HOCHSCHADENSTOERANTES ALUMINIUMLEGIERUNGSPRODUKT IM BESONDEREN FÜR LUFT- UND RAUMFAHRTANENDUNGHN
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, im Besonderen einen Al-Cu-Mg-Typ (oder Aluminiumlegierungen der Serie 2000 nach der Bezeichnung durch die Aluminium Association) . Spezifischer betrifft die vorliegende Erfindung eine aushärtbare, hochfeste, hoch bruchzähe Aluminiumlegierung mit geringer Risswachstumsausbreitung und Produkte, die aus dieser Legierung hergestellt sind. Produkte, die aus dieser Legierung hergestellt sind, sind sehr geeignet für Luft- und Raumfahrtanwendungen, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Die Legierung kann zu verschiedenen Produktformen (z. B. Blech, dünne Platte, dicke Platte oder extrudierte oder geschmiedete Produkte) verarbeitet werden.
Die Aluminiumlegierung kann unbeschichtet oder beschichtet oder mit einer anderen Aluminiumlegierung plattiert sein, um die Eigenschaften, wie zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit, noch weiter zu verbessern. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Konstrukteure und Hersteller in der Luft- und Raumfahrtindustrie versuchen ständig, die Kraftstoffeffizienz und Produktleistung zu verbessern, und versuchen ständig, die Her-*stell- und Wartungskosten zu senken. Effizienz kann durch weitere Gewichtsreduzierung verbessert werden. Eine Art, dies zu erreichen, besteht darin, die relevanten Materialeigenschaften zu verbessern, so dass die Struktur, die aus dieser Legierung hergestellt wird, effektiver konstruiert werden kann oder insgesamt eine bessere Leistung aufweist.
Durch Aufweisen von besseren Materialeigenschaften können ausserdem die Wartungskosten durch längere Inspektionsintervalle des Flugzeugs signifikant reduziert werden. Unterflügelplatten werden typischerweise aus AA2324 in der T39-Vergütung hergestellt. Für Rumpf ussenhaut wurde typischerweise AA2Q24 in der T351-Vergü ung verwendet. Dies kommt daher, weil diese Legierungen in dieser Vergütung die geforderten Materialeigenschaften unter Zugbelastung aufwiesen, d. h. akzeptable Festigkeitsniveaus, hohe Zähigkeit und geringe Risswachstumsausbreitung. Heutzutage werden neue effizientere Flugzeuge konstruiert, was zu dem Wunsch nach verbesserten Materialeigenschaften führt.
US-5.652.063 offenbart eine Legierung der Serie AA2000 mit einem Cu/Mg-Verhältnis zwischen 5 und 9 und einer Festigkeit von mehr als 531 MPa.
Die Legierung kann sowohl für Unterflügelplatte als auch für Rumpfaussenhaut verwendet werden. Diese Legierung ist im Besonderen für Überschallflugzeuge bestimmt.
US-5.593.516 offenbart eine Legierung der Serie AA2000, wobei die Niveaus von Kupfer (Cu) und Magnesium (Mg) vorzugsweise unter der Lösli[sigma]hkeitsgrenze gehalten werden. Vorzugsweise [Cu] = 5 , 2 - 0, 91 [Mg] . In US-5.376.192 und US-5. 512. 112, die aus derselben ursprünglichen US-Patentanmeldung stammen, wurde das Hinzufügen von Silber (Ag) -Niveaus von 0, 1 bis 1, 0 Gew . -% offenbart .
US-Patentanmeldung US2001/006082 offenbart eine Legierung der Serie AA2000, die besonders für den Unterflügel geeignet ist und keine Dispersoid bildenden Elemente wie Zr, Cr oder V aufweist .
Es wird ausserdem angegeben, dass die Vorteile durch ein verbindliches Cu/Mg-Verhältnis von mehr als 10 erreicht werden.
Bei neukonstruierten Flugzeugen besteht ein Wunsch nach noch besseren Eigenschaften als sie die oben beschriebenen Legierungen aufweisen, um kosten- und umwelteffektivere Flugzeuge zu konstruieren.
Entsprechend besteht ein Bedarf für eine Aluminiumlegierung, die die verbesserte korrekte Eigenschaftsausgewogenheit in der relevanten Produktform erreichen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geschmiedetes Aluminiumlegierungsprodukt bereitzustellen, das im Besonderen für die Anwendung in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist, innerhalb der Legierungen der Serie AA2000 liegt und eine Ausgewogenheit von hoher Festigkeit und Bruchzähigkeit und hoher Ermüdungsfestigkeit und niedriger Erüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit aufweist, die wenigstens mit denj enigen von AA2024-HDT vergleichbar ist .
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen geschmiedeten Aluminiumlegierungsprodukts bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung der Serie ÄA2000 mit der Fähigkeit, eine Eigenschaftsausgewogenheit bei einem relevanten Produkt zu erreichen, die besser ist als die Eigenschaftsausgewogenheit der Vielfalt von handelsüblichen Aluminiumlegierungen der Serie AA2000, die heutzutage für diese Produkte verwendet werden, oder von Aluminium AA2000, das bisher offenbart wurde.
