Результат интеллектуальной деятельности: ПРИГОДНОЕ ДЛЯ СВАРКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к металлическому изделию, выполненному из алюминиевого сплава, содержащего скандий. Настоящее изобретение дополнительно относится к сварной конструкции, включающей в себя такое металлическое изделие. Продукты, выполненные из данного металлического изделия, являются весьма пригодными для применений в транспортной промышленности, таких как применение в аэрокосмических изделиях, судах, дорожных и рельсовых транспортных средствах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как будет понятно ниже, за исключением, если не будет указано иного, маркировки алюминиевых сплавов и маркировки состояний относятся к маркировкам Алюминиевой Ассоциации в Стандартах Алюминия и Данных и Записей Регистраций, как опубликовано Алюминиевой Ассоциацией в 2009.

Для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на процентные содержания приведены в весовых процентах, если не указывается иного.

В данной области техники известно несколько Sc-содержащих алюминиевых сплавов.

Патент US № 5624632 раскрывает продукт из алюминиевого сплава, причем его состав по существу не содержит цинка и лития и имеет 3-7% Mg, 0,05-0,2% Zr, 0,2-1,2% Mn, не более 0,15% Si и 0,05-0,5% дисперсоидообразующего элемента, выбранного их группы, состоящей из: Sc, Er, Y, Gd, Ho или Hf, остальное - алюминий и неизбежные примеси. Данный продукт из алюминиевого сплава указан особенно подходящим для применений, где требуется стойкость к повреждениям.

Патент US № 6139653 раскрывает алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,1-0,5% Mn, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси. Далее раскрывается алюминиевый сплав, состоящий из 4-8% Mg, 0,05-0,6% Sc, 0,05-2% Cu или Zn, 0,05-0,20% Hf или Zr, а остальное - алюминий и несущественные примеси.

Патент US № 6531004 раскрывает свариваемый, коррозионно-стойкий алюминиевый сплав, имеющий 5-6% Mg, 0,05-0,15% Zr, 0,05-0,12% Mn, 0,01-0,2% Ti, 0,05-0,5% в сумме Sc и Tb и по меньшей мере 0,1-0,2% Cu или 0,1-0,4% Zn, остальное - алюминий и неминуемые примеси, не превышающие 0,1% Si. В данном документе сообщается, что в сенсибилизированных условиях вследствие низкого содержания Mn достигается улучшенная коррозионная устойчивость.

Существует спрос на изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента с улучшенным балансом по прочности и свариваемости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение изделия из алюминиевого сплава, содержащего Sc и имеющего улучшенный баланс по прочности и свариваемости.

Другой задачей изобретения является обеспечение сварной конструкции, включающей в себя изделие из алюминиевого состава, содержащее Sc и имеющее улучшенный баланс по прочности и свариваемости.

Эти и другие задачи и дальнейшие преимущества решаются или превышаются настоящим изобретением, предоставляющим экструдированное или катаное плакированное металлическое изделие, имеющее плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой на по меньшей мере одной поверхности плакируемого металлического слоя, при этом металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, имеющими по меньшей мере Sc в диапазоне примерно от 0,05 до 1%, и при этом содержание Sc в плакируемом слое меньше, чем в упомянутом плакирующем металлическом слое.

В соответствии с изобретением было найдено, что для достижения хороших механических свойств в объеме металлических изделий требуется иной уровень Sc по сравнению с требующимся для достижения хороших сварочных характеристик и при этом более высокие уровни Sc выгодны для сварочных характеристик, таких как, например, сварка посредством луча лазера. Небольшая вариация в содержании Sc может иметь значительное влияние на одно из значимых технических свойств, и если бы следовало предоставить изделие из алюминиевого сплава, выполненное с одним единственным химическим составом, то нужно было бы найти некий баланс. Однако, обеспечивая плакированное металлическое изделие так, что плакируемый металлический слой и плакирующий металлический слой имеют различные уровни Sc в качестве целенаправленного легирующего элемента и при этом плакирующий металлический слой металлургически связан с плакируемым металлическим слоем, получают улучшенное изделие, которое сочетает в себя выгодные механические свойства плакируемого металлического слоя с выгодными сварочными характеристиками плакирующего металлического слоя, имеющего более высокое содержание Sc, чем плакируемый металлический слой.

Также существует экономическое преимущество в том, что относительно высокий уровень Sc при довольно дорогостоящем Sc требуется только для выбранной части целого металлического изделия.

Разница в содержании Sc между плакируемым и плакирующим металлическими слоями может быть подобрана для соответствия специфическим требованиям по техническим свойствам. В одном варианте осуществления различие в содержании Sc между плакируемым металлическим слоем и плакирующим металлическим слоем составляет 0,02% или более, а предпочтительно 0,04% или более, например, разница в примерно 0,06% или в примерно 0,08%.

