BR112020021796B1 - Produto à base de liga de alumínio e método de manufatura do mesmo - Google Patents
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Abstract
a invenção refere-se a um produto à base de uma liga de alumínio compreendendo, como porcentagens em peso, 4,0 a 4,6% em peso de cu, 0,7 a 1,2% em peso de li, 0,5 a 0,65% em peso de mg, 0,10 a 0,20% em peso de zr, 0,15 a 0,30% em peso de ag, 0,25 a 0,45% em peso de zn, 0,05 a 0,35% em peso de mn, no máximo 0,20% em peso de fe + si, pelo menos um elemento selecionado a partir de cr, sc, hf, v e ti, a quantidade do dito elemento, caso selecionado, sendo a partir de 0,05 a 0,3% em peso para cr e para sc, 0,05 a 0,5% em peso para hf e para v e 0,01 a 0,15% em peso para ti, sendo os outros elementos no máximo 0,05% em peso cada um e 0,15% em peso no total, sendo o restante alumínio. a invenção também se refere a um método para obter tal produto e ao uso do mesmo como um elemento estrutural de aeronave.
Description
[001] A invenção refere-se a produtos feitos de ligas de alumínio- cobre-lítio, mais particularmente, aos produtos pretendidos para construção aeronáutica e aeroespacial.
[002] Os produtos de liga de alumínio são desenvolvidos para produzir peças com alta resistência pretendidas em particular para a indústria de aeronaves e a indústria aeroespacial.
[003] As ligas de alumínio que contêm lítio são de grande interesse sob este aspecto, uma vez que o lítio pode reduzir a densidade do alumínio em 3% e aumentar o módulo de elasticidade em 6% para cada porcentagem em peso de lítio adicionado. Para que estas ligas sejam selecionadas nas aeronaves, seu desempenho em relação a outras propriedades de uso tem que atingir aquele das ligas comumente utilizadas, em particular em termos de compromisso entre as propriedades de resistência mecânica estática (resistência à tração e limite convencional de escoamento por compressão, limite de resistência à tração) e propriedades de tolerância a danos (dureza, resistência à propagação de fenda de fadiga), estas propriedades sendo geralmente mutuamente exclusivas. Para algumas peças tal como o revestimento superior da asa, o limite convencional de escoamento por compressão é uma propriedade essencial. Além disso, estas propriedades mecânicas preferencialmente devem ser estáveis ao longo do tempo e ter boa estabilidade térmica, que significa dizer, não devem ser significativamente modificadas com a cura à temperatura de operação.
[004] Estas ligas também têm que ter resistência à corrosão suficiente, ser capazes de serem moldadas de acordo com os métodos usuais e ter baixos esforços residuais de maneira que possam ser completamente usinadas. Finalmente, estas têm que ser capazes de serem obtidas através de métodos de manufatura robustos, em particular, as propriedades têm que ser capazes de serem obtidas em ferramentas industriais para as quais é difícil garantir homogeneidade de temperatura dentro de alguns graus para peças grandes.
[005] A Patente US 5.032.359 descreve uma grande família de ligas de alumínio-cobre-lítio em que a adição de magnésio e prata, em particular entre 0,3 e 0,5 por cento em peso, permite aumentar a resistência mecânica.
[006] A Patente US 5.455.003 descreve um método de manufatura de ligas de Al-Cu-Li que têm maior resistência mecânica e maior dureza à temperatura criogênica, em particular graças à usinagem adequada de endurecimento e cura. Esta patente recomenda em particular a composição, em porcentagem em peso, Cu = 3,0 - 4,5, Li = 0,7 - 1,1, Ag = 0 - 0,6, Mg = 0,3 - 0,6 e Zn = 0 - 0,75.
[007] A Patente US 7.438.772 descreve ligas que compreendem, em porcentagem em peso, Cu: 3-5, Mg: 0,5-2, Li: 0,01-0,9 e desaconselha o uso de teor de lítio maior devido à degradação do ajuste entre a dureza e a resistência mecânica.
[008] A Patente US 7.229.509 descreve uma liga que compreende (% em peso): (2,5-5,5) Cu, (0,1-2,5) Li, (0,2-1,0) Mg, (0,2-0,8) Ag, (0,2-0,8) Mn, 0,4 max Zr ou outros agentes de refino de grãos tais como Cr, Ti, Hf, Sc, V.
[009] O Pedido de patente US 2009/142222 A1 descreve ligas que compreendem (em % em peso), 3,4 a 4,2% de Cu, 0,9 a 1,4% de Li, 0,3 a 0,7% de Ag, 0,1 a 0,6% de Mg, 0,2 a 0,8% de Zn, 0,1 a 0,6% de Mn e 0,01 a 0,6% de pelo menos um elemento para controle da estrutura granular. Este Pedido de patente também descreve um método de manufatura de produtos extrusados.
