CN115768682A - 用于结构性应用的耐腐蚀高强度可焊铝合金 - Google Patents

用于结构性应用的耐腐蚀高强度可焊铝合金 Download PDF

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Abstract

一种新型的7xxx铝合金提供了可量化物理特性的独特组合。该合金通常可描述为不含铜或仅包含少量铜作为杂质的耐腐蚀铝‑锌‑镁基合金。

Description

用于结构性应用的耐腐蚀高强度可焊铝合金
技术领域
本发明总体上涉及铝-锌-镁基合金和制品，更具体地涉及铝-锌-镁-锰-铈-铬-锆-钛基合金和制品，特别适用于装甲军用车辆和需要极高强度和延展性以及具有较高焊后机械性能的优异可焊性和合意的抗应力腐蚀性能的其他结构性应用的压力加工产品。
背景技术
含有锌和镁的铝合金在本领域是已知的。然而，这些现有合金绝大多数都是不可焊接合金，或者，如果可焊接，它们则都是低强度合金。
Fisher等人在美国专利10,301,710中教导了Al-Zn-Mg-Cu合金，其对淬火不敏感。Trenda Gunther等人在美国专利8,491,733中教导了用于高强度合金的Al-Zn-Mg-Cu-Sc合金。Senkov等人在美国专利7,060,139中教导了Al-Zn-Sc-Mg-Cu-Zr-Si合金高强度材料。Higashi等人在美国专利4,713,216中教导了含有稀土元素的Al-Zn-Mg-Cu-Sc合金，以制造耐应力腐蚀的高强度铝合金。Benedictus等人在美国专利10,472,707中教导了含有Sc和其他稀土元素的Al-Zn-Mg-Cu合金，以制造承载低内应力的高强度材料。Mann等人在美国专利申请20200087756中教导了用于高强度铸造制品的Al-Zn-Mg-Ca-Fe-Ni-Ti-Ce-Sc合金。王等人在美国专利申请2012000057841中教导了用于高强度铸造制品的含有稀土元素的Al-Si-Cu-Ni-Fe-Zn-Mg合金。Olando Rio等人在美国专利申请201900885431中教导了用于耐晶间腐蚀高强度材料的含有稀土元素的Al-Zn-Mg-Cu合金。然而，所有现有高强度合金都是不可焊接合金，或者，如果可焊接，它们则都是低强度合金。
本申请涉及一种新的、改进的可焊接且耐腐蚀的高强度铝合金，其代表了本领域中的一项重大进步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀、可焊接、高强度且高延展性的7xxx铝合金。
根据本说明书中所述的目的和益处，一种新的、改进的7xxx铝合金包含以下成分，或由以下成分组成：(a)4.0重量％～8.0重量％的锌；(b)1.5重量％～3.0重量％的镁；(c)0.01重量％～0.8重量％的选自由稀土元素、铈(cerium)、混合稀土金属(misch metal)、镧(lanthanum)、钕(neodymium)、钐(samarium)或其组合组成的群组中的材料；(d)选自由至多1.2重量％的锰、0.01重量％～0.25重量％的钛、至多1.0重量％的锆、至多1.0重量％的铬及其组合组成的群组中的分散体形成元素(dispersoid forming element)；(e)至多1.0重量％的杂质；及(f)作为铝的剩余物。
在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，杂质包括至多0.5重量％的铁。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，杂质包括至多0.5重量％的硅。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，杂质包括小于0.3重量％的铜。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，杂质包括小于0.1重量％的铜。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金不含铜。
在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.8重量％的钪(scandium)。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.3重量％的钪。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金不含钪。
在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.8重量％的镍(nickel)。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.3重量％的镍。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金不含镍。
在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.25重量％的钒(vanadium)。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含小于0.15重量％的钒。在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金不含钒。
在上述7xxx铝合金的诸多可能实施例的至少一个实施例中，该7xxx铝合金包含以下成分，或由以下成分组成：(a)5.0重量％～7.5重量％的锌；(b)1.5重量％～2.6重量％的镁；(c)0.01重量％～1.0重量％的锰；(d)0.01重量％～0.3重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属、镧、钐、钕或其组合组成的群组中的材料；(e)0.01重量％～0.25重量％的钛；(f)至多0.3重量％的锆；及(g)含1.0％或更少杂质的剩余物铝。
该7xxx铝合金还可包含0.1重量％～1.0重量％的铬。该7xxx铝合金可包含0.1重量％～0.5重量％的锰。该7xxx铝合金可包含小于0.3重量％的铜、小于0.1重量％的铜、或者不含铜。该7xxx铝合金可包含小于0.8重量％的钪、小于0.3重量％的钪、或者不含钪。该7xxx铝合金可包含小于0.8重量％的镍、小于0.3重量％的镍、或者不含镍。该7xxx铝合金可包含小于0.25重量％的钒、小于0.15重量％的钒、或者不含钒。
