ИЗДЕЛИЕ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СЕРИИ 7XXX Российский патент 2022 года по МПК C22C21/10 C22F1/53 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к деформируемым алюминиевым сплавам типа Al-Zn-Mg-Cu (или алюминиевым сплавам серий 7000 или 7ххх, как это определено Ассоциацией производителей алюминия). Более конкретно, настоящее изобретение относится к дисперсионно-твердеющему, высокопрочному, высокоустойчивому к коррозионному растрескиванию под напряжением алюминиевому сплаву, который устойчив к девиации трещин, а также к изделиям, изготовленным из этого алюминиевого сплава. Изделия из этого сплава очень хорошо подходят для аэрокосмической промышленности, но не ограничиваются этим. Из алюминиевого сплава можно получать различные формы изделий, например, тонкий лист, толстый лист, экструдированные или кованые изделия.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Высокопрочные алюминиевые сплавы на основе системы алюминий-цинк-магний-медь используются во многих областях применения. Обычно профиль свойств этих сплавов необходимо адаптировать к области применения, однако трудно улучшить одно свойство, не оказывая отрицательного воздействия на другие свойства. Например, необходимо сбалансировать прочность и коррозионную стойкость, применяя наиболее подходящий для целевого применения вариант закалки с последующим отпуском. Другое значимое свойство представляет собой устойчивость к девиации трещин, поскольку девиация траектории трещины в материале может происходить, когда склонный к этому сплав подвергается усталостной нагрузке на предварительно выращенной трещине в образце L-S. Это явление может создавать проблему для производителей деталей, поскольку при определенных условиях может быть нарушена целостность конструкции. Чувствительность к девиации трещин наблюдалась, в частности, у высокопрочных алюминиевых сплавов с высоким содержанием Zn. Следовательно, существует потребность в алюминиевых сплавах, которые сочетают высокую прочность с хорошей стойкостью к коррозионно-механическому растрескиванию (SCC - англ.: stress-corrosion cracking) и в то же время имеют повышенную стойкость к девиации трещин.

В европейском патенте ЕР-0863220-В2 раскрыты винт или заклепка, предназначенные для применения в автомобильной промышленности, изготовленные из сплава AlZnMgCu путем экструзии, причем сплав AlZnMgCu состоит из, в мас. %, 6,0-8,0% Zn, 2,0-3,5% Mg, предпочтительно 2,6-2,9% Mg, 1,6-1,9% Сu, 0,05-0,30% Zr, макс.0,10% Сr, макс.0,50% Мn, макс.0,10% Ti, макс.0,20% Si, макс.0,20% Fe, других элементов, количество каждого из которых составляет макс.0,05%, в общей сложности, макс.0,15%, а остаток составляют алюминий и неизбежные примеси.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как будет описано ниже в настоящем документе, если не указано иное, обозначения алюминиевых сплавов и обозначения степени твердости относятся к обозначениям, приведенным Ассоциацией производителей алюминия в стандартах и данных по алюминию и записях реестра, которые опубликованы Ассоциацией производителей алюминия в 2018 г. и хорошо известны специалисту в данной области техники. Обозначения степени твердости приведены в европейском стандарте EN515.

Для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на проценты даны в массовых процентах, если не указано иное.

В настоящем документе принято, что термин «около», когда он используется для описания диапазона составов или количества легирующей добавки, означает, что фактическое количество легирующей добавки может отличаться от номинального предполагаемого количества из-за таких факторов, как стандартные изменения параметров технологического процесса, что понятно квалифицированным специалистам в данной области техники.

Применяемые в настоящем документе термины «до включительно» и «до включительно около» явным образом включают, помимо прочего, возможность нулевого массового процента конкретного легирующего компонента, к которому они относятся. Например, до включительно 0,5% Sc может включать алюминиевый сплав без Sc.

Целью настоящего изобретения является создание деформируемого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх, имеющего улучшенное соотношение высокой прочности и высокой стойкости к SCC, а также повышенную стойкость к девиации трещин.

Эта и другие цели, а также дополнительные преимущества достигнуты или превышены настоящим изобретением, в котором предложено деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх, предпочтительно имеющее толщину по меньшей мере 12,7 мм (0,5 дюйма) и имеющее состав, содержащий, мас. %:

Zn oт 6,40% до 7,50%,

Мg от 2,15% до 2,85%,

Сu от 1,20% до 2,00%,

и при условии, что содержание Сu и Mg соответствует условию Cu+Mg < 4,50% и Mg<2,5+5/3 (Сu-1,2),

Fe до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

Si до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

и необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из следующего:

Zr до включительно 0,3%,

Сr до включительно 0,3%,

Мn до включительно 0,45%,

Тi до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

Sc до включительно 0,5%,

Аg до включительно 0,5%,

остаток составляют алюминий и примеси. Обычно такие примеси присутствуют в количестве каждая < 0,05% и в общей сложности < 0,15%, и изделие подвергают старению для достижения следующих свойств:

- условный предел текучести при растяжении (в МПа), измеренный в соответствии со стандартом ASTM-B557-15 в направлении L, измеренный на четверти толщины более 485-0,12*(t-100) МПа (t - толщина изделия в мм). В предпочтительном варианте осуществления предел текучести при растяжении составляет > 500-0,12(t-100) МПа и более предпочтительно > 510-0,12 (t-100) МПа.