[0010] O Pedido de patente WO2009/036953 refere-se a um produto de liga de alumínio para elementos estruturais que têm uma composição química que compreende, em peso de Cu de 3,4 a 5,0, Li de 0,9 a 1,7, Mg de 0,2 a 0,8, Ag de aproximadamente 0,1 a 0,8, Mn de 0,1 a 0,9, Zn de até 1,5 e um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste de: (Zr aproximadamente 0,05 a 0,3, Cr 0,05 a 0,3, Ti aproximadamente 0,03 a 0,3, Sc aproximadamente 0,05 a 0,4, Hf aproximadamente 0,05 a 0,4), Fe <0,15, Si <0,5, normal e impurezas inevitáveis.
[0011] O Pedido de patente WO 2012/085359 A2 refere-se a um método de manufatura de produtos laminados feitos de uma liga à base de alumínio que compreende 4,2 a 4,6% em peso de Cu, 0,8 a 1,30% em peso de Li , 0,3 a 0,8% em peso de Mg, 0,05 a 0,18% em peso de Zr, 0,05 a 0,4% em peso de Ag, 0,0 a 0,5% em peso de Mn, no máximo 0,20% em peso de Fe + Si, menos de 0,20% em peso de Zn, pelo menos um elemento selecionado de Cr, Se, Hf e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo 0,05 a 0,3% em peso para Cr e para Se, 0,05 a 0,5% em peso para Hf e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti, os outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total, o restante sendo alumínio, que compreende as etapas de preparação, fundição, homogeneização, laminação com uma temperatura maior que 400 °C, tratamento a quente em solução, extinção, tracionamento entre 2 e 3,5% e cura.
[0012] O Pedido de patente US2012/0225271 A1 refere-se a produtos forjados com uma espessura de pelo menos 12,7 mm contendo de 3,00 a 3,80% em peso de Cu, de 0,05 a 0,35% em peso de Mg, de 0,975 a 1,385% em peso de Li, em que -0,3 Mg - 0,15Cu +1,65 < Li < -0,3 Mg-0,15Cu +1,85, de 0,05 a 0,50% em peso de pelo menos um elemento de controle da estrutura do grão, em que o elemento de controle da estrutura do grão é selecionado do grupo que consiste de Zr, Sc, Cr, V, Hf, outros elementos terrosos raros e combinações dos mesmos, até 1,0% em peso de Zn, até 1,0% em peso de Mn, até 0,12% em peso de Si, até 0,15% em peso de Fe, até 0,15% em peso de Ti, até 0,10% em peso de outros elementos com um total que não excede 0,35% em peso.
[0013] O Pedido de patente WO 2013/169901 descreve ligas que compreendem, em porcentagem em peso, 3,5 a 4,4% de Cu, 0,65 a 1,15% de Li, 0,1 a 1,0% de Ag, 0,45 a 0,75% de Mg, 0,45 a 0,75% de Zn e 0,05 a 0,50% de pelo menos um elemento para o controle da estrutura granular. As ligas têm vantajosamente uma relação de Zn para Mg compreendida entre 0,60 e 1,67.
[0014] Há uma necessidade de produtos de liga de alumínio-cobre- lítio que têm propriedades aprimoradas comparadas àquelas de produtos conhecidos, em particular em termos de ajuste entre as propriedades de resistência mecânica estática, em particular a resistência à tração e o limite convencional de escoamento por compressão e as propriedades de tolerância a danos, em particular dureza, estabilidade térmica, resistência à corrosão e usinabilidade, enquanto têm uma densidade baixa.
[0015] Em adição, há uma necessidade de um método de manufatura destes produtos que seja robusto, confiável e econômico.
[0016] Um primeiro objetivo da invenção é um produto à base de uma liga de alumínio que compreende, em porcentagem em peso, 4,0 a 4,6% em peso de Cu, 0,7 a 1,2% em peso de Li, 0,5 a 0,65% em peso de Mg, 0,10 a 0,20% em peso de Zr, 0,15 a 0,30% em peso de Ag, 0,25 a 0,45% em peso de Zn, 0,05 a 0,35% em peso de Mn, no máximo 0,20% em peso de Fe + Si, pelo menos um elemento selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo 0,05 a 0,3% em peso para Cr e para Sc, 0,05 a 0,5% em peso para Hf e para V e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti, outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total e o restante sendo alumínio.
