DE3144445A1 - "OBJECT FROM A HIGH-STRENGTH ALUMINUM ALLOY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF" - Google Patents
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Description
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Gegenstand aus einer hochfesten Aluminiumlegierung und Verfahren zu seiner HerstellungHigh-strength aluminum alloy article and process for its manufacture
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Die Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungen, die durcn eine metallurgische Pulvertechnik, hergestellt werden und die für die Herstellung von Gegenständen verwendbar sind, welche bei erhöhten Temperaturen, mindestens bis zu 35O°C, gute mechanische Eigenschaften aufweisen.The invention relates to aluminum alloys made by a metallurgical powder technique and which are useful in the manufacture of articles which, at elevated temperatures, at least up to 35O ° C, have good mechanical properties.
In der Vergangenheit wurden bereits Versuche unternommen, durch metallurgische Pulvertechniken verbesserte Aluminiumlegierungen herzustellen. Bei diesen Techniken werden höhere Verfestigungsgeschwindigkeiten verwendet, als sie üblicherweise beim herkömmlichen Gießen erzielt werden. Jedoch waren die Verfestigungsgeschwindigkeiten nicht ausreichend hoch, um in der begrenzten Anzahl von bisher untersuchten Legierungssystemen brauchbare metastabile Phasen zu erzeugen. Attempts have already been made in the past to improve aluminum alloys using powder metallurgy techniques to manufacture. These techniques use higher solidification rates than are commonly used can be achieved in conventional casting. However, the solidification rates were not sufficient high in order to produce usable metastable phases in the limited number of alloy systems investigated so far.
Die folgenden Artikel befassen sich mit der raschen Verfestigung von Aluminiumlegierungen:The following articles cover the rapid solidification of aluminum alloys:
"Exchance of Experience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization Technique". A.A. Bryukhovets, N.N. Barbashin, M.G. Stepanova, et I.N. Fridlyander. Moscow Aviation Technology Institute, tibersetzt von Poroshkovaya Metallurgiya, Nr. 1 (85), SS. 108-111, Januar, 1970."Exchance of Experience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization Technique ". A.A. Bryukhovets, N.N. Barbashin, M.G. Stepanova, et I.N. Fridlyander. Moscow Aviation Technology Institute, translated by Poroshkovaya Metallurgiya, No. 1 (85), pp. 108-111, January, 1970.
"On Aluminum Alloys with Refractory Elements, Obtained by Granulation" von V.l. Dobatkin und V.l. Elagin. Soν. J. NonFerrous Metals Aug. 19 66, SS 89-93."On Aluminum Alloys with Refractory Elements, Obtained by Granulation" by V.l. Dobatkin and V.l. Elagin. Soν. J. NonFerrous Metals Aug. 19 66, SS 89-93.
"Fast Freezing by Atomization for Aluminum Alloy Development" von W. Rostoker, R.P. Dudek, C. Freda und R.E. Russell, International Journal of Powder Metallurgy. SS. 139-148."Fast Freezing by Atomization for Aluminum Alloy Development" by W. Rostoker, R.P. Dudek, C. Freda and R.E. Russell, International Journal of Powder Metallurgy. Pp. 139-148.
US-PSen 4 002 502, 4 127 426, 4 139 400 und 4 193 822. SieU.S. Patents 4,002,502, 4,127,426, 4,139,400, and 4,193,822
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beziehen sich alle auf Aluminiumlegierungen, die Eisen als überwiegenden Legierungsbestandteil enthalten. Die US-PS 4 127 426 beschreibt ebenfalls die rasche Verfestigung einer Legierung, die bis zu 5 % Eisen enthält.all relate to aluminum alloys that contain iron as a predominant alloy component. The US PS 4,127,426 also describes the rapid solidification of an alloy containing up to 5% iron.
Hauptaufgabe der Erfindung war die Schaffung von Gegenständen aus einer Aluminiumlegierung mit brauchbaren mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen bis zu mindestens 35O°C.The main object of the invention was to provide aluminum alloy articles with useful mechanical properties Properties at temperatures up to at least 35O ° C.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es, eine Klasse von Aluminiumlegierungen zu beschreiben, die durch metallurgische Pulvertechniken hergestellt werden können, um Gegenstände mit hoher Festigkeit herzustellen.Another object of the invention was to describe a class of aluminum alloys that are replaced by metallurgical Powder techniques can be made to produce articles of high strength.
