DE69823387T2

DE69823387T2 - Aluminium legierung mit hoher zähigkeit für die verwendung in der luftfahrt

Info

Publication number: DE69823387T2
Application number: DE69823387T
Authority: DE
Inventors: John Liu; J. Dhruba CHAKRABARTI; W. Robert WESTERLUND; H. Gary BRAY; N. Terrence THOM
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JP4786791B2; WO1999031287A1; EP1042521A1; EP1042521B1; ES2219932T3; KR20010033057A; US6576071B2; EP1042521B8; JP2002508446A; DE69823387D1; US6444058B1; US20020079027A1; KR100510077B1; AU2199499A

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Legierung der Reihe 2000, die für Tragflächen und Konstruktionseinsatzstücke für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu verwenden sind.
Die Anforderungen, die an Aluminiumlegierungen gestellt werden, sind mit jeder neuen Flugzeugserie, die von der Luft- und Raumfahrtindustrie gefertigt worden ist, immer strenger geworden. Die Stoßrichtung ist die Bereitstellung von Aluminiumlegierungen, die fester und höher belastbar sind als die Generation der Legierungen zuvor, so dass die Luft- und Raumfahrtindustrie die Masse der Flugzeuge herabsetzen kann, die gebaut werden, um die Flugreichweite auszudehnen und Kraftstoffeinsparungen zu realisieren, Motoranforderungen und andere ökonomische Gesichtspunkte, die von einem leichteren Flugzeug erreicht werden können. Die Frage besteht zweifellos darin, der Luft- und Raumfahrtindustrie eine Aluminiumlegierung hoher Belastbarkeit und Festigkeit bereitzustellen, die leichter ist als Luft.
Die US-P-5 213 639 richtet sich auf eine Erfindung, die eine Legierung der Reihe 2000 bereitstellt, die ein Aluminiumprodukt mit verbesserten Werten der Zähigkeit und Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit bei guten Festigkeitswerten liefert. Wie in der Patentschrift ausführlich dargelegt wird, die hiermit als Fundstelle einbezogen ist, gibt es oftmals Nachteile in der Behandlung einer Aluminiumlegierung, bei der es schwierig ist, nicht die eine Eigenschaft zugunsten der Verbesserung einer anderen durch Veränderung des Fertigungsprozesses der Legierung zu opfern. Beispielsweise können durch Änderung der Wärmebehandlung oder Alterung der Legierung zur Erhöhung der Festigkeit die Zähigkeitswerte abnehmen. Das eigentliche Ziel für die Fachwelt auf dem Gebiet der Aluminiumlegierungen besteht darin, dass man in der Lage ist, die eine Eigenschaft ohne Herabsetzung irgendeiner anderen Eigenschaft zu verbessern und dadurch die Legierung für die vorgesehene Aufgabe nicht weniger interessant zu machen.
Die PCT-Patentveröffentlichung WO 96/29440 lehrt den Vorteil einer Wärmebehandlung, die zu Aluminiumlegierungen führt, die bis in einen Bereich hinein erhitzt wird, in welchem ein Einphasengebiet einer Aluminiumlegierungsmatrix besteht, es gelingt jedoch nicht, die Einflüsse von Mangan und Eisen auf das Aluminium-Kupfer-Zustandsdiagramm zu erhellen.
Die auf Bruch ansprechenden Eigenschaften in Konstruktionsteilen der Luft- und Raumfahrt, wie beispielsweise Bruchzähigkeit, Anfangsermüdungsfestigkeit und Beständigkeit gegen Ausbreitung von Ermüdungsrissen, werden durch das Vorhandensein von Bestandteilen einer zweiten Phase nachteilig beeinflusst. Dieses hängt mit Spannungen zusammen, die aus der Belastung während des Einsatzes resultieren, die sich bei Bestandteilen oder Partikeln dieser zweiten Phase konzentrieren. Während in bestimmten Legierungen der Luft- und Raumfahrt Grundmetalle höherer Reinheit verwendet werden, um die Eigenschaften der Rissempfindlichkeit zu verbessern, erreichen die Eigenschaftsmerkmale noch immer nicht die angestrebten Werte und speziell die Bruchzähigkeit, wie beispielsweise die Legierung 2324-T39 für das Hartblech der unteren Tragfläche, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie als Standard angesehen werden. Damit ist zu demonstrieren, dass die Verwendung von Grundmetall hoher Reinheit von sich aus unzureichend ist, um ein Maximum an Bruch- und Ermüdungsfestigkeit in der Legierung zu gewähren.
