DE3586264T2

DE3586264T2 - Aluminium-lithium-legierungen.

Info

Publication number: DE3586264T2
Application number: DE8585302169T
Authority: DE
Inventors: Philip E Bretz; Warren H Hunt; Ralph R Sawtell
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2005-03-29
Also published as: AU3809485A; CA1228490A; NO851267L; US4648913A; EP0157600A2; JPS60221543A; BR8501422A; US4844750A; AU573683B2; DE3586264D1; EP0157600A3; US4897126A; EP0157600B1

Description

Die Erfindung betrifft Produkte aus Aluminiunbasislegierungen, insbesondere verbesserte Produkte aus einer lithiumhaltigen Aluminiumbasislegierung, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
In der Flugzeugindustrie hat man allgemein erkannt, daß eine der wirksamsten Maßnahmen zum Vermindern des Gewichts eines Flugzeuges darin besteht, die Dichte der in der Flugzeugkonstruktion verwendeten Aluminiumlegierungen herabzusetzen. Um die Dichte der Legierung herabzusetzen, hat man Lithium zugesetzt, obwohl beim Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen Probleme auftreten. Beispielsweise führt ein Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen häufig zu einer Verminderung der Duktilität und der Bruchzähigkeit. Bei einer Verwendung in Flugzeugteilen muß die lithiumhaltige Legierung unbedingt sowohl eine höhere Bruchzähigkeit als auch bessere Festigkeitseigenschaften haben.
Bei einer Betrachtung der in Flugzeugen normalerweise verwendeten Legierungen, wie den Legierungen AA (Aluminium Association) 2024-T3X und 7050-TX, erkennt man, daß sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Bruchzähigkeit nur schwer erzielbar sind. Beispielsweise geht aus einem von J.T. Stalex verfaßten Artikel unter dem Titel "Microstructure and Toughness of High-Strength Aluminum Alloys", Properties Related to Fracture Toughness, ASTM STP605, Amercon Society for Testing and Materials, 1976, s. 71-103, hervor, daß bei Feinblech aus AA2024 bei zunehmender Festigkeit die Bruchzähigkeit abnimmt. Gemäß demselben Artikel gilt das auch für Grobblech aus AA7050. Es wären Legierungen erwünscht, bei denen die Festigkeit erhöht werden kann, während die Zähigkeit nur minimal oder gar nicht vermindert wird, oder die derart behandelt werden können, daß die Festigkeit erhöht, die Zähigkeit aber nicht beeinträchtigt wird, so daß eine erwünschtere Kombination von Festigkeit und Zähigkeit erzielt wird. In vorteilhafteren Legierungen müßte die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bei Aluminium-Lithium-Legierungen erzielbar sein, die eine um etwa 5 bis 15% niedrigere Dichte haben. Derartige Legierungen würden in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine weite Verbreitung finden, weil ein niedriges Gewicht und eine hohe Festigkeit und Zähigkeit zu großen Kraftstoffeinsparungen führen. Daher versteht es sich, daß es sehr vorteilhaft wäre, Produkte aus Aluminium-Lithium-Legierungen herzustellen, die entweder eine hohe Festigkeit bei wenig oder nicht verminderter Zähigkeit haben oder bei denen die Festigkeit unter Aufrechterhaltung der Zähigkeit erhöht werden kann.
Die Erfindung schafft ein verbessertes Produkt aus einer lithiumhaltigen Aluminiumbasislegierung, der durch geeignete Behandlung eine höhere Festigkeit bei Aufrechterhaltung einer hohen Zähigkeit oder eine gewünschte Festigkeit bei kontrollierter Zähigkeit erteilt werden kann.
Die Erfindung schafft ein aus einer Aluminiumbasis- Knetlegierung bestehendes Produkt, das alterungsfähig und geeignet ist, bei einer Alterungsbehandlung verbesserte Kombinationen der Festigkeit und Bruchzähigkeit zu entwickeln, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,5 bis 4 Gew.-% Li, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 7,0 Gew.-% Zn, max. 0,5 Gew.-% Fe., max. 0,5 Gew.-% Si, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, enthält, wobei das Produkt vor seiner Alterung einer Verformung unterworfen worden ist, die einem Strecken um mehr als 5% bei Zimmertemperatur gleichwertig ist, so daß das Produkt nach seiner Alterung verbesserte Kombinationen von Festigkeit und Bruchzähigkeit besitzen kann.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen von aus einer Aluminiumbasislegierung bestehenden Produkten mit verbesserter Festigkeit und Bruchzähigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) es wird ein aus einer lithiumhaltigen Aluminiumbasislegierung bestehendes Produkt in einem Zustand verwendet, in dem es alterungsfähig ist,
