Патент на изобретение №2162115

(54) КОВАНАЯ ИЛИ ОТШТАМПОВАННАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ ДЕТАЛЬ ИЗ СПЛАВА АЛЮМИНИЯ, НЕ СОДЕРЖАЩЕГО ВАНАДИЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Предлагается кованая или отштампованная конструкционная деталь, имеющая улучшенное сочетание прочности и ударной вязкости. Указанная конструкционная деталь изготовлена из не содержащего ванадия алюминиевого сплава, содержащего 4,85-5,3 вес. % меди, 0,5-1,0 вес.% магния, 0,4-0,8 вес.% марганца, 0,2-0,8 вес.% серебра, до 0,25 вес.% циркония, до 0,1 вес.% кремния и до 0,1 вес. % железа, остальное – алюминий, случайные элементы и примеси, при этом сплав имеет отношение Cu : Mg приблизительно 5 – 9 (более предпочтительно 6,0 – 7,5). Сплав имеет при комнатной температуре предел текучести при растяжении приблизительно 77 кфунтов/кв. дюйм (5413 кг/см²) или выше и из него можно получить ковкой колесо самолета или штамповкой – различные другие изделия для использования в качестве деталей крыльев для высокоскоростных самолетов, например стрингеров или др. 4 с. и 28 з.п. ф-лы, 9 табл., 7 ил.

Изобретение относится к области упрочняемых при старении сплавов алюминия, которые приемлемы для аэрокосмического и другого применения. Изобретение также относится к изделиям, изготовленным из алюминиевых сплавов, обладающих улучшенным сочетанием прочности и ударной вязкости, которые могут быть использованы в высокоскоростных самолетах, особенно для обшивок фюзеляжей и элементов крыльев. Для такого применения критическое значение имеют сопротивление ползучести и/или коррозионное растрескивание при перенапряжении материала. Кроме того, изобретение относится к другим случаям высокотемпературного применения алюминиевых сплавов, например для изготовления колес и тормозных деталей таких самолетов. Конкретными формами изделий, для которых особенно приемлемо изобретение, являются листы, плоские поковки и штамповки.

Одним из важных способов повышения прочности алюминиевых сплавов является термическая обработка. Термическая обработка большого числа алюминиевых сплавов обычно включает три основных стадии: (1) термическую обработку на твердый раствор; (2) закалку; и (3) старение. Между закалкой и старением также может быть проведена холодная обработка. Термическая обработка на твердый раствор заключается в выдержке сплава при достаточно высокой температуре и в течение достаточно длительного времени до получения почти гомогенного твердого раствора образующих дисперсию элементов внутри сплава. Цель такой обработки состоит во введении в твердый раствор оптимального количества растворимых упрочняющих элементов. Закалка, или быстрое охлаждение, твердого раствора, полученного при термической обработке на твердый раствор, дает при комнатной температуре перенасыщенный твердый раствор. Затем при старении из этого быстро охлажденного перенасыщенного твердого раствора образуются упрочняющие дисперсии. Такие дисперсии могут получаться естественным путем при температуре окружающей среды или создаваться искусственно с использованием технологий старения при повышенной температуре. При естественном старении изделия из закаленного сплава выдерживают при температуре в интервале от -20 до +50^oC, наиболее предпочтительно при комнатной температуре, в течение относительно длительного периода времени. Для некоторых композиций сплава дисперсионное твердение после закалки при естественном старении дает материалы с высокими физико-механическими свойствами. При искусственном старении закаленные сплавы обычно выдерживают при температуре от 100 до 190^oC в течение от 5 до 48 часов, чтобы в готовом изделии произошло дисперсионное твердение.

Степень, до которой может быть повышена прочность алюминиевых сплавов при термической обработке, меняется в зависимости от типа и количества легирующих компонентов. Например, добавление к алюминию меди повышает прочность сплава и в отдельных случаях даже до некоторой степени повышает свариваемость. Дополнительное введение магния в такие сплавы Al-Cu может повысить коррозионную стойкость сплава, улучшить его реакцию на естественное старение (без предварительной холодной обработки) и даже несколько повысить его предел прочности. Однако при относительно низком содержании Mg может наблюдаться ухудшение свариваемости сплава.

Одним из коммерчески доступных сплавов, содержащих как медь, так и магний, является алюминий 2024 (обозначение Aluminium Association). Сплав 2024 имеет следующий состав: 4,4 вес.% Cu, 1,5 вес.% Mg, 0,6 вес.% Mn, остальное алюминий, случайные элементы и посторонние примеси. Этот сплав широко используется благодаря его высокой прочности, хорошей ударной вязкости и хорошей реакции на естественное старение. Однако при некоторых видах закалки сплав получает ограниченную коррозионную стойкость.