Schließlich war es eine Aufgabe der Erfindung, metallurgische Pulverfahren zu beschreiben, die bei einer Klasse von Aluminiumlegierungen verwendet werden können, um Gegenstände mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen herzustellen.Finally, it was an object of the invention to describe powder metallurgical processes used in a class of Aluminum alloys can be used to make articles with exceptional mechanical properties at elevated levels Temperatures to establish.
Die Erfindung betrifft eine neue Klasse von Aluminiumlegierungen, die* durch eine neuartige Fällung verfestigt sind. Durch Fällungen verfestigte Aluminiumlegierungen sind in der Technik bekannt. Typische solche Legierungen basieren auf dem Aluminium/Kupfer-System (wie z.B. die Legierung 2024). In einem solchen klassischen Fällungshärtungssystem wird die abnehmende Feststofflöslichkeit eines Elements in einem anderen ausgenützt,so daß durch eine thermische Behandlung eine erwünscnte Fällung erzeugt werden kann. Im Falle des Aluminium/Kupfer-Systems macht es die abnehmende Feststofflöslichkeit von Kupfer und Aluminium möglich, Fällungsteilchen auf der Basis von CuAl2 zu entwickeln. Da die Feststoff löslichkeit von Kupfer und Aluminium mit der Temperatur zunimmt, besitzen diese Materialien nur eine be-The invention relates to a new class of aluminum alloys which are solidified by a new type of precipitation. Aluminum alloys solidified by precipitation are known in the art. Typical such alloys are based on the aluminum / copper system (such as alloy 2024). In such a classic precipitation hardening system, the decreasing solids solubility of one element is used in another, so that a desired precipitation can be produced by a thermal treatment. In the case of the aluminum / copper system, the decreasing solids solubility of copper and aluminum makes it possible to develop precipitation particles based on CuAl 2. Since the solids solubility of copper and aluminum increases with temperature, these materials only have a limited
schränkte Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen Spannungen zu widerstehen, da nämlich die Tendenz bestent, daß die gefällte Phase sich bei erhöhten Temperaturen auflöst. Eine andere Klasse von Legierungen, .welche durch Teilchen verfestigt sind, wird durch die sog.. SAP-Legierungen gebildet. Gegenstände aus SAP-Legierungen werden durch metallurgische Pulvertechniken hergestellt, wobei Aluminiumlegierungspulver oxydiert und dann verdichtet und stark kalt bearbeitet wird. Das Ergebnis dieser Behandlung ist die Entwicklung einer Struktur mit feinen diskreten Teilchen aus Aluminiumoxid. Da Aluminiumoxid in Aluminium praktisch unlöslich ist, ist diese Klasse von Legierungen bei erhöhten Temperaturen stabiler als die Fällungslegierungen, die durch ein richtiges Fällungsphänomen hergestellt worden sind.limited ability to withstand stresses at elevated temperatures, as there is a tendency that the precipitated phase dissolves at elevated temperatures. Another class of alloys, which are solidified by particles is formed by the so-called .. SAP alloys. Articles made from SAP alloys are made by powder metallurgical techniques, using aluminum alloy powder oxidized and then compacted and severely cold machined. The result of this treatment is development a structure with fine discrete particles of alumina. Because aluminum oxide is practically insoluble in aluminum is, this class of alloys is more stable at elevated temperatures than the precipitation alloys that have been produced by a real precipitation phenomenon.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klasse von Legierungen, welche in gewisser Hinsicnt die Vorteile beider Typen vorstehend beschriebener Materialien vereinigen. Die erfindungsgemäßen Legierungen sind durch eine Fällung auf der Basis von Eisen und ein oder mehreren feuerfesten Elementen verfestigt. Sowohl Eisen als auch die feuerfesten Elemente besitzen eine extrem kleine Feststofflöslichkeit in Aluminium und können für die meisten praktischen Zwecke als in Aluminium unlöslich angesehen werden. Als Folge sind Fällungsteilchen auf der Basis von Eisen und den feuerfesten Elementen in Aluminium auch bei erhöhten Temperaturen ziemlich stabil. Die Legierungen werden durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Verfestigung aus der Schmelze mit einer hohen-Geschwindigkeit erfolgt, die vorzugsweise 1O5°C/s überschreitet. Diese hohe Verfestigungsgeschwindigkeit stellt sicher, daß die Fällungsteilchen, die sich bei einer Verfestigung aus der Schmelze bilden, klein und gleichförmig verteilt sind. Die kurze Zeit, die