DE69017030T2

DE69017030T2 - Process for improving the physical properties of aluminum-lithium workpieces.

Info

Publication number: DE69017030T2
Application number: DE1990617030
Authority: DE
Inventors: Martin R Gardner
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: DE69017030D1

Description

starting point 1. Field of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf superplastisch geformtes (SPF = superplastically formed) Aluminium-Lithium-Werkstücke und insbesondere auf einen Vorgang zum thermomechanischen Konditionieren solcher Werkstücke, so daß ihre Formänderungsfestigkeit oder Streckgrenze und andere physikalische Eigenschaften bis zu 10 % verbessert werden gegenüber den nicht konditionierten Bezugswerkstücken. Der hier dargestellte Vorgang oder Prozeß befaßt sich mit Teilen, die aus Aluminium-Lithium hergestellt sind, und zwar durch herkömmliche superplastische Formtechniken, aber die Konditioniervorgänge, die hier spezifiziert werden, sind auf andere Teile anwendbar, die aus anderen feinkörnigen Aluminium-Lithium-Legierungen hergestellt sind, was auch solche Lösungen aus Kupfer und Magnesium umfaßt unter der Vorgabe, daß ordnungsgeinäße Modifikationen der Temperaturen, Zeiten und Drücke durchgeführt werden.The invention relates to superplastically formed (SPF) aluminum-lithium workpieces and, more particularly, to a process for thermo-mechanically conditioning such workpieces so that their yield strength and other physical properties are improved by up to 10% over the unconditioned reference workpieces. The process presented here deals with parts made from aluminum-lithium by conventional superplastic forming techniques, but the conditioning operations specified here are applicable to other parts made from other fine-grain aluminum-lithium alloys, including such solutions of copper and magnesium, provided that proper modifications of temperatures, times and pressures are made.

Aluminium-Lithium-Blechmaterial, wie es durch kommerzielle Werke oder Hütten vorgesehen wird, ist vorkonditioniert durch Walzvorgänge zum Vorsehen unterschiedlicher Spezifikationen hinsichtlich der Härte, der Zugfestigkeit und Dehnbarkeit oder Duktilität. Wenn ein solches vorkonditioniertes Material zur Herstellung von Teilen durch superplastische Formvorgänge verwendet werden, ist eine erhebliche Verbeserung dieser Parameter möglich. Insbesondere wenn solche Teile thermo-mechanisch konditioniert werden durch Abschrecken, Dehnen und Aushärten, dann zeigen sie mechanische Eigenschaften und physikalische Charakteristika, die erheblich besser sind, wie die der nicht-konditionierten Teile. Es sei bemerkt, daß sowohl konditionierte als auch nicht-konditionierte Aluminium-Lithium-Werkstücke mechanische Eigenschaften und physikalische Charakteristika besitzen, die besser sind wie die herkömmlicher Aluminiumteile, und zwar mit Gewichtseinsparungen bis zu 10 % und bei ähnlichen Erhöhungen hinsichtlich der Steifheit.Aluminum-lithium sheet material as provided by commercial mills or smelters is preconditioned by rolling operations to provide different specifications in terms of hardness, tensile strength and ductility. When such preconditioned material is used to manufacture parts by superplastic forming operations, a significant improvement in these parameters is possible. In particular, when such parts are thermo-mechanically conditioned by quenching, stretching and age hardening, they exhibit mechanical properties and physical characteristics which are considerably better than those of the unconditioned parts. It should be noted that both conditioned and unconditioned Aluminium-lithium workpieces have mechanical properties and physical characteristics that are better than those of conventional aluminium parts, with weight savings of up to 10% and similar increases in stiffness.

Description of the state of the art

Kommerziell produzierte Aluminium-Lithium-Legierungen enthalten ungefähr 3 Gew.% Lihtium, wobei die Lithiumatome und Verbundstoffe relativ gleichförmig über die Aluminiummatrix hinweg angeordnet sind.Commercially produced aluminum-lithium alloys contain approximately 3 wt.% lithium, with the lithium atoms and compounds arranged relatively uniformly throughout the aluminum matrix.