[0017] Um segundo objetivo da invenção é um método de manufatura de um produto à base de uma liga de alumínio em que, sucessivamente, a) é preparado um banho de metal líquido com base em alumínio que compreende 4,0 a 4,6% em peso de Cu; 0,7 a 1,2% em peso de Li; 0,5 a 0,65% em peso de Mg; 0,10 a 0,20% em peso de Zr; 0,15 a 0,30% em peso de Ag; 0,25 a 0,45% em peso de Zn; 0,05 a 0,35% em peso de Mn; no máximo 0,20% em peso de Fe + Si; pelo menos um elemento selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo de 0,05 a 0,3% em peso for Cr e for Sc, 0,05 a 0,5% em peso para Hf e para V e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti; outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total e o restante sendo alumínio; b) uma forma crua é moldada partindo do dito banho de metal líquido; c) a dita forma crua é homogeneizada a uma temperatura compreendida entre 450°C e 550°C e preferencialmente entre 480°C e 530°C durante um período de tempo compreendido entre 5 e 60 horas; d) a dita forma crua homogeneizada é usinada a quente, preferencialmente por laminação; e) o produto usinado a quente é tratado a quente em solução entre 490 e 530°C durante 15 min a 8 h e o dito produto tratado a quente em solução é extinto; f) o dito produto é usinado a frio com uma usinagem de 2 a 16%; g) é realizada uma cura em que o dito produto usinado a frio atinge uma temperatura compreendida entre 130 e 170°C e preferencialmente entre 140 e 160°C durante 5 a 100 horas e preferencialmente 10 a 70 horas.
[0018] Outro objetivo da invenção é um produto de liga de acordo com a invenção ou que pode ser obtido de acordo com o método da invenção, com uma espessura compreendida entre 8 e 50 mm que tem, à meia espessura: i) um limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L) > 590 MPa, preferencialmente Rcp0.2(L) > 595 MPa; ii) uma dureza Kapp (L-T) > 60 MPaVm, preferencialmente Kapp (L-T) > 75 MPaVm, com Kapp (L-T) o valor do fator de intensidade de tensão aparente à fratura definido de acordo com o padrão ASTM E561 (2015) medido em corpos de prova no ensaio CCT de largura W=406 mm e espessura B = 6,35 mm; iii) uma diferença entre o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2(L) e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L), Rp0.2(L) - Rcp0.2(L), menor ou igual a 10 MPa, preferencialmente < 5 MPa.
[0019] Ainda outro objetivo é um componente da estrutura de aeronaves, preferencialmente um elemento de revestimento superior da asa de aeronaves.
[0020] A FIG. 1: Ajuste entre a dureza Kapp L-T e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 L das ligas do Exemplo 1.
[0021] A FIG. 2: Ajuste entre a dureza Kq L-T e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 L das ligas do Exemplo 2.
[0022] A FIG. 3: Ajuste entre o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 L e o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2 L para as ligas do Exemplo 2.
[0023] A FIG. 4: Ajuste entre a dureza Kapp L-T e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 L das ligas do Exemplo 3.
[0024] A não ser que seja indicado de outra maneira, todas as indicações em relação à composição química das ligas são expressas na forma de uma porcentagem em peso com base no peso total da liga. A expressão 1,4 Cu significa que o teor de cobre expresso em % em peso é multiplicado por 1,4. A designação das ligas é feita de acordo com os regulamentos da The Aluminium Association, conhecidos pelo perito na técnica. Quando a concentração é expressa em ppm (partes por milhão), esta indicação também se refere a uma concentração em massa.
[0025] A não ser que seja indicado de outra maneira, se aplicam as definições de estados da metalurgia fornecidos no padrão Europeu EN 515 (1993).
[0026] As características mecânicas estáticas de tração, em outras palavras o limite de resistência à tração Rm, o limite convencional de elasticidade a 0,2% de alongamento Rp0.2 e o alongamento à fratura A%, são determinados por um ensaio de tração de acordo com o padrão NF EN ISO 6892-1 (2016), a amostragem e a direção do ensaio sendo definidas pelo padrão EN 485 (2016). Rp0.2 (L) significa o Rp0.2 medido na direção longitudinal.
[0027] O limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 foi medido a 0,2% de compressão de acordo com o padrão ASTM E9-09 (2018). Rcp0.2 (L) significa Rcp0.2 medido na direção longitudinal.
[0028] O fator de intensidade de tensão (K1C) é determinado de acordo com o padrão ASTM E 399 (2012).
[0029] O fator de intensidade de tensão (KQ) é determinado de acordo com o padrão ASTM E 399 (2012). O padrão ASTM E 399 (2012) fornece os critérios que permitem determinar se o KQ é um valor válido de K1C. Para a geometria do certo corpo de prova, os valores de KQ obtidos para materiais diferentes são comparáveis com cada outro contanto que os limites convencionais de elasticidade dos materiais sejam da mesma ordem de grandeza.
[0030] A não ser que seja indicado de outra maneira, se aplicam as definições do padrão EN 12258 (2012).
[0031] Os valores do fator de intensidade de tensão aparente à fratura (Kapp) e do fator de intensidade de tensão à fratura (Kc) são como definidos no padrão ASTM E561.
[0032] Uma curva que fornece o fator de intensidade de tensão efetiva como uma função da extensão de fratura efetiva, conhecida como a curva R, é determinada de acordo com o padrão ASTM E 561 (ASTM E 561-10-2).
