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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine nicht-eisenhaltige Metallurgie,
und insbesondere betrifft sie hochfeste Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems,
die als ein Konstruktionsmaterial für Hauptteile von Flugzeugen
(obere Haute und Stützbalken
des Flügels,
belastete Träger,
etc), in der Raketen-, Transport- und Instrumenteningenieurtechnik
verwendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Gut
bekannt sind hochfeste Legierungen auf Aluminiumbasis des Al-Zn-Mg-Cu-Systems,
die zusätzlich
mit einer kleinen Menge Zirkonium dotiert werden.
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Die
russische Legierung 1973 weist die folgende Zusammensetzung (in
Gew.-%) auf:
Zink 5,5-6,5
Magnesium 2,0-2,6
Kupfer
1,4-2,0
Zirkonium 0,08-0,16
Titan 0,02-0,07
Mangan ≤ 0,10
Chrom ≤ 0,05
Eisen ≤ 0,15
Silizium ≤ 0,10
Aluminium-Rest
[1]
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Die
amerikanische Legierung 7050 umfaßt (Gew.-%):
Zink 5,7-6,7
Magnesium
1,9-2,6
Kupfer 2,0-2,6
Zirkonium 0,08-0,15
Titan ≤ 0,06
Mangan ≤ 0,10
Chrom ≤ 0,04
Eisen ≤ 0,15
Silizium ≤ 0,12
Aluminium-Rest
[2]
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Ebenfalls
patentiert ist die amerikanische Legierung, die umfaßt (Gew.-%):
Zink
5,9-6,9
Magnesium 2,0-2,7
Kupfer 1,9-2,5
Zirkonium
0,08-0,15
Titan ≤ 0,06
Chrom ≤ 0,04
Eisen ≤ 0,15
Silizium ≤ 0,12
Aluminium-Rest
[3]
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Der
gemeinsame Nachteil all dieser Legierungen ist das nicht zufriedenstellende
Niveau der statischen Festigkeit und der spezifischen Eigenschaften,
die es nicht ermöglichen,
Betriebseigenschaften zu verbessern, die Gewichtseffizienz der Gegenstände mit
dem Ziel zu erhöhen,
die Tragekapazität
anzuheben, Brennstoff zu sparen, den Flugdistanzbereich zu erhöhen, etc.
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Die
amerikanische Legierung wird vorgeschlagen, die umfaßt (Gew.-%):
Zink
7,6-8,4
Magnesium 1,8-2,2
Kupfer 2,1-2,6
Zirkonium
0,03-0,30
Mangan 0,1-0,35
Eisen 0,03-0,1
Silizium
0,03-0,1
und wenigstens ein Element aus der Gruppe einschließend
Hafnium
0,03-0,4
Vanadium 0,05-0,15
Aluminium-Rest [4]
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Die
Legierung weist die folgenden Nachteile auf:
- – Hohe und
super hohe Festigkeit wird hauptsächlich durch schwere Legierungsbildung
mit Hauptelementen – Zink,
Magnesium, Kupfer (deren maximale Summe > 13,0 % ist) erreicht, jedoch führt die
erhöhte Menge
an Kupfer zu der Reduktion an Duktilität, Riß- und Dauerfestigkeit;
- – Die
zusätzliche
Legierungsbildung mit teuren Elementen (Hafnium, Vanadium) wird
verwendet, und dies führt
zu der Zunahme der Kosten von halbfertigen Produkten und fertigen
Gegenständen,
insbesondere wenn es eine Produktion in großem Maßstab gibt und die Produkte
von großer
Größe sind;
- – Die
Legierung weist die nicht zufriedenstellende Duktilität im gegossenem
Zustand auf (und weist daher die Tendenz auf, daß Risse in Ingots, insbesondere
in Ingots großer
Größe, auftreten,
die aus solchen Legierungen unter Schwierigkeiten gegossen werden)
und unter der Deformation von Halbprodukten;
- – Die
Zusammensetzung der Legierung liefert nicht die optimalen Bedingungen
der Mikrostrukturbildung und der Betriebseigenschaften solcher Bauteile
als Haute und Stützbalken
des Flügels,
die für
moderne und zukünftige
Flugzeuge benötigt
werden.
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JP 6-184689 A offenbart
ein hochfestes Aluminiumlegierungsmaterial zum Schweißen mit
einer Zusammensetzung bestehend aus (Gew.-%) 5-8% Zn, 1,2-4,0% Mg,
1,5-4,0% Cu, 0,01-1% Fe, 0,005-0,2% Ti, 0,0001-0,08% B, 0,03-0,5%
Mo, wenigstens 1 oder < 2
Arten von 0,01-1,5% Mn, 0,01-0,6% Cr, 0,01-0,25% Zr und 0,01-0,2%
V, und wobei der Rest Aluminium ist.
