DE3883217T2 - Lüdersche linien-freie, Lithium enthaltende Aluminiumlegierungen. - Google Patents
Lüdersche linien-freie, Lithium enthaltende Aluminiumlegierungen.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen, die Lithium als Legierungselement enthalten, und insbesondere ein Verfahren zum Strecken der Aluminium-Lithium-Legierungen, ohne daß durch Spannung induzierte Defekte, die als Lüderlinien bekannt sind, erzeugt werden.
- Es ist geschätzt worden, daß bei einigen derzeitigen großen Transportflugzeugen 56 bis 76 Liter (15 bis 20 Gallonen) Treibstoff pro Jahr pro Pfund Gewicht, das bei der Herstellung des Flugzeugs eingespart werden kann, eingespart werden können. Legt man eine Lebensdauer von 20 Jahren für ein Flugzeug zugrunde, betragen die Einsparungen 1135 bis 1514 Liter (300 bis 400 Gallonen) Treibstoff pro eingespartes Pfund Gewicht. Bei den derzeitigen Treibstoffkosten kann eine signifikante Investition, um das Strukturgewicht des Flugzeugs zu vermindern, gemacht werden, um die wirtschaftliche Gesamtleistung des Flugzeugs zu verbessern.
- Der Notwendigkeit zur Verbesserung der Leistung von Flugzeugen verschiedener Typen kann durch Anwendung verbesserter Motoren, einer verbesserten Bauart des Rahmens oder durch Verwendung von neuen oder verbesserten Konstruktionsmaterialien Genüge getan werden. Verbesserungen der Motoren und der Gestalt des Flugzeugs sind in starkem Maße verfolgt worden, doch hat erst in neuerer Zeit die Entwicklung von neuen und verbesserten Konstruktionsmaterialien allgemeine Aufmerksamkeit gefunden. Es ist anzunehmen, daß ihre Verwendung bei neuen Gestalten von Flugzeugen signifikante Leistungsverbesserungen ergeben wird.
- Die Materialien haben immer eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Strukturkonzepte von Flugzeugen gespielt.
- Seit den frühen 1930iger Jahren sind die Konstruktionsmaterialien für große Flugzeuge im wesentlichen gleich geblieben, wobei Aluminium das Hauptkonstruktionsmaterial für Tragflächen, Rumpf und Laufwerk ist, während Stahl für das Fahrwerk und bestimmte andere spezielle Anwendungszwecke, die eine sehr hohe Festigkeit erfordern, verwendet wird. In den letzten Jahren sind jedoch mehrere wichtige neue Materialkonzepte zur Einarbeitung in Flugzeugstrukturen in Entwicklung gewesen. Diese schließen neue Metallmaterialien, Metallmatrixverbundkörper und Harzmatrixverbundkörper ein. Es wird angenommen, daß in den kommenden Dekaden viele verbesserte Aluminiumlegierungen und Kohlefaserharzmatritzen auf den Gebieten der Konstruktionsmaterialien für Flugzeuge dominieren werden. Während Verbundkörper in gesteigerter Prozentmenge als Konstruktionsmaterialien für Flugzeuge verwendet werden, sind neue Aluminiumlegierungen mit geringem Gewicht und insbesondere Aluminium-Lithium-Legierungen als Materialien dieses Tpys vielversprechend.
- Bislang sind Produkte aus Aluminium-Lithium-Legierungen der nachstehend beschriebenen Typen in Flugzeugstrukturen noch nicht verwendet worden. Anwendungszwecke von Legierungen dieses Typs für die Luftfahrt sind auf Anwendungszwecke beschränkt gewesen, bei denen das Walzprodukt durch spanabhebende Fertigung oder durch sonstige Konturierung der Produktform ohne die Notwendigkeit einer Verstreckung verarbeitet worden sind. Der Stand der Technik bei der Herstellung von geeigneten festen doch gegenüber Beschädigungen beständigen Blechen aus Aluminium-Lithium-Legierungen ist bis zu einem Punkt fortgeschritten, an dem die inhärenten Eigenschaften für die Häute von Lufttransportrümpfen attraktiv sind. Anwendungen für die Rumpfhaut sind jedoch deswegen beschränkt gewesen, weil die Legierung die Neigung hat, bereits bei relativ niedrigen Ausmaßen einer Konturverstreckung Lüderlinien zu bilden. Diese Lüderlinien sind vom ästhetischen Standpunkt aus zu beanstanden und sie können die Konstruktionseigenschaften in Frage stellen.