[0033] O fator de intensidade de tensão crítica KC, em outras palavras o fator de intensidade que torna a fratura instável, é calculado partindo da curva R. O fator de intensidade de tensão KCO também é calculado através da atribuição do comprimento da fratura inicial no início da carga monotônica, à carga crítica. Estes dois valores são calculados para um corpo de prova do formato requerido. Kapp representa o fator KCO que corresponde ao corpo de prova que foi utilizado para realizar o teste da curva R. Keff representa o fator KC que corresponde ao corpo de prova que foi utilizado para realizar o teste da curva R.
[0034] Uma peça mecânica para a qual as propriedades mecânicas estáticas e/ou dinâmicas são particularmente importantes para o desempenho da estrutura e para a qual é geralmente necessário ou realizado um cálculo estrutural é chamada aqui de “elemento da estrutura” ou “elemento estrutural” de uma construção mecânica. Estes são tipicamente elementos cuja falha provavelmente irá colocar em risco a segurança da dita construção, seus usuários, clientes ou outros. Para um avião, estes elementos da estrutura compreendem em particular os elementos que compõem a fuselagem (tal como o revestimento da fuselagem), os reforços ou as longarinas da fuselagem, as anteparas estanques, as estruturas circunferenciais da fuselagem, as asas (tal como o revestimento superior ou inferior da asa), os reforços (ou as longarinas), as nervuras e as longarinas da asa e a empenagem em particular composta de estabilizadores horizontais e verticais, bem como vigas do assoalho, trilhos dos bancos e portas.
[0035] De acordo com a presente invenção, uma classe selecionada de ligas de alumínio contendo em particular quantidades específicas e críticas de lítio, cobre, magnésio, prata, manganês e zinco permite preparar os elementos da estrutura, em particular folhas do revestimento superior da asa, que têm um limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L) alto, uma diferença pequena entre o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L) e o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2(L) e um fator de intensidade de tensão aparente à fratura Kapp particularmente aprimorado. A composição da liga selecionada da invenção permite ainda a obtenção de todas ou uma parte das vantagens mencionadas anteriormente para uma faixa ampla de tempos de cura (em particular uma faixa de pelo menos 5 horas à certa temperatura de cura). Tal composição permite assim garantir a robustez do método de manufatura e, portanto, garantir as propriedades finais do produto durante a manufatura industrial.
[0036] O produto à base de uma liga de alumínio de acordo com a invenção compreende, em porcentagem em peso, 4,0 a 4,6% em peso de Cu; 0,7 a 1,2% em peso de Li; 0,5 a 0,65% em peso de Mg; 0,10 a 0,20% em peso de Zr; 0,15 a 0,30% em peso de Ag; 0,25 a 0,45% em peso de Zn; 0,05 a 0,35% em peso de Mn; no máximo 0,20% em peso de Fe + Si; pelo menos um elemento selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti; outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total e o restante sendo alumínio.
[0037] O teor de cobre dos produtos de acordo com a invenção é compreendido entre 4,0 e 4,6% em peso, preferencialmente entre 4,2 e 4,5% em peso e com maior preferência entre 4,2 e 4,4% em peso. Em uma modalidade vantajosa, o teor de cobre mínimo é 4,25% em peso.
[0038] O teor de lítio dos produtos de acordo com a invenção é compreendido entre 0,7 a 1,2% em peso. Vantajosamente, o teor de lítio é compreendido entre 0,8 e 1,0% em peso; preferencialmente entre 0,85 e 0,95% em peso.
[0039] O aumento no teor de cobre e, até uma extensão menor no teor de lítio, contribui para aumentar a resistência mecânica estática, entretanto, pelo fato do cobre ter um efeito prejudicial em particular sobre a densidade, é preferível limitar o teor de cobre ao valor máximo preferido de 4,4% em peso. O aumento no teor de lítio tem um efeito favorável sobre a densidade, entretanto, os presentes inventores observaram que para as ligas de acordo com a invenção, o teor de lítio preferido compreendido entre 0,85% e 0,95% em peso permite um aprimoramento no ajuste entre a resistência mecânica (resistência à tração e limite convencional de escoamento por compressão) e a dureza. Um teor de lítio alto, em particular acima do valor máximo preferido de 0,95% em peso, pode levar a uma degradação da dureza.
[0040] O teor de magnésio dos produtos de acordo com a invenção é compreendido entre 0,5% e 0,65% em peso. Preferencialmente, o teor de magnésio é pelo menos 0,50% ou ainda pelo menos 0,55% em peso, o que aumenta simultaneamente a resistência mecânica estática e a dureza. Em particular, para as composições selecionadas da presente invenção, um teor de magnésio maior que 0,65% em peso pode induzir uma degradação da dureza.
[0041] Os teores de zinco e prata são respectivamente compreendidos entre 0,25 e 0,45% em peso e 0,15 e 0,30% em peso. Tais teores de zinco e prata são necessários para garantir um limite convencional de escoamento por compressão que tem um valor próximo daquele do limite convencional de elasticidade à tensão. Em uma modalidade vantajosa, os produtos de acordo com a invenção têm uma diferença entre o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2(L) e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L) menor ou igual a 10 MPa, preferencialmente menor ou igual a 5 MPa.