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JP 2000212673 A offenbart
einen Aluminiumlegierungsbogen mit einer Zusammensetzung enthaltend 5,1
bis 8,4% Zn, 1,8 bis 3,0% Mg und 1,2 bis 2,6% Cu, ferner enthaltend
eine oder mehr als 2 Arten von ≤ 0,35%
Cr, ≤ 0,35%
Mn und ≤ 0,25%
Zr, und wobei der Rest Al mit Verunreinigungen ist, wobei die durchschnittliche
Dicke der Kristallkörner < 25 μm, ist und
das Längenverhältnis ≥ 4 ist. Der
hergestellte Aluminiumlegierungsbogen kann für einen Flugzeugträgerbalken
verwendet werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Legierung mit
hoher Festigkeit und dem gewünschtem
Niveau an Betriebseigenschaften bereitzustellen, die notwendig sind
für hauptbelastete
Teile von Flugrahmen in Flugzeugen, Raketen und anderen Gegenständen, in
Kombination mit einer zufriedenstellenden technologischen Effektivität zur Herstellung
von verschiedenen bearbeiteten Halbprodukten, insbesondere von großer Größe.
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Gemäß der Erfindung
wird die hochfeste Legierung auf Aluminiumbasis des Al-Zn-Mg-Cu-Systems bereitgestellt,
welche umfaßt,
(in Gew.-%):
Zink 7,6-8,6
Magnesium 1,6-2,3
Kupfer
1,4-1,95
Zirkonium 0,08-0,20
Mangan 0,01-0,1
Eisen
0,02-0,15
Silizium 0,01-0,1
Chrom 0,01-0,05
Nickel
0,0001-0,03
Beryllium 0,0001-0,005
Eismut 0,00005-0,0005
Wasserstoff
0,8 × 10–5 – 2,7 × 10–5
und
wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehen aus
Titan 0,005-0,06
Bor
0,001-0,01
Aluminium-Rest,
und der daraus hergestellte
Gegenstand, wobei
die Summe der Hauptlegierungsbildungselemente
(Zink, Magnesium, Kupfer) nicht 12,5% überschreiten sollte, die Summe
der Übergangselemente
(Zr, Mn, Cr, Ni) 0,35% nicht überschreiten
sollte, und das Verhältnis Fe:
Si nicht kleiner als 1,2 sein sollte.
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Zusammen
mit dem Hauptelement-Antirekristallisator Zr gewährleistet die Einführung von
Cr, Ni in die vorgeschlagene Legierungszusammensetzung und die Reduktion
der Mn-Menge (der beanspruchte Bereich der Gesamtsumme ist nicht
größer als
0,35%) die Bildung und Stabilisierung der nicht rekristallisierten
Struktur, eine Kernbildung der härtenden
Phasen und somit die Zunahme der Festigkeit und erhöht ebenfalls
die Spannungskorrosionsrißwiderstandsfähigkeit
und Abblätterungskorrosionswiderstandsfähigkeit.
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Die
Mikrolegierungsbildung der Legierung mit einem Kornveredelungstitanadditiv
der Kernbildungsseitenwirkung und/oder Boradditiv bewirkt die heterogene
Verfestigung der Legierung und somit eine Kornveredelung und dessen
Uniformität,
Sekundärphasendispersion
in Ingots. Eismut weist ebenfalls einen Kornveredelungseffekt auf
und erhöht
die Fluidität.
All das gesagte verbessert die Duktilität der Ingots und Halbprodukte
und verbessert die Möglichkeit,
deren Abmessungen zu vergrößern und
die Qualität
zu erhöhen.
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Wasserstoff,
der in Mikromengen vorliegt, fördert
die Bildung der Feinkornstruktur, die einheitliche Verteilung von
unausweichlichen nicht-metallischen Einschlüssen im Volumen der Ingots
und der Halbprodukte und die Erhöhung
der Duktilität.
Der Einschluß eines
technologischen Additivs von Beryllium vermindert die Oxidationsfähigkeit
und verbessert die Fluidität
beim Gießverfahren
und verbessert zusätzlich
die Qualität
der Ingots und Halbprodukte.
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Es
ist ziemlich notwendig, die Menge an Eisen über die Menge an Silizium (um
mehr als das 1,2-fache) zu erhöhen,
während
diese Mengen strickt begrenzt werden (insbesondere für Silizium),
um die Gießeigenschaften
von Zn-enthaltenden Legierungen zu verbessern, um die Herstellung
von Ingots und Halbprodukten großer Größe zu ermöglichen.