Die vorliegende Erfindung gewährt eine Verbesserung der Eigenschaften, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Bruchzähigkeit bei ebener Verformung und ebener Spannung, einer Erhöhung der Bruchlastspielzahl und Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit und Kombinationen davon. Dieses alles sind in einer Legierung für Luft- und Raumfahrt angestrebte Eigenschaften. In der Praxis der vorliegenden Erfindung wird in die Legierung eine Strategie der Kontrolle einer ausgewogenen Zusammensetzung durch Anwendung einer maximalen Wärmebehandlungstemperatur unter gleichzeitiger Vermeidung eines anfänglichen Schmelzens der Legierung einbezogen. Die Verwendung von Grundmetall hoher Reinheit und eine systematische Berechnung anhand empirisch abgeleiteter Gleichungen werden zur Ermittlung der optimalen Menge der wichtigsten Legierungselemente implementiert. Danach wird der Gesamtvolumenanteil von Bestandteilen, der sich aus Eisen und Silicium ableitet sowie von den wichtigsten Legierungselementen Kupfer und Magnesium unterhalb einer bestimmten Grenzzusammensetzung gehalten.
Die Verbesserung der vorgenannten Eigenschaften über den Tisch ermöglicht der Luft- und Raumfahrtindustrie, ihre Flugzeuge gänzlich anders zu konstruieren, da diese Eigenschaften nach der Praxis der vorliegenden Erfindung zuverlässig eingehalten werden. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung erweisen sich als nützlich für die Herstellung von Passagier- und Frachtflugzeugen und sind besonders verwendbar in Konstruktionsteilen von Produkten der Luft- und Raumfahrt, die im Einsatz Zuglasten aufnehmen, wie beispielsweise die untere Tragfläche.
Die vorliegende Erfindung, die durch die beigefügten Patentansprüche festgelegt ist, richtet sich auf Zusammensetzungen von Aluminiumlegierungen der Reihen 2000, die durch die "Aluminum Association" festgelegt sind, wonach die Zusammensetzung 3,60 bis 4,05 Kupfer aufweisen, 1,25 bis 1,45 Magnesium, 0,55 bis 0,80 Mangan, nicht mehr als 0,05 Silicium, nicht mehr als 0,07 Eisen, nicht mehr als 0,06 Titan, nicht mehr als 0,002 Beryllium, Rest Aluminium und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen. Vorzugsweise weist die Zusammensetzung in Gew.-% 3,85 bis 4,05 Kupfer auf, 1,25 bis 1,45 Magnesium, 0,55 bis 0,65 Mangan, nicht mehr als 0,04 Silicium, nicht mehr als 0,05 Eisen, nicht mehr als 0,04 Titan, nicht mehr als 0,002 Beryllium, Rest Aluminium und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen.
