DE69504802T2 - Blech aus einer aluminium-silizium-legierung fuer machinen- oder flugzeugbau und die raumfahrt - Google Patents
Blech aus einer aluminium-silizium-legierung fuer machinen- oder flugzeugbau und die raumfahrtInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der Bleche aus mittel- und hochfesten Aluminiumlegierungen zur Verwendung im Maschinen- oder Flugzeugbau und in der Raumfahrt und Rüstung.
- Im Flugzeugbau und in der Raumfahrt werden seit vielen Jahren hochfeste Aluminiumlegierungen verwendet, im wesentlichen Al-Cu-Legierungen der Serie 2000 (gemäß der Bezeichnung der Aluminium Association USA), z. B. die Legierungen 2014, 2019 und 2024, und Al-Zn-Mg- und Al-Zn-Mg-Cu- Legierungen der Serie 7000, z. B. die Legierungen 7020 und 7075.
- Die Wahl einer Legierung und eines Umwandlungsprogramms, insbesondere eines Wärmebehandlungsprogramms, ist das Ergebnis eines oft delikaten Kompromisses zwischen verschiedenen Gebrauchseigenschaften, wie z. B. statischen mechanischen Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Dehngrenze, Elastizitätsmodul, Dehnung), Dauerfestigkeit, die für Flugzeuge mit wiederholten Start- und Landezyklen wichtig ist, Bruchzähigkeit, d. h. Rißausbreitungsfestigkeit, und Spannungskorrosion. Weiterhin zu berücksichtigen ist die Gieß-, Walz- und Wärmebehandlungsfähigkeit der Legierung, ihre Dichte und gegebenenfalls ihre Schweißbarkeit.
- Die Eigenschaften der 2000- und 7000-Legierungen, die in Feinblechen für Flugzeugrümpfe und in Mittel- und Dickblechen für Tragflügel bzw. Kryogentanks von Trägerraketen und Flugkörpern zum Einsatz kommen, werden seit mehr als 30 Jahren mit kontinuierlichem Fortschritt verbessert, insbesondere mit dem Ziel, das Gewicht der Strukturen zu verringern, ohne jedoch die anderen Eigenschaften zu beeinträchtigen.
- Einen wichtigen Schritt bei dieser Gewichtsverringerung stellt die Entwicklung der Aluminium-Lithium-Legierungen dar. So führt eine 8090-Legierung mit 2,6 % Lithium zu einem spezifischen Modul (Verhältnis Elastizitätsmodul zu Dichte), das ca. 20% über dem der 2024-Legierung und 24% über dem der 7075-Legierung liegt. Auch die Legierungen mit einem höheren Gehalt an Kupfer und einem niedrigeren Gehalt an Lithium, wie z. B. die 2095, wurden wegen ihres guten Kompromisses zwischen Dichte, Elastizitätsmodul und Schweißbarkeit entwickelt. Der Gewinn im Hinblick auf den spezifischen Modul liegt in diesem Fall bei ca. 12% im Vergleich zur 2219. Jedoch werden diese Legierungen insbesondere wegen ihrer hohen Herstellungskosten bisher noch wenig verwendet.
- Im Verlauf ihrer Suche nach Legierungen, mit denen die Flugzeugstrukturen leichter gemacht werden können, hat die Anmelderin festgestellt, daß eine andere, gewöhnlich als Guß verwendete Legierungsgattung, nämlich die Al-Si- Legierungen der Serie 4000, es nicht nur ermöglicht, den spezifischen Modul in Bezug auf die 2000- und 7000-Legierungen spürbar, d. h. um 3 bis 10%, zu verbessern, sondern daß sie auch auch eine Reihe von Eigenschaften bezüglich Bruchzähigkeit, Dauerfestigkeit und Spannungskorrosion aufweist, die den strengen Anforderungen im Flugzeugbau genügen, ohne daß beim Gießen, Walzen und bei der Wärmebehandlung größere Probleme auftreten.