- минимальная долговечность без разрушения, связанного с коррозионным растрескиванием под напряжением (SCC), измеренная в соответствии с ASTM G47-98, по меньшей мере 30 дней, при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении (ST) 170 МПа; В предпочтительном варианте осуществления при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении (ST) 205 МПа, а более предпочтительно 240 МПа.

Минимальное значение K_max-dev без девиации трещины, связанной с испытанием развития трещины в стандартной атмосфере при комнатной температуре в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S на образцах СТ по меньшей мере в среднем 40 МПа√м, предпочтительно по меньшей мере в среднем 45 МПа√м, более предпочтительно по меньшей мере в среднем 50 МПа√м, причем испытание представляет собой испытание на усталость под регулируемой нагрузкой, а девиация трещины определена как отклонение трещины более чем на 20° от предполагаемой плоскости развития трещины. В настоящем документе принято, что "устойчивость к девиации трещин" определяется с помощью по меньшей мере трех экземпляров образцов С(Т), приготовленных в соответствии со стандартом ASTM Е647-13е01, озаглавленным "Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates" ("ASTM E647"). По меньшей мере три экземпляра образцов С(Т) отобрали в направлении L-S на участке от 1/3 до 2/3 ширины материала, где размер "В" образца составляет 6,35 мм (0,25 дюйма) а размер "W" образца составляет по меньшей мере 25 мм (0,98 дюйма), взятых в положении Т/2. Тестируемые образцы испытывали по методу испытаний при постоянной амплитуде нагрузки ASTM Е647, с R=0,1 (равно P_min/P_max), в воздухе окружающей среды или с высокой влажностью, при комнатной температуре. Предварительно выращенная трещина должна соответствовать всем действующим требованиям ASTM Е647, и предварительное выращивание трещины должно осуществляться в соответствии с требованиями ASTM Е647. Испытание начинали с применением K_mах>10 МПа√м. (9,098 кфунт/кв.дюйм√дюйм), и начальная сила должна была быть достаточно большой, чтобы девиация трещины произошла до того, как испытание прекратит соответствовать действующим требованиям ASTM Е647 к образцу С(Т) ((W-a)≥(4/π)*(K_max-dev/предел текучести при растяжении ((TYS - англ.: tensile yield strength)²). Испытание должно соответствовать ASTM Е647 до включительно точки девиации трещин. Считается, что трещина «отклоняется», когда трещина образца С(Т) существенно отклоняется от предполагаемой плоскости развития трещины (например, на 20-110°) в любом направлении, и девиация приводит к разделению образца вдоль непредусмотренной плоскости развития трещины. Среднюю длину трещины при девиации (a_dev) получают с применением среднего по двум значениям поверхности (переднее и заднее значения). K_max-dev представляет собой коэффициент интенсивности максимального напряжения, рассчитанный с помощью средней длины трещины при девиации (a_dev), максимальной приложенной силы (Р_mах) и выражения для коэффициента интенсивности напряжений по ASTM Е647 А1,5,1,1 для образца С(Т) (Примечание: в уравнениях для отношения напряжений R=K_min/K_max и ^∧K=K_max - K_min, ΔK и ΔР следует заменить на K_max-dev и Р_mах, соответственно, как определено в ASTM Е6473.2.14).

В результате тщательного регулирования уровней, в частности, Zn, Сu и Mg в алюминиевом сплаве и, в частности, соответствия состоянию Т7 при старении, деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх приобретает улучшенное сочетание высокой прочности и высокой устойчивости к SCC в комбинации с хорошей устойчивостью к девиации трещин.

В одном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Zn максимум 7,30% и предпочтительно максимум 7,10%. Для получения достаточной прочности, предпочтительное минимальное содержание Zn составляет 6,50%, более предпочтительно 6,60% и наиболее предпочтительно 6,75%.

В одном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Си максимум 1,90%, предпочтительно максимум 1,80%, более предпочтительно максимум 1,75% и наиболее предпочтительно максимум 1,70%. Для получения достаточной прочности в комбинации с высоким минимальным значением K_max-dev без девиации трещины, предпочтительное минимальное содержание Си составляет 1,30% и более предпочтительно 1,35%.

В одном варианте осуществления для получения достаточной прочности в комбинации с повышенным минимальным значением K_max-dev без девиации трещины, деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Mg по меньшей мере 2,25%, предпочтительно по меньшей мере 2,30%, более предпочтительно по меньшей мере 2,35% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 2,45%. В одном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Mg максимум 2,75%, предпочтительно максимум 2,60% и наиболее предпочтительно максимум 2,55%.

В предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Zn от 6,40% до 7,30%, Mg от 2,25% до 2,75% и Сu от 1,25% до 1,90%, при условии, что Cu+Mg<4,45 и Mg<2,55+2(Cu-1,25).

В более предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Zn от 6,50% до 7,20%, Mg от 2,30% до 2,60% и Си от 1,30% до 1,80%.

В более предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Zn от 6,75% до 7,10%, Mg от 2,35% до 2,55% и Сu от 1,35% до 1,75%.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава имеет содержание Zn от 6,75% до 7,10%, Mg от 2,45% до 2,55% и Сu от 1,35% до 1,75%.

Обзор предпочтительных диапазонов Zn, Сu и Mg в деформируемом изделии из алюминиевого сплава по настоящему изобретению представлен в приведенной ниже Таблице 1.

В одном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава дополнительно содержит до 0,3% одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из V, Ni, Со, Nb, Mo, Ge, Er, Hf, Се, Y, Dy и Sr.