In der Praxis der Erfindung soll die Wärmebehandlungstemperatur, T_max, so hoch wie möglich eingeregelt werden, aber noch zuverlässig unterhalb der niedrigsten auftretenden Schmelztemperatur der Legierung, die etwa 502°C (935°F) beträgt. Die beobachteten Verbesserungen sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bruchzähigkeit bei ebener Verformung und Bruchzähigkeit bei ebener Belastung, Ermüdungsfestigkeit und Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit und Kombinationen davon, während die weitgehende Einhaltung der Festigkeit dadurch gewährleistet ist, dass die Partikel der zweiten Phase, die sich von Fe und Si ableiten sowie solche, die sich von Cu und/oder Mg ableiten, durch die Zusammensetzungskontrolle und während der Wärmebehandlung weitgehend eliminiert sind. Die Fe-tragenden Partikel der zweiten Phase werden durch Verwendung von Grundmetall hoher Reinheit mit geringem Fe-Gehalt auf ein Minimum gehalten. Obgleich es wünschenswert ist, überhaupt kein Fe und Si vorliegen zu haben, ist jedoch aufgrund der kommerziellen Kosten ein geringer Gehalt an Fe und Si nach dem bevorzugten, nachfolgend beschriebenen Zusammensetzungsbereich für die Aufgaben der vorliegenden Erfindung akzeptabel.
Die Bruchzähigkeit einer Legierung ist ein Maß für die Beständigkeit gegenüber schnellem Bruch bei einem bereits existierenden Riss oder einem vorhandenen rissähnlichen Fehler. Die Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, ist ein Maß für die Bruchzähigkeit dicker Blechprofile mit einem Spannungszustand, der überwiegend ein ebener Verformungszustand ist. Die scheinbare Bruchzähigkeit, K_App, ist ein Maß für die Bruchzähigkeit dünnerer Profile, die einen Spannungszustand haben, der überwiegend ein ebener Spannungszustand oder eine Mischung eines ebenen Spannungszustandes und eines ebenen Verformungszustandes ist. Die erfindungsgemäße Legierung kann einem größeren Riss widerstehen als die Vergleichslegierung 2324-T39 und zwar sowohl bei dicken als auch dünnen Profilen, ohne durch schnellen Bruch zu versagen. Andererseits kann die erfindungsgemäße Legierung die gleiche Rissgröße bei einer höheren Arbeitsspannung ohne Versagen tolerieren als die 2324-T39.
Eine der Möglichkeiten, in der die in der erfindungsgemäßen Legierung beobachteten Verbesserungen von den Herstellern in der Luft- und Raumfahrtindustrie genutzt werden können, besteht in der Herabsetzung der Betriebskosten und der Stillstandszeit eines Flugzeuges durch Erhöhung der Inspektionsintervalle. Die Zahl der Flugzyklen bis zur ersten oder Sollinspektion eines Bauteils hängt hauptsächlich von der Anfangsermüdungsfestigkeit einer Legierung und der Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit bei geringem ΔK ab, bei dem es sich um den Bereich des Spannungsintensitätsfaktors handelt. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt Verbesserungen im Bezug auf 2324-T39 in beiden Eigenschaften, die eine Vergrößerung des Sollinspektionsintervalls möglich machen. Die Zahl der Flugzyklen, bei der die Inspektion wiederholt werden muss oder der Wiederholungsinspektionsintervall hängen hauptsächlich von der Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit einer Legierung bei mittlerem bis hohen ΔK und der kritischen Risslänge ab, die mit Hilfe der Bruchzähigkeit ermittelt werden. Nochmals, die erfindungsgemäße Legierung zeigt Verbesserungen gegenüber der 2324-T39 in beiden Eigenschaften, die eine Erhöhung der Wiederholungsinspektionsintervalle möglich machen.
Eine zusätzliche Möglichkeit, in der die Herstellung in der Luft- und Raumfahrtindustrie die Verbesserungen der erfindungsgemäßen Legierung nutzen können, besteht in der Erhöhung der Arbeitsspannung und der Verringerung des Flugzeuggewichts bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des gleichen Inspektionsintervalls. Das verringerte Gewicht kann zu einer größeren Kraftstoffnutzung, größerer Last und Fahrgastkapazität und/oder größerem Flugbereich dienen.