- Außerdem lassen sich diese Legierungen bei weitem besser schweißen als die meisten 2000- und 7000-Legierungen und zumindest ebenso gut wie die speziell zum Schweißen bestimmten Legierungen dieser Serie, wie die 2219- und 7020-Legierungen. Sie weisen schließlich eine Temperaturbeständigkeit auf, die bei weitem besser ist als die der meisten 2000- und 7000-Legierungen, und zumindest genauso gut wie die speziell für ihr Temperaturverhalten entwickelten Legierungen dieser Serie, z. B. die 2019- und 2618-Legierungen.
- Al-Si-Legierungen werden vorwiegend zur Herstellung von Gußteilen verwendet. Sie weisen jedoch in dieser Form, was die mechanische Festigkeit, die Dauerfestigkeit und die Bruchzähigkeit betrifft, bei weitem schlechtere Eigenschaften auf als die Umformungs- und Knetlegierungen der Serie 2000 und 7000, die in Strukturteilen verwendet werden. In seltenen Fällen können sie in gewalzter Form eingesetzt werden, insbesondere für die Schutzschicht plattierter Bleche zur Herstellung verlöteter Wärmeaustauscher. So werden beispielsweise die Legierungen 4343, 4104, 4045 und 4047 verwendet, wobei es sich in diesem Fall bei den gewünschten Eigenschaften im wesentlichen um einen niedrigen Schmelzpunkt und eine gute Benetzbarkeit handelt.
- Al-Si-Legierungen können auch zur Herstellung von Stangen und Profilen stranggepreßt werden, welche aufgrund ihrer guten Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit in Maschinenteilen verwendet werden, wie z. B. in Kurbelstangen, Hauptzylindern für Bremsen, Antriebswellen, Lagern und verschiedenen Motor- und Kompressorbauteilen. Eine der dazu verwendeten Legierungen ist die 4032.
- Das französische Patent FR 2291284 beschreibt die Herstellung von Blechen aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit 4 bis 15% Si je Strangguß zwischen zwei abgekühlten Zylindern. Mit dieser Gußart soll die Bruchdehnung und damit die Verformbarkeit erhöht werden. Dabei handelt es sich nicht um hochfeste Bleche, die in Strukturanwendungen einsetzbar sind, da die Bleche nur geglüht werden und die beispielhaft angegebenen Dehngrenzen 220 MPa nicht überschreiten.
- Jedoch ist bisher niemand auf den Gedanken gekommen, durch eine sinnvoll gewählte Zusammensetzung und ein geeignetes Wärmebehandlungsprogramm Bleche aus hochfesten Al-Si-Legierungen auszuarbeiten, die in Strukturanwendungen, insbesondere im Maschinen-, Schiff- oder Flugzeubau, durch mechanische oder Schweißverbindungen verwendet werden können.
- Gegenstand der Erfindung sind somit Bleche für den Maschinen-, Schiff- oder Flugzeugbau und die Raumfahrt, die durch Lösungsglühen, Abschrecken und eventuell Warmauslagerung warmbehandelt werden, um eine Dehngrenze R0,2 von über 320 MPa zu erreichen, aus einer Legierung mit folgender Zusammensetzung (in Masse-%):
- Si: 6,5 bis 11%
- Mg: 0,5 bis 1,0%
- CU: < 0,8%
- Fe: < 0,3
- Mn: < 0,5% und/oder Cr: < 0,5%
- Sr: 0,008 bis 0,025%
- Ti: < 0,02%
- wobei die weiteren Elemente weniger als 0,2% betragen und der Rest Aluminium ist.
- Der Si-Gehalt beträgt vorzugweise 6,5 bis 8% und entspricht damit dem der AS7G-Legierung.
- Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von insbesondere Mittel- und Dickblechen aus dieser Legierung für die Flügelunterseiten von Flugzeugen, von insbesondere Feinblechen für die Rumpfbeschichtung von Flugzeugen, von Blechen zur Herstellung von Kryogentanks für Raketen, Böden und Kübeln für Nutzfahrzeuge sowie Schiffsrümpfen und Schiffsaufbauten.
- Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von Blechen nach Anspruch 9.