Die Gleichförmigkeit der kristallinen Struktur bei Walzstandardaluminium-Lithiummaterial wird beabsichtigterweise durch Walzvorgänge verzerrt, um Ausscheidungs- bzw. Aushärtungsorte durch die Metallmatrix hindurch vorzusehen, wobei an diesen Orten ein erhöhter Widerstand gegen laminares Scheren erzeugt wird. Es ergeben sich auch unterschiedliche atomare-molekulare Aktivitäten aus diesen Vorgängen, die belastete Gitterstrukturen und zufällige Erhöhungen der Formänderungsfestigkeit, bestimmte Festigkeitsparameter und andere mechanische Eigenschaften erzeugen. Belastungen, die in der Legierung induziert werden, haben Verschiebungs- oder Störstellen zur Folge, wo nachfolgend eine Ausscheidung oder Aushärtung der Aluminium-Lithium-Verbindungen auftreten kann. Die Bedingungen für eine optimale Ausscheidung oder Aushärtung und der assoziierten Verstärkung der Aluminium- Lithium-Legierungen sind dem Fachmann bekannt und werden von diesem angewendet.The uniformity of the crystalline structure in standard rolled aluminum-lithium material is intentionally distorted by rolling operations to provide precipitation or age hardening sites through the metal matrix, producing increased resistance to laminar shear at these sites. Different atomic-molecular activities also result from these processes, producing strained lattice structures and random increases in yield strength, certain strength parameters, and other mechanical properties. Strains induced in the alloy result in displacement or imperfections where subsequent precipitation or age hardening of the aluminum-lithium compounds can occur. The conditions for optimal precipitation or age hardening and associated strengthening of the aluminum-lithium alloys are known and used by those skilled in the art.

Die Notwendigkeit im Handel und in der Industrie für leichtgewichtige, feste, gegenüber hohen Belastungen toleranten Teilen und Produkten hat zu einer intensiven Forschung bei Aluminium-Lithium-Legierungen geführt und ein Auszug dieser Technologie ist in der freien Literatur erhältlich. Einige Beispiele dieser Literatur können in den Aufsätzen gefunden werden, die bei der Second International Aluminium-Lithium-conference of the Metallurgical Society of the American Institute of Mechanical Engineers, Conference Proceedings, April 12-14, 1983 (Library of Congress #83-83124 und ISBN #O-89520-472-X) dargestellt wurden.The need in trade and industry for lightweight, strong, high-load tolerant parts and products has led to intensive research into aluminum-lithium alloys and an excerpt of this technology is available in the open literature Some examples of this literature can be found in the papers presented at the Second International Aluminium-Lithium-conference of the Metallurgical Society of the American Institute of Mechanical Engineers, Conference Proceedings, April 12-14, 1983 (Library of Congress #83-83124 and ISBN #O-89520-472-X).

Ferner zeigt US-A-4 861 391 ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Gegenstandes, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und zwar mit einer ersten Temperatur, bei der sich gelöste Atome zusammenballen bzw. Cluster bilden, um Kerne für die Bildung und den Wachstum von Verstärkungsausscheidungen zu ergeben und mit einer zweiten höheren Temperatur, bei der sich die Verstärkungsausscheidungen auflösen. Ferner ist ein Verfahren gezeigt, zum Bewirken verbesserter Kombinationen aus Festigkeit und Bruchfestigkeit eines lösungswärmebehandelten Gegenstandes der eine Aluminium-Lithium-Legierung aufweist. Dieses Verfahren weist folgendes auf: Aushärten- bzw. Alternlassen des Gegenstandes bei einer oder mehreren Temperaturen, bei oder unterhalb einer ersten Temperatur von ungefähr 93 ºC für ein paar Stunden bis zu mehreren Monaten; und weiteres Aushärten oder Altern des Gegenstandes bei einer oder mehreren Temperaturen über der ersten Temperatur und unterhalb einer zweiten Temperatur von ungefähr 219 ºC für mindestens ungefähr 30 Minuten.Further, US-A-4 861 391 shows a method of thermally treating an article made of an aluminum alloy at a first temperature at which solute atoms cluster to provide nuclei for the formation and growth of reinforcing precipitates and at a second higher temperature at which the reinforcing precipitates dissolve. Further, a method is shown for effecting improved combinations of strength and fracture toughness of a solution heat treated article comprising an aluminum-lithium alloy. This method comprises: aging the article at one or more temperatures at or below a first temperature of about 93°C for a few hours to several months; and further curing or aging the article at one or more temperatures above the first temperature and below a second temperature of about 219ºC for at least about 30 minutes.

