DE102010053274A1

DE102010053274A1 - Verfahren zum Herstellen einer AlScCa-Legierung sowie AlScCa-Legierung

Info

Publication number: DE102010053274A1
Application number: DE102010053274A
Authority: DE
Inventors: Frank Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20170298477A1; EP2646587A2; WO2012075993A2; WO2012075993A3; US20130312876A1; US9725790B2; EP2646587B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium (14) zu einer Aluminium-Scandium-Legierung (20) zum Herstellen einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36), wobei Aluminium (15), Scandium (12) und Calcium (14) gemeinsam in Schmelzemit einer hohen Geschwindigkeit abgeschreckt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium zu einer Aluminium-Scandium-Legierung sowie eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung.
Durch seine geringe Dichte wird Aluminium gerne als Konstruktionswerkstoff verwendet, d. h. bei Anwendungen, wo eine geringe Masse gewünscht ist, wie beispielsweise bei Transportmitteln vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Aluminium ist zwar ein leichtes Metall und daher für die genannten Anwendungen interessant, hat jedoch den Nachteil, dass es relativ weich ist und die Zugfestigkeit im geglühten Zustand lediglich bei 30–50 MPa liegt. Die Festigkeitswerte des Aluminiums lassen sich durch Legierung mit anderen Metallen in weiten Grenzen erhöhen und auch andere Eigenschaften können dadurch beeinflusst werden. Dies ist vorteilhaft für den Leichtbau, da hier Konstruktionswerkstoffe benötigt werden, die eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen. Beispielsweise kann durch Zulegierung von Scandium, verbunden mit einer ausreichend schnellen Abkühlung nach dem Gießen, neben der erhöhten Festigkeit durch Mischkristallbildung eine viel stärkere Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung über eine voll- oder teilkohärente Al₃Sc-Phase und/oder durch Dispersoid-Härtung, d. h. wenn die Al₃Sc-Phasen durch Überalterung zunehmend inkohärent werden, erzielt werden. Da die Dichte von Scandium mit 2,98 g/cm³ über der von Aluminium mit 2,7 g/cm³ liegt, erhöht Scandium jedoch die Werkstoffdichte und damit auch das Gesamtgewicht.
Aluminium-Scandium-Legierungen sind gut bekannt und ihre Eigenschaften in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben, die durch Bezugnahme Teil dieser Offenbarung bilden:
– A. J. Bosch, R. Senden, W. Entelmann, M. Knüwer, F. Palm „Scalmalloy®: A unique high strength and corrosion insensitive AlMgScZr material concept", Proceedings of the 11th International Conference an Aluminium Alloys
– F. Palm, P. Vermeer, W. von Bestenbostel, D. Isheim, R. Schneider „Metallurgical peculiarities in hyper-eutectic AlSc and AlMgSc engineering materials prepared by rapid solidification processing", Proceedings of the 11th International Conference an Aluminium Alloys.
Um die Dichte dieser Aluminium-Scandium-Legierungen herabzusetzen, besteht neben der in den oben angegebenen Veröffentlichungen beschriebenen Zugabe von Magnesium (Dichte 1,74 g/cm³) besonders die Möglichkeit, Lithium, das eine Dichte von 0,5 g/cm³ aufweist, zuzulegieren.
Die Herstellung von Aluminium-Scandium-Lithium-Legierungen ist jedoch in der Herstellung problematisch, da die Schmelze unter Schutzgas, wie beispielsweise Argon gehandhabt werden muss. Weiter müssen Rinnen und Schmelztöpfe besonders ausgekleidet werden, beispielsweise mit CeO, ZrO oder anderen schützenden Metalloxiden. Die Schmelze reagiert an Luft leicht mit Brand oder Explosion und wurde daher in früheren Herstellungsprozessen häufig auch durch eine Schutzschlacke von der Umgebung getrennt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und ungefährliches Verfahren zum Herstellen einer Aluminium-Scandium-Legierung mit verringerter Dichte vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung ist Gegenstand des Nebenanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium zu einer Aluminium-Scandium-Legierung, um eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung herzustellen, weist die folgenden Schritte auf:

a) gemeinsames in Schmelze Bringen von Aluminium, Scandium und Calcium; und
b) Abschrecken der gemeinsamen Schmelze.

