ПРИГОДНОЕ ДЛЯ СВАРКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2014 года по МПК C22C21/06 C22C21/02 B32B15/01 B23K20/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к металлическому изделию, выполненному из алюминиевого сплава, содержащего скандий. Настоящее изобретение дополнительно относится к сварной конструкции, включающей в себя такое металлическое изделие. Продукты, выполненные из данного металлического изделия, являются весьма пригодными для применений в транспортной промышленности, таких как применение в аэрокосмических изделиях, судах, дорожных и рельсовых транспортных средствах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как будет понятно ниже, за исключением, если не будет указано иного, маркировки алюминиевых сплавов и маркировки состояний относятся к маркировкам Алюминиевой Ассоциации в Стандартах Алюминия и Данных и Записей Регистраций, как опубликовано Алюминиевой Ассоциацией в 2009.

Для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на процентные содержания приведены в весовых процентах, если не указывается иного.

В данной области техники известно несколько Sc-содержащих алюминиевых сплавов.

Патент US № 5624632 раскрывает продукт из алюминиевого сплава, причем его состав по существу не содержит цинка и лития и имеет 3-7% Mg, 0,05-0,2% Zr, 0,2-1,2% Mn, не более 0,15% Si и 0,05-0,5% дисперсоидообразующего элемента, выбранного их группы, состоящей из: Sc, Er, Y, Gd, Ho или Hf, остальное - алюминий и неизбежные примеси. Данный продукт из алюминиевого сплава указан особенно подходящим для применений, где требуется стойкость к повреждениям.

Патент US № 6139653 раскрывает алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,1-0,5% Mn, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси. Далее раскрывается алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси.

Патент US № 6531004 раскрывает свариваемый, коррозионно-стойкий алюминиевый сплав, имеющий 5-6% Mg, 0,05-0,15% Zr, 0,05-0,12% Mn, 0,01-0,2% Ti, 0,05-0,5% в сумме Sc и Tb и по меньшей мере 0,1-0,2% Cu или 0,1-0,4% Zn, остальное - алюминий и неминуемые примеси, не превышающие 0,1% Si. В данном документе сообщается, что в сенсибилизированных условиях вследствие низкого содержания Mn достигается улучшенная коррозионная устойчивость.

Существует спрос на изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента с улучшенным балансом по прочности и свариваемости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc и имеющего улучшенный баланс по прочности и свариваемости.

Другой задачей изобретения является обеспечение сварной конструкции, включающей в себя изделие из алюминиевого состава, содержащее Sc и имеющее улучшенный баланс по прочности и свариваемости.

Эти и другие задачи и дальнейшие преимущества решаются или превышаются настоящим изобретением, предоставляющим экструдированное или катаное плакированное металлическое изделие, имеющее плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой на по меньшей мере одной поверхности плакируемого металлического слоя, при этом металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими по меньшей мере Sc в диапазоне примерно от 0,05 до 1%, и при этом содержание Sc в плакируемом слое меньше, чем в упомянутом плакирующем металлическом слое.

В соответствии с изобретением было найдено, что для достижения хороших механических свойств в объеме металлических изделий требуется иной уровень Sc по сравнению с требующимся для достижения хороших сварочных характеристик и при этом более высокие уровни Sc выгодны для сварочных характеристик, таких как, например, сварка посредством луча лазера. Небольшая вариация в содержании Sc может иметь значительное влияние на одно из значимых технических свойств, и если бы следовало предоставить изделие из алюминиевого сплава, выполненное с одним единственным химическим составом, то нужно было бы найти некий баланс. Однако, обеспечивая плакированное металлическое изделие так, что плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой имеют различные уровни Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента и при этом плакирующий металлический слой металлургически связан с плакируемым металлическим слоем, получают улучшенное изделие, которое сочетает в себя выгодные механические свойства плакируемого металлического слоя с выгодными сварочными характеристиками плакирующего металлического слоя, имеющего более высокое содержание Sc, чем плакируемый металлический слой.

Также существует экономическое преимущество в том, что относительно высокий уровень Sc при довольно дорогостоящем Sc требуется только для выбранной части целого металлического изделия.

Разница в содержании Sc между плакируемым и плакирующим металлическими слоями может быть подобрана для соответствия специфическим требованиям по техническим свойствам. В одном варианте осуществления различие в содержании Sc между плакируемым металлическим слоем и плакирующим металлическим слоем составляет 0,02% или более, а предпочтительно 0,04% или более, например, разница в примерно 0,06% или в примерно 0,08%.

