DE69212602T2

DE69212602T2 - Hochfeste al-ci-legierung mit niedriger dichte

Info

Publication number: DE69212602T2
Application number: DE69212602T
Authority: DE
Inventors: Alex Cho; Joseph Robert Pickens
Original assignee: Martin Marietta Corp; Reynolds Metals Co
Current assignee: Lockheed Martin Corp; Constellium Rolled Products Ravenswood LLC
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-05-15
Also published as: US5198045A; ES2093837T3; KR100245632B1; EP0584271A1; JP3314783B2; JPH06508401A; TW206986B; WO1992020830A1; EP0584271A4; RU2109835C1; DE69212602D1; EP0584271B1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Aluminium-Lithium- Legierung und spezieller eine Aluminium-Lithium-Legierung, die Kupfer, Magnesium und Silber enthält und als Legierung mit geringer Dichte mit verbesserter Bruchzähigkeit gekennzeichnet ißt, die für Luftfahrt- und Raumfahrtanwendungen geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

In der Luftfahrtindustrie ist allgemein erkannt worden, daß einer der wirksamsten Wege, das Gewicht eines Flugzeuges zu verringern, darin besteht, die Dichte von bei der Flugzeugkonstruktion verwendeten Aluminium-Legierungen zu verringern. Für Zwecke der Verringerung der Legierungsdichte sind Lithium-Zusätze eingebracht worden. Jedoch ist der Zusatz von Lithium zu Aluminium-Legierungen nicht ohne Probleme. Beispielsweise hat der Zusatz von Lithium zu Aluminium- Legierungen häufig eine Verringerung der Duktilität und der Bruchzähigkeit zur Folge. Wenn die Verwendung in Flugzeugteilen stattfindet, ist es absolut notwendig, daß die Lithium-haltige Legierung eine verbesserte Duktilität, Bruchzähigkeit und verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist.
Zum Beispiel beschreibt die WO-A-9111540 Legierungen auf Aluminium-Basis, die Cu, Li, Zn, Mg und Ag enthalten, welche hoch wünschenswerte Eigenschaften, wie geringe Dichte, Hochmodulus-Hochfestigkeit/Duktilität-Kombinationen, eine starke natürliche Alterungsantwort mit und ohne vorhergehendem Kaltformen und eine hohe künstlich gealterte Festigkeit mit und ohne vorhergehendes Kaltformen aufweisen.
Die Legierungen auf Aluminium-Basis der WO91/11540 umfassen ungefähr 1 bis ungefähr 7 Gewichtsprozent Cu, ungefähr 0,1 bis ungefähr 4 Gewichtsprozent Li, ungefähr 0,01 bis ungefähr 4 Gewichtsprozent Zn, ungefähr 0,05 bis ungefähr 3 Gewichtsprozent Mg und ungefähr 0,01 bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Ag.
Bezüglich der herkömmlichen Legierungen scheinen sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Bruchzähigkeit ziemlich schwierig zu erhalten zu sein, wenn man es im Lichte der üblichen Legierungen, wie beispielsweise AA (Aluminium Association) 2024-T3X und 7050-T7X, betrachtet, die normalerweise bei Luftfahrzeug-Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise wurde bei AA 2024-Folien gefunden, daß die Zähigkeit abnimmt, wenn die Festigkeit zunimmt. Es wurde auch gefunden, daß das gleiche für AA 7050-Tafeln gilt. Wünschenswertere Legierungen würden eine gesteigerte Festigkeit mit nur minimaler oder keiner Abnahme der Zähigkeit gestatten oder würden Verarbeitungsschritte gestatten, bei denen die Zähigkeit kontrolliert würde, wenn die Festigkeit ansteigen würde, um eine wünschenswertere Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bereitzustellen. Zusätzlich würde in wünschenswerteren Legierungen eine Kombination von Festigkeit und Zähigkeit in einer Aluminium-Lithium-Legierung erhältlich sein, die Dichteverringerungen in der Größenordnung von 5 bis 15% aufweist. Derartige Legierungen würden eine weitverbreitete Verwendung in der Luftfahrtindustrie finden, wo niedriges Gewicht und hohe Festigkeit und Zähigkeit sich in hohe Treibstoffeinsparungen umsetzen. Demgemäß ist ersichtlich, daß der Erhalt von Qualitäten wie hohe Festigkeit bei wenig oder keinem Opfer bezüglich Zähigkeit, oder wo die Zähigkeit gesteuert werden kann, wenn die Festigkeit zunimmt, ein bemerkenswert einzigartiges Aluminium-Lithium- Legierungsprodukt bereitstellt.
Es ist bekannt, daß der Zusatz von Lithium zu Aluminium- Legierungen deren Dichte verringert und deren Elastizitätsmoduli steigert, was signifikante Verbesserungen bei den spezifischen steifigkeiten erzeugt. Weiter hat die rasche Zunahme in der Festkörperlöslichkeit von Lithium in Aluminium über den Temperaturbereich von 0º bis 500ºC ein Legierungssystem zur Folge, das für ein Präzipitationshärten zugänglich ist, um Festigkeitsniveaus zu erreichen, die mit einigen der vorhandenen kommerziell hergestellten Aluminium- Legierungen vergleichbar sind. Jedoch sind die nachweisbaren Vorteile der Lithium-haltigen Aluminium-Legierungen durch andere Nachteile, wie begrenzte Bruchzähigkeit und Duktilität, Delaminationsprobleme und schlechte Belastungskorrosions Rißfestigkeit, aufgehoben worden.
Demgemäß haben lediglich vier Lithium-haltige Legierüngen auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt Verwendung erreicht. Bei diesen handelt es sich um die beiden amerikanischen Legierungen AAX2020 und AA2090, eine britische Legierung AA8090 und eine russische Legierung AA01420.
Eine amerikanische Legierung, AAX2020, mit einer nominalen Zusammensetzung von Al-4,5Cu-1,1Li-0,5Mn-0,2Cd (alle Zahlen, die sich auf eine Zusammensetzung beziehen, sind hier und nachstehend in Gew.-%) wurde 1957 registriert. Die Verringerung der Dichte, die mit der 1,1%-igen Lithium-Zusatz zu AAX2020 einherging, betrug 3%, und obwohl die Legierung sehr hohe Festigkeiten entwickelte, besaß sie auch sehr geringe Grade an Bruchzähigkeit, was ihre wirksame Verwendung bei hohen Beanspruchungen sehr unratsam machte. Weiter wurden während Formungsverfahren auch mit der Duktilität in Beziehung stehende Probleme entdeckt. Schließlich wurde diese Legierung formal zurückgezogen.
Eine andere amerikanische Legierung, AA2090, mit einer Zusammensetzung von Al-2,4 bis 3,0 Cu-1,9 bis 2,6 Li-0,08 bis 0,15 Zr wurde bei der Aluminum Association 1984 registriert. Obwohl diese Legierung hohe Festigkeiten entwickelte, besaß sie ebenfalls eine schlechte Bruchzähigkeit und eine schlechte kurze transversale Duktilität, die mit Delaminationsproblemen einherging, und sie findet keine kommerzielle Anwendung in breitem Bereich. Diese Legierung wurde entworfen, um AA7075-T6 mit Gewichtseinsparungen und höherem Modulus zu ersetzen. Jedoch ist die kommerzielle Implementierung begrenzt.
Eine britische Legierung, AA8090, mit einer Zusammensetzung von Al-1,0 bis 1,6 Cu-0,6 bis 1,3 Mg-2,2 bis 2,7 Li-0,04 bis 0,16 Zr wurde 1988 bei der Aluminum Association registriert. Die Verringerung der Dichte, die mit 2,2 bis 2,7 Gew.-% Li einherging, war signifikant. Jedoch verhinderten ihre begrenzten Festigkeitsfähigkeiten bei schlechter Bruchzähigkeit und schlechter Belastungskorrosions- Rißbeständigkeit, daß AA8090 eine in breitem Umfang angenommene Legierung für Raumfahrt- und Luftfahrtanwendungen wurde.
Eine russische Legierung, AA01420, die Al-4 bis 7 Mg-1,5 bis 2,6 Li-0,2 bis 1,0 Mn-0,05 bis 0,3 Zr enthält (wobei entweder Mn und/oder Zr anwesend sind), wurde im UK-Patent Nr. 1,172,736 von Fridlyander et al. beschrieben. Die russische Legierung AA01420 besitzt spezifische Moduli, die besser sind als diejenigen herkömmlicher Legierungen, aber ihre spezifischen Festigkeitsgrade sind nur mit der üblicherweise verwendeten 2000-Serie von Aluminium-Legierungen vergleichbar, so daß Gewichtseinsparungen nur bei Anwendungen mit kritischer Steifigkeit erreicht werden können.
Die Legierung AAX2094 und die Legierung AAX2095 wurden 1990 bei der Aluminum Association registriert. Diese beiden Aluminium-Legierungen enthalten Lithium. Die Legierung AAX2094 ist eine Aluminium-Legierung, die 4,4-5,2 Cu, 0,01 max. Mn, 0,25-0,6 Mg, 0,25 max. Zn, 0,04-0,18 Zr, 0,25-0,6 Ag und 0,08- 1,5 Li enthält. Diese Legierung enthält auch 0,12 max. Si, 0,15 max. Fe, 0,01 max. Ti und kleinere Mengen an anderen Verunreinigungen. Die Legierung AAX2095 enthält 3,9-4,6 Cu, 0,10 max. Mn, 0,25-0,6 Mg, 0,25 max. Zn, 0,04-0,18 Zr, 0,25- 0,6 Ag und 1,0-1,6 Li. Diese Legierung enthält auch 0,12 max. Si, 0,15 max. Fe, 0,10 max. Ti und kleinere Mengen an anderen Verunreinigungen.