Другой, выпускаемый промышленностью сплав Al-Cu-Mg продается как алюминий 2519 (обозначение Aluminium Association). Этот сплав имеет следующий состав: 5,8 вес.% Cu, 0,2 вес.% Mg, 0,3 вес.% Mn, 0,2 вес.% Zr, 0,06 вес.% Ti, 0,005 вес.% V, остальное алюминий, случайные элементы и посторонние примеси. Сплав 2519, разработанный как улучшенный вариант сплава 2219, в настоящее время используется в военной промышленности, в том числе для изготовления бронированных плит.

В соответствии с патентом США N 4772342 добавление серебра к системе Al-Cu-Mg-Mn-V улучшает ее высокотемпературные свойства. Один из вариантов осуществления этого патента представлен следующей композицией: 6,0 вес.% Cu, 0,5 вес.% Mg, 0,4 вес.% Ag, 0,5 вес.% Mn, 0,15 вес.% Zr, 0,10 вес.% V, 0,05 вес.% Si, остальное алюминий. По данным патента наблюдаемое увеличение прочности обусловлено гальваноподобной -фазой на плоскости {111}, появляющейся, когда присутствуют как Mg, так и Ag. Хотя типичные пределы текучести при растяжении частей штампованного стержня, полученного из этого состава, составляют до 75 кфунтов/кв.дюйм (5273 кг/см²), это изобретение не может быть осуществлено с получением такого же уровня прочности при других формах. Когда для сравнения из предпочтительной композиции по данному патенту получают листовой материал, он имеет лишь обычные пределы текучести при растяжении, то есть приблизительно 70 кфунтов/кв.дюйм (4921 кг/см²), по сравнению с обычными пределами текучести 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше, получаемыми у эквивалентного листового изделия согласно изобретению. Для штампованных изделий согласно изобретению ожидаются даже более высокие значения прочности, так как для отштампованных стержней и брусков, как известно, характерно повышенное упрочнение структуры.

Целью изобретения является создание изделий для аэрокосмических целей из сплава, имеющего улучшенные сочетания прочности и ударной вязкости. Другая цель состоит в получении таких изделий из сплавов с высоким сопротивлением ползучести, обычно менее 0,1% ползучести через 60000 часов при температуре 130^oC и давлении 150 МПа.

Еще одной целью является создание улучшенных авиационных сплавов, которые не требуют значительной холодной обработки для получения высокой прочности, особенно при изготовлении кованых и отштампованных изделий, причем учитывается, что всегда может быть необходимо некоторое растяжение, чтобы выпрямить изделие в виде листа или плиты. Само собой разумеется, что такая штамповка может быть использована для изготовления изделий в другой форме. Еще одна цель изобретения состоит в получении изделий из сплава Al-Cu-Mg-Ag-Mn с общей повышенной ударной вязкостью. Другая цель состоит в получении таких изделий из сплавов, которые обладают более высокой прочностью при равных или более высоких свойствах вязкости по сравнению с нештампованными изделиями, изготовленными в соответствии с патентом США 4772342 из содержащей ванадий композиции.

Еще одна основная цель изобретения состоит в получении изделий из сплава для аэрокосмического применения, которые могут использоваться в качестве обшивок фюзеляжей и/или крыльев для следующего поколения сверхзвуковых транспортных самолетов. Еще одна цель состоит в создании сплава для изготовления высокотемпературных поковок, в частности колесных и тормозных деталей звуковых и сверхзвуковых самолетов. Типичными тормозными деталями являются диски рабочих колес и суппорта тормоза самолетов, хотя само собой разумеется, что другие тормозные летали, например тормозной барабан, также могут быть изготовлены из такого сплава для аэрокосмического применения и для другого высокотемпературного транспортного применения.

Другой целью изобретения является изготовление изделий из алюминиевых сплавов Серии 2000, содержащих незначительное количество или не содержащих компонентов. Еще одна цель настоящего изобретения состоит в получении из сплавов изделий, обладающих повышенной стойкостью к коррозионному растрескиванию. Кроме того, цель настоящего изобретения заключается в создании деталей из алюминиевых сплавов с более хорошим сочетанием прочности и ударной вязкости, чем у алюминия 2219, и более высокой термической прочностью, чем у алюминия 2048, 6013 или 8090/8091.