[0042] A presença de prata e zinco permite a obtenção de um bom ajuste entre as várias propriedades desejadas. Em particular, a presença de prata permite a obtenção de um produto de uma maneira confiável e robusta, o que significa dizer que o ajuste desejado nas propriedades é atingido para uma faixa ampla de tempos de cura, em particular uma faixa de tempo maior que 5 horas, que é compatível com a variabilidade inerente em um método de manufatura industrial. Um teor mínimo de 0,20% em peso de prata é vantajoso. Um teor máximo de 0,27% em peso de prata é vantajoso.
[0043] Um teor mínimo de 0,30% em peso de zinco é vantajoso. Um teor máximo de 0,40% em peso de zinco é vantajoso. Preferencialmente, o teor de Zn é compreendido entre 0,30 e 0,40% em peso.
[0044] Vantajosamente, a soma dos teores de Zn, Mg e Ag compreendida entre 0,95 e 1,35% em peso, preferencialmente entre 1,00 e 1,30% em peso, ainda com maior preferência entre 1,15 e 1,25% em peso. Os presentes inventores observaram que o ajuste ótimo desejado nas propriedades, em particular para elementos do revestimento superior da asa, foi obtido apenas para valores específicos e críticos da soma de Zn, Mg e Ag.
[0045] O teor de manganês é compreendido entre 0,05 e 0,35% em peso. Vantajosamente, o teor de Mn compreendido entre 0,10 e 0,35% em peso. Em uma modalidade, o teor de manganês é compreendido entre 0,2 e 0,35% em peso e preferencialmente entre 0,25 e 0,35% em peso. Em outra modalidade, o teor de manganês é compreendido entre 0,1 e 0,2% em peso e preferencialmente entre 0,10 e 0,20% em peso. Em particular, a adição de Mn permite a obtenção de dureza alta. Entretanto, se o teor de Mn for maior que 0,35% em peso, a duração de fadiga pode ser significativamente reduzida.
[0046] O teor de Zr da liga é compreendido entre 0,10 e 0,20% em peso. Em uma modalidade vantajosa, o teor de Zr é compreendido entre 0,10 e 0,15% em peso, preferencialmente entre 0,11 e 0,14% em peso.
[0047] A soma do teor de ferro e do teor de silício é no máximo 0,20% em peso. Preferencialmente, os teores de ferro e silício são cada um no máximo 0,08% em peso. Em uma modalidade vantajosa da invenção os teores de ferro e silício são no máximo 0,06% e 0,04% em peso, respectivamente. Um teor de ferro e silício controlado e limitado ajuda a aprimorar o ajuste entre a resistência mecânica e a tolerância a danos.
[0048] A liga contém ainda pelo menos um elemento que pode contribuir para o controle do tamanho do grão selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo de 0,05 a 0,3% em peso para Cr e para Sc, 0,05 a 0,5% em peso para Hf e para V e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti. Em uma modalidade vantajosa, é selecionada a adição entre 0,01 e 0,15% em peso de titânio. Em uma modalidade preferida, o teor de Ti é compreendido entre 0,01 e 0,08% em peso, preferencialmente entre 0,02 e 0,06% em peso. Vantajosamente nas modalidades nas quais é selecionada a adição de titânio, o teor de Cr, Sc, V e Hf é limitado a um teor máximo de 0,05% em peso, esses elementos possivelmente tendo um efeito desfavorável, em particular sobre a densidade e sendo adicionados apenas para promover adicionalmente a produção de uma estrutura essencialmente não recristalizada se necessário. De uma maneira particularmente vantajosa, o Ti está presente em particular na forma de partículas de TiC. Contra todas as expectativas, os presentes inventores observaram que, no caso particular da presente liga, a presença de partículas de TiC no bastão de refino de grãos durante a fundição (refino de AlTiC), permite a obtenção de um produto que tem um ajuste otimizado nas propriedades. Vantajosamente o refinado tem a fórmula AlTixCy que também é escrita ATxCy em que x e y são os teores de Ti e C em % em peso para 1% em peso de Al e x/y> 4. Em particular, o refino de AlTiC na liga da presente invenção permite um aprimoramento do ajuste entre a dureza Kapp L-T e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2 L.
[0049] O teor dos elementos da liga pode ser selecionado para maximizar a densidade. Preferencialmente, os elementos aditivos que contribuem para o aumento da densidade tais Cu, Zn, Mn e Ag são minimizados e os elementos que contribuem para a redução da densidade tais como Li e Mg são maximizados de forma a atingir uma densidade menor ou igual a 2,73 g/cm3 e preferencialmente menor ou igual a 2,72 g/cm3.