Es ist auch aus der PCT-Anmeldung W089/01531, veröffentlicht am 23. Februar 1989, von Pickens et al., bekannt, daß gewisse Aluminium-Kupfer-Lithium-Magnesium-Silber-Legierungen eine hohe Festigkeit, eine hohe Duktilität, eine geringe Dichte, eine gute Schweißbarkeit und eine gute natürliche Alterungsantwort besitzen. In der breitesten Offenbarung wird angegeben, daß diese Legierungen im wesentlichen aus 2,0 bis 9,8 Gewichtsprozent eines Legierungselements bestehen, bei dem es sich um Kupfer, Magnesium oder Mischungen derselben handeln kann, wobei das Magnesium zu mindestens 0,01 Gewichtsprozent vorliegt, mit ungefähr 0,01 bis 2,0 Gewichtsprozent Silber, 0,05 bis 4,1 Gewichtsprozent Lithium, weniger als 1, Gewichtsprozent eines kornverfeinernden Additivs, bei dem es sich um Zirkonium, Chrom, Mangan, Titan, Bor, Hafnium, Vanadium, Titandiborid oder Mischungen derselben handeln kann. Ein Übersichtsartikel der speziellen Legierungen, die in dieser PCT-Anmeldung offenbart sind, identifiziert jedoch drei Legierungen, speziell Legierung 049, Legierung 050 und Legierung 051. Legierung 049 ist eine Aluminium-Legierung, die in Gewichtsprozent 6,2 Cu, 0,37 Mg, 0,39 Ag, 1,21 Li und 0,17 Zr enthält. Die Legierung 050 enthält keinerlei Kupfer; vielmehr enthält die Legierung 050 große Mengen an Magnesium, im Bereich von 5,0 Prozent. Die Legierung 051 enthält in Gewichtsprozent 6,51 Kupfer und sehr geringe Mengen an Magnesium, im Bereich von 0,40. Diese Anmeldung offenbart auch andere Legierungen, die als die Legierungen 058, 059, 060, 061, 062, 063, 064, 065, 066 und 067 identifiziert sind. In allen diesen Legierungen ist der Kupfergehalt entweder sehr hoch, d.h. oberhalb von 5,4, oder sehr gering, d.h. weniger als 0,3. Auch die Tabelle XX zeigt verschiedene Legierungs- Zusammensetzungen; jedoch sind für diese Zusammensetzungen keine Eigenschaften angegeben. Die PCT-Anmeldung Nr. W090/02211, veröffentlicht am 8. März 1990, offenbart ähnliche Legierungen, außer daß diese kein Ag enthalten.
Es ist auch bekannt, daß der Einschluß von Magnesium zusammen mit Lithium in einer Aluminium-Legierung der Legierung eine hohe Festigkeit und niedrige Dichte verleihen kann, aber diese Elemente sind selbst nicht hinreichend, um ohne sekundäre Elemente eine hohe Festigkeit zu schaffen. Sekundäre Elemente, wie Kupfer und Zink, sorgen für eine verbesserte Präzipitatioshärtungs-Antwort; Zirkonium sorgt für eine Korngrößensteuerung, und Elemente wie Silicium und übergangsmetallelemente sorgen für eine thermische Stabilität bei Zwischentemperaturen bis zu 200ºC. Jedoch war die Kombination dieser Elemente wegen der reaktiven Natur in flüssigem Aluminium, die die Bildung von groben, komplexen intermetallischen Phasen während des üblichen Gießens fördert, in Aluminium-Legierungen schwierig.
Deshalb wurden beträchtliche Anstrengungen auf die Herstellung von Legierungen mit niedriger Dichte auf Aluminium-Basis gerichtet, die zu strukturellen Komponenten für die Luftfahrtund Raumfahrt-Industrien geformt werden können. Es wird angenommen, daß die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Legierungen diesen Bedarf des Standes der Technik erfüllen.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Aluminium-Lithium- Legierung mit speziellen Eigenschaften, die gegenüber früheren bekannten Legierungen verbessert sind. Die Legierungen dieser Erfindung, die erfindungsgemäß die genauen Mengen der hierin beschriebenen Legierungskomponenten in Kombination mit dem atomaren Verhältnis der Lithium- und Kupfer-Komponenten und -Dichten aufweisen, stellen eine ausgewählte Gruppe von Legierungen dar, die herausragende und verbesserte Eigenschaften für die Verwendung in der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie bereitstellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierung mit geringer Dichte und hoher Festigkeit auf Aluminium-Basis bereitzustellen, die Lithium, Kupfer und Magnesium enthält.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Legierung auf Aluminium-Basis mit geringer Dichte, hoher Festigkeit, hoher Bruchzähigkeit bereitzustellen, die kritische Mengen an Lithium, Magnesium, Silber und Kupfer enthält.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Legierungen und ihrer Verwendung in Luftfahrt- und Raumfahrt-Komponenten bereitzustellen.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung offenkundig.
Zur Erfüllung der vorangehenden Ziele und Vorteile wird durch die vorliegende Erfindung eine Legierung auf Aluminium-Basis bereitgestellt, die im wesentlichen aus der folgenden Formel besteht:
CuaLibMgcAgdZreAlbal
worin a, b, c, d, e und bal die Mengen in Gewichtsprozent jeder Legierungskomponente angeben, die in der Legierung anwesend ist, und in der die Buchstaben a, b, c, d und e die angegebenen Werte aufweisen und die folgenden speziellen Bedingungen erfüllen:
2,4 < a < 3,5
1,35 < b < 1,8
6,5 < a - 2,5 b < 7,5
2 b - 0,8 < a < 3,75 b - 1,9
0,25 < c < 0,65
0,25 < d < 0,65
0,08 < e < 0,25
mit bis zu 0,25 Gew.-% jeder der Verunreinigungen wie Si, Fe und Zn und bis zu einem maximalen Gesamtgehalt von 0,5 Gew.-%. Vorzugsweise ist keine andere Verunreinigung als Si, Fe und Zn in einer Menge von mehr als 0,05 Gewichts-% anwesend, wobei der Gesamtgehalt derartiger anderer Verunreinigungen vorzugsweise weniger als 0,15 Gew.-% beträgt. Die Legierungen sind auch durch ein Li:Cu-Atomverhältnis von 3,58 bis 6,58 und einen Dichtebereich von 2,6019 bis 2,6711 g/cm³ (0,0940 bis 0,0965 lbs/in³), vorzugsweise von 2,61575 bis 2,65727 g/cm³ (0,0945 bis 0,0960 lbs/in³), gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung von Produkten unter Verwendung der Legierung der Erfindung bereit, das umfaßt:
a) das Gießen von Blöcken oder Ingots der Legierung;
b) das Freisetzen von Spannung in den Blöcken oder Ingots durch Erwärmen bei einer Temperatur von ungefähr 315 bis 427ºC (600º bis 800ºF);
c) das Homogenisieren der Kornstruktur durch Erwärmen der Blöcke oder Ingots und Abkühlen;
d) das Erwärmen bis zu ungefähr 538ºC (1000ºF) mit einer Geschwindigkeit von 278ºC/Stunde (50ºF/Stunde);
e) das Durchwärmen bei einer erhöhten Temperatur;
f) das Kühlen bei Raumtemperatur mit einem Windfächer [Lüfter, Ventilator, Gebläse, Verdichter; "fan"]; und
g) das Verarbeiten, um ein durch Warmverformung bearbeitetes Produkt herzustellen.
Durch die vorliegende Erfindung werden auch Luftfahrzeug- und Raumfahrt-Strukturkomponenten bereitgestellt, die die Legierungen der Erfindung enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nun wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, die die Erfindung erläutern, worin:
Figur 1 eine graphische Darstellung ist, die, auf der Grundlage der Beziehung zwischen den Kupfer- und Lithiumgehalten, den Gesamtgehalt an gelösten Stoffen von Legierungen zeigt, der innerhalb den Bereich der vorliegenden Erfindung fällt, und von Legierungen, die nicht innerhalb den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen;
Figur 2 ist eine graphische Darstellung, die den in Figur 1 dargestellten Kupfergehalt der Legierungen mit ihrem Lithium-Kupfer-Atomverhältnis vergleicht;
Figur 3 vergleicht die Zähigkeit unter Flächendehnung und Festigkeit der in Figur 1 dargestellten Legierungen;
Figur 4 erläutert die transmissionselektronenmikrographische Überprüfung der Legierungen der Erfindung und stellt die Dichte von δ'-Präzipitaten und T&sub1;-Präzipitaten dar; und
Figur 5 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich der Festigkeit und Zähigkeit von Aluminium-Legierungen der Erfindung mit Legierungen des Standes der Technik zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ziel dieser Erfindung ist es, eine Al-Li-Legierung mit niedriger Dichte bereitzustellen, die die vereinigten Eigenschaften von hoher Festigkeit und hoher Bruchzähigkeit bereitstellt, welche bei Gewichtseinsparungen und höheren Moduli gleich oder besser ist als Legierungen des Standes der Technik. Die vorliegende Erfindung erfüllt den Bedarf für eine Legierung mit niedriger Dichte und hoher Festigkeit mit annehmbaren mechanischen Eigenschaften, einschließlich den kombinierten Eigenschaften von Festigkeit und Zähigkeit, die gleich oder besser als Legierungen des Standes der Technik ist.
