[发明专利]用于航空应用的具有提高损伤容限性能的2000系列铝合金

说明书

本申请是优先权日为2005年9月7日、发明名称为“用于航空应用的具有提高损伤容限性能的2000系列铝合金”的中国发明专利申请(中国专利申请号为200680000669.4，且相应的国际申请号为PCT/US2006/034664)的分案申请。

技术领域

本申请是美国申请第10/893,003号的部分继续，这里通过引用将该申请的全部内容并入本文。

本发明涉及适于航空和其它要求用途的具有提高损伤容限的Al-Cu-Mg-Ag合金。该合金具有非常低的铁和硅含量，和低的铜与镁的比值。

背景技术

在商用喷气式飞机应用中，下机翼和机身应用的关键结构要求是通过疲劳裂纹扩展(FCG)和断裂韧性测量的高水平的损伤容限。目前阶段的材料选自Al-Cu 2XXX系列，典型为2X24型。这些合金通常以T3X状态使用，并且固有地具有适中的强度和高的断裂韧性和好的抗FCG性。典型地，当2X24合金人工时效到强度增加的T8状态时，韧性和/或FCG性能劣化。

损伤容限是断裂韧性和抗FCG性的结合。当强度增加时，断裂韧性同时下降，而维持高韧性的同时具有增加的强度是任何新合金产品所希望的属性。通常使用两种常见载荷配制(configuration)测量FCG性能：1)等幅(CA)和2)在谱载荷和可变载荷下。后者能更好地代表使用中所预期的载荷。J.Schijve在“The s ignificance offlight-simulat ion fatigue tests”(Delft Univers ity Report(LR-466)，1985年6月)中描述了关于飞行模拟载荷FCG测试的细节。使用由R比例即最小/最大应力定义的应力范围进行等幅FCG测试。测量裂纹扩展速率作为应力强度范围(ΔK)的函数。在谱载荷下，再次测量裂纹扩展，但这次是在“飞行”次数上进行记录。载荷模拟每次飞行的典型起飞、飞行中、和着陆载荷，并且重复进行以代表飞机结构部件指定部件可见到的典型的使用期内载荷。谱FCG测试是更具有代表性的合金性能的量度，因为它们模拟实际的飞行工作。存在许多普通的谱载荷配制，并且还存在取决于飞机设计原理以及飞机尺寸的飞机特定谱。相比制造较少但飞行更久的大、宽体飞机期望较小的、单过道飞机具有更高的起飞/着陆循环次数。

在谱载荷下，屈服强度的增加通常将减少塑性诱发的裂纹闭合(会延缓裂纹扩展)的数量，并且将典型导致较短的寿命。一个实例是最近开发的高损伤容限合金(这里命名为2X24HDT)的性能，该合金在较低的屈服强度T351状态下相比较高强度的T39状态显示出优异的谱寿命性能。飞机设计者理想上愿意使用具有较高静态性能(拉伸强度)同时具有与2X24-T3状态产品相同或更高水平损伤容限的合金。

美国专利5,652,063公开了具有Al-Cu-Mg-Ag的铝合金组成，其中Cu-Mg比例在约5-9的范围内，具有分别最高约0.1wt％硅的和铁含量。′063专利的组成提供了足够的强度，但具有一般的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性。

美国专利5,376,192也公开了Al-Cu-Mg-Ag铝合金，Cu-Mg比例在约2.3-25之间，和高很多的Fe和Si含量，分别在至多约0.3和0.25数量级。

仍然需要具有足够强度同时结合提高的损伤容限(包括断裂韧性)和提高的(特别是在谱载荷下的)抗裂纹扩展性的合金组成。

发明内容

本发明通过提供新的合金解决了上述的需要，新的合金在与现有技术组成和注册的合金例如用于片材(机身)的2524-T3和用于板材(下机翼)的2024-T351/2X24HDT-T351/2324-T39比较时，显示出优异的强度并且具有相同或更好的韧性和提高的(特别是谱载荷下)抗FCG性。这里使用的术语“提高的损伤容限”是指这些提高的性能。

因此，本发明提供了具有提高损伤容限的铝基合金，该合金基本上由以下成分组成：约3.0-4.0wt％铜；约0.4-1.1wt％镁；至多约0.8wt％银；至多约1.0wt％Zn；至多约0.25wt％Zr；至多约0.9wt％Mn；至多约0.5wt％Fe；和至多约0.5wt％S i；余量基本上是铝，附带的杂质和元素，所述铜和镁的存在比例是约3.6-5份铜比约1份镁。优选地，该铝基合金基本上不含钒。Cu：Mg比例维持在约3.6-5份铜比1份镁，更优选4.0-4.5份铜比1份镁。虽然不希望受任何理论的限制，但认为该比例赋予由本发明合金组成制成的产品期望的性能。