- Man geht im allgemeinen davon aus, daß die Erscheinung der Lüderlinien mit einer nicht-homogenen Deformation der Metallegierung einhergehen. Obgleich es auch andere Aluminiumlegierungsmaterialien gibt, die gewöhnlich an der Bildung von Lüderlinien leiden, ergeben Zugaben von Lithium zu Aluminium eine erhebliche Verminderung der Dichte, die für die Verringerung des Gesamtkonstruktionsgewichts des Flugzeugs sehr wichtig ist. Während erhebliche Schritte zur Verbesserung der Aluminium-Lithium-Bearbeitungstechnologie gemacht worden sind, bleibt es eine Hauptherausforderung, ein durch Verstrecken gebildetes Blech aus diesen Aluminium Lithium-Legierungen zu erhalten, dessen Oberflächen im wesentlichen von Lüderlinien frei sind.
- Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Strecken eines Blechs aus einer Aluminium-Lithium-Legierung wobei die gestreckten Bleche im wesentlichen von Lüderlinien frei sind, auch eine geeignet hohe Zugfestigkeit haben und doch eine hohe Beständigkeit gegenüber Beschädigung beibehalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Blech aus der Aluminium-Lithium-Legierung um mindestens 3% seiner ursprünglichen Abmessungen in Richtung der Verstreckung bei einer Kombination von Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und der Verstrekkungsrate, welche außerhalb des in FIGUR 1 durch das Polygon ABCDA definierten Bereichs liegt, streckt, so daß das Blech im wesentlichen von Lüderlinien frei bleibt. Im allgemeinen können die Bleche um mindestens 3% ihrer ursprünglichen Abmessungen ohne die Bildung von Lüderlinien gestreckt werden, indem man einen Temperaturbereich von -50 bis 350ºF und eine Streckrate bzw. Streckgeschwindigkeit im Bereich von 0,1%/Minute bis 50%/Minute auswählt. Das Streckverfahren liefert Bleche aus einer Aluminium-Lithium-Legierung, die im wesentlichen von Lüderlinien frei sind. Dieser Zustand wird nicht erreicht, wenn Bleche aus einer Aluminium-Lithium-Legierung nach herkömmlichen Maßnahmen gestreckt werden. Diese Bleche haben Konstruktionseigenschaften mit Einschluß der Zugfestigkeit und der Beständigkeit gegenüber Beschädigungen, die es gestatteten, sie als konturierte Rumpfhautstrukturen für Flugzeuge einzusetzen. Der Erfolg des Verfahrens hängt von der Kontrolle der Steckparameter (das heißt der Temperatur und der Streckrate) ab. Diese beiden können einfach und genau überwacht werden, wodurch ein von Lüderlinien freies Produkt mit konstanten Eigenschaften erhalten wird.
- Ein besseres Verstehen der vorliegenden Erfindung kann durch Lesen der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung erzielt werden.
- Die FIGUR 1 ist ein Diagramm, das die prozentuale Strekkung am Beginn der Bildung von Lüderlinien als Funktion der Temperatur- und Streckratenbedingungen bei Legierungen mit Härtegrad T6, wie in dem Beispiel beschrieben, zeigt.