1 zeigt einen Vergleich von 2324-T39-Blech mit den Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung;
2 zeigt die Verbesserung der S/N-Ermüdungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu der 2324-T39-Legierung als maximale Spannung, die in Abhängigkeit von der Bruchlastspielzahl dargestellt ist;
3 zeigt die Zunahme der Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung, veranschaulicht durch die Darstellung von da/dN in Abhängigkeit von ΔK;
4 zeigt eine graphische Darstellung der Fließgrenze in Abhängigkeit von der Bruchzähigkeit, K_App;
5 ist ein Zustandsdiagramm, das Isothermenschnitte des Al-Cu-Mg-Systems für die Temperaturen 488°C (910°F), 493°C (920°F) und 498°C (930°F).
5 zeigt die Darstellung der berechneten isothermen Schnitte des Al-Cu-Mg-Systems für die Temperaturen 488°C (910°F), 493°C (920°F) und 498°C (930°F). Von diesen zeigt lediglich die Kurve von 498°C (930°F) alle Phasengrenzen. Die anderen Phasengrenzen sind von den anderen isothermen Linien aus Gründen der Einfachheit und zum besseren Verständnis, wie die Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen der Reihen 2000 abgeleitet werden, weggelassen worden. Der isotherme Schnitt zeigt die verschiedenen Phasen gebiete, die bei unterschiedlichen Temperaturen und Zusammensetzungen, die in diesem Legierungssystem von Interesse sind, gleichzeitig existieren.
Bei dem isothermen Schnitt von 498°C (930°F) werden die Zusammensetzungsbereiche von Mg und Cu beispielsweise in 4 Phasengebiete unterteilt. Diese sind das Gebiet der einphasigen Aluminiummatrix (Al), begrenzt durch die Linien a und b an der linken Seite; das zweiphasige Gebiet, das aus Al und S (Al₂CuMg) besteht, begrenzt durch die Linien a und c; das zweiphasige Gebiet, das aus Al und θ (Al₂Cu) besteht, begrenzt durch die Linien b und d; sowie das dreiphasige Gebiet, das aus Al, S und θ besteht, begrenzt durch die Linien c und d.
Diese Diagramme stellen eine Hilfe zur Festlegung eines Kästchens der Zusammensetzung oder Begrenzungen von Cu und Mg und den Temperaturen der idealen Lösungswärmebehandlung (SHT, "solution heat treatment"), und zwar für eine Legierungszusammensetzung, die sich im Inneren des einphasigen Gebietes der Al-Matrix befindet. 5 zeigt außerdem, dass das einphasige Al-Gebiet zunehmend im Bezug auf die Cu- und Mg-Zusammensetzungen schrumpft, wenn die Temperatur abgesenkt wird, wenn man die Phasengrenzen bei 493°C und 488°C (920° und 910°F) vergleicht. Dieses zeigt, dass die Löslichkeit der Elemente durch Behandeln der Legierung bei höheren Temperaturen erhöht werden kann.
Wie vorstehend ausgeführt worden ist, kommt es darauf an, die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen innerhalb der festgelegten Grenzen der Isothermen zu begrenzen, so dass sie sich im Inneren des einphasigen Gebietes der Aluminiummatrix befinden.
Wie in diesen graphischen Darstellungen gezeigt ist, werden die Zusammensetzungen als effektive Zusammensetzungen definiert. Die Zielzusammensetzungen, die die eigentliche Legierung ausmachen, können sich von den effektiven Zusammensetzungen unterscheiden, da bei höheren Temperaturen ein Teil der elementaren Zusammensetzung von Cu zur Reaktion mit Fe und Mn verfügbar ist und ein Teil der elementaren Zusammensetzung von Mg zur Reaktion mit Si verfügbar ist, die dann wiederum nicht für die vorgesehenen Legierungsaufgaben zur Verfügung stehen. Diese Mengen müssen durch notwendige zusätzliche Zugaben zu den Mengen der effektiven Zusammensetzung ergänzt werden, die unter Berücksichtigung des Gleichgewichtsdiagramms wie in den Isothermenkurven von 5 erforderlich sind. Beispielsweise beträgt bei Bezugnahme auf 5 der höchste prozentuale Anteil für Cu bei 1,45 Gew.-% Mg innerhalb des einphasigen Gebiets bei T_max von 496°C (925°F) in Gew.-% 3,42 für Cu. Dieses ist als das effektive Cu oder Cu_eff festgelegt, bei dem es sich um das Cu handelt, das für die Legierung mit Mg vor der Ver festigung zur Verfügung steht. Berücksichtigt man den Teil an Cu, der durch Reaktion mit Fe und Mn verloren geht, so errechnet sich das gesamte Cu oder Cu_target aus dem folgenden Ausdruck: Cutarget = Cueff + 0,74(Mn – 0,2) + 2,28(Fe – 0,005) Cutarget = 3,42 + 0,40 = 3,82
Hinweis: dieses gilt für eine Fe-Menge von 0,05 und Mn = 0,60.