该7xxx铝合金可具有以下特性：(a)根据G4720天内至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力(截至2020年12月1日)；(b)至少65ksi的极限强度；(c)至少60ksi的拉伸屈服强度(tensile yield strength)；(d)根据ASTM B557-15(截至2020年12月1日)至少4％的伸长率；及(e)根据AWS(American Welding Society，美国焊接学会)的建议使用2.54cm标距长度拉伸试样在60度斜面1.27cm板上的焊件测定的至少3.0％伸长率的焊后延展性(postweld ductility)。
根据另一方面，提供一种物质组合物。该物质组合物包含铝、锌和镁合金系或由铝、锌和镁合金系组成，该铝、锌和镁合金系具有为至少3％伸长率的焊后延展性。
该物质组合物还可具有根据G4720天内至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。该物质组合物也可具有至少65ksi的极限强度。该物质组合物还可具有至少60ksi的拉伸屈服强度。该物质组合物也可具有根据ASTM B557-15的拉伸试验结果的至少4％的伸长率。
以下说明中给出了上述7xxx铝合金和物质组合物的几个优选实施例。应当认识到，上述7xxx铝合金和物质组合物可以是其他不同的实施例，并且，它们的若干细节可以在各个不同方面进行修改，所有这些都不脱离权利要求中所述的7xxx铝合金和物质组合物。因此，这些说明应被视为阐述性而非限制性的。
具体实施方式
作为本申请主题的上述新的、改进的7xxx合金和物质组合物提供了可量化物理特性的独特组合，这些物理特性包括极高的强度和延展性、合意的耐应力腐蚀性、以及具有高焊后机械性能的优异焊接性。因此，本发明的新型7xxx铝合金和物质组合物特别适用于用于装甲军用车辆和其他结构性应用的铝合金压力加工产品(wroughtproduct)。
本发明的新型改进7xxx铝合金包含：(a)4.0重量％～8.0重量％的锌；(b)1.5重量％～3.0重量％的镁；(c)0.01重量％～0.8重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属或其组合组成的群组中的材料；(d)选自由至多1.2重量％的锰、0.01重量％～0.25重量％的钛、至多1.0重量％的锆、至多1.0重量％的铬及其组合组成的群组中的分散体形成元素；(e)至多1.0重量％的杂质；及(f)作为铝的剩余物。对于本申请，“混合稀土金属(mischmetal)”是指含有铈(cerium，Ce)、镧(lanthanum，La)、钕(neodymium，Nd)和其他稀土元素的合金。在新型改进7xxx铝合金的一个特别有用的实施例中，稀土元素选自由钇(yttrium，Y)、镨(praseodymium，Pr)、钷(promethium，Pm)、钆(gadolinium，Gd)、铽(terbium，Tb)、镝(dysprosium，Dy)、钬(holmium，Ho)、铒(erbium，Er)、铥(thulium，Tm)、镱(ytterbium，Yb)、镥(lutetium，Lu)及其组合组成的元素群组。
杂质可包括至多0.5重量％的铁和/或至多0.5重量％的硅。在一个或多个实施例中，7xxx铝合金不含铜。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.1重量％的铜作为杂质。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.3重量％作为杂质。
在一个或多个实施例中，7xxx铝合金不含钪。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.3重量％的钪。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.8重量％的钪。
在一个或多个实施例中，7xxx铝合金不含镍。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.3重量％的镍。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.8重量％的镍。
在一个或多个实施例中，7xxx铝合金不含钒。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.15重量％的钒。在其他实施例中，7xxx铝合金包含小于0.25重量％的钒。
在一些实施例中，7xxx铝合金包含0.1重量％～0.5重量％的锰。在一些实施例中，7xxx铝合金包含0.1重量％～1.0重量％的镍。在一些实施例中，7xxx铝合金包含0.1重量％～1.0重量％的铬。在一些实施例中，7xxx铝合金包含这些量的镍和铬。在一些实施例中，7xxx铝合金包含0.1重量％～0.8重量％的钪、0.1重量％～1.0重量％的镍和0.1重量％～1.0重量％的铬。这些实施例中的任一实施例可不含铜，或含有小于0.3重量％的铜作为杂质，或含有小于0.1重量％的铜作为杂质。
这些实施例中的任一实施例可不含钪，或含有小于0.8重量％的钪作为杂质，或含有小于0.3重量％的钪作为杂质。这些实施例中的任一实施例可不含镍，或含有小于0.8重量％的镍作为杂质，或含有小于0.3重量％的镍作为杂质。这些实施例中的任一实施例可不含钒，或含有小于0.25重量％的钒作为杂质，或含有小于0.15重量％的钒作为杂质。
本发明的7xxx铝合金可被描述为由以下成分组成：(a)5.0重量％～7.5重量％的锌；(b)1.5重量％～2.6重量％的镁；(c)0.01重量％～1.0重量％的锰；(d)0.01重量％～0.8重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属或其组合组成的群组中的材料；(e)0.01重量％～0.25重量％的钛；(f)至多0.3重量％的锆；及(g)具有1.0重量％或更少杂质的剩余物铝。在新型改进7xxx铝合金的一个特别有用的实施例中，稀土元素选自由钇(yttrium，Y)、镨(praseodymium，Pr)、钷(promethium，Pm)、钆(gadolinium，Gd)、铽(terbium，Tb)、镝(dysprosium，Dy)、钬(holmium，Ho)、铒(erbium，Er)、铥(thulium，Tm)、镱(ytterbium，Yb)、镥(lutetium，Lu)及其组合组成的元素群组。