Die Aufgabe wird erfüllt durch Bereitstellen einer bevorzugten Zusammensetzung für die Legierung der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen aus Folgendem besteht (in Gew.-%) :
0,3 bis 1,0 % Magnesium (Mg), 4,4 bis 5,5 % Kupfer (Cu) , 0 bis 0,20 % Eisen (Fe) , 0 bis 0,20 % Silicium (Si) , 0 bis 0,40 % Zink (Zn) und Mn in einem Bereich von 0,15 bis 0,8 als Dispersoide bildendes Element in Verbindung mit einem oder mehreren Dispersoide bildenden Elementen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
(Zr, Sc, Cr, Hf, Ag, Ti, V) in den Bereichen von: 0 bis 0,5 % Zirkonium, 0 bis 0,7 % Scandium, 0 bis 0,4 % Chrom, 0 bis 0,3 % Hafnium, 0 bis 0,4 % Titan, 0 bis 1,0 % Silber, wobei der Rest aus Aluminium und anderen unwesentlichen Elementen besteht und wobei eine Begrenzung des Cu-Mg-Gehalts besteht, so dass:
-1,1 [Mg] + 5,38 <= [Cu] <= 5,5.
Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Bereiche von Cu und Mg so gewählt, dass:
Cu 4,4 bis 5,5
Mg 0,35 bis 0,78 und wobei -1,1 [Mg] + 5,38 <= [Cu] <= 5,5.
Bei einer stärker bevorzugten Ausführung sind die Bereiche von Cu und Mg so gewählt, dass:
Cu 4,4 bis 5,35
Mg 0,45 bis 0,75 und wobei -0,33 [Mg] + 5,15 <= [Cu] <= 5,35.
Bei einer stärker bevorzugten Ausführung sind die Bereiche von Cu und Mg so gewählt, dass:
Cu 4,4 bis 5,5 und bevorzugter 4,4 bis 5,35,
Mg 0,45 bis 0,75 und wobei -0,9 [Mg] + 5,58 <= [Cu] <= 5,5 und bevorzugter -0,90 [Mg] + 5,60 <= [Cu] <= 5,35.
Zu unserer grossen Überraschung stellten wir fest, dass die Dispersoid bildenden Elemente für die Eigenschaftsausgewogenheit so kritisch sind wie die Cu- und Mg-Niveaus für sich selbst. Zn kann in der Legierung dieser Erfindung vorhanden sein.
Um optimierte Eigenschaften zu erhalten, müssen die Mn-Niveaus sehr sorgfältig in Bezug auf das AgNiveau ausgewählt werden. Wenn Ag in der Legierung vorhanden ist, sollte das Mn-Niveau nicht zu hoch, vorzugsweise unter 0,4 Gew.-%, sein. Zr sollte ebenfalls nicht zu hoch sein. Wir haben festgestellt, dass Cr, von dem angenommen wird, dass es eine negative Wirkung auf die Eigenschaftsausgewogenheit hat, tatsächlich eine positive Wirkung hat, aber dann ist vorzugsweise kein Zr in der Legierung vorhanden. Wenn diese Dispersoidwirkung berücksichtigt wird, unterscheiden sich die optimierten Cu- und Mg-Niveaus von dem, was bisher verwendet wurde. Überraschenderweise zeigt die Eigenschaftsausgewogenheit der vorliegenden Legierung eine bessere Leistung als die bestehenden Legierungen.
Eisen kann in einem Bereich von bis zu 0,20 % vorhanden sein und wird vorzugsweise bei maximal 0,10 % gehalten. Ein typischerweise bevorzugtes Eisenniveau läge in dem Bereich von 0,03 bis 0,08 %.
Silicium kann in einem Bereich von bis zu 0,20 % vorhanden sein und wird vorzugsweise bei maximal 0,10 % gehalten. Ein typischerweise bevorzugtes Siliciumniveau wäre so niedrig wie möglich und läge aus praktischen Gründen in einem Bereich von 0,02 bis 0,07 %.
Zink kann in der Legierung nach der Erfindung in einer Menge von bis zu 0,40 % vorhanden sein.
Stärker zu bevorzugen ist, dass es in einem Bereich von 0,10 bis 0,25 % vorhanden ist.
Verunreinigungselemente und unwesentliche Elemente können nach den Standard-AA-Regeln vorhanden sein, nämlich jeweils bis zu 0,05 %, insgesamt 0,15 %.
Für den Zweck dieser Erfindung meinen wir mit "im Wesentlichen frei und "in hohem Masse frei", dass kein vorsätzliches Hinzufügen eines solchen Legierungselements zu der Zusammensetzung erfolgt ist, dass jedoch auf Grund von Verunreinigungen und/oder Auslaugung durch Kontakt mit Herstellungsausrüstung Spurenmengen solchen Elements dennoch ihren Weg in das Legierungsendprodukt finden können.
Mn-Zusatz ist bei der Legierung nach der Erfindung als Dispersoid bildendes Element wichtig und sollte in einem Bereich von 0,15 bis 0,8 % liegen. Ein bevorzugtes Maximum für den Mn-Zusatz beträgt weniger als 0,40 %.
Ein geeigneterer Bereich für den Mn-Zusatz liegt in dem Bereich von 0,15 bis < 0,40 % und bevorzugter von 0,20 bis 0,35 % und am bevorzugtesten von 0,25 bis 0,35 %. Bei Hinzufügen sollte der Zr-Zusatz 0,5 % nicht überschreiten. Ein bevorzugtes Maximum für das Zr-Niveau ist 0,18 %. Und ein geeigneterer Bereich des Zr-Niveaus ist ein Bereich von 0,06 bis 0,15 %.
Bei einer Ausführung ist die Legierung in hohem Masse oder im Wesentlichen Zr-frei, aber würde in diesem Fall Cr und typischerweise Cr in einem Bereich von 0,05 bis 0,30 % und vorzugsweise in einem Bereich von 0,06 bis 0,15 % enthalten.
Bei Hinzufügen sollte der Ag-Zusatz 1,0 % nicht überschreiten und eine bevorzugte untere Grenze ist 0,1 %. Ein bevorzugter Bereich für den Ag-Zusatz ist 0,20 bis 0,8 %.
