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CN1526031A - 可焊高强度Al-Mg-Si合金 - Google Patents

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CN1526031A CNA02813821XA CN02813821A CN1526031A CN 1526031 A CN1526031 A CN 1526031A CN A02813821X A CNA02813821X A CN A02813821XA CN 02813821 A CN02813821 A CN 02813821A CN 1526031 A CN1526031 A CN 1526031A
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Abstract

本发明涉及一种可焊高强度铝合金的轧制产品，该产品包含元素(重量百分比)：Si 0.8－1.3，Cu 0.2－0.45，Mn 0.5－1.1，Mg 0.45－1.0，Fe 0.01－0.3，Zr＜0.25，Cr＜0.25，Zn＜0.35，Ti＜0.25，V＜0.25，其它元素含量各小于0.05且总量小于0.15，余量为铝，而且进一步具有限制条件：“有效Si”的重量百分比的范围是0.86至1.15，优选0.86至1.05。“有效Si”的重量百分比根据下式计算：wt.％Si(有效)＝wt.％Si－(wt.％Fe+wt.％Mn)/6。

Description

可焊高强度Al-Mg-Si合金
本发明涉及一种铝合金产品以及制造该合金产品的方法，该铝合金适合用于飞机、汽车和其它用途。更具体地，本发明涉及一种改良的可焊铝产品，该产品在飞机应用中特别有用，且具有高耐损伤特性，其中包括改良的耐腐蚀性、可成形性、断裂韧性以及提高的强度性能。
在本领域中，已知道可热处理铝合金用于许多涉及相对高强度的应用，如飞机机身、汽车构件和其它应用。铝合金6061和6063是众所周知的可热处理铝合金。这些合金在T4和T6回火下都具有有用的强度和韧性。众所周知，T4回火条件指一个固溶热处理及自然时效至基本稳定性质水平的淬火条件，然而T6回火指通过人工时效产生的更强的条件。然而这些已知的合金在大多数结构航空航天应用中，缺乏足够的强度。几种其它铝业协会(“AA”)6000系列合金通常不适合用作商用飞机的设计，其要求不同类型的结构具有不同的性能组。根据具体的飞机部件的设计标准，强度、断裂韧性和耐疲劳性的改良导致重量的节省，这转化为飞机使用期限内燃料的节约，和/或更大的安全水平。为满足这些要求，已开发出几种6000系列的合金。
欧洲专利申请EP-0173632涉及一种合金的挤压或锻造产品，该合金由以下合金元素组成：(重量百分比)
Si 0.9-1.3，优选1.0-1.15
Mg 0.7-1.1，优选0.8-1.0
Cu 0.3-1.1，优选0.8-1.0
Mn 0.5-0.7
Zr 0.07-0.2，优选0.08-0.12
Fe ＜0.30
Zn 0.1-0.7，优选0.3-0.6
余量是铝和不可避免的杂质(每种小于0.05，总量小于0.15)
该产品具有非再结晶显微结构。该合金已在AA名称中登记为6056。
已报道这种已知的AA6056合金在T6回火条件下对晶粒间腐蚀敏感。为了克服这种问题美国专利申请5,858,134提供了一种生产轧制或挤压产品的方法，该产品具有如下组成：(重量百分比)
Si 0.7-1.3
Mg 0.6-1.1
Cu 0.5-1.1
Mn 0.3-0.8
Zr ＜0.20
Fe ＜0.30
Zn ＜1
Ag ＜1
Cr ＜0.25
其它元素各小于0.05且总量小于0.15
余量是铝，
并由此在过时效条件下生产该产品。然而在制造航空航天部件的最后，过时效需要耗费时间和成本的加工时期。为了获得改良的耐晶粒间腐蚀性，对于该方法铝合金中的Mg/Si比率必须小于1。
美国专利申请4,589,932公开了一种用于如汽车和航空航天结构的铝锻造合金产品，其后这种合金在AA名称中登记为6013，该合金具有如下的组成：(重量百分比)
Si 0.4-1.2，优选0.6-1.0
Mg 0.5-1.3，优选0.7-1.2
Cu 0.6-1.1
Mn 0.1-1.0，优选0.2-0.8
Fe ＜0.6
Cr ＜0.10