Es wurde festgestellt, dass ein Cu_target = 3,85 Gew.-% bei einer T_max = 496°C (925°F) erhalten wird. Dementsprechend lautet die Gesamt-Zielzusammensetzung für dieses Beispiel bei 496°C (925°F)-Wärmebehandlung in Gew.-%: 0,02 Si, 0,05 Fe, 3,85 Cu, 1,45 Mg, 0,60 Mn, Rest Al und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen. Damit ist der Eckpunkt "W' des Kästchens für die Zusammensetzung in 5 definiert.
Als zweites Beispiel lautet bei Wahl einer anderen Mg_target von 1,35 Gew.-% und T_max = 493°C (920°F) die entsprechende Zielzusammensetzung in Gew.-%: 0,02 Si, 0,05 Fe, 3,92 Cu, 1,35 Mg, 0,60 Mn, Rest Al und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen. Damit ist die Zusammensetzung nahe dem Zentrum des Kästchens der Zusammensetzung als eine bevorzugte Zielzusammensetzung festgelegt.
Genauso wie ein Wert für Mg_target in Gew.-% gewählt werden kann, um den entsprechenden Wert für Cu_target zu ermitteln, ist es möglich, die Bestimmung in umgekehrter Richtung vorzunehmen, indem ein Wert für Cu_target gewählt wird, um die maximale Mg-Menge zu bestimmen, die der Legierungszusammensetzung zur Verfügung steht. In diesem Zusammenhang kann ein Kästchen für die Zusammensetzung für die bevorzugten Kombinationen von Cu und Mg für solche Fälle mit den konstanten Höchstwerten in Gew.-% von 0,05 Fe, 0,02 Si und 0,6 Mn gewonnen werden. Dieses wurde der Figur als das quadratische Kästchen überlagert, das durch die Punkte W, X, Y und Z bestimmt ist. Dieses Kästchen der Zusammensetzung hat einen Bereich der SHT-Temperaturen zwischen etwa 488° bis 498°C (910° bis 930°F).
Es lassen sich Legierungen innerhalb des Kästchens W, X, Y und Z für eine vorgegebene SHT-Temperatur so auswählen, dass in dem endgültigen Legierungsprodukt nur wenig oder keine Partikel der zweiten Phase vorhanden sind.