在一个可能的实施例中，7xxx铝合金包含至多0.5重量％的钪和至多0.2重量％的锆。
该7xxx铝合金具有为至少3.0％伸长率的焊后延展性。该7xxx铝合金具有根据G4720天内至少为26ksi的抗应力腐蚀开裂能力(截至2020年12月1日)。该7xxx铝合金的极限强度为至少65ksi。该7xxx铝合金的拉伸屈服强度为至少60ksi。该7xxx铝合金具有至少4％的伸长率。此外，应当理解，该7xxx铝合金表现出所有这五个物理特性或特征的组合。物理特征或特性的这种独特组合使得本发明的新型7xxx铝合金特别可用于装甲军用车辆应用、以及要求极高强度和延展性及具有高焊后机械特性的优异可焊性以及合意的耐应力腐蚀性的其他应用。
与上述说明一致，提供一种物质组合物。该物质组合物包含铝、锌和镁合金系或由铝、锌和镁合金系组成，该铝、锌和镁合金系具有为至少3％伸长率的焊后延展性。
该物质组合物还可具有以下特性中的至少一个或多个：(a)根据G4720天内至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力；(b)至少65ksi的极限强度；(c)至少60ksi的拉伸屈服强度；及(d)根据ASTM B557-15至少4％的伸长率。
本发明的7xxx铝合金或物质组合物可被铸成坯料(billet)或锭(ingot)。然后，可对这些坯料或锭进行常规转换技术。例如，这些坯料或锭可在454.4℃(850°F)～493.3℃(920°F)温度下进行均化阶段，然后进行热轧(hotrolling)、锻造(forging)、挤压(extruding)或拉丝(wire drawing)，之后在454.4℃(850°F)～498.8℃(930°F)温度下进行固溶热处理，随后进行淬火和应力消除操作。最后，可进行时效处理(aging treatment)，优选双级时效(two step age)，以获得temper T6产品。
制成的7xxx铝合金或物质组合物可用于生产板材(plate)、片材(sheet)、挤压件(extrusion)和锻件(forgings)，这些材料具有上述材料特性的独特组合。
试验结果
铸造了11个30磅的高强度7xxx合金矩形锭。然后，对这些锭进行常规转换技术，包括：均化阶段；然后，进行热轧；固溶热处理；随后，进行淬火和应力消除操作。最后，进行时效处理，以获得厚度为3.81cm的temper T651产品，进行机械性能测试。焊接试验在1.27cmT651Temper板上进行。
这11块锭的化学成分如下表所示：
1.化学成分(所有数值均为重量％)
合金 Cu Mg Mn Ti Zr Zn Cr Ce Ni
AA7085 1.6 1.8 0 0.02 0.12 7.5 0 0 0
AA7050 2 2.2 0 0.02 0.08 6.3 0 0 0
合金PA1 0.5 2.2 0 0.08 0.08 5.9 0 0 0
合金PA2 0.1 2.3 0.4 0.1 0 6 0.25 0.1 0.3
合金PA3 0 2.2 0.4 0.11 0.1 6.1 0.35 0.2 0
合金PA4 0 2.2 0.35 0.08 0.1 6.3 0 0.1 0.1
合金PA5 0 2.2 0.5 0.1 0 6.4 0.13 0.15混合稀土金属 0
合金PA6 0 2.2 0.5 0.12 0 6.2 0 0.1 0
合金PA7 0 2.3 0.5 0.12 0.03 6.5 0 0.15 0
合金PA8 0 2.5 0.5 0.12 0.11 6.5 0.075 0.075 0
合金PA9 0 2.3 0.3 0.12 0.12 6.3 0.05 0.05 0
2.焊接性试验
第一项试验是进行焊后拉伸测试，以评估合金的焊接性。通过TIG焊接在1.27cm规格板上进行焊接性试验。TIG焊条合金WA1是专为ATI公司的7xxx合金焊接开发的，如下所示：
Figure BDA0003917271970000061
对用WA1合金焊条通过TIG焊焊接的1.27cm厚合金板进行焊后拉伸试验。通过对焊接接头进行重复拉伸试验(duplicate tensile tests)来测试焊接性。为避免斜面焊接接头试样内焊接接头宽度存在较大差异，使用0.3175cm厚×0.635cm宽×2.54cm标距长度的扁平拉伸测试试样在具有60度斜边的1.27cm规格板上对焊件进行拉伸测试。该2.54cm标距长度由焊件的1.27cm与两侧HAZ(HeatAffected Zone，热影响区)的0.635cm组成。
2.A.AA7085的焊接性
AA7085焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 仲长率(％)
7085-T6-LT1 无 无 0
7085-T6-LT2 无 无 0
AA7085焊接接头的焊后拉伸试验显示零延展性。因此，AA7085不可焊接。
2.B.AA7050的焊接性
AA7050焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
7050-T6-LT1 无 无 0
7050-T6-LT2 无 无 0
AA7050焊接接头的焊后拉伸试验显示零延展性。因此，AA7050不可焊接。
2.C.合金PA1的焊接性
为了改进焊接性，对含减少量的Cu的合金PA1进行了测试。合金PA1焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA1-LT1 无 无 0
PA1-LT2 无 无 0
合金PA1焊接接头的焊后拉伸试验显示零延展性。因此，合金PA1不可焊接。
2.D.合金PA2的焊接性
合金PA2焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA2-LT1 50.2 无 14.3
PA2-LT2 50.5 无 13.9
合金PA2焊接接头的焊后拉伸试验显示出14.3％和13.9％伸长率的延展性。因此，合金PA2可焊接。
2.E.合金PA3的焊接性
合金PA3焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA3-LT1 54.1 无 14.9
PA3-LT2 51.7 无 11.3
合金PA3焊接接头的焊后拉伸试验显示出14.9％和11.3％伸长率的延展性。因此，合金PA3可焊接。
2.F.合金PA4的焊接性
焊接合金PA4的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA4-LT1 50.2 无 13.9
PA4-LT2 51.5 无 16.2