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Die
Reduktion der Kupfermenge (bis 1,95%) und ein Gesamtgrad an Legierungsbildung
mit Hauptelementen (Zn, Mg, Cu) auf 12,5 Gew.-% unterdrückt die
Möglichkeit
einer Bildung von groben, überschüssigen, unlöslichen,
intermetallischen Verbindungen, wie S(Al2CuMg)- Phase, etc, und begrenzt
deren unerwünschten Einfluß auf die
Duktilität,
Rißwiderstandfähigkeit
und Dauerfestigkeit, während
die Korrosionswiderstandsfähigkeit
nicht vermindert wird.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben.
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Beispiele
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In
experimentellen Versuchen wurden die Ingots gegossen, und Tabelle
1 zeigt die Zusammensetzungen der Legierungen. Die Legierungen 1-6
sind die Legierungen gemäß der vorliegenden
Erfindung, und Legierung 7 ist das Beispiel der Erfindung der
US 5,221,337 . Die Ingots
wiesen einen Durchmesser von 110 mm auf. Sie wurden durch halbkontinuierliche
Verfahren mit Wasserkühlung
gegossen. Das Gießen
wurde in einem elektrischen Ofen durch geführt. Nach einer Homogenisierung
bei 460°C
für 24
Stunden wurden die Werte der Duktilität der Ingots geschätzt, welche
Werte die Fähigkeit
zur Heißdeformation
bei einer typischen Temperatur von 400°C im Herstellungsverfahren von
Halbprodukten kennzeichnen. Zwei Verfahren wurden verwendet: Stauchschmieden
der Proben ∅ 15-20 mm mit der Bestimmung der endgültigen Deformation ε; Zugtesten
von runden Proben (Maßlängendurchmesser,
d
0 = 4 mm) mit der Bestimmung der relativen
Dehnung δ (Maßlänge l
0 = 5d
0) und relativen
Reduktion der Fläche ψ.
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Die
durchschnittliche Korngröße daver in den Ingots wurde durch das Verfahren
der quantitativen Metallografie von polarisierten Mikroabschnitten
bestimmt.
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Nach
der Homogenisierung wurden einige der Ingots bei 390-410°C in Stangen
von 12 × 75
mm Querschnitt extrudiert. Die Barren der extrudierten Stangen wurden
lösungsbehandelt
von einer Temperatur von 467°C
(für 50
Minuten) und in kaltem Wasser auf (20-25°C) gequencht. In dem Bereich
von 4 Stunden nach dem Quenchen wurden die Stangen einem künstlichen
Tempern bei T1 gemäß dem Schema: 140°C, 16 Stunden,
unterworfen.
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Die
mechanischen und Korrosionseigenschaften wurden an Proben bestimmt,
die von den Stangen abgeschnitten wurden.
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Die
mechanischen Eigenschaften beim Zugtesten (Zugfestigkeit, Dehnung,
Reduktion der Fläche) wurden
auf runden Probenkörpern
mit Maßlängendurchmesser
d0 = 5 mm bestimmt. Die Rißwiderstandsfähigkeit
wurde durch Schlagzähigkeit
eines Probenkörpers
mit V-förmiger Kerbe
und ein Ermüdungsriß gemäß GOST 9454
bestimmt.
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Niederzyklusdauerfestigkeit
(LCF) wurde durch die Zeit bestimmt, um den runden länglichen
Probekörper
mit einer kreisförmigen
Kerbe zu brechen (K = 2,2) unter hoher Spannung (σmax =
0,7 UTS des gekerbten Probenkörpers)
und einer Frequenz f = 0,17 Hz.
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Die
Korrosionseigenschaften wurden bestimmt durch:
- – Spannungskorrosionsrißwiderstandsfähigkeit
(SCC) mit der Zeit, um lange Querprobenkörper unter Spannung σ = 0,75 YTS
und unter anderen Bedingungen gemäß GOST 9.019 zu brechen;
- – Abblätterungskorrosionswiderstandsfähigkeit
(EXCO) von flachen Längsprobenkörpern auf
10-Kugelmaßstab
gemäß GOST 9.904.
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Tabelle
2 veranschaulicht die Kombination der mechanischen und Korrosionseigenschaften
der extrudierten Stangen, die aus der vorgeschlagenen Legierung
und aus der Legierung aus dem Stand der Technik vorgeschlagen worden
sind. Tabelle 3 zeigt die Werte der technologischen Duktilität der Ingots,
die aus den besagten Legierungen hergestellt wurden.