Calcium hat mit einer Dichte von 1,55 g/cm³ ein deutlich geringeres Volumengewicht als Aluminium und trägt damit beim Zulegieren zu einer Aluminium-Scandium-Legierung zur Verringerung der Gesamtdichte der Legierung bei. Ein mit einer solchen Legierung hergestellter Werkstoff ist leicht und weist dennoch weitestgehend die Festigkeitseigenschaften der Aluminium-Scandium-Legierung auf.
Die Schmelze mit Calcium kann problemlos unter Atmosphärenbedingungen gehandhabt werden, so dass Schutzvorkehrungen, wie beispielsweise das Auskleiden von Rinnen und Töpfen mit Oxiden bzw. die Verwendung von Schutzgas, nicht nötig sind.
Die Löslichkeit von Calcium ist in Aluminium sehr gering, so dass bislang keine signifikanten Legierungsmengen größer 0,5 Gew.-% herstellbar waren. Wird jedoch die Schmelze, die die Legierungspartner elementar enthält, schnell abgeschreckt und somit ein Schnellerstarrungsprozess durchgeführt, verbleibt Calcium in der festen Phase weitgehend in Lösung.
Somit kann eine Aluminium-Legierung mit hoher Festigkeit und niedriger Dichte in einem einfachen und ungefährlichen Verfahren hergestellt werden.
Vorzugsweise wird Calcium mit einem Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% zulegiert. Damit ist Calcium mit einem signifikanten Anteil in der Legierung vorhanden und setzt das Gewicht der Legierung und auch der daraus hergestellten Werkstoffe deutlich herab.
Vorzugsweise wird Calcium in einem Anteil zu der Legierung zulegiert, dass eine Dichte kleiner 2,6 g/cm³ erreicht wird. Somit kann das Gewicht der Legierung um etwa 5% gegenüber der Aluminium-Scandium-Legierung herabgesetzt werden.
Vorteilhaft wird für die gemeinsame Schmelze mittels einem Schnellerstarrungsprozess in einer Geschwindigkeit von mehr als 100 K/s, insbesondere 10.000 K/s bis 10.000.000 K/s, abgeschreckt. Über einen normalen metallurgischen Herstellungsweg, bei dem nach dem Erschmelzen ein Gieß-Erstarren mit langsamen Abkühlbedingungen folgt, ist es bislang schwierig, Calcium in signifikanten Mengen zu einer Aluminium-Scandium-Legierung zuzulegieren. Denn es bildet sich sofort eine Al₂Ca-Phase, die ausgeschieden wird und die Legierung versprödet. Wird jedoch ein Schnellerstarrungsprozess durchgeführt, kann das Problem der begrenzten Löslichkeit und ungewollte vorzeitige grobe eigenschaftsverschlechternde Ausscheidung von Calcium in Aluminium-Legierungen überwunden werden und Calcium bleibt weitgehend in Lösung, da durch das schnelle Abkühlen die natürliche Kristallisation verhindert wird. Damit wird den Atomen die Beweglichkeit geraubt, bevor sie eine Kristallanordnung einnehmen können und somit Al₂Ca gebildet werden kann.
Verfahren, die dazu geeignet sind, sind alle Erstarrungsverfahren, bei denen der Schmelze die Wärme schnell entzogen wird, beispielsweise das Schmelzschleudern, das Pulververdüsen mittels Gas oder in Wasser, das Dünnbandgießen oder das Sprühkompaktieren, aber auch Verfahren bei denen kurzfristig eine Schmelze erzeugt wird und diese sofort wieder erstarrt, beispielsweise Schweißverfahren zum Verbinden, Oberflächen Modifizieren oder zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen, die so genannten Schichtbauverfahren („additive manufacturing”).