合金PA4焊接接头的焊后拉伸试验显示出13.9％和16.2％伸长率的延展性。因此，合金PA4可焊接。
2.G.合金PA5的焊接性
焊接合金PA5的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA5-LT1 52.6 无 13.7
PA5-LT2 53.4 无 14.5
合金P43焊接接头的焊后拉伸试验显示出13.7％和14.5％伸长率的延展性。因此，合金PA5可焊接。
该合金含有混合稀土金属和Cr，而不是铈(Cerium)和Cr。混合稀土金属是一种含有铈(cerium，Ce)、镧(lanthanum，La)、钕(neodymium，Nd)和其他稀土元素的合金。这证明了Ce可用其他稀土元素的组合来代替，并显示出良好的焊接性和抗应力腐蚀(SCC)能力。
2.H.合金PA6的焊接性
合金PA5焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA6-LT1 54.8 无 14.1
PA6-LT2 55 无 12.3
合金PA6焊接接头的焊后拉伸试验显示出14.1％和12.3％伸长率的延展性。因此，合金PA6可焊接。
2.I.合金PA7的焊接性
合金PA7焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA7-LT1 50.2 无 11.8
PA7-LT2 52.5 无 13.6
合金PA7焊接接头的焊后拉伸试验显示出11.8％和13.6％伸长率的延展性。因此，合金PA7可焊接。
2.J.合金PA8的焊接性
合金PA8焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA8-LT1 52.7 无 12.3
PA8-LT2 51.4 无 11.9
合金PA8焊接接头的焊后拉伸试验显示出12.3％和11.9％伸长率的延展性。因此，合金PA8可焊接。
2.K.合金PA9的焊接性
合金PA9焊接接头的焊后拉伸试验结果如下所示：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA7-LT1 50.2 无 11.8
PA7-LT2 52.5 无 13.6
合金PA9焊接接头的焊后拉伸试验显示出12.5％和14.7％伸长率的延展性。因此，合金PA9可焊接。
3.抗应力腐蚀开裂性能(Stress Corrosion Cracking Resistance，SCCR)
对于板规产品(plate gauge product)，抗应力腐蚀开裂性能(SCCR)是决定工程价值的一个非常重要的特征。在这11种合金中，有8种合金可焊接。对于这8种验证了可焊性的合金，根据ASTM G-47在38.1mm板上于26ksi下进行为期20天的SCCR试验。选择26ksi是因为最新开发的AA7085级铝合金根据G-47(截至2020年12月1日)在26ksi下的20天测试被评定为SCCR。
3.A.合金PA2的应力腐蚀开裂试验结果
合金PA2的SCCR试验(根据G-47在26ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 26 11 轻度 不可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 26 12 轻中度 停止试验
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 26 6 轻度 不可接受
所有三个样品都须通过20天测试才能被评定为“合格”。
因此，合金PA2未通过在26ksi下的20天测试期的SCCR试验。
3.B.合金PA3的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
合金PA3的SCCR试验(根据G-47在26ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
所有三个样品都须通过20天测试才能被评定为“合格”。
因此，合金PA3通过了根据G-47在26ksi下的20天测试期的SCCR试验。
3.C.合金PA4的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
合金PA4的SCCR试验(根据G-47在26ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
所有三个样品都须通过20天测试才能被评定为“合格”。
因此，合金PA4通过了根据G-47在26ksi下的20天测试期的SCCR试验。
3.D.合金PA5的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
合金PA5的SCCR试验(根据G-47在26ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
所有三个样品在26ksi下通过20天测试被评定为“合格”。
因此，合金PA5通过了根据G-47在26ksi下的20天测试期的SCCR试验。
该合金含有混合稀土金属和Cr，而不是铈(Cerium)和Cr。混合稀土金属是一种含有铈(cerium，Ce)、镧(lanthanum，La)、钕(neodymium，Nd)和其他稀土元素的合金。这证明了Ce可用其他稀土元素的组合来代替，并显示出良好的抗应力腐蚀开裂性能。
3.E.合金PA6的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
合金PA6的SCCR试验(根据G-47在26ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 26 20 轻度 可接受
所有三个样品在26ksi下通过20天测试被评定为“合格”。
因此，合金PA6通过了根据G-47在26ksi下的20天测试期的SCCR试验。
存在一些顾虑，认为在26ksi应力水平下的抗应力腐蚀开裂(SCCR)性能是太低的试验阈值应力水平。因此，在30ksi应力水平下进行了进一步的试验。
3.F.合金PA7的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
合金PA7的SCCR试验(根据G-47在30ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