- Die erfindungsgemäßen Bleche haben Siliziumgehalte, die insgesamt den AS7G- und AS9G-Bereichen gemäß der französischen Norm NF A 57-702 bzw. den Bezeichnungen A 357 und A 359 der Aluminium Association entsprechen.
- Der Magnesiumgehalt darf nicht höher als 1% sein, damit sich keine unlösliche intermetallische Mg&sub2;Si-Verbindung bildet. Der Kupfergehalt muß auf 0,8% beschränkt werden, um die Bildung unlöslicher Mg&sub2;Si- und Q-Phasen (AlMgSiCu) zu verhindern. Durch diesen Gehalt kann auch die interkristalline Korrosionsanfälligkeit in Grenzen gehalten werden.
- Auch der Eisengehalt ist auf 0,3% und vorzugsweise 0,08% beschränkt, wie es bei den 7000-Legierungen für Dickbleche der Fall ist, wenn man eine gute Bruchzähigkeit und/oder eine gute Dehnung braucht. Das Vorhandensein von Titan hängt mit der Raffination der Titanplatten zusammen, wobei diese Raffination in gleicher Weise bei den derzeitigen mittel- und hochfesten Legierungen durchgeführt wird.
- Wie dies gewöhnlich bei hochwertigen Gußlegierungen der Fall ist, muß die Legierung umgewandelt werden, um die Bildung von primärem Silizium zu verhindern und ein feinstverteiltes eutektisches Fasergefüge zu erhalten. Für diesen Vorgang ist Strontium besser geeignet als Natrium, welches bei der Umwandlung eine Warmbrüchigkeit bewirken könnte.
- Hergestellt werden können die erfindungsgemäßen Bleche durch vertikalen Plattenguß, Warmwalzen bis auf 6 mm, eventuelles Kaltwalzen bei Dünnblechen, Lösungsglühen bei 545 bis 555ºC, Abschrecken in kaltem Wasser, Kaltauslagerung bei Umgebungstemperatur und/oder Warmauslagerung von 6 bis 24 Std. bei einer Temperatur von 150 bis 195ºC.
- Vor dem Warmwalzen kann eine Homogenisierung bei 530 bis 550ºC während einer Dauer von weniger als 20 Std. durchgeführt werden, d. h. einer genügend kurzen Dauer, um zu verhindern, daß das Fasereutektikum kleine Körperchen bildet und die Mangan- und/oder Chromdispersoide, sofern sie in der Legierung enthalten sind, deutlich zusammenwachsen. Wird keine Homogenisierung durchgeführt, so erhält man im Endzustand ein sehr feines eutektisches Mikrogefüge ohne Körperchen, die sich günstig auf die Bruchzähigkeit auswirkt.
- Auf diese Weise kann im Zustand T6 folgendes Ergebnis erhalten werden eine Dehngrenze von über 320 und sogar 340 MPa, eine Dehnung von mehr als 6% in Querlängsrichtung und 9% in Längsrichtung und eine mit dem kritischen Spannungsintensitätsfaktor Kic gemessene Bruchzähigkeit von mehr als 20 MPaVm.
- Unter diesen Bedingungen läßt sich die Legierung mit den herkömmlichen, kontinuierlichen oder pulsierenden TIG- bzw. MIG-Verfahren schweißen, je nachdem ob es sich um ein Dünn- oder Dickblech handelt, und ihre Dichte ist stets geringer als die der herkömmlichen 2000- und 7000-Legierungen sowie der Al-Li-Legierungen mit einem Lithium-Gehalt von weniger als 1%.
- Durch Vertikalguß wurden Platten mit einem Querschnitt von 380 · 120 mm aus einer Legierung mit folgender Zusammensetzung (in Masse-%) erarbeitet:
- Si: 6,77
- Mg: 0,59
- Cu: 0,24
- Fe: 0,06
- Mn: 0,31
- Sr: 0,016%
- Ti: 6,77%
- wobei die weiteren Elemente insgesamt weniger als 0,2% betragen und der Rest Aluminium ist.