Vorteilhaft wird dabei die gemeinsame Schmelze mittels einer Düse als Düsenstrahl auf ein Substrat aufgesprüht, wobei das Substrat während des Aufbringens der gemeinsamen Schmelze gekühlt und gedreht wird. Das Substrat kann beispielsweise ein mit Wasser gekühltes Kupferrad sein. Durch die Kühlung entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen der gemeinsamen Schmelze und dem Substrat, so dass eine Temperaturübertragung von der Schmelze auf das Substrat erfolgt. Je höher die Temperaturdifferenz ist, desto schneller wird die Temperatur auf das Substrat übertragen und durch die Kühlung abgeführt. Weiter hängt die Abkühlrate und somit das Vorhandensein einer schnellen Erstarrung zum Verhindern der Al₂Ca-Phasenbildung von der Geschwindigkeit ab, mit der die Schmelze auf dem Substrat auftrifft sowie von der Rotationsgeschwindigkeit des gedrehten Substrates.
Wird das Substrat vorzugsweise so schnell gedreht, dass die abgeschreckte gemeinsame Schmelze ausgehend von einem Auftreffbereich des Düsenstrahls auf dem Substrat von dem Substrat abgeschleudert wird, wird das Substrat automatisch von der durch Abschrecken bereits gebildeten festen Legierung befreit und steht für nachfolgend aufgesprühte gemeinsame Schmelze zur Abkühlung zur Verfügung. Eine Akkumulation von Legierungsmaterial auf dem Substrat, was einer schnellen Temperaturübertragung von der gemeinsamen Schmelze auf das Substrat entgegen steht, wird so vorteilhaft verhindert. Die abgeschleuderte gemeinsame Schmelze bildet ein Band, das in nachfolgenden Verfahrensschritten weiter verarbeitet werden kann.
Zum Beispiel wird das Band zunächst klein gehäckselt, zu Granulat oder Pulver verarbeitet und dann in einem Press- und Ausgas-/Ausheizverfahren zu Bolzen kompaktiert. Die Bolzen, d. h. das partikuläre Vormaterial, können dann zu Strangpressprofilen mit verschiedenen Querschnitten extrudiert werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen, insbesondere unter Luftkontakt, durchgeführt. Somit sind Maßnahmen zum Schützen der gemeinsamen Schmelze gegen die Atmosphäre nicht mehr nötig, es kann auf die Verwendung von Schutzgas, Vakuumbedingungen, Schutzvorrichtung und Ähnliches verzichtet werden. Dies vereinfacht und verbilligt das Verfahren im Vergleich zu einem Zulegieren von Lithium deutlich.
Besonders bevorzugt weist Schritt a) den Schritt in Schmelze Bringen einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung auf. Magnesium weist eine Dichte von 1,74 g/cm³ auf. Es steuert und verringert gleichzeitig die Dichte der entsprechenden Legierung. Je mehr Magnesium sich in der Legierung befindet, desto geringer wird die Dichte. Das Zulegieren von Magnesium zu Aluminium ist bis zu einem Anteil von 10 Gew.-% sinnvoll. Aufgrund der ähnlichen Schmelzpunkte von Aluminium und Magnesium ist eine Herstellung einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung besonders einfach herzustellen.
Aluminium-Scandium-Legierung ist ein Oberbegriff für alle Legierungen, die Aluminium und Scandium enthalten. Darunter fallen alle Zusammensetzungen mit der Formel AlScM¹M²M³M⁴, wobei M¹ ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Silber, Vanadin, Nickel, Kobalt und Molybdän enthält, und wobei M² ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Silber, Vanadin, Nickel, Kobalt und Molybdän enthält.
M³ umfasst die Gruppe der Elemente, welche mit der Al₃Sc Phase eine gewisse Kompatibilität, d. h. metall-physikalische Ähnlichkeit (Austauschbarkeit), besitzen und deshalb die tertiäre Phase Al₃Sc₁-xM₃x bilden können. Vorrangig sind dies Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium und Titan.
