DE69325804T2

DE69325804T2 - Hochfeste-al-li-legierung mit niedriger dichte und hoher zähigkeit bei hohen temperaturen

Info

Publication number: DE69325804T2
Application number: DE69325804T
Authority: DE
Inventors: Alex Cho
Original assignee: McCook Metals LLC
Current assignee: Constellium Rolled Products Ravenswood LLC
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2013-05-14
Also published as: US5389165A; CA2135790C; EP0642598A4; JP3540812B2; JPH07508075A; DE69325804D1; EP0642598B1; EP0642598A1; CA2135790A1; WO1993023584A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Aluminium- Lithium-Legierung und bezieht sich insbesondere auf eine Aluminium-Lithium-Legierung, die Kupfer, Magnesium und Silber enthält und als eine Legierung mit niedriger Dichte gekennzeichnet ist, die beim Aussetzen hohen Temperaturen über lange Zeit bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert und hohe Festigkeit beibehalten kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Luftfahrtindustrie ist allgemein anerkannt worden, dass eine der wirksamsten Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion eines Flugzeuges darin besteht, die Dichte der bei der Flugzeugkonstruktion verwendeten Aluminiumlegierungen zu reduzieren. Um die Dichte der Legierungen zu reduzieren, sind Lithiumzusätze gemacht worden. Die Zugabe von Lithium zu Aluminiumlegierungen ist jedoch nicht unproblematisch. Zum Beispiel führt die Zugabe von Lithium zu Aluminiumlegierungen oft zu verminderter Duktilität und Bruchzähigkeit. Bei Verwendung in Flugzeugteilen ist es jedoch unbedingt notwendig, dass die lithiumhältige Legierung verbesserte Duktilitäts-, Bruchzähigkeits- und Festigkeitseigenschaften aufweist.
Eine Legierung mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit ist im japanischen Patent JP-A-2 274 835 beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebene Legierung ist eine Al-Li-Ag-Legierung mit verbesserter Verarbeitbarkeit und Dehnung, die weiters verbesserte Festigkeit und Dehnung durch Aushärtungsbehandlung nach superplastischem Formen durch Inkorporieren spezifischer Mengen von Ag in eine Al-Li-Serien-Legierung aufweist.
In Anbetracht der herkömmlichen Legierungen, wie AA (Aluminum Association) 2024-T3X und 7050-T7X, die üblicherweise in Flugzeuganwendungen eingesetzt werden, scheinen bei herkömmlichen Legierungen sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Bruchzähigkeit recht schwer zu erzielen zu sein. Es wurde zum Beispiel herausgefunden, dass die Zähigkeit von AA 2024-Blech nachlässt, wenn die Festigkeit zunimmt. Es wurde auch gefunden, dass das Gleiche auch für AA 7050-Platten gilt. Wünschenswertere Legierungen würden erhöhte Festigkeit mit nur geringem oder gar keinem Verlust an Zähigkeit erlauben oder würden Bearbeitungsschritte gestatten, in denen die Zähigkeit reguliert wird, wenn die Festigkeit erhöht wird, um eine mehr erwünschte Kombination von Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Außerdem würde die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bei wünschenswerteren Legierungen in einer Aluminium-Lithium-Legierung erreichbar sein, die Dichtereduktionen in der Größenordnung von 5 bis 15% aufweist. Solche Legierungen würden in der Luft- und Raumfahrtindustrie breite Anwendung finden, wo geringes Gewicht und hohe Festigkeit und Zähigkeit sich in hohen Treibstoffersparnissen niederschlagen. Daher ist zu erkennen, dass der Erhalt von Qualitäten wie hoher Festigkeit bei geringem oder keinem Zähigkeitsverlust oder Regulierung der Zähigkeit bei Erhöhung der Festigkeit ein hervorragendes, einzigartiges Aluminium- Lithium-Legierungsprodukt liefert.
