可焊接的金属制品 技术领域 本发明涉及由含钪的铝合金制成的金属制品。 本发明进一步涉及整合有该金属制 品的焊接结构 (welded structure)。由这种金属制品制成的产品非常适合于运输业应用， 例如航天产品、 船舶、 公路和铁路车辆方面的应用。
背景技术
在 下 文 中 将 会 明 了 的 是， 除 非 另 作 说 明， 铝 合 金 牌 号 和 状 态 代 号 (temper designations) 是指由美国铝业协会 (Aluminum Association) 在 2009 年出版的 “Aluminum Standards and Data and the Registration Records” 中 的 “Aluminum Association designations” 。
除非另作说明， 对于合金组成或优选合金组成的任何描述， 所指的百分数均为重 量百分数。 在本领域中已知有若干种含有 Sc 的铝合金。
美国专利 No.5,624,632 公开了一种铝合金产品， 其组成中实质上不含锌和锂， 并 含有 3-7％的 Mg、 0.05-0.2％的 Zr、 0.2-1.2％的 Mn、 0.15％以下的 Si 和 0.05-0.5％形成弥 散体的元素 (dispersoid-forming element)， 所述形成弥散体的元素选自于由 Sc、 Er、 Y、 Gd、 Ho 或 Hf 组成的组， 余量为铝和不可避免的杂质。据称此铝合金产品尤其适合于对损伤 容限 (damage tolerance) 有要求的应用。
美 国 专 利 No.6,139,653 公 开 了 由 下 列 成 分 组 成 的 铝 合 金 ： 4-8 ％ 的 Mg、 0.05-0.6％的 Sc、 0.1-0.5％的 Mn、 0.05-2％的 Cu 或 Zn、 0.05-0.20％的 Hf 或 Zr， 余量为铝 和附带的杂质。该专利进一步公开了由下列成分组成的铝合金 ： 4-8％的 Mg、 0.05-0.6％的 Sc、 0.05-2％的 Cu 或 Zn、 0.05-0.20％的 Hf 或 Zr， 余量为铝和附带的杂质。
美国专利 No.6,531,004 公开了一种可焊接的、 耐腐蚀的铝合金， 该铝合金含有 5-6％的 Mg、 0.05-0.15％的 Zr、 0.05-0.12％的 Mn、 0.01-0.2％的 Ti、 总量为 0.05-0.5％的 Sc 和 Tb、 以及至少 0.1-0.2％的 Cu 或 0.1-0.4％的 Zn， 余量为铝和不可避免的污染物， 该污 染物中的 Si 不超过 1％。据该文件报道， 在敏化条件下， 由于 Mn 含量低而得到了改进的耐 腐蚀性。
含有 Sc 作为目的合金元素的铝合金制品需要在强度和可焊性方面的平衡得到改 进。
发明内容
本发明的目的是提供含有 Sc 的铝合金制品， 该铝合金制品在强度和可焊性方面 的平衡得到改进。
本发明的另一个目的是提供整合有含 Sc 铝合金制品的焊接结构， 该铝合金制品 在强度和可焊性方面的平衡得到改进。
通过提供经挤出或轧制的包覆金属制品 (clad metal article)， 本发明满足或超出了这些目的和其他目的以及进一步的优点 ； 所述包覆金属制品具有芯金属层和包覆金属 层 (cladding metal layer)， 所述包覆金属层位于所述芯金属层的至少一个表面上， 其中 所述包覆金属层和所述芯金属层的金属均为含有至少约 0.05％ -1％ Sc 的铝合金， 其中所 述芯金属层中的 Sc 含量低于所述包覆金属层中的 Sc 含量。
根据本发明已经发现， 为了在大量金属制品中实现良好的机械性能， 所需要的 Sc 水平与用于实现良好焊接特性的 Sc 水平不同 ； 由此， 更高的 Sc 水平有利于焊接特性、 例如 通过激光束焊接。Sc 含量的细微变化可显著地影响相应的工程性能之一 ； 如果要提供由单 一化学组成制成的铝合金制品， 必须寻求平衡。 然而， 通过提供包覆金属制品使得芯金属层 和包覆金属层具有不同含量的 Sc 作为目的合金元素， 并且籍此将所述包覆金属层以冶金 的方式 (metallurgically) 结合至所述芯金属层， 得到改进的制品， 所述制品兼具所述芯 金属层有利的机械性能以及所述包覆金属层有利的焊接特性， 所述包覆金属层含有比所述 芯金属层更高的 Sc 含量。