M⁴ umfasst die Gruppe der sogenannten Seltenen Erden (Elementnummern 39 und 57 bis 71), die grundsätzlich eine große Ähnlichkeit mit Scandium haben. Deswegen wird Sc oft fälschlicherweise den Seltenen Erden zugerechnet. Auch sie können neben dem Scandium der Legierung im nennenswertem Umfang zulegiert werden und bilden dann neben der Mischkristallhärtung alleine oder mit Scandium eine Aushärtungsphase mit vergleichbarer Stöchiometrie wie Al₃Sc₁-xM₃x.
Weiter vorzugsweise wird in Schritt a) eine Aluminium-Scandium-Vorlegierung in Schmelze gebracht. Scandium hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt als Aluminium, weswegen zur Bildung einer Legierung eine lange Haltezeit eingehalten werden muss. Dies ist aufwändig, weswegen es vorteilhaft ist, wenn statt der reinen Elemente eine Vorlegierung verwendet wird, bei der das Scandium bereits „eingeschmolzen” ist und somit eine geringere Haltezeit zum Bilden der Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung eingehalten werden muss.
Vorzugsweise wird weiter in Schritt a) eine Aluminium-Calcium-Vorlegierung in Schmelze gebracht. Auch Calcium hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt (842°C) als Aluminium, und durch die Vorlegierung wird der benötigte Schmelzpunkt und somit die Haltezeit vorzugsweise herabgesetzt.
Eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung weist einen Calcium-Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% auf. Somit kann die Dichte der Aluminium-Scandium-Legierung herabgesetzt werden, indem ein leicht verfügbares und einfach zu handhabendes Metall als Legierungsbestandteil in der Legierung enthalten ist.
Vorzugsweise weist die Legierung 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Scandium auf. Wenn Scandium in den angegebenen Mengen in der Legierung enthalten ist, erhöht es die Festigkeit der Legierung, trägt aber nicht so stark zu einer Dichteerhöhung der Legierung bei, dass ein daraus hergestellter Werkstoff zu schwer für den Leichtbau würde. Alternativ kann statt Scandium auch Ytterbium in den genannten Anteilen der Legierung zulegiert werden. Ytterbium ist günstiger erhältlich als Scandium, hat aber den Nachteil, dass es die Festigkeit der Legierung weniger gut verbessert als Scandium.
Vorteilhaft weist die Legierung 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, mehr vorzugsweise 0,2 Gew.-% bis 0,75 Gew.-%, Zirkonium auf. Zirkonium in einem solchen Anteil in der Legierung (Verhältnis Zr/Sc etwa ½ bis etwa ¼) erleichtert die temperaturgestützte Weiterverarbeitung der Legierung und stabilisiert diese thermisch, d. h. es reduziert die Neigung zu „altern”, was gleichbedeutend ist zu einer ungewollten Vergröberung der Aushärtungsphase Al₃Sc durch Bildung einer Al₃ScZr-Phase.
Weiter vorteilhaft enthält die Legierung 1,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-%, mehr vorzugsweise 2,5 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, Magnesium. Magnesium setzt die Dichte einer Aluminium-Legierung herab. Das Zulegieren von Magnesium zu Aluminium ist jedoch nur bis zu bestimmten Mengen sinnvoll, da sonst negative Eigenschaften wie Sprödigkeit und Korrosionsempfindlichkeit stark zunehmen. Deshalb ist Magnesium vorzugsweise in den genannten Anteilen in der Legierung enthalten.
Weiter vorzugsweise weist die Legierung auch weitere Beimischungen, auch in multipler Form, der in M¹, M², M³ und M⁴ genannten Elemente mit den Anteilen 0,2 bis 2,0 Gew.-% auf, die die mechanischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Legierung verbessern. Nicht zu vermeiden ist das Vorhandensein von nicht erwünschten Verunreinigungen metallischer aber auch nicht-metallischer Natur wie Oxiden, Nitriden, gelösten Gasen usw. in vernachlässigbaren Mengen, d. h. mit einer Summe von weniger als 0,5 Gew.-%) in der Legierung.
