专利名称：改进的铝-锂合金及其生产方法
改进的铝-锂合金及其生产方法相关申请的交叉参考本专利申请要求2010年9月8日提交的美国临时专利申请N0.61/381，040、2010年10月8日提交的美国临时专利申请N0.61/391，461、2010年12月20日提交的美国临时专利申请N0.61/425，024和2011年I月28日提交的美国临时专利申请N0.61/437，515中的每一份的优先权。上述专利申请的每一份的全部内容均通过引用结合在本文中。本专利申请也与2011年9月8日提交的名称为“改进的2XXX铝合金及其生产方
法”的PCT专利申请N0._、2011年9月8日提交的名称为“改进的6XXX铝合金及其生
产方法”的PCT专利申请N0._和2011年9月8日提交的名称为7XXX铝合金及其生产
方法的PCT专利申请N0._有关。
背景技术：
铝合金在多种应用中是有用的。然而，改进铝合金的一种性能而不损害另一种性能是难以实现的。例如，在不降低合金的韧性的情况下增加合金的强度是困难的。铝合金的令人感兴趣的其他性能包括耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展速率，仅举两个例子
发明内容
大体上讲，本专利申请涉及改进的锻造、可热处理的铝合金及其生产方法。具体地，本专利申请涉及改进的锻造Al-Li合金产品及其生产方法。通常，Al-Li合金产品由于例如固溶后冷加工和冷加工后热处理等获得改进的综合性能，如下文进一步详细地描述。出于本申请的目的，“Al-Li合金”是包含0.25 - 5.0wt.%的锂的铝合金。
图1示出了用于生产轧制形式的Al-Li合金产品的常规方法。在这种常规方法中，Al-Li合金体(10)被铸造，此后将该铝合金体均匀化(11)并随后热轧至中等厚度(12)。接着，将Al-Li合金体冷轧(13)至最终厚度，此后对其进行固溶热处理并淬火(14)。“固溶热处理和淬火”等等在本文中通称作“固溶”，意指将铝合金体加热到合适的温度，通常在溶线温度以上，在该温度保持足够长的时间以允许可溶性元素进入到固溶体中，并且足够快速地冷却以将所述元素保持在固溶体中。可以通过足够快速的冷却限制溶质原子沉积为粗糙的、不相干的粒子的方式，将在高温形成的固溶体保持在过饱和态。在固溶后(14)，可以任选地将Al-Li合金体少量(例如，1-5%)拉伸(15)以实现平整，进行热处理(16)以及任选地经过最后的处理操作(17)。图1与用于生产T6状态的铝合金的工艺路径一致(T6状态在本申请的下文中定义)。图2示出了一个用于生产新Al-Li合金产品的新方法的实施方案。在这种新方法中，制备Al-Li合金体(100)用于固溶后冷加工，此后对该铝合金体进行冷加工(200)，并且随后进行热处理(300)。该新方法也可以包括任选的最终处理(400)，如下文进一步详细地描述。“固溶后冷加工”等等意指铝合金体在固溶后的冷加工。应用至Al-Li合金体的固溶后冷加工的量通常是至少25%，例如大于50%的冷加工。通过第一固溶处理，和随后至少25%的冷加工，和随后将Al-Li合金体适当地热处理，Al-Li合金体可以实现改进的性能，如下文进一步详细地描述。例如，相对于T6状态的常规铝合金产品，可以获得5-40%或更高的强度增加，并且在将这些常规铝合金产品加工成Τ6和/或Τ87状态所需要的时间的一部分内(例如，比Τ6和/或Τ87状态加工的合金快10%-90%)获得这种强度增加。新Al-Li合金体也可以获得良好的延展性，通常获得高于4%的延伸率，例如6-16%或更高的延伸率。新的铝合金可以在没有断裂韧性损失的情况下获得这种强度改进。在一些情况下，新的Al-Li合金体获得改进的断裂韧性，例如比处于Τ6和/或Τ87状态的常规铝合金产品高5-25%的断裂韧性。也可以保持和/或改进其他性能(例如，抗疲劳裂纹扩展性)。Α.制备用于固溶后冷加工如图2中所示，这种新方法包括制备用于固溶后冷加工(100)的铝合金体。可以以多种方式制备用于固溶后冷加工(100)的铝合金体，包括使用常规的半连铸法(例如，铸锭的直冷铸造)和连铸法(例如，双辊连铸)。如图3中所示，制备步骤(100)通常包括将铝合金体设置成适合冷加工的形式(120)，并对该铝合金体进行固溶处理(140)。设置步骤(120)和固溶步骤(140)可以依次出现或伴随彼此出现。多种制备步骤(100)的一些非限制性实例在图4至图8中示出，这在下文中进一步详细地描述。制备用于固溶后冷加工