В одном варианте осуществления металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, содержащими примерно от 3 до 8% Mg и дополнительно по меньшей мере Sc в диапазоне от 0,05 до 1%.

В одном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:

Mg примерно от 3 до 8, предпочтительно примерно от 3,8 до 6 Mn не более примерно 1,4, предпочтительно примерно от 0,05 до 1,2 Sc от 0,05 до 1 Ag не более примерно 0,5 Zn не более примерно 2 Cu не более примерно 2 Li не более примерно 3 необязательно по меньшей мере один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr от 0,03 до 0,4, Cr от 0,03 до 0,4, Hf от 0,03 до 0,4 и Ti от 0,005 до 0,4 Fe не более примерно 0,35 Si не более примерно 0,25 неизбежные примеси и остальное - алюминий

Типично, неизбежные примеси присутствуют в диапазоне каждая не более 0,05% и в общем не более 0,25%.

Железо может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,35% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,25%. Типичный предпочтительный уровень железа будет находится в диапазоне не более 0,14%.

Кремний может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,25% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,2%. Типичный предпочтительный уровень Si будет находится в диапазоне не более 0,12%, например на уровне примерно 0,04%.

В одном варианте осуществления цинк может присутствовать не более примерно 0,4%. А в другом варианте осуществления изобретения Zn может присутствовать в качестве упрочняющего элемента в диапазоне примерно от 0,4 до 2%. Относительно высокое количество Zn также имеет положительный эффект на коррозионную стойкость металлического изделия.

Cu может присутствовать в AlMgSc-сплаве в качестве упрочняющего элемента в диапазоне не более примерно 2%. Однако в тех применениях металлического изделия, где коррозионная стойкость является крайне критичным техническим свойством, является предпочтительным поддержание Cu на низком уровне в 0,25% или менее, а предпочтительно на уровне в 0,1% или менее и более предпочтительно на уровне в 0,04% или менее.

Li может присутствовать в AlMgSc-сплаве в диапазоне не более примерно 3% для обеспечения продукта с низкой плотностью, высокой прочностью, хорошей свариваемостью и очень хорошей реакцией на естественное старение. При целенаправленном добавлении предпочтительный уровень Li находится в диапазоне от 0,5 до 3%, а более предпочтительно в диапазоне от примерно 1 до 2,5%. В альтернативном варианте осуществления нет целенаправленного добавления Li и его содержание должно сохраняться на уровне примесей максимум 0,05%, а более предпочтительно алюминиевый сплав не содержит лития.

AlMgSc-сплав может содержать один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr 0,03-0,4%, Cr 0,03-0,4%, Hf 0,03-0,4%, Ti 0,005-0,4%. В Al-Mg-Sc предпочтительным легирующим элементом является Zr. Добавка Zr предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,05-0,2%.

Ti может быть добавлен к AlMgSc-сплаву в качестве упрочняющего элемента, или для улучшения коррозионной стойкости, или в целях добавки, измельчающей зерно.

В частном предпочтительном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, состоящими, вес.%:

Mg примерно от 3,8 до 5,1, предпочтительно примерно от 3,8 до 4,7 Mn не более примерно 0,4, предпочтительно не более примерно 0,25 Sc от 0,05 до 1 и предпочтительно от 0,05 до 0,4 Zn не более примерно 0,4 Cu не более примерно 0,25 Cr не более примерно 0,10 Zr примерно от 0,05 до 0,20 Ti не более примерно 0,20 Fe не более примерно 0,35, предпочтительно не более примерно 0,15 Si не более примерно 0,25, предпочтительно не более примерно 0,10, другие и неизбежные примеси, каждая максимум 0,05, общий максимум 0,15, а остальное - алюминий

Сохраняя разницу в содержании Sc, как определено в соответствии с данным изобретением для плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя, плакируемый и плакирующий слои могут иметь по существу идентичный химический состав, очевидно в пределах точности измерений и контроля при производстве таких продуктов. Это улучшает совместимость между плакируемым и плакирующим слоями при производстве плакированного металлического изделия.

В альтернативном варианте осуществления количество одного или более легирующих элементов в плакируемом металлическом слое и плакирующем металлическом слое может быть выбрано с вариацией по отношению друг к другу, чтобы достигнуть последующего баланса в технических свойствах в плакированном металлическом изделии.

В одном варианте осуществления плакируемый металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,05 до 0,25%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 0,1 до 0,22%, например, при примерно 0,14% или при примерно 0,16%. Плакирующий металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне примерно от 0,2 до 1%, например, примерно 0,25%. В частности, когда применяют высокую скорость затвердевания при литье в промышленном процессе производства плакирующего металлического слоя, уровень Sc может быть не более 1%, например, примерно 0,5% или примерно 0,9%. В процессах литья, подобных литью с прямым охлаждением (DC) плоских или круглых заготовок, достигаются скорости затвердевания вплоть до примерно 100 К/сек, в результате чего используют уровни Sc вплоть до примерно 0,3%.

Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть предусмотрено в виде экструдированного изделия или, более предпочтительно, в виде катаного изделия.

В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом плакирующий металлический слой имеет толщину в диапазоне примерно от 1 до 70%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 2 до 25%, от толщины плакируемого металлического слоя.

В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом по меньшей мере одна сторона плакируемого металлического слоя снабжена множественными плакирующими металлическими слоями с различным содержанием Sc. Например, плакируемый металлический слой, имеющий содержание Sc примерно 0,16%, может быть снабжен первым плакирующим металлическим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,21%, и вторым плакирующим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,28%, на внешней стороне от первого плакирующего металлического слоя.

Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть сформировано с использованием аналогичных методов, как и для металлического изделия из уни-сплава, например, посредством формования при ползучести или суперпластического формования.

В производстве плакированного металлического изделия в соответствии с изобретением плакирующий металлический слой может быть нанесен на плакируемый металлический слой любыми пригодными средствами, такими как посредством плакировки прокаткой. Плакированное металлическое изделие в экструдированной форме может быть произведено, например, посредством метода экструзии, как описывается в патентном документе WO-2007/070731, опубликованном 21 июня 2007 г., в частности в абзацах [0063]-[0068], раскрытие публикации которого специально включено сюда посредством ссылки.

В еще одном аспекте настоящего изобретения оно также относится к способу получения катаного плакированного металлического изделия, при этом способ содержит:

(i) обеспечение плакировки на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слитка посредством совместного литья с образованием плакированного слитка, и

(ii) прокатку упомянутого плакированного слитка с получением изделия-плиты или листового изделия, имеющего плакируемый металлический слой и по меньшей мере один плакирующий слой.

В одном варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакируемого слитка на плакирующий слой в точке, где металл плакирующего металлического слоя находится в температуре между температурой солидуса и температурой ликвидуса металла плакирующего металлического слоя, с получением по существу непрерывной металлургической связи между металлическими слоями. Данный способ совместного литья и устройство также описываются в патентной публикации US № 2005/0011630, опубликованной 20 января 2005 г. (раскрытие которой специально включено сюда посредством ссылки).

В другом варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакирующего слоя в расплавленной форме на твердый плакируемый слиток.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения предусмотрена сварная конструкция, содержащая плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки.

В одном варианте осуществления изобретение относится к сварной конструктивной детали воздушного судна, содержащей катаное плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, предпочтительно стрингер, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки, например посредством сварки лазерным лучом или посредством сварки трением с перемешиванием.

Данное изобретение также содержит воздушное судно или космический аппарат, фюзеляж которого полностью или частично выполнен из сварной конструкции в соответствии с изобретением, которая может быть внедрена в различные конструктивные части воздушного судна. Например, различные раскрытые варианты осуществления могут использоваться для формирования конструктивных частей в узлах крыльев и/или конструктивных частей в хвостовом оперении. Воздушное судно, как правило, представляет собой коммерческое пассажирское воздушное судно, которое может включать в себя, например, коммерческие пассажирские самолеты 737, 747, 757, 767 и 777, доступные от The Boeing Company, или коммерческие пассажирские самолеты А320, А350 и А380, доступные от Airbus S.A.S. В альтернативных вариантах осуществления настоящее изобретение может также быть внедрено в летательные аппараты других типов. Примеры таких летательных аппаратов включали пилотируемое и непилотируемое военное воздушное судно (самолет), винтокрылое воздушное судно (вертолет) или даже баллистические летательные аппараты.

Пример

Фюзеляжный лист алюминиевого сплава серии AA5024 с 0,23% Sc может быть присоединен к элементу стрингера из AlMgSc, например, посредством сварки лазерным лучом. Уровень Sc в фюзеляжном листе должен находится на данном уровне, чтобы добиться высокого уровня Sc в зоне проплавления для извлечения пользы из выгодных сварочных характеристик.

В соответствии с изобретением более выгодная сварная конструкция получена при использовании плакируемого листа из AA5024, имеющего плакировку из AA5024 в примерно 8%, при этом плакируемый лист имеет уровень Sc примерно 0,14% для оптимизации механических свойств, а плакирующий слой имеет уровень Sc примерно 0,23% для извлечения пользы из сварочных характеристик, которые являются благоприятными при относительно высоком уровне Sc. Стрингер из AlMgSc может быть сварен с плакирующим слоем тем же способом, как и при монолитном фюзеляжном листе. Плакированное металлическое изделие, сделанное из сплава AA5024 с различными уровнями Sc в плакируемом слое и в плакирующем слое, может быть произведено посредством, например, регулярного соединения прокаткой, известного в данной области техники.

