DE112008002522T5

DE112008002522T5 - Al-Cu-Li Legierungsprodukt, welches für eine Luftfahrzeuganwendung geeignet ist

Info

Publication number: DE112008002522T5
Application number: DE112008002522T
Authority: DE
Inventors: Nadia Telioui; Achim BÜRGER; Andrew Norman; Sabine Maria Spangel
Original assignee: Aleris Aluminum Koblenz GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-08-26
Also published as: RU2627085C2; CN101855376B; RU2481412C2; CN103266246A; DE202008018370U1; RU2013102512A; CA2700250C; CN103266246B; CN101855376A; RU2010110350A; CA2700250A1; WO2009036953A1

Abstract

Aluminiumlegierungsprodukt für strukturelle Glieder, welches eine chemische Zusammensetzung aufweist, umfassend in Gew.-%:
Cu 3,4 bis 5,0
Li 0,9 bis 1,7
Mg 0,2 bis 0,8
Ag 0,1 bis 0,8
Mn 0,1 bis 0,9
Zn max. 1,5,
ein oder mehrere Element(e), gewählt aus der Gruppe, bestehend aus:
Zr 0,05 bis 0,3
Cr 0,05 bis 0,3
Ti 0,03 bis 0,3
Sc 0,05 bis 0,4
Hf 0,05 bis 0,4,
Fe < 0,15
Si < 0,5,
unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung, insbesondere ein Al-Cu-Li-Typ-Legierungsprodukt, noch genauer ein Al-Cu-Li-Mg-Ag-Mn-Legierungsprodukt für strukturelle Glieder bzw. Konstruktionsbauteile, wobei das Aluminiumlegierungsprodukt eine hohe Stärke bzw. Festigkeit mit einer hoher Zähigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit verbindet. Produkte, welche aus diesem Aluminiumlegierungsprodukt hergestellt werden, sind für Luftfahrzeuganwendungen sehr geeignet, jedoch nicht darauf beschränkt. Die Legierung kann in verschiedene Produktformen, beispielsweise Blech, dünne Platte, dicke Platte, extrudierte oder geschmiedete Produkte bearbeitet werden.
Hintergrund der Erfindung
Wie dies nachfolgend geschätzt werden wird, beziehen sich, außer es ist anders angegeben, Legierungsbezeichnungen und Temperbezeichnungen auf Aluminium Association Bezeichnungen in Aluminum Standards and Data and the Registration Records, wie sie durch die Aluminium Association 2007 veröffentlicht wurden.
Für jegliche Beschreibung von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugten Legierungszusammensetzungen sind alle Bezugnahmen auf Prozentsätze Gewichtsprozent, außer es ist anders angegeben.
Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Ausdruck ”ungefähr”, wenn er verwendet wird, um einen Zusammensetzungsbereich oder eine Menge von Legierungszusatzmitteln zu bezeichnen, daß die tatsächliche Menge des legierenden bzw. Legierungszusatzes von der nominell beabsichtigten Menge aufgrund von Faktoren variieren kann, wie sie standardmäßige Bearbeitungsabweichungen sind, wie dies durch Fachleute verstanden werden wird.
Der Ausdruck ”im wesentlichen frei” bedeutet, daß keine signifikante Menge dieser Komponente vorliegt, welche bewußt zu der Legierungszusammensetzung hinzugefügt wurde, wobei verstanden wird, daß Spurenmengen von zufälligen Elementen und/oder Verunreinigungen ihren Weg in ein gewünschtes Endprodukt finden können.
Es ist allgemein in der Luftfahrzeugindustrie gut bekannt, daß einer der effektivsten Wege, das Gewicht eines Flugzeugs zu reduzieren, es ist, die Dichte von Aluminiumlegierungen zu reduzieren, welche in einer Flugzeugkonstruktion verwendet werden. Dieser Wunsch führte zum Zusatz von Lithium, dem metallischen Element geringster Dichte, zu Aluminiumlegierungen. Aluminium Association Legierungen, wie beispielsweise AA2090 und AA2091 enthalten etwa 2,0 Gew.-% Lithium, wobei dies zu etwa 7% Gewichtseinsparungen gegenüber Legierungen führt, welche kein Lithium enthalten. Aluminiumlegierungen AA2094 und AA095 enthalten etwa 1,2 Gew.-% Lithium. Eine andere Aluminiumlegierung AA8090 enthält etwa 2,5 Gew.-% Lithium, wobei dies zu nahezu 10% Gewichtseinsparungen gegenüber Legierungen ohne Lithium führt.
Jedoch ist ein Gießen von derartigen konventionellen Legierungen, welche relativ hohe Mengen bzw. Anteile von Lithium enthalten, schwierig. Darüber hinaus ist die kombinierte Stärke bzw. Festigkeit und Bruchfestigkeit von derartigen Legierungen nicht optimal. Es existiert ein Abtausch zwischen konventionellen Aluminium-Lithium-Legierungen, in welchen eine Bruchzähigkeit mit zunehmender Festigkeit abnimmt. Ein anderes wesentliches Merkmal von Luftfahrzeug-Aluminiumlegierungen ist ein Widerstand gegenüber einem Ermüdungsbruchwachstum. Beispielsweise in schadenstoleranten Anwendungen in einem Flugzeug ist ein erhöhter Widerstand gegenüber einem Ermüdungsbruch bzw. -rißwachstum erwünscht. Ein besser Widerstand gegenüber einem Ermüdungsbruchwachstum bedeutet, daß Brüche bzw. Risse langsam wachsen werden, wobei dies Flugzeuge viel sicherer macht, da kleine Risse bzw. Sprünge detektiert werden können, bevor sie eine kritische Größe für ein katastrophales Fortschreiten bzw. eine katastrophale Ausbreitung erzielen. Darüber hinaus kann ein langsameres Riß- bzw. Bruchwachstum einen ökonomischen Vorteil aufgrund der Tatsache aufweisen, daß längere Inspektionsintervalle verwendet werden können.
Einige Dokumente gemäß dem Stand der Technik sind:
US-2004/0071586 offenbart breite Bereiche für eine Aluminiumlegierung, umfassend in Gew.-% 3 bis 5% an Cu, 0,5 bis 2% an Mg und 0,01 bis 0,9% an Li. Es ist geoffenbart, daß der Li-Gehalt bei einem niedrigen Niveau in Kombination damit verbleibt, daß Mengen an Cu und Mg kontrolliert bzw. gesteuert werden, um die gewünschten Niveaus einer Bruchzähigkeit und Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise sind Cu und Mg in der Legierung in einer gesamten Menge unterhalb einer Löslichkeitsgrenze der Legierung vorhanden.
WO-2004/106570 offenbart eine andere Al-Cu-Li-Mg-Ag-Mn-Zr-Legierung für eine Verwendung als ein strukturelles Glied bzw. Bauteil. Die Legierung umfaßt in Gew.-% 2,5 bis 5,5% Cu, 0,1 bis 2,5% Li, 0,2 bis 1% Mg, 0,2 bis 0,8% Ag, 0,2 bis 0,8% Mn und bis zu 0,3% Zr, Rest Aluminium.