Содержание железа и кремния должно поддерживаться на в значительной степени низком уровне, например, оно не должно превышать около 0,15% Fe, предпочтительно должно быть менее 0,10% Fe и не должно превышать около 0,15% Si и предпочтительно должно быть 0,10% Si или менее. В любом случае, допустимы еще немного более высокие уровни обеих примесей, максимум около 0,25% Fe и максимум около 0,25% Si, хотя в настоящем изобретении они являются менее предпочтительными.

Для управления зернистой структурой и чувствительностью к закалке, деформируемое изделие из алюминиевого сплава может содержать один или более дисперсоидообразующих элементов, выбранных из группы, состоящей из: Zr до включительно 0,3%, Сr до включительно 0,3%, Мn до включительно 0,45%, Ti до включительно 0,25%, Sc до включительно 0,5%.

Предпочтительный максимум для уровня Zr составляет 0,25%. Подходящий диапазон для уровня Zr составляет от около 0,03% до 0,25%, более предпочтительно от около 0,05% до 0,18% и наиболее предпочтительно от около 0,05% до 0,13%. Zr является предпочтительным легирующим дисперсоидообразующим элементом в изделии из алюминиевого сплава по настоящему изобретению.

Добавка Sc предпочтительно составляет не более около 0,5%, более предпочтительно не более около 0,3% и наиболее предпочтительно не более около 0,25%. Предпочтительный нижний предел для добавки Sc составляет 0,03% и более предпочтительно 0,05%. В одном варианте осуществления в сочетании с Zr общее содержание Sc+Zr должно составлять менее 0,35%, предпочтительно менее 0,30%.

Другим дисперсоидообразующим элементом, который может быть добавлен отдельно или вместе с другими дисперсоидообразующими элементами, является Сr. Предпочтительно уровни Сr должны быть ниже 0,3%, более предпочтительно они должны составлять максимум около 0,25% и наиболее предпочтительно максимум около 0,22%. Предпочтительный нижний предел для Сr должен составлять около 0,04%.

В другом варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава по настоящему изобретению не содержит Сr, на практике это должно означать, что Сr считается примесью, и содержание Сr составляет до включительно 0,05%, предпочтительно до 0,04% и более предпочтительно только до включительно 0,03%.

Мn может быть добавлен как единственный дисперсоидообразующий элемент или в комбинации с любым из других упомянутых дисперсоидообразующих элементов. Максимум добавления Мn составляет около 0,4%. Практический диапазон добавления Мn составляет от около 0,05% до 0,4% и предпочтительно от около 0,05% до 0,3%. Предпочтительный нижний предел для добавки Мn должен составлять около 0,12%. В сочетании с Zr общее содержание Мn плюс Zr должно составлять менее около 0,4%, предпочтительно менее около 0,32%, а подходящий минимум составляет около 0,12%.

В другом варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава по настоящему изобретению не содержит Мn, на практике это должно означать, что Мn считается примесью, и содержание Мn составляет до включительно 0,05%, предпочтительно до включительно 0,04% и более предпочтительно только до включительно 0,03%.

В другом варианте осуществления каждый из Сr и Мn присутствует в деформируемом изделии из алюминиевого сплава только на уровне примесей. Предпочтительно совместное присутствие Сr и Мn составляет только до включительно 0,05%, предпочтительно до включительно 0,04% и более предпочтительно до включительно 0,02%.

Серебро (Аg) на уровне в диапазоне до включительно 0,5% может быть намеренно добавлено для дополнительного повышения прочности во время старения. Предпочтительный нижний предел для намеренного добавления Аg должен составлять около 0,05% и более предпочтительно около 0,08%. Предпочтительный верхний предел должен составлять около 0,4%.

В одном варианте осуществления Аg представляет собой примесный элемент, и оно может составлять до включительно 0,05% и предпочтительно до включительно 0,03%.

В одном варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх, предпочтительно имеющее толщину по меньшей мере 12,7 мм (0,5 дюйма), имеет состав, содержащий, мас. %:

Zn oт 6,40% до 7,50%,

Мg от 2,15% до 2,85%,

Сu от 1,20% до 2,00%,

и при условии, что Cu+Mg<4,50 и Mg<2,5+5/3(Cu-1,2),

Fe до включительно 0,25%, Si до включительно 0,25%

и необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из следующего:

Zr до включительно 0,3%,

Сr до включительно 0,3%,

Мn до включительно 0,45%,

Ti до включительно 0,25%

Sс до включительно 0,5%,

Аg до включительно 0,5%,

Остаток составляют алюминий и примеси, уровень каждой из которых <0,05%, а в общей сложность их содержание <0,15%, и с предпочтительными более узкими диапазонами состава, как описано и заявлено в настоящем документе.

В другом варианте осуществления деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх, предпочтительно имеющее толщину по меньшей мере 12,7 мм (0,5 дюйма), имеет состав, содержащий, в мас. %,

Zn oт 6,40% до 7,50%,

Мg от 2,15% до 2,85%,

Сu от 1,20% до 2,00%,

и при условии, что Cu+Mg<4,50 и Mg<2,5+5/3(Cu-1,2),

Fe до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

Si до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

Zr oт 0,05% до 0,18%, предпочтительно от 0,05% до 0,13%,

Ti до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15%,

Остаток составляют алюминий и примеси, уровень каждой из которых <0,05%, а в общей сложность их содержание <0,15%, и с предпочтительными более узкими диапазонами состава, как описано и заявлено в настоящем документе.