所有三个样品在30ksi应力水平下通过20天试验。合金PA7的试验结果显示出良好的抗应力腐蚀开裂(SCCR)性能。然而，合金PA7含有0.15％(重量)的Ce。Ce价格昂贵。因此，含0.15％(重量)的Ce作为合金元素使得该合金价格高昂。期望有更好的方案。
3.G.合金PA8的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
为了在不损失SCCR性能的情况下降低合金的价格，用0.075％(重量)的Ce和0.075％(重量)的Cr来代替0.15％(重量)的Ce。Cr的价格并不高。
合金PA8的SCCR试验(根据G-47在30ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
合金PA8通过根据G-47在30ksi下的20天测试的SCCR试验。
3.H.合金PA9的抗应力腐蚀开裂性能试验结果
为了进一步降低合金的价格，在合金PA9中，用0.05％(重量)的Ce和0.05％(重量)的Cr代替0.075％(重量)的Ce和0.075％(重量)的Cr。
合金PA9的SCCR试验(根据G-47在30ksi下进行20天试验)
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
合金PA9通过根据G-47在30ksi下的20天试验的SCCR试验。
在测试了焊接性和抗应力腐蚀开裂(SCCR)性能的这7种合金中，只有7种合金，即，合金PA3、合金PA4、合金PA5、合金PA6、合金PA7、合金PA8和合金PA9，显示出合意的焊接性和抗应力腐蚀开裂性能。下面将只对这7种合金进行机械性能测试。
4.3.81cm厚板的机械性能
测试3.81cm厚板材的机械性能，其采用了7种具有可接受SCCR的合金：合金PA3、合金PA4、合金PA5、合金PA6、合金PA7、合金PA8和合金PA9。
4.A.合金PA3的机械性能
根据ASTM B557-15(截至2020年12月1日)对3.81cm的PA3合金板进行重复拉伸试验。测试方向为长横向(long transverse，LT)方向。极限强度(UTS)、拉伸屈服应力(TensileYield Stress，TYS)和伸长率如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA3 LT1 69.5 64.6 4.1
合金PA3 LT2 66 61.4 4.4
4.B.合金PA4的机械性能
在LT方向上对3.81cm的合金PA4板进行重复拉伸试验。测试结果如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA4 LT1 70.8 65.6 5
合金PA4 LT2 77.8 66.2 5.5
4.C.合金PA5的机械性能
在LT方向上对3.81cm的合金PA5板进行重复拉伸试验。测试结果如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA5 LT1 70.9 64.9 12
合金PA5 LT2 71 64.7 10
4.D.合金PA6的机械性能
在LT方向上对3.81cm的合金PA6板进行重复拉伸试验。测试结果如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA6 LT1 75.3 70.2 10
合金PA6 LT2 76.4 71.2 10
4.E.合金PA7的机械性能
对3.81cm的PA7合金板进行重复拉伸试验。测试方向为长横向(long transverse，LT)方向。极限抗拉强度(UTS)、拉伸屈服应力(Tensile Yield Stress，TYS)和伸长率如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA7 LT1 75.1 69.4 10
合金PA7 LT2 75.6 70 10
合金PA7的测试结果显示出良好的拉伸性能。
4.F.合金PA8的机械性能
在LT方向上对3.81cm的合金PA8板进行重复拉伸试验。测试结果如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA8 LT1 76.3 70.3 11.5
合金PA8 LT2 78.1 72.3 9
合金PA8的测试结果显示出良好的拉伸性能。
4.G.合金PA9的机械性能
在LT方向上对3.81cm的合金PA9板进行重复拉伸试验。测试结果如下：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA9 LT1 76.9 71.4 11.5
合金PA9 LT2 76.6 70.9 9.5
合金PA9的测试结果显示出良好的拉伸性能。
5.本发明的合金PA9的最优选实施例的试验结果汇总
5.A.合金PA9的化学成分：
合金 Cu Mg Mn Ti Zr Zn Cr Ce Ni
合金PA9 0 2.3 0.3 0.12 0.12 6.3 0.05 0.05 0
剩余物是铝和诸如Fe、Si等杂质。
5.B.合金PA9的焊后拉伸性能：
合金 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
PA9-LT1 52.6 无 12.5
PA9-LT2 53.1 无 14.7
5.C.合金PA9的抗应力腐蚀开裂性能(根据G47在30ksi下进行20天试验)：
样品 位置 模量 定向 大小(英寸) 应力(ksi) 持续时间(天) 点蚀评级 处置
SCC-1 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-2 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
SCC-3 T/2 10.3 ST 0.125 30 20 轻度 可接受
5.D.合金PA9的机械性能：
合金 方向 UTS(ksi) TYS(ksi) 伸长率(％)
合金PA9 LT1 76.9 71.4 11.5
合金PA9 LT2 76.6 70.9 9.5
本公开可被视为涉及以下各项：
1.一种7xxx铝合金，其包含：
4.0重量％～8.0重量％的锌；
1.5重量％～3.0重量％的镁；
0.01重量％～0.8重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属、镧、钕、钐或其组合组成的群组中的材料；
选自由至多1.2重量％的锰、0.01重量％～0.25重量％的钛、至多1.0重量％的锆、至多1.0重量％的铬及其组合组成的群组中的分散体形成元素；
