DE10393136T5 - Al-Cu-Mg-Si Legierung und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Al-Cu-Mg-Si Legierung und Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

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Abstract

Ausgewogenes Al-Cu-Mg-Si-Legierungsprodukt mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welche die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-%):
Cu 3,6–4,9
Mg 1,0–1,8
Mn < 0,30
Si 0,10–0,40, vorzugsweise 0,15–0,35
Zr ≤ 0,15
Cr ≤ 0,15
Fe ≤ 0,10
Rest im Wesentlichen Aluminium Spurenelemente und Verunreinigungen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine ausgewogene Al-Cu-Mg-Si Legierung mit hoher Zähigkeit und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welche dabei gute Festigkeitsgrade behält, ein Verfahren zum Herstellen einer ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si Legierung mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, und ein gewalztes Aluminiumblechprodukt für Luftfahrtanwendungen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine ausgewogene Al-Cu-Mg-Si Legierung der AA2xxx-Serie für strukturelle Luftfahrtanwendungen mit verbesserten Eigenschaften, wie Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, Festigkeit und Bruchzähigkeit. Die Erfindung betrifft auch ein gewalztes Aluminiumprodukt, welches zur Verwendung als Flugzeugrumpfhaut oder untere Tragflügelhaut eines Flugzeugs geeignet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Im Stand der Technik ist bekannt, aushärtbare Aluminiumlegierungen in einer Reihe von Anwendungen zu verwenden, die relativ hohe Festigkeit benötigen, wie etwa Flugzeugrümpfe, Fahrzeugteile und andere Anwendungen. Die Aluminiumlegierungen ("AA")2x24, wie etwa AA2024, AA2324 und AA2524 sind wohlbekannte aushärtbare Aluminiumlegierungen mit nützlichen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften in den T3, T39 und T351 Tempern.
  • Die Konstruktion eines kommerziellen Flugzeugs erfordert verschiedene Eigenschaften für verschiedene Arten von Strukturen im Flugzeug. Besonders für die Rumpfhaut oder die untere Tragflächenhaut ist es notwendig, Eigenschaften, wie guten Widerstand gegen Rissausbreitung entweder in der Form von Bruchzähigkeit oder Ermüdungsrisswachstum zu haben. Gleichzeitig sollte die Festigkeit der Legierung nicht vermindert sein. Ein gewalztes Aluminiumprodukt, welches entweder als Blech oder als Platte mit einer verbesserten Toleranz gegenüber Beschädigungen verwendet wird, verbessert die Sicherheit der Passagiere, verringert das Gewicht des Flugzeugs und verbessert somit die Brennstoffersparnis, was zu einer längeren Flugreichweite, geringeren Kosten und weniger häufigen Wartungsabständen führt.
  • Im Stand der Technik sind AA2x24 Legierungszusammensetzungen mit den folgenden breiten Bereichen in ihrer Zusammensetzung, in Gew.-%, bekannt:
    • Cu 3,7–4,4
    • Mg 1,2–1,8
    • Mn 0,15–0,9
    • Cr 0,05–0,10
    • Si ≤ 0,50
    • Fe ≤ 0,50
    • Zn ≤ 0,25
    • Ti ≤ 0,15
    • Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen.
  • Mit der Zeit wurden engere Fenster innerhalb des breiten Bereichs der Legierungen der 2024-Serie entwickelt, insbesondere mit niedrigeren zusammengenommenen Si- und Fe-Bereichen, um bestimmte technische Eigenschaften zu verbessern.
  • Die US 5,593,516 offenbart eine Al-Cu Legierung mit einer hohen Toleranz gegenüber Beschädigungen und einer ausgewogenen Chemie, welche im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 2,5–5,5
    • Mg 0,1–2,3
    • Cumax–0,91 Mg + 5,59
    • Cumin–0,91 Mg + 4,59
    • Zr bis zu 0,2 oder
    • Mn bis zu 0,8
    • Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Sie offenbart auch T6 und T8 Temper derartiger Legierungen, welche einem aus einer derartigen Legierung gewalzten Produkt eine hohe Festigkeit verleihen.
