[發明專利]用于航空應用的具有提高損傷容限性能的2000系列合金

無效

• 申請號: 200580026934.1
• 申請日: 2005-07-14
• 公開（公告）號: CN101124346A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發明（設計）人: J·C·林;J·M·紐曼;P·E·麥格紐森;G·H·布雷
• 申請（專利權）人: 美鋁公司
• 主分類號: C22C21/06
• 分類號: C22C21/06;C22C21/16
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李帆

發明領域

本發明涉及適于航空和其它要求用途的具有提高損傷容限的 Al-Cu-Mg-Ag合金。該合金具有非常低的鐵和硅含量，和低的銅與鎂 的比值。

背景信息

在商用噴氣式飛機應用中，下機翼和機身應用的關鍵結構要求是 通過疲勞裂紋擴展(FCG)和斷裂韌性測量的高水平的損傷容限。目前階 段的材料選自Al-Cu2XXX系列，典型為2X24型。這些合金通常以T3X 狀態使用，并且固有地具有適中的強度和高的斷裂韌性和好的抗FCG 性。典型地，當2X24合金人工時效到強度增加的T8狀態時，韌性和/ 或FCG性能劣化。

損傷容限是斷裂韌性和抗FCG性的結合。當強度增加時，斷裂韌 性同時下降，而維持高韌性的同時具有增加的強度是任何新合金產品 所希望的屬性。通常使用兩種常見載荷配置(configuration)測量FCG 性能：1)等幅(CA)和2)在譜載荷和可變載荷下。后者能更好地代表使 用中所預期的載荷。J.Schijve在“The?significance?of flight-simulation?fatigue?tests”(Delft??University Report(LR-466)，1985年6月)中描述了關于飛行模擬載荷FCG測試的 細節。使用由R比例即最小/最大應力定義的應力范圍進行等幅FCG 測試。測量裂紋擴展速率作為應力強度范圍(ΔK)的函數。在譜載荷下， 再次測量裂紋擴展速率，但這次是在“飛行”次數上進行記錄。載荷 模擬每次飛行的典型起飛、飛行中、和著陸載荷，并且重復進行以代 表飛機結構部件指定部件可見到的典型的使用期內載荷。譜FCG測試 是更具代表性的合金性能的量度，因為它們模擬實際的飛機工作。存 在許多普通的譜載荷配置，并且還存在取決于飛機設計原理以及飛機 尺寸的飛機特殊譜載荷。期望較小的、單過道飛機相比制造較少但飛 行更久的大、寬體飛機具有更高的起飛/著陸循環次數。

在譜載荷下，屈服強度的增加通常將減少塑性誘發的裂紋閉合(會 延緩裂紋擴展)的數量，并且將典型導致較短的壽命。一個實例是最 近開發的高損傷容限合金(這里命名為2X24HDT)的性能，該合金在較 低的屈服強度T351狀態相比較高強度的T39狀態顯示出優異的譜壽命 性能。飛機設計者理想上愿意使用具有較高靜態性能(抗拉強度)同時 具有與2X24-T3狀態產品相同或更高水平損傷容限的合金。

美國專利5,652,063公開了具有Al-Cu-Mg-Ag的鋁合金組成，其 中Cu-Mg比例在約5-9范圍內，具有分別最高約0.1wt％硅和鐵含 量?！?63專利的組成提供了足夠的強度，但具有一般的斷裂韌性 和抗疲勞裂紋擴展性。

美國專利5,376,192也公開了Al-Cu-Mg-Ag鋁合金，Cu-Mg比例 在約2.3-25之間，和高很多的Fe和Si含量，分別在至多約0.3和 0.25數量級。

仍然需要具有足夠強度同時結合提高的損傷容限(包括斷裂韌性) 和提高的(特別是譜載荷下的)抗裂紋擴展性的合金組成。

發明概述

本發明通過提供新的合金解決了上述的需要，新的合金在與現有 技術組成和注冊的合金例如用于片材(機身)的2524-T3和用于板材 (下機翼)的2024-T351/2X24HDT-T351/2324-T39比較時，顯示出優異 的強度并且具有相同或更好的韌性和提高的(特別是譜載荷下)抗FCG 性。這里使用的術語“提高的損傷容限”是指這些提高的性能。

因此，本發明提供了具有提高損傷容限的鋁基合金，該合金基本 上由以下成分組成：約3.0-4.0wt％銅；約0.4-1.1wt％鎂；至多約0.8wt％ 銀；至多約1.0wt％Zn；至多約0.25wt％Zr；至多約0.9wt％Mn；至多約 0.5wt％Fe；和至多約0.5wt％Si；余量基本上是鋁，附帶的雜質和元素， 所述銅和鎂的存在比例是約3.6-5份銅比約1份鎂。優選地，該鋁基 合金基本上不含釩。Cu∶Mg比例維持在約3.6-5份銅比1份鎂，更優 選4.0-4.5份銅比1份鎂。雖然不希望受任何理論的限制，但認為該 比例賦予由本發明合金組成制成的產品期望的性能。