Da die Kosten von Al-Li-Legierungen drei- bis fünfmal höher sind als diejenigen von herkömmlichen Legierungen, sind Gegenstände mit günstigem Bezug-zu-Flug-Verhältnis, wie Tafel- oder Folien-Produkte dünner Stärke, die primären Zielbereiche für eine kommerzielle Implementierung derartiger Al-Li- Legierungen. Deshalb ist bei der Entwicklung einer neuen Legierung mit niedriger Dichte für Hochfestigkeits- Hochzähigkeits-Anwendungen eine spezielle Betonung auf die Flächenbeanspruchungs-Bruchzähigkeit gelegt worden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Legierung auf Aluminium- Basis mit geringer Dichte bereit, die Kupfer, Lithium, Magnesium, Silber und ein oder mehrere Kornverfeinerungselemente als wesentliche Komponenten enthält. Die Legierung kann auch zufällige Verunreinigungen, wie Silicium, Eisen und Zink, enthalten. Geeignete Kornverfeinerungselemente schließen eines oder eine Kombination der folgenden ein: Zirkonium, Titan, Mangan, Hafnium, Scandium und Chrom. Die Legierung mit geringer Dichte auf Aluminium-Basis der Erfindung besteht im wesentlichen aus der Formel:
CuaLibMgcAgdZreAlbal
worin a, b, c, d, e die Menge jeder Legierungskomponente im Gewichtsverhältnis anzeigt und bal den Ausgleich anzeigt, bei dem es sich Aluminium handeln muß, wobei dieser Verunreinigungen und/oder andere Komponenten, wie Kornverfeinerungselemente, einschließen kann.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Legierung, in der die Buchstaben a, b, c, d und e die angegebenen Werte aufweisen und die folgenden angegebenen Beziehungen erfüllen:
2,4 < a < 3,5
1,35 < b < 1,8
6,5 < a - 2,5 b < 7,5
2 b - 0,8 < a < 3,75 b - 1,9
0,25 < c < 0,65
0,25 < d < 0,65
0,08 < e < 0,25
mit bis zu 0,25 Gew.-% jeder der Verunreinigungen wie Si und Fe und bis zu einem insgesamten Maximum von 0,5 Gew.-%. Eine noch bevorzugtere Zusammensetzung weist einen Wert von e zwischen 0,08 und 0,16 auf. Andere Kornverfeinerungselemente können zusätzlich zu Zirkonium zugesetzt werden. Der Zweck der Zugabe von Kornverfeinerungselementen ist es, während der Gießens Korngrößen zu steuern oder eine Umkristallisation während der Wärmebehandlung zu steuern, auf welche eine mechanischen Verarbeitung folgt. Die maximale Menge eines Kornverfeinerungselements kann bis zu 0,5 Gew.-% betragen, und die maximale Menge einer Kombination von Kornverfeinerungselementen kann bis zu 1,0 Gew.-% betragen.
Bei der bevorzugtesten Zusammensetzung handelt es sich um die folgende Legierung:
CuaLibMgcAgdZreAlbal
worin a 3,05 ist, b 1,6 ist, c 0,33 ist, d 0,39 ist, e 0,15 ist und bal angibt, daß Al und zufällige Verunreinigungen den Rest der Legierung ausmachen. Diese Legierung weist eine Dichte von 2,63512 g/cm³ (0,0952 lbs/in³) auf.
Wenn man das Legierungsprodukt mit kontrollierten Mengen der oben beschriebenen Legierungselemente bereitstellt, wird es bevorzugt, daß die Legierung gemäß speziellen Verfahrensschritten hergestellt wird, um für die wünschenswertesten Eigenschaften sowohl von Festigkeit als auch von Bruchzähigkeit zu sorgen. Demgemäß kann die hierin beschriebene Legierung als Ingot oder Block zur Verarbeitung zu einem geeigneten wärmeverformten Produkt durch Gießtechniken bereitgestellt werden, welche auf dem Gebiet für gegossene Produkte derzeit verwendet werden. Es sollte bemerkt werden, daß die Legierung auch in Blockform, die aus feinem teilchenförmigem Stoff, wie beispielsweise pulverförmiger Aluminium-Legierung, konsolidiert worden ist, die Zusammensetzungen in den vorstehend angeführten Bereichen aufweist. Das Pulver oder teilchenförmige Material kann durch Verfahren wie Zerstäubung, mechanisches Legieren und Schmelzspinnen erzeugt werden. Der Ingot oder Block kann vorläufig verarbeitet oder geformt werden, um einen geeigneten Vorrat für anschließende Verarbeitungsvorgänge bereitzustellen. Vor dem Haupt-Verarbeitungsvorgang wird der Aluminiumvorrat vorzugsweise einer Homogenisierung unterzogen, um die innere Struktur der Metalle zu homogenisieren. Die Homogenisierungs-temperatur kann im Bereich von 343 - 499ºC (650º - 930ºF) liegen. Eine bevorzugte Zeitspanne beträgt ungefähr 8 Stunden oder mehr im Homogenisierungstemperaturbereich.
Normalerweise muß sich die Erwärmungs- und Homogenisierungsbehandlung über nicht mehr als 40 Stunden erstrecken; jedoch sind längere Zeiten normalerweise schädlich. Eine Zeit von 20 bis 40 Stunden bei der Homogenisierungs-temperatur ist als ziemlich geeignet befunden worden. Zusätzlich zum Lösen von Bestandteilen zur Förderung der Verarbeitbarkeit ist diese Homogenisierungsbehandlung insofern wichtig, als man glaubt, Dispersoide zu präzipitieren, die dazu beitragen, die Endkornstruktur zu steuern.
Nach der Homogenisierungsbehandlung kann das Metall gewalzt oder extrudiert oder auf andere Art und Weise Verarbeitungsvorgängen unterzogen werden, um ein Material wie eine Folie, Tafel oder Extrusionsprodukte oder ein anderes Material herzustellen, das für die Formung zum Endprodukt geeignet ist.
Das heißt, nachdem der Ingot oder Block homogenisiert worden ist, kann er warmgeformt oder der warmgewalzt werden. Das Warmwalzen kann bei einer Temperatur im Bereich von 260ºC bis 510ºC (5000 bis 950ºF) mit einer typischen Temperatur, die im Bereich von 315 bis 482ºC (6000 bis 900ºF) liegt, durchgeführt werden. Das Warmwalzen kann die Dicke eines Ingots auf ein Viertel von dessen Originaldicke oder auf dessen Endmaß verringern, abhängig vom Vermögen der Walzenvorrichtung. Kaltwalzen kann verwendet werden, um für eine weitere Verringerung der Stärke zu sorgen.
Das gewalzte Material wird vorzugsweise lösungswärmebehandelt, typischerweise bei einer Temperatur im Bereich von 515 bis 560ºC (9600 bis 1040ºF) über eine Zeitspanne im Bereich von 0,25 bis 5 Stunden. Um weiter für die gewünschte Festigkeit und Bruchzähigkeit zu sorgen, die für das Endprodukt und die Verfahrensweisen beim Formen des Produktes notwendig sind, sollte das Produkt rasch gekühlt oder mit einem Windfächer [Lüfter etc.] abgekühlt werden, um eine unkontrollierte Präzipitation der festigkeitsfördernden Phasen zu verhindern oder minimieren. Demgemäß wird es bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die Abschreckgeschwindigkeit mindestens 55ºC (100ºF) pro Sekunde von Lösungstemperatur zu einer Temperatur von ungefähr 93ºC (200ºF) oder niedriger ist. Eine bevorzugte Abschreckgeschwindigkeit beträgt mindestens 110ºC (200ºF) pro Sekunde von der Temperatur von 504ºC (940ºF) oder mehr zu der Temperatur von ungefähr 93ºC (200ºF). Nachdem das Metall eine Temperatur von ungefähr 93ºC (200ºF) erreicht hat, kann es dann luftgekühlt werden. Wenn die Legierung der Erfindung beispielsweise ein Brammenguß oder Walzenguß ist, kann es möglich sein, einige oder alle der oben aufgeführten Schritte wegzulassen, und dies wird mit dem Bereich der Erfindung in Betracht gezogen.
Nach Lösungswärmebehandlung und Abschrecken, wie erwähnt, werden die verbesserten Folien, Tafeln oder das Extrusionsprodukt oder andere wärmeverarbeitete Produkte künstlich gealtert, um die Festigkeit zu verbessern, wobei in diesem Fall die Bruchzähigkeit beträchtlich abfallen kann. Um den Verlust bei der Bruchzähigkeit, die mit der Verbesserung der Festigkeit einhergeht, zu minimieren, können die lösungswärmebehandelten und abgeschreckten Legierungsprodukte, insbesondere Folien, Tafeln oder Extrusionsprodukte, gedehnt werden, vorzugsweise bei Raumtemperatur.
Nachdem das Legierungsprodukt der vorliegenden Erfindung verarbeitet worden ist, kann es künstlich gealtert werden, um die Kombination von Bruchzähigkeit und Festigkeit herzustellen, welche in Luftfahrtelementen so hoch erwünscht sind. Dies kann bewerkstelligt werden, indem man die Folie oder Tafel oder das geformte Produkt einer Temperatur im Bereich von 65 bis 204ºC (150º bis 400ºF) über eine ausreichende Zeitspanne unterzieht, um weiter die praktische Fließgrenze zu steigern. Vorzugsweise wird eine künstliche Alterung durch Einwirkung einer Temperatur im Bereich von 135 bis 190ºC (275º bis 375ºF) über einen Zeitraum von mindestens 30 Minuten auf das Legierungsprodukt bewerkstelligt. Ein geeignetes Alterungsverfahren zieht die Behandlung von ungefähr 8 bis 24 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 160ºC (320ºF) in Betracht. Weiter wird angemerkt, daß das Legierungsprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung irgendeiner der typischen Minderalterungsbehandlungen, die auf dem Gebiet wohlbekannt sind, einschließlich natürlichen Alterns, unterzogen werden kann. Während auf einzelne Alterungsschritte Bezug genommen worden ist, können mehrfache Alterungsschritte, wie beispielsweise zwei oder drei Alterungsschritte, in Betracht gezogen werden, um die Eigenschaften zu verbessern, wie beispielsweise um die Festigkeit zu steigern und/oder die Schärfe der Festigkeitsanisotrophie zu verringern.
