公开了具有增强的抗疲劳裂纹生长偏差和环境辅助开裂(EAC)的弥散体7xxx铝合金产品。7xxx铝合金包括1至3wt.％的Cu、1.2至3wt.％的Mg、4至8.5wt.％的Zn、至多0.3wt.％的Mn、至多0.15wt.％的Zr、至多0.3wt.％的Cr的弥散体元素、杂质元素，且其余为Al。在一个实施例中，该合金包括在0.2至0.8wt.％的范围内的Zr+Cr+Mn。在另一实施例中，该合金包括在0.07至0.7wt.％的范围内的Zr+Mn。这种合金可以制成板材、挤压或锻造产品，且特别适用于航空航天结构部件。该产品具有增强的抗EAC性和抗疲劳裂纹生长偏差性。同时，该产品具有强度、断裂韧性、不同取向的延展性、以及耐应力裂纹腐蚀(SCC)和剥落腐蚀性的极好的组合，适用于航空航天应用。航天应用。航天应用。
【技术实现步骤摘要】
强抗环境促开裂和疲劳裂纹生长偏差的弥散体7xxx铝合金品
相关申请的交叉引用
[0001]根据35 U.S.C.119(e)，本申请要求于2021年9月27日提交的美国临时申请号63/248,690的利益，其内容通过引用并入本文。
[0002]本专利技术涉及高强度7xxx铝合金产品。高强度的7xxx铝合金可用于制造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，其需要具有更好的抗疲劳裂纹分叉(fatigue crack branching)、抗EAC(环境促进开裂(Environmentally Assisted Cracking))、强度、断裂韧性(fracture toughness)、各向异性延展性(anisotropic ductility)、耐应力裂纹腐蚀(Stress Crack Corrosion，SCC)和耐剥落腐蚀(exfoliation corrosion)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，原因在于其材料强度、断裂韧性和抗疲劳性的广泛组合。
[0004]近年来，机身制造商和铝合金生产商也在大力应对抗疲劳裂纹分叉、抗EAC和各向异性延展性等新挑战。
[0005]疲劳裂纹偏差或分叉，如图1所示，是指在I型疲劳载荷条件下，裂纹突然改变其扩展路径，远离预期断裂面的现象。由于在结构设计过程中很难考虑这种现象的不可预测性，因此这种裂纹偏差对飞机制造商来说是一个重大问题。
[0006]对于飞机制造工业来说，铝合金材料因环境促进开裂(EAC)而退化是一个关键挑战。通常，EAC是飞机应用中的晶间失效(intergranular failure)现象。虽然尚未完全理解，但其有两个潜在原因。一种是阳极溶解(anodic dissolution)，另一种是氢脆(hydrogen embrittlement)。然而，由于难以准确量化氢(H)水平，因此很难理解其机理。H的平衡晶格溶解度极低，且铝中的氢化物通常不稳定。
[0007]除了疲劳裂纹偏差和EAC外，铝板的各向异性延展性是航空航天应用(特别是最近用于机身制造的整体零件加工技术)的另一个日益重要的性能。各向异性延展性是指当拉伸试验方向位于通常试验方向之间，或从材料金属流动或微观结构方向(通常表示为轧制方向(L))时，延展性显著降低。当拉伸方向不同于金属流动方向时，延展性通常显著降低。
[0008]关键的性能，包括疲劳裂纹分叉、EAC和各向异性延展性，以及强度、断裂韧性和耐腐蚀性，都显著地受到化学组成的影响。众所周知，锌是通过时效强化(age strengthening)实现高强度的主要合金元素。镁通常与锌一起添加，以生成MgZn2及其变体相，用于沉淀硬化。通常添加铜以提高抗SCC性能。
[0009]如本领域技术人员所知，为了控制再结晶晶粒结构，所谓的弥散体元素(dispersoid element)对铝合金非常关键。7xxx合金的典型弥散体元素为Zr和Cr。2xxx合金的典型弥散体元素为Mn。单个弥散体元素对传统材料性能(如强度和断裂韧性)的影响是
相对众所周知的。然而，尚不清楚弥散体元素(无论是单独还是以不同组合)是否对疲劳裂纹生长分叉、EAC和各向异性延展性的关键性能有显著影响。在目前的相关技术中，基本上要么只有Zr要么只有Cr被用作航空航天7xxx合金的弥散体元素。非高强度7xxx合金使用Zr、Cr和Mn的组合作为弥散体，以改善疲劳裂纹生长分叉、EAC和各向异性延性的关键性能。历史上，Cr最初用作7xxx合金(如流行的7075合金)的弥散体元素。然而，由于淬火敏感性，Cr对强度和断裂韧性有负面影响。因此，后代的7xxx合金使用Zr作为弥散体元素。最典型的示例是含Zr的7050合金，这是航空航天应用中使用最广泛的7xxx合金。大多数7xxx合金使用Zr或Cr作为弥散体元素。