b) vor einer Alterung wird das Produkt einer Verformung unterworfen, die einem Strecken um mehr als 5% bei Zimmertemperatur gleichwertig ist, damit das Produkt nach einer Alterung verbesserte Kombinationen von Festigkeit und Bruchzähigkeit besitzen kann.
Die Erfindung schafft ein aus einer Aluminiumbasis- Knetlegierung bestehendes Produkt von höherer Festigkeit und Bruchzähigkeit. Das Produkt kann in einem alterungsfähigen Zustand hergestellt werden und entwickelt beim Altern eine höhere Festigkeit im wesentlichen ohne Beeinträchtigung seiner Bruchzähigkeit. Das Produkt enthält 0,5 bis 4 Gew.-% Li, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 7,0 Gew.-% Zn, max. 0,5 Gew.-% Fe., max. 0,5 Gew.-% Si, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen. Das Produkt kann eine Verformung erfahren, die einem Strecken um mehr als 5% gleichwertig ist, so daß das Produkt nach dem Altern eine höhere Festigkeit und Bruchzähigkeit besitzt. In dem Verfahren zum Herstellen eines Produkts aus einer lithiumhaltigen Aluminiumbasislegierung von höherer Festigkeit und Bruchzähigkeit wird ein Körper aus einer lithiumhaltitigen Aluminiumbasislegierung zu einem gekneteten Aluminiumprodukt verformt. Das geknetete Produkt wird zunächst lösungsgeglüht und dann um einen Betrag von mehr als 5% seiner ursprünglichen Länge gestreckt, oder es wird um einen Betrag verformt, der einem Strecken um mehr als 5% seiner ursprünglichen Länge gleichwertig ist. Der Betrag der beispielsweise durch Strecken bewirkten Verformung ist größer als der Betrag der normalerweise zum Ausgleich von Abbau von Abschreck-Restspannungen durchgeführten Verformung.
In der Fig. 1 ist gezeigt, daß bei einem aus einer Legierung bestehenden, verformten Produkt gemäß der Erfindung das Verhältnis der Zähigkeit zur Streckgrenze durch Strecken erhöht wird.
In der Fig. 2 ist gezeigt, daß bei einem gemäß der Erfindung gestreckten zweiten verformten Produkt aus einer Aluminiumlegierung das Verhältnis der Zähigkeit zur Streckgrenze erhöht ist.
In der Fig. 3 ist gezeigt, daß bei einem dritten Produkt aus einer Aluminiumlegierung durch erfindungsgemäßes strecken das Verhältnis von Zähigkeit zur Streckgrenze erhöht wird.
In der Fig. 4 ist gezeigt, daß bei einem weiteren Legierungsprodukt durch erfindungsgemäßes Strecken das Verhältnis der Zähigkeit zur Streckgrenze erhöht wird.
In der Fig. 5 ist gezeigt, daß bei AA7050 das Verhältnis der Zähigkeit (Kerbzugfestigkeit geteilt durch Streckgrenze) zur Streckgrenze bei zunehmendem Strecken herabgesetzt wird.
In der Fig. 6 ist gezeigt, daß beim Strecken von AA2024 um mehr als 2% das Verhältnis der Zähigkeit zur Festigkeit nicht merklich erhöht wird.
In der Fig. 7 sind verschiedene Kurven der Zähigkeit zur Festigkeit für Fälle gezeigt, in denen eine Verschiebung der Kurve nach oben und nach rechts verbesserten Kombinationen ,dieser Kennwerte entspricht.
Die erfindungsgemäße Legierung kann 0,5 bis 4 Gew. -% Li, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 7,0 Gew.-% Zn, max. 0,5 Gew.-% Fe., max. 0,5 Gew.-% Si, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen enthalten. Die Verunreinigungen sind vorzugsweise jeweils auf etwa 0,05 Gew.-% begrenzt und sollen zusammen vorzugsweise höchstens etwa 0,15 Gew.-% betragen. Innerhalb dieser Grenzen soll die Summe aller Verunreinigungen vorzugsweise höchstens 0,35 Gew.-% betragen.
Eine bevorzugte Legierung gemäß der Erfindung kann 1,0 bis 4,0 Gew.-% Li, 0,1 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, Rest Aluminium und Verunreinigungen wie vorstehend angegegeben, enthalten. Eine typische Legierungszusammensetzung enthält 2,0 bis 3,0 Gew.-% Li, 0,5 bis 4,0 Gew.-% Cu, 0 bis 3,0 Gew.-% Mg, 0 bis 0,2 Gew.-% Zr, 0 bis 1,0 Gew.-% Mn und jeweils höchstens 0,1 Gew.-% Fe und Si.
