Алюминиевый сплав с добавками меди, лития и по меньшей мере одного щелочноземельного или редкоземельного металла и способ его получения

Изобретение относится к алюминиевым сплавам и может быть использовано при изготовлении изделий сваркой трением с перемешиванием. Алюминиевый сплав для получения изделия сваркой трением с перемешиванием содержит, мас.%: от 1,8 до 5,6 меди, от 0,6 до 2,6 лития и по меньшей мере один элемент, выбранный из лантана до 1,5, стронция до 1,5, церия до 1,5, празеодима до 1,5, алюминий – остальное. Способ получения алюминиевого сплава включает взвешивание исходных материалов с получением заданного состава, загрузку исходных материалов в тигель, который размещают в камере, удаление воздуха из камеры до заданного уровня вакуума, плавление, разливку в изложницу и охлаждение, гомогенизацию, закалку в воде, зачистку и горячую прокатку, меньшей мере одну из: обработку на твердый раствор, холодную прокатку или вытяжку, старение. Изобретение направлено на повышение прочности сварного соединения. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 табл., 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящая заявка относится к алюминиевым сплавам и, более конкретно, к алюминиевым сплавам с добавками меди, лития и по меньшей мере одного щелочноземельного или редкоземельного металла.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Сварка трением с перемешиванием (СТП) является процессом твердотельного соединения, в котором используют нерасходуемый инструмент для соединения двух обращенных друг к другу деталей без плавления материала детали. При сварке трением с перемешиванием, в то же время являющейся процессом твердотельного соединения, обычно происходит достаточное тепловыделение для укрупнения и даже растворения основных упрочняющих фаз во многих алюминиевых сплавах. Укрупнение и растворение первично выделившихся фаз в конечном итоге приводит к значительному падению прочности сварного шва, часто выраженным классическим W-образным распределением твердости.

[0003] Соответственно, специалисты в области техники продолжают исследования и прилагают усилия для разработки алюминиевых сплавов.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В одном варианте осуществления предложенный алюминиевый сплав содержит алюминий, от приблизительно 1,8 до приблизительно 5,6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития и по меньшей мере один элемент из следующего: лантан до приблизительно 1,5 процентов по массе, стронций до приблизительно 1,5 процентов по массе, церий до приблизительно 1,5 процентов по массе и празеодим до приблизительно 1,5 процентов по массе.

[0005] В другом варианте осуществления предложенный алюминиевый сплав содержит алюминий, от приблизительно 1,8 до приблизительно 5.6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития, по меньшей мере один элемент из следующего: лантан, стронций, церий и празеодим в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе каждого, магний в ненулевом количестве до приблизительно 1,9 процентов по массе, цирконий в ненулевом количестве до приблизительно 0,16 процентов по массе и серебро в ненулевом количестве до приблизительно 0,7 процентов по массе.

[0006] Еще в одном другом варианте осуществления предложенный алюминиевый сплав содержит алюминий, от приблизительно 1,8 до приблизительно 5.6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития, по меньшей мере один элемент из следующего: лантан, стронций, церий и празеодим в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе каждого, магний в ненулевом количестве до приблизительно 1,9 процентов по массе, цирконий в ненулевом количестве до приблизительно 0,16 процентов по массе, серебро в ненулевом количестве до приблизительно 0,7 процентов по массе, марганец в ненулевом количестве до приблизительно 0,6 процентов по массе, цинк в ненулевом количестве до приблизительно 1,0 процентов по массе и титан в ненулевом количестве до приблизительно 0,15 процентов по массе.

[0007] В одном варианте осуществления предложенный способ производства алюминиевого сплава включает этапы, согласно которым: (1) взвешивают исходные материалы для получения массы материала, которая содержит алюминий, от приблизительно 1,8 до приблизительно 5.6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития, и по меньшей мере один элемент из следующего: лантан до приблизительно 1,5 процентов по массе, стронций до приблизительно 1,5 процентов по массе, церий до приблизительно 1,5 процентов по массе и празеодим до приблизительно 1,5 процентов по массе; (2) загружают материалы в тигель; (3) вставляют тигель в камеру; (4) удаляют воздух из камеры до заданного уровня вакуума; (5) плавят материалы с получением расплавленной массы; и (6) разливают расплавленную массу в изложницу.