Ti ＜0.10
余量是铝及不可避免的杂质。
该铝合金具有[Si+0.1]＜Mg＜[Si+0.4]的强制性条件，并在549至582℃范围且接近该合金的固相线的温度下对该合金进行固溶热处理。在说明该专利的实施例中，Mg/Si的比率始终大于1。
美国专利申请5,888,320公开了一种生产铝合金产品的方法。该产品具有如下组成：(重量百分比)
Si 0.6-1.4，优选0.7-1.0
Fe ＜0.5，优选＜0.3
Cu ＜0.6，优选＜0.5
Mg 0.6-1.4，优选0.8-1.1
Zn 0.4-1.4，优选0.5-0.8
选自下组的至少一种元素：
Mn 0.2-0.8，优选0.3-0.5
Cr 0.05-0.3，优选0.1-0.2
余量是铝及不可避免的杂质。
这种公开的铝合金提供了一种已知的高铜含量6013合金的替代产品，由此该合金中呈现低铜水平，而且锌的水平提高到0.4％(重量)以上且其优选范围是0.5至0.8％(重量)。要求用更高的锌含量来补偿铜的损失。
尽管已有这些参考，对具有改良的强度、断裂韧性和耐腐蚀性均衡的改良铝基合金产品仍有极大的需求。
本发明的一个目的是提供一种改良且可焊的6000系列铝合金轧制产品，该产品具有比已知的6013合金更低的Cu含量，然而仍达到高强度。
本发明进一步的目的是提供一种改良且可焊的6000系列铝合金轧制产品，该产品具有比已知的6013合金更低的Cu含量，然而在T6回火下仍达到至少355MPa的极限拉伸强度。
本发明更进一步的目的是提供一种改良且可焊的6000系列铝合金轧制产品，该产品具有比已知的6013合金更低的Cu含量，然而在T6回火下仍达到至少355MPa的极限拉伸强度，同时具有比标准6013合金更好的晶粒间腐蚀性能。
根据本发明，提供了一种可焊、高强度铝合金轧制产品，该产品包含元素(重量百分比)：Si 0.8至1.3，Cu 0.2至0.45，Mn 0.5至1.1，Mg 0.45至1.0，Fe 0.01至0.3，Zr＜0.25，Cr＜0.25，Zn＜0.35，Ti＜0.25，V＜0.25，其它元素含量每种小于0.05且总量小于0.15，余量是铝，此外具有限制条件：有效Si的重量百分比的范围是0.86至1.15，优选范围是0.86至1.05。有效Si的重量百分比(“wt.％”)通过下式计算：
wt.％Si(有效)＝wt.％Si-(wt.％Fe+wt.％Mn)/6
通过本发明，我们可以提供一种改良且可焊的AA6000系列铝合金轧制产品，该产品具有良好的强度、断裂韧性和耐腐蚀性特别是耐晶粒间腐蚀性的均衡。该合金产品具有比标准6013合金或标准6056合金更低的Cu含量，而且当在相同的回火下测试时，该合金仍提供足够高的强度水平，且具有相比标准6013合金和/或6056合金改良的晶粒间腐蚀性能。利用根据本发明的合金产品，我们可以提供具有屈服强度为325Mpa或更高以及极限拉伸强度为355Mpa或更高的产品。该合金产品可以利用例如激光束焊接、摩擦搅拌焊和TIG焊技术顺利焊接。
该产品可以或者在T4回火下自然时效生产具有良好可成形性的改良合金产品，或者人工时效至T6回火以生产具有高强度和断裂韧性以及良好的耐腐蚀性能的改良合金。强度和腐蚀性能的良好均衡不需要通过过时效回火来获得，而是通过仔细的选择Cu、Mg、Si和Mn含量的精确范围，因此在一个限定范围内有足够的Si作为强化元素。
本发明中可焊铝合金的高可成形性、良好的断裂韧性、高强度以及良好的耐腐蚀性的均衡取决于其化学组成，该化学组成精确地控制在下面所详述的特定限度内。所有组成百分比为重量百分比。
硅含量的一个优选范围是1.0至1.15％，以结合镁优化合金的强度。过高的Si含量对T6回火下的延伸率以及合金的腐蚀性能具有不利影响。如上所述，有效硅的优选范围是0.86至1.05以便达到强度和腐蚀性能的最佳均衡。过低的Si含量因而低数量的有效硅不能对合金提供足够的强度。
镁结合硅提供合金的强度。镁含量的优选范围是0.6至0.85％，且更优选的是0.6至0.75％。需要至少0.45％的镁来提供足够的强度，然而超过1.0％的量使得其不易溶解足够的溶解物，因而难以获得充分的时效硬化析出物来提供高T6强度。
铜是增加合金强度的一种重要元素。然而，过高的铜水平结合Mg对合金产品的腐蚀性能和可焊性产生不利影响。作为强度、韧性、可成形性以及腐蚀性能的折中，优选的铜含量范围是0.3至0.45％。已经发现在此范围内，合金产品具有良好的耐IGC性。