- Eine erfindungsgemäß formulierte Aluminium-Lithium-Legierung kann 1,7 bis 2,3% Lithium enthalten. Die derzeitigen Werte zeigen, daß die Vorteile des erfindungsgemäßen Streckverfahrens bei Lithiumgehalten von zwischen 1,7 bis 2,3% am meisten augenscheinlich sind, doch können auch andere Legierungen, die mehr oder weniger Lithium enthalten, in gleicher Weise von der vorliegenden Erfindung profitieren. Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozent (Gew.-%) bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, wenn nichts anderes angegeben ist. Weitere Legierungsmittel, wie Magnesium und Kupfer können ebenfalls in der Legierung vorhanden sein. Die Legierungsmittel dienen dazu, die Gesamtkonstruktionseigenschaften zu verbessern, doch sie beeinträchtigen etwas die Dichte. Zircon ist in diesen Legierungen ebenfalls zur Kontrolle der Korngrößen in Mengen zwischen 0,04 bis 0,16% vorhanden. Zircon ist für die Entwicklung der gewünschten Kombination von Konstruktionseigenschaften in Aluminium-Lithium-Legierungen mit Einschluß derjenigen, die dem erfindungsgemäßen Streckverfahren unterworfen werden, wesentlich.
- Die Verunreinigungen darstellenden Elemente, Eisen und Silizium können in Mengen von bis zu 0,30 bzw. 0,20% vorhanden sein. Es wird jedoch bevorzugt, daß diese Elemente nur in Spurenmengen von weniger als 0,12 bzw. 0,10% vorhanden sind. Bestimmte Spurenelemente, wie Zink und Titan können in Mengen von bis zu 0,25% bzw. 0,10% jedoch nicht darüber vorhanden sein. Bestimmte andere Spurenelemente, wie Mangan und Chrom müssen jeweils bei Gehalten von 0,10% oder weniger gehalten werden. Beim Überschreiten dieser Maxima neigen die gewünschten Eigenschaften der Aluminium-Lithium-Legierung zu einer Verschlechterung. Man nimmt an, daß die Spurenelemente Kalium und Natrium ebenfalls für die Eigenschaften der Aluminium-Lithium-Legierung schädlich sind und sie sollten daher bei den niedrigsten praktisch möglichen Werten z.B in der Gegend von maximal 0,003% für Kalium und maximal 0,0015% für Natrium gehalten werden. Der Rest der Legierung besteht naturgemäß aus Aluminium.
- In der folgenden Tabelle sind die bevorzugten Verhältnismengen dargestellt, in der die Legierungs- und Spurenelemente vorhanden sein können, um den besten Satz von Gesamteigenschaften zur Verwendung für Flugzeugstrukturen zu erhalten. Die breitesten Bereiche sind unter bestimmten Umständen annehmbar. Die vorliegende Erfindung ist in gleichem Maße auf Aluminium-Lithium-Legierungen, die unter der Bildung von Lüderlinien leiden, obgleich nicht mit den unten angegebenen bevorzugten Bereichen anwendbar. TABELLE Element Menge (Gew.-%) Annehmbar Bevorzugt Andere Spurenelemente Jeweils Insgesamt Rest
- Eine gemäß den vorstehenden Paragraphen und der Tabelle formulierte Aluminium-Lithium-Legierung wird unter Anwendung von bekannten Techniken zu einem Gegenstand verarbeitet. Die Legierung wird in geschmolzener Form formuliert und zu einem Barren gegossen. Der Barren wird sodann bei Temperaturen im Bereich von 526ºC (980ºF) bis ungefähr 543ºC (1010ºF) homogenisiert. Danach wird die Legierung in einen verwendbaren Gegenstand durch herkömmliche mechanische Verformungstechniken, wie Walzen, Extrudieren oder dergleichen, umgewandelt. Nach der Bildung des Gegenstands wird die Legierung normalerweise einer Lösungsbehandlung bei Temperaturen im Bereich von 526ºC bis 543ºC (980ºF bis 1010ºF) unterworfen. Danach wird in einem Medium, wie Wasser, das bei einer Temperatur in der Gegend von 4ºC bis 32ºC (40ºF bis 90ºF) gehalten wird, abgeschreckt. Legierungen dieses Typs sind im Handel von Pechiney Aluminium oder der Aluminum Company of America (Alcoa) unter der Bezeichnung 2091 erhältlich. Jede Legierung wird in verschiedenen Härtegraden hergestellt, indem die jeweiligen Bedingungen, wie die Lösungsbehandlung, das Abschrecken, das Verstrecken und das Altern, bei denen die Legierung produziert wird, variiert werden. Beispiele für geeignete Härtegrade sind T4, T6 und T8, die im Einklang mit den Richtlinien und Definitionen von ANSI H35.1, wie von der Aluminum Association veröffentlicht.