[0008] Другие варианты осуществления предложенного состава алюминиевого сплава и способа станут очевидны из приведенного ниже подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] На фиг. 1 показана функциональная схема производства и методологии обслуживания воздушного судна; и

[0010] На фиг.2 показана блок-схема воздушного судна.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Раскрыты алюминиевые сплавы, которые были улучшены путем добавления лантана (La), церия (Се), стронция (Sr), празеодима (Pr), других редкоземельных и щелочноземельных металлов, других лантанидов, и редкоземельного металла в форме мишметалла, вместе с различными другими элементами, обычно используемыми с алюминиевыми сплавами. Например, алюминиевые сплавы из 2ххх серии Al-Cu-Li сплавов, зарегистрированных ассоциацией алюминиевой промышленности, были улучшены путем добавления La, Се, Sr, Pr, других редкоземельных и щелочноземельных металлов, и одного редкоземельного металла в форме мишметалла. Предложенные алюминиевые сплавы предназначены для генерирования динамического отклика материала в процессе сварки трением с перемешиванием (СТП). Будучи не ограниченными какой-либо конкретной теорией, считается, что дополнительные элементы имеет три основных термодинамических и физических показателя, которые улучшают свойство предложенного алюминиевого сплава, приведенного ниже.

[0012] Фаза Т1 (основная упрочняющая фаза в системе Al-Cu-Li) способствует зарождению центров кристаллизации в искаженных узлах кристаллической решетки. Таким образом, высокая степень несоответствия напряжений, созданных этими дополнительными элементами, будет ускорять зарождение фазы Т1. Вместе с этим, описанный в настоящем документе показатель создает идеальные условия для зарождения и последующего повторного выделения фазы Т1 во время процесса СТП. Полученный в результате эффект будет заключаться в заметном улучшении в прочности и других неотъемлемых свойств материала в сварной зоне. Наконец, дополнительные элементы будут устранять значительное падение прочности, обычно наблюдаемое в сварных зонах. В результате будут получены новые классы алюминиевых сплавов, которые могут быть реализованы в пространствах с более критичными проектными параметрами, и в большей степени поддающимися желаемым и эффективным производственным процессам (например, СТП).

[0013] Один общий пример предложенного алюминиевого сплава имеет состав, показанный в таблице 1.

[0014] Таким образом, алюминиевый сплав согласно таблице 1 содержит от приблизительно 1,8 до приблизительно 5,6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития, по меньшей мере один элемент из следующего: лантан, стронций, церий и празеодим в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе, причем каждый из лантана, стронция, церия и/или празеодима может присутствовать в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе, и остальное по существу алюминий. Источником получения La, Sr, Се и/или Pr может быть мишметалл. Мишметалл представляет собой смесь редкоземельных металлических руд, как правило в основном Се и La с небольшими количествами Pr, Sr и ниодима (Nd), но не исключено содержание других лантанидов. Соответственно, низкие уровни других лантанидов также могут присутствовать в предложенном сплаве.

[0015] Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать кремний в ненулевом количестве до приблизительно 0,20 процентов по массе или от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,20 процентов по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать железо в ненулевом количестве до приблизительно 0,30 процентов по массе или от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,30 процентов по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать марганец в ненулевом количестве до приблизительно 0,6 процентов по массе или от приблизительно 0,03 до приблизительно 0,6 процентов по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать магний в ненулевом количестве до приблизительно 1,9 процентов по массе или от приблизительно 0,05 до приблизительно 1,9 процента по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать хром в ненулевом количестве до приблизительно 0,10 процентов по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать цинк в ненулевом количестве до приблизительно 1,0 процентов по массе или от приблизительно 0,03 до приблизительно 1,0 процента по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать титан в ненулевом количестве до приблизительно 0,15 процентов по массе или от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,15 процента по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать серебро в ненулевом количестве до приблизительно 0,7 процентов по массе или от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,7 процента по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать цирконий в ненулевом количестве до приблизительно 0,16 процентов по массе или от приблизительно 0,04 до приблизительно 0,16 процента по массе. Алюминиевый сплав согласно первому варианту осуществления может дополнительно включать никель, галлий и/или ванадий в ненулевом количестве до приблизительно 0,05 процентов по массе каждого.