Ein geeigneterer Bereich für den Ag-Zusatz liegt in dem Bereich von 0,20 bis 0,60 % und bevorzugter von 0,25 bis 0,50 % und am bevorzugtesten in einem Bereich von 0,32 bis 0,48 %.
Des Weiteren können die Dispersoide bildenden Elemente Sc, Hf, Ti und V in den vorgegebenen Bereichen verwendet werden. Bei einer bevorzugteren Ausführung ist das Legierungsprodukt nach der Erfindung in hohem Masse oder im Wesentlichen frei von V, z. B. bei Niveaus von < 0,005 % und bevorzugter abwesend.
Ti kann ausserdem zum Erreichen einer Kornfeinungswirkung beim Giessvorgang mit Niveaus, die auf dem Gebiet bekannt sind, hinzugefügt werden.
Bei einer bestimmten Ausführung des geschmiedeten Legierungsprodukts nach dieser Erfindung besteht die Legierung im Wesentlichen aus (in Gew.^%) :
Mg 0,45 bis 0,75 und typischerweise ungefähr 0,58 Cu 4,5 bis 5,35 und typischerweise ungefähr 5,12 Zr 0,0 bis 0,18 und typischerweise ungefähr 0,14 <[phi]>[phi][phi][phi] [phi] [phi][phi] [phi]
8
Mn 0,15 bis 0,40 und typischerweise ungefähr 0,3
Ag 0,20 bis 0,50 und typischerweise ungefähr 0,4
Zn 0 bis 0,25 und typischerweise ungefähr 0,12
Si < 0,07 und typischerweise ungefähr 0,04
Fe < 0,08 und typischerweise ungefähr 0,06
Ti < 0,02 und typischerweise ungefähr 0,01,
Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Bei einer anderen bestimmten Ausführung des geschmiedeten Legierungsprodukts nach dieser Erfindung besteht die Legierung im Wesentlichen aus (in Gew.-%):
Mg 0,45 bis 0,75 und typischerweise ungefähr 0,62
Cu 4,5 bis 5,35 und typischerweise ungefähr 5,1 im Wesentlichen Zr-frei und typischerweise weniger als 0,01
Cr 0,05 bis 0,28 und typischerweise ungefähr 0,12
Mn 0,15 bis 0,40 und typischerweise ungefähr 0,3
Ag 0,20 bis 0,50 und typischerweise ungefähr 0,4
Zn 0 bis 0,25 und typischerweise ungefähr 0,2
Si < 0,07 und typischerweise ungefähr 0,04
Fe < 0,08 und typischerweise ungefähr 0,06
Ti < 0,02 und typischerweise ungefähr 0,01,
Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Bei einer anderen bestimmten Ausführung des geschmiedeten Legierungsprodukts nach dieser Erfindung wird das Produkt vorzugsweise zu einer T8 Vergütung verarbeitet und die Legierung besteht im Wesentlichen aus (in Gew.-%): Mg 0,65 bis 1,1 und typischerweise ungefähr 0,98 Cu 4,5 bis 5,35 und typischerweise ungefähr 4,8 Zr 0,0 bis 0,18 und typischerweise ungefähr 0,14 Mn 0,15 bis 0,40 und typischerweise 0,3 Ag 0,20 bis 0,50 und typischerweise 0,4 Zn 0 bis 0,25 und typischerweise ungefähr 0,2 [phi] [phi][phi][phi] [phi] [phi][phi] [phi]
Si < 0,07 und typischerweise ungefähr 0,04 Fe < 0,08 und typischerweise ungefähr 0,06 Ti < 0,02 und typischerweise ungefähr 0,01,
Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Legierung nach der Erfindung kann durch herkömmliches Schmelzen angefertigt werden und kann zu geeigneter Blockform gegossen werden, wie z. B. mittels Direkthartgiessen. Ausserdem können Kornfeiner auf Ti-Basis, wie zum Beispiel Titanborid oder Titancarbid, verwendet werden. Nach dem Schälen und möglichen Homogenisieren werden die Blöcke durch zum Beispiel Extrusion oder Schmieden oder Warmwalzen in einer oder mehreren Stufen weiterverarbeitet. Diese Verarbeitung kann für ein Zwischenglühen unterbrochen werden. Weiteres Verarbeiten kann Kaltumformen sein, das Kaltwalzen oder Strecken sein kann. Das Produkt wird lösungsglühbehandelt und durch Tauchen in oder Besprühen mit kaltem Wasser oder schnelles Abkühlen auf eine Temperatur unter 95<Ö>C abgeschreckt.
Das Produkt kann weiter verarbeitet werden, zum Beispiel durch Walzen oder Strecken, zum Beispiel bis zu 12 %, oder kann durch Strecken oder Pressen entspannt werden und/oder zu einer End- oder Zwische Vergütung gealtert werden. Das Produkt kann vor oder nach dem abschliessenden Altern oder sogar vor der Lösungsglühbehandlung zu der End- oder Zwischenstruktur geformt oder bearbeitet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Konstruktion handelsüblicher Luftfahrzeuge erfordert unterschiedliche Sätze von Eigenschaften für unterschiedliche Arten von Strukturteilen. Die wichtigen Materialeigenschaften für ein Rumpfblechprodukt sind die Schadenstoleranzeigen Schäften unter Zugbelastungen (d. h.
Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit, Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit) .
Die wichtigen Materialeigenschaften für eine Unterflügelaussenhaut bei einem handelsüblichen HochleistungsDüsenluftfahrzeug sind denen für ein Rumpfblechprodukt ähnlich, jedoch wird von den Luftfahrzeugherstellern typischerweise eine höhere Zugfestigkeit gewünscht. Ausserdem wird die Ermüdungsgrenze zu einer wichtigen Materialeigenschaft bei dieser Anwendung.