Для обеспечения оптимального баланса прочности, устойчивости к SCC и улучшенной устойчивости к девиации трещин, деформируемое изделие предпочтительно предоставляется в передержанном состоянии Т7. Более предпочтительно состояние Т7 выбрано из группы, состоящей из: Т73, Т74, Т76, Т77 и Т79.

В предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие предоставляется со степенью твердости Т74, более конкретно со степенью твердости Т7451 или со степенью твердости Т76, более конкретно со степенью твердости Т7651.

В предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие предоставляется со степенью твердости Т77, более конкретно со степенью твердости Т7751 или со степенью твердости Т79, более конкретно со степенью твердости Т7951.

В предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие по настоящему изобретению имеет номинальную толщину по меньшей мере 12,7 мм (0,5 дюйма). В дополнительном варианте осуществления толщина составляет по меньшей мере 25,4 мм (1,0 дюйм). В еще одном дополнительном варианте осуществления толщина составляет по меньшей мере 38,1 мм (1,5 дюйма) и предпочтительно по меньшей мере 76,2 мм (3,0 дюйма). В одном варианте осуществления максимальная толщина составляет 304,8 мм (12,0 дюймов). В предпочтительном варианте осуществления максимальная толщина составляет 254 мм (10,0 дюймов) и более предпочтительно 203,2 мм (8,0 дюймов).

Деформируемое изделие может быть предоставлено в различных формах, в частности в виде прокатного изделия, экструдированного изделия или кованого изделия.

В предпочтительном варианте осуществления деформируемое изделие предоставляется в виде прокатного изделия, более конкретно, в виде прокатного листового изделия.

В одном варианте осуществления деформируемое изделие представляет собой изделие для авиакосмической техники, в частности конструктивную деталь самолета, например, лонжерон крыла, нервюру крыла, обшивку крыла, балку пола или шпангоут фюзеляжа.

В конкретном варианте осуществления деформируемое изделие предоставляется в виде прокатного изделия, в идеале в виде конструктивной детали самолета, имеющей толщину в диапазоне от 38,4 мм (1,5 дюйма) до 307,2 мм (12,0 дюйма) и предпочтительные более узкие диапазоны, как описано и заявлено в настоящем документе, и предоставляется в состоянии Т7, более предпочтительно в состоянии Т74 или Т76. В этом варианте осуществления прокатное изделие имеет свойства, описанные и заявленные в настоящем документе.

В конкретном варианте осуществления деформируемое изделие предоставляется в виде прокатного изделия, в идеале в виде конструктивной детали самолета, имеющей толщину в диапазоне от 38,1 мм (1,5 дюйма) до 304,8 мм (12,0 дюйма) и предпочтительные более узкие диапазоны, как описано и заявлено в настоящем документе, и предоставляется в состоянии Т76, более предпочтительно в состоянии Т7651. В этом варианте осуществления прокатное изделие имеет свойства, описанные и заявленные в настоящем документе.

В дополнительном аспекте изобретения оно относится к способу производства деформируемого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх, предпочтительно имеющего толщину по меньшей мере 12,7 мм (0,5 дюйма), причем способ включает этапы в следующем порядке:

a. отливка материала в виде слитка из алюминиевого сплава серии АА7000 по настоящему изобретению;

b. предварительный нагрев и/или гомогенизация литого материала;

c. горячая обработка материала одним или несколькими способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, экструзии и ковки;

d. необязательно холодная обработка обработанного горячим способом материала;

e. термообработка на твердый раствор (SHT - англ.: solution heat treatment) обработанного горячим способом и необязательно обработанного холодным способом материала;

f. охлаждение материала SHT, предпочтительно путем закалки распылением или закалки погружением в воду или другую закалочную среду;

g. необязательное растяжение или сжатие охлажденного материала SHT, хранение или иная холодная обработка охлажденного материала SHT для снятия напряжений, например, выравнивание, вытягивание или холодная прокатка охлажденного материала SHT;

h. искусстве иное старение охлажденного и необязательно растянутого или сжатого или иным образом обработанного холодным способом материала SHT для достижения требуемой степени твердости, предпочтительно до состояния T7.

Алюминиевый сплав может быть предоставлен в виде слитка, сляба или заготовки для изготовления подходящего деформируемого изделия с помощью методов литья, обычных в данной области техники для литых изделий, например, литья с прямым охлаждением (DC - англ.: direct chill), электромагнитного литья (ЕМС - англ.: electromagnetic casting), литья с электромагнитным перемешиванием (EMS - англ.: electromagnetic stirring). Также могут использоваться слябы, полученные путем непрерывного литья, например, на установках для ленточного литья или установках для литья в валках, которые, в частности, могут быть предпочтительными при изготовлении конечных изделий меньшей толщины. Также можно использовать добавки, измельчающие зерно, например, содержащие титан и бор или титан и углерод, что хорошо известно в данной области техники. Содержание Ti в алюминиевом сплаве составляет до включительно 0,25%, предпочтительно до включительно 0,15% и более предпочтительно в диапазоне от 0,01% до 0,1%. Необязательно, в литом слитке можно снять напряжения, например, выдерживая его при температуре в диапазоне от около 350°С до 450°С с последующим медленным охлаждением до температуры окружающей среды. После литья материала сплава со слитка обычно снимают поверхностный слой для удаления зон сегрегации возле литой поверхности слитка.