Эти и другие преимущества изобретения достигаются с помощью формируемой при старении конструкционной детали для аэрокосмического применения, имеющей улучшенные сочетания прочности и ударной вязкости. Детали получают преимущественно из не содержащего ванадий алюминиевого сплава, состоящего из: приблизительно 4,85-5,3 вес. % меди, приблизительно 0,5-1,0 вес.% магния, приблизительно 0,4-0,8 вес.% марганца, приблизительно 0,2-0,8 вес.% серебра, приблизительно 0,05-0,25 вес.% циркония, приблизительно до 0,1 вес.% кремния и приблизительно до 0,1 вес.% железа, остальное – алюминий, случайные элементы и посторонние примеси. Изделия в виде листа или плиты, изготовленные из сплава такого состава, при комнатной температуре обычно имеют значения пределов текучести при растяжении приблизительно 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше. Изобретение также может быть использовано для изготовления колес самолета и тормозных деталей ковкой или другими известными технологиями, или при изготовлении изделий штамповкой, в том числе, но, не ограничиваясь только ими, таких изделий, как стрингеры крыла самолета или другие отштампованные с вытяжкой изделия. Изделия из сплава согласно изобретению отличаются от изделий, описанных в упомянутом патенте США по нескольким позициям, а именно:
а) добавление Ag согласно изобретению повышает возможность достижения предела прочности при отпуске по T6-типу, а Ag имеет значительно меньшее влияние на пределы прочности при отпуске T8-типа;
б) для сплавов Al-Cu-Mg-Ag с более высоким отношением Cu:Mg, изученных согласно патенту США; пределы прочности T6- и T8-типа аналогичны, но при снижении этого отношения Cu:Mg влияние растяжения на обработку T8-типа сказывается положительно;
в) изделия из этих сплавов показывают, что для прокатанных или кованых изделий могут быть достигнуты пределы прочности равные или даже более высокие, чем приводимые в упомянутом патенте пределы прочности для штампованных изделий, когда отношение Cu:Mg, указанное в патенте, снижается до промежуточного уровня и когда до искусственного старения прикладывается некоторое растяжение;
г) изобретением устанавливается предпочтительное (то есть промежуточное) отношение Cu: Mg, необходимое для достижения таких очень высоких значений предела прочности;
д) изобретение подтверждает также значение добавки Mn для структурного упрочнения;
е) изобретение предлагает Zn в качестве потенциального частичного заменителя более дорогого Ag в альтернативных вариантах осуществления изобретения; и
ж) для улучшения свойств сплава изобретением не предлагается использование ванадия.

Другие признаки, цели и преимущества изобретения приводятся в нижеприведенном подробном описании, иллюстрируемом чертежами.

На фиг. 1 представлен график сравнения величин твердости B по Роквеллу как функции времени старения для заявляемых образцов сплавов C и D из таблицы I, причем оба образца сплава перед искусственным старением при 325^oF (163^oC) были подвергнуты растяжению на 8% или подвергнуты естественному старению в течение 10 дней;
фиг. 2а – график сравнения величин твердости B по Роквеллу для трех содержащих серебро образцов сплавов Al-Cu-Mg-Mn, образцы K, L и M из таблицы I, причем все образцы перед искусственным старением при 325^oF (163^oC) были подвергнуты растяжению на 8%;
фиг. 2в – график сравнения величин твердости B по Роквеллу для образцов сплавов K, L и M после того, как каждый образец сплава до искусственного старения при 325^oF (163^oC) был подвергнут естественному старению в течение 10 дней;
фиг. 3 – график, в котором сравниваются пределы текучести при растяжении сплавов образцов K, L и M после старения каждого сплава до отпуска T8- и T6-типа соответственно;
фиг. 4 – график, в котором сравниваются типичные пределы текучести при растяжении образцов сплавов H, D, J и F из таблицы I, после старения до отпуска T8-типа, а затем подвергнуты воздействию условий, имитирующих условия эксплуатации при числе Маха 2,0;
фиг. 5 – график, в котором сравниваются величины ударной вязкости при напряжении в плоском состоянии (или K_с) с пределами текучести при растяжении для листовых образцов сплавов N, P, Q, R, S, T, U и V из таблицы II после искусственного старения каждого образца до отпуска T8-типа;
фиг. 6 – график, в котором сравниваются величины сопротивления растрескиванию при растяжении при a_эфф = 0,4 дюйма (1,02 см) с пределами текучести при растяжении для образцов сплавов W, X и Y из таблицы III, растянутых на 0,5, 2 или 8% до искусственного старения при 325^oF (163^oC);
фиг. 7а – график, в котором сравниваются пределы текучести при растяжении образцов, содержащих цирконий сплавов Z и AA из таблицы III при разном растяжении перед искусственным старением при 325^oF (163^oC), чтобы показать влияние ванадия;
фиг. 7b – график, в котором сравниваются пределы текучести при растяжении образцов, не содержащих цирконий сплавов CC и DD из таблицы III при разном растяжении перед искусственным старением при 325^oF (163^oC), чтобы показать влияние ванадия.

Определения
Для описания предпочтительных составов сплавов, которые приводятся ниже, если не указано особо, процент представляет собой весовой процент (вес.%).