Herkömmliche Verfahren, die zur Erzeugung von superplastisch geformten Teilen aus Aluminium-Lithium verwendet werden, verwenden eine damit assoziierte Technologie und während diese Technologie nicht als direkt anwendbar für den vorliegenden Vorgang dargestellt ist, wird sie einschlägig für die Herstellung von Vorformen, die geeignet sind durch dieses Verfahren konditioniert zu werden. Kommerziell produzierte Aluminium-Lithium-Legierungen, die Hauptlegierungselemente aus Kupfer oder Magnesium oder Kombinationen derselben enthalten, sind auch geeignet für die Verwendung mit Werkstücken, die gemäß dieser Offenbarung verarbeitet werden.Conventional processes used to produce superplastic formed parts from aluminum-lithium use an associated technology and while this technology is not shown to be directly applicable to the present process, it will be relevant for the production of preforms suitable for conditioning by this process. Commercially produced aluminum-lithium alloys, containing major alloying elements of copper or magnesium or combinations thereof are also suitable for use with workpieces processed in accordance with this disclosure.

The invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Vorgang oder Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 15 offenbart. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.According to the present invention, a process or method according to claims 1 and 15 is disclosed. Preferred embodiments are shown in the dependent claims.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein nahezu fertiges Werkstück aus superplastisch geformten Aluminium-Blech lösungswärmebehandelt, abgeschreckt und auf seine schlußendliche Teilekonfiguration gestreckt, gefolgt durch Aushärten bzw. Altern. Der Begriff "nahezu fertig", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Abmessungen eines superplastisch geformten Teils (d. h. "Werkstück"), die 2 bis 10 Prozent kleiner oder geringer sind wie die des gewünschten Endprodukts oder die "Endabmessungen". Der erfinderische Aspekt dieser Erfindung liegt in dem Strecken des "nahezu fertigen" Teils zu seinen Endabmessungen mit einer erheblichen Verbesserung seiner physikalischen Eigenschaften, die sich aus dem Strecken und dem nachfolgenden Aushärten bzw. Altern ergeben.According to the present invention, a nearly finished workpiece of superplastically formed aluminum sheet is solution heat treated, quenched and stretched to its final part configuration, followed by aging. The term "nearly finished" as used herein refers to the dimensions of a superplastically formed part (i.e., "workpiece") that are 2 to 10 percent smaller or less than those of the desired final product or the "final dimensions." The inventive aspect of this invention lies in stretching the "nearly finished" part to its final dimensions with a significant improvement in its physical properties resulting from the stretching and subsequent aging.

Insbesondere wird das nahezu fertige Teil nach dem Abschrecken von seiner superplastischen Temperatur in eine Form positioniert, die die endgültige Konfiguration besitzt und in einer Autoklavenvorrichtung abgedichtet. Das Teil wird dann auf eine Arbeitstemperatur von ungefähr einem Drittel der Temperatur, die für das superplastische Formen verwendet wird, erhitzt, und nachdem es um seinen Umfang an eine Form abgedichtet ist, die gleichförmig größere Abmessungen, "Endabmessungen" besitzt, wird das Teil einem hohen Druck von 6894,7 x 10&sup4; bis 13789,4 x 10&sup4; Pa (10 000 bis 20 000 psi) ausgesetzt. Dieser Druck drängt das Werkstück in Konformität mit der Netto- bzw. Endform, indem es das Teil gleichmäßig über die Innenoberflächen der Form streckt, und seine Größe gemäß der Netto- oder Endkonfiguration, d. h. den "Endabmessungen" vergrößert.In particular, the nearly finished part, after quenching from its superplastic temperature, is positioned in a mold having the final configuration and sealed in an autoclave apparatus. The part is then heated to a working temperature of approximately one-third the temperature used for superplastic forming, and after being sealed around its periphery to a mold having uniformly larger dimensions, "final dimensions," the part is subjected to high pressure of 6894.7 x 10⁴ to 13789.4 x 10⁴ Pa (10,000 to 20,000 psi). This pressure forces the workpiece into conformity to the net or final shape by stretching the part evenly over the interior surfaces of the mold and increasing its size according to the net or final configuration, i.e. the "final dimensions".