Es ist bekannt, dass der Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen deren Dichte senkt und deren elastische Module erhöht, was zu signifikanten Verbesserungen bei spezifischen Steifigkeiten führt. Weiters führt der rasche Anstieg der Feststofflöslichkeit von Lithium in Aluminium über den Temperaturbereich von 0º bis 500ºC zu einem Legierungssystem, in dem Ausscheidungshärten möglich ist, um Festigkeitswerte zu erzielen, die mit einigen der existierenden, kommerziell hergestellten Aluminiumlegierungen vergleichbar sind. Die demonstrierbaren Vorteile von lithiumhältigen Aluminiumlegierungen sind jedoch durch andere Nachteile aufgewogen worden, wie eingeschränkte Bruchzähigkeit und Duktilität, Probleme mit der Abblätterung und schlechte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit.
So werden nur 4 lithiumhältige Legierungen auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Es sind dies 2 amerikanische Legierungen, AAX 2020 und AA 2090, die britische Legierung AA 8090 und die russische Legierung AA 01420.
Die amerikanische Legierung AAX 2020 mit der nominellen Zusammensetzung Al - 4,5 Cu - 1,1 Li - 0,5 Mn - 0,2 Cd (alle Zahlen in Bezug auf eine Zusammensetzung hier und im folgenden in %-Masse) wurde 1957 registriert. Die Reduktion der Dichte im Zusammenhang mit der Zugabe von 1,1% Lithium zu AAX 2020 betrug 3%, und obwohl die Legierung sehr hohe Festigkeiten entwickelte, besaß sie auch sehr geringe Bruchzähigkeitswerte, was ihre wirksame Verwendung unter hohen Belastungen nicht ratsam machte. Während der Formungsvorgänge wurden auch noch weitere Probleme im Zusammenhang mit der Duktilität entdeckt. Schließlich wurde von dieser Legierung formell Abstand genommen.
Die andere amerikanische Legierung, AA 2090, mit der Zusammensetzung Al - 2,4 bis 3,0 Cu - 1,9 bis 2,6 Li - 0,08 bis 0,15 Zr wurde 1984 bei der Aluminum Association registriert. Obwohl diese Legierung hohe Festigkeiten entwickelte, besaß sie auch nur geringe Bruchzähigkeit und schlechte kurze Querduktilität im Zusammenhang mit Abblätterungsproblemen und hat daher keine weite kommerzielle Anwendung erfahren. Diese Legierung wurde entwickelt, um AA 7075-T6 mit Gewichtsersparnis und höherem Modul zu ersetzen. Die kommerzielle Anwendung ist jedoch beschränkt.
Die britische Legierung AA 8090 mit der Zusammensetzung 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 Reduktion der Dichte im Zusammenhang mit 2, 2 bis 2,7%-Masse Li war signifikant. Ihre eingeschränkte Festigkeitseigenschaft mit geringer Bruchzähigkeit und schlechter Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit verhinderte jedoch, dass AA 8090 eine weithin akzeptierte Legierung für Raum- und Luftfahrtsanwendungen wurde.
Die russische Legierung AA 01420, 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 oder Zr oder beide vorhanden sind), wurde im U. K. Patent Nr. 1 172 736 von Fridlyander et al. beschrieben. Die russische Legierung AA 01420 besitzt spezifische Module, die besser sind als jene herkömmlicher Legierungen, ihre spezifischen Festigkeitswerte sind jedoch nur mit den üblicherweise verwendeten Aluminiumlegierungen der Serie 2000 vergleichbar, so dass nur bei steifigkeitskritischen Anwendungen Gewichtsersparnisse erzielt werden können.
Die Legierungen AAX 2094 und AAX 2095 wurden 1990 bei der Aluminum Association registriert. Diese Aluminiumlegierungen enthalten beide Lithium. Legierung AAX 2094 ist eine Aluminiumlegierung, 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 0,8-1,5 Li enthält. Diese Legierung enthält auch 0,12 max Si; 0,15 max Fe; 0,10 max Ti und geringfügige Mengen anderer Verunreinigungen. Legierung AAX 2095 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 ebenfalls 0,12 max Si; 0,15 max Fe; 0,10 max Ti und geringfügige Mengen anderer Verunreinigungen.