[0016] Специалисту в области техники будет понятно, что различные примеси, которые по существу не влияют на физические свойства алюминиевого сплава согласно первому варианту осуществления также могут присутствовать, и присутствие таких примесей не приведет в результате к отступлению от объема настоящего раскрытия.

[0017] Другой общий пример предложенного алюминиевого сплава имеет состав, показанный в таблице 2.

[0019] Алюминиевый сплав согласно таблице 2 содержит приведенные в списке элементы и остальное является либо алюминием или по существу алюминий с различными примесями. В общем примере согласно таблице 2 La, Sr, Се и/или Pr должны присутствовать в ненулевом количестве.

[0020] Один конкретный неограничивающий пример предложенного алюминиевого сплава имеет состав, показанный в таблице 3.

[0021] Другой конкретный неограничивающий пример предложенного алюминиевого сплава имеет состав, показанный в таблице 4.

[0022] Еще один другой конкретный неограничивающий пример предложенного алюминиевого сплава имеет состав, показанный в таблице 5.

[0023] Предложенный алюминиевый сплав может быть получен различными способами. Один способ производства предложенного алюминиевого сплава включает этапы, на которых: (1) взвешивают исходные материалы с получением массы материала с составом алюминиевого сплава, содержащим от приблизительно 1,8 до приблизительно 5,6 процентов по массе меди, от приблизительно 0,6 до приблизительно 2,6 процентов по массе лития, по меньшей мере один элемент из следующего: лантан, стронций, церий и празеодим в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе каждого, и алюминий; (2) загружают материалы в тигель; (3) вставляют тигель в камеру; (4) удаляют воздух из камеры до заданного уровня вакуума, причем указанная камера при необходимости заполнена инертным газом; (5) плавят материалы с получением расплавленной массы; и (6) разливают расплавленную массу в изложницу. После разливки расплавленной массы в изложницу расплавленную массу охлаждают для формирования твердой массы, твердую массу гомогенизируют и закаливают водой с получением слитка, слиток зачищают и подвергают горячей прокатке, и слиток подвергают обработке на твердый раствор и закалке водой, холодной прокатке или вытяжке, и подвергают искусственному или иным образом естественному старению с получением алюминиевого сплава.

[0024] Этап взвешивания исходных материалов может включать использование мишметалла в качестве источника по меньшей мере один элемент из следующего: лантан, стронций, церий и празеодим в ненулевом количестве до приблизительно 1,5 процентов по массе каждого. Мишметалл представляет собой смесь редкоземельных металлических руд, как правило в основном Се и La с небольшими количествами Pr, Sr, и Nd, но не исключено содержание других лантанидов. Мишметаллы являются экономически эффективными редкоземельными элементами, которые можно использовать в настоящем изобретении для уменьшения затрат.

Редкоземельные элементы являются достаточно дорогостоящими, поскольку большим фактором стоимости редкоземельных элементов является этап отделения редкоземельных элементов. Посредством использования мишметаллов можно избежать этап отделения, таким образом конечный продукт будет менее дорогим при аналогичной эффективности.