[0050] O teor dos outros elementos é no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total. Os outros elementos são tipicamente impurezas inevitáveis.
[0051] O método para manufatura de produtos de acordo com a invenção compreende as etapas de preparação, fundição, homogeneização, usinagem a quente, tratamento a quente em solução e extinção, tracionamento entre 2 e 16% e cura.
[0052] Em uma primeira etapa, é preparado um banho de metal líquido de forma a se obter uma liga de alumínio de uma composição de acordo com a invenção.
[0053] O banho de metal líquido é então moldado na forma de uma forma crua, preferencialmente no formato de um lingote para laminação ou um tarugo de extrusão.
[0054] A forma crua é então homogeneizada de maneira a atingir uma temperatura compreendida entre 450°C e 550° e preferencialmente entre 480 °C e 530°C durante um período de tempo compreendido entre 5 e 60 horas. O tratamento de homogeneização pode ser realizado em um ou mais estágios.
[0055] Após a homogeneização, a forma crua é geralmente resfriada à temperatura ambiente antes de ser pré-aquecida para que seja usinada a quente. A usinagem a quente pode em particular ser uma extrusão um uma laminação a quente. Preferencialmente, está é uma etapa de laminação a quente. A laminação a quente é realizada a uma espessura preferencialmente compreendida entre 8 e 50 mm e de uma maneira preferida entre 15 e 40 mm.
[0056] O produto obtido dessa maneira é então tratado a quente em solução para atingir uma temperatura compreendida entre 490 e 530 °C durante 15 min a 8 h, então extinto tipicamente com água à temperatura ambiente.
[0057] O produto então sofre usinagem a frio com uma usinagem de 2 a 16%. Pode ser um tracionamento controlado com um ajuste permanente de 2 a 5%, preferencialmente de 2,0% a 4,0%. Em uma modalidade vantajosa alternativa, a usinagem a frio é realizada em duas etapas: o produto é primeiramente laminado a frio com uma taxa de redução da espessura compreendida entre 8 a 12% então subsequentemente tracionado de uma maneira controlada com um ajuste permanente compreendido entre 0,5 e 4%.
[0058] O produto é então submetido a uma etapa de cura realizada através do aquecimento a uma temperatura compreendida entre 130 e 170°C e preferencialmente entre 140 e 160°C durante 5 a 100 horas e preferencialmente 10 a 70 horas.
[0059] Os presentes inventores observaram que, de forma surpreendente, os conteúdos específicos e críticos da liga da presente invenção permitem atingir propriedades excelentes, em particular um ajuste entre o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L) e a dureza nas tensões no plano Kapp particularmente aprimorado. Vantajosamente, estas propriedades podem ser obtidas, para as ligas da invenção, independentemente do tempo de cura entre 15h e 25h a 155°C, que garante a robustez do método de manufatura.
[0060] Vantajosamente, a estrutura granular dos produtos obtidos é predominantemente não recristalizada. A taxa de estrutura à meia espessura granular não recristalizada é preferencialmente pelo menos 70% e preferencialmente pelo menos 80%.
[0061] Os produtos obtidos através do método de acordo com a invenção, em particular os produtos laminados que têm uma espessura compreendida entre 8 e 50 mm, à meia espessura, têm as características a seguir: i) um limite convencional de escoamento por compressão Rcpo.2(L) > 590 MPa, preferencialmente Rcpo.2(L) > 595 MPa, com Rcp0.2(L) o limite convencional de escoamento por compressão medido a 0,2% de compressão de acordo com o padrão ASTM E9 (2018) na direção longitudinal; ii) uma dureza Kapp (L-T) > 60 MPaVm, preferencialmente Kapp (L-T) > 75 MPaVm, com Kapp (L-T) o valor do fator de intensidade de tensão aparente à fratura definido de acordo com o padrão ASTM E561 (2015) medido em corpos de prova no ensaio CCT de largura W = 406 mm e espessura B = 6,35 mm; iii) uma diferença entre o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2(L) e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L), Rp0.2(L) - Rcp0.2(L), menor ou igual a 10 MPa, preferencialmente < 5 MPa.
[0062] Vantajosamente, as características i) e ii) são obtidas para uma faixa ampla de tempo de cura, em particular uma faixa de pelo menos 5 horas à certa temperatura de cura. Tal composição permite assim garantir a robustez do método de manufatura e, portanto, garantir as propriedades finais do produto durante a manufatura industrial.
[0063] Em uma modalidade vantajosa, a dureza é tal que Kapp (L-T) > - 0,48 Rcp0.2(L) + 355,2, com Kapp (L-T) expressa in MPaVm, o valor do fator de intensidade de tensão aparente à fratura definido de acordo com o padrão ASTM E561 (2015) medido em corpos de prova no ensaio CCT de largura W = 406 mm e espessura B = 6,35 mm e Rcp0.2 (L) expresso em MPa, o limite convencional de escoamento por compressão medido a 0,2% de compressão de acordo com o padrão ASTM E9 (2018).