Beispielsweise wurde bei der Aluminium-Legierung AAX2095 des Standes der Technik eine gewalzte Tafel von 3,81 cm (1,5") Maß durch ein neues Zweistufen-Alterungsverfahren verarbeitet, um das Maß der Festigkeitsanisotrophie zu ungefähr 121,60 kPa (8 ksi) oder zu ungefähr 40% zu verringern. Eine kurze Beschreibung des neuen Verfahrens folgt.
Eine auf eine Stärke von 3,81 cm (1,5") gewalzte Tafel wurde wärmebehandelt, abgeschreckt und um 6% gedehnt. Wenn ein übliches Einstufen-Alter bei 143ºC (290ºF) über 20 Stunden verwendet wurde, wurde die Höchst-Fließgrenze unter Zug von 1322,4 kPa (87 ksi) in der Längsrichtung bei T/2-Tafel-Stellen erhalten, während die geringste Fließgrenzen-Zugfestigkeit von 1018,4 kPa (67 ksi) in der 45 Grad-Richtung in Bezug auf die gerollte Richtung bei T/8-Tafel-Stellen erhalten wurde. Der Festigkeitsunterschied von 304 kPa (20 ksi) war die Folge der inhärenten Festigkeitsanisotrophie der Tafel. Wenn eine neue Mehrfachstufen-Alterungspraxis verwendet wurde, das heißt eine erste Stufe von 143ºC (290ºF) über 20 Stunden, ein Anstiegsalter [ramped age] von 143ºC (290ºF) bis 204ºC (400ºF) bei einer Erwärmungsrate von 27,8ºC (50ºF) pro Stunde, gefolgt von einem 5-minütigen Wärmebad bei 204ºC (400ºF), wurde eine Höchst-Fließgrenze unter Zugspannung von 87,4 in der Langsrichtung bei T/2-Tafel-Stellen erhalten, während in der 45 Grad-Richtung in bezug auf die gewalzte Richtung bei T/8- Tafel-Stellen eine Höchst-Fließgrenze unter Zugspannung von 75,5 ksi erhalten wurde. Der Festigkeitsunterschied zwischen den höchsten und niedrigsten gemessenen Festigkeitswerten betrug nur 182,4 kPa (12 ksi). Dieser Wert sollte mit dem Unterschied von 304 kPa (20 ksi) verglichen werden, der erhalten wurde, als die herkömmliche Einstufen-Praxis verwendet wurde. Solche Verbesserungen wurden auch bei der Verwendung anderer Zweistufen-Alterungsverfahren beobachtet, wie beispielsweise der gleichen wie oben erwähnten ersten Stufe und einer zweiten Stufe von 182ºC (360ºF) über 1 bis 2 Stunden.
Ähnliche Verbesserungen werden mit der derzeitig erfundenen Legierung durch Verwenden der neuen Zweistufen-Alterungspraxis erwartet.
Strecken oder ein diesem äquivalentes Verarbeiten kann vor oder selbst nach einem Teil derartiger vielfacher Alterungsstufen verwendet werden, um die Eigenschaften ebenfalls zu verbessern.
Die Aluminium-Lithium-Legierungen der vorliegenden Erfindung zeigen herausragende Eigenschaften für eine Legierung mit geringer Dichte und hoher Festigkeit. Insbesondere zeigen die Legierungs-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eine letztendliche Zugspannungsfestigkeit (UTS), die so hoch wie 1277 kPa (84 ksi) ist, bei einer letztendlichen Zugspannungsfestigkeit (UTS), die abhängig von der Behandlung im Bereich von 1048 - 1277 kPa (69 - 84 ksi) liegt, eine Fließzugfestigkeit (TYS) von so hoch wie 1186 kPa (78 ksi) und in einem Bereich von 942 - 1186 kPa (62 - 78 ksi) und eine Dehnung bis zu 11%. Diese Eigenschaften sind bei Tafel- Endstärkenprodukten sogar noch höher. Dies sind für eine Legierung geringer Dichte herausragende Eigenschaften und ermöglichen, daß die Legierung zu Strukturkomponenten für die Verwendung in Luftfahrt- und Raumfahrtanwendungen geformt werden kann. Es wurde insbesondere gefunden, daß die Kombination von und kritische Steuerung der Mengen an Kupfer-, Lithium-, Magnesium- und Silber-Legierungskomponenten und das Kupfer-Lithium-Atomverhältnis es ermöglichen, eine Legierung geringer Dichte mit einer ausgezeichneten Zugfestigkeit und Dehnung zu erhalten.
In einem bevorzugten Verfahren dieser Erfindung wird die Legierung in einer geschmolzenen Form formuliert und dann zu einem Block gegossen. Die Spannung wird dann in dem Block durch Erwärmen bei 315ºC bis 427ºC (600º bis 800ºF) über 6 bis Stunden freigesetzt. Der Block kann nach der Spannungsentlastung auf Raumtemperatur abgekühlt und dann homogenisiert werden, oder er kann aus der Spannungsentlastungstemperatur auf die Homogenisierungstemperatur erwärmt werden. In jedem Fall wird der Block mit einer Erwärmungsrate von ungefähr 27,8ºC (50ºF) pro Stunde auf eine Temperatur im Bereich von 515ºC bis 538ºC (960º bis 1000ºF) erwärmt, bei einer solchen Temperatur 4 bis 24 Stunden durchwärmt und luftgekühlt. Danach wird der Block durch übliche mechanische Verformungstechniken, wie Walzen, Extrusion oder dergleichen, in einen geeigneten Gegenstand umgewandelt. Der Block kann einem Warmwalzen unterzogen werden und wird vorzugsweise ungefähr auf 482ºC bis 538ºC (900º bis 1000ºF) erwärmt, so daß das Warmwalzen bei ungefähr 482ºC (900ºF) begonnen werden kann. Die Temperatur wird während des Warmwalzens zwischen 482ºC und 371ºC (900º und 700ºF) aufrechterhalten. Nachdem der Block gewalzt worden ist, um ein dickes Tafelprodukt (Dicke von mindestens 3,81 cm (1,5 Inches)) zu bilden, wird das Produkt im allgemeinen lösungswärmebehandelt. Eine Wärmebehandlung kann Durchwärmen bei 538ºC (1000ºF) über eine Stunde, gefolgt von einem Abschrecken in kaltem Wasser, einschließen. Nachdem das Produkt behandelt worden ist, wird das Produkt im allgemeinen 5 bis 6% gestreckt. Das Produkt kann dann weiter durch Altern unter verschiedenen Bedingungen, aber vorzugsweise bei 160ºC (320ºF) über 8 Stunden für Unteralterungsbedingungen oder über 16 bis 24 Stunden für Spitzen-Festigkeitsbedingungen behandelt werden.
In einer Abwandlung des vorangehenden wird das Produkt, die dicke Tafel, auf eine Temperatur zwischen ungefähr 482ºC und 538ºC (900º und 1000ºF) wiedererwärmt und dann zu einem dünnen Tafelstärken-Produkt (Stärke weniger als 3,81 cm (1,5 Inches)) gewalzt. Die Temperatur wird beim Walzen zwischen ungefähr 482ºC und 315ºC (900º und 600ºF) beibehalten. Das Produkt wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, gestreckt und auf ähnliche Weise gealtert wie bei dem dicken Tafelprodukt.
In noch einer anderen Abwandlung wird das dicke Tafelprodukt warmgewalzt, um eine dünne Tafel mit einer Dicke von ungefähr 0,3174 cm (0,125 Inch) herzustellen. Dieses Produkt wird bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 315ºC bis 371ºC (600º bis 700ºF) über ungefähr 2 Stunden bis 8 Stunden getempert. Die getemperte Tafel wird auf Umgebung abgekühlt und dann auf ein Endfolien-Maß kaltgerollt. Dieses Produkt wird dann wie die dicken Tafelprodukte und dünnen Tafelprodukte wärmebehandelt, gedehnt und gealtert.
Bei gewissen Ausführungsformen der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung schließt das bevorzugte Verarbeiten zu dünnen Maß-Produkten (sowohl Folien als auch Tafeln) vor einer Lösungswärmebehandlung das Tempern des Produktes bei einer Temperatur zwischen ungefähr 315&sup0;c und ungefähr 482ºC (600º und ungefähr 900ºF) über 2 bis 12 Stunden oder eine ansteigende Temperung ein, die das Produkt von ungfähr 315ºC bis zu ungefähr 482ºC (600º bis ungefähr 900ºF) bei einer gesteuerten Geschwindigkeit erwärt.
Das Altern wird durchgeführt, um die Festigkeit des Materials zu steigern, während dessen Bruchzähigkeit und andere Verarbeitungsfähigkeiten bei relativ hohen Niveaus beibehalten werden. Da gemäß dieser Erfindung eine hohe Festigkeit bevorzugt wird, wird das Produkt bei ungefähr 160ºC (320ºF) 16 - 24 Stunden gealtert, um eine maximale Festigkeit zu erreichen. Bei höheren Temperaturen wird weniger Zeit benötigt, um die gewünschten Festigkeitsgrade zu erreichen, als bei niedrigeren Alterungstemperaturen.
Die folgenden Beispiele werden gegeben, um die Erfindung zu erläutern, aber die Erfindung wird nicht als darauf beschränkt angesehen.
Die folgenden Legierungen der Tabelle 1 wurden gemäß der Erfindung hergestellt: TABELLE I Chemische Zusammensetzungen von Legierungen