- Danach wird erfindungsgemäß ein Blech aus der Aluminium- Lithium-Legierung um mindestens 3% bis zu 9% seiner ursprünglichen Abmessungen verstreckt, um es in verschiedene Gestalten, wie Flugzeugstrukturen, ohne die Bildung von Lüderlinien zu konturieren. Das prozentuale Ausmaß der ursprünglichen Abmessungen, um das die Bleche gestreckt werden, wird in Richtung der angelegten Streckkraft gemessen. Um diese gestreckten Bleche in einen im wesentlichen von Lüderlinien freien Zustand zu bringen, wird das Blech bei einer Kombination von Temperatur- und Streckgeschwindigkeitsbedingungen im Bereich von -45ºC (-50ºF) bis 176ºC (350ºF) bzw. 0,1%/Minute bis etwa 50%/Minute je nach dem gesamten Ausmaß des gewünschten Streckens gestreckt. In der Flugzeugindustrie, in der oftmals ein Strecken des Blechs aus der Aluminium-Lithium-Legierung um 6 bis 7% gewünscht wird, müssen die Optionen zum Strecken bei niederen Temperaturen von -34ºC bis 4ºC (-30ºF bis +40ºF) und hohen Verstreckungsgeschwindigkeiten (1% pro Minute bis 10% pro Minute) oder bei höheren Temperaturen, 60ºC bis 93ºC (140ºF bis 200ºF), und niedrigen Verstreckungsgeschwindigkeiten (0,1% pro Minute bis 5% pro Minute) ökonomisch auf der Basis der verfügbaren Anlagen und der gewünschten Produktionsraten ausgewogen werden. Wenn beispielsweise eine Konturierung zu einer Rumpfhaut eine 6%ige Längsverstreckung beim Härtegrad T6 ohne die Bildung von Lüderlinien erfordert, dann kann das Blech bei etwa 1ºC (30ºF) unter Anwendung einer Streckgeschwindigkeit von etwa 10% pro Minute gestreckt werden. Alternativ könnte das gleiche Ausmaß einer Längsverstreckung erzielt werden, indem man bei etwa 82ºC (180ºF) unter Anwendung einer Verstreckungsgeschwindigkeit von 1% pro Minute formt. Andere Verstrekkungsbedingungen ergeben praktisch die gleichen Ergebnisse, doch sie sind nicht so wirtschaftlich.
- Wenn das Strecken des Blechs aus der Aluminium-Lithium-Legierung mit dem Härtegrad T6 gemäß den oben angegebenen Parametern, wie sie graphisch in der FIGUR 1 dargestellt sind, durchgeführt wird, dann führt das Verfahren zu einem gestreckten Blech aus einer Aluminium-Lithium-Legierung, das praktisch von Lüderlinien frei ist. Ähnliche Diagramme können für die T4- und T8-Härtegrade, der Aluminium-Lithium-Legierung konstruiert werden. Analoge "sichere" Zonen existieren für die F-, O-, W-, T3- oder T7-Härtegrade, doch erfordern sie sekundäre Wärmebehandlungen und/oder größere Extreme der Temperatur- und der Verstreckungsgeschwindigkeit während der Formung.