仅在整个金属制品的选定部分需要相对高水平的、 相当昂贵的 Sc， 本发明在这方 面还具有经济上的优势。
可对芯金属层和所述包覆金属层之间 Sc 含量的差异进行定制 (tailored)， 以满 足工程性能方面的具体需求。在一个实施方式中， 所述芯金属层和所述包覆金属层之间的 Sc 含量差异为 0.02％以上、 优选 0.04％以上， 例如约 0.06％或约 0.08％的差异。
在一个实施方式中， 所述包覆金属层和所述芯金属层的金属为铝合金， 所述铝合 金包含约 3％ -8％的 Mg 并进一步包含至少 0.05％ -1％的 Sc。
在一个实施方式中， 所述包覆金属层和所述芯金属层的所述金属为铝合金， 所述 铝合金含有下列成分 ( 以 wt％计 ) ：
Mg 约 3％ -8％， 优选约 3.8％ -6％ ；
Mn 约 1.4％以下， 优选约 0.05％ -1.2％ ；
Sc 0.05％ -1％ ；
Ag 约 0.5％以下 ；
Zn 约 2％以下 ；
Cu 约 2％以下 ；
Li 约 3％以下 ；
任选含有选自于由 Zr 0.03％ -0.4％、 Cr 0.03％ -0.4％、 Hf 0.03％ -0.4％和 Ti 0.005％ -0.4％所组成的组中的一种或多种元素 ；
Fe 约 0.35％以下 ；
Si 约 0.25％以下 ；
不可避免的杂质 ； 余量为铝。
通常， 不可避免的杂质以每种 0.05％以下、 合计 0.25％以下存在。
铁可以约 0.35％以下存在， 优选保持在约 0.25％的最大值。典型的优选铁水平可 0.14％以下。
硅可以约 0.25％以下存在， 优选保持在约 0.2％的最大值。典型的优选 Si 水平可 0.12％以下， 例如约 0.04％的水平。
在一个实施方式中， 锌可以约 0.4％以下存在。然而， 在另一个实施方式中， Zn 可作为强化元素 (strengthening element) 以约 0.4％ -2％存在。相对高的 Zn 量对所述金 属制品的耐腐蚀性也具有积极作用。
Cu 可作为强化元素以约 2％以下的含量存在于 AlMgSc 合金中。然而， 在所述金属 制品其耐腐蚀性为非常关键的工程性能的应用中， 优选将 Cu 维持在 0.25％以下的低水平、 优选 0.1％以下的水平、 更优选 0.04％以下的水平。
Li 可在所述 AlMgSc 合金中以约 3％以下的含量存在， 从而使产品具有低密度、 高 强度、 良好的可焊性以及非常良好的自然老化响应 (natural ageing response)。 如果有目 的地加入， 优选的 Li 水平为 0.5-3％， 更优选约 1-2.5％。在替代性的实施方式中， 并未有 目的地加入 Li， Li 应该保持在最大值 0.05％的杂质水平上 ； 更优选所述铝合金不含锂。
所 述 AlMgSc 合 金 可 含 有 选 自 于 由 Zr 0.03 ％ -0.4 ％、 Cr 0.03 ％ -0.4 ％、 Hf 0.03％ -0.4％、 Ti 0.005％ -0.4％所组成的组中的一种或多种元素。在所述 Al-Mg-Sc 中， 优选的合金元素为 Zr。优选加入的 Zr 为约 0.05％ -0.2％。
Ti 可作为强化元素加入所述 AlMgSc 合金中， 或者为了改进耐腐蚀性或者为了晶 粒细化 (grain refiner) 的目的加入所述 AlMgSc 合金中。
在特定的优选实施方式中， 所述包覆金属层和所述芯金属层的所述金属均为铝合 金， 所述铝合金由下列成分组成 ( 以 wt％计 ) ：