Хотя выше были описаны предпочтительные и альтернативные варианты осуществления изобретения, как отмечено выше, много изменений может быть внесено не отходя от сущности и объема изобретения. Соответственно, объем изобретения не ограничен раскрытием этих предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления. Вместо этого, изобретение должно быть определено полностью при обращении к последующей формуле изобретения.

Изобретение относится к экструдированному или катаному плакированному металлическому изделию и может быть использовано в транспортной промышленности, аэрокосмических изделиях, судах. Изделие содержит плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слоя, при этом плакируемый и плакирующий металлические слои выполнены из алюминиевых сплавов, содержащих, вес.%: от 3 до 8 Mg и Sc в диапазоне от 0,05 до 1 и при этом содержание Sc в сплаве плакируемого слоя ниже, чем его содержание в сплаве плакирующего слоя на 0,02% или более. Изобретение также относится к сварной структуре, включающей такое металлическое изделие. В результате использования изобретения получают изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc, с улучшенным балансом прочности и свариваемости. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Плакированное металлическое изделие, полученное путем экструзии или прокатки, содержащее плакируемый металлический слой, выполненный из алюминиевого сплава, и плакирующий металлический слой, выполненный из алюминиевого сплава на, по меньшей мере, одной поверхности плакируемого слоя, при этом плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими от 3 до 8% Mg и Sc в диапазоне от 0,05 до 1%, и при этом содержание Sc в алюминиевом сплаве плакируемого металлического слоя ниже, чем содержание Sc в алюминиевом сплаве плакирующего металлического слоя на 0,02% или более.

2. Плакированное металлическое изделие по п.1, в котором содержание Sc в плакируемом металлическом слое составляет на по меньшей мере 0,04% ниже, чем в плакирующем металлическом слое.

3. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором упомянутые металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:
Mg от 3 до 8, предпочтительно от 3,9 до 6 Mn не более 1,4 Sc от 0,05 до 1 Ag не более 0,5 Zn не более 2 Cu не более 2 Li не более 3, необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr 0,03-0,4, Cr 0,03-0,4, Hf 0,03-0,4 и Ti 0,005-0,4 Fe не более 0,35 Si не более 0,25 алюминий и неизбежные примеси - остальное

4. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором упомянутые металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:
Mg от 3,8 до 5,1, предпочтительно от 3,8 до 4,7 Mn не более 0,4 Sc от 0,05 до 1 Zn не более 0,4 Cu не более 0,25 Cr не более 0,10 Zr от 0,05 до 0,20 Ti не более 0,20 Fe не более 0,35 Si не более 0,25, неизбежные примеси каждая максимум 0,05, общий максимум 0,15, а остальное - алюминий

5. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакируемый металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,05 до 0,25%, а плакирующий металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,2 до 1%.

6. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакируемый металлический слой выполнен из алюминиевого сплава, имеющего состав в пределах AA5024.

7. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакирующий металлический слой имеет толщину в диапазоне от 1 до 70% толщины плакируемого металлического слоя.

8. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакированное металлическое изделие является катаным изделием.

9. Плакированное металлическое изделие по п.1 или 2, в котором плакированное металлическое изделие является экструдированным изделием.

10. Сварная конструкция, содержащая плакированное металлическое изделие по любому из пп.1-9 и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством сварки.

11. Сварная конструкционная деталь воздушного судна, полученная путем экструзии или прокатки, содержащая катаное плакированное металлическое изделие по любому из пп.1-8 и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, предпочтительно стрингер, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством сварки.

12. Способ получения плакированного металлического изделия по любому из пп.1-8 путем прокатки, включающий:
обеспечение плакировки на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слитка посредством совместного литья с образованием плакированного слитка, и
прокатку упомянутого плакированного слитка с получением изделия-плиты или листового изделия, имеющего плакируемый металлический слой и по меньшей мере один плакирующий слой.

13. Способ по п.12, в котором этап совместного литья проводят посредством литья плакируемого слитка на плакирующий слой в точке, где метал плакирующего слоя находится при температуре между температурой солидуса и температурой ликвидуса метала плакирующего слоя.

14. Способ по п.12, в котором этап совместного литья проводят посредством литья плакирующего слоя в расплавленном состоянии на твердый плакируемый слиток.