Bemerkung:

1. Chemieanalysen von Tafeln mit einem Maß von 1,905 cm (0,75") wurden mittels ICP(induktiv gekoppeltes Plasma)Technik durchgeführt.
2. Alle Zusammensetzungen sind in Gewichts-%.

1. Legierungsauswahl:

Die Zusammensetzungen der Legierungen, wie sie in Tabelle I gezeigt sind, wurden auf der Grundlage der folgenden überlegungen ausgewählt:

a. Dichte

Der Ziel-Dichtenbereich liegt zwischen 2,6019 und 2,6573 g/cm³ (0,094 und 0,096 Pfund pro Kubikinch). Die berechneten Werte der Dichte der Legierungen sind 2,6047, 2,6241, 2,6351, 2,6296, 2,6517 bzw. 2,6656 g/cm³ (0,0941, 0,0948, 0,0950, 0,0952, 0,0958 und 0,0963 Pfund pro Kubikinch). Es wird angemerkt, daß die Dichte der drei Legierungen B, C und D ungefähr 2,6351 g/cm³ (0,095 Pfund pro Kubikinch) beträgt, so daß die Wirkung von anderen Variablen überprüft werden kann. In dieser Arbeit wurde die Dichte der sechs Legierungen durch Variieren des Li:Cu-Verhältnisses oder des Gesamtgehalts an Cu und Li in dieser Arbeit gesteuert, während Mg-, Ag- und Zr- Gehalte nominal 0,4 Gew.-%, 0,4 Gew.-% bzw. 0,14 Gew.-% betrugen.