Die wichtigen Materialeigenschaften für gefertigte Teile aus dicker Platte hängen von dem endbearbeiteten Teil ab.
Aber im Allgemeinen muss der Gradient bei Materialeigenschaften durch Dicke sehr klein sein und die Konstruktionseigen<=chaften wie Festigkeit, Bruchzähigkeit, Ermüdung und Korrosionsbeständigkeit müssen ein hohes Niveau aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierungszusammensetzung, die bei Verarbeitung zu einer Vielfalt von Produkten wie Blech, Platte, dicke Platte usw., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die derzeit gewünschten Materialeigenschaften erfüllt oder übertrifft. Die Eigenschaftsausgewogenheit des Produkts weist eine höhere Leistung auf als die Eigenschaftsausgewogenheit des Produkts, das aus derzeit handelsüblich verwendeten Legierungen für diese Art von Verwendung hergestellt ist, im Besonderen diejenigen von standardmässigem AA2024 und AA2024-HDT.
Es wurde sehr überraschend ein bisher unentdecktes Chemiefenster innerhalb des AA2000-Fensters festgestellt, das diese einzigartige Fähigkeit erfüllt. Die vorliegende Erfindung resultierte aus einer Untersuchung zu der Wirkung von Dispersoidniveaus und -arten (z. B. zr, Cr, Sc, Mn) und in Verbindung mit Cu und Mg auf die Phasen und die MikroStruktur, die während der Verarbeitung gebildet wird. Manche dieser Legierungen wurden zu Blech und Platte verarbeitet und auf Zugfestigkeit, Kahn-Reisszähigkeit und Korrosionsbeständigkeit geprüft.
Auswertungen dieser Ergebnisse führen zu der überraschenden Erkenntnis, dass eine Aluminiumlegierung, die mit einer chemischen Zusammensetzung innerhalb eines bestimmten Fensters produziert wurde, sowohl bei Blech als auch bei Platte als auch bei dicker Platte als auch bei Extrusionen als auch bei Schmiedestücken ausgezeichnete Schadenstoleranzeigenschaften aufweist, wodurch sie ein Mehrzweck-Legierungsprodukt sein kann. Das Legierungsprodukt besitzt ausserdem gute Schweissbarkeitseigenschaften.
Die Erfindung besteht ausserdem darin, dass das geschmiedete Legierungsprodukt dieser Erfindung auf einer oder beiden Seiten mit einer Plattierung oder Beschi[sigma]htung ausgestattet sein kann.
Solche plattierten oder beschichteten Produkte verwenden einen Kern aus der Aluminiumbasislegierung der Erfindung und eine Plattierung von normalerweise höherer Reinheit, die im Besonderen den Kern vor Korrosion schützt, was von besonderem Vorteil bei Luft- und Raumfahrtanwendungen ist. Die Plattierung enthält, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, im Wesentlichen unlegiertes Aluminium oder Aluminium, das nicht mehr als 0,1 oder 1 % von allen anderen Elementen enthält. Aluminiumlegierungen, die hierin als Serie des Typs lxxx bezeichnet werden, enthalten alle Legierungen der Aluminium Association (AA) einschliesslich der Unterklassen des Typs 1000, des Typs 1100, des Typs 1200 und des Typs 1300.
Daher kann die Plattierung auf dem Kern aus verschiedenen Legierungen der Aluminium Association ausgewählt werden, wie 1060, 1045, 1100, 1200, 1230, 1135, 1235, 1435, 1145, 1345, 1250, 1350, 1170, 1175, 1180, 1185, 1285, 1188, 1199 oder 7072. Zusätzlich können Legierungen der Legierungen der Serie AA7000, wie 7072, die Zink (0,8 bis 1,3 %) enthält oder eine modifizierte Version davon mit 0,4 bis 0,9 Gew.-% Zink, als die Plattierung dienen und Legierungen der Legierungen der Serie AA6000, wie 6003 oder 6253, die typischerweise mehr als 1 % Legierungszusätze enthalten, können als Plattierung dienen. Andere Legierungen könnten ebenfalls als Plattierung nützlich sein, solange sie im Besonderen ausreichenden Gesamtkorrosionss[sigma]hutz für die Kernlegierung bieten.
Die Plattierung kann ausserdem eine Aluminiumlegierung sein, die aus der Serie AA4000 ausgewählt wurde, und kann als Korrosionsschutz dienen und kann ausserdem bei einem Schweissvorgang unterstützen, z. B. wie in US-6.153.854 (hierin als Bezug aufgenommen) offenbart, wobei die Verwendung von zusätzlichem Zusatzwerkstoffdraht unterbleiben kann. Die Plattierungsschicht oder -schichten sind normalerweise viel dünner als der Kern, wobei jede 1 bis 15 % oder 20 % oder möglicherweise 25 % der Gesamtverbunddicke darstellt. Eine Plattierungs- oder Beschichtungsschicht bildet eher typischerweise ungefähr 1 bis 11 % der Gesamtverbunddicke.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein bevorzugtes Verfahren bereitgestellt, um das Aluminiumlegierungsprodukt nach der Erfindung zu einem Strukturelement herzustellen.