优选的锰含量范围是0.6至0.78％，且更优选的是0.65至0.78％。在引起合金再结晶的操作期间，Mn有助于或辅助控制晶粒的尺寸，且有助于提高强度和韧性。
根据本发明，合金中的锌含量应小于0.35％，且优选小于0.2％。据US5,888,320报道，锌的加入可以增加铝合金的强度，但是根据本发明发现过高的锌含量对产品的晶粒间腐蚀性能有不利影响。此外，锌的加入趋于产生具有不希望的更高密度的合金，当该合金应用于航空航天用途时这是特别不利的。
铁是一种对合金产品的可成形性和断裂韧性具有强烈影响的元素。铁含量应在0.01至0.3％的范围内，优选0.01至0.25％，且更优选0.01至0.2％。
钛是一种在轧制锭的凝固过程中作为晶粒细化剂的重要元素，且应优选少于0.25％。根据本发明发现，通过使Ti含量在0.06至0.20％范围之内，且优选0.07至0.16％，腐蚀性能特别是耐晶粒间腐蚀性能可以显著改善。已发现Ti可部分或全部由钒代替。
锆和/或铬和/或铪可各自以少于0.25％的含量加入合金以改善该合金的再结晶行为和/或腐蚀性能(特别是IGC)。在过高水平Cr的存在可能与Mg在合金产品中形成不希望的大颗粒。
余量是铝和不可避免的杂质。典型地，每种杂质元素存在的最大值是0.05％且杂质的总量最大为0.15％。
当合金轧制产品具有再结晶显微结构时达到的最好结果，这意味着T4或T6回火中有80％或更多，且优选90％或更多的晶粒再结晶。
根据本发明的产品其优选的特征在于，该合金在一个时效循环下时效至T6回火，该循环包括在150至210℃之间的温度下暴露1至20小时，由此生产的铝合金产品具有325MPa或更高，优选为330MPa或更高的屈服强度，且具有355MPa或更高，优选为365MPa或更高的极限抗拉强度。
此外，根据本发明的产品其优选特征在于，该合金在一个时效循环下时效至T6回火，该循环包括在150至210℃之间的温度下暴露1至20小时，由此生产铝合金产品，该产品的晶粒间腐蚀在根据MIL-H-6088测试之后有小于180μm的深度，且优选为小于150μm的深度。
在一个实施方案中，本发明还在于可以提供具有至少一个包覆层的本发明的产品。这种包覆产品利用本发明的铝基合金产品的芯材和一个通常具有更高纯度的包覆层，该包覆层对芯材提供特别的腐蚀保护。该包覆层包括但并不限于，基本非合金化的铝或者所含所有其它元素不高于0.1或1％的铝。这里命名为1xxx-型系列的铝合金包括所有的铝业协会合金，包括子类1000-型、1100-型、1200-型和1300-型。因此芯材上的包覆层可以选自不同的铝业协会合金如1060、1045、1100、1200、1350、1170、1175、1180、或1199。此外，AA7000系列合金如含锌(0.8至1.3％)的7072可用作包覆层，且AA6000系列合金如6003或6253可用作包覆层，该合金典型地含有超过1％的合金化添加剂。只要对芯材合金能提供特别充分的全面腐蚀保护，其它合金也可用作包覆层。
此外，一种AA4000系列的合金包覆层可用作包覆层。该AA4000系列合金具有主要合金元素硅，其典型范围是6至14％。在本实施方案中，包覆层在例如激光束焊的焊接操作中提供焊接填充材料，并由此克服焊接操作中使用另外的填充金属丝材料的需要。本实施方案中，硅含量的优选范围是10至12％。
包覆层通常比芯材薄很多，且每个包覆层构成全部复合物厚度的2％至15％或20％或25％。一个包覆层更典型地构成全部复合物厚度的约2％至12％。
在一个优选的实施方案中，提供了一种根据本发明的带包覆层的合金产品，该产品一侧上的包覆层为AA1000系列而另一侧上为AA4000系列。在这个实施方案中，结合了腐蚀防护和焊接性能。在这个实施方案中，该产品可顺利用作例如预弯板(pre-curved panel)。在轧制不对称夹层产品(1000系列合金+芯材+4000系列合金)时会引起一些问题，例如banaring，可以首先轧制具有如下顺序层的对称夹层产品：1000系列合金+4000系列合金+芯材合金+4000系列合金+1000系列合金，然后通过如化学研磨的方法将一个或多个外层去除。