  • Die US 5,897,720 offenbart eine Al-Cu Legierung mit einer hohen Toleranz gegenüber Beschädigungen und einer "2024"-Chemie, welche im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 3,8–4,9
    • Mg 1,2–1,8
    • Mn 0,3–0,9
    • Si < 0,30, vorzugsweise < 0,12
    • Fe < 0,30, vorzugsweise < 0,08
    • Ti < 0,15, vorzugsweise < 0,06
    • Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen,
    wobei die Legierung nach dem Warmwalzen bei einer Temperatur geglüht wird, bei welcher die intermetallischen Verbindungen sich nicht wesentlich lösen. Die Glühtemperatur liegt zwischen 398°C und 455°C.
  • Die JP-A-07252574 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Al-Cu-Mg Legierung, welches die Schritte des Warmwalzens nach kontinuierlichem Gießen und des Festlegens der Kühlrate zur Zeit der Verfestigung umfasst. Um von den hohen Kühlraten bei dem kontinuierlichen Gießvorgang zu profitieren, werden die Anteile von Fe und Si derart kontrolliert, dass die Summe von Fe + Si wenigstens 0,4 Gew.-% beträgt.
  • Die US 5,938,867 offenbart eine Al-Cu Legierung mit hoher Toleranz gegenüber Beschädigungen mit einer "2024"-Chemie, welche im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 3,8–4,9
    • Mg 1,2–1,8
    • Mn 0,3–0,9
    • Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen,
    wobei der Barren nach dem Warmwalzen mit einer Glühtemperatur zwischen 385°C und 468°C zwischengeglüht wird.
  • Die EP 047 31 22 und die US 5,213,639 offenbaren eine Aluminium-Basislegierung, welche im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 3,8–4,5, vorzugsweise 4,0–4,5
    • Mg 1,2–1,8, vorzugsweise 1,2–1,5
    • Mn 0,3–0,9, vorzugsweise 0,4–0,7
    • Fe ≤ 0,12, vorzugsweise max. 0,1
    • Si ≤ 0,10
    • Rest Aluminium, Spurenelemente und Verunreinigungen,
    wobei diese Aluminiumbasis warm gewalzt und auf über 910° Fahrenheit erhitzt wird, um lösliche Bestandteile zu lösen, und wieder warm gewalzt wird, wodurch gute Kombinationen von Festigkeit zusammen mit einer hoher Bruchzähigkeit und einer niedrigen Ermüdungsrisswachstumsrate erreicht werden. Genauer offenbart die US 5,213,639 eine notwendige Zwischenglüh-Behandlung nach dem Heißwalzen des gegossenen Barrens in einem Temperaturbereich von 479°C bis 524°C, und nochmaliges Warmwalzen der zwischengeglühten Legierung, wobei die Legierung optional eine oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthalten darf, die besteht aus:
    • Cr 0,02–0,40
    • V 0,01–0,5
    • Hf 0,01–0,40
    • Cr 0,01–0,20
    • Ag 0,01–1,00
    • Sc 0,01–0,50
  • Eine derartige Legierung scheint eine 5%ige Verbesserung gegenüber der oben erwähnten herkömmlichen 2024-Legierung in Bezug auf die T-L Bruchzähigkeit und einen verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum bei gewissen ΔK-Werten zu zeigen.
  • Die EP 1 170 394-A2 offenbart ein Aluminiumblechprodukt mit einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welches eine anisotrope Mikrostruktur aufweist, welche durch Körner mit einem durchschnittlichen Länge-zu-Breite Formfaktor von mehr als etwa 4 definiert wird und im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 3,5–4,5
    • Mg 0,6–1,6
    • Mn 0,3–0,7
    • Zr 0,08–0,13
    • Rest im Wesentlichen Aluminium, Spurenelemente und Verunreini gungen.