(100)的铝合金体的其他方法对于本领域技术人员来说是熟知的，而且尽管本文中没有明确地描述，这些其他方法也在制备步骤(100)的范围。在一个方案中，制备步骤(100)包括半连铸法。在一个实施例中，并参照图4，所述设置步骤(120)包括铸造铝合金体(122)(例如，以铸锭或坯锭的形式)，将铝合金体均匀化(124)，热加工铝合金体(126)和任选地冷加工铝合金体(128)。在设置步骤(120)之后，完成固溶处理步骤(140)。尽管铝合金体在铸造后(120)将不以铸锭/坯锭的形式，但可以使用连铸操作完成类似步骤。在另一个实施例中，并参照图5，制备步骤(100)包括铸造铝合金体(122)，将该铝合金体均匀化(124)并热加工该铝合金体(126)。在本实施例中，可以完成热加工步骤
(126)以将可溶性元素置于固溶体中，此后将该铝合金体淬火(未示出)，从而导致固溶处理步骤(140)。这是设置步骤(120)和固溶处理步骤(140)伴随彼此完成的一个实施例。本实施例可适用于模压淬火的产品(例如，型材)和热轧后淬火的热轧产品等等。在另一个方案中，制备步骤(100)包括连铸法，如带式连铸、杆材浇铸、双辊连铸、双带式连铸(例如，黑兹利特(Hazelett)铸造)、牵引铸造(drag casting)和块铸等等。制备步骤(100)的一个实施方案使用图6所示的连铸法。在这个实施例中，在大约相同的时间(即彼此伴随地)铸造并固溶铝合金体(142)。铸造将铝合金体设置成足以冷加工的形式。当铸造期间的固化速率足够迅速时，铝合金体也被固溶。在这个实施例中，铸造/固溶处理步骤(142)可以包括在铸造后将铝合金体淬火(未显示)。本实施例可适用于双辊连铸法以及其他铸造法。能够完成图6的方法的一些双辊连铸法在美国专利N0.7，182，825和美国专利N0.6，672，368中被描述。在另一个实施例中，并参照图7，制备步骤(100)包括铸造铝合金体(122)，以及在铸造步骤(122)后，再将铝合金体固溶处理(140)。在这个实施例中，设置步骤(120)包括铸造(122)。本实施例适用于双辊连铸法以及其他铸造法。在另一个实施例中，并参照图8，制备步骤(100)包括铸造铝合金体(122)，热加工铝合金体(126)， 和任选地冷加工铝合金体(128)。在这个实施例中，设置步骤(120)包括铸造步骤(122)、热加工步骤(126)和任选的冷加工(128)步骤。在设置步骤(120)之后，完成固溶处理步骤(140)。本实施例可适用于连铸法。图2至图8中所示的许多步骤可以以批量方式或连续方式完成。在一个实例中，冷加工步骤(200)和热处理步骤(300)被连续地完成。在这个实例中，被固溶的铝合金体可以在环境条件下进入冷加工操作。鉴于本文所述的新方法可获得相对短的热处理时间，可以在冷加工后(例如，直列式)将冷加工的铝合金立即进行热处理(300)。可以想到，这类热处理可以在邻近冷加工装置的出口处发生，或者在与冷加工装置连接的单独的加热装置中发生。这可以提高生产率。如上所述，制备步骤(100)通常包括铝合金体的固溶。如上所述，“固溶”包括铝合金体的淬火(未示出)，所述淬火可以借助液体(例如，借助水溶液或有机溶液)、气体(例如，冷却空气)或甚至固体(例如，铝合金体一个或更多侧面上冷却的固体)完成。在一个实施例中，淬火·步骤包括使铝合金体与液体或气体接触。在这些实施方案的一些中，淬火在不存在铝合金体的热加工和/或冷加工的情况下发生。例如，淬火可以在不存在铝合金体的变形的情况下通过浸没、喷雾和/或喷射干燥等等技术发生。本领域技术人员认识到可以使用其他制备步骤(100)制备用于固溶后冷加工的铝合金体(例如，粉末冶金方法)，并且认识到这类其他制备步骤落在制备步骤(100)的范围内，只要它们将铝合金体设置成适合冷加工的形式(120)并将该铝合金体固溶(140)，并且无论这些设置步骤(120)和固溶处理步骤(140)是否伴随发生(例如，同时地)或依次发生，并且无论设置步骤(120)是否在固溶处理步骤(140)之前发生，或反之亦然。B.冷加工再次参照图2，并且如上所述，这种新方法包括冷加工(200)大量铝合金体。“冷加工”等等意指在至少一个方向和低于热加工温度的温度使铝合金体变形(例如，不高于400 T )。可以通过轧制、挤压、锻造、牵拉、变薄拉伸(ironing)、旋压、滚压成型的一种或多种及其组合以及其他类型的冷加工方法进行冷加工。