高强度和高断裂韧性的7XXX系航空航天合金产品制造技术

一种高强度和高断裂韧性的7xxx系铝合金产品，其包括6.5至7.2重量％的Zn、1.55至1.95重量％的Cu、1.75至2.15重量％的Mg、0.095至0.15重量％的Zr、杂质元素和其余为Al。在一个实施例中，铝合金产品包括1.05至1.35范围内的Mg/Cu比率和3.2至4.0范围内的Zn/Mg比率。该铝合金产品可用于制造板材、挤压或锻造产品，尤其适用于航空航天结构部件。该产品具有适用于航空航天应用的强度、断裂韧性、疲劳裂纹偏离点处的K

【技术实现步骤摘要】
高强度和高断裂韧性的7XXX系航空航天合金产品
相关申请的交叉引用
[0001]根据35 U.S.C.119(e)，本申请要求于2020年11月11日提交的美国临时专利申请第63/112,294号的权益，所述申请的内容以引用方式并入本文申请中。


[0002]本专利技术涉及高强度的7xxx系铝合金产品。高强度的7xxx系铝合金可用于生产适用于航空航天结构部件的板材、挤压或锻造产品，特别是大型商用飞机机翼结构的应用，其要求具有更好的强度、断裂韧性、抗疲劳裂纹偏离性、各向异性延展性、损伤容限性能，和耐腐蚀性能。

技术介绍

[0003]为了大幅降低飞机重量以提高燃油效率，机身制造商和铝材料制造商正在积极追求更高强度的7xxx铝合金，原因在于其广泛结合了材料强度、延展性、断裂韧性、抗疲劳性和耐腐蚀性。
[0004]对于航空航天应用的复杂、全面和严格的材料性能要求的结合，需要非常精细的优化和非常狭窄的化学范围，以满足商用飞机的此类要求。
[0005]显然，强度、断裂韧性和耐腐蚀性能是最关键的材料性能，其显著地受化学成分的影响。在7xxx系铝合金中，锌是通过时效强化实现高强度的主要合金元素。最常用的7050和7075航空铝合金中的锌含量范围为5.1至6.7重量％(wt.％)。镁通常与锌一起添加以生成MgZn2及其变体相，这是主要的沉淀硬化相。Zn和Mg含量较高的铝合金通常具有较高的强度。然而，较高的Zn和Mg含量也会对应力腐蚀开裂(SCC)的抗性和断裂韧性性能产生负面影响。在7xxx系铝合金中，添加铜以提高抗SCC的性能。同时，Cu的加入也提高了材料的强度。大多数Cu被认为在亚稳态MgZn2相中取代了Zn。一般来说，在重量百分比相同的情况下，Cu与Zn添加量对于强度的影响大致相同。
[0006]为了实现时效沉淀强化，所有添加的元素必须在时效前处于固溶体中。这通常通过固溶热处理(SHT)的处理步骤实现，随后是快速淬火。由于Mg、Zn和Cu含量较高，难以将消耗大量添加元素的所有组成颗粒溶解到固溶体中。因此，同时实现7xxx系铝合金的高强度、高断裂韧性和理想的耐腐蚀性是一个极端的挑战。
[0007]增加飞机部件利用率的另一个新挑战是疲劳裂纹分叉或偏差特性。这是一种在I型疲劳载荷条件下，裂纹突然改变其扩展方向远离预期断裂面的现象。这种裂纹偏差是飞机制造商日益关注的问题，因为在结构设计过程中很难将其考虑在内。
[0008]除了疲劳裂纹偏差性能外，铝合金厚板的各向异性延展性是航空航天应用的另一个日益重要的特征，尤其是对于最近用于机身制造的整体零件加工技术。各向异性延展性是指当拉伸测试方向位于通常测试方向之间时的显著的延展性变化，通常平行于或垂直于材料金属流动或微观结构方向，通常表示为轧制方向(L)。当拉伸方向不同于由金属流动方向确定的标准方向时，延展性通常显著降低。
[0009]航空航天应用的另一个日益具有挑战性的方面是环境促进开裂(EAC)特性。这种材料性能被认为是评估合金抗氢脆的能力，氢脆可能会由于类似腐蚀的现象而导致强度和延展性的损失。试验在异常高的湿度和温度以及高施加应力的情况下进行。EAC特性也被认为对化学成分非常敏感。
[0010]综上所述，复杂的时效硬化行为以及严格而全面的材料性能的结合需要非常狭窄的化学范围。航空航天应用迫切需要这种高性能合金来实现不断提高的燃料效率目标。