Im Rahmen der Erfindung ist Lithium sehr wichtig, nicht nur weil es die Dichte beträchtlich herabsetzt, sondern auch weil es die Zugfestigkeit und die Streckgrenze merklich verbessert und den Elastizitätsmodul verbessert. Ferner wird durch das Vorhandensein von Lithium die Dauerfestigkeit verbessert. Am wichtigsten ist es jedoch, daß bei einem Vorhandensein von Lithium zusammen mit gesteuerten Mengen anderer Legierungselemente in der Aluminiumlegierung daraus Produkte hergestellt werden können, bei denen durch eine Verformung einzigartige Kombinationen von Festigkeit und Bruchzähigkeit bei beträchtlich herabgesetzter Dichte erzielt werden können. Es versteht sich, daß durch einen Lithiumgehalt unter 0,5 Gew.-% die Dichte der Legierung nicht nennenswert herabgesetzt wird und daß ein Lithiumgehalt von 4 Gew.-% in der Nähe der Löslichkeitsgrenze des Lithiums liegt, die beträchtlich auch von den anderen Legierungselementen abhängt. Derzeit wird nicht angenommen, daß durch höhere Lithiumgehalte die Kombination der Zähigkeit und der Festigkeit des aus der Legierung bestehenden Produkts verbessert wird.
Das Vorhandensein von Kupfer, insbesondere in den vorstehend für seine Verwendung im Rahmen der Erfindung angegebenen Bereichen, verbessert die Eigenschaften des aus der Legierung hergestellten Produkts dadurch, daß es die Verminderung der Bruchzähigkeit bei höheren Festigkeiten vermindert. Beispielsweise im Vergleich mit Lithium kann man im Rahmen der Erfindung mit Kupfer Kombinationen von höherer Festigkeit erzielen. Wenn man beispielsweise ohne Verwendung von Kupfer die Festigkeit durch einen größeren Zusatz von Lithium erhöhen wollte, würde die Zähigkeit stärker abnehmen als bei einer Erhöhung der Festigkeit durch einen Zusatz von Kupfer. Im Rahmen der Erfindung ist es daher wichtig, eine solche Auswahl zu treffen, daß sowohl die gewünschte Zähigkeit als auch die gewünschte Festigkeit erzielt werden, weil beide Elemente bei der Erzielung einer einzigartigen Kombination der Zähigkeit und Festigkeit gemäß der Erfindung miteinander zusammenwirken. Wichtig ist es, daß die vorstehend angegebenen Bereiche eingehalten werden, insbesondere hinsichtlich der Obergrenze des Kupfergehalts, weil zu hohe Gehalte zu der unerwünschten Bildung von intermetallischen Phasen führen können, die die Bruchzähigkeit beeinträchtigen können.
Magnesium wird Aluminiumlegierungen dieser Klasse vorwiegend deshalb zugesetzt oder in ihnen verwendet, um die Festigkeit zu erhöhen, obwohl es auch die Dichte etwas herabsetzt und auch aus diesem Grunde vorteilhaft ist. Wichtig ist es, daß die für Magnesium angegebenen Obergrenzen eingehalten werden, weil zuviel Magnesium ebenfalls die Bruchzähigkeit beeinträchtigen kann, insbesondere durch die Bildung unerwünschter Phasen an den Korngrenzen.
Auch der Gehalt an Mangan muß sorgfältig gewählt werden. Das zugesetzte Mangan beeinflußt die Kornstruktur, insbesondere im Endprodukt. Ferner ist Mangan ein Dispersoide bildendes Element, und es wird bei der Wärmebehandlung in Form von kleinen Teilchen ausgeschieden und bewirkt u. a. eine Verfestigung. Mangan kann Dispersoide, wie Al&sub2;&sub0;Cu&sub2;Mn&sub3; und Al&sub1;&sub2;Mg&sub2;Mn, bilden. Man kann die Kornstruktur auch mit Chrom beeinflussen, doch ist dieses Element weniger erwünscht. Bevorzugt wird für die Beeinflussung der Kornstruktur Zirkonium verwendet. Durch Zink kann insbesondere in Kombination mit Magnesium die Festigkeit erhöht werden, doch kann bei einem zu hohen Zinkgehalt durch Bildung von intermetallischen Phasen die Zähigkeit beeinträchtigt werden.
Die hier verwendeten Ausdrücke Zähigkeit und Bruchzähigkeit bezeichnen den Widerstand eines Körpers, z. B. eines Fein- oder Grobbleches, gegen das instabile Wachsen von Rissen oder anderen Fehlern.