这些冷加工方法至少可以部分地有助于生产各种Al-Li合金产品(参见下文产品应用)。1.冷轧在一个实施例中，并参照图9，冷加工步骤(200)包括冷轧步骤(220)(并且在一些包括冷轧步骤(220)的实例中，通过任选的拉伸或矫直以实现平整(240))。在这个实施例中，并且如上所述，冷轧步骤(220)在固溶处理步骤(140)之后完成。冷轧步骤(220)是一种通常借助由辊子施加的压力使铝合金体厚度减小，并且铝合金体在低于热轧(124)所用的温度(例如，不高于400 °F )进入轧制设备的制造技术。在一个实施例中，铝合金体在环境条件下进入轧制设备，即，在本实施例中冷轧步骤(220)在环境条件下开始。冷轧步骤(220)将Al-Li合金体的厚度减少至少25%。冷轧步骤(220)可以在一个或多个轧制道次中完成。在一个实施例中，冷轧步骤(220)将铝合金体从中等厚度轧制到最终厚度。冷轧步骤(220)可以生产薄板、板材或箔产品。箔产品是具有小于0.006英寸的厚度的轧制产品。薄板产品是具有0.006英寸至0.249英寸的厚度的轧制产品。板材产品是具有0.250英寸或更大的厚度的轧制产品。“冷轧XX%”等等意指XXeK%，其中XXeK%是通过冷轧将铝合金体从第一厚度T1减少到第一厚度T2时所实现的厚度减少量，其中T1是冷轧步骤(200)前(例如，在固溶后)的厚度，T2是冷轧步骤(200)后的厚度。换句话说，xx。#等于:XXCE%=(1 - T2ZT1) *100%例如，当铝合金体从第一厚度(T1) 15.0mm减少到第二厚度(T2) 3.0mm时，XXCE%是80%ο 短语如“冷轧(cold rolling) 80%” 和“冷轧(cold rolled) 80%” 与表达式 XXCK%=80%等效。在一个实施例中，将铝合金体冷轧(220)至少30% (XXCE% ^ 30%)，即，厚度减少至少30%。在其他实施方案中，将铝合金体冷轧(220)至少35% (XXCE%彡35%)，或至少 40%(XXCK% 彡 40%)，或至少 45%(XXCK% 彡 45%)，或至少 50%(XXCK% 彡 50%)，或至少 55%(XXCK% 彡 55%)，或至少 60%(XXCK% 彡 60%)，或至少 65%(XXCK% 彡 65%)，或至少 70%(XXCK% 彡 70%)，或至少 75%(XXCK% 彡 75%)，或至少 80%(XXCK% 彡 80%)，或至少85%(XXce% 彡 85%)，或至少 90%(XXCK% 彡 90%)或更多。在一些实施例中，冷轧90%以上(XXCK% ( 90%)是不现实或不理想的。在这些实施方案中，可以将铝合金体冷轧(220)不高于87%(XXra%< 87%)，如冷轧(220)不高于85%(XXce% ( 85%)，或不高于 83%(XXCK% ( 83%)，或不高于 80%(XXCK% ( 80%)。在一个实施例中，将铝合金体冷轧高于50%至不高于85% (50%<XXce% ( 85%)。这种冷轧量可以产生具有优选性能的铝合金体。在相关的实施例中，可以将铝合金体冷轧55%至85% (55% ( XXCE% ( 85%)。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷轧60%至85% (60% ( XXCE% ( 85%)。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷轧65%至85% (65% ( XXCE% ( 85%)。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷轧70%至80% (70% ( XXCE% ( 80%)。仍参照图9，在这种方法的实施例中，可以完成任选的预冷轧(128)。预冷轧步骤