Es ist aus der PCT-Anmeldung WO89/01531, veröffentlicht am 23. Februar 1989, von Pickens et al. auch bekannt, dass bestimmte Aluminium-Kupfer-Lithium-Magnesium-Silber-Legierungen hohe Festigkeit, hohe Duktilität, geringe Dichte, gute Schweissbarkeit und gute natürliche Aushärtungsantwort aufweisen. Von diesen Legierungen ist in breitester Offenbarung angegeben, dass sie im wesentlichen aus 2,0 bis 9,8%-Masse eines Legierungselements, das Kupfer, Magnesium oder Mischungen davon sein kann, wobei das Magnesium mindestens 0,01%-Masse ausmacht, mit etwa 0,01 bis 2,0%-Masse Silber, 0,05 bis 4,1%-Masse Lithium und weniger als 1,0%-Masse eines kornverfeinernden Zusatzstoffs, der Zirkonium, Chrom, Mangan, Titan, Bor, Hafnium, Vanadium, Titandiborid oder Mischungen davon sein kann, bestehen. Ein Überblick über die in dieser PCT-Anmeldung geoffenbarten spezifischen Legierungen identifiziert jedoch 3 Legierungen, insbesondere Legierung 049, Legierung 050 und Legierung 051. Legierung 049 ist eine Aluminiumlegierung, die, in %-Masse, 6,2 Cu; 0,37 Mg; 0,39 Ag; 1,21 Li und 0,17 Zr enthält. Legierung 050 enthält zwar kein Kupfer, aber große Mengen Magnesium, im Bereich von 5,0%. Legierung 051 enthält, in %-Masse, 6,51 Kupfer und sehr geringe Mengen Magnesium, im Bereich von 0,40. Diese Anmeldung offenbart auch andere Legierungen, die als Legierungen 058, 059, 060, 061, 062, 063, 064, 065, 066 und 067 bezeichnet sind. Bei allen diesen Legierungen ist der Kupfergehalt entweder sehr hoch, d. h. über 5,4, oder sehr gering, d. h. weniger als 0,3. Die PCT-Anmeldung WO90/02211, veröffentlicht am 8. März 1990, offenbart ähnliche Legierungen, die jedoch mehr als 5% Cu und kein Ag enthalten.
Es ist auch bekannt, dass der Einschluss von Magnesium mit Lithium in einer Aluminiumlegierung der Legierung hohe Festigkeit und niedrige Dichte verleihen kann, diese Elemente sind jedoch nicht von selbst ausreichend, um ohne sekundäre Elemente hohe Festigkeit zu erzeugen. Sekundärelemente wie Kupfer und Zink ergeben verbesserte Antwort beim Ausscheidungshärten; Zirkonium bietet Kontrolle über die Korngröße, und Elemente wie Silicium und Übergangsmetallelemente bieten Wärmestabilität bei mittleren Temperaturen bis zu 200ºC. Die Kombination dieser Elemente in Aluminiumlegierungen ist jedoch aufgrund der reaktiven Natur in flüssigem Aluminium schwierig gewesen, die beim herkömmlichen Gießen die Bildung von groben, komplexen intermetallischen Phasen fördert.
Jüngstes und erneutes Interesse an Entwicklungsprogrammen von Überschalltransportflugzeugen hat zu einem Bedarf an wärmestabilen Struktur-Aluminiumlegierungen mit niedriger Dichte und hoher Festigkeit geführt, die annehmbare Bruchzähigkeitswerte aufweisen. Es ist nachgewiesen worden, dass die im Handel erhältliche Al-Cu-Li-Legierung AA 2090 für die Anwendung im Überschallbereich nicht geeignet ist. R. J. Bucci et al. merken im Naval Surface Warfare Center TR 89-106 Report an, dass die Bruchzähigkeit von AA 2090 nach Aussetzen mittlerer Hitze von 100ºC (212ºF) während etwa 1000 Stunden erheblich abnahm. Um die charakteristischen Eigenschaften zu erhalten, die für die Anwendung zum Bau von Überschallflugzeugen geeignet sind, ist es notwendig, eine Legierung mit guter Wärmestabilität bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 93,3ºC (200ºF) bis 176,7ºC (350ºF) zu entwickeln. Außerdem müssen Legierungen entwickelt werden, die auch ausreichende physikalische und mechanische Eigenschaften für den Einsatz zum Bau von Flugzeugen, die nicht im Überschallbereich fliegen, haben.