本发明还在于一种制造根据本发明的铝合金产品的方法。制造该合金产品的方法包括如下顺序加工步骤：(a)提供坯料，该坯料具有以上所列的化学组成，(b)预热或均匀化该坯料，(c)热轧该坯料，(d)可选地冷轧该坯料，(e)固溶热处理该坯料，以及(f)对该坯料进行淬火以最小化不可控的第二相析出。此后该产品可以在T4回火下通过使该产品自然时效来提供，以生产具有良好可成形性的改良合金产品，或者在T6回火下通过人工时效来提供。对人工时效，产品经过一个时效循环，该时效循环包括在介于150至210℃之间的温度下暴露0.5至30小时。
这里所述的铝合金可以在加工步骤(a)中由铸锭或板坯来提供，并通过本领域通常使用的生产铸造产品的铸造工艺制成合适的锻造产品，例如DC-铸造、EMC-铸造、EMS-铸造。也可使用连续铸造生产的板坯，例如带式连铸机或辊上铸造机。
典型地，在热轧之前对包覆与非包覆产品的轧制面进行刮制处理以除去铸锭的铸造表面附近的偏析区域。
在热处理前可以对铸锭或板坯进行均匀化处理，和/或可以预热后对其直接热轧。热轧之前的合金均匀化和/或预热应在490至580℃的温度范围内单步或多步进行。在任一情形下，铸造时材料中合金元素的偏析减小且可溶性元素溶解。如果热处理在低于490℃下进行，所得到的均匀化效果不充分。如果温度高于580℃，可能发生共晶熔融并产生不希望的孔隙。以上热处理的优选时间是2至30小时。更长的时间通常并不有害。均匀化通常在高于540℃的温度进行。一个典型的预热温度范围是535至560℃，以及4至16小时范围的均热时间。
合金产品冷轧之后，或者如果产品还未进行冷轧时，则在热轧后，对合金产品在480至590℃温度范围进行固溶热处理，且优选530至570℃温度范围，并持续充分长时期以使固溶效应达到平衡，典型的均热时间范围是10秒至120分钟。对包覆产品，应注意避免过长的均热时间以防止芯材合金中的元素扩散到包覆层中，这对该包覆层所提供腐蚀防护性能有不利影响。
固溶热处理之后，将合金产品冷却到175℃或更低(优选室温)的温度是很重要的，以防止或最小化不可控第二相例如Mg2Si的析出。另一方面，冷却速率不应过高，以允许合金产品中充分的平整性和低水平的残余应力。合适的冷却速率可使用水来获得，例如水浸或喷水。
已发现根据本发明的产品非常适合用作飞机结构部件，特别是作为飞机机身蒙皮材料，该材料优选具有最高达15mm的厚度。
实施例
六种不同的合金通过DC-铸造制成铸锭，然后进行刮制，在550℃预热6小时(加热速率约30℃/h)，热轧至7.5mm规格，冷轧至最终的2.0mm规格，在550℃固溶热处理15分钟，水淬，通过在190℃保持4小时时效至T6回火(加热速率约35℃/h)，随后通过空气冷却至室温。表1列出了该合金铸件的化学组成，余量是不可避免的杂质和铝，其中1号和4号合金是根据本发明的合金而其它合金用于对比。
在T6回火且具有完全再结晶显微结构的裸片材料上进行拉伸试验和晶粒间腐蚀(“IGC”)测试。对L方向的拉伸试验使用小欧洲标准(euro-norm)样品，并给出3个样品的平均结果，其中“Rp”代表屈服强度，“Rm”代表极限拉伸强度，而A50代表延伸率。“TS”代表撕裂强度，并根据ASTM-B871-96在L-T方向测量。晶粒间腐蚀(“IGC”)在两个50×60mm的样品上，并根据AIMS 03-04-000给出的程序进行测试，其中详述了MIL-H-6088和一些附加步骤。表3列出了以微米表示的最大深度。
从表2和表3中的测试结果，通过合金1与合金2的对比可以看出，铝合金中过高的Si含量对TS有不利影响，特别是最大晶粒间腐蚀深度显著增加。由合金1与合金3的对比可以看出，铝合金中过高的Zn含量对最大腐蚀晶粒间腐蚀深度有不利影响。由T6回火下合金1与标准合金6056和6013的对比可以看出，根据本发明的合金产品，在折中地具有某种程度上稍低的拉伸性能下，具有显著更好的晶粒间腐蚀性能。根据本发明的合金产品与标准6056和6013相比具有更低的TS，这是由于该铝合金中具有显著更低的Cu含量。由合金1和4(都根据本发明)的比较可以看出铝合金产品中Ti含量的增加导致最大晶粒间腐蚀深度的显著减少。
现在已全部详细叙述了本发明，显然对于本领域内的普通技术之一可以在不背离这里所述发明的主旨或范围下做出多种改变和改良。
表1.所测试合金的化学组成
 合金                              合金元素[wt.％]
Si  Fe  Cu  Mn  Mg  Zn  Ti  Siav
 1(本发明) 1.05  0.19  0.29  0.72  0.70  0.09  0.03  0.89
 2(对比) 1.33  0.14  0.3  0.69  0.69  0.08  0.03  1.19