При рассмотрении любого числового интервала значений подразумевается, что такие интервалы включают каждое и любое число и/или дробное число между указанным минимальным и максимальным значением этого интервала. Например, интервал приблизительно 4,85-5,3% меди будет включать все промежуточные значения 4,86, 4,87, 4,88 и 4,9% и в том числе 5,1, 5,25 и 5,29 Cu. Это же правило применимо для указанных интервалов всех других элементов, приведенных ниже, таких как, например, значение промежуточного отношения Cu:Mg приблизительно между 5 и 9 и более предпочтительно между 6,0 и 7,5.

При упоминании минимального значения прочности подразумевается, что минимальные значения представляют собой уровни, при которых величины, определяющие свойства материала, могут быть гарантированы, или величины, на которых потребитель может обосновывать пределы безопасности при конструировании. В некоторых случаях “минимальные” пределы текучести имеют статистическое обоснование так, что 99% этого изделия соответствует или, как ожидается, будет соответствовать минимуму, обеспеченному с 95%-ной достоверностью. Для целей настоящего изобретения значения прочности сравниваются с значениями, приведенными в патенте США 4772342, когда ни один материал не был произведен (а) в рабочем масштабе; и (б) в достаточных количествах, чтобы измерить статистический минимум. И, хотя пределы прочности могут быть несколько выше, чем минимально гарантированные уровни, принятые при производстве самолетов, они по меньшей мере служат для иллюстрации улучшения прочностных свойств даваемого изобретением по сравнению с значениями других прототипов.

В данном описании понятие “преимущественно не содержащий” означает отсутствие значительного количества такого компонента, преднамеренно добавляемого к композиции для придания сплаву некоторых характеристик, причем само собой разумеется, что в полученном изделии могут быть иногда найдены следы случайных элементов и/или посторонних примесей. Например, преимущественно не содержащий ванадия сплав должен содержать менее чем приблизительно 0,1% V или более предпочтительно менее чем приблизительно 0,03% V, что обусловлено загрязнением случайными добавками или контактом с технологическим оборудованием и/или оборудованием для хранения. Все предпочтительные первые варианты осуществления изобретения преимущественно не содержат ванадий. Кроме того, предпочтительные изделия из рассматриваемых сплавов также преимущественно не содержат кадмий и титан.

В последнее время появился повышенный интерес к конструированию и разработке новых сверхзвуковых транспортных самолетов для постепенной замены англо-французских Конкордов. Для высокоскоростных гражданских транспортных (ВСГТ) самолетов необходимы два новых материала: устойчивый к повреждениям материал для нижнего крыла и фюзеляжа; и особо жесткий материал для верхнего крыла самолета. Дополнительный набор требований связан с эксплуатационными характеристиками как при воздействии повышенных температур, так и после такого воздействия.

Колесные и тормозные детали самолета представляют собой еще один пример применения, при котором алюминиевые сплавы должны иметь улучшенные эксплуатационные характеристики при повышенных температурах. Для колесных и тормозных комплектов будущих высокоскоростных самолетов необходимо повышение термической стабильности и эксплуатационных характеристик, особенно по сравнению с такими сплавами, как алюминий 2014-T6.

Из обычных металлургических сплавов, выпускаемых в виде слитков, алюминий 2219 и 2618 представляют собой два зарегистрированных в настоящее время сплава, предназначенных для использования при повышенной температуре. Оба сплава зарегистрированы Aluminium Association в середине 50-ых годов. Номинальный состав сплава 2219: 6,3 вес.% Cu, 0,3 вес.% Mn, 0,1 вес.% V, 0,15 вес. % Zr, остальное алюминий, случайные элементы и примеси. Для сплава 2618 номинальный состав: 2,3 вес.% Cu, 1,5 вес.% Mg, 1,1 вес.% Fe, 1,1 вес.% Ni, остальное алюминий, случайные элементы и примеси. Оба сплава принадлежат к системам Al-Cu-Mg 2000 серии, но из-за различного отношения Cu:Mg эти два сплава, как полагают, упрочняются с помощью различных средств: 2219 обычно с помощью ^{-дисперсий, а 2618 с помощью S’-дисперсий.}

Практическое применение
(а) Изделия в виде листов и плит
Хотя следующее поколение высокоскоростных гражданских транспортных (ВСГТ) самолетов может не быть быстрее современного Конкорда, они, как предполагается, будут крупнее, будут летать на более длинные расстояния и будут перевозить больше пассажиров для того, чтобы эти самолеты были более конкурентноспособны по стоимости с самолетами, имеющими дозвуковую скорость. Для изготовления как нижних крыльев, так и для элементов фюзеляжа таких самолетов следующего поколения будут необходимы материалы, более устойчивые к повреждениям.