Bis zu einem bestimmten Maß, kann das vorgenannten Kästchen sich verändern. Damit ist gemeint, dass ein geringer Betrag einer Grenzerweiterung durch Verringerung der vorhandenen Siliciummenge erreicht werden kann, wie beispielsweise weniger als 0,02, 0,03 oder 0,04 Gew.-%. Es wird angenommen, ohne dass die Erfinder diesen Standpunkt übernehmen wollen, dass durch Verringerung des Siliciums bis zu derart geringen Mengen Magnesiumsilicid als ein Reaktionsprodukt zu einer vernachlässigbaren Menge wird oder dieses Reaktionsprodukt einfach im Wesentlichen inhibiert wird. Wenn dieses auftritt, steigt. die Temperatur des einsetzenden Schmelzens bis über die niedrigste normale Temperatur des einsetzenden Schmelzens an. Dieser Temperaturanstieg ermöglicht eine entsprechende Zunahme der Konzentration an gelöstem Stoff, der die hierin diskutierten wichtigen Eigenschaften im positiven Sinne stärker werden lässt. Als Ergebnis dieser Abnahme des Magnesiumsilicids als Reaktionsprodukt lässt sich eine Zunahme der maximal erzielbaren Temperatur realisieren. Die maximale Temperatur kann um etwa 0,5°, 1°, 1,5°, 2° oder 2,5°C (1°, 2°, 3°, 4° oder 5°F) erhöhen. Sobald dieses in Erscheinung tritt, wird das Kästchen W, X, Y, Z über seine Grenzen um den vorgenannten Temperaturbereich von 0,5° bis 2,5°C (1° bis 5°F) erweitert.
Durch das Festlegen der Zusammensetzungsgrenzen mit Hilfe dieser iterativen Methode war es möglich bei entsprechender Bearbeitung die gewünschten strengen Ziele zu erreichen. Was jedoch überraschend war ist, dass deutliche Verbesserungen sowohl in der Bruchzähigkeit als auch in den Ermüdungseigenschaften ohne jede Einbuße der Festigkeit erhalten wurden, was bis dahin bei dieser Legierungsgruppe nicht beobachtet wurde. In der Regel ist es so, dass man beim Einstellen der Zusammensetzung von Aluminiumlegierungen, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet vertraut ist, die normalen Umstände so sind, dass bei Verbesserung der einen Eigenschaft, die andere Eigenschaft leidet. Dieses ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall.
1 liefert einen zusammenfassenden Vergleich der Eigenschaften von 2324-T39 mit denen der vorliegenden Erfindung. Es ist bemerkenswert, dass Klc, bei dem es sich um ein Maß für die Bruchzähigkeit bei ebener Verformung handelt, um 9,2% verbessert wird, die S/N-Ermüdungsfestigkeit um 7,7% verbessert wird und die Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit um 12,3% abnimmt, wobei eine Abnahme dieser letzteren Geschwindigkeit als Verbesserung festgelegt ist, was für die gesamten analogen Eigenschaften der 2324-T39-Legierung gilt. Keine der anderen Eigenschaften wurde in der erfindungsgemäßen Legierung trotz signifikanter Verbesserungen verschlechtert, die in den 4 wesentlichen Eigenschaften festgestellt wurden. In jedem Fall beträgt in der vorliegenden Erfindung die Mindestverbesserung, die in jeder der Eigenschaften beobachtet wurde, mehr als 5% oder bevorzugt mehr als 5,5% oder am meisten bevorzugt mehr als 6% oder noch mehr bevorzugt mehr als 7% oder sogar 7,5% gegenüber der 2324-T39 als Standardlegierung aus dem Stand der Technik, während gleichzeitig bei dem gleichen Härtungszustand ein weitgehend konstanter Wert der Fließgrenze beibehalten wurde.
4 ist eine graphische Darstellung der Bruchzähigkeit, K_App, in Abhängigkeit von der Fließgrenze. Diese ist ein Maß für die Bruchzähigkeit bei dünnen Profilen der Legierung. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt eine ausgeprägte Erhöhung der Bruchzähigkeit gegenüber der Vergleichslegierung oder einen negativen Einfluss auf die Fließgrenze. Es ist festzustellen, dass die Probencharge der erfindungsgemäßen Legierung ein höheres Band von Eigenschaften für die K_App-Bruchzähigkeit bei dieser Familie von Legierungen eingestellt hat.