b. Li:Cu-Verhältnis

Für ein Legierungssystem auf Al-Cu-Li-Basis sind die δ'-Phase und T&sub1;-Phase die prädominanten Festigkeit verleihenden Präzipitate. Jedoch neigen die δ'-Präzipitate zum Abscheren durch Versetzungen und führen zu Flächengleit- und Spannungslokalisations-Verhalten, was die Bruchzähigkeit nachteilig beeinflußt. Da das Li:Cu-Verhältnis die vorherrschende Variable ist, die die Präzipitationsverteilung zwischen δ'- und T&sub1;-Phasen steuert, wurden die sechs Legierungszusammensetzungen mit Li:Cu-Atomverhältnissen im Bereich von 3,58 bis 6,58 ausgewählt. Deshalb können die Bruchzähigkeit und das Li:Cu-Verhältnis korreliert werden, und ein kritisches Li:Cu-Verhältnis kann für annehmbare Brucheigenschaften angegeben werden

c. Gesamtgehalt an gelösten Stoffen

Wie in Figur 1 gezeigt, wurden alle sechs Legierungszusammensetzungen so ausgewählt, daß sie unterhalb der geschätzten Löslichkeitsgrenzen-Kurve bei Nicht- Gleichgewichts-Schmelztemperaturen liegen, um bei dem gegebenen Li:Cu-Verhältnis eine gute Bruchzähigkeit sicherzustellen. Bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis verringert sich die Festigkeit, wenn der Gesamtgehalt an gelösten Stoffen abnimmt. Um die Festigkeitsabnahme auf Grund eines niedrigen Gesamtgehalts an gelösten Stoffen bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis auszuwerten, wurde die Legierung D zum Vergleich mit der Legierung B bezüglich Festigkeit und Zähigkeit ausgewählt.

2. Gießen und Homogenisieren

Die sechs Zusammensetzungen wurden als direkt gekühlte (DC) runde Barren mit einem Durchmesser von 9" (22,86 cm) gegossen. Die Barren wurden 8 Stunden bei Temperaturen von 315ºC bis 427ºC (600º bis 800ºF) entspannt.
Die Barren wurden zersägt, und in einem Zweistufen-Verfahren homogenisiert:
1. Aufwärmen bis zu 504ºC (940ºF) bei 27,8ºC/Stunde (50ºF/Stunde)
2. 8-stündiges Durchwärmen bei 504ºC (940ºF)
3. Erwärmen auf 538ºC (1000ºF) bei 27,8ºC/Stunde (50ºF/Stunde) oder langsamer
4. 16-stündiges Durchwärmen bei 538ºC (1000ºF)
5. Kühlen mit Lüftung [Ventilation etc.] auf Raumtemperatur
6. Spanabheben der beiden Seiten der Barren in gleichen Mengen, um einen 15,24 cm (6") dicken Walzenstock zum Walzen zu bilden.
3. Warmwalzen
Die Barren mit zwei flachen Oberflächen wurden zu Tafeln und Folien warmgewalzt. Die Warmwalzen-Verfahren waren wie folgt:

Bei Tafeln

1. Vorerwärmen bei 510ºC (950ºF) und Durchwärmen über 3 bis 5 Stunden
2. Luftkühlung auf 482ºC (900ºF) vor Warmwalzen
3. Kreuzwalzen auf 10,16 cm (4") dicke Bleche
4. Geradewalzen auf Tafeln mit dem Maß 1,905 cm (0,75")
5. Luftkühlen auf Raumtemperatur

Bei Folien

1. Vorerwärmen bei 510ºC (950ºF) und Durchwärmen über 3 bis 5 Stunden
2. Luftkühlen auf 482ºC (900ºF) vor Warmwalzen
3. Kreuzwalzen auf ein Blech mit dem Maß 6,35 cm (2,5"), (40,64 cm (16") ergiebige Breite)
4. Wiedererwärmen auf 510ºC (950ºF)
5. Luftkühlen auf 482ºC (900ºF)
6. Geradewalzen auf 0,3175 cm (0,125")
7. Luftkühlen auf Raumtemperatur
Alle warmgewalzten Tafel- und Folienprodukte wurden wie folgt einer zusätzlichen Verarbeitung unterzogen:

4. Lösungswärmebehandlung

Tafeln

Alle Tafel-Produkte mit dem Maß 1,905 cm (0,75") wurden auf 60,96 cm (24") Längen zersägt und 1 Stunde bei 538ºC (1000ºF) wärmebehandelt und mit kaltem Wasser gequencht. Alle T3- und T8-Blech-Temperprodukte wurden innerhalb von 2 Stunden um 6% gestreckt.

Folie

Blech+Folien-Produkte mit einem Maß von 0,3175 cm (1/8") wurden von 315ºC bis 482ºC (600º bis 900ºF) mit einem Anstieg bei 27,8ºC/Stunde (50ºF/Stunde) getempert, gefolgt von Lösungswärmebehandlung über 1 Stunde bei 538ºC (1000ºF), und mit kaltem Wasser abgeschreckt. Jede T3- und T8-Temperfolie erhielt innerhalb von 2 Stunden eine 5%-ige Streckung.

5. Künstliches Altern

Tafel

Um die T8-Tempereigenschaften zu entwickeln, wurden T3- Temperplatten bei 160ºC (320ºF) über 12, 16 und/oder 32 Stunden gealtert.

Folie

T3-Folien-Temperproben wurden bei 160ºC (320ºF) 8 Stunden, 16 Stunden und 24 Stunden gealtert, um die T8-Tempereigenschaften zu entwickeln.

6. Mechanisches Testen

Tafel

Zugspannungstests wurden an longitudinalen Rundproben von 0,889 cm (0,350") durchgeführt. Flächenbeanspruchungs- Bruchzähigkeits-Tests wurden an kompakten Spannungsproben mit W = 3,81 cm (1,5") in der L-T-Richtung durchgeführt.

Folie

Folienmaß-Zugspannungstests wurden an Untergrößen- Flächenzugspannungsproben mit 0,635 cm (0,25") breiten, 2,54 cm (1") langen verkleinerten Abschnitten durchgeführt. Bruchzähigkeitstests unter Flächendehnung wurden an 40,64 cm (16") breiten, 91,44 cm (36") langen, mittig gekerbten breiten Platten als Bruchzähigkeits-Testproben durchgeführt, welche vor dem Testen mit Ermüdungsrissen versehen wurden.

