно - примерно 1,9%. Слишком высокое содержание Mg оказывает отрицательное влияние на вязкость изделия из сплава.
В предпочтительном варианте реализации изделие из сплава согласно этому изобретению имеет нижний предел содержания Cu примерно 0,9%, а более предпочтительно - примерно 1,1%. Было установлено, что сплавы серии АА7ххх, имеющие низкое содержание Cu, например, АА7021, не показали никакого заметного влияния на чувствительность к закалке при добавлении Ge в заявленных диапазонах. В предпочтительном варианте реализации верхний предел содержания Cu составляет примерно 2,6%, предпочтительно - примерно 2,2%, а более предпочтительно - примерно 2%.
В предпочтительном варианте реализации изделия из сплава предпочтительными являются более бедные составы по отношению к добавлению Zn, Mg и Cu (так, предпочтительно, менее 8,1% Zn, менее 2,5% Mg и менее 2,6% Cu), поскольку это будет способствовать введению большего количества Ge в твердый раствор для получения оптимума по выгодно пониженной чувствительности к закалке.
Содержание Fe в изделии из сплава должно составлять менее 0,5%, а предпочтительно - менее примерно 0,35%. При использовании изделия из сплава по авиационно-космическому назначению предпочтительным является нижний конец данного диапазона, например, менее примерно 0,1%, а более предпочтительно - менее примерно 0,08%, с целью поддержания, в частности, вязкости на достаточно высоком уровне. При использовании сплава по назначению инструментальной плиты может быть допустимо более высокое содержание Fe. Однако полагают, что для авиационно-космического назначения может быть также использовано умеренное содержание Fe, например, примерно от 0,09% до 0,13%, или даже примерно от 0,10% до 0,15%.
Содержание Si в изделии из сплава должно составлять менее 0,5%, а предпочтительно - менее примерно 0,35%. При использовании изделия из сплава по авиационно-космическому назначению предпочтительным является нижний конец данного диапазона, например, менее примерно 0,1%, а более предпочтительно - менее примерно 0,08%, с целью поддержания, в частности, вязкости на достаточно высоком уровне. При использовании сплава по назначению инструментальной плиты может быть допустимо более высокое содержание Si. Однако полагают, что при специально предназначенных для них термических обработках более высокие уровни содержания Si могут быть допустимы также и для авиационно-космических назначений. Предпочтительный верхний предел содержания Si составляет примерно 0,25%. Специально предназначенные термические обработки представляют собой, например, раскрытые в Международной заявке на патент WO-2008/003504, включенной сюда во всей свой полноте по ссылке.
Серебро в диапазоне самое большее примерно 0,5% может быть добавлено с целью дальнейшего повышения прочности во время старения. Предпочтительный нижний предел добавления Ag составляет примерно 0,03%, а более предпочтительно - примерно 0,08%. Предпочтительный верхний предел составляет примерно 0,4%.
Li в диапазоне самое большее примерно 2,5% может быть добавлен в изделие из сплава с целью дальнейшего усиления в изделии из сплава эффекта упрочнения при старении для повышения прочности после старения изделия из сплава. Дальнейшее преимущество добавления Li заключается в повышении модуля упругости изделия из алюминиевого сплава.
Для регулирования зеренной структуры и дальнейшего регулирования чувствительности к закалке может быть добавлен каждый из дисперсоидообразующих элементов Zr, Sc, Hf, V, Cr и Mn. Оптимальные уровни содержания дисперсоидообразователей зависят от обработки, но, при выборе одного единственного химического состава по основным элементам (Zn, Mg и Cu) в рамках предпочтительного интервала и при использовании такого химического состава для всех релевантных форм изделий, содержания Zr составляют менее примерно 0,5%.
Предпочтительный максимум содержания Zr составляет примерно 0,25%. Подходящий диапазон содержания Zr составляет примерно от 0,03% до 0,2%. Более предпочтительный верхний предел содержания Zr составляет примерно 0,15%. Zr является предпочтительным легирующим элементом в изделии из сплава согласно этому изобретению. Хотя Zr может быть добавлен в комбинации с Mn, для изделий большей толщины предпочтительно, чтобы при добавлении Zr было исключено какое-либо добавление Mn, предпочтительно при поддержании Mn на уровне менее 0,03%. В изделиях большей толщины фазы Mn укрупняются быстрее, чем фазы Zr, тем самым отрицательно влияя на чувствительность к закалке изделия из сплава.