Der Druck kann dann entfernt werden und dem vollständig geformten Werkstück wird erlaubt, bei atmosphärischem Druck in einer speziellen Temperaturumgebung auszuhärten bzw. zu altern. Optional kann das Werkstück in der Autoklavenvorrichtung gehalten werden und dort für die benötigte Periode ausgehärtet bzw. gealtert werden. Während dieses Aushärtungs- bzw. Alterungsvorgangs entwickeln und stabilisieren sich die schlußendlichen Charakteristika des Werkstücks.The pressure can then be removed and the fully formed part is allowed to cure or age at atmospheric pressure in a specific temperature environment. Optionally, the part can be held in the autoclave device and cured or aged for the required period. During this curing or aging process, the final characteristics of the part develop and stabilize.

Da die Lithiumatome dazu neigen, zu wandern (d.h. zu diffundieren), und zwar zu freien Oberflächen und dort mit Sauerstoff reagieren, wird es bevorzugt, das Aussetzen des Werkstücks gegenüber hohen Temperaturen zu minimieren. Inerte Atmosphären aus Stickstoff, Helium oder anderen milden oder edlen Gasen reduziert den Lithiumverlust (zu Lithiumoxid) aus dem Werkstück und sind wünschenwert für alle Vorgänge bei hohen Temperaturen. Die optimale Länge und Temperatur des Aushärtungszyklus steht in Beziehung zu der bestimmten verwendeten Legierung und wird experimentell bestimmt für die Materialien und Werkstücke, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden.Since the lithium atoms tend to migrate (i.e., diffuse) to free surfaces and react with oxygen, it is preferred to minimize exposure of the workpiece to high temperatures. Inert atmospheres of nitrogen, helium, or other mild or noble gases reduce lithium loss (to lithium oxide) from the workpiece and are desirable for all high temperature operations. The optimal length and temperature of the aging cycle is related to the particular alloy used and is determined experimentally for the materials and workpieces described in the preferred embodiment of the invention.

Das Grundziel dieser Erfindung liegt in dem Vorsehen eines thermo-mechanischen Vorgangs bzw. Verfahrens zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften eines superplastisch geformten Aluminium-Lithium-Werkstücks durch die Verwendung eines Streckformvorgangs gekoppelt mit gesteuertem Aushärtens des gestreckten Teils.The basic objective of this invention is to provide a thermo-mechanical process or method for improving the mechanical properties of a superplastically formed aluminum-lithium workpiece by using a stretch forming process coupled with controlled curing of the stretched part.

Fein körniges Aluminium-Lithium (Al-Li) und bestimmte andere Materialien besitzen Festigkeit- zu Gewichtsverhältnisse und Formbarkeiteigenschaften, die sie insbesondere für Anwendungen, bei denen es auf das Gewicht ankommt, attraktiv macht, wie zum Beispiel solche für die Struktur und die Bauteile von Luft- oder Raumfahrtsystemen. Die Formbarkeitscharakteristika von Interesse sind ihre Anpaßbarkeit an das superplastische Formen und einfache Nachformvorgänge, die eine Festigkeitsverbesserung durch Lösungswärmebehandlung, gesteuertes oder kontrolliertes Strecken und Aushärten bzw. Altern vorsehen. Die Superplastizität von Al-Li ermöglicht das präzise Formen der Bauteile durch Stempel oder Formen, was arbeitsintensive Herstellungsarbeit und Kosten reduziert. Die physikalischen und mechanischen Charakteristika, die die Charakteristika herkömmlicher Aluminium-Legierungsteile besitzen oder übersteigen plus einer Kombination aus Gewichts und Steifheitsvorteilen führen superlastisch geformten Al-Li-Teilen und Strukturen zu einer bevorzugten Auswahl für viele Luft- und Raumfahrtanwendungen.Fine-grained aluminum lithium (Al-Li) and certain other materials possess strength-to-weight ratios and formability properties that make them particularly attractive for weight-sensitive applications such as aerospace system structures and components. The formability characteristics of interest are their adaptability to superplastic forming and easy post-forming operations that provide strength enhancement by solution heat treatment, controlled stretching and ageing. The superplasticity of Al-Li enables precise forming of the components by stamping or molding, reducing labor-intensive manufacturing work and costs. The physical and mechanical characteristics that match or exceed those of conventional aluminum alloy parts plus a combination of weight and stiffness advantages make superelastic formed Al-Li parts and structures a preferred choice for many aerospace applications.