7. Ergebnisse und Diskussion

Die Testergebnisse der Folienstärke-Eigenschaften bei drei Legierungen, A, B und C, sind in Tabelle II aufgeführt. Die Legierungen D, E und F wurden nicht in Folienstärke getestet. In Figur 3 sind Fließgrenzenwerte unter Flächendehnung mit Bruchspannungsbeanspruchung für drei Legierungen aufgetragen. Um die Festigkeits/Zähigkeits-Eigenschaften der anderen kommerziellen Legierungen, AA7075-T6 und AA2024-T3, zu vergleichen, werden die Zieleigenschaften zusammen mit Eigenschaften der Legierung AA2090-T8 markiert. Die in Figur 3 gezeigten Foliendaten der Legierung AA2090 stammen von R.J. Rioja et al., "Struktur-Eigenschafts-Beziehung in Al-Li- Legierung", Westec Konferenz, 1990. Während die Legierung A Leistungen zeigte, die marginal unterhalb des Niveaus der Eigenschaften von AA7075-T6 lagen, zeigten die Legierung B und die Legierung C einer signifikante Verbesserung gegenüber AA7075-T6 sowie gegenüber der Legierung AA2090. Die Legierung C brachte die beste Leistung, die Legierung B war die zweite und die Legierung A war die dritte. Dieser Trend folgt direkt dem Li:Cu-Verhältnis der drei Legierungen (siehe Figur 2). Je geringer das Li:Cu-Verhältnis, desto besser ist die Bruchzähigkeit. Figur 2 zeigt, daß, um die erforderliche Bruchzähigkeit von AA7075-T6 zu erreichen, das bevorzugte Li:Cu-Atomverhältnis geringer als 5,8 sein sollte. Die besten Ergebnisse können mit einem Li:Cu-Verhältnis von 4,8 bei der Legierung C erhalten werden. Der signifikante Unterschied bei den Flächenbeanspruchungs-Bruchzähigkeitswerten zwischen der Legierung A und der Legierung C zeigte die metallurgische Bedeutung des Li:Cu-Verhältnisses. Figur 4 zeigt die Ergebnisse aus der Transmissionenelektronenmikroskopüberprüfung der Legierung A und Legierung C im T8-Härtegrad, wobei die Dichte der δ'-Präzipitate und T&sub1;-Präzipitate verglichen wird. Die Legierung A mit einem Li:Cu-Verhältnis von 6,58 enthält eine hohe Dichte an δ'-Präzipitaten, die die Bruchzähigkeit nachteilig beeinflußt. Andererseits enthält die Legierung C mit einem Li:Cu-Verhältnis von nur 4,8 hauptsächlich T&sub1;-Phasen-Präzipitate mit einer geringen Spur der δ'-Phase. Da T&sub1;-Phasen-Teilchen, anders als die δ'-Phase, nicht leicht abzuscheren sind, gibt es eine geringere Tendenz zu einem Flächen-Schlupf/Gleitverhalten, was ein homogeneres Schlupf/Gleitverhalten zur Folge hat. Es wurde gefunden, daw Legierungen mit einem Li:Cu-Verhältnis von mehr als 5,8 eine signifikant höhere Dichte von δ'-Phasen-Präzipitaten enthalten, die eine Bruchzihigkeit nachteilig beeinflussen, wie in der Legierung A (Figur 3). TABELLE II Ergebnisse des mechanischen Tests von 0,3175 cm (o,125") starken Folien im T8-Härtegrad

Fußnoten:

1. Zugversuchs-Ergebnisse sind Durchschnittswerte aus Doppeln.
2. Zugversuche werden mit ebenen Untergrößen Zugspannungsproben von 0,635 cm (0,25") Breitenmaß durchgeführt.
3. Flächen-Beanspruchungsbruchzähigkeits-Tests wurden an 40,64 cm (16") breiten, 91,44 cm (36") langen, mittig gekerbten Platten durchgeführt, die vor der Reinigung mit Ermüdungsrissen versehen worden waren.
Die Ergebnisse von Zugversuchen und Flächenbeanspruchungs- Bruchzähigkeitstests von Tafeln mit T8-Härtegrad von 1,905 cm (0,75") Stärke sind ebenfalls in Tabelle III aufgeführt. Die Ergebnisse sind in Figur 5 aufgetragen, um die Festigkeits/Zähigkeits-Eigenschaften mit der Grundlinienlegierung Al, AA-7075-T651, zu vergleichen. TABELLE III Ergebnisse des mechanischen Tests von 1,905 cm (0,75") starken Folien im T8-Härtegrad

Fußnoten:

1. Alle Zugfestigkeitseigenschaften sind die Durchnittswerte aus Doppelversuchen
2. Alle Bruchzähigkeits-Testergebnisse sind aus einzelnen Versuchen.
3. Zugversuche wurden mit longitudinalen Rundproben von 0,889 cm (0,350") durchgeführt.
4. Bruchzähigkeitstests wurden mit kompakten Spannungsproben mit W = 3,81 cm (W = 1,5") durchgeführt.
Aus Tabelle III und Figur 5 sieht man, daß die Legierungen B, C, D, E und F gute Festigkeits/Zähigkeits-Relationen aufweisen, die besser als AA7075-T651 Blech oder mit diesem vergleichbar sind. Jedoch besitzt die Legierung A, die Legierung mit hohem Li:Cu-Verhältnis im Vergleich mit AA7075- T651 schlechte Bruchzähigkeitseigenschaften.
Vergleicht man die Legierung D mit der Legierung B, mit einem vergleichbaren Li:Cu-Verhältnis, so besitzen beide eine gute Bruchzähigkeit und erfüllen die Festigkeitsanforderung von AA7075-T651. Aufgrund des niedrigeren Gehaltes an gelösten Stoffen ist die Festigkeit der Legierung D ungefähr 106 kPa (7 ksi) niedriger als diejenige der Legierung B, jedoch weist die Legierung D eine geringfügig höhere Bruchzähigkeit auf. Eine ähnliche Beobachtung kann zwischen der Legierung C und der Legierung E gemacht werden. Die Legierung E, welche im Vergleich zur Löslichkeitsgrenze bei dem gegebenen Li:Cu- Verhältnis 0,5% ärmer an Cu ist, zeigte eine höhere Bruchzähigkeit als die Legierung C, welche im Vergleich zu ihrer Löslichkeitsgrenze 0,25% ärmer an Cu ist. Die Legierung E besitzt ebenfalls eine etwas geringere Festigkeit als die Legierung C.
Die Legierung F besitzt eine hohe Festigkeit mit angemessener Bruchzähigkeit. Aufgrund des sehr hohen Cu-Gehaltes ist jedoch die Dichte der Legierung höher als die bevorzugten 2,6573 g/cm³ (0,096 Pfund pro Kubikinch).
Zusammenfassend veranschaulicht Figur 2 den bevorzugten Zusammensetzungsbereich (durchgezogene Linie) einer Legierung mit niedriger Dichte, hoher Festigkeit, hoher Zähigkeit, um die Ziele hinsichtlich der Festigkeits-/Zähigkeits-/Dichte- Anforderung zu erfüllen, um mit mindestens 5% Gewichtseinsparung AA7075-T6 unmittelbar zu ersetzen. Der bevorzugte Zusammensetzungsbereich kann auf der Grundlage der folgenden Überlegungen konstruiert werden:

1. Bruchzähigkeitsanforderung

a. Das bevorzugte Li:Cu-Verhältnis ist kleiner als 5,8.
b. Der bevorzugte Cu-Gehalt sollte kleiner sein als die Nicht-Gleichgewichts-Löslichkeitsgrenze bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis, vorzugsweise mindestens 0,2% kleiner als eine solche Grenze.
Die Anforderung an einen annehmbaren Cu-Gehalt bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis oder an einen gegebenen Gesamtgehalt an gelösten Stoffen muß sogar noch mehr eingeschränkt werden, wenn auch eine erhöhte Temperaturstabilität gefordert wird, um für eine volle Betriebslebensdauer eines aus der Legierung hergestellten strukturellen Bauteils annehmbare Bruchzähigkeitseigenschaften aufrechtzuerhalten. Man hat gefunden, daß der bevorzugte Cu- Gehalt in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur um mindestens 0,3% niedriger sein sollte als die Nicht-Gleichgewichts- Löslichkeitsgrenze bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis. Zum Beispiel sind Legierungen mit einer nominalen Zusammensetzung in Gew.-% von 3,6cu-1,1Li-0,4mg-0,4Ag-0,14Zr (0,5% unter der Löslichkeitsgrenze) und 3,0Cu-1,4Li-0,4mg-0,4Ag-0,14Zr (0,5% unter der Löslichkeitsgrenze) imstande, bei einer Langzeiteinwirkung, wie beispielsweise 100 Stunden und 1 000 Stunden bei verschiedenen erhöhten Temperaturen, wie beispielsweise 149ºC (300ºF), 163ºC (325ºF) und 177ºC (350ºF) Bruchzähigkeitswerte (K&sub1;c) über 20 ksi -inch aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu nehmen die Bruchzähigkeitswerte einer Legierung mit einer nominalen Zusammensetzung von 3,48cu-1,36Li-0,4mg-0,4Ag-0,14Zr (0,25% unter der Löslichkeitsgrenze) nach einer Wärmeeinwirkung bei 163º C (325º F) über 100 Stunden auf unannehmbare Werte unter 20 ksi -inch ab. Die wärmestabile Legierung mit der besten Kombination von Festigkeit und Bruchzähigkeit war die Legierung mit der nominalen Zusammensetzung von 3,6Cu-1Li- 0,4Mg-0,4Ag-0,14Zr.