Zu verbesserten Kombinationen der Festigkeit und der Zähigkeit kommt man durch eine Veränderung der normalerweise inversen Beziehungen zwischen der Festigkeit und der Zähigkeit zu höheren Zähigkeitswerten hin derart, daß bei gegebenen Festigkeitswerten höhere Zähigkeitswerte oder bei gegebenen Zähigkeitswerten höhere Festigkeitswerte erzielt werden. Beispielsweise entspricht in der Fig. 7 eine Verlagerung von Punkt A zum Punkt D dem Zähigkeitsverlust, der normalerweise mit einer Erhöhung der Festigkeit einer Legierung einhergeht. Dagegen entspricht eine Verlagerung vom Punkt A zum Punkt B einer Erhöhung der Festigkeit bei gleichbleibender Zähigkeit. Somit stellt der Punkt B eine verbesserte Kombination der Festigkeit und der Zähigkeit dar. Ferner entspricht eine Verlagerung vom Punkt A zum Punkt C einer Erhöhung der Festigkeit bei abnehmender Zähigkeit, wobei jedoch die Kombination der Festigkeit und der Zähigkeit besser ist als am Punkt A. Andererseits ist gegenüber dem Punkt D am Punkt C bei ungefähr gleichbleibender Festigkeit die Zähigkeit besser und wird dort die Kombination der Festigkeit und der Zähigkeit als verbessert angesehen. Gegenüber dem Punkt D ist am Punkt B die Zähigkeit besser und die Festigkeit wird ebenfalls als verbessert angesehen.
Da aus der Legierung bestehende Produkt wird mit Legierungselementen in den vorstehend angegebenen Mengen hergestellt, und die Legierung wird vorzugsweise in bestimmten Verfahrensschritten erzeugt, damit die am meisten erwünschten Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und Bruchzähigkeit erzielt werden. Beispielsweise kann die hier beschriebene Legierung nach derzeit im Stand der Technik für Gußprodukte verwendeten Gießverfahren, insbesondere im Strangguß, in Form eines Blockes oder eines Knüppels hergestellt werden, der dann zu einem geeigneten Knetprodukt verformt werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß die Legierung auch durch Verfestigen von feinteiligem Gut in Form eines Knüppels hergestellt werden kann, z. B. aus einem Aluminiumlegierungspulver mit Zusammensetzungen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche. Das Pulver oder das feinteilige Gut kann durch Zerstäuben, mechanisches Legieren oder Schmelzspinnen oder nach anderen Verfahren erzeugt werden. Durch Vorverformen des Blockes oder Knüppels kann man für die spätere Verformung geeignetes Halbzeug bereitstellen. Vor dem entscheidenden Verformen wird die Legierung vorzugsweise mindestens eine Stunde lang homogenisiert, vorzugsweise bei einer Metalltemperatur im Bereich von 482 bis 566ºC, damit lösliche Elemente, wie Li und Cu, in Lösung gehen und das Innengefüge des Metalls homogenisiert wird. Die Verweilzeit in dem Homogenisationstemperaturbereich beträgt vorzugsweise 20 bis 40 Stunden. Durch die homogenisierende Behandlung wird nicht nur durch das Inlösunggehen von Bestandteilen die Verformbarkeit verbessert, sondern werden auch die Mn- und Zr-haltigen Dispersoide ausgeschieden, die die Kornstruktur des Endprodukts beeinflussen.
Nach der homogenisierenden Behandlung kann man das Metall durch Walzen oder Stangpressen oder auf andere Weise zu Halbzeug, wie Feinblech, Grobblech, Stangpreßlingen oder anderen Teilen verformen, die zu dem Endprodukt verformbar sind. Zum Herstellen eines Produktes in Form eines Fein- oder Grobbleches wird vorzugsweise ein aus der Legierung bestehender Körper auf eine Dicke warmgewalzt, die bei Feinblech im Bereich von 2,5 bis 6,4 mm und bei Grobblech im Bereich von 6,6 bis 152,4 liegt. Die Warmwalztemperaturen sollen im Bereich von 538ºC bis herunter auf 399ºC liegen. Vorzugsweise befindet sich das Metall zunächst auf einer Temperatur im Bereich von 482 bis 524ºC.
Wenn ein aus Grobblech bestehendes Produkt für Flügelholme beträchtlicher Dicke verwendet werden soll, genügt normalerweise ein Warmwalzen. Wenn dagegen dünnere Beplankungsbleche für einen Flügel oder Rumpf hergestellt werden sollen, kann beispielsweise durch Kaltwalzen eine weitere Abnahme vorgenommen werden, und zwar auf Blechstärken im Bereich von z. B. 0,25 bis 0,06 mm, gewöhnlich im Bereich von 0,76 bis 2,5 mm.
Nach dem Walzen eines auf der Legierung bestehenden Körpers auf die gewünschte Dicke wird das Fein- oder Grobblech oder ein anderer verformbarer Körper lösungsgeglüht, damit lösliche Elemente in Lösung gehen. Das Lösungsglühen wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 482 bis 566ºC durchgeführt und ergibt vorzugsweise eine nichtrekristallisierte Kornstruktur.