Vorzugsweise weist die Legierung eine Dichte kleiner als 2,6 g/cm³ auf. Somit ist die Legierung als Grundstoff für den Leichtbau besonders gut geeignet.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Legierung im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und im Wesentlichen das gleiche Elastizitätsmodul auf wie die reine Aluminium-Scandium-Legierung, in der kein zulegiertes Calcium enthalten ist. Somit hat die Legierung die positiven Eigenschaften der Aluminium-Scandium-Grundlegierung, d. h. im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und das gleiche Elastizitätsmodul, ist jedoch durch das Vorhandensein von Calcium dichtereduziert und somit leichter.
Ein Aluminium-Scandium-Calcium-Werkstoff weist mehr als 0,5 Gew.-% Calcium auf. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich durch besonders gute Festigkeitswerte und ein hohes Elastizitätsmodul aus, hat jedoch eine verringerte Dichte und ist somit für den Leichtbau besonders geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 das gemeinsame in Schmelze Bringen von Aluminium, Scandium und Calcium;
2 das Abschrecken der gemeinsamen Schmelze durch Aufsprühen auf ein gekühltes, rotierendes Substrat;
3 eine rückseitige Ansicht des Substrates; und
4 das Entstehen eines Legierungsbandes;
1 zeigt, wie in einem gemeinsamen Schmelztiegel 10 die Metalle Scandium 12 und Calcium 14 zu einer Aluminium 15 und Magnesium 16 enthaltenden Aluminium-Magnesium-Grundlegierung 17 zugemischt werden. Der Schmelztiegel 10 weist an seiner Unterseite eine Düse 18 auf, die durch eine Schließvorrichtung 19 von dem Schmelztiegel 10 getrennt ist.
Um möglichst geringe Haltezeiten zu erreichen, wird Scandium 12 als Aluminium-Scandium-Vorlegierung 20 und Calcium 14 als Aluminium-Calcium-Vorlegierung 21 zugegeben. Zum Schmelzen wird die Mischung mit einer Induktionsheizung 23 geheizt. Es sind jedoch auch andere geeignete Heizmöglichkeiten zum in Schmelze Bringen der Metalle 12, 14, 15, 16 möglich. Nachdem die in den Schmelztiegel 10 eingegebenen Metalle 12, 14, 15, 16 geschmolzen sind, ist eine gemeinsame Schmelze 22 entstanden.
In 2 wird gezeigt, wie die gemeinsame Schmelze 22 auf ein sich drehendes Substrat 24 aufgesprüht wird. Dazu wird die Schließvorrichtung 19 zwischen der Düse 18 und dem Schmelztiegel 10 geöffnet, so dass die gemeinsame Schmelze 22 in die Düse 18 einfließen kann. Die Düse 18 versprüht die gemeinsame Schmelze 22 in einem Düsenstrahl 30 auf einen Auftreffbereich 32 an einer Oberfläche 33 des Substrats 24. Das Substrat 24 wird auf der Seite, die dem Auftreffbereich 32 gegenüber liegt, über eine Kühlvorrichtung 34 gekühlt. Das Substrat 24 wird in Richtung des Pfeils O schnell um die Achse 35 gedreht.
Die gemeinsame Schmelze 22 erstarrt auf dem gekühlten Substrat 24 in einer hohen Abkühlgeschwindigkeit zu einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36. Durch die schnelle Drehung des Substrates 24 und die daraus resultierenden Kräfte wird die entstandene Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36 von der Oberfläche 33 des Substrates 24 weggeschleudert, so dass ein Legierungsband 40 entsteht.