für die Verfestigung zur Verfügung steht, gestattet kein wesentli-The present invention relates to a class of alloys which in some respects combine the advantages of both types of materials described above. The alloys according to the invention are strengthened by precipitation on the basis of iron and one or more refractory elements. Both iron and the refractories have extremely low solids solubility in aluminum and can be considered insoluble in aluminum for most practical purposes. As a result, precipitation particles based on iron and the refractory elements in aluminum are quite stable even at elevated temperatures. The alloys are produced by a process in which solidification from the melt occurs at a high rate, which preferably exceeds 10 5 ° C / s. This high rate of solidification ensures that the precipitate particles which form upon solidification from the melt are small and uniformly distributed. The short time available for solidification does not allow any significant
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ches Teilchenwachstum. Wenn die Verfestigungsgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, dann ergibt sich die Bildung von amorphen oder nicht-kristallinen Bereichen, die reich an Eisen und den feuerfesten Elementen sind. Dies wird bevorzugt, da diese amorphen Bereiche durch thermische Behandlung kontrolliert zersetzt werden können, um eine außergewöhnlich feine Dispersion von Fällungsteilchen zu erzielen. particle growth. If the rate of solidification is sufficiently high, then the formation of amorphous or non-crystalline areas rich in iron and the refractory elements. This is preferred as these amorphous areas can be decomposed in a controlled manner by thermal treatment to produce an exceptional to achieve fine dispersion of precipitation particles.
Eine Kühlgeschwindigkeit, die ungefähr 10sOC/s überschreitet, ergibt Verbindungen aus Eisen und feuerfestem Metall, die eine nicht im Gleichgewicht stehende metastabile Struktur haben. Im Extremfall wird die Struktur amorph sein, während bei niedrigeren Abkühlungsgescnwindigkeiten eine Reihe von verschiedenen nicht im Gleichgewicht stehenden kristallinen Fällungsstrukturen auftreten wird-. Es wird angenommen, daß beim Halten auf höheren Temperaturen die Fällungen diese verschiedenen Strukturen in Richtung auf eine Gleichgewichtsstruktur durchlaufen.A cooling rate exceeding about 10 sO C / s results in compounds of iron and refractory metal which have an imbalanced metastable structure. In the extreme case, the structure will be amorphous, while at lower cooling rates a number of different, non-equilibrium crystalline precipitation structures will occur. It is believed that on holding at higher temperatures, the precipitates traverse these various structures towards an equilibrium structure.
Das Aluminiumlegierungspulver, das auf diese Weise hergestellt wird, wird in einen festen Gegenstand verdichtet. Es können die verschiedensten Verdichtungstechniken verwendet werden, solange die Legierungstemperatur nicnt eine beträchtliche Zeit wesentlich über 35O°C steigt.The aluminum alloy powder produced in this way is compacted into a solid object. A wide variety of densification techniques can be used as long as the alloy temperature does not match rises well above 35O ° C for a considerable period of time.
Die beigefügten Zeichnungen erläutern die Vorteile der Erfindung. The accompanying drawings illustrate the advantages of the invention.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
Figur 1 die Reißfestigkeit als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer .erfindungsgemäßen Legierung..Figure 1 shows the tear strength as a function of temperature various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy according to the invention.
Figur 2 die Streckfestigkeit als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer erfindungsgemäßen Legierung.FIG. 2 shows the yield strength as a function of the temperature of various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy according to the invention.
Figur 3 die Spannungsrißeigenschaften als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer erfindungsgemäßen Legierung; undFigure 3 shows the stress cracking properties as a function of temperature various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy of the invention; and
Figur 4 eine Mikrofotografie einer erfindungsgemäßen Legierung, nachdem sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt worden ist.FIG. 4 is a photomicrograph of an alloy according to the invention after it has been exposed to elevated temperatures is.