(128)可以进一步将铝合金体的中等厚度(由于热轧步骤126)减少到次中等厚度。作为实例，任选的冷轧步骤(128)可以用来产生有助于在冷轧步骤(220)期间产生最终冷轧厚度的次中等厚度。i1.其他冷加工技术除冷轧以外，并再次参照图2，可以通过轧制、挤压、锻造、牵拉、变薄拉深、旋压、滚压成型中的一种或多种及其组合，以及单独的其他类型的冷加工方法或这些方法与冷轧的结合进行冷加工。如上所述，通常在固溶后将铝合金体冷加工至少25%。在一个实施例中，冷加工将铝合金体加工成其基本上最终的形式(即，不需要额外的热加工步骤和/或冷加工步骤来获得最终的产品形式)。“冷加工XX%” ( “XXCW%”)等等意指将铝合金体冷加工一个足以实现等效塑性应变(下文描述)的量，所述等效塑性应变至少和如果将铝合金体冷轧ΧΧ^^ΧΧα^)所实现的等效塑性应变的量一样大。例如，短语“冷加工68.2%”意指将铝合金体冷加工一个足以实现等效塑性应变的量，所述等效塑性应变至少和如果将铝合金体冷轧68.2%所实现的等效塑性应变的量一样大。由于XXew%和TL办均指在铝合金体中产生的等效塑性应变的量，如同将铝合金体冷轧XX%(或在实际冷轧的情况下实际上冷轧XX%)，因此这两个术语在本文中可互换地用来指这种等效塑性应变的量。
等效塑性应变与真应变相关。例如，冷轧XX%，S卩，XXCK%，可以由真应变值表示，其中真应变(ε true)由下式给出:
ε true =-ln(l-%CR/100) (I)其中％CR是XXCE%’真应变值可以换算成等效塑性应变值。在冷轧期间实现双轴应变的情况下，估计的等效塑性应变将比真应变值大1.155倍(2除以V 3等于1.155)。双轴应变代表在冷轧操作期间产生的塑性应变的类型。下表I提供将冷轧XX%与真应变值和等效塑性应变值相关联的表格。表I
权利要求
1.一种方法，包括: (a)制备用于固溶后冷加工的铝合金体，其中，所述铝合金体包括具有0.25-5.0wt.%的锂的铝合金； (i)其中，所述制备步骤包括铝合金体的固溶处理； (b)在所述制备步骤(a)之后，冷加工所述铝合金体至少25%;以及 (c)在所述冷加工步骤(b)之后，热处理所述铝合金体； 其中，完成所述冷加工步骤和所述热处理步骤，以实现与在冷加工状态下铝合金体的参考样本相比长横向拉伸屈服强度增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括:通过半连铸法铸造所述招合金体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括: 使所述铝合金体均匀化；以及 热加工所述铝合金体； 其中，所述固溶处理步骤(a) (i)发生在所述热加工步骤之后。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)是第二冷加工，并且其中，所述制备步骤包括:在所述固溶处理步骤(a) (i)之前对所述铝合金体进行第一冷加工。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括:连续地铸造所述铝合金体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括:伴随着所述连续铸造步骤，完成所述固溶处理步骤(a) (i)。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括:在所述连续铸造步骤之后，完成所述固溶处理步骤(a) (i)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述制备步骤(a)包括:在所述固溶处理步骤(a)(i)之前，热加工所述铝合金体。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)是第二冷加工，并且其中，所述制备步骤(a)包括:在所述固溶处理步骤(a) (i)之前，对所述铝合金体进行第一冷加工。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固溶处理步骤(a)(i)包括将所述铝合金体淬火，并且其中，所述淬火在所述铝合金体不存在变形的情况下发生。
11.根据权利要求1所述的方法，包括在进行所述热处理步骤(C)期间使所述铝合金体成形。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述固溶处理步骤(a)(i)和所述冷加工步骤(b)之间不对所述铝合金体采取有目的的热处理。
13.根据权利要求1或12所述的方法，其中，在所述固溶处理步骤(a)(i)完成和所述冷加工步骤(b)开始之间经过不超过60小时。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括在所述铝合金体的温度不超过250 °F时开始进行所述冷加工。