Mg 约 3.8％ -5.1％， 优选约 3.8％ -4.7％ ； Mn 约 0.4％以下， 优选约 0.25％以下 ； Sc 0.05％ -1％， 优选 0.05％ -0.4％ ； Zn 约 0.4％以下 ； Cu 约 0.25％以下 ； Cr 约 0.10％以下 ； Zr 约 0.05-0.20％ ； Ti 约 0.20％以下 ； Fe 0.35％以下， 优选约 0.15％以下 ； Si 0.25％以下， 优选约 0.10％以下 ； 其他元素和不可避免的杂质， 各自的最大值为 0.05％， 合计最大值为 0.15％； 余量为铝。 除了本发明为芯金属层和包覆金属层限定的 Sc 含量差异， 显然在生产该产品时 的测量和控制精度之内， 所述芯金属层和所述包覆金属层可具有实质上相同的化学组成。 当生产所述包覆金属制品时， 这改进了芯金属层和包覆金属层之间的相容性。
在替代性的实施方式中， 为实现所述包覆金属制品的工程性能的进一步平衡， 芯 金属层和包覆金属层中的一种或多种合金元素所选择的量可随彼此进行变化。
在 一 个 实 施 方 式 中， 所 述 芯 金 属 层 的 Sc 含 量 为 0.05 ％ -0.25 ％、 优选约 0.1％ -0.22％， 例如约 0.14％或约 0.16％。所述包覆金属层的 Sc 含量为约 0.2％ -1％， 例如约 0.25％。特别是当生产包覆金属层的制造工艺中在浇铸期间应用高凝固速率时， Sc 水平可 1％以下， 例如约 0.5％或约 0.9％。在例如将板坯 (slabs) 或方坯 (billets) 进行 直接激冷 (DC) 浇铸的浇铸工艺中， 凝固速率达到约 100K/ 秒以下， 使得所使用的 Sc 水平约 0.3％以下。
本发明所述的包覆金属制品可作为经挤出的制品提供， 更优选作为经轧制的制品提供。 在所述包覆金属制品的一个实施方式中， 所述包覆金属制品以经轧制的产品的形 式提供， 其中包覆金属层的厚度为芯金属层厚度的约 1％ -70％、 优选约 2％ -25％。
在所述包覆金属制品的一个实施方式中， 所述包覆金属制品以经轧制的产品的形 式提供， 其中， 在芯金属层的至少一侧设置有 Sc 含量不同的多个包覆金属层。例如 Sc 含 量为约 0.16 ％的芯金属层可具有 Sc 含量为约 0.21 ％的第一包覆金属层和 Sc 含量为约 0.28％的第二包覆金属层， 所述第二包覆金属层位于所述第一包覆金属层外侧。
可利用用于单一合金 (uni-alloy) 金属制品的模拟技术 (analogue technique) 使本发明所述的包覆金属制品成形， 例如通过蠕变成形或超塑成形。
在本发明所述的包覆金属制品的制造中， 可通过任何合适的方法 ( 例如通过轧制 包覆 ) 将所述包覆金属层施用至所述芯金属层。可通过例如 2007 年 6 月 21 日公布的专利 文件 WO-2007/070731( 特别是在
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段中 ) 中公开的挤出技术制造挤出形式的 包覆金属制品， 该专利文件所公开的内容以引用的方式具体引入本文。
本发明一方面还涉及生产经轧制的包覆金属制品的方法， 所述方法包括 ：
(i) 通过共铸在芯锭块 (core ingot) 的至少一个面上设置包覆层 (cladding)， 以 形成包覆锭块 ； 以及
(ii) 轧制所述包覆锭块， 以生产具有芯金属层和至少一个包覆层的板制品或片制 品。
在 一 个 实 施 方 式 中， 为了在金属层之间产生实质上连续的冶金结合 (metallurgical bond)， 通过向所述包覆层上浇铸所述芯锭块来进行共铸步骤 (i)， 其中所 述包覆金属层的金属的温度处于该金属的固相线温度和液相线温度之间。 这一共铸法和设 备也记载在 2005 年 1 月 20 日公布的美国专利公开号 No.2005/0011630 中 ( 上述专利所公 开的内容以引用的方式具体引入本文 )。
在另一个实施方式中， 通过将所述包覆层以熔融形式向固态 (solid) 的芯锭块上 浇铸来进行共铸步骤 (i)。
本发明另一方面提供了一种焊接结构， 所述焊接结构包含本发明所述的包覆金 属制品和通过焊接操作连接至所述包覆金属层的至少一个铝合金加强元件 (stiffening element)。
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段中 ) 中公开的挤出技术制造挤出形式的 包覆金属制品， 该专利文件所公开的内容以引用的方式具体引入本文。