Die erfindungsgemäßen Legierungen basieren auf Aluminium und enthalten 5 bis 15 Gew.-% Eisen und 1 bis 5 Gew.-% mindestens eines der feuerfesten Metalle Niob, Zirconium, Hafnium, Titan, Molybdän, Chrom, Wolfram und Vanadium. Vorzugsweise ist das feuerfeste Metall in einer Menge von 15 bis 35 %, bezogen auf den Eisengehalt, anwesend. Diese feuerfesten Elemente vereinigen sich mit Eisen unter Bildung einer verfestigenden Fällungsphase auf der Basis von Al-jFe, wobei das feuerfeste Metall einen Teil des Eisens ersetzt.The alloys according to the invention are based on aluminum and contain 5 to 15% by weight of iron and 1 to 5% by weight of at least one of the refractory metals niobium, zirconium, Hafnium, titanium, molybdenum, chromium, tungsten and vanadium. Preferably the refractory metal is in an amount of 15 to 35%, based on the iron content, present. These Refractory elements combine with iron to form a solidifying precipitation phase based on Al-jFe, the refractory metal being part of the iron replaced.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Auffindung dieser neuen nützlichen verfestigenden Phase. Es können viele weitere Elemente zu dieser Legierung für verschiedene Zwecke zugegeben werden, beispielsweise zum Zwecke einer verbesserten Feststoff lösungsverfestigung und einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit, ohne daß der verfestigende Effekt wesentlich beeinflußt wird, der durch die neue Fällung gemäß der Erfindung erzielt wird. Die Erfindung kann deshalb allgemein beschrieben werden als Aluminiumfeststofflösungsmatrix, welche bis zu 5 Gew.-% eines Feststofflösungsverfestigungselements enthalten.\,kann und welche, auch ungefähr 5 bis ungefähr 30 Vol.-% einer Verfestigungsfällung auf der Basis von .The present invention is based on the discovery of this new useful solidifying phase. There can be many more Elements are added to this alloy for various purposes, for example for the purpose of improved solidity solution strengthening and improved corrosion resistance without the strengthening effect being significant is influenced, which is achieved by the new precipitation according to the invention. The invention can therefore be general are described as an aluminum solid solution matrix, which is up to 5% by weight of a solid solution strengthening element contain. \, can and which, also about 5 to about 30% by volume of a solidification precipitation based on.
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Eisen und mindestens einem der vorstehend erwähnten feuerfesten Metalle enthält. Diese verfestigenden Teilchen besitzen durchschnittliche Durchmesser von weniger als 0,05 pm und vorzugsweise weniger als 0,03 ym und haben typischerweise' einen Abstand von weniger als 0,2 pm.Contains iron and at least one of the aforementioned refractory metals. These solidifying particles have average diameters of less than 0.05 µm and preferably less than 0.03 ym and typically have ' a distance of less than 0.2 pm.
Eine solche Struktur kann durch eine rasche Verfestigung erreicht werden. Um eine solche Struktur zu erreichen, ist es nötig, die Legierung in einer geschmolzenen Form beträchtlich zu überhitzen und hierauf die Legierung in Teilchenform mit einer Geschwindigkeit von mehr als 105°C/s zu verfestigen. Wenn die Gehalte an Eisen und feuerfestem Metall erhöht werden, dann ist eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit nötig, um die gleiche nicht im Gleichgewicht befindliche Struktur zu erzielen. Es gibt zwar verschiedene Techniken, mit denen solche hohe Verfestigungsgeschwindigkeiten erzielt werden können, aber diese Techniken sind überwiegend für die Laborherstellung von kleinen Materialmengen geeignet. Die Technik, die vorzugsweise zur Herstellung von technischen Mengen dieses Materials verwendet wird, ist als die RSR-Technik bekannt. Bei dieser Technik wird eine horizontal angeordnete Scheibe verwendet, die sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr. 20 000-30 000 ü/min dreht, während das zu atomisie'rende Material auf die Scheibe gegossen wird. Die rotierende Scheibe wirft das flüssige Material ab, wobei es durch Heliumgass'trahlen abgekühlt wird. Das Verfahren ist in den US-PSen 4 025 249, 4 053 264 und 4 078 873 beschrieben, auf welche hier Bezug genommen wird. Dies ist zwar das bevorzugte Verfahren, wesentlich ist jedoch nur die Abkühlungsgeschwindigkeit und nicht die Art und Weise, wie bei dem verwendeten Verfahren diese Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht wird. Ein anderer Vorteil des bevorzugten Verfahrens ist die Sauberkeit des erhaltenen Pulvers. Aluminium ist ein reaktives Element. Es ist deshalb erwünscht, daß die Oxydation des Pulvers geringgehalten oder gar vermieden wird. Dies erfordert eine sau-Such a structure can be achieved through rapid solidification. In order to achieve such a structure, it is necessary to considerably overheat the alloy in a molten form and then solidify the alloy in particulate form at a rate of more than 10 5 ° C / sec. As the iron and refractory metal contents are increased, a higher rate of cooling is required to achieve the same unbalanced structure. While there are several techniques that can be used to achieve such high solidification rates, the majority of these techniques are suitable for laboratory production of small quantities of material. The technique that is preferably used to produce technical quantities of this material is known as the RSR technique. This technique uses a horizontally arranged disk that moves at a speed of approximately. Rotates 20,000-30,000 rpm while the material to be atomized is poured onto the disk. The rotating disk ejects the liquid material, whereby it is cooled by helium gas jets. The process is described in U.S. Patents 4,025,249, 4,053,264 and 4,078,873, which are incorporated herein by reference. Although this is the preferred method, it is only the cooling rate that is important and not the manner in which this cooling rate is achieved in the method used. Another advantage of the preferred process is the cleanliness of the powder obtained. Aluminum is a reactive element. It is therefore desirable that the oxidation of the powder is kept low or even avoided. This requires a clean
bere Verarbeitungsvorrichtung. Die verschiedenen vorstehend beschriebenen Verfahren erfüllen diese Notwendigkeit.processing device. The various methods described above meet this need.