US-2007/0181229 offenbart eine Aluminiumlegierung, umfassend in Gew.-% 2,1 bis 2,8% Cu, 1,1 bis 1,7% Li, 0,1 bis 0,8% Ag, 0,2 bis 0,6% Mg, 0,2 bis 0,6% Mn, wobei ein Gehalt an Fe und Si weniger oder gleich jeweils 0,1% ist, Rest Verunreinigungen und Aluminium, und wobei die Legierung im wesentlichen frei von Zirkon ist. Von dem niedrigen Zr-Gehalt wird berichtet, daß er die Zähigkeit erhöht.
Es existiert daher ein Bedarf nach einer Aluminiumlegierung, welche in einer Luftfahrzeuganwendung nützlich ist, welche eine hohe Bruchzähigkeit, hohe Festigkeit und einen exzellenten Widerstand gegenüber einem Ermudungsrißwachstum aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Es ist ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein AlCuLi-Typ-Legierungsprodukt zur Verfügung zu stellen, welches ideal für strukturelle Glieder bzw. Konstruktionsbauteile ist, welches einen Ausgleich an hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit aufweist.
Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Aluminiumlegierungsprodukts zur Verfügung zu stellen.
Diese und andere Ziele und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt oder überschritten, in welcher ein Aluminiumlegierungsprodukt für strukturelle Glieder zur Verfügung gestellt wird, welches eine chemische Zusammensetzung aufweist, umfassend in Gew.-%: Cu 3,4 bis 5,0, Li 0,9 bis 1,7, Mg etwa 0,2 bis 0,8, Ag etwa 0,1 bis 0,8, Mn etwa 0,1 bis 0,9, Zn max. 1,5, eines oder mehrere Elemente, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus: (Zr etwa 0,05 bis 0,3, Cr etwa 0,05 bis 0,3, Ti etwa 0,03 bis 0,3, Sc etwa 0,05 bis 0,4, Hf etwa 0,05 bis 0,4), Fe < 0,15, Si < 0,5, normale und nicht vermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.
Das Legierungsprodukt kann normale und/oder unvermeidbare Elemente und Verunreinigungen enthalten, typischerweise jeweils < 0,05% und insgesamt < 0,2%, und der Rest besteht aus Aluminium.
Gegebenenfalls kann das Legierungsprodukt 0 bis 1%, und vorzugsweise 0 bis 0,1% von Korn-Refiner-Elementen enthalten, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus B, TiB₂, Ce, Nb, Er und V.
Kupfer ist eines der Hauptlegierungselemente in den Legierungsprodukten und wird hinzugefügt, um die Festigkeit des Legierungsprodukts zu erhöhen. Es muß jedoch dafür Sorge getragen werden, nicht zuviel Kupfer hinzuzufügen, da der Korrosionswiderstand reduziert werden kann. Darüber hinaus werden Kupferzusätze über eine maximale Löslichkeit zu einer niedrigen Bruchzähigkeit und niedrigen Schadens- bzw. Beschädigungstoleranz führen. Eine bevorzugte obere Grenze für den Cu-Gehalt ist aus diesem Grund etwa 4,4%, und bevorzugter etwa 4,2%. Eine bevorzugte untere Grenze ist etwa 3,6%, und noch bevorzugter etwa 3,75% und am bevorzugtesten etwa 3,9%.
Magnesium ist ein anderes Hauptlegierungselement in dem Legierungsprodukt und wird hinzugefügt, um die Festigkeit zu erhöhen und die Dichte zu reduzieren. Es sollte jedoch dafür Sorge getragen bzw. darauf geachtet werden, nicht zuviel Magnesium in Kombination mit Kupfer hinzuzufügen, da Zusätze über eine maximale Löslichkeit zu einer geringen Bruchzähigkeit und einer geringen Schadenstoleranz führen werden. Eine bevorzugtere untere Grenze für den Mg-Zusatz ist 0,3%, und eine bevorzugtere obere Grenze ist 0,65%. Es wurde gefunden, daß bei einem Niveau von etwa 0,8% das weitere Hinzufügen von Mg in einer Verringerung in der Zähigkeit des Legierungsprodukts resultieren kann.
Lithium ist ein anderes wichtiges Legierungselement in dem Produkt dieser Erfindung und wird gemeinsam mit dem Kupfer hinzugefügt, um eine verbesserte Kombination einer Bruchzähigkeit und Stärke bzw. Festigkeit zu erhalten. Dies bedeutet, daß die vorliegende Legierung entweder eine höhere Bruchzähigkeit und eine äquivalente oder höhere Festigkeit besitzt, oder eine höhere Festigkeit und eine äquivalente oder höhere Bruchzähigkeit in wenigstens einem Zustand bzw. Temper oder Härtegrad im Vergleich zu ähnlichen Legierungen besitzt, welche kein Lithium oder größere Mengen an Lithium enthalten. Eine bevorzugte untere Grenze für den Li-Zusatz ist 1,0%. Eine bevorzugte obere Grenze für den Li-Zusatz ist etwa 1,4%, und bevorzugter 1,25%. Ein zu hoher Li-Gehalt weist einen nachteiligen Effekt auf Schadenstoleranzeigenschaften des Legierungsprodukts insbesondere mit den relativ hohen Cu-Niveaus in dem Legierungsprodukt dieser Erfindung auf.
Der Silberzusatz dient dazu, um weiter eine Festigkeit zu erhöhen, und sollte etwa 0,8% nicht überschreiten, und eine bevorzugte untere Grenze ist etwa 0,1%. Ein bevorzugter Bereich für den Ag-Zusatz ist etwa 0,2 bis 0,6%, und bevorzugter von etwa 0,25 bis 0,50%.
Der Mangan-Zusatz dient dazu, um die Kornstruktur zu regeln bzw. zu steuern, indem eine einheitlichere Verteilung der Hauptpräzipitationsphase zur Verfügung gestellt wird und dadurch darüber hinaus insbesondere die Festigkeit erhöht wird. Der Mn-Zusatz sollte etwa 0,9% nicht übersteigen und sollte wenigstens etwa 0,1% betragen. Eine bevorzugte untere Grenze für den Mangan-Zusatz ist wenigstens etwa 0,2%, und bevorzugter wenigstens etwa 0,3%, und bevorzugter wenigstens 0,35%. Eine bevorzugte obere Grenze für den Mn-Zusatz ist etwa 0,7%.
Zusätzlich zu Aluminium, Kupfer, Magnesium, Lithium, Silber, Mangan und vorzugsweise auch Zink enthält die Legierung der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe von Zr, Cr, Ti, Sc, Hf.
Wenn es hinzugefügt wird, sollte Zirkon in einem Bereich von 0,05 bis 0,3%, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,07 bis 0,2% vorhanden sein. Ein zu geringer Zr-Zusatz hat einen Nachteil auf die Einheitspropagationsenergie des Legierungsprodukts.