[0025] В одном конкретном неограничивающем примере предложенного способа шихтовые материалы взвешиваются и загружаются в графитовый тигель. Затем из камеры удаляют воздух до уровня вакуума ниже приблизительно 0,05 мм рт.ст.(0,05 торр) и заполняют инертным газом (например, аргоном) до парциального давления приблизительно 760 мм рт.ст. Шихта плавится и разливается в графитовую изложницу и подвергается охлаждению на воздухе. Затем литой слиток гомогенизируют при приблизительно 840°F (449°С) в течение приблизительно 24 часов и подвергают закалке в воде. Затем слиток может быть зачищен и подвергнут горячей прокатке при приблизительно 900 Т (482°С) до толщины. Затем он будет подвергнут обработке на твердый раствор при 950°F (510°С) в течение приблизительно 1 часа и подвергнут закалке в воде. Наконец, он будет подвергнут холодной прокатке приблизительно с 5% обжатием и искусственному старению. Он может быть подвергнут искусственному старению при приблизительно 310°F (154°С) в течение приблизительно 32 часов, с получением алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению.

[0026] Примеры настоящего раскрытия можно описать в контексте способа 100 производства и технического обслуживания воздушных судов, как показано на фиг. 1, и воздушного судна 102, как показано на фиг. 2. Во время предсерийного производства способ 100 производства и технического обслуживания воздушного судна может включать спецификацию и проектирование 104 воздушного судна 102 и материальное снабжение 106. Во время производства происходит изготовление 108 комплектующих деталей/сборочных узлов и интеграция 110 систем воздушного судна 102. После этого воздушное судно 102 может пройти процедуру сертификации и доставки 112 для введения в эксплуатацию 114. При эксплуатации покупателем для воздушного судна 102 составляют график регулярного технического обеспечения и обслуживания 116, который также может включать модификацию, перестройку, переоборудование и т.п.

[0027] Каждый из указанных процессов предложенного способа 100 можно осуществить или выполнить с помощью системного интегратора, сторонней организации и/или оператора (например, покупателя). Для целей настоящего описания системный интегратор может без ограничения включать любое количество самолетостроительных предприятий и субподрядчиков для производства основных систем; сторонняя организация может без ограничения включать любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; и оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военные власти, организацию технического обслуживания и т.п.

[0028] Как показано на фиг. 2, воздушное судно 102, произведенное согласно типичному способу 100, может содержать корпус 118 с множеством систем 120 и внутреннюю часть 122. Примеры множества систем 120 могут включать одну или более силовую установку 124, электрическую систему 126, гидравлическую систему 128 и систему 130 жизнеобеспечения. Может быть включено любое количество других систем.

[0029] Предложенный состав алюминиевого сплава и сформированное из него изделие можно использовать во время одного или более этапов способа 100 производства и технического обслуживания воздушного судна. В одном из примеров, комплектующие детали и сборочные узлы, соответствующие изготовлению 108 комплектующих деталей/сборочных узлов, интеграции 110 систем и/или техническому обеспечению и обслуживанию 116, могут быть произведены или изготовлены с использованием предложенного состава алюминиевого сплава. В другом примере корпус 118 воздушного судна может быть изготовлен с использованием предложенного состава алюминиевого сплава. Также один или более примеров устройств, способа или их комбинации могут использоваться при изготовлении 108 комплектующих деталей/сборочных узлов и интеграции 110 систем, например, путем ускорения сборки или уменьшения затрат на воздушное судно 102, например корпуса 118 воздушного судна и/или внутренней части 122. Аналогично, один или более примеров устройств, способа или их комбинации могут использоваться при введении воздушного судна 102 в эксплуатацию, например и без ограничения, для технического обеспечения и обслуживания 116.

[0030] Предложенный состав алюминиевого сплава и сформированное из него изделие описаны применительно к воздушному судну; однако специалист в области техники легко поймет, что предложенный состав алюминиевого сплава и сформированное из него изделие можно использовать в различных отраслях применения. Например, предложенный состав алюминиевого сплава и сформированное из него изделие можно использовать в любом типе транспортного средства, включая, например, вертолеты, пассажирские суда, автомобили, изделия для морского флота (лодки, моторы и т.п.) и тому подобное.

[0031] Хотя в настоящем документе были показаны и описаны различные варианты осуществления предложенного состава алюминиевого сплава и сформированного из него изделия, после прочтения описания настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут придумать другие модификации. Настоящая заявка включает такие модификации и ограничена только объемом формулы изобретения.