[0064] Os produtos de liga de acordo com a invenção permitem em particular a manufatura de elementos da estrutura, em particular elementos da estrutura de aeronaves. Em uma modalidade vantajosa, o elemento da estrutura de aeronaves preferido é um elemento de revestimento superior da asa de aeronaves.
[0065] Estes e outros aspectos da invenção são explicados em maiores detalhes utilizando os exemplos ilustrativos e não limitantes a seguir.
[0066] Neste exemplo, foram moldadas placas com uma seção de 406 * 1520 mm feitas de uma liga, cuja composição é fornecida na Tabela 1. Tabela 1. Composição em % em peso das ligas N°1 a 8
[0067] Para cada composição, a placa foi homogeneizada com um 1o estágio de 15h a 500°C, seguido por um segundo estágio de 20h a 510°C. A placa foi laminada a quente a uma temperatura acima de 440 °C para a obtenção de folhas de uma espessura de 25 mm para as ligas 2 e 8 e 28 mm para a liga 1. As folhas foram tratadas a quente em solução a aproximadamente 510 °C durante 3 h, extintas em água a 20 °C. As folhas foram então tracionadas com um alongamento permanente compreendido entre 2% e 6%.
[0068] As folhas sofreram uma cura de estágio único que é indicado na Tabela 2. A amostras foram coletadas à meia espessura para medira as características mecânicas estáticas na tração e na compressão na direção longitudinal. A dureza na tensão no plano também foi medida à meia espessura durante testes da curva R com corpo de provas de CCT com 406 mm de largura e 6,35 mm de espessura na direção L-T. Os resultados são mostrados na Tabela 2 e na Figura 1.
[0069] A estrutura das folhas obtidas era principalmente não recristalizada. A taxa de estrutura à meia espessura granular não recristalizada era 90%. Tabela 2. Condições de tração e cura controladas e propriedades mecânicas obtidas para as várias folhas à meia espessura.
[0070] Neste exemplo, em adição à placa da liga 2 do Exemplo 1, foi moldada a placa com uma seção de 406 x 1520 mm, cuja composição é fornecida na Tabela 3. Tabela 3. Composição em % em peso das ligas 2 e 10.
[0071] As placas foram homogeneizadas a aproximadamente 510 °C e então escalpadas. Após a homogeneização, as placas foram laminadas a quente para a obtenção de folhas que tinham uma espessura de 25 mm. As folhas foram tratadas a quente em solução durante 3 horas a aproximadamente 510 °C, extintas em água gelada e tracionadas com um alongamento permanente de 3%.
[0072] A estrutura das folhas obtidas era predominantemente não recristalizada. A taxa de estrutura granular à meia espessura não recristalizada era 90%.
[0073] As folhas foram temperadas entre 15 h e 50 h a 155 °C. As amostras foram coletadas à meia espessura para medir as características mecânicas estáticas na tração, na compressão na direção longitudinal bem como a dureza KQ na direção L-T. Os corpos de prova utilizados para a medida da dureza tinham uma largura W = 40 mm e uma espessura B = 20 mm. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 4 e nas Figuras 2 e 3. Tabela 4: Condições de cura e propriedades mecânicas obtidas para as folhas 2 e 10.
[0074] Neste exemplo, em adição à placa da liga 2 do Exemplo 1, a placa com uma seção de 406 x 1700 mm, cuja composição é fornecida na Tabela 3 foi moldada utilizando um refino de AlTiC (bastão de refino de grãos contendo núcleos do tipo TiC). Tabela 5. Composição em % em peso das ligas 2 e 9.
[0075] As placas foram homogeneizadas a aproximadamente 510 °C e então escalpadas. Após a homogeneização, as placas foram laminadas a quente para a obtenção de folhas que tinham uma espessura de 25mm. As folhas foram tratadas a quente em solução durante 3h a aproximadamente 510°C, extintas em água gelada e tracionadas com um alongamento permanente de 3%.