本发明一方面还涉及生产经轧制的包覆金属制品的方法， 所述方法包括 ：
(i) 通过共铸在芯锭块 (core ingot) 的至少一个面上设置包覆层 (cladding)， 以 形成包覆锭块 ； 以及
(ii) 轧制所述包覆锭块， 以生产具有芯金属层和至少一个包覆层的板制品或片制 品。
在 一 个 实 施 方 式 中， 为了在金属层之间产生实质上连续的冶金结合 (metallurgical bond)， 通过向所述包覆层上浇铸所述芯锭块来进行共铸步骤 (i)， 其中所 述包覆金属层的金属的温度处于该金属的固相线温度和液相线温度之间。 这一共铸法和设 备也记载在 2005 年 1 月 20 日公布的美国专利公开号 No.2005/0011630 中 ( 上述专利所公 开的内容以引用的方式具体引入本文 )。
在另一个实施方式中， 通过将所述包覆层以熔融形式向固态 (solid) 的芯锭块上 浇铸来进行共铸步骤 (i)。
本发明另一方面提供了一种焊接结构， 所述焊接结构包含本发明所述的包覆金 属制品和通过焊接操作连接至所述包覆金属层的至少一个铝合金加强元件 (stiffening element)。
在 一 个 实 施 方 式 中， 本 发 明 涉 及 航 空 器 (aircraft) 的 焊 接 构 件 (welded structural member)， 所述构件包含本发明所述的经轧制的包覆金属制品和至少一个铝合 金加强元件、 优选桁条 (stringer)， 所述铝合金加强元件通过焊接操作 ( 例如通过激光束 焊接或通过摩擦搅拌焊接 ) 连接至所述包覆金属层。
本发明还包括航空器或航天器 (spacecraft)， 其机身 (fuselage) 完全或部分地 由本发明所述的焊接结构构建， 所述焊接结构可整合入所述航空器的各个结构部分。 例如， 可使用所公开的各个实施方式来形成机翼组装件 (wing assembly) 中的结构部分和 / 或尾 翼组装件 (tail assembly) 中的结构部分。 所述航空器通常为商业客机， 包括例如 ： 波音公 司的 737、 747、 757、 767 和 777 商业客机 ； 或空中客车公司的 A320、 A350 和 A380 商业客机。 在替代的实施方式中， 本发明也可被整合入其他类型的飞行器 (flight vehicle) 中。这些
飞行器的实例包括有人驾驶或无人驾驶的军用航空器、 旋翼航空器或甚至弹道式飞行器。 实施例 含有 0.23％ Sc 的 AA5024 系列铝合金的机身片可通过例如激光束焊接的方式连接 至 AlMgSc 桁条元件。所述机身片中的 Sc 水平应该达到熔合区 (fusion zone) 的高 Sc 水 平， 目的是从有利的焊接特性中获益。
根据本发明， 利用含有约 8％ AA5024 包覆层的 AA5024 片芯 (core sheet) 得到了 更有利的焊接结构 ； 其中所述片芯的 Sc 水平为约 0.14％， 从而使机械性能最佳 ； 所述包覆 层的 Sc 水平为约 0.23％， 目的是从相对高的 Sc 含量带来的焊接特性中获益。可通过相同 于与单片机身片 (monolithic fuselage sheet) 进行焊接的方式， 将 AlMgSc 桁条焊接至包 覆层。由 AA5024 合金制成的包覆金属制品 ( 该包覆金属制品的芯金属层和包覆层中含有 不同水平的 Sc) 可通过例如本领域中已知的常规辊压接合 (roll bonding) 进行生产。
虽然已经记载了本发明的优选实施方式和替代实施方式 ( 如上所述 )， 人们仍然 可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出许多改变。因此， 本发明的范围并不局限 于这些优选实施方式和替代实施方式所公开的内容。 而是应该通过参见所附的权利要求书 对本发明从整体上进行确定。
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