2. Mindestfestigkeitsanforderung

Der bevorzugte Cu-Gehalt sollte nicht weniger als 0,8% unter der Löslichkeitsgrenze bei einem gegebenen Li:Cu-Verhältnis liegen.

3. Dichteanforderung

Die Legierungen weisen Dichten zwischen 2,6158 und 2,6573 g/cm³ (0,0945 und 0,096 Pfund pro Kubikinch) auf. Wie in Figur 2 dargestellt, sollte der Cu- und Li-Gehalt auf der rechten Seite der Isodichtelinie von 0,096 liegen.
Der bevorzugte Zusammensetzungs-Kasten für Cu- und Li- Bestandteile einer Legierung, welche die obigen Anforderungen an die mechanischen und physikalischen Eigenschaften erfüllt, ist in Figur 2 dargestellt. Die Werte der Ecken, in Gewichtsprozent, sind 2,9% Cu-1,8% Li, 3,5% Cu-1,5% Li, 2,75% Cu-1,3% Li und 2,4% Cu-1,6% Li. Durch diese Werte werden die folgenden Verhältnisse festgelegt:
(1) 6,5 < (Cu + 2,5 Li)7,5; und
(2) (2 Li - 0,8) < Cu < (3,75 Li - 1,9)
Die Erfindung ist hier unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden. Da jedoch für den Fachmann offensichtliche Abwandlungen daran ersichtlich sind, soll die Erfindung nicht als darauf beschränkt angesehen werden.

Claims

1. Legierung mit geringer Dichte auf Aluminiumbasis, umfassend die Formel:

CuaLibMgcAgdZreAlbal,

wobei a, b, c, d, e und bal die Menge jedes Legierungsbestandteils in Gewichtsprozent angeben und wobei 2,4(a< 3,5, 1,35< b< 1,8, 6,5< a+2,5b< 7,5, 2b- 0,8< a< 3,75b-1,9, 0,25< c< 0,65, 0,25< d< 0,65 und 0,08< e< 0,25 ist, wobei die Legierung insgesamt bis zu 0,5 Gew.% Verunreinigungen und zusätzliche Kornverfeinerungselemente enthält, jedoch kein einziges Element in einer Menge über 0,25 Gew.% vorliegt, mit einer Dichte von 2,6158 bis 2,6711 g/cm³ (0,0945 bis 0,0965 Pfund/Inch³), wobei das Atomverhältnis Li:Cu zwischen etwa 3,58 und etwa 5,8 gehalten wird und der Cu-Gehalt geringer als die Löslichkeitsgrenze im Ungleichgewicht bei einem vorgegebenen Li:Cu- Atomverhältnis ist, wobei die Legierung ein Minimum an δ'-Phase-Niederschlägen enthält, wenn sie zum T8-Temper verarbeitet wird, so daß die Bruchzähigkeitseigenschaften der Legierung mindestens so gut sind wie die Bruchzähigkeitseigenschaften unter Flächenspannung von 7075-T6.

2. Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, die in Form eines Feinblechs eine Höchst-Zugfestigkeit von 1048-1277 kPa (69-84 ksi), eine technische Streckgrenze von 942-1186 kPa (62-78 ksi) und eine Dehnung von bis zu 11% besitzt.

3. Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, die eine Dichte von etwa 2,6296 g/cm³ (0,095 Pfund/Inch³) besitzt.

4. Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1 mit einem Cu:Li-Verhältnis&sub1; das innerhalb einer Fläche in einem Schaubild liegt, bei dem der Cu-Gehalt auf einer Achse und der Li-Gehalt auf der anderen Achse aufgetragen ist, wobei die Fläche durch die folgenden Eckwerte definiert ist: (a) 2,9%Cu-1,8% Li; (b) 3,5% Cu-1,5% Li; (c) 2,75% Cu-1,3 % Li und (d) 2,4% Cu-1,6% Li.

5. Aluminiumlegierung mit geringer Dichte, umfassend die Formel:

CuaLibMgcAgdZreAlbal,

wobei a, b, c, d, e und bal den Anteil jedes Legierungsbestandteils in Gew.% angeben und wobei a 3,05 ist, b 1,6 ist, c 0,33 ist, d 0,39 ist, e 0,15 ist und bal anzeigt, daß mit Aluminium ausgeglichen wird, wobei die Legierung insgesamt bis zu 0,5 Gew.% Verunreinigungen und zusätzliche Kornverfeinerungselemente enthält, jedoch kein einziges Element in einer Menge über 0,25 Gew.% vorliegt, mit einer Dichte von 2,6351 g/cm³ (0,0952 Pfund/Inch³), wobei das Atomverhältnis Li:Cu etwa 4,8 beträgt und der Cu-Gehalt geringer als die Löslichkeitsgrenze im Ungleichgewicht bei einem vorgegebenen Li:Cu-Atomverhältnis ist, wobei die Legierung ein Minimum an δ'-Phase-Niederschlägen enthält, wenn sie zum TS-Temper verarbeitet wird, so daß die Bruchzähigkeitseigenschaften der Legierung mindestens so gut sind wie die Bruchzähigkeitseigenschaften unter Flächenspannung von 7075-T6.

6. Ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumlegierungs produkts, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Gießen einer Legierung der folgenden Zusammensetzung als Block oder Barren:

CuaLibMgcAgdZreAlbal,

wobei a, b, c, d, e und bal die Menge jedes Legierungsbestandteils in Gewichtsprozent angeben und wobei 2,4< a< 3,5, 1,35(b< 1,8, 6,5< a+2,5b< 7,5, 2b- 0,8< a< 3,75b-1,9, 0,25< c< 0,65, 0,25< d< 0,65 und 0,08< e< 0,25 ist, wobei die Legierung insgesamt bis zu 0,5 Gew.% Verunreinigungen und zusätzliche Kornverfeinerungselemente enthält, jedoch kein einziges Element in einer Menge über 0,25 Gew.% vorliegt, mit einer Dichte von 2,6158 bis 2,6573 g/cm³ < 0,0945 bis 0,0960 Pfund/Inch³), wobei das Atomverhältnis Li:Cu zwischen etwa 3,58 und etwa 5,8 gehalten wird und der Cu-Gehalt geringer als die Löslichkeitsgrenze im Ungleichgewicht bei einem vorgegebenen Li:Cu- Atomverhältnis ist, wobei die Legierung ein Minimum an δ'-Phase-Niederschlägen enthält, wenn sie zum T8-Temper verarbeitet wird, so daß die Bruchzähigkeitseigenschäften der Legierung mindestens so gut sind wie die Bruchzähigkeitseigenschaften unter Flächenspannung von 7075-T6.

b) Entlasten des Blocks oder Barrens durch Erhitzen;

c) Homogenisieren des Blocks oder Barrens durch Erhitzen, Durchwärmen bei erhöhter Temperatur und Abkühlen;

d) Walzen des Blocks oder Barrens zu einem standardisierten Endprodukt;

e) Hitzebehandeln des Produkts durch Durchwärmen und anschließendes Abschrecken;

f) Dehnen des Produkts um 5 bis 11%; und

g) Altern des Produkts durch Erhitzen.

7. Flugwerkstruktur für die Raumfahrt, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1.

8. Flugwerkstruktur für die Raumfahrt&sub1; hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 5.

9. Luftfahrzeugs-Flugwerkstruktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 4.

10. Luftfahrzeugs-Flugwerkstruktur&sub1; hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 5.