3 zeigt das Substrat 24 von einer Rückseite 42, die der Oberfläche 33 gegenüberliegt. Hier ist die Kühlvorrichtung 34 in Form einer Kühlwendel 44 angeordnet. Durch die Kühlwendel 44 kann beispielsweise in Pfeilrichtung Wasser geleitet werden, um so das Substrat 24 zu kühlen. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise flüssigen Stickstoff oder andere niedriger als Wasser schmelzende Medien zum Kühlen zu verwenden, um so eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem auftreffenden Düsenstrahl 30 und dem Substrat 24 zu erreichen.
4 zeigt eine Ansicht auf die Oberfläche 33 des Substrates 24. Das Substrat 24 wird in Richtung des Pfeils P so schnell gedreht, dass durch die resultierenden Kräfte die erstarrte Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36 als Legierungsband 40 von der Oberfläche 38 weggeschleudert wird.
In dem nachfolgenden Beispiel wird die Herstellung eines AlScCa-Legierungs-Halbzeugs beschrieben.
Einer AlMg5,4Sc1,2Zr0,6Mn0,5-Legierung wird 2,0 Gew.-% Calcium nach oben beschriebenem Verfahren zulegiert. Das Legierungsband wird zu Granulat gehäckselt (chopped) und dann in einer beheizbaren Vorrichtung bei 290 bis 300°C unter Wechselspülen mit Vakuum bei etwa 10 bis 2 mbar und Zufuhr von trockenem Stickstoff und wiederholtem Vakuum Saugen entgast. Der Entgasungsprozess wird fünf mal durchgeführt und dabei das Granulat mit Hilfe einer hydraulischen Presse zu einem Bolzen mit 98% Bruttodichte und 31 mm Durchmesser bei 25–30 mm Länge kompaktiert.
Dieser Bolzen wird dann auf 30 mm überdreht und nachfolgend in einer Strangpressvorrichtung mit einem Verpressverhältnis von 25:1 bei 325 bis 335°C zu einem 6 mm Rundstab ausgepresst. Aus dem Rundstab werden genormte Rundzugproben EN 10001 B6 × 30 entnommen und die Festigkeit geprüft. An kleinen Scheiben aus dem 6 mm Stab kann zusätzlich die Gefügehärte nach dem Brinell-Härte-Prüfverfahren (HB2,5/6,5) ermittelt werden
Je geringer die Werkstoffdichte ist, desto größer ist das Leichtbau potential, dies ist bei sonst gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften eine feste Designgröße. Stoffbasierter Leichtbau benötigt Konstruktionswerkstoffe mit hoher Festigkeit und geringer Dichte, d. h. hoher spezifischer Festigkeit, auch Reißlänge genannt. Hochfeste AlMgSc-Legierungen haben eine Dichte von 2,62 bis 2,86 g/cm³ bzw. einen Mg-Gehalt von 6,0 bis 2,5 Gew.-%. AlMg-Werkstoffe, die in ihrer Zusammensetzung nach amerikanischem Al-Legierungsschlüssel alle in Feld AA5XXX geschrieben werden, sind aufgrund ihrer relativ geringen Dichten weit verbreitet und wegen ihrer guten Festigkeits- und Verarbeitungseigenschaften sehr beliebt. Der Magnesiumanteil an der Legierung steuert teilweise die Festigkeit über Mischkristallhärtung, bestimmt zugleich aber auch die Dichte der entsprechenden Legierungen, da Magnesium 16 eine Dichte von 1,74 g/cm³ aufweist. Diese soll insbesondere aus Leichtbaugesichtspunkten möglichst gering sein. Je mehr Magnesium 16 sich in der Legierung befindet, desto geringer wird die Dichte. Es ist bekannt, dass das Zulegieren von Magnesium 16 zu Aluminium 15, und damit die einhergehende Dichtereduktion, nur bis zu bestimmten Mengen sinnvoll ist, da sonst andere negative Eigenschaften wie Sprödigkeit und Korrosionsempfindlichkeit stark zunehmen.