  • Diese Beispiele zeigen einen Si-Anteil im Bereich von 0,02 bis 0,04, wobei ein Cu-Anteil von mehr als 3,0 beibehalten wird. Ferner wird eine Al-Mg-Si-Legierung (AA6xxx-Serie) mit Si-Anteilen zwischen 0,10 und 2,50, aber Cu-Anteilen unterhalb von 2,0, sowie eine Al-Mg-Legierung (AA5xxx-Serie) mit Si-Anteilen von bis zu 0,50 aber Cu-Anteilen unterhalb von 1,5 offenbart. Die zuerst erwähnte Legierung weist im Vergleich mit herkömmlichen 2524-Blechprodukten eine Verbesserung in den Druckfestigkeitseigenschaften auf, die durch die jeweiligen Blechprodukte erreicht wurde. Ferner wurde berichtet, dass die Festigkeits- und Zähigkeitskombinationen derartiger Blechprodukte mit hohen Mn-Varianten besser waren als die von 2524-T3. Durch die hohe Anisotropie der Kornstruktur konnte der Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum verbessert werden.
  • Ferner wurde berichtet, dass Proben mit niedrigem Kupfer- und hohem Mangananteil bessere Eigenschaften aufwiesen als Proben mit hohem Kupfer- und niedrigem Mangananteil. Ergebnisse von Zugfestigkeitsmessungen zeigten, dass Varianten mit hohem Mangananteil höhere Festigkeitswerte aufwiesen als Varianten mit niedrigem Mangananteil. Die festigkeitsverbessernde Wirkung von Mangan war gemäß diesen Berichten überraschend höher als die von Kupfer.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ausgewogene 2xxx-Legierung mit einer hohen Zähigkeit und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum bereitzustellen, welche gleichzeitig die guten Festigkeitsgrade der herkömmlichen 2024-, 2324- oder 2524-Legierungen behält. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Aluminiumblechprodukte mit einer verbesserten Bruchzähigkeit und verbessertem Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum für Luftfahrtanwendungen, wie Flugzeugrumpfhaut oder untere Tragflächenhaut, bereitzustellen.
  • Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, gewalzte Blechprodukte aus Aluminiumlegierung und ein Verfahren zum Herstellen dieser Produkte bereitzustellen, um Strukturelemente für Flugzeuge bereitzustellen, die einen erhöhten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum aufweisen und eine ver besserte Bruchzähigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig hohe Festigkeitsgrade behalten.
  • Genauer existiert ein allgemeiner Bedarf bei gewalzten Aluminiumlegierungen der AA2xxx-Serie im Bereich der 2024- und 2524-Legierungen, wenn diese in Luftfahrtanwendungen verwendet werden, dass die Ermüdungsrisswachstumsrate (fatigue crack growth rate "FCGR") nicht größer sein sollte als ein definiertes Maximum. Eine FCGR, welche die Erfordernisse einer hohen Toleranz gegenüber Beschädigungen bei Legierungsprodukten der 2024-Serie erfüllt, ist z.B. ein FCGR unterhalb von 0,001 mm/Zyklen bei ΔK = 20 MPa√m und 0.01 mm/Zyklen bei ΔK = 40 MPa√m. Gleichzeitig sollte die Dehngrenze (oder Dehnfestigkeit) und die Höchstzugfestigkeit nicht verringert werden, z.B. sollte Rp nicht unterhalb von z.B. 310 MPa verringert werden und Rm nicht unterhalb von z.B. 430 MPa in der L-Richtung.
  • Die vorliegende Erfindung löst vorzugsweise eine oder mehrere der obigen Aufgaben.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Gemäß der Erfindung wird eine ausgewogene Al-Cu-Mg-Si-Legierung mit einer hoher Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum offenbart, welche die folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
    • Cu 3,6–4,9
    • Mg 1,0–1,8
    • Mn ≤ 0,30
    • Si 0,10–0,40
    • Zr ≤ 0,15
    • Cr ≤ 0,15
    • Fe ≤ 0,10
    • Rest im Wesentlichen Aluminium, Spurenelemente und Verunreini gungen,
    die typischerweise jeweils < 0,05 ausmachen, und insgesamt < 0,15.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass niedrige Mangananteile zu einer hohen Zähigkeit und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum besonders in solchen Bereichen führt, wo die Zähigkeit und der Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum unter Dehnbeanspruchung kritisch sind. Überraschenderweise weist die Legierung der vorliegenden Erfindung im T3-Temper, insbesondere im T351-Temper, eine signifikant verbesserte Zähigkeit dadurch auf, dass die Menge an Mangan verringert wird. Ferner hat es sich gezeigt, dass es durch Erhöhen der Menge an Silizium möglich ist, Festigkeitsgrade zu erreichen, die mit den Festigkeitsgraden von herkömmlichen AA2x24-Legierungen vergleichbar sind. Ferner wurde entdeckt, dass durch die Erhöhung des Si-Gehaltes verbesserte FCGR-Eigenschaften erhalten werden. Der Si-Gehalt wird auf Werte erhöht, die oberhalb derjenigen liegen, die in aktuellen Materialien von Luftfahrtgüte verwendet werden, nämlich typischerweise < 0,10, und vorzugsweise < 0,07 Gew.-%.