- Das folgende Beispiel dient zur Veranschaulichung eines von Lüderlinien freien Blechs, das durch das erfindungsgemäße Streckverfahren einer Aluminium-Lithium-Legierung erhalten wird. Es unterstützt den Fachmann bei der Durchführung und Anwendung der vorliegenden Erfindung. Das vorliegende Beispiel soll in keiner Weise den Umfang dieser Beschreibung oder den durch das Patent erhaltenen Schutz einschränken.
- Eine Aluminiumlegierung enthaltend 2,0% Lithium, 1,5% Magnesium, 2,2% Kupfer, 0,12% Zircon, Rest Aluminium wird formuliert. Die Spurenelemente, die in dem Ansatz vorhanden waren, machten weniger als 0,15% der Gesamtzusammensetzung aus. Die Legierung wird gegossen und bei 538ºC (1000ºF) homogenisiert. Danach wird die Legierung zu einer Dicke von 1,6 mm (0,063 Inch) heiß gewalzt. Das resultierende Blatt wird sodann etwa 0,5 Stunden lang bei 532ºC (990ºF) lösungsgeglüht. Das Blech wird in Wasser abgeschreckt und bei 24ºC (75ºF) gehalten und 12 Stunden lang bei 135ºC (275ºF) gealtert. Eine ähnliche Aluminium-Lithium-Legierung ist im Handel von Pechiney Aluminum oder Alcoa unter der Bezeichnung 2091 mit einem Härtegrad von T6 erhältlich.
- Die Probekörper mit den ursprünglichen Abmessungen 3 Inch mal 10 Inch werden sodann mit einer Zugmaschine unter einer Vielzahl von kombinierten Bedingungen der Temperatur (ºF) und der Streckgeschwindigkeit (%/Minute) im Bereich von 177ºC (350ºF) bis -45ºC (-50ºF) und 0,1%/Minute bis 50%/Minute gestreckt. Die prozentuale Verstreckung (das heißt die prozentuale Zunahme der ursprünglichen Abmessung des Blechs in Richtung der Verstreckung), die für eine bestimmte Tempertur- und Streckgeschwindigkeit beim Beginn des Auftretens von Lüderlinien im Blech irgendwo zwischen den Haltern der Zugmaschine auftreten, erhalten wird, wird durch visuelle Beobachtung der Oberfläche des Probekörpers und durch eine Lastablenkungsaufzeichnung bestimmt. Die Summe der erhaltenen prozentualen Verstreckung ist in FIGUR 1 graphisch als Funktion der Temperatur und der Streckgeschwindigkeit dargestellt. Dieses Beispiel zeigt, daß ein lüderfreies Strecken mit herkömmlichen Methoden bei Raumtemperatur nicht möglich ist. Der Härtegrad T6 ist gegenüber der Bildung von Lüderlinien bei der Anwendung einer herkömmlichen Streckverarbeitung am wenigsten empfindlich und sie ist für das geringste Ausmaß der Modifizierung des Kontrollprozesses der Streckgeschwindigkeit und der Temperatur geeignet.