Der Cr-Zusatz kann durchgeführt werden, um insbesondere die Einheitspropagationsenergie (unit propagation energy, UPE) des Legierungsprodukts zu erhöhen. Die UPE wird typischerweise in dem Kahn-Reißtest gemessen und ist die Energie, welche für ein Riß- bzw. Bruchwachstum erforderlich ist. Es wird allgemein angenommen, daß, je höher die UPE, um so schwieriger das Wachstum des Risses ist, wobei dies ein gewünschtes Merkmal des Materials ist. Der Cr-Zusatz sollte in einem Bereich von 0,05 bis 0,3%, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,16% sein. Von dem bewußten Zusatz von Cr zu Lithium enthaltenden Aluminiumlegierungsprodukten wurde früher berichtet, daß dies einen nachteiligen Effekt auf Bearbeitungseigenschaften habe.
Der Effekt des Cr-Zusatzes auf die UPE wird mit einem kombinierten Zusatz von Cr und Ti beträchtlich verstärkt. Das Ti sollte auch in einem Bereich von 0,05 bis 0,3% sein, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,16%. Der kombinierte Zusatz von Cr und Ti hat auch einen positiven Effekt auf den intergranulären Korrosionswiderstand des Legierungsprodukts.
Der Scandium-Zusatz kann durchgeführt werden, um signifikant insbesondere die Einheitspropagationsenergie (UPE) des Legierungsprodukts zu erhöhen. Der Sc-Zusatz sollte in einem Bereich von 0,05 bis 0,4%, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,25% sein.
Das Scandium kann teilweise oder insgesamt durch den Zusatz von Hafnium ersetzt werden. Der Hf-Zusatz sollte in ähnlichen Zusammensetzungsbereichen wie das Scandium erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Legierungsprodukts dieser Erfindung gibt es kombinierte Zusätze von wenigstens Cr, Ti und Sc.
Und in einer bevorzugteren Ausführungsform des Legierungsprodukts dieser Erfindung wird ein Zusatz von Zr, Cr, Ti und Sc kombiniert.
Der Si-Gehalt in dem Legierungsprodukt sollte weniger als 0,5% sein und kann als ein bewußtes Legierungselement vorhanden sein. In einer anderen Ausführungsform ist Silizium als ein Verunreinigungselement vorhanden und sollte an dem unteren Ende dieses Bereichs vorhanden sein, beispielsweise weniger als etwa 0,10%, und bevorzugter weniger als 0,07%, um Bruchzähigkeitseigenschaften auf gewünschten Niveaus beizubehalten.
Der Fe-Gehalt in dem Legierungsprodukt sollte weniger als 0,15% sein. Wenn das Legierungsprodukt für eine Luftfahrzeuganwendung verwendet wird, ist das untere Ende dieses Bereichs bevorzugt, beispielsweise weniger als etwa 0,1%, und bevorzugter weniger als etwa 0,07%, um insbesondere die Zähigkeit auf einem ausreichend hohen Niveau beizubehalten. Wo das Legierungsprodukt für kommerzielle Anwendungen, wie beispielsweise eine Werkzeugplatte verwendet wird, kann ein höherer Fe-Gehalt toleriert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Legierungsprodukts ist das Zink als Verunreinigungselement vorhanden, welches bis zu einem Niveau von höchstens 0,1%, und vorzugsweise höchstens etwa 0,05%, beispielsweise etwa 0,02% oder weniger toleriert werden kann. Derart kann das Legierungsprodukt im wesentlichen frei von Zn sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Legierungsprodukts wird das Zink bewußt hinzugefügt, um eine Festigkeit zu verbessern, und es hat einen geringen Effekt auf die Schadenstoleranzeigenschaften des Legierungsprodukts. In dieser Ausführungsform ist das Zink typischerweise in einem Bereich von etwa 0,1 bis 1,5%, und bevorzugter in einem Bereich von etwa 0,2 bis 1,0% vorhanden. Als ein bestimmtes Beispiel wird Zink in einer Menge von etwa 0,5% hinzugefügt.
In der Ausführungsform des Legierungsprodukts, welches den bewußten Zusatz von Zink aufweist, wird bzw. werden auch ein oder mehrere Legierungselement(e) hinzugefügt, gewählt aus der Gruppe bestehend aus (Zr, Cr, Ti, Sc, Hf). In einer bevorzugteren Ausführungsform wird nur eines der Elemente dieser Gruppe hinzugefügt, während unverändert ein gewünschter Ausgleich betreffend Festigkeit und Zähigkeit vorliegt. Beispielsweise kann das Legierungsprodukt Ti in einem Bereich von 0,03 bis 0,3% enthalten, während es im wesentlichen frei von jedem von Zr, Cr, Sc und Hf ist. In einem anderen Beispiel kann das Legierungsprodukt Zr in einem Bereich von 0,05 bis 0,3%, vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,25% enthalten, während es im wesentlichen frei von jedem von Cr, Ti, Sc und Hf ist. In noch einem anderen Beispiel kann das Legierungsprodukt Cr in einem Bereich von 0,05 bis 0,3% enthalten, während es darüber hinaus im wesentlichen frei von jedem von Zr, Ti, Sc und Hf ist.
In einer Ausführungsform des Legierungsprodukts ist das Produkt in der Form eines gewalzten, extrudierten oder geschmiedeten Produkts, und bevorzugter ist das Produkt in der Form eines Blechs, einer Platte, eines geschmiedeten Elements oder eines Extrusionsteils als Teil eines Flugzeugkonstruktions- bzw. -bauteils. In einer bevorzugteren Ausführungsform wird das Legierungsprodukt in der Form eines extrudierten Produkts zur Verfügung gestellt.
Wenn es als ein Teil des Flugzeugbauteils verwendet wird, kann das Teil beispielsweise ein Rumpfblech, eine obere Flügelplatte, eine untere Flügelplatte, eine dicke Platte für bearbeitete Teile, ein geschmiedetes Teil oder ein dünnes Blech für Stringer bzw. Längsversteifungsträger sein.
Ein Widerstand gegenüber einer intergranulären Korrosion der Produkte der vorliegenden Erfindung ist im allgemeinen hoch, beispielsweise wird typischerweise nur ein Pitting bzw. eine Grübchenbildung detektiert, wenn das Metall einem Korrosionstest unterworfen wird. Jedoch können das Blech und eine Platte geringer Abmessung auch plattiert bzw. beschichtet sein bzw. werden, mit einer bevorzugten Plattierungsdicke von etwa 1% bis etwa 8% der Dicke des Blechs oder der Platte. Die Plattierung ist typischerweise eine Niedrig-Zusammensetzungs-Aluminiumlegierung.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten bzw. gehämmerten Aluminiumlegierungsprodukts einer Al-Cu-Li-Legierung, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

