[发明专利]制造在工程性质上具有梯度的锻造金属板产品的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种制造在工程性质上具有梯度的锻造金属板产品的方 法，以及用于分级热处理锻造金属板产品的设备。本发明尤其应用于制造 滚轧的薄板和尤其为加工、装甲板以及更特别地还用于航空结构部件如翼 盒的板应用。

相关技术说明

如本文以下要理解的，除另外说明，铝合金牌号和状态标号是指于 2007年由铝协会颁布的“铝标准和数据及登记备案”中的铝业协会号。

航空结构(例如翼盒)由许多不同的部件构成，对于所述部件要求具 有不同的性质。例如，上翼蒙皮需要比下翼蒙皮高的抗压强度，并且因此 通常由不同的铝合金制造而成。对于连接上翼蒙皮和下翼蒙皮的翼梁器件 而言，通常选择在上翼蒙皮和下翼蒙皮之间的中等性质的铝合金。例如， 一些商业飞机将AA7150用于上翼蒙皮，AA2024用于下翼蒙皮，而AA7050 用于前翼梁器件。然而，这意味着前翼梁与其结合的下翼蒙皮之间的机械 性能的差异是可观的。

因此，制造者已力争生产在其长度或宽度上具有分级性质的产品。例 如，上述问题的充分解决办法会是在翼梁和翼肋的顶部和底部具有与上翼 蒙皮和下翼蒙皮基本相同的性质。

飞机制造者所面对的另一个问题为关于翼长度的分级性质的要求，即 从翼根到翼梢。在翼根处，所需的性质为疲劳容限和破坏容限，而在翼梢 处需要静力强度。再一次地，该问题可以通过提供沿长度或宽度分别具有 分级性质和可变性质的铝合金制成的结构器件来全部地或部分地解决。

如ASM专业手册，铝和铝合金，ASM国际，p.5(1993)中所解释的， 可热处理的铝合金为对基于相溶解性的热处理有反应的合金。这些处理包 括固溶热处理、淬火、和沉淀、或老化、硬化。对于铸造或锻造的合金而 言，这样的金属被描述成可热处理的。可热处理的金属是可以通过受控的 加热和冷却循环来硬化(强化)的那些。AA2xxx、AA6xxx、AA7xxx和 AA8xxx系列中的一些合金是可固溶热处理的，使得它们可以通过加热和 随后的淬火或迅速地冷却而被强化。它们可以通过在室温下由冷加工控制 的变形来进一步强化。

相反地，大量其它的锻造组成替代地依赖于通过机械降低(mechanical reduction)的硬加工，通常为了性质的改进而与各种退火工艺相组合。如 ASM专业手册，铝和铝合金，ASM国际，p.5(1993)中所解释的，这些 合金被称作不可热处理的或硬加工的合金。一些铸造的合金基本不可热处 理且仅被用于与溶液或沉淀作用无关的铸造或热改性的条件中。因此，不 可热处理的铝合金通过冷加工而不通过热处理来硬化。这些合金(通常为 AA1xxx、AA3xxx、AA4xxx和AA5xxx系列)的初始强度通过其合金元 素的硬化作用来提供。额外的强化可以通过诱导表示为H-状态的应变-硬 化的冷加工变形来建立。

固溶热处理的热处理过程包括步骤：(a)在高于固溶温度(对于具体 合金组成而言)且低于固线和液线温度(对于所述合金组成)和低共熔点 (以避免金属的部分熔融)的第一温度来进行固溶热处理以在铝中溶解合 金组分，和(b)在铝固溶体中，迅速冷却到低于固溶温度的第二温度以 在铝固溶体中捕获组分。在步骤(a)中，将合金在第一温度下保持足以 将至少基本上(如果不是全部)的可溶组分(例如金属间化合物)溶解进 固溶体并且足以形成均匀的固溶体的时间。通过固溶化，至少基本上全部 (例如，至少大约80％且更通常为至少大约95％)可溶第二相微粒被溶解 进入到固溶体中。当合金为固溶体的形式时，形成合金的元素和化合物以 与将盐溶解于一杯水的非常相同的方式被吸收，一种进入另一种(或为均 匀的)。然后将固溶体淬火至较低的温度以产生过饱和状态或情况(对于 经淬火的合金中的组分的形式)。换句话说，合金中组分的形式具有在固 溶体中高于在特定温度和合金组成下那种形式的该组分的浓度平衡值的 浓度。

在淀析热处理或老化处理中，将合金加热到高于第二温度并低于固溶 温度的第三温度以控制组分扩散出溶液并组合以形成金属间沉淀的速率。 这些沉淀将晶格扭曲并充当位错运动的阻碍的角色，从而使材料强化。随 着时间的推移，这些沉淀的尺寸增大，从区(a)到铝原子和合金组分原 子的小团簇(b)，到细致的共格粒子(coherent particles)(c)，再到粗糙 的非共格粒子(d)。