Deswegen haben generell heute etablierte, d. h. industriell genutzte, hochmagnesiumhaltige Aluminiumwerkstoffe einen Magnesiumgehalt von unter 6 Gew.-% (z. B. AA5059 oder AA5083). Das Zulegieren von Lithium ist Stand der Technik, das Zulegieren von Calcium 14 bei AlMgSc-Legierungen nicht. Die Alternative zur Absenkung der Dichte, d. h. das Zulegieren von Lithium mit einer Dichte von 0,52 g/cm³, wurde schon in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt und besonders ab den späten 70er Jahren in Russland technisch umgesetzt. Somit ist eine weitere Dichtereduktion durch Zulegierung von Lithium (0,5 g/cm³) oder nur noch Calcium 14 (1,55 g/cm³) möglich. Das Zulegieren von Scandium 12, verbunden mit einer ausreichend schnellen Abkühlung nach dem Gießen bzw. während der Erstarrung, ermöglicht mittels definierter Wärmeführung, z. B. nachgeschaltete Warmauslagerung im Temperaturbereich zwischen 250 und 400°C, bei diesen Werkstoffen eine weitere Festigkeitssteigerung der Ausscheidungshärtung über eine voll- oder teilkohärente Al₃Sc-Phase und/oder Dispersoid-Härtung, wenn die Al₃Sc-Phase durch Überalterung zunehmend inkohärent wird.
Die Dichte von AlMgSc-Blech und mehr noch von Strangpressprofilen wird bestimmt durch die Menge an Magnesium 16, welches zur Mischkristallhärtung diesem Werkstofftyp zulegiert wird. Daraus ergibt sich bei höher festen AlMgSc-Legierungen eine nach unten begrenzte minimale Dichte. Das Zulegieren von Calcium 14 mit einer Dichte von 1,55 g/cm³ und in einer Menge von mehr als 0,5 Gew.-% kommt bislang bei hochfesten Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierungskonzepten für Anwendungen im Verkehrs- bzw. Luft- & Raumfahrt-Bereich nicht vor.
Da die Löslichkeit von Calcium 14 in Aluminium 15 sehr gering ist, verbietet sich der Einsatz von Calcium 14 als Standardlegierungselement mit signifikanten Legierungsmengen von größer als 0,5 Gew.-%. Dies gilt jedoch nur für den normalen metallurgischen Herstellungsweg, bei dem nach dem Erschmelzen ein Gießen bzw. Erstarren mit langsamen Abkühlbedingungen folgt und sich sofort eine Al₂Ca-Phase ausscheidet, welche die Legierung versprödet.
Wird ein Schnellerstarrungsprozess, z. B. Schmelzschleudern, durchgeführt, kann das Problem der sehr begrenzten Löslichkeit von Calcium 14 in Aluminium 15 und Aluminium-Magnesium-Legierungen 17 überwunden werden und Calcium 14 bleibt weitgehend in Lösung. Ausreichend schnell erstarrte, mit Scandium 12 zwischen 0,3 und 1,5 Gew.-% legierte und damit hoch bis höchst feste Aluminium-Magnesium-Werkstoffe mit einem Magnesiumgehalt zwischen 1 und 10 Gew.-% können durch Zugabe von Calcium 14 in einem Bereich zwischen 0,5 und 5 Gew.-% weiter in ihrer Dichte reduziert werden und steigern so ihre Attraktivität als Leichtbauwerkstoffe wegen der hohen spezifischen Festigkeit für alle Arten von gewichtsgetriebenen Anwendungen, beispielsweise Flugzeugbau, Fahrzeugbau usw.
Dank der schnellen Abkühlung und Erstarrung aus der flüssigen Phase, welche notwendig ist, damit erhöhte Mengen an Scandium 12 im Aluminium-Werkstoff gelöst werden können, kann man nun den Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierungen das Erdalkalielement Calcium 14 mit einer Dichte von 1,54 g/cm³ zulegieren und so effizient die Dichte dieser attraktiven hochfesten Aluminium-Werkstoffe weiter reduzieren. Es können hochfeste Aluminium-Magnesium-Scandium-Werkstoffe mit reduzierter Dichte von kleiner als 2,6 g/cm³ als Profile erzielt werden, allerdings auch hochfeste Aluminium-Magnesium-Scandium-Werkstoffe mit reduzierter Dichte von kleiner 2,6 g/cm³ als direktgenerierte (z. B. durch Laser umgeschmolzene) endkonturnahe Bauteile, wobei die Bauteile effizientere Leichtbaustrukturen mit hoher Langlebigkeit sind.