Das Verfahren zum Herstellen eines hochfesten, hochzähen Legierungsprodukts der Serie AA2000 mit niedriger Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit umfasst folgende Schritte:
a) Giessen eines Blocks mit einer Zusammensetzung nach der Darlegung in der Beschreibung und den Ansprüchen;
[phi][phi][phi]
13 b) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Giessen,
c) Warmumformen des Blocks zu einem vorbearbeiteten Produkt;
d) wahlweise Wiedererwärmen des vorbearbeiteten Produkts und entweder
e) Warmumformen und/oder Kaltumformen zu einer gewünschten Werkstückform;
f) Lösungsglühbehandeln des umgeformten Werkstücks mit einer Temperatur und Zeit, die ausreichen, um in fester Lösung im Wesentlichen alle löslichen Bestandteile in der Legierung zu platzieren,
g) Abschrecken des lösungsglühbehandelten Werkstücks durch eines von Sprühabschrecken oder Immersionsabschrecken in Wasser oder anderen Abschreckmedien;
h) wahlweise Strecken oder Pressen des abgeschreckten Werkstücks oder anderweitiges Kaltumformen zum Entspannen, zum Beispiel Richten von Blechprodukten;
i) wahlweise Altern des abgeschreckten und wahlweise gestreckten und/oder gepressten Werkstücks, um eine gewünschte Vergütung zu erreichen, zum Beispiel die Vergütungen T3, T351, T36, T3x, T4, T6, T6x, T651, T87, T89, T8x.
j ) wahlweise gefolgt von Bearbeitung des umgeformten Produkts bis zu der Endform des Strukturelements. [Phi][Phi][Phi] [Phi]
14
Die Legierungsprodukte der vorliegenden Erfindung werden herkömmlicherweise durch Schmelzen präpariert und können durch Direkthartgiessen oder andere geeignete Giesstechniken zu Blöcken gegossen werden. Die Homogenisierungsbehandlung wird typischerweise in einem oder mehreren Schritten durchgeführt, wobei jeder Schritt eine Temperatur vorzugsweise in dem Bereich von 460 bis 535<D>C aufweist.
Die Vorwärmtemperatur beinhaltet Erwärmen des Walzblocks auf die WarmwalzwerkEingangste peratur, die typischerweise in einem Temperaturbereich von 400 bis 460 [deg.]C liegt. Das Warmumformen des Legierungsprodukts kann durch eines aus Walzen, Extrudieren oder Schmieden erfolgen. Bei der aktuellen Legierung wird Warmwalzen bevorzugt. Lösungsglühbehandlung wird typischerweise in demselben Temperaturbereich durchgeführt, der für Homogenisieren verwendet wird, obwohl die Tauchzeiten etwas kürzer gewählt werden können.
Eine überraschend ausgezeichnete Eigenschaftsausgewogenheit wird über einen breiten Dickenbereich erreicht. Bei dem Blechdickenbereich von bis zu 0,5 Zoll (12,5 mm) sind die Eigenschaften ausgezeichnet für Rumpfblech. In dem dünnen Plattendickenbereich von 0,7 bis 3 Zoll (17,7 bis 76 mm) sind die Eigenschaften ausgezeichnet für eine Flügelplatte, z. B.
Unterflügelplatte. Der dünne Plattendickenbereich kann ausserdem für Holme oder zum Formen eines integralen Flügelplattenfelds und Holms zur Verwendung bei einer Luftfahrzeugflügelstruktur verwendet werden. Bei Verarbeitung zu dickeren Massen von mehr als 2,5 Zoll (63 mm) bis zu ungefähr 11 Zoll (280 mm) werden ausgezeichnete Eigenschaften für integrale Teile, die aus Platten gefertigt sind, oder zum Formen eines integralen Holms zur Verwendung bei einer Luftfahrzeugflügelstruktur oder in der Form einer Rippe zur [phi] [phi]
15
Verwendung bei einer Luftfahrzeugflügelstruktur erzielt. Die Produkte mit dickerem Mass können ausserdem als Werkzeugplatte, z. B. Formen zum Herstellen geformter Kunststoffprodukte, zum Beispiel durch Druckguss oder Spritzguss, verwendet werden.
Die Legierungsprodukte nach der Erfindung können ausserdem in der Form einer gestuften Extrusion oder eines extrudierten Holms zur Verwendung bei einer Luftfahrzeugstruktur oder in der Form eines geschmiedeten Holms zur Verwendung bei einer Luftfahrzeugflügelstruktur bereitgestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG D[Xi]R ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist ein Mg-Cu-Diagramm, das den Cu-Mg-Bereich für die Legierung nach dieser Erfindung zusammen mit engeren bevorzugten Bereichen darlegt;
Fig. 2 (a) und 2 (b) zeigen ein Diagramm für Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit in zwei Prüfrichtungen für die Legierung nach dieser Erfindung in einer T651-Vergütung im Vergleich zu 2024-Legierungen nach dem Stand der Technik;
Fig. 3(a) und 3 (b) zeigen ein Diagramm für Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit in zwei Prüfrichtungen für die Legierung nach dieser Erfindung in einer T89-Vergütung im Vergleich zu 2024-Legierungen nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 zeigt die Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit von zwei Legierungen nach dieser Erfindung als Funktion des Crund Zr-Gehalts;
Fig, 5 zeigt die Zugfestigkeit gegenüber der Kerbzähigkeit der Legierung nach dieser Erfindung für zwei Prüfrichtungen in verschiedenen Vergütungen im Vergleich zu bekannten 2024-Legierungen nach dem Stand der
Technik,-
Fig. 6 zeigt die Er üdungsrisswachstumsgeschwindigkeit der Legierung nach dieser Erfindung in zwei Vergütungen im Vergleich zu der Legierung HDT-AA202 -T351 nach dem Stand der Technik.