技术实现思路

[0011]高强度、高断裂韧性、高疲劳裂纹偏差抗性和高各向异性延展性的7xxx系铝合金产品，如板材、锻件和挤压件，适用于制造航空航天结构部件，如大型商用飞机机翼部件，该7xxx系铝合金产品包括6.5至7.2重量％的Zn、1.55至1.95重量％的Cu，1.75至2.15重量％的Mg，0.095至0.15重量％的Zr，最多0.15重量％的杂质元素，这些杂质元素的总量不超过0.35重量％，以及其余为Al。在一个实施例中，铝合金进一步包括：Mg/Cu的比率在1.05至1.35的范围内，Zn/Mg的比率在3.2至4.0的范围内。
[0012]已经发现，具有优化化学范围的铝合金，与精确的Zn、Mg和Cu含量以及Mg/Cu和Zn/Mg比率相关，能够生产出具有高强度、理想的断裂韧性、疲劳裂纹偏差抗性、更高各向异性延展性、损伤容限和耐腐蚀性能，这是前所未有的组合。
[0013]高强度7xxx系厚板铝合金产品为商用飞机的显著的燃油效率和成本降低的优势提供了具有前景的机会。本专利技术的此类应用的一个例子是整体设计的机翼盒段(wing box)，它需要厚横截面的7xxx系铝合金产品。材料强度是减轻重量的关键设计因素。延伸性、损伤容限、抗应力腐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性也很重要。
附图说明
[0014]通过结合附图对本专利技术优选实施例的以下详细描述，本专利技术的特征和优点将变得显而易见，其中：
[0015]图1是示出了用于制造本专利技术7xxx系铝合金产品的本专利技术合金的Cu和Mg的化学组成的图；
[0016]图2是示出了用于制造本专利技术7xxx系铝合金产品的本专利技术合金的Mg和Zn的化学组成的图；
[0017]图3是示出了与非本专利技术合金相比，用于制造本专利技术7xxx系铝合金产品的本专利技术合金的Cu和Mg的化学组成的图；
[0018]图4是示出了与非本专利技术合金相比，用于制造本专利技术7xxx系铝合金产品的本专利技术合金的Mg和Zn的化学组成的图；
[0019]图5是示出了与非本专利技术合金板材相比，使用本专利技术合金的本专利技术7xxx系铝合金产品的强度的图；
[0020]图6是示出了与非本专利技术合金的3英寸厚板相比，使用本专利技术合金的本专利技术7xxx系铝合金产品的强度和断裂韧性组合的图；
[0021]图7示出了相对于板材几何形状的断裂韧性样品方向；
[0022]图8示出了整体试样的配置；B＝6.35mm；W＝76.2mm；H＝46mm；W1＝95mm；
[0023]图9是示出了与非本专利技术合金的4英寸厚板相比，使用本专利技术合金的本专利技术7xxx系铝合金产品的K
max
‑
dev
与强度的关系的图；以及
[0024]图10是示出了与非本专利技术合金相比，使用本专利技术合金的本专利技术7xxx铝合金产品的正交各向异性强度和延展性的组合的图。
具体实施方式
[0025]高强度的7xxx系铝合金产品采用精确的化学范围生产。具有高强度、断裂韧性、更优的疲劳裂纹偏差和各向异性延展性的7xxx系铝合金产品包括、由或基本上由以下组成：6.5至7.2重量％的Zn、1.55至1.95重量％的Cu、1.75至2.15重量％的Mg、0.095至0.15重量％的Zr、最多0.15重量％的杂质元素，这些杂质元素的总量不超过0.35重量％，以及其余为Al。在一个实施例中，铝合金进一步包含在1.05至1.35范围内的Mg/Cu比率，和3.2至4.0范围内的Zn/Mg比率。7xxx系铝合金产品具有高强度、高损伤容限性能、更好的耐腐蚀性和理想的抗疲劳裂纹偏离性，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度和高断裂韧性的7xxx系铝合金产品，其包括：6.5至7.2重量％的Zn，1.55至1.95重量％的Cu，1.75至2.15重量％的Mg，0.095至0.15重量％的Zr，最多0.15重量％的杂质元素，这些杂质元素的总量不超过0.35重量％，以及其余为Al。2.根据权利要求1所述的铝合金产品，其包括Mg/Cu比率为1.05至1.35。3.根据权利要求1所述的铝合金产品，其包括Zn/Mg比率为3.2至4.0。4.根据权利要求1所述的铝合金产品，其还包括≤0.12重量％的Si。5.根据权利要求4所述的铝合金产品，其包括≤0.05重量％的Si。6.根据权利要求1所述的铝合金产品，其还包括≤0.15重量％的Fe。7.根据权利要求6所述的铝合金产品，其包括≤0.10重量％的Fe。8.根据权利要求1所述的铝合金产品，其还包括≤0.04重量％的Cr。9.根据权利要求1所述的铝合金产品，其还包括0.005
‑
0.10重量％的Ti。10.根据权利要求1所述的铝合金产品，其中所述铝合金产品是1
‑
10英寸的厚板材、挤压制品或锻造制品。11.根据权利要求10所述的铝合金产品，其在LT方向上具有屈服抗拉强度(YTS)≥67ksi。12.根据权利要求10所述的铝合金产品，其在T
‑
L方向上的K1c值≥28ksi
‑
in
1/2
。13.根据权利要求10所述的铝合金产品，其在T
‑
L方向上的K1c值≥28ksi
‑
in
1/2
，以及在LT方向上的屈服抗拉强度(YTS)≥67ksi。14.根据权利要求13所述的铝合金产品，其具有K
max
‑
dev
值≥33MP
‑
m
1/2
。15.根据权利要求13所述的铝合金产品，其具有EAC值≥100天。16.一种高强度和高断裂韧性的7xxx系铝合金产品，其包括：6.5至7.2重量％的Zn，1.55至1.95重量％的Cu，1.75至2.15重量％的Mg，0.095至0.15重量％的Zr，Mg/Cu比率为1.05至1.35，Zn/Mg比率为3.2至4.0，≤0.12重量％的Si，≤0.15重量％的Fe，≤0.04重量％的Cr...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙正东，P，
申请(专利权)人：凯瑟铝制品有限责任公司，
类型：发明
国别省市：