Die S/N-Ermüdungskurven der erfindungsgemäßen Legierung und der 2324-T39 sind in 2 dargestellt. Die S/N-Ermüdungskurve einer Legierung ist ein Maß für ihre Beständigkeit gegenüber Einleitung oder Erzeugung eines Ermüdungsrisses in Abhängigkeit von dem aufgebrachten Spannungswert. Die S/N-Ermüdungskurven für die erfindungsgemäße Legierung und die 2324-T39 zeigt, dass bei einem vorgegebenen Spannungswert mehr Lastspielzahlen erforderlich sind, um einen Riss in der erfindungsgemäßen Legierung auszulösen als in der 2324-T39. Alternativ kann die erfindungsgemäße Legierung auf eine höhere Arbeitsverformung eingestellt werden, während gleichzeitig die gleiche Ermüdungsanfangsfestigkeit wie bei 2324-T39 gewährleistet wird.
Die Kurven für die Ermüdungsrissausbreitung einer Legierung sind ein Maß für deren Beständigkeit gegen Ausbreitung eines vorhandenen Ermüdungsrisses in Form der Rissausbreitungsgeschwindigkeit oder da/dN in Abhängigkeit von der aufgebrachten Last, ausgedrückt als der Bereich des linearen Intensitätsfaktors der elastischen Verformung oder ΔK. Eine geringere Rissausbreitungsgeschwindigkeit bei vorgegebenem aufgebrachtem ΔK zeigt eine größere Beständigkeit gegenüber Ermüdungsrissausbreitung. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt geringere Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeiten als 2324-T39 bei vorgegebenem aufgebrachtem ΔK in den unteren und mittleren Bereichen der Ermüdungsrissausbreitungskurve. Dieses bedeutet, dass die Zahl der aufgebrachten Lastspiele, die zur Ausbreitung eines Risses von einem kleinen Anfangsriss oder rissähnlichen Fehler bis zu einer kritischen Risslänge erforderlich ist, in der erfindungsgemäßen Legierung größer ist als in der 2324-T39. Andererseits kann die erfindungsgemäße Legierung einer höheren Arbeitsspannung unterworfen werden, während die gleiche Beständigkeit gegenüber Ermüdungsrissausbreitung wie bei 2324-T39 gewährt wird.
Eine der Möglichkeiten, in der die in der erfindungsgemäßen Legierung beobachteten Verbesserungen von den Herstellern in der Luft- und Raumfahrti ndustrie genutzt werden können, besteht in der Verringerung der Betriebskosten und der Stillstandzeiten eines Flugzeuges durch Vergrößerung der Inspektionsintervalle. Die Zahl der Flugzyklen bis zur ersten oder Sollinspektion für ein Bauteil hängt hauptsächlich von der Anfangsermüdungsfestigkeit einer Legierung und der Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit bei niedrigem ΔK ab. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt Verbesserungen gegenüber der 2324-T39 in beiden Eigenschaften, die es ermöglichen, das Intervall der Sollinspektion zu erhöhen. Beispielsweise beträgt bei niedrigem Bereich des Spannungsintensitätsfaktors von ΔK = 5,5 MPa √m (5 ksi √inch), da/dN bei der 2324 44,7 × 10^–7 mm/Lastspielzahl (1,76 × 10^–7 inch/Lastspielzahl), während der der erfindungsgemäßen Legierung 32 × 10^–7 mm/Lastspielzahl (1,26 × 10^–7 inch/Lastspielzahl) beträgt, was eine Abnahme der Rissausbreitungsgeschwindigkeit von 28% darstellt. Die Zahl der Flugzyklen, bei der die Inspektion wiederholt werden muss oder das Wiederholungsinspektionsintervall hängen hauptsächlich von der Ermüdungsrissausbreitungsbeständigkeit einer Legierung bei mittlerem bis hohem ΔK und der kritischen Risslänge ab, die mit Hilfe ihrer Bruchzähigkeit ermittelt wird. Nochmals, die erfindungsgemäße Legierung zeigt Verbesserungen gegenüber der 2324-T39 in beiden Eigenschaften, was die Vergrößerung der Wiederholungsinspektionsintervalle möglich macht. Beispielsweise beträgt bei mittlerem Bereich des Spannungsintensitätsfaktors ΔK = 15,7 MPa √m (14,3 ksi √inch), die Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dN für die 2324 35,2 × 10^–5 mm/Lastspielzahl (1,39 × 10^–5 inch/Lastspielzahl) und die für die erfindungsgemäße Legierung 248 × 10^–6 mm/Lastspielzahl (9,37 × 10^–6 inch/Lastspielzahl), was eine Abnahme der Rissausbreitungsgeschwindigkeit von 33% darstellt.