至多1.0重量％的杂质；及
作为铝的剩余物。
2.根据第1项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括至多0.5重量％的铁。
3.根据第1项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括至多0.5重量％的硅。
4.根据第1项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括小于0.3重量％的铜。
5.根据第1项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括小于0.1重量％的铜。
6.根据第1项所述的7xxx铝合金，其不含铜。
7.根据第1项所述的7xxx铝合金，其中，所述稀土元素选自由钇、镨、钷、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及其组合组成的群组。
8.根据第1-7项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.8重量％的钪。
9.根据第1-7项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.3重量％的钪。
10.根据第1-7项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含钪。
11.根据第1-10项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.8重量％的镍。
12.根据第1-10项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.3重量％的镍。
13.根据第1-10项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含镍。
14.根据第1-13项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.25重量％的钒。
15.根据第1-13项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.15重量％的钒。
16.根据第1-13项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含钒。
17.一种7xxx铝合金，其由以下成分组成：
5.0重量％～7.5重量％的锌；
1.5重量％～2.6重量％的镁；
0.01重量％～1.0重量％的锰；
0.01重量％～0.3重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属、镧、钕、钐或其组合组成的群组中的材料；
0.01重量％～0.25重量％的钛；
至多0.3重量％的锆；
至多1重量％的杂质；及
作为铝的剩余物。
18.根据第17项所述的7xxx铝合金，其中，所述稀土元素选自由钇、镨、钷、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及其组合组成的群组。
19.根据第17项所述的7xxx铝合金，其还包含0.1重量％～1.0重量％的铬。
20.根据第17-19项所述的7xxx铝合金，其含有0.1重量％～0.5重量％的锰。
21.根据第17-20项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括小于0.3重量％的铜。
22.根据第17-20项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述杂质包括小于0.1重量％的铜。
23.根据第17-20项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含铜。
24.根据第17-23项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.8重量％的钪。
25.根据第17-23项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.3重量％的钪。
26.根据第17-23项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含钪。
27.根据第17-26项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.8重量％的镍。
28.根据第17-26项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.3重量％的镍。
29.根据第17-26项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含镍。
30.根据第17-29项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.25重量％的钒。
31.根据第17-29项中任一项所述的7xxx铝合金，其包含小于0.15重量％的钒。
32.根据第17-29项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金不含钒。
33.根据第17项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有为至少3.0％伸长率的焊后延展性。
34.根据第33项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有根据G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
35.根据第34项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有至少65ksi的极限强度。
36.根据第35项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
37.根据第36项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有至少4％的伸长率。
38.根据第17项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有根据截至2020年12月1日的G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