Obwohl Superplastizität eine fortgeschrittene Technik ist und seine Vorteile und Merkmale gut dokumentiert sind, wurde vor dieser Erfindung kein Vorgang oder kein Verfahren berichtet, der oder das die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von superplastisch geformten Teilen ermöglicht. Das Fehlen eines solchen Verfahrens hat diesen Teilen erhebliche Teile ihrer möglichen maximalen Anforderungsverwendung entzogen.Although superplasticity is an advanced technique and its advantages and features are well documented, no process or method has been reported prior to this invention that allows for the improvement of the mechanical properties of superplastically formed parts. The lack of such a method has deprived these parts of significant portions of their potential maximum requirement use.

Durch Herstellen eines SPF-Teils zwischen 90 und 98 % seiner Endformabmessungen gefolgt durch Abschrecken, ist ein solches Teil fertig für die die kritische Festigkeit verbessernde Sequenz dieser Erfindung. Das zu kleine Teil wird an einer Form abgedichtet, die den Endabmessungsanforderungen entspricht, in einer erwärmten Autoklavenvorrichtung plaziert und hoher Druck wird auf das Teil ausgeübt, um es mechanisch in seine Endform zu strecken. Wenn ein solcher Formvorgang vollständig ist, wird das Teil in einer kontrollierten Umgebung für eine vorbestimmte Periode vor der Freigabe zur Verwendung ausgehärtet.By producing an SPF part between 90 and 98% of its net shape dimensions followed by quenching, such a part is ready for the critical strength improving sequence of this invention. The undersized part is sealed to a mold that meets the net dimension requirements in a heated autoclave apparatus placed and high pressure is applied to the part to mechanically stretch it into its final shape. When such a forming process is complete, the part is cured in a controlled environment for a predetermined period before release for use.

Eine vereinfachte Darstellung des Vorgangs oder Verfahrens und Ausrüstungen, die hierfür benötigt werden, sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.A simplified representation of the operation or procedure and equipment required are shown in the accompanying drawings.

Short description of the drawing

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der in dem offenbarten Verfahren verwendeten Ausrüstung;Fig. 1 is a schematic representation of the equipment used in the disclosed method;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Verfahrensflußfunktionen des Verfahrens.Fig. 2 is a block diagram of the process flow functions of the method.

Detailed description of the preferred embodiment

Gemäß Fig. 1 wird eine Vorform aus Al-Li aus einem Rohling aus Blechmaterial erzeugt, indem es durch Formmittel, wie zum Beispiel eine Form 10 mit herkömmlichen Temperaturen und Drücken geformt wird. Die Vorform wird auf eine Temperatur in seinem SPF-Bereich (in dem Fall von Al-Li ist ein Bereich von 510 bis 566 ºC (950 bis 1050 ºF) gut) erhitzt und ein Formdruck wird auf seine Innenseite ausgeübt, und zwar mit einem Unterstützungsdruck auf der Formseite davon. Formdrücke von ungefähr 3102,6 x 10³ Pa (450 psi) und Unterstützungsdrücke von ungefähr 2757,9 x 10³ Pa (400 psi) wurden erfolgreich für die erste Herstellungsstufe gemäß Block 20 in Fig. 2 verwendet.Referring to Fig. 1, a preform of Al-Li is produced from a blank of sheet material by forming it by forming means such as a mold 10 at conventional temperatures and pressures. The preform is heated to a temperature in its SPF range (in the case of Al-Li, a range of 510 to 566ºC (950 to 1050ºF) is good) and a forming pressure is applied to its inside with a backing pressure on the mold side thereof. Molding pressures of about 3102.6 x 10³ Pa (450 psi) and backing pressures of about 2757.9 x 10³ Pa (400 psi) have been successfully used for the first stage of manufacture according to block 20 in Fig. 2.