a. Gießen eines Guts eines Barrens bzw. Blocks einer AlCuLi-Legierung gemäß dieser Erfindung,
b. Vorerwärmen und/oder Homogenisieren des gegossenen bzw. Gießguts;
c. Heißbearbeiten des Guts bzw. Materials durch ein oder mehrere Verfahren, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Walzen, Extrusion und Schmieden;
d. gegebenenfalls Kaltbearbeiten des heiß bearbeiteten Guts;
e. Lösungs-Wärmebehandeln bzw. Lösungsglühen (”SHT”) des heiß bearbeiteten und/oder gegebenenfalls kalt bearbeiteten Guts, wobei das SHT bei einer Temperatur und für eine Zeit durchgeführt wird, welche ausreichend sind, um die lösbaren bzw. löslichen Bestandteile in der Aluminiumlegierung in eine feste Lösung zu bringen;
f. Kühlen des SHT Guts, vorzugsweise durch ein Sprühabschrecken oder Immersionsabschrecken in Wasser oder anderen Abschreckmedien;
g. gegebenenfalls Strecken oder Komprimieren des gekühlten SHT Guts oder anderweitiges Kaltbearbeiten des abgekühlten SHT Guts, um Spannungen abzubauen, beispielsweise ein Nivellieren oder Ziehen oder Kaltwalzen des gekühlten SHT Guts; und
h. Alter, vorzugsweise künstliches Alter des gekühlten und gegebenenfalls gestreckten oder komprimierten oder anderweitig kalt bearbeiteten SHT Guts, um ein gewünschtes Tempern zu erzielen.