Nachdem das Material in einer Teilchenform erhalten worden ist, wird es in einen Gegenstand mit brauchbaren Abmessungen verdichtet. Diese Verdichtung kann unter Verwendung der verschiedensten in der Metallurgie bekannten Verfahren erfolgen. Eine notwendige Bedingung ist jedoch, daß das Material nicht eine wesentliche Zeit auf eine Temperatur beträchtlich über 35O°C erhitzt wird. Wenn das Material über 35O°C erhitzt wird, dann entsteht eine übermäßige Vergröberung der Verfestigungsfällung und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften. Eine erfolgreich verwendete Verdichtungstechnik ist die Extrusion bei Temperaturen von ungefähr 300°C. Eine andere Verdichtungstechnik, die praktikabel erscheint, ist eine dynamiscne Verdichtung unter Verwendung einer Schockwelle, um die Pulverteilchen miteinander zu verbinden, ohne daß ein wesentlicher Temperaturanstieg hervorgerufen wird.After the material has been obtained in particulate form, it is converted into an article of useful dimensions condensed. This densification can be accomplished using any of a variety of methods known in metallurgy take place. A necessary condition, however, is that the material not be at a temperature for a substantial amount of time is heated considerably above 35O ° C. If the material is heated above 350 ° C, it will become excessively coarse solidification precipitation and a reduction in mechanical properties. A successfully used Compaction technology is extrusion at temperatures of around 300 ° C. Another compaction technique that appears practical, dynamic compaction using a shock wave is applied to the powder particles to connect with each other without a significant increase in temperature is caused.
Wie bereits festgestellt, kann diese Klasse von Legierungen eine Reihe von Fällungsstrukturen zeigen, und zwar von amorph bis zur Gleichgewichtskristallstruktur. Wenn extrem hohe Verfestigungsgeschwindigkeiten verwendet worden sind, so daß eine beträchtliche Menge amorpher Phase vorliegt, dann kann es erwünscht sein, diese Phase in eine andere stabilere kristalline Phase zu überführen, bevor der Gegenstand in Gebrauch genommen wird. Dies kann leicht dadurch erreicht werden, daß man den verdichteten Gegenstand auf eine Temperatur zwischen ungefähr 50 und 300°C während einer Zeit erhitzt, die ausreicht, die gewünschte umwandlung zustande zu bringen.As stated earlier, this class of alloys can show a range of precipitation structures, from amorphous to equilibrium crystal structure. If extreme high solidification rates have been used so that a significant amount of amorphous phase is present, then it may be desirable to convert this phase to another more stable crystalline phase before the article is put into use. This can easily be accomplished by having the compacted article heated to a temperature between about 50 and 300 ° C for a time sufficient to achieve the desired conversion bring about.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der Figuren besser verstand-The features of the present invention described above will be better understood upon consideration of the figures.
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lieh. Die Figuren 1, 2 und 3 erläutern die mechanischen Eigenschaften einer bestimmten erfindungsgemäßen Zusammensetzung im Vergleich mit verschiedenen bekannten hoöhfesten Aluminiumlegierungen und zwei üblichen Titanlegierungen. Die Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.borrowed. Figures 1, 2 and 3 illustrate the mechanical properties of a certain composition according to the invention in comparison with various known high-strength aluminum alloys and two conventional titanium alloys. The compositions of the aluminum alloys are shown in Table 1 below.