  • Genauer hat man entdeckt, dass eine Verringerung des Mangananteils und eine Erhöhung des Siliziumanteils zu einer Verbesserung des Widerstandes gegen Ermüdungsrisswachstum der Legierung von bis zu 90% im Vergleich zu einer herkömmlichen 2024-Legierung führt, und zu einer Verbesserung von ungefähr 65% im Vergleich zu einer herkömmlichen 2024-Legierung, wenn die Festigkeitsgrade gehalten werden. In diesem Fall war sogar die Zähigkeit im Vergleich zu der Zähigkeit der herkömmlichen 2024-Legierungen verbessert. Wenn die Mangananteile verringert wurden, erhöhte sich sowohl die Zähigkeit als auch der Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, während die Festigkeitswerte abnahmen. Indem der Siliziumanteil auch erhöht wurde, erhöhten sich wieder die Festigkeitswerte, ohne dass die Zähigkeit auf inakzeptable Niveaus abgesenkt wurden.
  • Die Menge (in Gew.-%) an Mangan liegt vorzugsweise in einem Bereich von bis zu 0,10, besonders bevorzugt in dem Bereich von Spurenelementen und Verunreinigungen. Das bedeutet, dass die Menge an Mangan 0 oder wenigstens vernachlässigbar sein sollte.
  • Die Menge (in Gew.-%) an Kupfer liegt vorzugsweise in einem Bereich von 3,9–4,6, besonders bevorzugt in einem Bereich von 4,3 bis 4,5. Kupfer ist ein wichtiges Element, um der Legierung Festigkeit zu verleihen. Es hat sich gezeigt, dass ein Kupfergehalt von etwa 4,4 zu einem guten Kompromiss in Festigkeit und Zähigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit führt und dabei immer noch ausreichende Toleranz gegenüber Beschädigungen bietet.
  • Die bevorzugte Menge (in Gew.-%) an Magnesium liegt in einem Bereich von 1,2–1,7, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,5–1,7. Magnesium verleiht der Legierung auch Festigkeit.
  • Die Menge (in Gew.-%) an Silizium liegt stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,23–0,30, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,23–0,28, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,25. Obgleich Legierungen der AA2xxx-Serie des Standes der Technik sich bemühen, Silizium zu vermeiden, da es als ein schädliches Verunreinigungselement betrachtet wird, verwendet die vorliegende Erfindung Silizium absichtlich, um die Festigkeitswerte von Legierungen zu verbessern, die einen niedrigen Mn-Gehalt aufweisen und vorzugsweise im Wesentlichen Mangan-frei sind. Gemäß der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Gießtechnik wichtig ist, um von dem erhöhten Si-Gehalt in Kombination mit dem niedrigen Mn-Gehalt zu profitieren.
  • Eine andere bevorzugte besondere Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst etwa 4,4% Kupfer, etwa 1,68% Mangan, etwa 0,25% Silizium und kein Mangan (außer als unvermeidbare Verunreinigung).