Хотя корпуса различных самолетов могут иметь различный конструктивный принцип, для каждого из них особое значение придается скоростям Маха 2,0 и 2,4 при рабочих напряжениях от 15 до 20 кфунтов/кв.дюйм (1055-1046 кг/см²). Устойчивые к повреждениям материалы будущего, как предполагается, должны удовлетворять некоторым требованиям, связанным с термическим воздействием высоких температур, характерных для эксплуатации при сверхзвуковых скоростях, а именно:
а) в процессе эксплуатации самолета должна наблюдаться минимальная потеря свойств, измеренных при комнатной температуре;
б) необходимы достаточные свойства при сверхзвуковых крейсерских температурах; и
в) минимальные величины допустимой ползучести в процессе эксплуатации самолета. Следует отметить, что для многих описанных ниже опытов воздействие температуры 300^oF (149^oC) в течение 100 часов служит для моделирования условий эксплуатации при числе Маха 2,0.

(б) Поковки
Алюминиевые колеса самолетов, включая колеса для ВСГТ самолетов будущего, периодически подвергаются воздействию высоких температур. При современных системах торможения такие колеса должны иметь стабильные свойства в течение продолжительного периода эксплуатации при 200^oF (93^oC) и должны быть полностью пригодны к применению после короткого воздействия температур до 400^oF (204^oC). Колеса также не должны катастрофически выходить из строя при взлете, при котором температуры могут достигать 600^oF (315^oC). По мере разработки усовершенствованных тормозных систем, как ожидается, такие температуры снизятся на 100-150^oF (38-66^oC). Для колес самолета при эксплуатации в будущем могут иметь наиболее решающее значение следующие свойства: удельная прочность при обычных условиях, сопротивление коррозии, прочность при повышенных температурах и усталостная прочность. Свойства, имеющие вторичное значение, могут включать способность поддаваться обработке, пластичность, сопротивление ползучести, ударная вязкость, скорость роста усталостных трещин и прочность после воздействия высоких температур.

Многообещающие значения прочности были получены для нескольких образцов сплавов, изготовленных в виде небольших отливок весом 2 фунта (0,907 кг). Другой набор образцов композиций сплавов представляет собой расплавленные прямой плавкой в литейной форме большие (например, весом более 500 фунтов (227 кг)) лабораторные отливки. Также из сплавов приготовлены наборы отливок весом 20 фунтов (9,07 кг) для изучения влияния как Al, так и Zn на свойства заявляемых сплавов. Образцы композиций сплавов, которые имеют отношение Cu: Mg в интервале от 2,9 до 20, различное содержание Mn и переменное количество Ag и/или Zn, представлены в таблицах I, II и III.

В таблице IV показано влияние добавления Ag на величину твердости B по Роквеллу и предел прочности при растяжении образцов сплавов Al-Cu-Mg-Mn-(Ag), состаренных до отпуска T6- и T8-типа. Образцы сплавов, содержащие и не содержащие серебро, сгруппированы со сравнительными образцами, имеющими аналогичное отношение Cu:Mg.

Влияние Ag
Добавление серебра резко улучшает значения прочности T6-типа и величину твердости по Роквеллу образцов сплавов Al-Cu-Mg-Mn. Например, предел текучести при растяжении до 74,2 кфунтов/кв.дюйм (5216 кг/см²) достигнут для сплава S по сравнению со значением 60,5 кфунтов/кв.дюйм (4232 кг/см²), которое получено в случае не содержащего серебра и нерастянутого сплава, например сплав T из таблицы IV.

Когда серебро присутствует и когда перед искусственным старением проведена небольшая холодная обработка (например, растяжение на <1%) для выравнивания листа с целью проведения старения в соответствии с условиями, характерным для T6-типа, наблюдаются пределы текучести при растяжении T6-типа практически аналогичные типичным значениям предела текучести при растяжении T8-типа, когда степень холодной обработки выше. Например, предел текучести при растяжении 70,4 кфунтов/кв.дюйм (4935 кг/см²) при отпуске T8-типа почти эквивалентен пределу текучести при растяжении 68,3 кфунтов/кв.дюйм (4802 кг/см²) при отпуске T6-типа такого же материала (например, образец сплава Q из таблицы IV).

На фиг. 1 показано влияние на твердость двух образцов сплавов, имеющих промежуточные значения отношения Cu:Mg, образцы сплавов C и D из таблицы I. При проведении этого сравнения содержащий серебро образец, образец сплава D, имеет почти то же значение твердости независимо от того, растянут ли он на 8% или подвергнут естественному старению в течение 10 дней перед искусственным старением. Не содержащий Ag образец сплава C, однако, имеет значительно более высокую твердость, когда он растянут на 8% вместо непосредственного естественного старения в течение 10 дней.