Die Aluminiumlegierung kann als ein Rohling bzw. Barren oder als ein Slab bzw. eine Platte oder als ein Walzblock für eine Herstellung in ein geeignetes Knetprodukt durch Gießtechniken zur Verfügung gestellt werden, welche in dem Stand der Technik für Gießprodukte bekannt sind, beispielsweise DC-Gießen, EMC-Gießen, EMS-Gießen. Platten, welche aus einem kontinuierlichen Gießen, beispielsweise einem Bandgießen oder Walzengießen resultieren, können auch verwendet werden, wobei dies insbesondere vorteilhaft sein kann, wenn Endprodukte mit dünneren Abmessungen erzeugt werden. Korn Refiner, wie beispielsweise jene, welche Titan und Bor, oder Titan oder Kohlenstoff enthalten, können auch verwendet werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Nach einem Gießen des Legierungsguts wird der Rohling üblicherweise geschält, um Segregationszonen nahe der gegossenen Oberfläche des Rohlings zu entfernen.
Eine Homogenisierungsbehandlung wird typischerweise in einem oder mehreren Schritt(en) durchgeführt, wobei jeder Schritt eine Temperatur in dem Bereich von etwa 475°C bis 535°C aufweist. Die Vorerwärmungsbehandlung involviert ein Erwärmen bzw. Erhitzen des heißen Bearbeitungsguts auf die Heißbearbeitungs-Eintrittstemperatur, welche typischerweise in einem Temperaturbereich von etwa 440°C bis 490°C liegt.
Nachfolgend auf die Vorerwärmungs- und/oder Homogenisierungsbehandlung kann das Gut durch ein oder mehrere Verfahren heiß bearbeitet werden, welche(s) aus der Gruppe ausgewählt wird bzw. werden, bestehend aus einem Walzen, einer Extrusion und einem Schmieden, vorzugsweise unter Verwendung von üblicher Industriepraxis. Das Verfahren eines Heißwalzens wird für die vorliegende Erfindung bevorzugt.
Das Heißbearbeiten und insbesondere Warmwalzen kann auf eine endgültige Abmessung von beispielsweise 3 mm oder weniger oder alternativ auf Produkte mit dicker Abmessung durchgeführt werden. Alternativ kann der Heißbearbeitungsschritt durchgeführt werden, um ein Gut bei einer mittleren Abmessung, z. B. ein typisches Blech oder eine dünne Platte zur Verfügung zu stellen. Danach kann dieses Gut bzw. Material bei einer mittleren Abmessung kalt bearbeitet werden, beispielsweise mittels eines Walzens auf eine endgültige Abmessung. In Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und dem Ausmaß an Kaltbearbeitung kann ein zwischenliegendes Vergüten vor oder während dem Kaltbearbeitungsvorgang verwendet werden.
Eine Lösungs-Wärmebehandlung bzw. ein Lösungsglühen (”SHT”) wird typischerweise innerhalb desselben Temperaturbereichs durchgeführt, wie er für eine Homogenisierung verwendet wird, obwohl die Durchwärm- bzw. Einwirkzeiten, welche gewählt werden, etwas kürzer sein können. Eine typische SHT wird bei einer Temperatur von 480°C bis 525°C für 15 min. bis etwa 5 Stunden durchgeführt. Niedrigere SHT Temperaturen begünstigen allgemein eine hohe Bruchzähigkeit. Nachfolgend auf die SHT wird das Gut rasch abgekühlt oder abgeschreckt, vorzugsweise durch ein Sprühabschrecken oder ein Eintauchabschrecken in Wasser oder andere Abschreckmedien.
Das SHT bearbeitete und abgeschreckte Gut kann weiter kalt bearbeitet werden, beispielsweise durch ein Strecken bzw. Recken in dem Bereich von etwa 0,5 bis 15% seiner ursprünglichen Länge, um verbleibende Beanspruchungen bzw. Spannungen darin zu milder und die Flachheit des Produkts zu verbessern. Vorzugsweise ist das Strecken in dem Bereich von etwa 0,5 bis 6%, noch bevorzugter von etwa 0,5 bis 5%.
Nach einem Kühlen wird das Gut gealtert, typischerweise bei Umgebungstemperatur, und/oder alternativ kann das Gut künstlich gealtert werden.
Das Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung wird vorzugsweise in einer geringfügig unter-gealterten T8 Bedingung zur Verfügung gestellt, um den besten Ausgleich zwischen Festigkeits- und Schadenstoleranzeigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Eine gewünschte strukturelle Form bzw. Gestalt wird dann aus diesen heiß bearbeiteten Plattenquerschnitten bearbeitet, zunehmender allgemein nach einem künstlichen Alter, beispielsweise ein integraler Flügelholm. SHT, Abschrecken, gegebenenfalls Spannungs- bzw. Belastungsabbauvorgänge und ein künstliches Alter werden auch befolgt bei der Herstellung von dicken Querschnitten, welche durch eine Extrusion und/oder Schmiedebearbeitungsschritte hergestellt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Schweißschritt umfaßt, kann der Alterungsschritt in zwei Schritte unterteilt werden: ein Vor-Alterungsschritt vor einem Schweißvorgang, und eine abschließende Wärmebehandlung, um ein geschweißtes strukturelles Glied bzw. Bauteil zu bilden.
Das AlCuLi-Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung kann unter anderem wie in dem Dickenbereich von nahezu 0,5 Zoll (12,5 mm) verwendet werden, wobei die Eigenschaften exzellent für ein Flugzeugrumpfblech sein werden. In dem Dickenbereich einer dünnen Platte von 0,7 bis 3 Zoll (17,7 bis 76 mm) werden die Eigenschaften exzellent für eine Flügelplatte, beispielsweise eine untere Flügelplatte sein. Der Dickenbereich einer dünnen Platte kann auch für Stringer bzw. Längsversteifungen verwendet werden oder zum Ausbilden eines integralen Flügelpaneels und einer Längsversteifung zur Verwendung in einer Flugzeugflügelstruktur. Wenn auf dickere Größen bzw. Abmessungen von mehr als 2,5 Zoll (63 mm) bis etwa 11 Zoll (280 mm) bearbeitet, wurden exzellente Eigenschaften für ein integrales Teil erhalten, welches aus Platten bearbeitet bzw. herausgearbeitet ist, oder zur Ausbildung eines integralen Holms für eine Verwendung in einer Flugzeugflügelstruktur, oder in der Form einer Rippe zur Verwendung in einer Flugzeugflügelstruktur. Die Produkte größerer Dicke bzw. Abmessung können auch als eine Bearbeitungsplatte verwendet werden, beispielsweise Formen zur Herstellung von geformten Kunststoffprodukten, beispielsweise über ein Druckgießen oder Einspritzformen. Die Legierungsprodukte gemäß der Erfindung können auch in der Form eines abgestuften Extrusionselements oder eines extrudierten Holms oder von extrudierten Versteifungselementen zur Verwendung in einer Flugzeugstruktur zur Verfügung gestellt werden, oder in der Form eines geschmiedeten Holms für eine Verwendung in einer Flugzeugflügelstruktur.
Wenn in der Form eines Blechprodukts angewandt, sollte die Fließfestigkeit oder Dehnfestigkeit bzw. -grenze wenigstens 460 MPa, und vorzugsweise wenigstens 480 MPa sein. Wenn in der Form eines extrudierten Produkts angewandt, beispielsweise als eine Längsversteifung oder in der Form eines Plattenprodukts, sollte die Fließfestigkeit oder Dehn- bzw. Streckfestigkeit des Produkts wenigstens 480 MPa und bevorzugter wenigstens 500 MPa sein. Diese Festigkeitsniveaus können durch ein Auswählen der Legierungszusammensetzung innerhalb der beanspruchten Bereiche erhalten werden, und vorzugsweise innerhalb der bevorzugten engeren Bereiche in Kombination mit der Bearbeitung bzw. Ausführung einer künstlichen Alterung.
Nachfolgend wird die Erfindung durch das folgende nicht-beschränkende Beispiel erläutert.
Beispiel
In einem Laboratoriumsmaßstab wurden acht Aluminiumlegierungen gegossen, um das Prinzip der gegenwärtigen Erfindung zu überprüfen, und in 2 mm Blech bearbeitet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 1 aufgelistet, und wobei Legierung Nr. 2 eine vergleichsweise Legierung aufgrund eines niedrigeren Li-Gehalts ist. Für alle Rohlinge bzw. Gußblöcke waren der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Aluminium. Walzblöcke von etwa 80 × 80 × 100 mm (Höhe × Breite × Länge) wurde von runden, im Labor gegossenen Rohlingen von etwa 12 kg gesägt. Die Rohlinge wurden bei 520 ± 5°C für etwa 24 Stunden homogenisiert und nachfolgend langsam luftgekühlt, um einen industriellen Homogenisierungsprozeß nachzuahmen. Die gewalzten Rohlinge wurden für etwa 4 Stunden bei 450 ± 5°C vorerwärmt und auf ein Maß bzw. eine Abmessung von 8 mm heißgewalzt und nachfolgend auf ein endgültiges Maß von 2 mm kaltgewalzt. Das heißgewalzte Produkt wurde lösungswärmebehandelt (SHT) für 30 Minuten bei 520 ± 5°C und in Wasser abgeschreckt. Die abgeschreckten Produkte wurden kaltgestreckt um etwa 1,5%. An dem SHT bearbeiteten und abgeschreckten Blech wurden zwei Alterungsvorgänge durchgeführt: (1) eine Unter-Alterungs-Bedingung durch ein Alter für 20 Stunden bei 170°C und nur für Legierungen 1, 7 und 8: (2) eine Spitzen-Alterungs-Bedingung durch ein Alter für 48 Stunden bei 170°C.