[0076] As folhas foram temperadas entre 15 h e 25 h a 155 ° C. As amostras foram coletadas à meia espessura para medir as características mecânicas estáticas na tração, na compressão na direção longitudinal bem como a dureza KQ na direção L-T. Os corpos de prova utilizados para a medida da dureza tinham uma largura W = 40 mm e uma espessura B = 20 mm. Os critérios de validação de K1C foram satisfeitos para algumas amostras. Medidas da dureza na tensão no plano também foram obtidas em amostras de CCT de 406 mm de largura e 6,35 mm de espessura. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 6 e na Figura 4. Tabela 6: Condições de cura e propriedades mecânicas obtidas para as folhas 2 e 9 à meia espessura
Claims (12)
1. Método de Manufatura de Produto à Base de Liga de Alumínio, caracterizado por que, sucessivamente, a) é preparado um banho de metal líquido com base em alumínio que consiste entre 4,0 a 4,6% em peso de Cu; 0,7 a 1,0% em peso de Li; 0,5 a 0,65% em peso de Mg; 0,10 a 0,20% em peso de Zr; 0,15 a 0,30% em peso de Ag; 0,25 a 0,45% em peso de Zn; 0,05 a 0,35% em peso de Mn; no máximo 0,20% em peso de Fe + Si; pelo menos um elemento selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo de 0,05 a 0,3% em peso para Cr e para Sc, 0,05 a 0,5% em peso para Hf e para V e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti; outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total e o restante sendo alumínio e a soma dos teores de Zn, Mg e Ag consiste entre 0,95 e 1,35% em peso; b) uma forma crua é moldada partindo do dito banho de metal líquido; c) a dita forma crua é homogeneizada a uma temperatura que consiste entre 450°C e 550°C e preferencialmente entre 480°C e 530°C durante um período de tempo que consiste entre 5 e 60 horas; d) a dita forma crua homogeneizada é usinada a quente, preferencialmente por laminação; e) o produto usinado a quente é tratado a quente em solução entre 490 e 530°C durante 15 min a 8 h e o dito produto tratado a quente em solução é temperado; f) o dito produto é usinado a frio com uma usinagem de 2 a 16%; g) é realizada a cura em que o dito produto atinge uma temperatura que consiste entre 130 e 170°C, preferencialmente entre 140 e 160°C durante 5 a 100 horas e, de preferência, de 10 a 70 horas.
2. Produto à Base de Liga de Alumínio, obtido pelo método conforme definido na Reivindicação 1, caracterizado por que consiste, em porcentagem em peso, 4,0 a 4,6% em peso de Cu, 0,7 a 1,0% em peso de Li, 0,5 a 0,65% em peso de Mg, 0,10 a 0,20% em peso de Zr, 0,15 a 0,30% em peso de Ag, 0,25 a 0,45% em peso de Zn, 0,05 a 0,35% em peso de Mn, no máximo 0,20% em peso de Fe + Si, pelo menos um elemento selecionado de Cr, Sc, Hf, V e Ti, a quantidade do dito elemento, se selecionado, sendo de 0,05 a 0,3% em peso para Cr e para Sc, de 0,05 a 0,5% em peso para Hf e para V e de 0,01 a 0,15% em peso para Ti, outros elementos no máximo 0,05% em peso cada e 0,15% em peso no total, o restante sendo alumínio e em que a soma dos teores de Zn, Mg e Ag consiste entre 0,95 e 1,35% em peso.
3. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado por que o teor de Cu consiste entre 4,2 e 4,5% em peso, preferencialmente entre 4,2 e 4,4% em peso.
4. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com a Reivindicação 2 ou 3, caracterizado por que o teor de lítio consiste entre 0,8 e 1,0% em peso, preferencialmente entre 0,85 e 0,95% em peso.
5. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 4, caracterizado por que o teor de Zn consiste entre 0,30 e 0,40% em peso.
6. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 5, caracterizado por que o teor de Mn consiste entre 0,10 e 0,35% em peso.
7. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 6, caracterizado por que a soma dos teores de Zn, Mg e Ag consiste entre 1,00 e 1,30% em peso, ainda com maior preferência entre 1,15 e 1,25% em peso.
8. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 7, caracterizado por que o teor de Zr é de 0,10 a 0,15% em peso, preferencialmente entre 0,11 e 0,14% em peso.
9. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 8, caracterizado por que o teor de Ti consiste entre 0,01 a 0,15% em peso para Ti, preferencialmente entre 0,01 e 0,08% em peso, com maior preferência entre 0,02 e 0,06% em peso.
10. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com a Reivindicação 9, caracterizado por que o Ti está presente em particular na forma de partículas de TiC.
11. Produto à Base de Liga de Alumínio, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 2 a 10, caracterizado por que tem uma espessura que consiste entre 8 e 50 mm e que tem, a meia espessura: i) um limite convencional de escoamento por compressão Rcpo.2(L) > 590 MPa, preferencialmente Rcpo.2(L) > 595 MPa; ii) uma dureza Kapp (L-T) > 60 MPaVm, preferencialmente Kapp (LT) > 75 MPaVm, com Kapp (L-T) o valor do fator de intensidade de tensão aparente à fratura definido de acordo com o padrão ASTM E561 (2015) medido em corpos de prova no ensaio CCT de largura W = 406 mm e espessura B = 6,35 mm; iii) uma diferença entre o limite convencional de elasticidade à tensão Rp0.2(L) e o limite convencional de escoamento por compressão Rcp0.2(L), Rp0.2(L) - Rcp0.2(L), menor ou igual a 10 MPa, preferencialmente < 5 MPa.
12. Elemento de Estrutura de Aeronaves, preferencialmente um elemento de revestimento superior da asa de aeronaves, caracterizado por que compreende um produto, conforme definido em qualquer uma das Reivindicações de 2 a 11.
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