Отношение Cu:Mg
На фиг. 2a и 2b представлен график зависимости значения твердости B по Роквеллу от времени старения при 325^oF (163^oC) для содержащих Ag образцов K, L и M из таблицы I, то есть образцов, которые имеют низкое, промежуточное и высокое отношения Cu:Mg соответственно. Наиболее высокие значения твердости отмечены при отпуске T8-типа образцов сплавов с отношением Cu:Mg от низкого до промежуточного (образцы K и L) и отпуске T6-типа только одного образца сплава, имеющего промежуточное значение отношения Cu:Mg (образец сплава L).

Положительное влияние промежуточных отношений Cu:Mg согласно изобретению также представлено на фиг. 3 и в приведенной ниже таблице V. Оба примера показывают, что образцы сплавов с промежуточным отношением Cu:Mg (например, образец сплава L) имеют наиболее высокий предел текучести при растяжении среди трех образцов, сравниваемых при отпуске T6-типа и T8-типа.

Влияние Mg
Полагают, что при осуществлении изобретения достаточные количества серебра способствует образованию гальваноподобной -фазы на плоскости {111}. При более низких отношениях Cu:Mg, приблизительно 2,9 (4,4 вес.% : 1,5 вес. %), эта -фаза является доминирующей, заменяя GPB-зоны и S’-дисперсии, которые в противном случае образовывались бы у таких сплавов. При более высоких отношениях Cu:Mg, приблизительно 20 (или 6 вес.% : 0,3 вес.%), такие -фазы замещают { 100} GP-зоны и {100} ^.-дисперсии. При предпочтительных промежуточных отношениях Cu:Mg согласно изобретению -фаза все еще остается преобладающей.

Влияние Mn
B таблице VI показано влияние добавок Mn на типичные свойства при растяжении образцов сплавов Al-Cu-Mg-Mn-(Ag), подвергнутых старению до отпуска T8-типа. Сплавы с двукратным или более высоким содержанием Mn сгруппированы вместе с образцами сплавов сравнения, которые имеют приблизительно то же содержание Ag и то же отношение Cu:Mg.

Добавка Mg в количестве около 0,6 вес.% обычно придает изученным образцам сплавов приблизительно 3 кфунта/кв.дюйм (2109 кг/см²) или более дополнительной прочности. Например, содержащий Ag и не содержащий Mn сплав с промежуточным отношением Cu: Mg, образец сплава R, обладает типичным для T8-типа пределом текучести при растяжении 73,4 кфунта/кв.дюйм (5160 кг/см²), тогда как его содержащий Mn эквивалент (образец сплава S) проявляет типичный для T8-типа предел текучести при растяжении 76,2 кфунта/кв.дюйм (5357 кг/см²). На фиг. 4 показано, что прочностные преимущества, приписываемые Mn, не теряются в таких образцах сплавов при длительном выдерживании или в течение 600 часов при 300^oF (149^oC) или в течение 3000 часов при 275^oF (135^oC).

Влияние Zn
Замена цинком по меньшей мере некоторого количества серебра согласно изобретению, как установлено, не оказывает значительного отрицательного влияния на уровень прочности и другие основные свойства изделий из сплава. Напротив, замена цинком серебра дает положительный результат с точки зрения снижения стоимости альтернативных вариантов осуществления изобретения. В таблице VII сравниваются характерные значения прочности для листов из образца сплава, содержащего только серебро (образец сплава W), содержащего только цинк (образец сплава X) и сравнительного образца сплава, содержащего и цинк и серебро (образец сплава Y) после того, как каждый из образцов был подвергнут искусственному старению с последующим растяжением в различной степени – 0,5, 2 и 8%.

Ударная вязкость
Проведено сравнение сочетаний прочности и ударной вязкости для различных образцов сплавов Al-Cu-Mg-Mn-(Ag-Zn), которое иллюстрируется фиг. 5 и 6. Данные фиг. 5 обобщены ниже в таблице VIII.

Из представленных данных видно, что содержащие серебро сплавы с промежуточным отношением Cu:Mg (сплав S на фиг. 5 и сплав W на фиг. 6) дают наиболее хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Сплав, в котором произведена частичная замена серебра цинком (сплав Y), имеет почти такое же высокое сочетание прочностных и вязких свойств.

Один из сплавов, испытанных выше, образец сплава Q, имеет большое сходство с композицией некоторых примеров из патента США 4772342. В таблице IX сравниваются типичные значения пределов текучести при растяжении в упомянутом патенте со значениями пределов текучести при растяжении образца Q, которые получены согласно изобретению. Можно отметить, что по патенту получены значения предела прочности при растяжении до 75 кфунтов/кв.дюйм (5273 кг/см²) для штампованных стержней. Но листы с аналогичным составом, полученные заявителями данной заявки для целей сравнения, имеют типичные пределы прочности при растяжении от 68 до 70 кфунтов/кв.дюйм (4780-4921 кг/см²). Один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, образец сплава S, имеет предел текучести при растяжении 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) при отпуске T8-типа, или на 10% выше, чем типичные пределы текучести при растяжении, которые для сравнения получены при использовании композиций в соответствии с патентом США в виде листового изделия. По-видимому, образец сплава S будет давать даже более высокие уровни прочности, если его изготовить в виде отштампованного изделия, так как отштампованные стержни и бруски, как известно, обладают улучшенной упрочняющей структурой.