Содержание Sc предпочтительно составляет не более примерно 0,5% или, более предпочтительно, не более примерно 0,3%, а еще более предпочтительно - не более примерно 0,18%. При сочетании со Sc суммарное содержание Sc+Zr должно составлять менее 0,3%, предпочтительно - менее 0,2%, а более предпочтительно - максимум примерно 0,17%.
Другим дисперсоидообразователем, который может быть добавлен отдельно или вместе с другими дисперсоидообразователями, является Cr. Содержания Cr предпочтительно должны составлять менее примерно 0,4%, а более предпочтительно - максимум примерно 0,3%, а еще более предпочтительно - примерно 0,2%. Предпочтительный нижний предел для Cr составляет примерно 0,04%. Если ранее в данной области техники считалось, что добавление Cr к алюминиевому сплаву серии 7ххх делает изделия из таких сплавов более чувствительными к закалке, и по этой причине добавление Zr в настоящее время является предпочтительным для изделий из многих сплавов, в соответствии с настоящим изобретением намеренное добавление Ge делает изделие из Cr-содержащего сплава менее чувствительным к закалке и делает его привлекательным для применения в различных конструкциях. Хотя один Cr может оказаться не таким эффективным, как один Zr, по меньшей мере при использовании изделия из сплава в инструментальной плите могут быть получены похожие результаты по твердости. При сочетании с Zr суммарное содержание Zr+Cr должно составлять не более примерно 0,23%, а предпочтительно - не более примерно 0,18%.
Предпочтительное суммарное содержание Sc+Zr+Cr не должно быть выше примерно 0,4%, а более предпочтительно, не более примерно 0,27%.
В другом варианте реализации изделия из алюминиевого сплава согласно изобретению изделие из сплава свободно от Cr, в практическом смысле это означает, что содержание Cr находится на обычном уровне примесей, составляющем <0,05%, а предпочтительно - <0,03%, а более предпочтительно, сплав практически свободен и по существу свободен от Cr. Под “практически свободным” и “по существу свободным” мы подразумеваем, что этот легирующий элемент намеренно не добавляют в состав, но из-за присутствия примесей и/или выщелачивания в результате контакта с производственным оборудованием следовые количества этого элемента могут, тем не менее, оказаться в конечном изделии из сплава. В частности, в случае изделий большей толщины (например, более 3 мм) Cr связывает часть Mg с образованием частиц Al12Mg2Cr, которые отрицательно влияют на чувствительность к закалке изделия из сплава, и может образовывать крупные частицы на границах зерен, тем самым отрицательно влияя на свойства стойкости к повреждениям.
Mn может быть добавлен в качестве единственного дисперсоидообразователя или в сочетании с одним из других дисперсоидообразователей. Максимум добавления Mn составляет примерно 0,4%. Подходящий интервал добавления Mn составляет в диапазоне примерно от 0,05% до 0,4%, а предпочтительно - в диапазоне примерно от 0,05% до 0,3%. Предпочтительный нижний предел добавления Mn составляет примерно 0,12%. При сочетании с Zr суммарное содержание Mn плюс Zr должно быть менее примерно 0,4%, предпочтительно - менее примерно 0,32%, а подходящий минимум составляет примерно 0,12%.
В другом варианте реализации изделия из алюминиевого сплава согласно изобретению сплав свободен от Mn, в практическом смысле это означает, что содержание Mn составляет <0,03%, а предпочтительно - <0,02%, а более предпочтительно, сплав практически свободен и по существу свободен от Mn. Под “практически свободным” и “по существу свободным” мы подразумеваем, что этот легирующий элемент намеренно не добавляют в состав, но из-за присутствия примесей и/или выщелачивания в результате контакта с производственным оборудованием следовые количества этого элемента могут, тем не менее, оказаться в конечном изделии из сплава.