Claims

Aluminiumlegierung der Reihe 2000, aufweisend in Gew.-%: 3,60 bis 4,05 Gesamt-Kupfer, 1,25 bis 1,45 Magnesium, 0,55 bis 0,80 Mangan, nicht mehr als 0,05 Silicium, nicht mehr als 0,07 Eisen, nicht mehr als 0,06 Titan, nicht mehr als 0,002 Beryllium, Rest Aluminium und zufällige Elemente und Verunreinigungen, wobei die Legierung, die einer T_max-Wärmebehandlung unterworfen worden ist, unterhalb einer Anfangsschmelztemperatur für die Legierungszusammensetzung der Serie 2000 innerhalb der Bereiche liegt, so dass die Legierung eine Zusammensetzung innerhalb der Fläche von W, X, Y und Z aufweist, wie sie in 5 festgelegt ist, worin T_max für jeden Eckpunkt der Zusammensetzung etwa beträgt: W = 496°C (925°F), X = 500°C (933°F), Y = 492°C (917°F) und Z = 487°C (909°F), worin Cu_Target durch die folgende Gleichung festgelegt ist: CuTarget = Cueff + 0,74(Mn – 0,03) + 2,28(Fe – 0,005)worin die Legierung um ein Minimum von 5% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Lastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) ist und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher das Minimum der Verbesserung 5,5% beträgt.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher das Minimum der Verbesserung 6% beträgt.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher das Minimum der Verbesserung 6,5% beträgt.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher das Minimum der Verbesserung 7% beträgt.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher das Minimum der Verbesserung 7,5% beträgt.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung ein Konstruktionsbauteil in einem Produkt der Luft- und Raumfahrt ist.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung ein Teil einer unteren Tragfläche ist.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 5% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 5,5% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 6% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 6,5% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermü dungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 7% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung um ein Minimum von 7,5% im Vergleich zu den Mittelwerten (AV) der 2324-T39-Standardlegierung für die gleichen Eigenschaften verbessert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Bruchzähigkeit bei ebener Verformung, Klc, deren Mittelwert 40,7 MPa √m (37 ksi √in) beträgt; Bruchzähigkeit bei ebener Spannung, K_app, deren Mittelwert 107,8 MPa √m (98 ksi √in) beträgt; S/N-Ermüdungsfestigkeit, deren Mittelwert 179 MPa (26 ksi) bei 10⁵ Wechsellastspielzahl beträgt; Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit, deren Mittelwert eine aufgebrachte Last von ΔK = 14,3 MPa √m (13,0 ksi √in) beträgt und eine Ermüdungsrissausbreitungsgeschwindigkeit von 0,254 Mikrometer (10 μin)/Lastspielzahl liefert, worin R = 0,1 beträgt; sowie Kombinationen davon.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung ein Konstruktionsbauteil eines Produkts der Luft- und Raumfahrt ist.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher die Legierung ein Teil einer unteren Tragfläche ist.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher der T_max-Wert zunimmt um 0,5°, 1°, 1,5°, 2° oder 2,5°C (1°, 2°, 3°, 4° oder 5°F), wenn weniger als 0,04 Gew.-% Silicium vorhanden sind.
Aluminiumlegierung der Reihe 2000 nach Anspruch 1, bei welcher der T_max-Wert zunimmt um 0,5°, 1°, 1,5°, 2° oder 2,5°C (1°, 2°, 3°, 4° oder 5°F), wenn weniger als 0,03 Gew.-% Silicium vorhanden sind.