Nach dem Stand der Technik sind hochfeste Legierungen auf Al-Cu-Basis, wie AA 2219 und AA 2519, bei Hochtemperaturanwendungen bei Flugzeugen verwendet worden. Diese Al-Cu-Legierungen haben jedoch nur mittelmäßige Festigkeit bei relativ hoher Dichte (2851,03 kg · m&supmin;³ (0,103 lbs/in³)).
Wie oben angegeben ist, sind im Stand der Technik Al-Cu-Li- Mg-Ag-Legierungssysteme vorgeschlagen worden, um bei den Legierungen auf Aluminiumbasis vom Typ Al-Li hohe Festigkeit und hohe Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit zu erzielen.
Die oben beschriebenen Legierungssysteme nach dem Stand der Technik, d. h. auf Basis Al-Cu und auf Basis Al-Cu-Li-Mg-Ag, weisen verschiedene Charakteristika beim Übervergütungsverhalten und beim Aussetzen erhöhten Temperaturen während längerer Zeitspannen auf.
In Fig. 1 ist der Unterschied beim natürlichen Alterungs- und Erweich-Verhalten zwischen nichtlithiumhältigen Legierungen auf Aluminiumbasis und lithiumhältigen Legierungen auf Aluminiumbasis dargestellt. Die beiden Arten von Legierungen, die in Fig. 1 dargestellt sind, werden in steigendem Maße erhöhten Temperaturen ausgesetzt, d. h. Übervergüten nach künstlichem Härten zu Spitzenfestigkeiten. Während des Übervergütens sind herkömmliche Legierungen der Serie 7000 (Al-Zn-Mg-Cu) durch die gepunktete Linie dargestellt. Diese Legierungen erreichen Höhepunkte in der Festigkeit während des Übervergütens, und anschließendes Härten oder wiederholtes Aussetzen erhöhten Temperaturen führt dazu, dass diese Legierungen weicher werden, während ihnen gleichzeitig gestattet wird, ihre Bruchzähigkeit wieder zu erlangen. Dies wird durch den U-förmigen Teil der Legierung der Serie AA 7000 angezeigt, der sich krümmt und nach Erreichen einer gegebenen Höchstfestigkeit nach oben fortsetzt.
Hochfeste Al-Li-Legierungen auf Aluminiumbasis nach dem Stand der Technik sind in Fig. 1 durch die durchgehende Linie dargestellt. Wenn die Al-Li-Legierung ihre Höchstfestigkeit durch künstliches Aushärten erreicht hat, gestattet das zusätzliche Aussetzen einer Umgebung mit erhöhter Temperatur der Legierung, ihre Bruchzähigkeit und Duktilität nur nach einem erheblichen Festigkeitsverlust wieder zu erlangen. Dies wird durch die breit geformte Kurve angedeutet, die, wenn sie sich schließlich nach oben erstreckt, wie die Kurve für die nicht- lithiumhältigen Aluminiumlegierungen, eine geringe Festigkeit anzeigt, wenn die Bruchzähigkeit sich verbessert.
Daher ist an sich die Notwendigkeit entstanden, eine hochfeste Al-Li-Legierung für Hochtemperaturanwendungen zu entwickeln, die während der gesamten Zeit des Aussetzens hoher Temperaturen in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur während der Anwendung in der Luft- oder Raumfahrt einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert beibehält.