2014 4,4 % Cu, 0,8 % Si, 0,8 % Mn, 0,4 % Mg2014 4.4% Cu, 0.8% Si, 0.8% Mn, 0.4 % Mg
2219 6,3 % Cu, 0,3 % Mn, 0,1 % V, 0,15 % Zr2219 6.3% Cu, 0.3% Mn, 0.1% V, 0.15% Zr
2618 2,3 % Cu, 1,6 % Mg, 1,0% Ni, 1,1% Fe2618 2.3% Cu, 1.6% Mg, 1.0% Ni, 1.1% Fe
7075 5,6 % Zn, 1,6 % Cu, 2,5 % Mg, 0,3 % Cr7075 5.6 % Zn, 1.6% Cu, 2.5% Mg, 0.3% Cr
Solche Titan- und Aluminiumlegierungen werden üblicherweise dort verwendet, wo eine hohe Festigkeit und eine niedrige Dichte erforderlich sind. Titanlegierungen sind im allgemeinen fester und behalten ihre Festigkeit bei höheren Temperaturen bei, als dies bei Aluminiumlegiörungen der Fall ist. Jedoch ist Titan viel teurer als Aluminium, weshalb ein großer Bedarf für hochfeste Aluminiumlegierungen besteht, und zwar insbesondere für solche, die ihre Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten, können. Die erfindungsgemäßen Legierungen überbrücken diese Kluft in den Eigenschaften zwischen herkömmlichen Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen.Such titanium and aluminum alloys are commonly used Used where high strength and low density are required. Titanium alloys are generally stronger and retain their strength at higher temperatures than aluminum alloys the case is. However, titanium is much more expensive than aluminum, so there is a great need for high strength aluminum alloys exists, especially for those who can maintain their strength at elevated temperatures. The alloys according to the invention bridge this gap in properties between conventional aluminum alloys and titanium alloys.
Bei Anwendungen in rotierenden Maschinen, wo also die auf ein Bauteil ausgeübten Spannungen weitgehend das Ergebnis von auf dieses Bauteil wirkenden Zentrifugalkräften sind, ist die absolute Festigkeit nicht so wichtig wie das Verhältnis von Festigkeit Zu Dieh-te, Aus waheliegenöten .Öffinden entwickeln Gegenstände mit einer hohen Dichte größereFor applications in rotating machines, where the stresses exerted on a component are largely the result of centrifugal forces acting on this component, the absolute strength is not as important as the ratio of strength to the objects to choose from. Finding objects develop with a high density larger
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innere Spannungen als identische Gegenstände niedrigerer Dichte. Titanlegierungen sind etwas dichter als Aluminiumlegierungen. Die Figuren 1, 2 und 3 enthalten jeweils eine gestrichelte Linie, welche eine theoretische Aluminiumlegierung repräsentiert, die bei der Dichte einer typischen Aluminiumlegierung das Festigkeit/Dichte-Verhältnis einer üblichen Titanlegierung (Ti-6A1-4V) aufweist. Wenn eine Aluminiumlegierung entwickelt werden könnte, welche die durch die gestrichelte Linie festgelegten Eigenschaften erreichte oder gar überschritte, dann entspräche eine solche Legierung bei Hochleistungsanwendungen, insbesondere rotierenden Maschinen, in vielen Hinsichten dem Titan.internal tensions as identical objects of lower density. Titanium alloys are slightly denser than aluminum alloys. FIGS. 1, 2 and 3 each contain a dashed line which represents a theoretical aluminum alloy which, at the density of a typical aluminum alloy, has the strength / density ratio of a conventional titanium alloy (Ti-6A1-4V). If an aluminum alloy could be developed which achieved or even exceeded the properties specified by the dashed line, then such an alloy would correspond in many respects to titanium in high-performance applications, in particular rotating machines.
Eine erfindungsgemäße Legierung wurde hergestellt, und an dieser Legierung wurden die mechanischen Eigenschaften bestimmt. Die Legierung war eine einfache, welche 8 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Molybdän und im übrigen Aluminium enthielt. Sie wurde unter Verwendung des vorstehend beschriebenen raschen Verfestigungsverfahrens mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mehr als ungefähr 1O6°C/s hergestellt. Das Ergebnis dieses AbkühlungsVerfahrens war ein Pulvermaterial, das verdichtet und heiß extrudiert wurde, um ein Material herzustellen, aus dem Proben herausgearbeitet werden konnten.An alloy according to the invention was produced and the mechanical properties of this alloy were determined. The alloy was a simple one, containing 8% by weight iron, 2% by weight molybdenum and the remainder aluminum. It was made using the rapid solidification process described above with a cooling rate greater than about 10 6 ° C / sec. The result of this cooling process was a powder material that was compacted and hot extruded to make a material from which samples could be machined.