Das Lösungsglühen kann chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden, und die Behandlungszeit kann bei chargenweisem Betrieb Stunden betragen und bei kontinuierlichem Betrieb bis auf wenige Sekunden verkürzt werden. Prinzipiell kann ein Lösungsglühen sehr schnell bewirkt werden, beispielsweise innerhalb von 30 bis 60 s nachdem das Metall eine Lösungsglühtemperatur von etwa 538 bis 566ºC erreicht hat. Das Erhitzen des Metalls auf diese Temperatur kann jedoch je nach der angewendeten Arbeitsweise unterschiedlich lange dauern. Beim chargenweisen Behandeln eines Feinbleches in einer Produktionsanlage wird eine Charge von Feinblechen in einem Ofen behandelt und kann es eine Zeitlang dauern, bis die ganze Charge auf die Lösungsglühtemperatur gebracht worden ist, so daß das Lösungsglühen dann eine oder mehrere Stunden dauern kann, z. B. beim cargenweisen Lösungsglühen eine oder zwei Stunden oder mehr. Beim kontinuierlichen Arbeiten wird das Feinblech als eine einzige Werkstoffbahn kontinuierlich durch einen langgestreckten Ofen gefördert, wodurch die Erhitzungsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise kontinuierlich gearbeitet, insbesondere bei Feinblechprodukten, weil man dann die Erhitzung relativ schnell erfolgt und die Verweilzeit bei der Lösungsglühtemperatur nur kurz ist. Daher empfehlen die Erfinder, ein Lösungsglühen in nur etwa 1,0 min durchzuführen. Die Aufheizzeit kann ferner dadurch verkürzt werden, daß die Temperatur im Ofen oder in einer Ofenzone beträchtlich über der gewünschten Metalltemperatur liegt, so daß durch die größere Temperaturdifferenz die Aufheizzeiten verkürzt werden.
Damit die Festigkeit und die Bruchzähigkeit auf die gewünschten Werte gebracht werden, die für das Endprodukt und die zum Herstellen dieses Produktes erforderlichen Verformungsvorgänge erforderlich sind, muß das Produkt schnell abgeschreckt werden, so daß ein ungesteuertes Ausscheiden der nachstehend erwähnten, verfestigend wirkenden Phasen wenigstens weitestgehend verhindert wird. Daher wird im Rahmen der Erfindung von der Lösungsglühtemperatur auf eine Temperatur von oder unter etwa 93ºC vorzugsweise mit einer Abschreckgeschwindigkeit von mindestens 55,6ºC/s abgeschreckt. Im Temperaturbereich von 482ºC oder darüber auf 93ºC oder darunter beträgt die Abschreckgeschwindigkeit vorzugsweise mindestens 110ºC/s. Nachdem das Metall eine Temperatur von etwa 93ºC erreicht hat, kann es luftgekühlt werden. Wenn die erfindungsgemäße Legierung zu Brammen oder Walzen vergossen wird, kann man einige oder alle der vorgenannten Schritte weglassen, und das ist im Rahmen der Erfindung beabsichtigt.
Nach dem vorstehend beschriebenen Lösungsglühen und Abschrecken kann das verbesserte Produkt aus Feinblech, Grobblech oder einem Strangpreßling oder in einer anderen gekneteten Form eine Streckgrenze im Bereich von etwa 172 bis 345 MPa und eine Bruchzähigkeit im Bereich von etwa 345 bis 1034 MPa-2,54 cm haben. Wenn man jedoch durch künstliches Altern die Festigkeit erhöht, kann dadurch die Bruchzähigkeit beträchtlich herabgesetzt werden. Es ist festgestellt worden, daß die bisher mit einer Erhöhung der Festigkeit einhergehende Herabsetzung der Bruchzähigkeit weitestgehend vermindert werden kann, wenn das lösungsgeglühte und abgeschreckte Produkt aus der Legierung, insbesondere in Form von Feinblech, Grobblech oder einem Strangpreßling gestreckt wird, vorzugsweise bei Zimmertemperatur, und zwar um einen Betrag von mehr als 5% seiner ursprünglichen Länge, oder auf andere Weise einer Verformung unterworfen wird, die einem Strecken um mehr als 5% seiner ursprünglichen Länge gleichwertig ist. Dieses Verformen kann durch Walzen oder Schmieden oder andere Verformungsvorgänge bewirkt werden. Es ist entdeckt worden, daß die Festigkeit beispielsweise von Fein- oder Grobblech aus der vorliegenden Legierung durch Strecken vor einem künstlichen Altern beträchtlich erhöht werden kann und daß durch ein derartiges Strecken die Bruchzähigkeit nur wenig oder garnicht herabgesetzt wird. Es versteht sich, daß bei Legierungen von vergleichbar hoher Festigkeit durch ein Strecken die Bruchzähigkeit merklich herabgesetzt werden kann. Durch Strecken von AA7050 wird dessen Zähigkeit