Während die Fig. 1(a) und (b) weibliche Formen 10, 12 für sowohl die Vorgänge im Block 20 als auch Block 24 zeigen, ist es für die Erfindung nicht kritisch bzw. absolut notwendig, daß dies in der Praxis so ist. Das Werkstück 14 kann durch andere Mittel, wie zum Beispiel eine männliche Form im Block 20 mit denselben Unterstufenabmessungen für die Abmessungen oder Dimensionen A, B der Fig. 1(a), (b) geformt werden. Die Abmessungen A, B der Fig. 1(a), (b) implizieren nur relative Dimensionen. Die Form 12 ist um einen Faktor von 2 bis 10 % größer als die Form 10. .XA und .XB in Fig. 1 zeigen diese Größendifferenz zwischen den Formen 10 und 12 an, so daß X in dem Bereich zwischen 98 und 90 ist. Im Block 24 können die Vorgänge des Streckens des Werkstücks 14 auf seine Endabmessung am leichtesten gsteuert werden durch die Verwendung einer weiblichen Form 12 mit einer leichten bzw. groben Steuerung der hohen Autoklavenvorrichtungsdrücke.While Figs. 1(a) and (b) show female forms 10, 12 for both the operations in block 20 and block 24, it is not critical to the invention that this should be so in practice. The workpiece 14 may be formed by other means such as a male mold in block 20 having the same sub-stage dimensions for the dimensions A, B of Fig. 1(a), (b). The dimensions A, B of Fig. 1(a), (b) imply relative dimensions only. The mold 12 is larger than the mold 10 by a factor of 2 to 10%. .XA and .XB in Fig. 1 indicate this difference in size between the molds 10 and 12 so that X is in the range 98 to 90. In block 24, the operations of stretching the workpiece 14 to its final dimension can be most easily controlled by the use of a female mold 12 with slight control of the high autoclave pressures.

Mit dem Werkstück 14 auf seiner hohen Formgebungstemperatur (Block 20) wird es aus der Formgebungsform 10 entfernt und Lösungswärmebehandelt (Block 22) durch Abschrecken in einem geeigneten Strömungsmittel. Das beim Konditionieren im Block 22 verwendete Strömungsmittel kann Wasser, Glykol oder irgendein anderes hohes Übertragungsmedium sein.With the workpiece 14 at its high forming temperature (block 20), it is removed from the forming mold 10 and solution heat treated (block 22) by quenching in a suitable fluid. The fluid used in conditioning in block 22 may be water, glycol, or any other high transfer medium.

Um die Verwendungszeit der Heißpresse zu minimieren und um die Handhabung während der Lösungswärmebehandlung zu erleichtern, können Mittel, wie zum Beispiel Formauskleidungen, verwendet werden, um das Werkstück 14 während der Lösungswärmebehandlung zu tragen. Solche Formauskleidungen, wie zum Beispiel Formen aus rostfreiem Stahl wurden in der US-Patentanmeldung 909 545 durch F. T. McQuilken, die den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart. Das Werkstück 14 kann nach dem Abschrecken leicht gehandhabt und in der Form 12 in der Autoklavenvorrichtung 16 durch herkömmliche Vorgänge abgedichtet werden.To minimize the usage time of the hot press and to facilitate handling during solution heat treating, means such as mold liners may be used to support the workpiece 14 during solution heat treating. Such mold liners, such as stainless steel molds, were disclosed in U.S. Patent Application 909,545 by F. T. McQuilken, assigned to the assignee of this application. The workpiece 14 can be easily handled after quenching and sealed in the mold 12 in the autoclave apparatus 16 by conventional operations.

Wenn das Werkstück 14 geformt und durch das Abschrecken wärmebehandelt wurde, wird es im Block 22 in der Autoklavenvorrichtung 16 abgedichtet und auf eine Alterungs- oder Aushärtungstemperatur von ungefähr 350 ºF gebracht. Bei dieser Temperatur wird ein hoher Druck zwischen 6894,7 x 10&sup4; und 13 789,4 x 10&sup4; Pa) (10 000 und 20 000 psi) in der Autoklavenvorrichtung zugelassen. Der angelegte Druck streckt das Werkstück 14 von seinen nahezu fertigen oder kleineren Abmessungen gemäß Block 20 zu den Endabmessungen der Form 12 und dem Aushärtungsblock 26.Once the workpiece 14 has been formed and heat treated by quenching, it is sealed in block 22 in the autoclave apparatus 16 and brought to an aging or curing temperature of approximately 350°F. At this temperature, a high pressure of between 6894.7 x 10⁴ and 13,789.4 x 10⁴ Pa) (10,000 and 20,000 psi) is allowed in the autoclave apparatus. The applied pressure stretches the workpiece 14 from its nearly finished or smaller dimensions as shown in block 20 to the final dimensions of the mold 12 and the curing block 26.

Die Formen 10 und 12 kooperieren insofern, daß die Form 10 das Werkstück 14 auf ungefähr 90 bis 98 % seiner Endform formt. Die weibliche Form 12 ist so aufgebaut, daß sie die Endabmessungen besitzt, auf die das Werkstück 14 gestreckt wird durch den im Block 24 angelegten Druck.The molds 10 and 12 cooperate in that the mold 10 forms the workpiece 14 to approximately 90 to 98% of its final shape. The female mold 12 is constructed to have the final dimensions to which the workpiece 14 is stretched by the pressure applied in the block 24.