Термообработка с гомогенизацией преследует по меньшей мере следующие цели: (i) растворение как можно большего количества грубых растворимых фаз, образовавшихся во время затвердевания, и (ii) уменьшение градиентов концентрации для упрощения этапа растворения. Обработка с предварительным нагревом также позволяет достичь некоторых из этих целей.

Обычно предварительный нагрев относится к нагреву слитка до заданной температуры и выдержке при этой температуре в течение заданного времени, за которым следует начало горячей прокатки приблизительно при этой температуре. Гомогенизация относится к циклу нагрева, выдержки и охлаждения с одним или более этапами выдержки, применяемому к слитку для прокатки, в котором конечная температура после гомогенизации равна температуре окружающей среды.

Обычную обработку с предварительным нагревом для сплава серии АА7ххх, применяемого в способе по настоящему изобретению, осуществляют при температуре от 390°С до 450°С с временем выдержки в диапазоне от 2 до 50 часов, обычно в течение 2-20 часов.

Сначала растворимые эвтектические фазы и/или интерметаллические фазы, такие как S-фаза, Т-фаза и М-фаза в материале сплава, растворяют с помощью стандартной промышленной практики. Это обычно осуществляют путем нагрева материала до температуры менее 500°С, как правило, до температуры в диапазоне от 450°С до 485°С, поскольку в сплавах серии АА7ххх S-фаза (фаза Al₂MgCu) имеет температуру плавления около 489°С, а М-фаза (фаза MgZn₂) имеет температуру плавления около 478°С. Это может быть достигнуто посредством обработки с гомогенизацией в указанном диапазоне температур, с последующим созданием условий для остывания до температуры горячей прокатки, или после гомогенизации материал последовательно охлаждают и повторно нагревают перед горячей прокаткой. Процесс гомогенизации также может быть выполнен, если это необходимо, за два или более этапов, которые для сплава серии АА7ххх обычно осуществляют в диапазоне температур от 430°С до 490°С. В конкретном подходящем варианте осуществления, для оптимизации процесса растворения различных фаз в зависимости от точного состава сплава, применяют двухэтапный процесс гомогенизации, в котором первый этап осуществляют в диапазоне температур от 455°С до 470°С, а второй этап осуществляют в диапазоне температур от 470°С до 485°С.

Время выдержки при температуре гомогенизации находится в диапазоне от 1 до 50 часов, а более типично от 2 до 20 часов. Скорости нагрева, которые могут применяться, являются обычными в данной области техники.

После предварительного нагрева и/или гомогенизации материал подвергают горячей обработке одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, экструзии и ковки. Для настоящего изобретения предпочтителен способ горячей прокатки.

Горячая обработка и, в частности, горячая прокатка могут выполняться до конечной толщины предпочтительно 12,7 мм (0,5 дюйма) или более.

В одном варианте осуществления листовой материал подвергают горячей прокатке на первом этапе горячей прокатки до промежуточной толщины после горячей прокатки с последующим этапом промежуточного отжига и последующим вторым этапом горячей прокатки до конечной толщины после горячей прокатки.

В другом варианте осуществления листовой материал подвергают горячей прокатке на первом этапе горячей прокатки до промежуточной толщины после горячей прокатки с последующей обработкой рекристаллизационным отжигом при температуре до включительно диапазона температур SHT, а затем обрабатывают горячей прокаткой на втором этапе горячей прокатки до конечной толщины после горячей прокатки. Это улучшает изотропность свойств и может дополнительно увеличить устойчивость к девиации трещин.

Альтернативно, этап горячей обработки может быть выполнен для получения материала промежуточной толщины. После этого материал промежуточной толщины можно подвергать холодной обработке, например, прокаткой до конечной толщины. В зависимости от объема холодной обработки, может использоваться промежуточный отжиг до или во время операции холодной обработки.

Следующим этапом процесса является термообработка на твердый раствор (SHT) обработанного горячим способом и необязательно обработанного холодным способом материала. Изделие необходимо нагреть, чтобы перевести в раствор как можно больше всех или по существу всех порций растворимого цинка, магния и меди. SHT предпочтительно проводят в том же диапазоне температур и времени, что и обработку гомогенизацией по настоящему изобретению, как изложено в данном описании, вместе с предпочтительными более узкими диапазонами. Однако считается, что также более короткое время выдержки все еще может быть очень полезным, например, в диапазоне от около 2 до 180 минут.SHT обычно проводят в печи периодического или непрерывного действия. После SHT важно, чтобы алюминиевый сплав был охлажден с высокой скоростью охлаждения до температуры 175°С или ниже, предпочтительно до температуры окружающей среды, для предотвращения или сведения к минимуму неконтролируемого выделения вторичных фаз, например, Al₂CuMg и Al₂Cu, и/или MgZn₂. С другой стороны, скорости охлаждения предпочтительно не должны быть слишком высокими, чтобы достигались достаточная плоскостность и низкий уровень остаточных напряжений в изделии. Подходящие скорости охлаждения могут быть достигнуты с помощью воды, например, путем погружения в воду или охлаждения водяными струями.