- Die Legierung wurde nach 4-stündiger Erwärmung während 8 Std. bei 550ºC homogenisiert, während 2 Std. auf 500ºC erwärmt und danach auf einem Reversierwalzwerk bis auf 20 mm Dicke warmgewalzt. Zugeschnittene Bleche wurden während 2 Std. bei 550ºC lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und während 8 Std. bei 175ºC warmausgelagert, also ein Zustand T651 nach der Bezeichnung der Aluminium Association.
- Die Legierung weist eine Dichte von 2,678 auf, und mit der Elastizitätshystereseschleifen-Methode wurde auf dem Blech ein Elastizitätsmodul E von 74100 MPa gemessen, d. h. ein spezifischer Modul von 27670 MPa; beim Vergleich mit den jeweils entsprechenden Werten 2,770, 72500 MPa und 26175 MPa für ein Blech gleicher Dicke aus einer 2024-Legierung im Zustand T351, ergibt sich für den spezifischen Modul eine Erhöhung von 5,7%. Diese Erhöhung beträgt mehr als 9% bei der 2219-Legierung für Schweißkonstruktionen.
- Die mechanischen Eigenschaften, verglichen mit denen eines Bleches aus der 2024-Legierung im Zustand T351, sind die folgenden:
- Mit der gleichen Legierung wie in Beispiel 1 werden die gleichen Vorgänge durchgeführt, abgesehen davon, daß die Platte vor dem Erwärmen, das seinerseits vor dem Warmwalzen erfolgt, nicht homogenisiert wird. Auf dem 20 mm dicken Blech wird ein Elastizitätsmodul von 74170 MPa ermittelt, d. h. eine 5,7 %ige Erhöhung des spezifischen Moduls im Vergleich zur 2024 im Zustand T351.
- Die auf dem 20 mm-Blech gemessenen mechanischen Eigenschaften sind die folgenden:
- Dabei wird festgestellt, daß sich die Nichthomogenisierung günstig auf die Dehnung und Bruchzähigkeit auswirkt. Eine Vergleichsprüfung des Mikrogefüges zeigt, daß die durchschnittliche Größe der Siliziumpartikel, die beim homogenisierten Blech ca. 7 Mikrometer betrug, beim nicht homogenisierten Blech weniger als 4 Mikrometer beträgt.
Claims (11)
1. Blech aus hochfester Aluminiumlegierung, das durch Lösungsglühen,
Abschrecken und eventuell Warmauslagerung warmbehandelt wird, um eine
Dehngrenze R0,2 von über 320 MPa zu erreichen, zur Verwendung im
Maschinenbau, Schiffbau, in der Luftfahrt- oder Raumfahrttechnik, mit
folgender Zusammensetzung (in Masse-%):
Si: 6,5 bis 11%
Mg: 0,5 bis 1,0%
Cu: < 0,8%
Fe: < 0,3%
Mn: < 0,5% und/oder Cr: < 0,5%
Sr: 0,008 bis 0,025%
Ti: < 0,02
Weitere Elemente insgesamt: < 0,2%
Aluminiumwaage.
2. Blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Si-Gehalt 6,5
bis 8% beträgt.
3. Blech nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Eisengehalt weniger als 0,08% beträgt.
4. Verwendung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur
Herstellung von Flügelunterseiten für Flugzeuge.
5. Verwendung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur
Rumpfbeschichtung von Flugzeugen.
6. Verwendung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur
Herstellung von Kryogentanks für Raketen.
7. Verwendung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur
Herstellung von Böden oder Kübeln für Nutzfahrzeuge.
8. Verwendung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Bau
von Schiffsrümpfen und Schiffsaufbauten.
9. Verfahren zur Herstellung von Blechen nach einem der Ansprüche 1 bis
3 mit folgenden Schritten
- Gießen einer Platte
- Aufwärmen bei 480 bis 520ºC
- Warm- und ggfs. Kaltwalzen
- Lösungsglühen bei 545 bis 555ºC
- Abschrecken in kaltem Wasser und
- Kalt- und/oder Warmauslagerung.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem
Aufwärmen eine Homogenisierung bei 530 bis 550ºC während einer Dauer von
weniger als 20 Std. durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Warmauslagerung von 6 bis 24 Std. bei 150 bis
195ºC durchgeführt wird.
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