Дополнительные образцы для испытаний при растяжении были искусственно состарены способом T6-типа и T8-типа, затем подвергнуты воздействию повышенной температуры, что моделирует условия эксплуатации при числе Маха 2,0. Такое воздействие включает термическую обработку при 300^oF (149^oC) в течение 600 часов и при 275^oF (135^oC) в течение 3000 часов. После выдерживания при 300^oF (149^oC) в течение 600 часов типичные для T8-типа пределы текучести при растяжении изобретения падают приблизительно только на 8-12 кфунтов/кв.дюйм (562-844 кг/см²). Несколько меньшая потеря – только от 5 до 10 кфунтов/кв. дюйм (351-703 кг/см²) наблюдается после выдерживания при 275^oF (135^oC) в течение 3000 часов. Такие уровни прочности, тем не менее, составляют значительное высокотемпературное улучшение свойств по сравнению с минимальными уровнями, наблюдаемыми в случае алюминия 2618 и других существующих сплавов.

Из данных, представленных на фиг. 7а для обоих содержащих цирконий сплавов, видно, что приблизительно эквивалентные значения типичной прочности (различия составляют менее чем 1 кфунт/кв.дюйм (70,3 кг/см²) получены для образцов сплавов Z и AA независимо от величины растяжения, которому подвергнуты эти две сравнительные композиции, отличающиеся главным образом содержанием ванадия. Хотя в их не содержащих цирконий эквивалентах (образцы сплавов CC и DD на фиг. 7b) ванадий фактически оказывает отрицательное влияние на наблюдаемые характерные значения прочности.

В случае одной из конкретных форм изделия, кованых колес самолета, изготовленных из композиции, содержащей 5,1 вес.% меди, 0,79 вес.% магния, 0,55 вес. % серебра, 0,62 вес.% марганца, 0,14 вес.% циркония, остальное – алюминий и случайные элементы и примеси, наблюдаются немного более низкие типичные пределы текучести порядка 72 кфунтов/кв.дюйм (5062 кг/см²). Однако полагают, что такое незначительное снижение прочности является результатом медленной закалки, проводимой у этих колес для снижения остаточных напряжений у готового изделия. Образцы этих колес также были подвергнуты старению при немного более высокой температуре, чем предпочтительная конечная температура старения, чтобы более точно смоделировать промышленные условия.

Исходя из вышесказанного полагают, что наиболее предпочтительные варианты сплавов согласно изобретению должны содержать 5,0 вес.% Cu, всего приблизительно 0,8 вес. % Mg и приблизительно 0,5 вес.% Ag, при содержании Mn приблизительно 0,6 вес.% и Zr – приблизительно 0,15 вес.%.

Имея описанные выше предпочтительные варианты выполнения, следует понимать, что изобретение может быть реализовано другим образом в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Кованая или отштампованная конструкционная деталь, имеющая улучшенное сочетание прочности и ударной вязкости, причем указанная конструкционная деталь изготовлена из преимущественно не содержащего ванадия алюминиевого сплава, состоящего преимущественно из: приблизительно, 4,85 – 5,3 вес.% меди, приблизительно, 0,5 – 1,0 вес.% магния, приблизительно, 0,4 – 0,8 вес. % марганца, приблизительно, 0,2 – 0,8 вес.% серебра, приблизительно, до 0,25 вес. % циркония, приблизительно, до 0,1 вес.% кремния и приблизительно, до 0,1 вес.% железа, остальное – алюминий, случайные элементы и примеси.

2. Конструкционная деталь по п. 1, которая при комнатной температуре имеет предел текучести при растяжении, приблизительно, 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше.

3. Конструкционная деталь по п.1, которая представляет собой кованое колесо для самолета.

4. Конструкционная деталь по п.1, которая представляет собой кованую тормозную деталь самолета.

5. Конструкционная деталь по п.1, которая представляет собой отштампованную деталь крыла самолета.

6. Конструкционная деталь по п.1, которая представляет собой стрингер самолета.

7. Конструкционная деталь по п.1, у которой сплав имеет отношение Cu:Mg приблизительно 5 – 9.

8. Конструкционная деталь по п.7, у которой отношение Cu:Mg сплава составляет, приблизительно 6,0 – 7,5.

9. Конструкционная деталь по п.1, у которой сплав содержит, приблизительно, 5 вес.% или более меди.