В другом предпочтительном варианте реализации изделия из алюминиевого сплава согласно этому изобретению сплав не содержит намеренной добавки V, так что он присутствует, если присутствует вообще, в обычных для примесей количествах, составляющих менее 0,05%, предпочтительно - менее 0,02%.
Ti может быть добавлен в изделие из сплава, помимо прочего, в целях измельчения зерен во время отливки заготовки сплава, например, слитков или биллетов. Добавление Ti не должно превышать примерно 0,3%, а предпочтительно, оно не должно превышать примерно 0,1%. Предпочтительный нижний предел добавления Ti составляет примерно 0,01%. Ti может быть добавлен как отдельный элемент либо с бором или углеродом, служащим в качестве вспомогательной добавки при литье с целью регулирования размера зерен.
Традиционно в качестве замедлителя растрескивания слитка/раскислителя служили добавки бериллия, который может также быть использован и в изделии из сплава согласно этому изобретению. Однако из соображений охраны окружающей среды, здоровья и безопасности более предпочтительные варианты реализации этого изобретения по существу свободны от Ве. Небольшие количества Са и Sr, по отдельности или в сочетании, могут быть добавлены в изделие из сплава для таких же целей, как и Ве. Предпочтительная добавка Са составляет в диапазоне примерно от 10 до 100 миллионных долей (м.д.).
Остальное в изделии из сплава составляют алюминий и обычные и/или неизбежные случайные элементы и примеси. Типично такие элементы или примеси присутствуют на уровне <0,05% каждый, в целом <0,15%.
В другом варианте реализации изделие из сплава согласно этому изобретению имеет химический состав в рамках диапазонов АА7010, АА7040, АА7140, АА7050, АА7055, АА7075, АА7081 или АА7085, плюс их модификации, в комбинации с намеренным добавлением Ge согласно этому изобретению.
Изделие из сплава находится в виде катаного, экструдированного или кованого изделия, а более предпочтительно, изделие находится в виде листа, плиты, поковки или экструдированного изделия, в идеале, как часть конструктивной детали летательного аппарата. Такие конструктивные детали летательного аппарата включают, среди прочих, лист фюзеляжа, элемент каркаса фюзеляжа, плиту верхней поверхности крыла, плиту нижней поверхности крыла, толстую плиту для получаемых резанием деталей, поковку или лист для стрингеров, элемент лонжеронов, элемент нервюр, элемент балок перекрытий и элемент переборок.
Кроме того, согласно этому изобретению могут быть изготовлены детали неавиационно-космического назначения, такие как, например, инструментальная плита для форм, предназначенных для изготовления формованных пластмассовых или резиновых изделий, например, литьем под давлением или литьевым формованием.
Хорошие комбинации свойств желательны при всех толщинах, однако они особенно полезны в таких диапазонах толщины, где, как правило, при увеличении толщины чувствительность изделия к закалке также повышается. Поэтому изделие из сплава по этому изобретению особенно применимо при большой толщине, например, от более чем 2 дюймов (50 мм) до 3 дюймов (76 мм) и до 12 дюймов (305 мм) или более.
Несмотря на то, что основное внимание в этом изобретении было нацелено на толстые в поперечном сечении изделия из сплава, закаливаемые как можно более быстрым практичным способом, специалистам в данной области техники будет понятно, что другое его применение состояло бы в том, чтобы воспользоваться преимуществом низкой чувствительности к закалке и использовать намеренно медленную скорость закалки при обработке тонких в сечении деталей из сплава с целью снижения индуцируемых закалкой остаточных напряжений в них, а также степени деформации, вызываемой быстрой закалкой, но без существенного снижения прочности и/или вязкости.