  • Darüber hinaus kann die Legierung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner eines oder mehr der Elemente Zn, Ag, Hf, V, Sc, Ti oder Li umfassen, wobei die Gesamtmenge weniger als 1,00 beträgt (in Gew.-%). Die Legierung der vorliegenden Erfindung ist entweder nicht rekristallisiert oder rekristallisiert oder eine Kombination dieser beiden.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierung mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitsgraden und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum gemäß der Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Gießen eines Walzbarrens mit der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%):
    • Cu 3,6–4,9
    • Mg 1,0–1,8
    • Mn ≤ 0,30
    • Si 0,10–0,40, vorzugsweise 0,15–0,35
    • Zr ≤ 0,15
    • Cr ≤ 0,15
    • Fe ≤ 0,10
    • Rest im Wesentlichen Aluminium, Spurenelemente und Verunreini gungen,
    wobei der Barren durch halbkontinuierliches direkt gekühltes (direct chill, DC) Gießen gegossen wird;
    • b) Homogenisieren und/oder Vorheizen des Barrens nach dem Gießen;
    • c) Warmwalzen des Barrens und optional Kaltwalzen in ein ge walztes Produkt;
    • d) Lösungsglühen (solution heat treating, SHT);
    • e) Abschrecken des wärmebehandelten Produktes;
    • f) Recken des abgeschreckten Produktes; und
    • g) natürliches Altern des gewalzten und lösungsgeglühten und abgeschreckten Produktes.
  • Nach dem Warmwalzen des Barrens ist es möglich, den warm gewalzten Barren zu glühen und/oder wieder zu erhitzen und den gewalzten Barren nochmals warm zu walzen. Es ist ferner möglich, eine Wärmebehandlung zwischen dem Warmwalzen und dem Kaltwalzen bei den gleichen Temperaturen und Zeiten wie während der Homogenisierung durchzuführen, z.B. 1 bis 5 Stunden bei 460°C und etwa 24 Stunden bei 490°C. Der warmgewalzte Barren wird vorzugsweise vor und/oder während des Warmwalzens zwischengeglüht, um die Ausrichtung/Ordnung der Körner weiter zu verbessern. Ein derartiges Zwischenglühen wird vorzugsweise bei einer Dicke von etwa 2,0 mm für eine Stunde bei 350°C durchgeführt. Ferner ist es ratsam, das gewalzte und wärmebehandelte Produkt um einen Bereich von bis zu 3% zu recken, und vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 2%, und das gereckte Produkt dann für mehr als 10 Tage, vorzugsweise etwa 10 bis 20 Tage, natürlich zu altern, um eine T3- oder T351-Temperbedingung zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein gewalztes Blechprodukt aus einer ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierung mit einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum bereit, welche die oben beschriebene Legierungszusammensetzung aufweist. Ein solches gewalztes Aluminiumblechprodukt weist vorzugsweise eine Dicke von etwa 2,0 mm–12 mm für Anwendungen wie Rumpfhaut auf, und etwa 25 mm–50 mm für Anwendungen wie die Haut der unteren Tragfläche eines Flugzeugs. Die vorliegende Erfindung stellt dadurch ein Blech für einen Flugzeugrumpf oder ein Blech für ein Element der unteren Tragfläche eines Flugzeugs bereit, welches einen verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum aufweist und dabei gute Festigkeitsgrade behält.
  • Die vorhergehenden und weitere Merkmale und Vorteile des Legierungsproduktes gemäß der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von zwei bevorzugten Beispielen deutlich werden.
  • Beispiel
  • In einem industriellen Maßstab wurden vier verschiedene Aluminiumlegierungen mit den in Tabelle 1 aufgeführten chemischen Zusammensetzungen zu Barren gegossen, wobei die ersten beiden Legierungen Referenzlegierungen sind, die mit AA2024 und AA2524 bezeichnet sind.
  • Die Legierungen wurden auf eine Enddicke von 2,0 mm Blech im T351-Temper verarbeitet. Die DC-gegossenen Barren wurden bei etwa 490°C für etwa 24 Stunden homogenisiert, dann bei 410°C warmgewalzt. Die Platten wurden ferner kaltgewalzt, oberflächenwärmebehandelt und um etwa 1% gereckt. Alle Legierungen wurden nach mindestens 10 Tagen natürlicher Alterung getestet.