Nachfolgend auf das Alter wurden die Zugeigenschaften gemäß EN10.002 bestimmt, und wobei ”Rp” die Fließgrenze in MPa repräsentiert, ”Rm” die Zugfestigkeit in MPa repräsentiert und ”Ag” die einheitliche bzw. gleichmäßige Längung in% in der L- und LT-Richtung repräsentiert. Für alle Legierungen wurde auch die Reißfestigkeit gemäß ASTM B871-96 bestimmt, und die Testrichtung der Resultate sind für die T-L und L-T Richtung. Die sogenannte Kerbzähigkeit kann erhalten werden durch ein Dividieren der Reißfestigkeit, erhalten durch den Kahn-Reißtest, durch die konventionelle oder technische Streckgrenze (”TS/Rp”). Dieses typische Resultat von dem Kahn-Reißtest ist im Stand der Technik dafür bekannt, ein guter Indikator für eine tatsächliche Bruchzähigkeit zu sein. Die mechanischen Eigenschaften, wie sie getestet wurden, sind in Tabelle 2 und 3 gezeigt. Wenn die Zugfestigkeit bzw. Zerreißfestigkeit in der L-Richtung angegeben ist, ist die entsprechende Richtung für die Kerbzähigkeit die L-T-Richtung, und wenn die Zugfestigkeit in der LT-Richtung gegeben ist, dann ist die entsprechende Richtung für die Kerbzähigkeit die T-L-Richtung. Tabelle 1. Chemische Zusammensetzung der getesteten Aluminiumlegierungen. Alle Legierungszusätze sind Gew.-%, der Rest ist gegeben durch unvermeidbare Verunreinigungen und Aluminium. Für alle Legierungen ist Fe 0,03%, Si 0,03%.