10. Конструкционная деталь по п.1, у которой сплав дополнительно содержит, приблизительно, до 0,5 вес.% цинка.

11. Формируемая при старении кованая или отштампованная конструкционная деталь аэрокосмического применения, имеющая улучшенное сочетание прочности и ударной вязкости, причем указанная конструкционная деталь изготовлена из преимущественно не содержащего ванадия сплава на основе алюминия, состоящего преимущественно из: приблизительно, 4,85 – 5,3 вес.% меди, приблизительно, 0,5 – 1,0 вес.% магния, приблизительно, 0,4 – 0,8 вес.% марганца, приблизительно, 0,2 – 0,8 вес.% серебра, приблизительно, до 0,25 вес.% циркония, приблизительно, до 0,1 вес.% кремния и приблизительно, до 0,1 вес.% железа, остальное алюминий, случайные элементы и примеси.

12. Конструкционная деталь по п.11, которая при комнатной температуре имеет предел текучести при растяжении приблизительно 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше.

13. Конструкционная деталь по п.11, которая представляет собой кованое колесо самолета.

14. Конструкционная деталь по п.11, которая представляет собой кованую тормозную деталь самолета.

15. Конструкционная деталь по п.11, которая представляет собой отштампованную деталь крыла самолета.

16. Конструкционная деталь по п.11, у которой сплав имеет отношение Cu: Mg приблизительно 6,0 – 7,5.

17. Конструкционная деталь по п.11, у которой сплав содержит, приблизительно, 5 вес.% или более меди.

18. Конструкционная деталь по п.11, у которой сплав дополнительно содержит, приблизительно, до 0,5 вес.% цинка.

19. Кованая аэрокосмическая конструкционная деталь, имеющая улучшенное сочетание прочности и ударной вязкости, изготовленная из преимущественно не содержащего ванадия алюминиевого сплава, состоящего преимущественно из: приблизительно, 4,85 – 5,3 вес.% меди, приблизительно, 0,5 – 1,0 вес.% магния, приблизительно, 0,4 – 0,8 вес.% марганца, приблизительно, 0,2 – 0,8 вес. % серебра, приблизительно, до 0,25 вес.% циркония, приблизительно, до 0,1 вес. % кремния и, приблизительно, до 0,1 вес.% железа, остальное – алюминий, случайные элементы и примеси, при этом указанный сплав имеет отношение Cu: Mg, приблизительно, 5 – 9.

20. Кованая конструкционная деталь по п.19, которая при комнатной температуре имеет предел текучести при растяжении, приблизительно, 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше.

21. Кованая конструкционная деталь по п.19, которая представляет собой кованое колесо самолета.

22. Кованая конструкционная деталь по п.19, которая представляет собой тормозной диск или суппорт тормоза самолета.

23. Кованая конструкционная деталь по п.19, у которой сплав имеет отношение Cu:Mg приблизительно, 6,0 – 7,5.

24. Кованая конструкционная деталь по п.19, у которой сплав содержит, приблизительно, 5 вес.% или более меди.

25. Кованая конструкционная деталь по п.19, у которой сплав дополнительно содержит, приблизительно, до 0,5 вес.% цинка.

26. Отштампованная аэрокосмическая конструкционная деталь, имеющая улучшенное сочетание прочности и ударной вязкости, изготовленная из преимущественно не содержащего ванадия алюминиевого сплава, состоящего преимущественно из: приблизительно, 4,85 – 5,3 вес.% меди, приблизительно, 0,5 – 1,0 вес.% магния, приблизительно, 0,4 – 0,8 вес.% марганца, приблизительно, 0,2 – 0,8 вес.% серебра, приблизительно, до 0,25 вес.% циркония, приблизительно, до 0,1 вес.% кремния и приблизительно, до 0,1 вес.% железа, остальное алюминий, случайные элементы и примеси, при этом сплав имеет отношение Cu:Mg, приблизительно, 5 – 9.

27. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, у которой сплав имеет отношение Cu:Mg, приблизительно, 6,0 – 7,5.

28. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, которая при комнатной температуре имеет предел текучести при растяжении, приблизительно, 77 кфунтов/кв.дюйм (5413 кг/см²) или выше.

29. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, которая растянута, по меньшей мере, на 1% для улучшения ее прямолинейности и дополнительного повышения прочностных свойств.

30. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, которая термически обработана на твердый раствор при одной или нескольких температурах, приблизительно, 955 – 980^oF (513 – 527^oC).

31. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, у которой сплав содержит, приблизительно, 5 вес.% или более меди.

32. Отштампованная конструкционная деталь по п.26, у которой сплав дополнительно содержит, приблизительно, до 0,5 вес.% цинка.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.03.2009

Извещение опубликовано: 20.07.2010 БИ: 20/2010