- Wie in FIGUR 1 durch die "LÜDER-FREIE ZONE"-Bereiche dargestellt ist, zeigen die Probekörper, die um mindestens 3%, wie durch die Linien 3 dargestellt, unter einer Kombination von Temperatur- und Streckgeschwindigkeitsbedingungen, die außerhalb des Polygons ABCDA fallen, gestreckt worden sind, keine Bildung von Lüderlinien. In ähnlicher Weise zeigen diejenigen Probekörper, die um mindestens 6%, wie durch die Linien 6 dargestellt, unter einer Kombination von Temperatur- und Streckgeschwindigkeitsbedingungen, die außerhalb des Polygons EFGHE fallen, gestreckt worden sind, keine Lüderlinien. Schließlich zeigen Probekörper, die um mindestens 9%, wie durch die Linien 9 dargestellt, unter den Temperatur- und Streckgeschwindigkeitsbedingungen, die außerhalb des Polygons IJKLI fallen, keine Lüderlinien. Ähnliche Polygone werden für andere prozentuale Streckungswerte definiert und sie sind in der unten stehenden Tabelle 1 zusammengestellt. TABELLE I Prozentuale Verstreckung beim Beginn von Lüderlinien Polygon
- Einige der gestreckten (6%) Probekörper, die von Lüderlinien frei waren, wurden sodann nach bekannten Methoden auf die Gesamtelastizitätsgrenze, die Zerreißfestigkeit, die prozentuale Dehnung und den Youngschen Modul getestet. Die erhaltenen Werte sind in Tabelle II zusammengestellt. TABELLE II Gesamtelastizitätsgrenze MPa (psi) Zerreißfestigkeit MPa (psi) %-Dehnung (%) Youngscher Modul 10&sup6; MPa (psi)
- Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen mit Einschluß der bevorzugten Prozessparameter und Formulierungen beschrieben worden. Der Fachmann ist nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung dazu imstande, verschiedene Veränderungen, Substitutionen von Äquivalenten und andere Änderungen durchzuführen, ohne daß von den hierin beschriebenen breiten Konzepten abgewichen wird. So wird es beispielsweise in Betracht gezogen, daß die erfindungsgemäße Streckverfahrensbehandlung auf andere Legierungskombinationen, die derzeit in der Entwicklung sind, und insbesondere auf Aluminium-Lithium-Legierungen mit erheblichen Mengen von Zink, Silicium, Eisen, Nickel, Beryllium, Bismuth, Germanium, und/oder Zircon anwendbar sein kann. Es ist daher vorgesehen, daß der Umfang des darauf erteilten Patents nur durch die Definition der beigefügten Ansprüche begrenzt wird.
Claims (9)
1. Verfahren zum Strecken eines Blechs aus einer
Aluminium-Lithium-Legierung, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Blech aus der
Aluminium-Lithium-Legierung um mindestens 3% seiner ursprünglichen Abmessungen in
Richtung der Verstreckung bei einer Kombination von
Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und der
Streckgeschwindigkeit, welche außerhalb des in FIGUR 1 durch das Polygon
ABCDA definierten Bereichs liegt, streckt, so daß das Blech
im wesentlichen von Lüderlinien frei bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Blech aus der
Aluminium-Lithium-Legierung um mindestens 6% seiner ursprünglichen
Abmessungen in Richtung der Verstreckung bei einer Kombination
von Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und der
Streckgeschwindigkeit, welche außerhalb des durch in FIGUR 1 durch
das Polygon EFGHE definierten Bereichs liegt, streckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Blech aus der
Aluminium-Lithium-Legierung um mindestens 9% seiner ursprünglichen
Abmessungen in Richtung der Verstreckung bei einer Kombination
von Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und der
Streckgeschwindigkeit, welche außerhalb des durch in FIGUR 1 durch
das Polygon IJKLI definierten Bereichs liegt, streckt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Strecken bei einer
Temperatur im Bereich von -45ºC bis +176ºC (-50ºF bis etwa
350ºF) und einer Streckgeschwindigkeit im Bereich von
0,1%/Minute bis 50%/Minute streckt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Blech aus der
Aluminium-Lithium-Legierung einen Härtegrad, ausgewählt aus der
Gruppe, bestehend aus T4-, T6- und T8-Härtegraden, hat.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Aluminium-Lithium-Legierung 1,7 bis 2,8 Gew.-%, vorzugsweise 1,7 bis 2,3 Gew.-%,
Lithium enthält.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Aluminium-Lithium-Legierung 1,0 bis 3,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,8 bis 2,5 Gew.-%,
Kupfer enthält.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Aluminium-Lithium-Legierung 0,04 bis 0,16 Gew.-%, vorzugsweise 0,06 bis 0,16
Gew.-%, Zircon enthält.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das gestreckte Blech eine
Gesamtelastizitätsgrenze von mindestens 24600 MPa (51000
psi), vorzugsweise mindestens 31000 MPa (65000 psi) hat.
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-
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