Daher haben sich erhebliche Bemühungen darauf gerichtet, Legierungen auf Aluminiumbasis mit niedriger Dichte zu erzeugen, die zu Bauteilen zum Einsatz bei Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie geformt werden können. Es wird angenommen, dass die durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellten Legierungen diese Erfordernisse der Technik erfüllen.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Aluminium-Lithium- Legierung mit spezifischen charakteristischen Eigenschaften, die besser sind als bei bisher bekannten Legierungen. Die erfindungsgemäßen Legierungen, deren genaue Mengen der Legierungskomponenten hier in Kombination mit dem Atomverhältnis der Lithium- und der Kupferkomponente und der Dichte beschrieben sind, stellen eine ausgewählte Gruppe von Legierungen zur Verfügung, die zu Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie hervorragende und verbesserte Eigenschaften aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine hochfeste Aluminiumlegierung mit niedriger Dichte zur Verfügung zu stellen, die Lithium, Kupfer und Magnesium enthält.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine hochfeste Aluminiumlegierung mit niedriger Dichte und hoher Bruchzähigkeit zur Verfügung zu stellen, die kritische Mengen Lithium, Magnesium, Silber und Kupfer enthält.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, die kritische Mengen Legierungselemente enthält, insbesondere Lithium und Kupfer, und die, wenn sie längere Zeit höheren Temperaturen ausgesetzt wird, einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert und hohe Festigkeit beibehält.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung solcher Legierungen und deren Verwendung in Luft- und Raumfahrtkomponenten zur Verfügung zu stellen.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Laufe der Beschreibung deutlich werden.
Zur Erreichung der obigen Ziele und Vorteile wird durch die vorliegende Erfindung eine Aluminiumlegierung zur Verfügung gestellt, die im wesentlichen aus der folgenden Formel besteht:
CuaLibMgcAgdZreAlbal
worin a, b, c, d und e die Mengen der einzelnen, in der Legierung vorhandenen Legierungskomponenten in Massenprozent angeben und bal den Massenprozentsatz von Aluminium angibt, um auf 100%-Masse der Legierung zu ergänzen, und worin die Buchstaben a, b, c, d und e die folgenden Werte haben: 2,8 < a < 3,8; 0,80 < b < 1,3; 0,20 < c < 1,00; 0,20 < d < 1,00 und 0,08 < e < 0,25; mit bis zu jeweils 0,25%-Masse Verunreinigungen wie Si, Fe und Zn bis zu insgesamt höchstens 0,5%-Masse. Vorzugsweise ist keine andere Verunreinigung als Si, Fe und Zn in einer Menge von mehr als 0,05%-Masse vorhanden, wobei die Gesamtmenge solcher anderer Verunreinigungen vorzugsweise weniger als 0,15%-Masse beträgt. Die Legierungen sind auch durch ein Verhältnis zwischen Cu und Li gekennzeichent, das folgendermaßen definiert wird:
Cu (%-Masse) + 1,5 Li (%-Masse) < 5,4
Geeignete Kornverfeinerungselemente, wie Titan, Mangan, Hafnium, Scandium und Chrom, können in der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung enthalten sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Legierungszusammensetzung im wesentlichen aus 3,6 Cu - 1,1 Li - 0,4 Mg - 0,4 Ag - 0,14 Zr mit Verunreinigungen und Kornverfeinerungselementen, wie sie oben beschrieben sind, und mit einer Dichte von etwa 26877,20 kg · m&supmin;³ (0,971 lbs/in³).
Die vorliegende Erfindung bietet auch, wie in Anspruch 4 beschrieben ist, ein Verfahren zur Herstellung von Produkten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung, welches umfaßt:
a) Gießen von Blöcken oder Strängen aus der Legierung;
b) Entspannung des Blocks oder Strangs durch Erhitzen auf Temperaturen von etwa 315,5 bis 426,7ºC (600 bis 800ºF);
c) Homogenisieren der Kornstruktur durch Erhitzen des Blocks oder Strangs und Abkühlung;
d) Heißbearbeiten, um ein bearbeitetes Produkt zu erzeugen;
e) Lösungsglühen des bearbeiteten Produktes;
f) Strecken des Produktes nach dem Lösungsglühen; und
g) Aushärten des gestreckten Produktes.