  • Dann wurden die Dehngrenze (tensile yield strength, PS) und die Höchstzugfestigkeit (ultimate tensile strength, UTS) in der L-Richtung getestet. Zusätzlich wurde die Kerbzähigkeit (TS/Rp) in der T-L-Richtung getestet. Die Tests wurden gemäß ASTM-B871 (1996) für die Kahn'schen Reißtests durchgeführt, und gemäß EN-10.002 für die Zugtests. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der DC-gegossenen Aluminiumlegierungen, in Gew.-%, Fe etwa 0,06%, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen
    Figure 00140001
    Tabelle 2 Dehneigenschaften und Kerbzähigkeit der Legierungen 1–4 der Tabelle 1 in der L- und der T-L-Richtung
    Figure 00150001
  • Wie in Tabelle 2 dargestellt, sind die Kerbzähigkeiten der Legierungen 1 und 2 etwa gleich groß und besser als die von herkömmlichen 2024/2524-Legierungen. Die im Wesentlichen Mangan-freien Legierungen zeigten eine sehr gute Zähigkeit. Durch Zugabe von Silizium (Legierung 1) in Anteilen oberhalb der zur Zeit für Aluminiumlegierungsprodukte von Luftfahrtgüte verwendeten Anteilen erhöhte sich die Dehngrenze, ohne die Zähigkeit und die Höchstzugfestigkeit auf ein inakzeptables Niveau zu verringern.
  • Um die Ermüdungsrisswachstumsrate ("FCGR") zu ermitteln, wurden alle Legierungen gemäß ASTM E647 auf 80 mm breiten M(T)-Tafeln bei R = 0,1 bei konstanter Belastung und einer Frequenz von 8 Hz getestet. Die in Tabelle 3 gezeigte Lebensdauer ist definiert als die Zeit (in Anzahl Zyklen), in der der Riss von einer Länge von 5 mm auf 20 mm wächst. Die maximale Spannung war 54 MPa. Die Anfangskerbe war 4,1 mm. Antiknick-Vorrichtungen wurden nicht verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Ermüdungsrisswachstumsrate für alle Legierungen im Vergleich mit der kommerziell erhältlichen AA2024-Legierung (= Basislinie)
    Figure 00160001
  • Aus den Ergebnissen der Tabelle 3 ist offensichtlich, dass die Lebensdauer umso besser ist, je niedriger der Anteil an Mangan ist. Durch Zugabe von Silizium verbessern sich die Festigkeitswerte wieder (wie in Tabelle 2 gezeigt), während die Verbesserung in der Lebensdauer immer noch beträchtlich hoch ist. Das bedeutet, dass die Verbesserung in der Ermüdungsrisswachstumsrate signifikant höher ist, wenn die Mangananteile niedrig sind, mehr oder weniger unabhängig vom Siliziumanteil. Das bedeutet, dass derartige Legierungen, besonders bei niedrigen ΔK-Werten, eine signifikant längere Lebensdauer aufweisen und daher für Luftfahrtanwendungen äußerst geeignet sind.
  • Nachdem die Erfindung nunmehr ausführlich beschrieben wurde, ist für den Fachmann offensichtlich geworden, dass viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine ausgewogene Al-Cu-Mg-Si-Legierung mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welche im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-%): Cu: 3,6–4,9, Mg: 1,0–1,8, Mn: ≤ 0,50, vorzugsweise < 0,30, Si: 0,10–0,40, Zr: ≤ 0,15, Cr: ≤ 0,15, Fe: ≤ 0,10, Rest im Wesentlichen Aluminium, Spurenelemente und Verunreinigungen. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen des ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierungsprodukts mit hoher Zähigkeit und verbessertem Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum offenbart sowie Anwendungen dieses Produkts als strukturelles Element eines Flugzeugs.

Claims (19)

  1. Ausgewogenes Al-Cu-Mg-Si-Legierungsprodukt mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welche die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-%): Cu 3,6–4,9 Mg 1,0–1,8 Mn < 0,30 Si 0,10–0,40, vorzugsweise 0,15–0,35 Zr ≤ 0,15 Cr ≤ 0,15 Fe ≤ 0,10 Rest im Wesentlichen Aluminium Spurenelemente und Verunreinigungen.