39.根据第17-32项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有至少65ksi的极限强度。
40.根据第17-32项中任一项所述的7xxx铝合金，其中，所述7xxx铝合金具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
41.根据第17-32项中任一项所述的7xxx铝合金系，其中，所述7xxx铝合金具有至少4％的伸长率。
42.一种物质组合物，其包含铝、锌和镁合金系，所述铝、锌和镁合金系具有为至少3％伸长率的焊后延展性。
43.根据第42项所述的物质组合物，其还具有根据G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
44.根据第43项所述的物质组合物，其还具有至少65ksi的极限强度。
45.根据第44项所述的物质组合物，其还具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
46.根据第45项所述的物质组合物，其还具有至少4％的伸长率。
47.根据第42项所述的物质组合物，其还具有至少65ksi的极限强度。
48.根据第42项所述的物质组合物，其还具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
49.根据第42项所述的物质组合物，其还具有至少4％的伸长率。
50.根据第42项所述的物质组合物，其还包含小于0.3重量％的铜。
51.根据第42项所述的物质组合物，其还包含小于0.1重量％的铜。
52.根据第42项所述的物质组合物不含铜。
如本文所用的以下术语中的任一个：“包括”、“具有”、“含有”和“包含”以及它们的语言/语法变体、派生词或/和共轭词，是指“包括，但不限于”，并被认为指定了所述的成分、特征、特性、参数、完整体或步骤，并且不排除添加一个或多个额外的成分、特征、特性、参数、完整体、步骤或其群组。这些术语中的每一个都被认为在含义上等同于短语“基本上由……组成”。如本文所用的短语“由……组成”表示“包括且限于”。短语“基本上由……组成”是指所述实体或项目(***、***单元、***子单元设备、组件、子组件、机构、结构、组件元素或***设备实用程序、附件或材料、方法或过程、步骤或程序、子步骤或子程序)(其是所公开的发明的示例性实施例的全部或部分，或/和，其是用于实现所公开发明的示例性实施例)可包括至少一个额外的特征，这至少一个额外的特征是***、单元***、子单元设备、组件、子组件、机构、结构、部件或元件或***设备实用程序、附件或材料、步骤或程序、子步骤或子程序，但前提是每个此类额外特征不会实质性地改变要求保护的项目的基本新颖和创造性特征或特定技术特征。
如本文所用的近似术语，例如，“约”、“基本上”、“大约”等，是指所述数值的±10％。
出于说明和描述的目的给出了前述内容。不旨在穷举或将实施例限制为所公开的精确形式。根据上述教导可进行明显的修改和变化。当根据权利要求公平、合法和公正地享有的范围进行解释时，所有此类修改和变化均在权利要求的范围内。

Claims (52)

1.一种7xxx铝合金，其特征在于，其包含：
4.0重量％～8.0重量％的锌；
1.5重量％～3.0重量％的镁；
0.01重量％～0.8重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属、镧、钕、钐或其组合组成的群组中的材料；
选自由至多1.2重量％的锰、0.01重量％～0.25重量％的钛、至多1.0重量％的锆、至多1.0重量％的铬及其组合组成的群组中的分散体形成元素；
至多1.0重量％的杂质；及
作为铝的剩余物。
2.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括至多0.5重量％的铁。
3.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括至多0.5重量％的硅。
4.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括小于0.3重量％的铜。
5.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括小于0.1重量％的铜。
6.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，其不含铜。
7.根据权利要求1所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述稀土元素选自由钇、镨、钷、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及其组合组成的群组。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.8重量％的钪。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.3重量％的钪。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含钪。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.8重量％的镍。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.3重量％的镍。
13.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含镍。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.25重量％的钒。
15.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.15重量％的钒。
16.根据权利要求1-7中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含钒。
17.一种7xxx铝合金，其特征在于，其由以下成分组成：
5.0重量％～7.5重量％的锌；
1.5重量％～2.6重量％的镁；
0.01重量％～1.0重量％的锰；
0.01重量％～0.3重量％的选自由稀土元素、铈、混合稀土金属、镧、钕、钐或其组合组成的群组中的材料；