Материал может быть подвергнут дополнительной холодной обработке, например, растяжением в диапазоне на от около 0,5% до 8% от его исходной длины, для снятия в нем остаточных напряжений и улучшения плоскостности изделия. Предпочтительно растяжение находится в диапазоне на от около 0,5% до 6%, более предпочтительно на от около 1% до 3%. После охлаждения материал подвергают искусственному старению, предпочтительно для обеспечения состояния Т7, более предпочтительно состояния Т7×51.

Затем требуемый конструкционный профиль или конструкционный профиль близкий к заданному получают из этих термообработанных пластинчатых секций путем механической обработки, чаще, как правило, после искусственного старения.

SHT, закалка, необязательные операции по снятию напряжений и искусственное старение также используют при производстве секций, изготовленных посредством этапов обработки экструзией или ковкой.

Далее изобретение будет проиллюстрировано с обращением к неограничивающим примерам по настоящему изобретению.

Пример 1.

В промышленных масштабах производство слитков для прокатки из 6 различных алюминиевых сплавов представляло собой литье DC (литье с прямым охлаждением) слитков с размерами 1470×440 мм и длиной несколько метров, за исключением сплава A3 для которого размеры составляли 1260×440 мм. Алюминиевые составы (в мас. %) перечислены в Таблице 2, и при этом сплавы А1, А2 и A3 являются сплавами сравнения, а сплавы А4, А5 и А6 являются сплавами по настоящему изобретению. Сплав А1 находится внутри диапазона составов АА7475, сплав А2 внутри АА7181 м сплав A3 внутри АА7010. С помощью обычных в данной области техники методов со слитков были сняты напряжения, затем следовала двухэтапная термообработка с гомогенизацией. Сплав А1 гомогенизировали в течение 2 часов при 470°С с последующей гомогенизацией в течение 15 часов при 495°С, а каждый из сплавов от А2 до А6 гомогенизировали в течение 12 часов при 470°С, а затем в течение 25 часов при 475°С. Из соображений логистики слитки после гомогенизации охлаждали до температуры окружающей среды с применением скоростей охлаждения, обычных в данной области техники, удаляли поверхностный слой для улучшения плоскостности слитка и удаления литой поверхности, подвергали повторному нагреву до 410°С и последующей горячей прокатке в прокатное изделие на множественных этапах прокатки до толщины 100 мм. Из горячекатаных листовых изделий отобрали подобразцы и подвергли их термообработке на твердый раствор в течение 24 часов при 470°С в лабораторной печи, а затем произвели закалку холодной водой. Затем образцы подвергли искусственному старению в течение 5 часов 120°С с последующим старением в течение 15 часов при 165°С. Применение искусственного старения придает прокатным изделиям степень твердости Т76. Затем из значимых мест искусственно состаренного материала вырезали подобразцы и подвергли их механической обработке до размеров, подходящих для испытаний в соответствии со значимыми нормами.

Механические свойства (предел текучести при растяжении (TYS), предельная прочность на растяжение (UTS) и удлинение А_50мм) в направлениях L и ST были определены на четверти толщины в соответствии с применимыми нормами EN 2002-1. Средние значения по трем образцам перечислены в таблице 3.

Провели испытание на минимальную эксплуатационную долговечность без разрушения, связанного с коррозионным растрескивание под напряжением (SCC), измеренную в соответствии с ASTM G47-98 при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении (ST) 170 МПа; Результаты также перечислены в таблице 3, из них следует, что все образцы имели эксплуатационную долговечность без разрушения более 30 дней.

Кроме того, провели испытание на минимальное значение K_max-dev без девиации трещины, связанной с испытанием развития трещины в стандартной атмосфере при комнатной температуре в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S на образцах СТ, испытание на усталость с регулируемой нагрузкой, а девиация трещины была определена как отклонение трещины более чем на 20° от предполагаемой плоскости развития трещины. В настоящем документе принято, что "устойчивость к девиации трещин" определяется с помощью по меньшей мере трех экземпляров образцов С(Т), приготовленных в соответствии со стандартом ASTM Е647-13е01, озаглавленным "Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates" ("ASTM E647"). По меньшей мере три экземпляра образцов С(Т) отобрали в направлении L-S на участке от 1/3 до 2/3 ширины материала, где размер "В" образца составляет 6,35 мм (0,25 дюйма) а размер "W" образца составляет по меньшей мере 25 мм (0,98 дюйма), взятых в положении Т/2. Тестируемые образцы испытывали по методу испытаний при постоянной амплитуде нагрузки ASTM Е647, с R=0,1 (равно P_min/P_max), в воздухе окружающей среды или с высокой влажностью, при комнатной температуре. Предварительно выращенная трещина должна соответствовать всем действующим требованиям ASTM Е647, и предварительное выращивание трещины должно осуществляться в соответствии с требованиями ASTM Е647. Испытание начинали с применением K_mах>10 МПа√м. (9,098 кфунт/кв.дюйм√дюйм), и начальная сила должна была быть достаточно большой, чтобы девиация трещины произошла до того, как испытание прекратит соответствовать действующим требованиям ASTM Е647 к образцу С(Т) ((W-a) ≥(4/π)*(K_mах-dеv/предел текучести при растяжении ((TYS - англ.: tensile yield strength)²). Испытание должно соответствовать ASTM Е647 до включительно точки девиации трещин. Считается, что трещина «отклоняется», когда трещина образца С(Т) существенно отклоняется от предполагаемой плоскости развития трещины (например, на 20-110°) в любом направлении, и девиация приводит к разделению образца вдоль непредусмотренной плоскости развития трещины. Среднюю длину трещины при девиации (a_dev) получают с применением среднего по двум значениям поверхности (переднее и заднее значения). K_max-dev представляет собой коэффициент интенсивности максимального напряжения, рассчитанный с помощью средней длины трещины при девиации (a_dev), максимальной приложенной силы (Ртах) и выражения для коэффициента интенсивности напряжений по ASTM Е647 А1,5,1,1 для образца С(Т) (Примечание: в уравнениях для отношения напряжений R=K_min/K_max и ^∧K=K_max - K_min, ΔK и ΔР следует заменить на K_max-dev и Р_mах, соответственно, как определено в ASTM Е6473.2.14).