В одном варианте осуществления металлы плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, содержащими примерно от 3 до 8% Mg и дополнительно по меньшей мере Sc в диапазоне от 0,05 до 1%.

В одном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя являются алюминиевыми сплавами, имеющими, вес.%:

Типично, неизбежные примеси присутствуют в диапазоне каждая не более 0,05% и в общем не более 0,25%.

Железо может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,35% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,25%. Типичный предпочтительный уровень железа будет находится в диапазоне не более 0,14%.

Кремний может присутствовать в диапазоне не более примерно 0,25% и предпочтительно поддерживается на максимуме примерно 0,2%. Типичный предпочтительный уровень Si будет находится в диапазоне не более 0,12%, например на уровне примерно 0,04%.

В одном варианте осуществления цинк может присутствовать не более примерно 0,4%. А в другом варианте осуществления изобретения Zn может присутствовать в качестве упрочняющего элемента в диапазоне примерно от 0,4 до 2%. Относительно высокое количество Zn также имеет положительный эффект на коррозионную стойкость металлического изделия.

Cu может присутствовать в AlMgSc-сплаве в качестве упрочняющего элемента в диапазоне не более примерно 2%. Однако в тех применениях металлического изделия, где коррозионная стойкость является крайне критичным техническим свойством, является предпочтительным поддержание Cu на низком уровне в 0,25% или менее, а предпочтительно на уровне в 0,1% или менее и более предпочтительно на уровне в 0,04% или менее.

Li может присутствовать в AlMgSc-сплаве в диапазоне не более примерно 3% для обеспечения продукта с низкой плотностью, высокой прочностью, хорошей свариваемостью и очень хорошей реакцией на естественное старение. При целенаправленном добавлении предпочтительный уровень Li находится в диапазоне от 0,5 до 3%, а более предпочтительно в диапазоне от примерно 1 до 2,5%. В альтернативном варианте осуществления нет целенаправленного добавления Li и его содержание должно сохраняться на уровне примесей максимум 0,05%, а более предпочтительно алюминиевый сплав не содержит лития.

AlMgSc-сплав может содержать один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Zr 0,03-0,4%, Cr 0,03-0,4%, Hf 0,03-0,4%, Ti 0,005-0,4%. В Al-Mg-Sc предпочтительным легирующим элементом является Zr. Добавка Zr предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,05-0,2%.

Ti может быть добавлен к AlMgSc-сплаву в качестве упрочняющего элемента, или для улучшения коррозионной стойкости, или в целях добавки, измельчающей зерно.

В частном предпочтительном варианте осуществления упомянутые металлы упомянутого плакируемого металлического слоя и упомянутого плакирующего металлического слоя каждый являются алюминиевыми сплавами, состоящими, вес.%:

Сохраняя разницу в содержании Sc, как определено в соответствии с данным изобретением для плакируемого металлического слоя и плакирующего металлического слоя, плакируемый и плакирующий слои могут иметь по существу идентичный химический состав, очевидно в пределах точности измерений и контроля при производстве таких продуктов. Это улучшает совместимость между плакируемым и плакирующим слоями при производстве плакированного металлического изделия.

В альтернативном варианте осуществления количество одного или более легирующих элементов в плакируемом металлическом слое и плакирующем металлическом слое может быть выбрано с вариацией по отношению друг к другу, чтобы достигнуть последующего баланса в технических свойствах в плакированном металлическом изделии.

В одном варианте осуществления плакируемый металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне от 0,05 до 0,25%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 0,1 до 0,22%, например, при примерно 0,14% или при примерно 0,16%. Плакирующий металлический слой имеет содержание Sc в диапазоне примерно от 0,2 до 1%, например, примерно 0,25%. В частности, когда применяют высокую скорость затвердевания при литье в промышленном процессе производства плакирующего металлического слоя, уровень Sc может быть не более 1%, например, примерно 0,5% или примерно 0,9%. В процессах литья, подобных литью с прямым охлаждением (DC) плоских или круглых заготовок, достигаются скорости затвердевания вплоть до примерно 100 К/сек, в результате чего используют уровни Sc вплоть до примерно 0,3%.

Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть предусмотрено в виде экструдированного изделия или, более предпочтительно, в виде катаного изделия.

В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом плакирующий металлический слой имеет толщину в диапазоне примерно от 1 до 70%, а предпочтительно в диапазоне примерно от 2 до 25%, от толщины плакируемого металлического слоя.

В одном варианте осуществления плакированного металлического изделия плакированное металлическое изделие предусмотрено в виде катаного продукта и при этом по меньшей мере одна сторона плакируемого металлического слоя снабжена множественными плакирующими металлическими слоями с различным содержанием Sc. Например, плакируемый металлический слой, имеющий содержание Sc примерно 0,16%, может быть снабжен первым плакирующим металлическим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,21%, и вторым плакирующим слоем, имеющим содержание Sc примерно 0,28%, на внешней стороне от первого плакирующего металлического слоя.

Плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением может быть сформировано с использованием аналогичных методов, как и для металлического изделия из уни-сплава, например, посредством формования при ползучести или суперпластического формования.

В производстве плакированного металлического изделия в соответствии с изобретением плакирующий металлический слой может быть нанесен на плакируемый металлический слой любыми пригодными средствами, такими как посредством плакировки прокаткой. Плакированное металлическое изделие в экструдированной форме может быть произведено, например, посредством метода экструзии, как описывается в патентном документе WO-2007/070731, опубликованном 21 июня 2007 г., в частности в абзацах [0063]-[0068], раскрытие публикации которого специально включено сюда посредством ссылки.

В еще одном аспекте настоящего изобретения оно также относится к способу получения катаного плакированного металлического изделия, при этом способ содержит:

(i) обеспечение плакировки на по меньшей мере одной поверхности плакируемого слитка посредством совместного литья с образованием плакированного слитка, и

(ii) прокатку упомянутого плакированного слитка с получением изделия-плиты или листового изделия, имеющего плакируемый металлический слой и по меньшей мере один плакирующий слой.

В одном варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакируемого слитка на плакирующий слой в точке, где металл плакирующего металлического слоя находится в температуре между температурой солидуса и температурой ликвидуса металла плакирующего металлического слоя, с получением по существу непрерывной металлургической связи между металлическими слоями. Данный способ совместного литья и устройство также описываются в патентной публикации US № 2005/0011630, опубликованной 20 января 2005 г. (раскрытие которой специально включено сюда посредством ссылки).

В другом варианте осуществления этап совместного литья (i) проводят посредством литья плакирующего слоя в расплавленной форме на твердый плакируемый слиток.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения предусмотрена сварная конструкция, содержащая плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки.

В одном варианте осуществления изобретение относится к сварной конструктивной детали воздушного судна, содержащей катаное плакированное металлическое изделие в соответствии с изобретением и по меньшей мере один придающий жесткость элемент из алюминиевого сплава, предпочтительно стрингер, присоединенный к плакирующему металлическому слою посредством операции сварки, например посредством сварки лазерным лучом или посредством сварки трением с перемешиванием.

Данное изобретение также содержит воздушное судно или космический аппарат, фюзеляж которого полностью или частично выполнен из сварной конструкции в соответствии с изобретением, которая может быть внедрена в различные конструктивные части воздушного судна. Например, различные раскрытые варианты осуществления могут использоваться для формирования конструктивных частей в узлах крыльев и/или конструктивных частей в хвостовом оперении. Воздушное судно, как правило, представляет собой коммерческое пассажирское воздушное судно, которое может включать в себя, например, коммерческие пассажирские самолеты 737, 747, 757, 767 и 777, доступные от The Boeing Company, или коммерческие пассажирские самолеты А320, А350 и А380, доступные от Airbus S.A.S. В альтернативных вариантах осуществления настоящее изобретение может также быть внедрено в летательные аппараты других типов. Примеры таких летательных аппаратов включали пилотируемое и непилотируемое военное воздушное судно (самолет), винтокрылое воздушное судно (вертолет) или даже баллистические летательные аппараты.

Пример

Фюзеляжный лист алюминиевого сплава серии AA5024 с 0,23% Sc может быть присоединен к элементу стрингера из AlMgSc, например, посредством сварки лазерным лучом. Уровень Sc в фюзеляжном листе должен находится на данном уровне, чтобы добиться высокого уровня Sc в зоне проплавления для извлечения пользы из выгодных сварочных характеристик.

В соответствии с изобретением более выгодная сварная конструкция получена при использовании плакируемого листа из AA5024, имеющего плакировку из AA5024 в примерно 8%, при этом плакируемый лист имеет уровень Sc примерно 0,14% для оптимизации механических свойств, а плакирующий слой имеет уровень Sc примерно 0,23% для извлечения пользы из сварочных характеристик, которые являются благоприятными при относительно высоком уровне Sc. Стрингер из AlMgSc может быть сварен с плакирующим слоем тем же способом, как и при монолитном фюзеляжном листе. Плакированное металлическое изделие, сделанное из сплава AA5024 с различными уровнями Sc в плакируемом слое и в плакирующем слое, может быть произведено посредством, например, регулярного соединения прокаткой, известного в данной области техники.

Хотя выше были описаны предпочтительные и альтернативные варианты осуществления изобретения, как отмечено выше, много изменений может быть внесено не отходя от сущности и объема изобретения. Соответственно, объем изобретения не ограничен раскрытием этих предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления. Вместо этого, изобретение должно быть определено полностью при обращении к последующей формуле изобретения.