Leg.	Legierungselement
Nr.	Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Cr	Ti	Sc	Zn
1	1,1	3,9	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
2	0,6	3,9	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
3	1,3	3,9	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
4	1,1	3,6	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
5	1,1	4,4	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
6	1,6	3,6	0,5	0,4	0,5	0,11	0,11	0,10	0,15	-
7	1,1	3,9	0,5	0,4	0,5	-	-	0,10	-	0,5
8	1,1	3,9	0,5	0,4	0,5	0,11	-	-	-	1,0

Tabelle 2. Mechanische Eigenschaften des gewalzten Legierungsprodukts nach einem Altern für 16 Stunden bei 170°C.

Leg.	L-Richtung					LT-Richtung
Nr.	Rp	Rm	Ag	TS	TS/ Rp	Rp	Rm	Ag	TS	TS/ Rp
1	502	536	6,1	654	1,30	442	509	6,8	580	1,31
2	346	443	9,3	668	1,93	362	449	8,4	611	1,69
3	527	565	5,6	598	1,13	471	542	5,6	454	0,96
4	479	518	7,0	678	1,42	414	482	8,5	621	1,50
5	508	549	6,5	578	1,14	477	541	7,7	505	1,06
6	456	516	6,8	565	1,24	-	-	-	-	-
7	574	611	5,5	571	0,99	542	600	5,9	479	0,88
8	570	606	5,4	483	0,85	514	550	3,4	451	0,88

Tabelle 3. Mechanische Eigenschaften der gewalzten Legierungsprodukte nach einem Alter für 24 Stunden bei 170°C.

Leg.	L-Richtung					LT-Richtung
Nr.	Rp	Rm	Ag	TS	TS/ Rp	Rp	Rm	Ag	TS	TS/ Rp
1	510	543	5,9	647	1,27	461	535	7,2	546	1,18
7	582	617	4,9	-	-	547	603	4,3	-	-
8	564	604	4,9	-	-	536	592	5,0	-	-

Aus den Resultaten von Tabelle 2 kann aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 (gemäß der Erfindung) und Legierung Nr. 2 (Vergleich) gesehen werden, daß ein Absenken des Li-Gehalts einen signifikanten nachteiligen Effekt auf die Fließfestigkeit und die Zugfestigkeit bzw. -grenze aufweist. Aus diesem Grund ist die untere Grenze für den Li-Gehalt in dem Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung wenigstens 0,9%, und bevorzugter wenigstens 1,0%.
Aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 und Legierung Nr. 3 kann aus Tabelle 2 gesehen werden, daß ein Anheben des Li-Gehalts die Festigkeitsniveaus erhöht, jedoch einen nachteiligen Effekt auf die Zähigkeit des Legierungsprodukts aufweist. Um einen guten Ausgleich zwischen Festigkeit und Zähigkeit in dem Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung zu erhalten, sollte der Li-Gehalt nicht 1,7% überschreiten, und vorzugsweise nicht mehr als 1,4%, und sollte noch bevorzugter 1,25% nicht überschreiten.
Aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 und Legierung Nr. 4 kann aus Tabelle 2 gesehen werden, daß ein Absenken des Cu-Gehalts einen nachteiligen Effekt auf die Festigkeitsniveaus hat. Aus diesem Grund sollte der Cu-Gehalt in dem Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung nicht weniger als 3,4% sein, und vorzugsweise nicht weniger als 3,6%, um ausreichende Festigkeitsniveaus beizubehalten. Während aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 und Legierung Nr. 5 gesehen werden kann, daß ein Erhöhen des Cu-Gehalts nur in einem geringen Anstieg der Festigkeitsniveaus resultiert, weist es jedoch einen signifikanten nachteiligen Effekt auf die Zähigkeit des Legierungsprodukts auf. Um einen guten Ausgleich zwischen Festigkeit und Zähigkeit in dem Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung zu erhalten, sollte der Cu-Gehalt vorzugsweise 4,4% nicht überschreiten, und sollte bevorzugter 4,2% nicht überschreiten.
Aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 und Legierung Nr. 6 kann gesehen werden, daß ein signifikantes Erhöhen des Li-Gehalts während eines Reduzierens des Cu-Gehalts in einer Abnahme in der Festigkeit resultiert, während signifikant die Zähigkeit in dem Legierungsprodukt gemäß dieser Erfindung reduziert wird.
Aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 1 und Legierung Nr. 7 kann gesehen werden, daß ein Zusetzen von nur etwa 0,5% Zink signifikant die Festigkeit des Legierungsprodukts erhöht. Dieser Festigkeitsanstieg wird in diesem Beispiel selbst bei der Abwesenheit des bewußten kombinierten Zusatzes von Zr, Cr und Sc erhalten.
Aus einem Vergleich zwischen Legierung Nr. 7 und Legierung Nr. 8 kann gesehen werden, daß ein Erhöhen des Zn-Gehalts nicht notwendigerweise zu einem weiteren Anstieg einer Festigkeit oder Zähigkeit führt und einen nachteiligen Effekt auf andere Bearbeitungseigenschaften aufweisen kann. Aus diesem Grund ist eine bevorzugte obere Grenze des Zn-Gehalts etwa 1,0%. Die Legierungsprodukte, welche einen bewußten Zusatz von Zink aufweisen, repräsentieren eine bevorzugte Ausführungsform des Legierungsprodukts gemäß dieser Erfindung.
Aus den Resultaten in Tabelle 2 für Legierung Nr. 7 und Legierung Nr. 8 kann gesehen werden, daß hohe Festigkeitsniveaus erhalten werden, während bewußt nur ein Element hinzugefügt wird, gewählt aus der Gruppe von (Zr, Cr, Ti, Sc und Hf).
Aus den Resultaten von Tabelle 2 und Tabelle 3 kann gesehen werden, daß in Abhängigkeit von der künstlichen Alterungspraxis ein weiterer Anstieg in einer Festigkeit erhalten werden kann.
Indem nunmehr vollständig die Erfindung beschrieben wurde, wird es für einen Fachmann in dem Stand der Technik ersichtlich sein, daß viele Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Geist oder Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie sie hierin beschrieben ist.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aluminiumlegierungsprodukt für strukturelle Glieder, welches eine chemische Zusammensetzung aufweist, umfassend in Gew.-%: Cu 3,4 bis 5,0, Li 0,9 bis 1,7, Mg etwa 0,2 bis 0,8, Ag etwa 0,1 bis 0,8, Mn etwa 0,1 bis 0,9, Zn max. 1,5 und eines oder mehrere Elemente, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus: (Zr etwa 0,05 bis 0,3, Cr etwa 0,05 bis 0,3, Ti etwa 0,03 bis 0,3, Sc etwa 0,05 bis 0,4, Hf etwa 0,05 bis 0,4), Fe < 0,15, Si < 0,5, normale und nicht vermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0071586 [0008]
- WO 2004/106570 [0009]
- US 2007/0181229 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ASTM B871-96 [0053]