Fig, 1 zeigt schematisch die Bereiche für Cu und Mg für die Legierung nach der vorliegenden Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen nach der Darlegung in den Unteransprüchen. Die Bereiche können ausserdem unter Verwendung der Eckpunkte A, B, C und D eines Kastens gekennzeichnet werden. Bevorzugte Bereiche sind mit A' bis D' und stärker bevorzugte Bereiche mit A" bis D' ' und am stärksten bevorzugte Bereiche mit A" ' bis D" ' gekennzeichnet.
Die Koordinaten sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Koordinaten (in Gew.-%) für die Eckpunkte der CuMg-Bereiche für die bevorzugten Bereiche des Legierungsprodukts nach der Erfindung.
Eckpunkt (Mg, Cu) Eckpunkt (Mg, Cu) breiter bevorzugter
Bereich Bereich von
Anspruch
1
A 0,3, 5,50 A' 0,35, 5,50
B 1,0, 5,50 B' 0,78, 5,50
<EMI ID=16.1>
[Phi] tl.
17 c 1,0, 4,28 C 0,78, 4,99
D 0,3, 5,05 D' 0,35, 4,52
<EMI ID=17.1>
Eckpunkt (Mg, Cu) Eckpunkt (Mg, cu) stärker am bevorzugt stärksten bevorzugt
A" 0,45, Ä'" 0,45,
B' ' 5,35 B" ' 5,35
C" 0,75, C" ' 0,75,
D" 5,35 D' ' ' 5,35
0,75, 0,75,
4,90 4,92
0,45, 0,45,
5,00 5,20
<EMI ID=17.2>
BEISPIELE Beispiel 1
Auf Laborebene wurden 18 Legierungen gegossen, um das Prinzip der aktuellen Erfindung nachzuweisen, und zu 4,0-mm-Blech verarbeitet.
Die LegierungsZusammensetzungen werden in Tabelle 2 aufgeführt, wobei für alle Blöcke Fe = 0,07, Si = 0,05, Ti = 0,02, Rest Aluminium, gilt. Walzblöcke von ungefähr 80 mal 80 mal 100 mm (Höhe x Breite x Länge) wurden von runden LaborGussblö[sigma]ken von ungefähr 12 kg geschnitten. Die Blöcke wurden mit einer Zweistufen-Homogenisierungsbehandlung homogenisiert, d. h. ungefähr 10 Std. bei 520 *C gefolgt von 10 Std. bei 525 bis 530 'C. Die Erwärmung auf die Homogenisierungstemperatur erfolgte langsam. Nach der Homogenisierungsbehandlung wurden die Blöcke folglich langsam luftgekühlt, um einen industriellen Ho ogenisierungsprozess nachzuahmen. Die Walzblöcke wurden ungefähr 6 Stunden bei 460 +- 5 [deg.]C vorgewärmt. Bei einem Zwischendickebereich von ungefähr 40 bis > [Phi][Phi][Phi] 4 [Phi] m.
18
50 mm wurden die Blöcke bei 460 +- 5 [deg.]C wiedererwärmt.
Die Blöcke wurden zu dem Endmass von 4,0 mm warmgewalzt. Während des gesamten Warmwalzprozesses wurde darauf geachtet, ein Warmwalzen auf industrieller Ebene nachzuahmen. Die warmgewalzten Produkte wurden lösungsglühbehandelt und abgeschreckt. Die Bleche wurden zu der entsprechenden Vergütung verarbeitet. Das Streckniveau lag, je nach Endvergütung, zwischen 0 und 9 %. Die Endprodukte wurden zu Festigkeit spitzengealtert oder fast spitzengealtert (z. B. T6x- oder T8x-Vergütung) .
Die Zugfestigkeitseigenschaften wurden nach EN10.002 geprüft. Die Zug-Prüfkörper aus 4 mm dickem Blech waren flache EURONORM-Prüfkörper mit 4 mm Dicke. Die Zugprüfungsergebnisse in Tabelle 3 und 4 sind für die L- und LT-Richtung. Die KahnRei Zähigkeit wird nach ASTM B871-96 geprüft und die Prüfrichtung der Ergebnisse in Tabelle 3 und 4 ist die T-Lund L-T-Richtung.
Die sogenannte Kerbzähigkeit kann ermittelt werden, indem die Reissfestigkeit, die durch die KahnReissprüfung ermittelt wurde, durch die technische Streckgrenze geteilt wird (TS/Rp) . Dieses typische Ergebnis aus der KahnReissprüfung ist auf dem Gebiet dafür bekannt, ein guter Indikator für echte Bruchzähigkeit zu sein. Die Einheitsausbreitungsenergie (UPE) , die ebenfalls durch die Kahn-Reissprüfung ermittelt wurde, ist die Energie, die für Risswachstum erforderlich ist. Es wird üblicherweise angenommen, dass, je höher die UPE ist, desto schwieriger ist es, dass der Riss wächst, was ein gewünschtes Merkmal des Materials ist.
Die Legierungen aus Tabelle 2 wurden nach dem oben beschriebenen Verarbeitungsablauf zu Blech verarbeitet. Abschliessend wurden die Legierungen zu T651 gealtert (1,5 % gestreckt und 12 Std. bei 175 [deg.]C gealtert) .
Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 und in den Figuren 2a, 2b gezeigt.
In Figur 2a, 2b werden die Ergebnisse von Standard-AA2024 als Bezug angegeben. Die Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit von handelsüblich erhältlichem AA2024 für Rumpfanwendung und die Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit von hochschadenstolerantem (HDT) AA2024 (z. B. AA2524) werden als Bezug angegeben. Die geschlossenen Einzelpunkte sind Legierungen nach der Erfindung, während die offenen Einzelpunkte Legierungen nicht nach dieser Erfindung sind. Unsere Erfindung zeigt bei L gegenüber L-T wenigstens eine 15%ige Verbesserung bei der Zähigkeit gegenüber HDT-AA2024 und die besten Ergebnisse sogar eine Verbesserung von 20 % oder mehr.