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Wie
man aus den gezeigten Ergebnissen augenscheinlich erkennen kann,
ermöglichte
die Zusammensetzung der beanspruchten Legierungen, die Werte der
Duktilität
und der Rißwider standsfähigkeit
(um etwa 15-20%) zu erhöhen,
während
das hohe Niveau der Festigkeitseigenschaften bereitgestellt wurde,
was die Spannungskorrosionswiderstandsfähigkeit bewahrt und in einem
gewissen Ausmaß die
Abblätterungskorrosions-
und Dauerfestigkeitswiderstandsfähigkeit
verbessert. Die Zusammensetzung liefert die Verbesserung der Struktur
und der technologischen Duktilität
der Ingots, was das Gußverfahren
und das Bilden der Halbprodukte leicht macht.
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Somit
liefert die beanspruchte Legierung die Zunahme der Gewichtseffektivität, der Verläßlichkeit
und der Lebensdauer der Gegenstände.
Die Legierung wird zur Herstellung von gewalzten (Bögen, Platten),
extrudierten (Profile, Paneelen etc.) Halbprodukten einschließlich Produkten
langer Größe aus großen Ingots
und ebenfalls von geschmiedeten Halbprodukten (Prägeschmieden
und Handschmieden) empfohlen.
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Die
Legierung kann als Konstruktionsmaterial zur Herstellung der Hauptbauteile
des Luftrahmens in Flugzeugen, insbesondere in komprimierten Zonen
(obere Haute und Stützträger des
Flügels,
belastete Stützbalken
etc.), Raketen und anderen Gegenständen verwendet werden. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzungen der Legierungen
| Legierung | Zn | Mg | Cu | Zr | Mn | Cr | Ni | Ti | B | Be | Bi | Fe | Si | H·10–5 |
| 1 | 8,3 | 2,3 | 1,9 | 0,13 | 0,1 | 0,04 | 0,005 | 0,05 | – | 0,005 | 0,0002 | 0,1 | 0,04 | 0,8 |
| 2 | 8,6 | 2,1 | 1,4 | 0,14 | 0,07 | 0,04 | 0,008 | – | 0,008 | 0,002 | 0,0005 | 0,15 | 0,05 | 1,5 |
| 3 | 7,6 | 2,0 | 1,95 | 0,17 | 0,1 | 0,05 | 0,03 | 0,06 | 0,001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,14 | 0,06 | 2,7 |
| 4 | 8,0 | 1,9 | 1,8 | 0,13 | 0,06 | 0,03 | 0,0001 | 0,005 | 0,01 | 0,003 | 0,00008 | 0,13 | 0,04 | 2,0 |
| 5 | 8,1 | 2,0 | 1,9 | 0,08 | 0,07 | 0,05 | 0,02 | 0,05 | – | 0,002 | 0,0003 | 0,12 | 0,1 | 1,8 |
| 6 | 7,9 | 1,6 | 1,7 | 0.20 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,04 | 0,003 | 0,001 | 0.00005 | 0,02 | 0,01 | 1,4 |
| 7 | 8,4 | 2,2 | 2,5 | 0,12 | 0,1 | 0,02Hf | 0,15V | – | – | – | – | 0,1 | 0,06 | – |
- Beachte: Legierungen 1-6 = wie beansprucht;
- 7 = Legierung, die in der US
5,221,337 beschrieben ist
Tabelle 2 Mechanische und Korrosionseigenschaften
der Halbprodukte | Legierung | UTS | YTS | E1 | Reduktion
der Fläche | Schlagfestigkeit J/cm2 | LCF, Zykluszahl bis zum Bruch | SCC, Zeit bis zum Bruch, Stunde | EXCO, Punkt |
| MPa | % |
| 1 | 690 | 670 | 10,0 | 16.5 | 4,0 | 1100 | 174 | 6 |
| 2 | 685 | 665 | 10.5 | 18 | 4,3 | 1040 | 172 | 6 |
| 3 | 675 | 655 | 115 | 20 | 4,6 | 1200 | 180 | 6 |
| 4 | 685 | 665 | 11,0 | 20 | 4,5 | 1150 | 173 | 7 |
| 5 | 680 | 660 | 10,5 | 19 | 4,4 | 1040 | 174 | 7 |
| 6 | 685 | 665 | 10,0 | 17 | 4,2 | 1100 | 175 | 6 |
| 7 | 690 | 670 | 9,0 | 15 | 3,8 | 1050 | 173 | 7 |
Tabelle 3 Technologische Duktilität von Ingots
bei 400°C | Legierung | durchschnittliche Korngröße, daver, μm | Stauchschmieden ε, % | Spannung |
| E1,δ | Reduktion, ψ |
| % |
| 1 | 260 | 49 | 74 | 92 |
| 2 | 230 | 55 | 76 | 93 |
| 3 | 210 | 60 | 82 | 95 |
| 4 | 320 | 48 | 74 | 92 |
| 5 | 250 | 55 | 75 | 93 |
| 6 | 270 | 50 | 74 | 93 |
| 7 | 380 | 43 | 71 | 90 |