15.根据权利要求1或14所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)在不存在有目的的加热所述铝合金体的情况下发生。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)是冷轧。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括将所述铝合金体轧制成其基本上最终的形状。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括将所述铝合金体冷轧至最终的厚度。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括在至少25%至90%的范围内冷加工所述招 合金体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括冷加工所述铝合金体至少35%。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述冷加工步骤(b)包括冷加工所述铝合金体至少50%。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理步骤(c)包括将所述铝合金体保持在它的再结晶温度以下。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述热处理步骤(c)包括在150-425T的范围内加热所述铝合金体。
24.根据权利要求1或22所述的方法，其中，执行所述冷轧步骤(b)和所述热处理步骤(c)，以使得所述铝合金体获得未再结晶占优的微结构。
25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金体获得大于4%的延伸率。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述铝合金体获得至少8%的延伸率。
27.—种铝合金体，包含0.25-5.0wt.%的锂，其中，所述铝合金体获得比参考铝合金体至少高5%的拉伸屈服强度； 其中，所述参考铝合金体具有与所述铝合金体相同的组成； 其中，将所述参比铝合金体加工到T87状态；以及 其中，所述参考铝合金体的拉伸屈服强度与其最大拉伸屈服强度相差不超过Iksi。
28.根据权利要求27所述的铝合金体，其中，所述铝合金体获得所述至少高5%的拉伸屈服强度且比所述参考铝合金体在T87状态下获得其最大拉伸屈服强度所需要的时间快至少25%。
29.根据权利要求28所述的铝合金体，其中，所述铝合金体获得所述至少高5%的拉伸屈服强度且比所述参考铝合金体在T87状态下获得其最大拉伸屈服强度所需要的时间快至少50%。
30.根据权利要求27所述的铝合金体，其中，所述铝合金体获得大于4%的延伸率。
31.根据权利要求30所述的铝合金体，其中，所述铝合金体获得至少8%的延伸率。
32.根据权利要求27所述的铝合金体，其中，所述铝合金体达到至少2.0的标准化R-值。
33.根据权利要求32所述的铝合金体，其中，所述铝合金体达到至少4.0的标准化R-值。
34.根据权利要求32所述的铝合金体，其中，所述铝合金体达到至少6.0的标准化R-值。
35.根据权利要求27所述的铝合金体，其中，所述铝合金体是未再结晶占优的。
36.根据权利要求35所述的铝合金体，其中，所述铝合金体至少75%是未再结晶的。
37.一种方法,包括:(a)对铝合金体进行固溶处理，其中，所述铝合金体包括具有0.25-5.0wt.%的锂的铝合金； (b)在所述固溶处理步骤(a)之后，冷加工所述铝合金体至少25%;以及 (c)在所述冷加工步骤(b)之后，热处 理所述铝合金体。
全文摘要
本发明公开了新的Al-Li合金体及其生产方法。所述新的Al-Li合金体可以通过制备用于固溶后冷加工的铝合金体、冷加工至少25%和随后热处理生产。所述新的Al-Li合金体可以实现改进的强度和其他性能。
文档编号C22C21/00GK103168110SQ201180048589
公开日2013年6月19日 申请日期2011年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者雷杰夫·G·卡迈特, 约翰·M·纽曼, 拉尔夫·R·索泰尔, J·C·林 申请人:美铝公司