  2. Legierungsprodukt nach Anspruch 1, bei welchem die Menge (in Gew.-%) an Mn in einem Bereich von bis zu 0,10 liegt, vorzugsweise im Bereich von Spurenelementen und Verunreinigungen.
  3. Legierungsprodukt nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Menge (in Gew.-%) an Cu in einem Bereich von 3,9–4,6, vorzugsweise in einem Bereich von 4,3–4,5 liegt.
  4. Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1–3, bei welchem die Menge (in Gew.-%) an Mg in einem Bereich von 1,2–1,7, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5–1,7 liegt.
  5. Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1–4, bei welchem die Menge (in Gew.-%) an Si in einem Bereich von 0,23–0,30%, und stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,23–0,28% liegt.
  6. Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Legierung ferner eines oder mehrere der Elemente Zn, Ag, Hf, V, Sc, Ti oder Li umfasst, deren Gesamtmenge weniger als 1,00 beträgt (in Gew.-%).
  7. Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1–6, bei welchem das Legierungsprodukt in einer T3-Temper-Bedingung, vorzugsweise in einer T351-Temper-Bedingung vorliegt.
  8. Legierungsprodukt nach Anspruch 7, bei welchem das Legierungsprodukt durch ein Verfahren hergestellt wurde, welches die folgenden Schritte umfasst: halbkontinuierliches direkt gekühltes (DC) Gießen, Warmwalzen, optional Kaltwalzen, Lösungsglühen, Abschrecken des lösungsgeglühten Produkts, Recken des abgeschreckten Produkts, natürliches Altern des Produkts, um eine T3- oder T352-Temper-Bedingung zu erhalten.
  9. Verfahren zum Herstellen eines ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierungsproduktes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer hohen Zähigkeit, guten Festigkeitswerten und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Gießen eines Barrens mit der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%): Cu 3,6–4,9 Mg 1,0–1,8 Mn < 0,30 Si 0,10–0,40 und vorzugsweise 0,15–0,35 Zr ≤ 0,15 Cr ≤ 0,15 Fe ≤ 0,10 Rest im Wesentlichen Aluminium, Spurenelemente und Verunreinigungen, wobei der Barren durch halbkontinuierliches direkt gekühltes (DC) Gießen gegossen wird, b) Homogenisieren und/oder Vorheizen des Barrens nach dem Gießen, c) Warmwalzen des Barrens und optional Kaltwalzen in ein gewalztes Produkt, d) Lösungsglühen, e) Abschrecken des lösungsgeglühten Produkts, f) Recken des abgeschreckten Produkts, und g) natürliches Altern des gewalzten und wärmebehandelten Produkts.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem nach dem Warmwalzen des Barrens Glühen und/oder Wiedererhitzen des warmgewalzten Barrens und weiteres Warmwalzen des gewalzten Barrens.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem der warmgewalzte Barren vor und/oder während des Warmwalzens zwischengeglüht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem das gewalzte und wärmebehandelte Produkt um einen Bereich von bis zu 3% gereckt wird und für mehr als 10 Tage natürlich gealtert wird.
  13. Gewalztes Blechprodukt aus einer ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierung mit einer hohen Zähigkeit und einem verbesserten Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum, aus einem Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder hergestellt durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12.
  14. Gewalztes Produkt nach Anspruch 13, wobei das Produkt eine Enddicke in einem Bereich von 2,0 bis 12 mm aufweist.
  15. Gewalztes Produkt nach Anspruch 13, wobei das Produkt eine Enddicke in einem Bereich von 25–50 mm aufweist.
  16. Gewalztes Blechprodukt aus Al-Cu-Mg-Si-Legierung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem das Produkt ein strukturelles Element eines Flugzeugs oder Raumschiffs ist.
  17. Gewalztes Produkt nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Produkt eine Rumpfhaut eines Flugzeugs ist.
  18. Gewalztes Blechprodukt nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Produkt ein Element eines unteren Tragflügels eines Flugzeugs ist.
  19. Flugzeug-Rumpfhautblech oder Tragflügelelementblech des unteren Tragflügels eines Flugzeugs, welches aus dem gewalzten Blech aus der ausgewogenen Al-Cu-Mg-Si-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde und/oder gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 hergestellt wurde.
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