1. Алюминиевый сплав для получения изделия сваркой трением с перемешиванием, содержащий:

алюминий,

от 1,8 до 5,6 процентов по массе меди,

от 0,6 до 2,6 процентов по массе лития и

по меньшей мере один элемент из:

лантан до 1,5 процентов по массе,

стронций до 1,5 процентов по массе,

церий до 1,5 процентов по массе и

празеодим до 1,5 процентов по массе.

2. Алюминиевый сплав по п. 1, который содержит по меньшей мере два элемента из указанного лантана, указанного стронция, указанного церия и указанного празеодима.

3. Алюминиевый сплав по п. 1 или 2, который дополнительно содержит кремний в ненулевом количестве до 0,20 процентов по массе.

4. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-3, который дополнительно содержит железо в ненулевом количестве до 0,30 процентов по массе.

5. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-4, который дополнительно содержит марганец в ненулевом количестве до 0,6 процентов по массе.

6. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-5, который дополнительно содержит магний в ненулевом количестве до 1,9 процентов по массе.

7. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-6, который дополнительно содержит хром в ненулевом количестве до 0,10 процентов по массе.

8. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-7, который дополнительно содержит цинк в ненулевом количестве до 1,0 процентов по массе.

9. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-8, который дополнительно содержит титан в ненулевом количестве до 0,15 процентов по массе.

10. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-9, который дополнительно содержит серебро в ненулевом количестве до 0,7 процентов по массе.

11. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-10, который дополнительно содержит цирконий в ненулевом количестве до 0,16 процентов по массе.

12. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-11, который дополнительно содержит по меньшей мере один элемент из: никель до 0,05 процентов по массе, галлий до 0,05 процентов по массе и ванадий до 0,05 процентов по массе.

13. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-12, который дополнительно содержит магний в ненулевом количестве до 1,9 процентов по массе, цирконий в ненулевом количестве до 0,16 процентов по массе и серебро в ненулевом количестве до 0,7 процентов по массе.

14. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-13, который содержит указанный стронций.

15. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-14, который содержит указанный лантан.

16. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-15, который содержит указанный церий.

17. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-16, который содержит указанный празеодим.

18. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-17, который дополнительно содержит

магний в ненулевом количестве до 1,9 процентов по массе,

цирконий в ненулевом количестве до 0,16 процентов по массе,

серебро в ненулевом количестве до 0,7 процентов по массе,

марганец в ненулевом количестве до 0,6 процентов по массе,

цинк в ненулевом количестве до 1,0 процентов по массе и

титан в ненулевом количестве до 0,15 процентов по массе.

19. Способ получения алюминиевого сплава, включающий этапы, согласно которым:

взвешивают исходные материалы с получением массы материала, имеющей состав по п. 1,

загружают указанные исходные материалы в тигель,

вставляют указанный тигель в камеру,

удаляют воздух из указанной камеры до заданного уровня вакуума,

плавят указанные исходные материалы с получением расплавленной массы,

разливают указанную расплавленную массу в изложницу и

охлаждают расплавленную массу с формированием твердой массы.

20. Способ по п. 19, в котором указанный заданный уровень вакуума составляет не более 0,05 мм рт.ст. и указанную камеру заполняют инертным газом.

21. Способ по п. 19 или 20, в котором:

указанную расплавленную массу разливают в изложницу,

указанную расплавленную массу охлаждают для формирования твердой массы,

указанную твердую массу гомогенизируют и подвергают закалке в воде с получением слитка,

указанный слиток зачищают и подвергают горячей прокатке,

указанный слиток подвергают по меньшей мере одному из следующего: обработке на твердый раствор, холодной прокатке и вытяжке и

указанный слиток подвергают старению.

22. Способ по любому из пп. 19-21, в котором указанный слиток подвергают искусственному старению при температуре от 300 до 320°F в течение от 29 до 35 часов.

23. Способ по любому из пп. 19-22, в котором указанное взвешивание включает взвешивание мишметалла в качестве источника указанного по меньшей мере одного элемента из следующего: указанный лантан, указанный стронций, указанный церий и указанный празеодим.