В еще одном аспекте изобретения оно относится к способу изготовления изделия из деформируемого алюминиевого сплава серии АА7000, включающему следующие стадии:
а. отливка заготовки - слитка или биллета из AlZnMg(Cu)Ge-го сплава согласно этому изобретению;
b. подогрев и/или гомогенизация отлитой заготовки;
с. горячая обработка заготовки одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, экструзии и ковки;
d. необязательная холодная обработка подвергнутой горячей обработке заготовки;
е. термообработка на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке и необязательно холодной обработке заготовки;
f. охлаждение упомянутой ТТР заготовки;
g. необязательное растяжение или сжатие охлажденной ТТР заготовки либо иная холодная обработка охлажденной ТТР заготовки для снятия напряжений, например, правка или вытяжка или холодная прокатка охлажденной ТТР заготовки;
h. старение охлажденной и необязательно подвергнутой растяжению или сжатию либо иной холодной обработке ТТР заготовки для достижения нужного состояния.
Алюминиевый сплав может быть получен в виде слитка или сляба или биллета для переработки в нужное деформированное изделие методами литья, обычными в области получения литых продуктов, например, DC-литье, ЕМС-литье, EMS-литье. Могут быть также использованы слябы, получаемые в результате непрерывного литья, например, из ленточных или валковых литейных машин, которые, в частности, могут оказаться преимущественными при получении конечных изделий меньшей толщины. После отливки заготовки сплава слиток обычно обдирают, удаляя зоны сегрегации вблизи литейной поверхности слитка.
Назначением гомогенизирующей термической обработки является достижение следующих целей: (i) растворить как можно больше крупных растворимых фаз, сформировавшихся во время затвердевания, и (ii) уменьшить градиенты концентрации для облегчения стадии растворения. Обработка подогревом также способствует достижению некоторых из этих целей. Обычная обработка подогревом будет происходить при температуре от 420°С до 460°С при продолжительности выдержки в диапазоне от 3 до 50 часов, более типично, от 3 до 24 часов. Важно, чтобы растворимые эвтектические фазы, такие как S-фаза, Т-фаза и М-фаза, в изделии из сплава растворились. Это обычно осуществляют, нагревая заготовку до температуры менее 500°С, а обычно в диапазоне от 440°С до 485°С, поскольку эвтектическая S-фаза (фаза Al2MgCu) имеет температуру плавления примерно 489°С в сплавах серии АА7000, а М-фаза (фаза MgZn2) имеет температуру плавления примерно 478°С. Как известно в данной области техники, это может быть достигнуто посредством гомогенизирующей обработки в упомянутом температурном диапазоне и предоставления заготовке возможности охладиться до температуры горячей обработки, или же после гомогенизации заготовку охлаждают и затем повторно нагревают до температуры горячей обработки. Процесс гомогенизации может быть также проведен, при желании, в две или более стадии, которые обычно осуществляют в диапазоне температуры от 430°С до 490°С для изделий из сплава согласно этому изобретению. Например, в двухстадийном процессе имеется первая стадия между 445°С и 455°С и вторая стадия между 460°С и 485°С, с целью оптимизации процесса растворения различных фаз в зависимости от точного состава сплава.
Как хорошо известно специалисту, продолжительность выдержки при температуре гомогенизации зависит от сплава и обычно составляет в диапазоне примерно от 1 до 50 часов. Те скорости нагревания, которые могут быть применены, являются обычными в данной области техники.
В зависимости от содержания Ge и Si, присутствующих в изделии из сплава, и, в частности, при уровнях примерно 0,1% или более, может оказаться целесообразным, чтобы операция гомогенизации включала дополнительную стадию при несколько более высокой температуре, например, при температуре в диапазоне более чем 500°С, но при температуре меньшей, чем температура солидуса рассматриваемого сплава, с целью растворения как можно большего количества всех присутствующих фаз Ge и Si. Для изделия из сплава согласно этому изобретению предпочтительная температура составляет в диапазоне от >500°С до 550°С, предпочтительно - от 505 до 540°С, а более предпочтительно - от 510 до 535°С. Для системы сплава согласно этому изобретению продолжительность выдержки при такой несколько более высокой температуре составляет от примерно 1 до примерно 50 часов. Более практичная продолжительность выдержки составляет не более примерно 30 часов. Слишком большая продолжительность выдержки может привести к нежелательному укрупнению дисперсоидов, отрицательно влияющему на механические свойства конечного продукта из сплава.