 3(对比) 1.04  0.14  0.28  0.69  0.72  1.5  0.02  0.90
 4(本发明) 1.14  0.17  0.47  0.72  0.68  0.15  0.10  0.99
 标准6056 0.92  0.15  0.90  0.46  0.88  0.08  0.02  0.81
 标准6013 0.79  0.17  0.96  0.35  0.90  0.09  0.03  0.70
表2.T62回火板材L向拉伸性能
    合金     Rp[MPa]     Rm[MPa]     A50[％]     L-T TS[MPa]
    1     347     368     12     558
    2     340     371     14     526
    3     345     366     9     543
    4     346     373     12     540
    标准6056     362     398     12     601
    标准6013     369     398     9     613
表3.T62回火IGC腐蚀结果
    合金     最大深度[μm]
    1     130
    2     183
    3     203
    4     90
    标准6056     177
    标准6013     187

Claims (15)

1.可焊、高强度铝合金轧制产品，该产品按重量百分比包含元素：
Si  0.8-1.3
Cu  0.2-0.45
Mn  0.5-1.1
Mg  0.45-1.0
Fe  0.01-0.3
Zr  ＜0.25
Cr  ＜0.25
Zn  ＜0.35
Ti  ＜0.25
V   ＜0.25
其它元素含量每种小于0.05，总量小于0.15
余量为铝，
且具有限制条件：有效Si的重量百分比的范围是0.86至1.15。
2.根据权利要求1的产品，其中Si水平的范围是1.0至1.15。
3.根据权利要求1或2的产品，其中Cu水平的范围是0.3至0.45。
4.根据权利要求1至3任何一个的产品，其中Mn水平的范围是0.65至0.78。
5.根据权利要求1至4任何一个的产品，其中Mg水平的范围是0.6至0.85。
6.根据权利要求1至5任何一个的产品，其中Ti水平的范围是0.06至0.2。
7.根据权利要求1至6任何一个的产品，其中Zn水平的范围是小于0.2。
8.根据权利要求1至7任何一个的产品，其中该产品具有超过80％的再结晶显微结构。
9.根据权利要求1至8任何一个的产品，其中该合金在一个时效循环下时效至T6回火，该循环包含暴露于150至210℃之间的温度0.5至30小时，由此生产其特征在于MIL-H-6088测试之后晶粒间腐蚀呈现小于180μm的深度的铝合金产品。
10.根据权利要求1至9任何一个的产品，其中该产品上具有如下的单个或多个包覆层：
(i)  该包覆层是纯度高于所述产品的铝合金；
(ii) 该包覆层是铝业协会AA1000系列；
(iii)该包覆层是铝业协会AA4000系列；
(iv) 该包覆层是铝业协会AA6000系列；
(v)  该包覆层是铝业协会AA7000系列。
11.根据权利要求10的产品，其中该合金产品上具有包覆层，且一侧上的包覆层是铝业协会AA1000系列而另一侧上是铝业协会AA4000系列。
12.生产根据权利要求1至11任何一个的可焊、高强度合金产品的方法，该方法包含顺序加工步骤：
(a)提供坯料，该坯料具有根据权利要求1至8任何一个的化学组成，
(b)预热或均匀化该坯料，
(c)热轧该坯料，
(d)可选地冷轧该坯料，
(e)固溶热处理该坯料，
(f)对该坯料进行淬火以最小化不可控的第二相析出，并
(g)对淬火坯料进行时效，以提供T4回火或T6回火的合金产品。
13.根据权利要求1至11任何一个的产品或根据权利要求12制造的产品，其中该产品是一种飞机结构部件。
14.根据权利要求1至11任何一个的产品或根据权利要求12制造的产品，其中该产品是飞机蒙皮材料。
15.根据权利要求1至11任何一个的产品或根据权利要求12制造的产品，其中该产品是飞机机身蒙皮材料。
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