Bezugszeichenliste

10: Schmelztiegel
12: Scandium
14: Calcium
15: Aluminium
16: Magnesium
17: Aluminium-Magnesium-Grundlegierung
18: Düse
19: Schließvorrichtung
20: Aluminium-Scandium-Vorlegierung
21: Aluminium-Calcium-Vorlegierung
22: gemeinsame Schmelze
23: Induktionsheizung
24: Substrat
30: Düsenstrahl
32: Auftreffbereich
33: Oberfläche
34: Kühlvorrichtung
25: Achse
36: Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung
40: Legierungsband
42: Rückseite
44: Kühlwendel
O: Pfeil
P: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. J. Bosch, R. Senden, W. Entelmann, M. Knüwer, F. Palm „Scalmalloy®: A unique high strength and corrosion insensitive AlMgScZr material concept”, Proceedings of the 11th International Conference an Aluminium Alloys [0003]
F. Palm, P. Vermeer, W. von Bestenbostel, D. Isheim, R. Schneider „Metallurgical peculiarities in hyper-eutectic AlSc and AlMgSc engineering materials prepared by rapid solidification processing”, Proceedings of the 11th International Conference an Aluminium Alloys [0003]

Claims

Verfahren zum Zulegieren von Calcium (14) zu einer Aluminium-Scandium-Legierung (20) zum Herstellen einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36) mit den Schritten a) gemeinsames in Schmelze Bringen von Aluminium (15), Scandium (12) und Calcium (14); und b) Abschrecken der gemeinsamen Schmelze (22).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Calcium (14) mit einem Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% zulegiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Calcium (14) in einem Anteil zu der Legierung zulegiert wird, dass eine Dichte kleiner 2,6 g/cm³ erreicht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schmelze (22) mittels einem Schnellerstarrungsprozess in einer Geschwindigkeit von mehr als 100 K/s, insbesondere 10.000 K/s bis 10.000.000 K/s, abgeschreckt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schmelze (22) mittels einer Düse (18) als Düsenstrahl (30) auf ein Substrat (24) aufgesprüht wird, wobei das Substrat (24) während des Aufbringens der gemeinsamen Schmelze (22) gekühlt und gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (24) so schnell gedreht wird, dass die abgeschreckte gemeinsame Schmelze (22) ausgehend von einem Auftreffbereich (32) des Düsenstrahls (30) auf dem Substrat (24) von dem Substrat (24) abgeschleudert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen, insbesondere unter Luftkontakt, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) den Schritt in Schmelze bringen einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung (17) und/oder in Schmelze bringen einer Aluminium-Scandium-Vorlegierung (20) und/oder in Schmelze bringen einer Aluminium-Calcium-Vorlegierung (21) aufweist.
Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36) mit einem Calcium (14)-Anteil von mehr als 0,5 Gew.-%.
Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Scandium (12) enthält.
Legierung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% bis 0,75 Gew.-%, Zirkonium enthält und/oder dass die Legierung 1,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-%, vorzugsweise 2,5 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, Magnesium (16) und/oder Beimischungen und nicht erwünschte Verunreinigungen enthält.
Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Dichte von kleiner 2,6 g/cm³ aufweist.
Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und im Wesentlichen das gleiche Elastizitätsmodul aufweist wie die reine Aluminium-Scandium-Legierung (20), in der kein zulegiertes Calcium (14) enthalten ist.
Aluminium-Scandium-Calcium-Werkstoff, wobei der Werkstoff mehr als 0,5 Gew.-% Calcium (14) enthält.