После операции подогрева и/или гомогенизации заготовка может быть подвергнута горячей обработке одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, экструзии и ковки, предпочтительно с использованием обычной промышленной практики. Способ горячей прокатки является предпочтительным для настоящего изобретения.
Горячая обработка, и горячая прокатка в частности, может быть осуществлена до конечной толщины, например, 0,125 дюйма (3 мм) или менее, или, альтернативно, изделий большой толщины, т.е. в диапазоне от 2 дюймов (50 мм) или более, например, до 12 дюймов (305 мм) или более, например, в диапазоне от 3 дюймов (76 мм) до 9 дюймов (223 мм). Альтернативно, стадия горячей обработки может быть осуществлена для получения заготовки со средней толщиной, как правило, листа или тонкой плиты. После этого такая заготовка со средней толщиной может быть повергнута холодной обработке, например, посредством прокатки, до конечной толщины. В зависимости от состава сплава и степени холодной обработки, до или во время операции холодной обработки может быть использован промежуточный отжиг.
Подвергнутое горячей обработке и необязательно холодной обработке изделие из сплава подвергают термообработке на твердый раствор («ТТР») при температуре и продолжительности, достаточных для как можно большего перевода в твердый раствор по существу всех растворимых компонентов, включая любые из возможных фаз Mg2Si и Ge-содержащих фаз, которые могли выделиться во время охлаждения от гомогенизирующей обработки или во время операции горячей обработки или любой иной промежуточной термической обработки сплава, с последующим быстрым охлаждением рассматриваемого изделия из алюминиевого сплава. ТТР предпочтительно осуществляют в тех же самых температурном и временном интервалах, что и гомогенизацию, как изложено в данном описании, вместе с предпочтительными более узкими интервалами. Однако полагают, что также может оказаться все еще очень полезной более короткая продолжительность выдержки, например, в диапазоне примерно от 2 до 180 минут. Термообработку на твердый раствор обычно осуществляют в печи периодического действия, однако она может быть также осуществлена непрерывным образом.
После ТТР важно, чтобы алюминиевый сплав был охлажден до температуры примерно 150°С или менее, предпочтительно - до температуры окружающей среды, с целью предотвращения или минимизации нерегулируемого выделения вторичных фаз, например, Al2CuMg и/или Mg2Zn. С другой стороны, скорости охлаждения предпочтительно не должны быть слишком высокими для обеспечения достаточной плоскостности и низкого уровня остаточных напряжений в изделии. Подходящие скорости охлаждения могут быть достигнуты при использовании воды, например, погружения в воду или водных струй. Пониженная или низкая чувствительность к закалке изделий из сплава согласно этому изобретению чрезвычайно важна. При больших толщинах, чем меньше чувствительность к закалке, тем лучше в отношении способности изделия из такого сплава удерживать легирующие элементы в твердом растворе (таким образом избегая образования вредных выделений, крупных фаз и т.п., при медленном охлаждении от температур ТТР), особенно при более медленном охлаждении областей в середине и на четверти глубины таких толстых изделий из сплавов.
Заготовка может быть подвергнута дальнейшей холодной обработке, например, посредством растягивания в диапазоне примерно от 0,5% до 8% от ее первоначальной длины, для снятия остаточных напряжений в ней и улучшения плоскостности изделия. Растягивание предпочтительно осуществляют в диапазоне примерно от 0,5% до 6%, более предпочтительно - примерно от 0,5% до 5%.
После охлаждения заготовку подвергают старению, как правило, при температурах окружающей среды, и/или, альтернативно, заготовка может быть подвергнута искусственному старению. Все способы старения, известные в данной области техники, и те, которые могут быть разработаны в будущем, могут быть применены к изделиям из сплава серии АА7000, получаемым способом согласно этому изобретению, для развития нужной прочности и других технологических свойств. Например, могут быть использованы условия для состояний Т6 и Т7х, получаемых в результате одностадийных, двухстадийных или трехстадийных способов искусственного старения, либо, альтернативно, неизотермического способа старения, описанного в Международной заявке на патент WO-2007/106772-A2.