und Festigkeit herabgesetzt. Dies geht aus der Fig. 5 hervor, die dem vorgenannten Artikel von j. T. Staley entnommen ist. Ähnliche Werte für die Zähigkeit und Festigkeit sind für AA2024 in der Fig. 6 dargestellt. Bei AA2024 wird durch ein Strecken um 2% die Kombination der Zähigkeit und der Festigkeit gegenüber der ohne Strecken erzielten Kombination verbessert, aber durch ein weitergehendes Strecken wird die Zähigkeit nicht wesentlich erhöht. Hinsichtlich der Beziehung der Zähigkeit zur Festigkeit wird daher nur ein geringer Vorteil dadurch erzielt, daß AA2024 um mehr als 2% gestreckt wird, und ist ein Strecken von AA7050 schädlich. Wenn dagegen ein Strecken oder' eine gleichwertige Behandlung mit einem künstlichen Altern kombiniert wird, kann man ein aus einer Legierung bestehendes Produkt aus gemäß der Erfindung erhalten, bei dem beträchtlich verbesserte Kombinationen der Bruchzähigkeit und der Festigkeit erzielt werden können.
Die Erfinder möchten ihre Erfindung nicht unnötigerweise auf eine Theorie einschränken, nehmen aber an, daß Verformen, z. B. durch Strecken, nach dem Lösungsglühen und Abschrecken dazu führt, daß nach dem künstlichen Altern die ausgeschiedenen metastabilen lithiumhaltigen Partikel gleichmäßiger verteilt sind. Es wird angenommen, daß diese ausgeschiedenen Partikel gebildet werden, weil überall in jedem Korn in großer Dichte Defekte (Versetzungen, Leerstellen, Leerstellenanhäufungen usw.) gebildet werden, die für diese sich ausscheidenden Phasen als bevorzugte Keimbildungsorte wirken können. (Z.B. ist T&sub1;' ein Vorstufe der Phase Al&sub2;CuLi.) Es wird ferner angenommen, daß bei dieser Arbeitsweise eine Bildung von Keimen aus metastabilen und Gleichgewichtsphasen, wie Al&sub3;Li, AlLi, Al&sub2;CuLi und Al&sub5;CuLi&sub3;, an den Korngrenzen und Subkorngrenzen gehemmt wird. Außerdem wird angenommen, daß durch das beispielsweise vor dem endgültigen Altern durchgeführte Verformen, z. B. Strecken, bei Aluminiumlegierungen die Kombination der verstärkten gleichmäßigen Ausscheidung in jedem Korn und der verminderten Ausscheidung an den Korngrenzen zu der festgestellten besseren Kombination von Festigkeits- und Bruchzähigkeitswerten führt.
Beispielsweise wird bei Fein- oder Grobblech ein Strecken oder ein gleichwertiges Verformen um mehr als 5% und weniger als 14% vorgenommen. Ferner beträgt wird vorzugsweise um bis zu 12% der ursprünglichen Länge und gewöhnlich um bis zu 8% gestreckt.
Nach seinem Verformen kann bei dem aus der Legierung bestehenden Produkt gemäß der Erfindung durch künstliches Altern die gewünschte Kombination der Bruchzähigkeit und der Festigkeit erzielt werden, die in Flugzeugteilen so sehr erwünscht ist. Zu diesem Zweck kann das Fein- oder Grobblech oder der Formkörper solange auf einer Temperatur im Bereich von 65 bis 204ºC gehalten werden, daß die Streckgrenze weiter erhöht wird. Bei einigen Zusammensetzungen des aus der Legierung bestehenden Produktes kann dessen Streckgrenze durch künstliches Altern auf bis zu 655 MPa gebracht werden. Brauchbare Festigkeiten liegen jedoch im Bereich von 345 bis 586 MPa, und die entsprechenden Bruchzähigkeiten liegen im Bereich von 172 bis 517 MPa. Zum künstlichen Altern wird das aus der Legierung bestehende Produkt mindestens 30 min lang einer Temperatur im Bereich von 135 bis 191ºC ausgesetzt. Ein geeignetes Alterungsverfahren wird etwa 8 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 163ºC durchgeführt. Ferner sei darauf hingewiesen, daß das aus der Legierung bestehende Produkt gemäß der Erfindung jedem der in der Technik bekannten Unteraushärtbehandlungen, einschließlich des natürlichen Alterns, unterzogen werden kann. Derzeit wird jedoch angenommen, daß durch natürliches Altern der geringste Vorteil erzielt wird. Ferner wurden vorstehend einzelne Alterungsschritte erwähnt, doch kann man auch in zwei oder mehr Schritten altern und das Strecken oder gleichwertige Verformen vor einer derartigen Mehrzahl von Alterungsschritten oder auch nach einem Teil derselben durchführen.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele dienen der weitergehenden Erläuterung der Erfindung:

Beispiel I

Eine aus 1,73 Gew.-% Li, 2,63 Gew.-% Cu, 0,12 Gew.-% Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, bestehende Aluminiumlegierung wurde zu einem walzbaren Block vergossen, der in einem Ofen 24 Stunden bei 538ºC homogenisiert und dann zu einem Produkt in Form eines etwa 2,5 cm dicken Grobbleches warmgewalzt wurde. Danach wurde das Grobblech in einem Wärmebehandlungsofen eine Stunde bei 552ºC lösungsgeglüht und danach durch Tauchen in Wasser von 21ºC abgeschreckt. Unmittelbar vor dem Tauchen hatte das Grobblech eine Temperatur von 552ºC. Danach wurde bei Zimmertemperatur ein Probekörper aus dem Grobblech um 2% seiner ursprünglichen Länge gestreckt und wurde ein zweiter Probekörper um 6% seiner ursprünglichen Länge gestreckt. Zum künstlichen Altern wurden die gestreckten Probekörper während der in der Tabelle I angegebenen Zeiten bei 163ºC bzw. 191ºC behandelt. Die für die Probekörper angegebenen Streckgrenzenwerte wurden bei in der Längsrichtung, d. h. in der Walzrichtung parallelen Richtung, beanspruchten Probekörpern ermittelt. Die Zähigkeit wurde nach ASTM Standard Practice E561-81 für die R-Kurvenbestimmung bestimmt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der Tabelle l angegeben. Ferner sind die Ergebnisse in der Figur l dargestellt, in der die Zähigkeit in Abhängigkeit von der Streckgrenze dargestellt ist. In der Fig. 1 erkennt man, daß durch ein Strecken um 6% die Festigkeits-Zähigkeits- Kurve gegenüber jener nach dem Strecken um 2% erhaltenen aufwärts und nach rechts verlagert wird. Daran erkennt man, daß bei dieser lithiumhaltigen Legierung durch über 2 0º hinausgehendes Strecken die Zähigkeit und die Festigkeit beträchtlich verbessert wurden. Dagegen wurde bei der Legierung 7050 durch das Strecken in der langen Querrichtung sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit herabgesetzt (Fig. 5). Aus der Fig. 6 geht weiter hervor, daß bei AA2024 durch über 2% hinausgehendes Strecken die Zähigkeits-Festigkeitskurve nur wenig verbessert wird. Tabelle I Alterung Strecken uum 2% Streckgrenze

Beispiel II

Eine auf Gewichtsbasis aus 2,0% Li, 2,7% Cu, 0,65% Mg und 0,12% Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, bestehende Aluminiumlegierung wurde zu einem walzbaren Block vergossen, der 36 Stunden bei 527ºC homogenisiert, wie im Beispiel I zu 2,5 cm dickem Grobblech warmgewalzt und 1 Stunde bei 527ºC homogenisiert wurde. Ferner wurden die Probekörper wie im Beispiel 1 abgeschreckt, gestreckt, gealtert und auf Zähigkeit und Festigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tagelle 11 angegeben, und die Zähigkeits-Streckgrenzen-Beziehung ist in der Fig. 2 dargestellt. Wie im Beispiel I wird bei dieser Legierung durch Strecken um 6% die Zähigkeits-Festigkeits-Kurve zu beträchtlich höheren Werten verlagert. Die gestrichelte Linie durch den einzigen Datenpunkt für ein Strecken um 2% soll den wahrscheinlichen Verlauf der Kurve nach dem Strecken um diesen Betrag andeuten. Tabelle II Alterung Strecken um 2% Streckgrenze

Beispiel III

Eine auf Gewichtsbasis aus 2,78% Li, 0,49% Cu, 0,98% Mg, 0,50% Mn und 0,12% Zr, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, bestehende Aluminiumlegierung wurde zu einem walzbaren Block vergossen, der wie im Beispiel I homogenisiert und zu einem 6,4 mm dicken Grobblech warmgewalzt wurde. Dieses wurde dann 1 Stunde bei 538ºC lösungsgeglüht und in Wasser von 21ºC abgeschreckt. Probekörper des abgeschreckten Grobbleches wurden um 0%, 4% bzw. 8% gestreckt und danach 24 Stunden bei 163ºC bzw. 191ºC gealtert. Die Streckgrenze wurde wie im Beispiel Z bestimmt, und die Zähigkeit wurde durch Reißfestigkeitsprüfungen nach Kahn bestimmt. Dieses Prüfverfahren ist in einem Artikel mit dem Titel "Tear Resistance of Aluminium Alloy Sheet as Determined from Kahn-Type Tests", Materials Research and Standards, Nr. 4, 1984, April 1984, S. 181, beschrieben. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III angegeben, und die Beziehung zwischen der Zähigkeit und der Streckgrenze ist in der Fig. 5 dargestellt.
Dort erkennt man, daß durch Strecken um 8% eine höhere Festigkeit und eine höhere Zähigkeit erzielt wurden als durch Strecken um 4%. Dagegen liegen die Werte für um 2 bis 5% gestrecktes AA2024 (Fig. 6) in einem sehr schmalen Band, während bei den lithiumhaltigen Legierungen das Strecken die Beziehung zwischen der Zähigkeit und der Festigkeit viel stärker beeinflußte. Tabelle III Strecken um Alterung Std. ºC Streckgrenze Reißfestigkeit Streckgrenze/Reißfestigkeit/Streckgrenze