0.01重量％～0.25重量％的钛；
至多0.3重量％的锆；
至多1重量％的杂质；及
作为铝的剩余物。
18.根据权利要求17所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述稀土元素选自由钇、镨、钷、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及其组合组成的群组。
19.根据权利要求17或18所述的7xxx铝合金，其特征在于，其还包含0.1重量％～1.0重量％的铬。
20.根据权利要求17-19所述的7xxx铝合金，其特征在于，其含有0.1重量％～0.5重量％的锰。
21.根据权利要求17-19所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括小于0.3重量％的铜。
22.根据权利要求17-19所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述杂质包括小于0.1重量％的铜。
23.根据权利要求17-19所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含铜。
24.根据权利要求17-19所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.8重量％的钪。
25.根据权利要求17-19中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.3重量％的钪。
26.根据权利要求17-19中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含钪。
27.根据权利要求17-19中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.8重量％的镍。
28.根据权利要求17-19中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.3重量％的镍。
29.根据权利要求17-19中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含镍。
30.根据权利要求17-19、权利要求16或17中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.25重量％的钒。
31.根据权利要求17-19、权利要求16或17中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，其包含小于0.15重量％的钒。
32.根据权利要求17-19、权利要求16或17中任一项所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金不含钒。
33.根据权利要求17所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有为至少3.0％伸长率的焊后延展性。
34.根据权利要求33所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有根据G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
35.根据权利要求34所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少65ksi的极限强度。
36.根据权利要求35所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
37.根据权利要求36所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少4％的伸长率。
38.根据权利要求17所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有根据截至2020年12月1日的G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
39.根据权利要求17所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少65ksi的极限强度。
40.根据权利要求17所述的7xxx铝合金，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
41.根据权利要求17所述的7xxx铝合金系，其特征在于，所述7xxx铝合金具有至少4％的伸长率。
42.一种物质组合物，其特征在于，其包含铝、锌和镁合金系，所述铝、锌和镁合金系具有为至少3％伸长率的焊后延展性。
43.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还具有根据G4720天内为至少26ksi的抗应力腐蚀开裂能力。
44.根据权利要求43所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少65ksi的极限强度。
45.根据权利要求44所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
46.根据权利要求45所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少4％的伸长率。
47.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少65ksi的极限强度。
48.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少60ksi的拉伸屈服强度。
49.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还具有至少4％的伸长率。
50.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还包含小于0.3重量％的铜。
51.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其还包含小于0.1重量％的铜。
52.根据权利要求42所述的物质组合物，其特征在于，其不含铜。
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