Желаемая конструктивная форма может быть затем получена обработкой резанием из термообработанных листовых профилей, чаще всего, обычно после искусственного старения, например, цельный лонжерон крыла. Подобно ТТР, закалке, при изготовлении толстых профилей, получаемых в результате технологических стадий экструзии и/или ковки, зачастую также следуют операции снятия напряжений и искусственного старения.
Низкая чувствительность к закалке изделия из сплава согласно этому изобретению может предполагать другой вариант изготовления изделий из деформируемого алюминиевого сплава, при котором изделие из сплава подвергают горячему формованию посредством экструзии и закалке под прессом. “Закалка под прессом” известна специалистам в данной области техники как процесс, включающий регулирование температуры экструзии и других условий экструзии таким образом, что при выходе из экструзионной матрицы деталь находится при желаемой температуре нагревания на твердый раствор или близко к ней, и растворимые компоненты фактически переведены в твердый раствор. Затем ее немедленно и непосредственно непрерывно закаливают водой, сжатым воздухом или другими средами по мере того, как деталь выходит из экструзионного пресса. Закаленная под прессом деталь может затем пройти обычное растягивание, с последующим естественным или искусственным старением. Следовательно, дорогостоящий отдельный процесс термообработки на твердый раствор исключен из этого выгодного варианта с закалкой под прессом, что значительно снижает общие производственные затраты, а также расход энергии. Поскольку изделие из сплава имеет очень низкую чувствительность к закалке, ожидается, что во время закалки под прессом ухудшение свойств либо полностью исключено, либо значительно уменьшено до уровней, приемлемых для многих видов применения.
В другом варианте реализации изделие из сплава согласно этому изобретению получают в виде алюминиевой отливки или изделия из алюминиевого литейного сплава, обычно получаемых в результате литья в песчаные формы, литья в постоянные формы или литья под давлением. В данном варианте реализации алюминиевую отливку предпочтительно получают в состоянии Т5, Т6 или Т7. Состояние Т5 представляет собой состояние, при котором после извлечения из матрицы изделие немедленно подвергают закалке, например, в воде, а затем искусственному старению. Состояние Т6 представляет собой состояние, при котором изделие подвергают ТТР, закалке и искусственному старению до максимальной или почти максимальной прочности. Состояние Т7 представляет собой состояние, при котором изделие подвергают ТТР, закалке и стабилизации или старению за пределами точки максимальной прочности.
Алюминиевое литое изделие согласно этому изобретению может быть использовано по автомобильным и авиационно-космическим назначениям, в частности, назначениям, требующим значительных способностей нести нагрузку.
В еще одном аспекте предложен способ изготовления литого изделия согласно этому изобретению, включающий следующие стадии:
а. получение расплава алюминиевого сплава с составом сплава AlZnMg(Cu)Ge согласно этому изобретению;
b. заливку по меньшей мере части расплава в литейную форму, выполненную с возможностью формирования отливки, предпочтительно, посредством литья в песчаные формы, литья в постоянные формы или литья под давлением; и
с. удаление отливки из литейной формы.
В одном варианте реализации способа литья он дополнительно включает подвергание отливки обработке старением, предпочтительно, обработке искусственным старением, а предпочтительно, ТТР и охлаждению перед обработкой старением. Механическая деформация не требуется благодаря пониженной чувствительности к закалке, наблюдаемой в соответствии с этим изобретением. Более важным является то, что Ge переводится в раствор либо во время операции отливки, либо во время отливки и последующей термообработки на твердый раствор.
Было установлено, что при использовании в виде литого изделия может быть допустимым содержание Fe в изделии из сплава даже до более высоких уровней вплоть до примерно 0,6%, как это практикуется на коммерческой основе в литейных сплавах серии 7хх, тем не менее выигрывая от пониженной чувствительности к закалке в соответствии с этим изобретением.
Далее изобретение будет пояснено с помощью следующих неограничивающих примеров.