Die erfahrene Person erkennt sofort, dass die Werte für handelsübliches 2024 und 2024-HDT oben links typischerweise Werte für die T3Vergütungen darstellen, während die untere rechte Seite Werte für die T6- und T8-Vergütungen darstellt.
Aus den Ergebnissen ist ausserdem ersichtlich, dass bei sorgfältigem Abgleichen des Ag-Niveaus, der Dispersoidniveaus und der Cu- und Mg-Niveaus eine bisher unerreichte Verbesserung bei den Eigenschaften von Zähigkeit gegenüber Zugfestigkeit erzielt werden kann.
Bleche aus derselben Legierung wurden ausserdem zu der T8Vergütung produziert. In Tabelle 4 und Figur 3a, 3b werden die Ergebnisse der T89-Vergütung auf eine ähnliche Weise gezeigt wie bei Figur 2a und 2b. In Figur 3a, 3b werden die Ergebnisse von AA2024 erneut als Bezug angegeben.
Die Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit von handelsüblich erhältlichem AA2024 für Rumpfanwendung und die Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit von hochschadenstolerantem (HDT) AA2024 (z. B. AA2524) werden als Bezug angegeben. Unsere Erfindungen zeigen bei L gegenüber L-T wenigstens eine Verbesserung von 15 % bei der Zähigkeit gegenüber HDT-AA2024 und die besten Ergebnisse sogar eine Verbesserung von 20 % oder mehr.
Aus den Ergebnissen ist ausserdem ersichtlich, dass bei sorgfältigem Abgleichen des Ag-Niveaus, der Dispersoidniveaus und der Cu- und Mg-Niveaus eine bisher unerreichte Verbesserung bei den Eigenschaften von Zähigkeit gegenüber Zugfestigkeit erzielt werden kann.
Es ist zu beachten, dass Legierung 16 in der T8-Vergütung eine beeindruckende Ausgewogenheit von Zugfestigkeit gegenüber Zähigkeit zeigt, während in der T6-Vergütung diese Legierung nahe an,
jedoch unmittelbar unterhalb von dem Ziel einer Verbesserung von 20 % lag. Es wird angenommen, dass die leicht geringere Leistung dieser Legierung in der T6-Vergütung die Resultante von experimenteller Streuung bei dem Versuch auf Laborebene ist.
Tabelle 2: Chemie von Legierungen, die auf Laborebene gegossen wurde .
Jede mit 0,06 Gew.-% Fe und 0,04 Gew.-% Si und 0,02 Gew.-% Ti.
Prüf- Erfindungs- Cu Mg Mn Ag Zn Zr .Andere körpe legierung (Gew.- (Gew.- (Gew. - (Gew.
- (Gew.- (Gew.- (Gew.r (ja/nein) %) %) %) %) %) %) %)
Nr.
1 nein 5,6 0,45 0,30 0,44 0,41 0,13 -
2 ja 5,1 0,55 0,30 0,40 < 0,01 0,15 -
3 ja 5,1 0,55 0,29 0,40 0,38 0,15 -
4 nein 5,2 0,56 0,31 < 0,01 0,61 0,15 -
5 ja 5,1 0,55 0,30 0,40 0,20 0,16 -
<EMI ID=20.1>
ja 4,9 0,62 0,30 0,39 0,20 0,14 ja 5,0 0,61 0,30 0,40 0,11 0,15 - ja 5,1 0,63 0,31 0,25 0,21 0,15 - ja 5,0 0,61 0,30 0,40 0,21 < 0,01 0,12 Cr ja 5,0 0,63 < 0,01 0,40 0,21 0,15 - nein 5,0 0,64 < 0,01 < 0,01 0,21 < 0,01 0,12 Cr ja 5,0 0,42 0,31 0,40 0,21 0,15 - ja 5,0 0,83 0,28 0,41 0,21 0,15 nein 5,3 0,22 0,31 0,39 0,21 0,15 - ja 5,4 0,62 0,30 0,40 0,21 0,15 ja 4,8 0,96 0,28 0,40 0,21 0,15 - ja 4,6 0,80 0,30 0,39 0,20 0,15 - nein 5,2 0,62 0,30 < 0,01 < 0,01 0,14 0,20 Ge
<EMI ID=21.1>
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Beispiel 2
Es wurden zwei weitere Legierungen gegossen und verarbeitet und geprüft, wie in Beispiel 1 angegeben. Die Chemie der beiden Legierungen wird in Tabelle 5 gezeigt. Das Endmass betrug 4,0 mm. Die Bleche aus diesen Legierungen wurden zu T651- und T89-Vergütung gealtert. Die Zug- und Kahn-ReissProben wurden von zwei Seiten zu einer Enddicke von 2,0 mm bearbeitet, bevor geprüft wurde.
Die Prüfergebnisse dieser Bleche werden in Tabelle 6 und Figur 4 angegeben.
Beispiel 2 demonstriert, dass eine Cr-haltige Legierung, im Gegensatz zur allgemeinen Annahme, ebenfalls eine sehr hohe Zähigkeit aufweisen kann. Überraschenderweise zeigt die Crhaltige Legierung 20 eine bessere Leistung als die Legierung der Zr-haltigen Legierung 19.
Tabelle 5. Chemische Zusammensetzung<'>(in Gew.-%) von zwei Legierungen nach dieser Erfindung und jede mit Fe =* 0,06, Si 0,04, Ti - 0,02.