Claims

Aluminiumlegierungsprodukt für strukturelle Glieder, welches eine chemische Zusammensetzung aufweist, umfassend in Gew.-%: Cu 3,4 bis 5,0 Li 0,9 bis 1,7 Mg 0,2 bis 0,8 Ag 0,1 bis 0,8 Mn 0,1 bis 0,9 Zn max. 1,5, ein oder mehrere Element(e), gewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Zr 0,05 bis 0,3 Cr 0,05 bis 0,3 Ti 0,03 bis 0,3 Sc 0,05 bis 0,4 Hf 0,05 bis 0,4, Fe < 0,15 Si < 0,5, unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.
Aluminiumlegierungsprodukt nach Anspruch 1, wobei der Cu-Gehalt in einem Bereich von 3,6 bis 4,4%, vorzugsweise in einem Bereich von 3,75 bis 4,4%, und am bevorzugtesten in einem Bereich von 3,75 bis 4,2% liegt.
Aluminiumlegierungsprodukt nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Li-Gehalt in einem Bereich von 1,0 bis 1,4%, und vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 1,25% liegt.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Produkt Zr in einem Bereich von 0,05 bis 0,25% enthält.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt Zn in einem Bereich von 0,1 bis 1,5%, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 1,0% enthält.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Produkt Ag in einem Bereich von 0,2 bis 0,6%, und vorzugsweise von 0,25 bis 0,50% enthält.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Produkt Mn in einem Bereich von 0,2 bis 0,7% enthält.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Produkt in der Form eines gewalzten, extrudierten oder geschmiedeten Produkts vorliegt.
Aluminiumlegierungsprodukt nach Anspruch 8, wobei das Produkt in der Form eines extrudierten Produkts vorliegt.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Produkt in der Form eines Blechs, einer Platte, eines geschmiedeten Elements oder einer Extrusion als ein Teil eines Luftfahrzeugskonstruktionsteils vorliegt.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Produkt mit einer Heißdeformationsbearbeitung, einer Lösungs-Hitzebehandlung, einem Abschrecken und einem Alter behandelt wurde.
Aluminiumlegierungsprodukt nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Produkt mit einer Lösungs-Hitzebehandlung bzw. einem Lösungsglühen, einem Abschrecken und einer Kaltbelastungshärtung bearbeitet wurde und eine permanente Deformation zwischen 0,5 und 15%, und vorzugsweise zwischen 0,5 und 5% besitzt.
Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumlegierungsprodukts nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: a. Gießen eines Guts eines Barrens bzw. Blocks einer AlCuLi-Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, b. Vorerwärmen und/oder Homogenisieren des gegossenen bzw. Gießguts; c. Heißbearbeiten des Guts bzw. Materials durch ein oder mehrere Verfahren, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Walzen, Extrusion und Schmieden; d. gegebenenfalls Kaltbearbeiten des heiß bearbeiteten Guts; e. Lösungs-Wärmebehandeln bzw. Lösungsglühen (SHT) des heiß bearbeiteten und/oder gegebenenfalls kalt bearbeiteten Guts, wobei das SHT bei einer Temperatur und für eine Zeit durchgeführt wird, welche ausreichend sind, um die lösbaren Bestandteile in der Aluminiumlegierung in eine feste Lösung zu bringen; f. Kühlen des SHT Guts; g. gegebenenfalls Strecken oder Komprimieren des gekühlten SHT Guts oder anderweitiges Kaltbearbeiten des abgekühlten SHT Guts, um Spannungen abzubauen, beispielsweise ein Nivellieren oder Ziehen oder Kaltwalzen des gekühlten SHT Guts; und h. Alter, vorzugsweise künstliches Altern des gekühlten und gegebenenfalls gestreckten oder komprimierten oder anderweitig kalt bearbeiteten SHT Guts, um ein gewünschtes Tempern zu erzielen.