Beispiel IV

Eine auf Gewichtsbasis aus 2,72% Li, 2,04% Mg, 0,53% Cu, 0,49% Mn und 0,13% Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, bestehende Aluminiumlegierung wurde zu einem walzbaren Block vergossen, dann wie im Beispiel I homogenisiert und danach zu 6,4 mm dickem Grobblech warmgewalzt. Nach dem Warmwalzen wurde das Grobblech eine Stunde bei 538ºC lösungsgeglüht und in Wasser bei 21ºC abgeschreckt. Probekörper wurden um 0%, 4% bzw. 8% gestreckt und danach wie im Beispiel I gealtert. Die Ergebnisse von wie im Beispiel III durchgeführten Prüfungen sind in der Tabelle IV angegeben. In der Fig. 4 ist für diese Legierung die Beziehung zwischen der Zähigkeit und der Streckgrenze dargestellt. Die gestrichelte Linie soll den Verlauf der Zähigkeits-Festigkeits-Kurve nach dem Strecken um diesen Betrag andeuten. Bei dieser Legierung kann die Festigkeit bei gleichbleibender Zähigkeit stärker erhöht werden als bei den vorstehend besprochenen Legierungen, was angesichts des Verhaltens von üblichen Legierungen, wie AA7050 und AA2024, nicht zu erwarten war. Tabelle III Strecken um Alterung Std. ºC Streckgrenze Reißfestigkeit Streckgrenze/Reißfestigkeit/Streckgrenze

Claims

1. Aus einer Aluminiumbasis-Knetlegierung bestehendes Produkt, das alterungsfähig und geeignet ist, bei einer Alterungsbehandlung verbesserte Kombinationen der Festigkeit und Bruchzähigkeit zu entwickeln, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,5 bis 4 Gew.-% Li, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 7,0 Gew.-% Zn, max. 0,5 Gew.-% Fe, max. 0,5 Gew.-% Si, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, enthält, wobei das Produkt vor seiner Alterung einer Verformung unterworfen worden ist, die einem Strecken um mehr als 5% bei Zimmertemperatur gleichwertig ist, so daß das Produkt nach seiner Alterung verbesserte Kombinationen von Festigkeit und Bruchzähigkeit besitzen kann.

2. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehalt an Li im Bereich von 1,0 bis 4,0 Gew.-% liegt.

3. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehalt an Cu im Bereich von 0,1 bis 5,0 Gew.-% liegt.

4. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehalt an Li im Bereich von 2,0 bis 3,0 Gew.-%, sein Gehalt an Cu im Bereich von 0,5 bis 4,0 Gew.-%, sein Gehalt an Mg im Bereich von 0 bis 3,0 Gew.-%, sein Gehalt an Zr im Bereich von 0 bis 0,2 Gew.-% und sein Gehalt an Mn im Bereich von 0 bis 1,0 Gew.-% liegt.

5. Produkt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das beispielsweise durch Walzen oder Schmieden bewirkte Verformen einem Strecken des Produktes um einen Betrag im Bereich von bis zu 8% oder bis zu 12% gleichwertig ist oder das Produkt um einen solchen Betrag gestreckt wird.

6. Verfahren zum Herstellen von aus einer Aluminiumbasislegierung bestehenden Produkten mit verbesserter Festigkeit und Bruchzähigkeit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) es wird ein aus einer lithiumhaltigen Aluminiumbasislegierung bestehendes Produkt in einem Zustand verwendet, in dem es alterungsfähig ist,

(b) vor einer Alterung wird dieses Produkt einer Verformung unterworfen, die einem Strecken um mehr als 5% bei Zimmertemperatur gleichwertig ist, damit das Produkt nach einer Alterung verbesserte Kombinationen von Festigkeit und Bruchzähigkeit besitzen kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt 0,5 bis 4 Gew.-% Li, 0 bis 5,0 Gew.-% Mg, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,0 Gew.-% Zr, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 7,0 Gew.-% Zn, max. 0,5 Gew.-% Fe, max. 0,5 Gew.-% Si, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, enthält, und daß wobeo das Produkt vorzugsweise 1,0 bis 4,0 Gew.-% Li und vorzugsweise 0,1 bis 5,0 Gew.-% Cu enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung einem Strecken des Körpers um bis zu 8% oder weniger als 14% gleichwertig ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus der genannten Legierung bestehender Körper vor seiner Verformung zu dem genannten Produkt mindestens eine Stunde bei der Homogenisiertemperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 482 bis 566ºC, homogenisiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, durch ein mindestens 30 Sekunden bei der Lösungsglühtemperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 482 bis 566ºC, durchgeführtes Lösungsglühen.