Figur 1 zeigt neben der Reißfestigkeit als Funktion der Temperatur von verschiedenen herkömmlichen Aluminium- und Titanlegierungen auch eine Kurve, welche die Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Al-8Fe-2Mo-Legierung erläutert, wie auch eine gestrichelte Linie, welche die Reißfestigkeit einer theoretischen Legierung mit dem Festigkeits/Dichte-Verhältnis von Ti-6A1-4V und der Dichte von Aluminium aufweist. Eine Aluminiumlegierung mit dieser Kombination von Festigkeit und Dichte könnte direkt anstelle von Ti-6A1-4V in rotierenden Maschinen eingesetztFigure 1 shows in addition to the tear strength as a function of temperature of various conventional aluminum and Titanium alloys also have a curve that explains the properties of the Al-8Fe-2Mo alloy described above, as well as a dashed line showing the tensile strength of a theoretical alloy with the strength / density ratio of Ti-6A1-4V and the density of aluminum. An aluminum alloy with this one Combination of strength and density could be used directly in place of Ti-6A1-4V in rotating machinery
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werden. Es ist ersichtlich, daß hinsichtlich dor Reißfestigkeit bei höheren Temperaturen die erfindungsgemäße Legierung wesentlich besser ist als die herkömmliöhen hochfesten Aluminiumlegiarungen. Von Temperaturen von 1OO°C aufwärts ist die erfindungsgemäße Legierung Sestet1 als die bekannten Legierungen. Bei höheren Temperaturen, wie z.B. bei 29O°C, ist die Überlegenheit der erfindungägeirtäßen Legierung beträchtlich, da bei 29O0C die festeste herkömmliche Aluminiumlegierung eine Reißfestigkeit von ungefähr 137,9 MPa aufweist, während die erfindungsgemäße Lfegierung die doppelte Festigkeit von 275,8 MPa besitzt. Im Vergleich hierzu hätte die theoretische Aluminiumlegierung mit dem Festigkeit/Dichte-Verhältnis von Titan eine Reißfestigkeit von 413,7 MPa. Hinsichtlich der Reißfestigkeit als Funktion der Temperatur überbrückt also die erfinduiigsfemäße Legierung die Kluft zwischen herkömmlichen Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen.will. It can be seen that the alloy according to the invention is significantly better than the conventional high-strength aluminum alloys with regard to the tensile strength at higher temperatures. From temperatures of 100 ° C. upwards, the alloy according to the invention is Sestet 1 than the known alloys. At higher temperatures, such as at 29o ° C, the superiority of the alloy erfindungägeirtäßen is considerable, since at 29o 0 C the strongest conventional aluminum alloy has a tensile strength of about 137.9 MPa, while the invention Lfegierung twice the strength of 275.8 MPa owns. In comparison, the theoretical aluminum alloy with the strength / density ratio of titanium would have a tensile strength of 413.7 MPa. With regard to the tear strength as a function of temperature, the alloy according to the invention bridges the gap between conventional aluminum alloys and titanium alloys.