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР 1
Были отлиты три алюминиевых сплава с составами, указанными в таблице 1, при этом сплав 1 представляет собой сплав согласно уровню техники, а сплавы 2 и 3 представляют собой сплавы согласно этому изобретению. Использовали обычную измельчающую зерно добавку Ti-C. Блоки подвергали механической обработке до размеров 300 на 80 мм. Каждый блок гомогенизировали выдержкой его в течение 12 часов при 455°С, затем в течение 24 часов при 460°С, а следом в течение 24 часов при 530°С и охлаждали до комнатной температуры. Перед горячей прокаткой блоки подогревали до 450°С, а затем подвергали горячей прокатке с толщины 80 мм до 40 мм. Горячекатаные прутки-образцы повергали термообработке на твердый раствор при 470°С в течение 1 часа, а затем закалке при различных скоростях охлаждения, а именно, посредством закалки в воде (“WQ”) и охлаждения в печи, приводящего к скорости охлаждения примерно 1-3°С/мин (“FC”). Через 24 часа после охлаждения до температуры окружающей среды и приобретения состояния типа Т4 во всех прутках-образцах были измерены твердость и электрическая проводимость (IACS). Результаты измерений твердости и проводимости представлены в таблице 2. После этого прутки-образцы были доведены до состояния Т6 выдержкой их в течение 12 часов при 135°С с последующей закалкой в воде. Вновь была измерена твердость во всех прутках-образцах, и полученные результаты также приведены в таблице 2.
| Таблица 1 | ||||||||
| Химический состав (в вес.%) испытанного сплава (остальное - алюминий и неизбежные и обычные примеси) | ||||||||
| Сплав | Элемент | |||||||
| Zn | Mg | Cu | Fe | Mn | Si | Ge | Zr | |
| 1 | 7,5 | 1,4 | 1,45 | 0,04 | 0,06 | 0,03 | - | 0,1 |
| 2 | 7,5 | 1,4 | 1,45 | 0,05 | 0,06 | 0,14 | 0,32 | 0,1 |
| 3 | 7,5 | 1,4 | 1,45 | 0,05 | 0,06 | 0,04 | 0,32 | 0,1 |
| Таблица 2 | ||||
| Твердость и проводимость в состоянии Т4 и Т6 в зависимости от скорости охлаждения, примененной после ТТР | ||||
| Сплав | Способ охлаждения после ТТР | Состояние Т4 | Состояние Т6 | |
| Твердость | Проводимость | Твердость | ||
| 1 | WQ | 95 | 32,51 | 159 |
| 1 | FC | 65 | 42,26 | 75 |
| 2 | WQ | 89 | 33,72 | 149 |
| 2 | FC | 72 | 40,66 | 85 |
| 3 | WQ | 93 | 33,20 | 162 |
| 3 | FC | 91 | 38,88 | 113 |
Из представленных в таблице 2 результатов можно видеть, что более низкая проводимость в состоянии Т4 охлажденных в печи (FC) образцов с намеренной добавкой Ge (сплавы 2 и 3) указывает на то, что в твердом растворе присутствует больше элементов. Более того, повышенная твердость сплавов 2 и 3 по сравнению со сплавом 1 охлажденных в печи образцов означает значительно пониженную чувствительность к закалке. Влияние добавки Ge на твердость охлажденных в печи образцов можно наблюдать как в состоянии Т4, так и Т6.
Пониженная или более низкая чувствительность к закалке изделий из сплава согласно этому изобретению имеет чрезвычайно большое значение. При больших толщинах, чем меньше чувствительность к закалке, тем лучше в отношении способности изделия из сплава удерживать легирующие элементы в твердом растворе (таким образом исключая образование вредных выделений, крупных и прочих фаз, при медленном охлаждении от температур ТТР), особенно при более медленном охлаждении областей в середине и на четверти глубины таких толстых изделий из сплавов.
После изучения полностью описанного изобретения рядовому специалисту в данной области техники будет очевидно, что может быть сделано множество изменений и модификаций без отклонения от сущности или объема описанного здесь изобретения.