Das Abdichten des Werkstücks 14 an die Form 12 in der Autoklavenvorrichtung 16 wird durch herkömmliche Mittel erreicht, die nicht Teil dieser Erfindung sind.Sealing of the workpiece 14 to the mold 12 in the autoclave apparatus 16 is accomplished by conventional means which are not part of this invention.

Die Zeit zwischen der Lösungsbehandlung im Block 22 und dem mechanischen Strecken in der Autoklavenvorrichtung 16 im Block 24 ist ein wichtiges Element bei dem Festigkeitsverbesserungsvorgang oder -verfahren. Interne thermo-mechanische Belastungen in der Legierungsmatrix, die sich während der Formgebung des Werkstücks 14, der Lösungswärmebehandlung und dem Abschrecken ergeben, bewirken kristallographische Gitterverzerrungen und damit assoziierte Fehl- bzw. Störstellen in dem Werkstück 14. Um den Vorteil der unterschiedlichen Auscheidungs- bzw. Aushärtungsphasen und Verschiebungen bzw. Verzerrungen des Gitters zu maximieren, sollten die Streckvorgänge gemäß Block 24 innerhalb von 8 Stunden nach der Lösungswärmebehandlung gemäß Block 22 durchgeführt werden.The time between the solution treatment in block 22 and the mechanical stretching in the autoclave 16 in block 24 is an important element in the strength improvement process or procedure. Internal thermo-mechanical stresses in the alloy matrix that arise during the forming of the workpiece 14, the solution heat treatment and the quenching cause crystallographic lattice distortions and associated defects in the workpiece 14. To maximize the benefit of the different precipitation or hardening phases and displacements or distortions of the lattice, the stretching operations according to block 24 should be carried out within 8 hours after the solution heat treatment according to block 22.

Während keine Verbesserung der sich ergebenden Charakteristika für eine rasche Verarbeitung bemerkt wurden, trat eine Verschlechterung der Endparameter auf, wenn das Strecken über 8 Stunden nach der Lösungswärmebehandlung hinaus verzögert wurde. Es wurde keine Quantifizierung dieser Leistungsverschlechterung durchgeführt und sogar ausgedehnte Verzögerungen haben eine Verbesserung der Charakteristika erzeugt, jedoch auf einem niedrigeren Niveau, aber ein Maximum von 8 Stunden zwischen der Lösungswärmebehandlung und dem Strecken in der Autoklavenvorrichtung 16 ist für optimale Verbesserung der Charakteristika notwendig.While no improvement in the resulting rapid processing characteristics was noted, a deterioration in the final parameters occurred when stretching was delayed beyond 8 hours after solution heat treatment. No quantification of this performance deterioration was made and even extended delays produced an improvement in the characteristics, albeit at a lower level, but a maximum of 8 hours between solution heat treatment and stretching in the autoclave apparatus 16 is necessary for optimal improvement in the characteristics.

Wenn das Werkstück 14 auf seine Endabmessungen durch die Vorgänge im Block 24 gestreckt wurde, wird es für eine Periode von 8 bis 24 Stunden bei einer Temperatur von 163 bis 191 ºC (325 bis 375 ºF) ausgehärtet, um eine Optimierung der mikroskopischen metallurgischen Struktur sicherzustellen.When the workpiece 14 has been stretched to its final dimensions by the operations in block 24, it is aged for a period of 8 to 24 hours at a temperature of 163 to 191 ºC (325 to 375 ºF) to ensure optimization of the microscopic metallurgical structure.

Das Aushärten in dem Block 26 wird entweder in der Autoklavenvorrichtung oder in einem Lagerbereich erreicht.Curing in the block 26 is accomplished either in the autoclave apparatus or in a storage area.

Eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Teile, die nicht in der Sequenz des bevorzugten Ausführungsbeispiels verarbeitet wurden, wurden auch demonstriert. Für nahezu fertige Teile, die direkt nach ihrer superplastischen Formgebungen nicht lösungswärmebehandelt wurden, ergibt ein Wiedererwärmen auf ihre superplastische Formgebungstemperatur und zwar ohne die Formgebungdrücke und ohne die Formgebung unter Verwendung von Formen und nachfolgende Lösungswärmbe- handlung und Strecken auf ihre Endabmessungen in der Form 12 in der Autoklavenvorrichtung 16 mit einer gesteuerten Aushärtung auch eine Eigenschaftsverbesserung, obwohl eine Quantifizierung der Unterschiede nicht durchgeführt wurde.Improvement in the physical properties of the parts not processed in the sequence of the preferred embodiment were also demonstrated. For nearly finished parts that were not solution heat treated immediately after their superplastic forming, reheating to their superplastic forming temperature without the forming pressures and without forming using molds and subsequent solution heat treating and stretching to their final dimensions in the mold 12 in the autoclave apparatus 16 with a controlled cure also results in property improvement, although quantification of the differences was not performed.

Claims

1. A process or method for improving the physical properties of an aluminium-lithium alloy workpiece, comprising the following steps:

(a) securing first and second forming means, the first forming means being configured to form a nearly finished part and the second forming means comprising female die means configured to the final dimensions of the workpiece;

(b) producing a preform of the workpiece by conventional superplastic forming operations by heating a blank of an Al-Li alloy to its superplastic temperature and forming it to the subdimensions of the first forming means;

(c) removing the preform from the first forming means and immersing it in a suitable quenching medium;

(d) placing the preform into the second forming means to create a pressure-tight seal between the preform and the second forming means;

(e) installing the preform and the second forming means in autoclave means;

(f) heating the preform within the autoclave means to an elevated temperature in the range of 163 to 191ºC (325 to 375ºF);

(g) applying a high pressure to the preform in the second forming means to cause it to stretch or elongate into conformity with a mold cavity having the final dimensions of the workpiece in the second forming means;

(h) Removing the high pressure and allowing [the workpiece] ages the preform for a certain period.

2. The method of claim 1, wherein the aluminum-lithium alloy contains alloying elements of other metals.

3. The method of claim 2, wherein the other metals come from the group consisting of copper and magnesium.

4. The process of claim 1 wherein the superplastic forming temperature is in the range of 510 to 566°C (950 to 1050°F).

5. A method according to claim 1, wherein the dimensions of the mold with the final dimensions are uniformly larger than those of the first forming means by a fixed factor between 2 and 10%.

6. The method of claim 1, wherein the first shaping means has a male shape.

7. The method of claim 1, wherein the quenching medium is a liquid.

8. The method of claim 7, wherein the liquid is selected from the group consisting of water and glycol.

9. The method of claim 1, wherein the workpiece formed by the first forming means is smaller in dimension by a fixed percentage than the workpiece after the application of the high pressure.

10. The method of claim 9, wherein the percentage is in the range of 2 to 10%.

11. The method of claim 1, wherein the specified or specific aging period is between 8 and 24 hours.

12. The method of claim 1, wherein the workpiece is aged at a specific temperature at atmospheric pressure.

13. The method of claim 1, wherein the workpiece is aged at the specified temperature for at least a portion of the specified period in the autoclave device means.

14. A process or method for improving the physical properties of an aluminium-lithium alloy workpiece, the method comprising the steps of:

Securing a nearly finished workpiece made of an aluminum-lithium alloy;

Heating the workpiece to its superplastic temperature;

Solution heat treating the heated workpiece by immersion in a quenching medium;

Sealing the quenched workpiece to a mold having the final dimensions;

Placing the sealed workpiece and the mold in an autoclave device,

Heating the autoclave apparatus to an elevated temperature in the range of 163 to 191 ºC (325 to 375 ºF)

Applying high pressure to the workpiece and the mold;

Allow the workpiece to age at the elevated temperature for a certain period.

15. The method of claim 14, wherein the aluminum-lithium alloy contains alloying elements of other metals.

16. The method of claim 15, wherein the other metals come from the group consisting of copper and magnesium.

17. The process of claim 14 wherein the superplastic forming temperature is in the range of 510 to 566°C (950 to 1050°F).

18. A method according to claim 14, wherein the dimensions of the mold having the final dimensions are uniformly larger than those of the first forming means, by a fixed factor between 2 and 10%.

19. The method of claim 14, wherein the quenching medium is a liquid.

20. The method of claim 19, wherein the liquid is selected from the group consisting of water and glycol.

21. The method of claim 14, wherein the specific or determined aging period is between 8 and 24 hours.

22. The method of claim 14, wherein the workpiece is aged at the specified temperature at atmospheric pressure.

23. The method of claim 14, wherein the workpiece is aged at the specified temperature for at least a portion of the specified period in the autoclave device means.