Figur 2 zeigt einen ähnlichen Vergleich der Festigkeit gegenüber der Temperatur, außer daß der Festigkeitäparameter die Streckfestigkeit ist (gemessen bei einer Streckung von 0,2 %). Auch hier sind wiederum Kurven für herkömmliche hochfeste Aluminium- und Titanlegierungen und öine gestrichelte Linie eingetragen, welche die Streökföstigkeit einer Legierung mit dem Streckfestigkeit/Dichte-Verhältnis von T1-6A1-4V repräsentiert. Hinsichtlieh der Streckfestigkeit liegt die erfindungsgemäße Legierung (Al-8Fe-2Mo) sehr nahe an der theoretischen Legierung und ist wesentlich besser als die herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen. Ein wesentliches Merkmal, das aus Figur 2 hervorgeht, liegt darin, daß die herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen im Temperaturbereich von ungefähr 125 bis ungefähr 25O°c einen beträchtlichen Abfall der Streckfestigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäßfe Legierung zeigt bis zu einer Temperatur in der Nähe Von 35O°CFigure 2 shows a similar comparison of strength versus temperature, except that the strength parameter is the yield strength (measured at 0.2% elongation). Again, there are curves for conventional ones high-strength aluminum and titanium alloys and a dashed line entered, which indicates the stress an alloy with the yield strength / density ratio of T1-6A1-4V. Respect the The alloy according to the invention (Al-8Fe-2Mo) is very close to the theoretical alloy and yield strength is much better than the conventional high-strength aluminum alloys. A key feature that comes from figure 2 is that the conventional high strength aluminum alloys in the temperature range of about 125 to about 250 ° C exhibit a significant drop in yield strength. The alloy according to the invention shows up to a temperature near 35O ° C
3H44453H4445
keine scharfe Abnahme der Streckfestigkeit. Dies bedeutet eine Erhöhung von ungerähr 10O0C der üblichen Betriebstemperatur bei Anwendung des erfindungsgemäßen Materials. Die erhöhte Erweichungstemperatur der erfindungsgemäßen Legierung ist ein Anzeichen für eine größere Stabilität der Legierung.no sharp decrease in yield strength. This means an increase of approximately 10O 0 C of the usual operating temperature when using the material according to the invention. The increased softening temperature of the alloy according to the invention is an indication of a greater stability of the alloy.
Figur 3 zeigt die Spannungsrißeigenschaften von verschiedenen hochfesten Aluminium- und Titanlegierungen als Funktion der Temperatur. Auch hier sind die Eigenschaften einer theoretischen Aluminiumlegierung mit dem Festigkeit/Dichte-Verhältnis von Ti-6A1-4V gezeigt. Die gezeigten Kurven bedeuten die Spannung, die bei einer gegebenen Temperatur erforderlich ist, um in einer Probe nach 1000 h einen Riß zu erzeugen. Auch hier erweist sich die erfindungsgemäße Legierung den herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen überlegen.Figure 3 shows the stress cracking properties of various high strength aluminum and titanium alloys as a function the temperature. Again, the properties of a theoretical aluminum alloy with the strength / density ratio of Ti-6A1-4V. The curves shown represent the voltage at a given temperature is required to generate a crack in a sample after 1000 hours. Here, too, the invention proves itself Alloy superior to conventional high-strength aluminum alloys.
Figur 4 zeigt eine Aufnahme mit einem Elektronenmikroskop des vorher beschriebenen Materials Al-8Fe-2Mo nach einer Erhitzung während 4 h auf 29O°C. Das wesentliche Merkmal, das aus dieser Mikrofotografie ersichtlich ist, besteht darin, daß die ausgefallene Phase auch dann extrem fein ist, wenn das Material eine solche Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, welche bei allen herkömmlichen Aluminiumlegierungen eine beträchtliche Erweichung hervorrufen würde. Die Fällung besitzt nach dieser Behandlung einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,01 μm.Figure 4 shows a picture with an electron microscope of the previously described material Al-8Fe-2Mo after a Heating to 29O ° C for 4 h. The essential feature that can be seen from this photomicrograph is in that the precipitated phase is extremely fine even if the material is increased for such a time Temperature is exposed, which would cause a considerable softening of all conventional aluminum alloys. The precipitation has after this treatment a diameter of the order of 0.01 μm.
Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen auch höhere Elastizitätsmoduln als herkömmliche Aluminiumlegierungen. Der Elastizitätsmodul bezieht sich auf die Steifheit der Legierung; hohe Modulwerte sind für eine Anzahl von Bauteilen erwünscht. Herkömmliche Aluminiumlegierungen besitzen Modulwerte von ungefähr 68 950 MPa und herkömmlicheThe alloys according to the invention also have higher Modulus of elasticity than conventional aluminum alloys. The modulus of elasticity refers to the stiffness of the Alloy; high modulus values are desirable for a number of components. Conventional aluminum alloys possess Modulus values of around 68,950 MPa and conventional
3U4A453U4A45
Titanlegierungen besitzen Modulwer'te von 96 430- 110 MPa. Der gemessene Wert für den Modul der vorstehend beschriebenen Al-8Fe-2Mo-Legierung ist 85 498 MPg. Der Bereich der Modulwerte für die erfindungsgemäßen Legierungen beträgt 82 740-110 320 MPa. Titanium alloys have module values of 96 430-110 MPa. The measured value for the modulus of the above-described Al-8Fe-2Mo alloy is 85,498 MPg. The range of modulus values for the alloys according to the invention is 82 740-110 320 MPa.
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