1. Изделие из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава с толщиной от 2 дюймов (50 мм) до 12 дюймов (305 мм), имеющего следующий химический состав, вес.%:
| Zn | от 3 до 11 |
| Mg | от 1 до 3 |
| Cu | от 0,9 до 3 |
| Ge | от 0,03 до 0,4 |
| Si | максимум 0,5 |
| Fe | максимум 0,5 |
| Ti | максимум 0,3, а предпочтительно максимум 0,1, |
необязательно, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из:
Mn самое большее 0,4, предпочтительно <0,3,
Cr самое большее 0,4,
Zr самое большее 0,5,
предпочтительно от 0,03 до 0,25,
Sc самое большее 0,5,
Hf самое большее 0,3,
V самое большее 0,4,
Ag самое большее 0,5,
Li самое большее 2,5,
и, необязательно, самое большее:
примерно 0,05 Са,
примерно 0,05 Sr,
примерно 0,004 Be,
остальное составляют алюминий и обычные и/или неизбежные элементы и примеси, причем упомянутые обычные и/или неизбежные элементы и примеси присутствуют в количестве <0,05 каждый, в целом <0,15.
2. Изделие по п.1, в котором сплав имеет содержание Zr в диапазоне от 0,03 вес.% до 0,5 вес.%, а предпочтительно в диапазоне от 0,03 вес.% до 0,25 вес.%.
3. Изделие по п.1, в котором сплав имеет содержание Cr в диапазоне от 0,04 вес.% до 0,3 вес.%, а предпочтительно в диапазоне от 0,04 вес.% до 0,2 вес.%.
4. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Ge в диапазоне по меньшей мере 0,05 вес.%, а предпочтительно в диапазоне по меньшей мере 0,08 вес.%.
5. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Ge в диапазоне максимум 0,35 вес.%.
6. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Сu в диапазоне по меньшей мере 1,1 вес.%.
7. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Cu в диапазоне максимум 2,6 вес.%, а предпочтительно максимум 2,2 вес.%.
8. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Mg в диапазоне максимум 2,5 вес.%.
9. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Zn в диапазоне максимум 8,5 вес.%, а предпочтительно максимум 8,1 вес.%.
10. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Zn в диапазоне по меньшей мере 6,1 вес.%, а предпочтительно по меньшей мере 6,4 вес.%.
11. Изделие по любому из пп.1-3, в котором сплав имеет содержание Si в диапазоне максимум 0,35 вес.%, а предпочтительно максимум 0,1 вес.%.
12. Изделие по любому из пп.1-3, которое имеет толщину в диапазоне по меньшей мере 3 дюйма (76 мм) в месте своего наиболее толстого поперечного сечения.
13. Изделие по любому из пп.1-3, которое подвергнуто операции горячей деформации, термообработке на твердый раствор, закалке и старению.
14. Изделие по любому из пп.1-3, которое представляет собой конструктивную деталь летательного аппарата.
15. Изделие по любому из пп.1-3, которое представляет собой форму для изготовления формованных пластмассовых изделий.
16. Способ изготовления изделия из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава с толщиной от 2 дюймов (50 мм) до 12 дюймов (305 мм) по любому из пп.1-11, включающий следующие стадии:
a) отливка заготовки - слитка из алюминиевого сплава,
b) подогрев и/или гомогенизация отлитой заготовки,
c) горячая обработка заготовки одним или более методами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, экструзии и ковки,
d) необязательная холодная обработка подвергнутой горячей обработке заготовки,
e) термообработка на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке и необязательно холодной обработке заготовки,
f) охлаждение ТТР заготовки,
g) необязательное растяжение или сжатие охлажденной ТТР заготовки либо иная холодная обработка охлажденной ТТР заготовки для снятия напряжений,
h) старение охлажденной и необязательно подвергнутой растяжению или сжатию либо иной холодной обработке ТТР заготовки для достижения нужного состояния.
17. Способ по п.16, в котором стадию g) осуществляют правкой или вытяжкой, или холодной прокаткой охлажденной ТТР заготовки.
18. Способ по п.16, в котором отлитую заготовку гомогенизируют нагреванием ее до температуры в диапазоне от 430°C до 490°C с последующим нагреванием до температуры в диапазоне от >500°C до 550°C.
19. Способ по любому из пп.16-18, в котором изделие из сплава подвергают прокатке.
20. Способ по любому из пп.16-18, в котором изделие из сплава подвергают экструзии при операции экструдирования и закалке под прессом.