根据美国铝业协会(Aluminum Association)发布的“锻造铝和锻造铝合金的国际合金名称和化学组成极限(International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys)”，Zr(在不含其他弥散体元素的情况下)是7xxx合金的主要弥散体元素，例如AA7160、AA7199、AA7003、AA7040、AA7140、AA7041、AA7056、AA7068、AA7168、AA7099、AA7065、AA7097、AA7037、AA7081、AA7047、AA7021、AA7033、AA7034、AA7035、AA7050、AA7150、AA7250、AA7055、AA7155、AA7085、AA7093、AA7095、AA7181、AA7255、AA7185、AA7010、AA7015、AA7122、AA7136、AA7046、AA7048、AA7108。7xxx合金的第二常见的弥散体元素是Cr，如AA7075、AA7175、AA7475、AA7009、AA7049、AA7149、AA7349、AA7249、AA7008、AA7032、AA7060、AA7278、AA7178、AA7001、AA7277。
技术实现思路
[0010]增强的疲劳裂纹生长分叉、EAC和各向异性延展性以及高强度、断裂韧性、疲劳、SCC和剥落的7xxx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铝合金产品包括1至3wt.％的Cu、1.2至3wt.％的Mg、4至8.5wt.％的Zn，至多0.3wt.％的Mn、至多0.15wt.％的Zr、至多0.3wt.％的Cr的弥散体元素、杂质元素(incidental element)以及其余为Al。在一个实施例中，合金包括在0.2至0.8wt.％的范围内的Zr+Cr+Mn。在另一实施例中，合金包括在0.07至0.7wt.％的范围内的Zr+Mn。
[0011]已经发现，以Zr、Cr和Mn的不同组合作为弥散体元素的7xxx铝合金能够生产出具有较好的抗疲劳裂纹分叉、EAC和各向异性延展性以及高强度、断裂韧性、疲劳、SCC和耐剥落的板材产品。
[0012]高强度7xxx厚板材铝产品为商用飞机的显著的燃油效率和成本降低优势提供了具有前景的机会。本专利技术的此类应用的示例是整体设计的翼盒(wing box)，该翼盒需要厚横截面的7xxx铝合金产品。材料强度是减轻重量的关键设计因素。延展性、损伤容限(damage tolerance)、耐应力腐蚀和抗疲劳裂纹生长也很重要。
附图说明
[0013]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∶
[0014]图1为示出了疲劳裂纹生长试验样本中疲劳裂纹偏差的图片；
[0015]图2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7xxx铝合金产品，其包括：4.0至8.5wt.％的Zn，1.0至3.0wt.％的Cu，1.2至3.0wt.％的Mg，至多0.15wt.％的Zr作为弥散体元素，至多0.30wt.％的Mn作为弥散体元素，至多0.30wt.％的Zr作为弥散体元素，至多0.15wt.％的杂质元素，这些杂质元素的总量不超过0.35wt.％，其余为Al，其中，Zr+Cr+Mn在0.2至0.8wt.％的范围内和/或Zr+Mn在0.07至0.7wt.％的范围内。2.根据权利要求1所述的铝合金产品，还包括≤0.12wt.％的Si。3.根据权利要求2所述的铝合金产品，包括≤0.05wt.％的Si。4.根据权利要求1所述的铝合金产品，还包括≤0.15wt.％的Fe。5.根据权利要求4所述的铝合金产品，包括≤0.10wt.％的Fe。6.根据权利要求1所述的铝合金产品，还包括0.005
‑
0.10wt.％的Ti。7.根据权利要求1所述的铝合金产品，在“温度＝70℃，相对湿度＝85％，载荷应力为在ST方向的Rp0.2的85％”的试验条件下，EAC存在时间超过60天。8.根据权利要求7所述的铝合金产品，其具有K1c L
‑
T>100
–
0.85*LT
‑
TYS、K1cT
‑
L>54.7
–
0.34*LT
‑
TYS和K1c S
‑
L>61.2
–
0.46*LT
‑
TYS，其中K1c和TYS的单位分别为(ksi*in
1/2
)和ksi。9.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、挤压或锻造产品。10.一种高强度和高断裂韧性7xxx铝合金产品，其由以下各项组成：4.0至8.5wt.％的Zn，1.0至3.0wt.％的Cu，1.2至3.0wt.％的Mg，至多0.15wt.％的Zr作为弥散体元素，至多0.30wt.％的Mn作为弥散体元素，至多0.30wt.％的Zr作为弥散体元素，≤0.12wt.％的Si，≤0.15wt.％的Fe，0.005
‑
0.10wt.％的Ti...
【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：
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