Prüf- ErfindungsCu Mg Mn Ag Zn Zr Andere körpe legierung r (ja/nein)
Nr.
19 ja 5,05 0,62 0,38 0,47 0,21 0,15 -
20 ja 5,09 0,62 0,29 0,42 0,21 < 0,12
0,01 Cr
<EMI ID=24.1>
Tabelle 6.
Eigenschaften von Legierung 20 und 21 von Tabelle 5 in der LT- (T-L-) Richtung.
Prüf- Vergütung Rm Rp Dehnung TS/Rp UPE (kJ/ro*) k[delta]rpe (MPa) (MPa) (%) r
<EMI ID=24.2>
.../25 - Seite 25
Nr.
19 T651 499 450 10 1,54 160
T89 524 492 4 1,40 112
20 T651 493 448 12 1,64 204
T89 525 489 6 1,51 170
<EMI ID=25.1>
Beispiel 3
Vollmassstäbliche Walzblöcke mit einer Dicke von 440 mm wurden auf industrieller Ebene durch Direkthartgiessen produziert und wiesen die folgende chemische Zusammensetzung auf (in Gew.-%): 0,58 % Mg, 6,12 % Cu, 0,14 % Zr, 0,29 % Mn, 0,41 % Ag, 0,12 % Zn, 0,01 % Ti, 0,04 % Si und 0,06 % Fe, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Einer dieser Blöcke wurde geschält, 2 bis 6 Std. bei 490 [deg.]C und 24 Std. bei 520<[beta]>C homogenisiert und auf Umgebungstemperatur luftgekühlt.
Der Block wurde dann 6 Std. bei 460 "C vorgewärmt und dann auf ungefähr 5 mm warmgewalzt. Die Platte wurde des Weiteren auf 4,0 mm kaltgewalzt. Die Platte wurde dann in mehrere Stücke geschnitten. Die Platten wurden dann 45 min bei 525 "C lösungsgeglüht und im Folgenden mit Wasser abgeschreckt. Die Platten wurden 1,5 % (T351 und T651) oder 6 % (T36) oder 9 % (T89) gestreckt, um die gewünschte Vergütung zu erhalten. Die künstlich gealterten Vergütungen (T651 und T89) wurden 12 Std. bei 175<[beta]>C gealtert.
Die Zug- und Kahn-Reiss-Probe wurden aus der Mitte der Platte entnommen und nach der in Beispiel 1 angegebenen Spezifikation geprüft. Die Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit wurde an 100mm-C<T) -Prüfkörpern nach ASTM E647 gemessen.
Das RVerhältnis betrug 0,1 und die Prüfung erfolgte mit konstanter Last.
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- Seite 26 -
Das Verhalten in Bezug auf Offenloch-Ermüdung (Kt 3,0) und Flachkerb-Ermüdung (Kt = 1,2) wurde nach ASTM E466 gemessen. Die Prüfkörper wurden aus der Mittendicke der Platte entnommen und zu einer Dicke von 2,5 mm bearbeitet. Die ausgeübte Spannung betrug 138 MPa (Bruttoabschnitts-Spannungsbasis) bei den Offenlochprüfk[sigma]rpern und 207 MPa (Nettoabschnitt bei Kerbwurzelspannungsbasis) bei den flachgekerbten Prüfkörpern. Die Prüffrequenz überschritt nicht 15 Hz. Das R-Verhältnis betrug 0,1. Ein Minimum von 5 Prüfkörpern pro Legierung/Vergütung wurde gemessen. Die Prüfungen wurden bei Erreichen von 1.500.000 Zyklen beendet. Dies wird üblicherweise als "Auslauf" bezeichnet. Ein hochschadenstolerantes AA2024-T351 wurde als Bezug hinzugefügt.
Ergebnisse werden in Tabelle 7 und Figur 5 gezeigt. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass die bei den Versuchen auf Laborebene festgestellte hohe Zähigkeit auch durch Verarbeitung auf industrieller Ebene erreicht werden kann.
Das Ermüdungsverhalten dieser Legierung in der T36- und T89Vergütung wird in Tabelle 8 gezeigt. Es ist klar zu sehen, dass die erfinderische Legierung eine signifikant bessere Leistung als der Bezug HDT 2024-T351 zeigt. Die Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit ist in Figur 6 zu sehen.
Die erfinderische Legierung zeigt eine ähnliche Leistung wie hochschadenstolerantes AA2024-T351, das als Bezug verwendet wurde.
Tabelle 7: Eigenschaftsprüfergebnisse von Beispiel 3.
Eigenschaft T351 T651 T89 T36 Bezug (Richtung)
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.../27 - Seite 27 -
Rp(L), in MPa 319 494 514 421 360
Rp(LT), in MPa 297 486 518 416 332
Rm(LT) , in MPa 458 534 518 474 471
Rm(LT) , in MPa 458 531 539 470 452
Dehng(L) , in % 24 10 11 17 18
Dehng(LT) , in % 24 10 10 18 18
TS/Rp (L-T) 1,96 1,37 1,29 1,69 1,72
TS/Rp (L-L) 2,24 1,27 1,21 1,66 -
<EMI ID=27.1>
Tabelle 8:
Das Ermüdungsverhalten der Legierung (L-T-Richtung) nach dieser Erfindung in zwei Vergütungen gegenüber AA2024-HDT als Bezug.
T89 T36 Bezug
Kt = Auslauf Auslauf 1,2 x 3,0 10<s>
Kt = 2,8 x 1,2 x 1,2 105 10<s>
<EMI ID=27.2>
Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben wurde, ist für eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet offensichtlich, dass viele Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist oder Umfang der hierin beschriebenen Erfindung abzuweichen.