Из результатов, приведенных в таблице 3, следует, что все изделия из алюминиевых сплавов имеют хорошую устойчивость к SCC, что является обязательным требованием для использования во многих аэрокосмических применениях.

Из результатов, приведенных в Таблице 3, следует, что сплав А1 имеет очень хорошую устойчивость к SCC в комбинации с хорошей устойчивостью к девиации трещин. Тем не менее, по меньшей мере уровни прочности в направлении L являются очень низкими, что делает алюминиевый сплав отнюдь не идеальным вариантом для, в частности, конструкционных применений в аэрокосмической промышленности.

Сплав А2 имеет значительно повышенное содержание Zn и обеспечивает более высокие уровни прочности в направлении L. Однако устойчивость к девиации трещин у него значительно ниже, чем у сплава А1 и сплава A3.

По сравнению со сплавом А1, сплав A3 имеет, в связи с по меньшей мере более высоким содержанием Zn, также более высокую прочность в направлении L. Устойчивость к девиации трещин немного ниже, чем у сплава А1, поскольку, как можно ожидать, при повышении прочности, в частности, при повышении предела текучести при растяжении, K_max-dev должен уменьшаться. Сплавы А4, А5 и А6 по настоящему изобретению обеспечивают благоприятную комбинацию хорошей устойчивости к SCC, повышенных уровней прочности и повышенной устойчивости к девиации трещин. На фиг. 1 представлены значения K_max-dev в зависимости от TYS в направлении L для всех испытанных сплавов. Из данных, приведенных на этой фигуре, следует, что сплав А6 имеет наиболее благоприятное сочетание характеристик.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными ранее вариантами осуществления, которые могут широко варьироваться в пределах объема настоящего изобретения, определенного приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к деформируемому изделию, в частности прокатному, экструдированному, кованому, из алюминиевого сплава серии 7ххх и может быть использовано в аэрокосмической промышленности. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх имеет следующий состав, мас.%: Zn от 6,50 до 7,20, Мg от 2,30 до 2,60, Сu от 1,30 до 1,80, причем Cu+Мg<4,50 и Мg<2,5+5/3(Сu-1,2), Fe до 0,25 включительно, Si до 0,25 включительно и необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr до 0,3 включительно, Сr до 0,3 включительно, Мn до 0,45 включительно, Ti до 0,25 включительно, Sc до 0,5 включительно, Аg до 0,5 включительно, остальное составляет алюминий и примеси, при этом после старения оно имеет условный предел текучести при растяжении, измеренный в направлении L на четверти толщины, более 485-0,12*(t-100) МПа, где t - толщина изделия в мм, минимальную эксплуатационную долговечность, измеренную в соответствии с ASTM G47-98, по меньшей мере 30 дней при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении 170 МПа и минимальное значение K_max-dev без девиации трещины, определенное в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S, по меньшей мере 40 МПа√м. Изобретение направлено на получение изделия с высокой прочностью, стойкостью к коррозионно-механическому растрескиванию и стойкостью к девиации трещин. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 1 пр., 3 табл., 1 ил.

1. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх, имеющее состав, содержащий, мас.%:

Zn от 6,50 до 7,20,

Мg от 2,30 до 2,60,

Сu от 1,30 до 1,80,

и причем Cu+Мg<4,50, и причем Мg<2,5+5/3(Сu-1,2),

Fe до 0,25 включительно,

Si до 0,25 включительно

и необязательно один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из следующего:

Zr до 0,3 включительно,

Сr до 0,3 включительно,

Мn до 0,45 включительно,

Ti до 0,25 включительно,

Sc до 0,5 включительно,

Аg до 0,5 включительно,

остаток составляют алюминий и примеси;

и при этом указанное изделие состарено для достижения:

- условного предела текучести при растяжении, в МПа, измеренного в направлении L, измеренного на четверти толщины более 485-0,12*(t-100) МПа, где t - толщина изделия в мм;

- минимальной эксплуатационной долговечности без разрушения, связанного с коррозионным растрескиванием под напряжением, SCC, измеренной в соответствии с ASTM G47-98, по меньшей мере 30 дней, при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении, ST, 170 МПа;

- минимального значения K_max-dev без девиации трещины, связанной с испытанием развития трещины в стандартной атмосфере при комнатной температуре в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S на образцах СТ, по меньшей мере в среднем 40 МПа√м, предпочтительно по меньшей мере в среднем 45 МПа√м, полученного в испытании, которое представляет собой испытание на усталость под регулируемой нагрузкой, причем девиация трещины определена как отклонение трещины более чем на 20° от предполагаемой плоскости развития трещины.

2. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по п. 1, отличающееся тем, что содержание Zn составляет по меньшей мере 6,60%.

3. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержание Zn составляет максимум 7,10%.

4. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-3, в котором

Cu+Мg<4,45 и Мg<2,55+2(Сu-1,25).

5. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что

Zn от 6,75 до 7,10,

Мg от 2,35 до 2,55,

Сu от 1,35 до 1,75.

6. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что

Zn от 6,75 до 7,10,

Мg от 2,45 до 2,55,

Сu от 1,35 до 1,75.

7. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по пп. 1-6, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Zr в диапазоне от 0,03 до 0,25% и предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,18%.

8. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Сr в диапазоне от 0,04 до 0,3% и предпочтительно в диапазоне от 0,04 до 0,25%.

9. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Сr до включительно 0,05% и предпочтительно до включительно 0,03%.

10. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Мn в диапазоне от 0,05 до 0,4% и предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,3%.

11. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Мn до включительно 0,05% и предпочтительно до включительно 0,03%.

12. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по пп. 9 и 11, отличающееся тем, что указанное изделие имеет содержание Сr+Мn до включительно 0,05%.

13. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что указанное изделие имеет толщину по меньшей мере 12,7 мм.

14. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-13, отличающееся тем, что указанное изделие представляет собой изделие для авиакосмической техники.

15. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-14, отличающееся тем, что указанное изделие находится в состоянии T7.

16. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по п. 15, отличающееся тем, что изделие находится в состоянии T7, выбранном из группы, состоящей из Т73, Т74, Т76, Т77 и Т79, и предпочтительно выбранном из группы, состоящей из Т7451, Т7651, Т7751 и Т7951.

17. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-16, отличающееся тем, что изделие имеет толщину по меньшей мере 25,4 мм, более предпочтительно по меньшей мере 38,1 мм, наиболее предпочтительно по меньшей мере 76,8 мм и предпочтительно не более 304,8 мм.

18. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-17, отличающееся тем, что указанное изделие имеет форму прокатного, экструдированного или кованого изделия.

19. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-18, отличающееся тем, что указанное изделие имеет форму прокатного изделия.

20. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-19, отличающееся тем, что указанное изделие подвергнуто старению для достижения одного или более из:

- условного предела текучести при растяжении, в МПа, измеренного в направлении L на четверть толщины, более 500-0,12*(t-100) МПа, где t представляет собой толщину изделия в мм, и предпочтительно более 510-0,12*(t-100) МПа;

- минимального значения K_max-dev без девиации трещины в результате испытания развития трещины в стандартной атмосфере при комнатной температуре в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S на образцах СТ по меньшей мере в среднем 50 МПа√м, полученного в испытании, которое представляет собой испытание на усталость под регулируемой нагрузкой, причем девиация трещины определена как отклонение трещины более чем на 20° от предполагаемой плоскости развития трещины;

- минимальной эксплуатационной долговечности без разрушения, связанного с коррозионным растрескиванием под напряжением, SCC, измеренной в соответствии с ASTM G47-98, по меньшей мере 30 дней, при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении, ST, 205 МПа, предпочтительно при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении, ST, 240 МПа.

21. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-20, отличающееся тем, что деформируемое изделие представляет собой конструктивную деталь самолета.

22. Деформируемое изделие из алюминиевого сплава серии 7ххх по любому из пп. 1-21, отличающееся тем, что деформируемое изделие представляет собой конструктивную деталь самолета, выбранную из группы, состоящей из лонжерона крыла, нервюры крыла, обшивки крыла, балки пола и шпангоута фюзеляжа.

23. Способ производства прокатного изделия из алюминиевого сплава по любому из пп. 1-22, предпочтительно имеющего толщину по меньшей мере 12,7 мм, включающий этапы:

(a) литья слитка, имеющего состав по любому из пп. 1-12;

(b) гомогенизации отлитого слитка;

(c) горячей прокатки отлитого слитка в горячекатаное изделие, имеющее толщину по меньшей мере 12,7 мм;

(d) необязательно холодной обработки горячекатаного изделия;

(e) термообработки на твердый раствор горячекатаного изделия;

(f) охлаждения изделия, прошедшего термообработку на твердый раствор, предпочтительно одним из методов закалки распылением или закалки погружением в воду или другую закалочную среду;

(g) растяжения изделия, прошедшего термообработку на твердый раствор, предпочтительно в диапазоне на от около 0,5% до 6% его исходной длины; и

(h) искусственного старения до состояния Т7, предпочтительно выбранного из группы, состоящей из Т7451, Т7651, Т7751 и Т7951, для достижения:

- условного предела текучести при растяжении, в МПа, измеренного в направлении L, измеренного на четверти толщины более 485-0,12*(t-100) МПа, где t - толщина изделия в мм;

- минимальной эксплуатационной долговечности без разрушения, связанного с коррозионным растрескиванием под напряжением, SCC, измеренной в соответствии с ASTM G47-98, по меньшей мере 30 дней, при уровне напряжения в поперечном по высоте направлении, ST, 170 МПа;

- минимального значения K_max-dev без девиации трещины, связанной с испытанием развития трещины в стандартной атмосфере при комнатной температуре в соответствии с ASTM Е647-13е01 в направлении L-S на образцах СТ, по меньшей мере в среднем 40 МПа√м, предпочтительно по меньшей мере в среднем 45 МПа√м, полученного в испытании, которое представляет собой испытание на усталость под регулируемой нагрузкой, причем девиация трещины определена как отклонение трещины более чем на 20° от предполагаемой плоскости развития трещины.