Ebenso werden, wie in Anspruch 3 definiert ist, durch die vorliegende Erfindung Bauteile für die Luft- und Raumfahrt zur Verfügung gestellt, die die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nun soll auf die Zeichnungen eingegangen werden, die die Erfindung hier darstellen:
Fig. 1 ist ein Graph, der die Bruchzähigkeit und die technische Streckgrenze für lithiumhältige und nicht-lithiumhältige Aluminiumlegierungen nach dem Stand der Technik vergleicht, die einer Aushärtungsbehandlung unterzogen werden;
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen %-Masse Kupfer und Lithium für Legierungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung und Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 ist ein Graph, der die Bruchzähigkeit und die Formänderungsfestigkeit für die im Schlüssel dargestellten Legierungen vergleicht, wenn sie zu einer Höchstfestigkeit ausgehärtet und 100 und 1000 Stunden lang einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) ausgesetzt werden;
Fig. 4 ist ein Graph, der die Bruchzähigkeit und die Formänderungsfestigkeit für die im Schlüssel dargestellten Legierungen in Beziehung setzt, nachdem sie etwa 100 Stunden lang einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) ausgesetzt wurden;
Fig. 5 zeigt einen weiteren Graphen, der die Bruchzähigkeit und die Formänderungsfestigkeit für die im Schlüssel dargestellten Legierungszusammensetzungen vergleicht, nachdem sie etwa 1000 Stunden lang einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) ausgesetzt wurden; und
Fig. 6 zeigt einen Graphen, der die Bruchzähigkeit und die Formänderungsfestigkeit für die im Schlüssel dargestellten Legierungszusammensetzungen in Beziehung setzt, nachdem sie etwa 1000 Stunden lang einer Temperatur von 176,7ºC (350ºF) ausgesetzt worden sind.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Aluminiumlegierung, die annehmbare Bruchzähigkeitswerte und Festigkeit aufweist, wenn sie der Verwendung unter erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, und ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes, das diese Legierung enthält, zur Verfügung zu stellen.
Die U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/699 540 an Alex Cho offenbart eine Legierungszusammensetzung, die, ausgedrückt in %-Masse, 3,6 Cu - 1,1 Li - 0,4 Mg - 0,4 Ag - 0,14 Zr (0,5% unter der Löslichkeitsgrenze) enthält, die Bruchzähigkeitswerte (K1c) von über 21,98 MPa m (20 ksi inch) für das Langzeitaussetzen, wie 100 und 1000 Stunden lang, bei verschiedenen höheren Temperaturen, wie 148,89ºC (300ºF), 162,8ºC (325ºF) und 176,7ºC (350ºF) beibehält. Der gesamte Inhalt von Seriennummer 07/699 540 ist durch Bezugnahme hier aufgenommen.
Die vorliegende Erfindung definiert weiters einen Zusammen setzungsbereich der Al-Li-Legierung, ein Verfahren zur Herstellung und ein Produkt, das nach dem Verfahren hergestellt wird, das Bruchzähigkeit und hohe Festigkeit während des gesamten Aussetzens einer höheren Temperatur vereint. In einer Verbesserung gegenüber Legierungen nach dem Stand der Technik vermeidet die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung das Problem der sinkenden Bruchzähigkeit über gewisse Zeiträume während des Aussetzens einer höheren Temperatur. Legierungen nach dem Stand der Technik, die, selbst für eine kurze Zeit, eine sinkende Bruchzähigkeit aufweisen, sind für den Einsatz bei lange Zeit erhöhten Temperaturen nicht annehmbar. Selbst wenn diese Legierungen die verlorene Bruchzähigkeit nach weiterem Aussetzen erhöhten Temperaturen wieder erlangen könnten, kann ein Sinken der Bruchzähigkeit auf nicht mehr annehmbare Werte zu einem vorzeitigen Scheitern führen. Die Möglichkeit eines vorzeitigen Scheiterns macht jede Möglichkeit zunichte, diese Arten von Legierungen nach dem Stand der Technik zu verwenden, selbst wenn sie nach langem Aussetzen erhöhten Temperaturen einen Anstieg der Bruchzähigkeit zeigen sollten.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung und des Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsproduktes werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 noch deutlicher demonstriert. Die durchgehende Linie in Fig. 1 zeigt, dass, selbst wenn die Bruchzähigkeit sich nach langdauerndem Aussetzen erhöhter Temperatur erholen sollte, die Bauteile aus Legierungen nach dem Stand der Technik unter die Minimalwerte für Bruchzähigkeit und Festigkeit fallen würden. Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung behält jedoch während der gesamten Zeit des Aussetzens erhöhter Temperatur einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert bei.
Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung schließt die primären Legierungselemente Kupfer, Lithium, Magnesium, Silber und Zirkonium ein. Die Legierungszusammensetzung kann auch ein oder mehrere Kornverfeinerungselemente als essentielle Komponenten einschließen. Die geeigneten Kornverfeinerungselemente schließen eines oder mehrere einer Kombination der folgenden ein: Zirkonium, Titan, Mangan, Hafnium, Scandium und Chrom.
Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung kann auch unwesentliche Verunreinigungen wie Silicium, Eisen und Zink enthalten.
Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung mit niedriger Dichte besteht im wesentlichen aus der Formel
CuaLibMgcAgdZreAlbal
worin a, b, c, d und e die Menge der einzelnen Legierungskomponenten in Massenprozent angeben und bal den Rest angibt, der Aluminium sein soll, der Verunreinigungen und/oder andere Komponenten, wie Kornverfeinerungslemente, enthalten kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Legierung, bei der die Buchstaben a, b, c, d, und e die angegebenen Werte haben: 2,8 < a < 3,8; 0,80 < b < 1,3; 0,20 < c < 1,00; 0,20 < d < 1,00 und 0,08 < e < 0,40.
Bei der Definition der bestimmten Bereiche für jede Legierungskomponente sollte der Kupfergehalt höher als 2,8%-Masse gehalten werden, um hohe Festigkeit zu erzielen, jedoch weniger als 3,8%-Masse betragen, um gute Bruchzähigkeit während des Übervergütens beizubehalten.
Der Lithiumgehalt sollte höher als 0,8%-Masse gehalten werden, um gute Festigkeit und niedrige Dichte zu erzielen, jedoch weniger als 1,3%-Masse betragen, um einen Verlust an Bruchzähigkeit während des Übervergütens zu vermeiden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung sollte die Beziehung zwischen dem gesamten Gehalt der gelösten Stoffe Kupfer und Lithium unter Kontrolle gehalten werden, um einen Verlust der Bruchzähigkeit während des Aussetzens erhöhter Temperaturen zu vermeiden. Um einen erheblichen Verlust der Bruchzähigkeit zu verhindern, sollte der Gehalt an Kupfer und Lithium zusammen bei einem gegebenen Lithiumgehalt mindestens um 0,4%-Masse Kupfer unter der Löslichkeitsgrenze gehalten werden. Die Beziehung zwischen Kupfer und Lithium wird folgendermaßen angegeben:
Cu (%-Masse) + 1,5 Li (%-Masse) < 5,4.
Die Werte des Magnesium- und Silbergehaltes sollten jeweils zwischen etwa 0,2%-Masse und etwa 1,0%-Masse liegen. Wenn Kornverfeinerungselemente in der Legierungszusammensetzung enthalten sind, liegen sie im folgenden Bereich: Titan bis zu 0,2%-Masse, Magnesium bis zu 0,5%-Masse, Hafnium bis zu 0,2%- Masse, Scandium bis zu 0,5%-Masse und Chrom bis zu 0,3%-Masse.
Während das Legierungsprodukt mit kontrollierten Mengen an Legierungselementen zur Verfügung gestellt wird, wie oben be schrieben ist, wird bevorzugt, dass die Legierung gemäß spezifischen Verfahrensschritten hergestellt wird, um die wünschenswertesten Eigenschaften in Bezug auf sowohl Festigkeit als auch Bruchzähigkeit zu erhalten. So kann die Legierung, wie sie hier beschrieben ist, als Strang oder Block zur Weiterverarbeitung zu einem geeigneten verarbeiteten Produkt durch Gußtechniken, die derzeit auf dem Gebiet der Gußprodukte verwendet werden, zur Verfügung gestellt werden. Es sollte bemerkt werden, dass die Legierung auch in Form eines Strangs zur Verfügung gestellt werden kann, der aus feinen Teilchen verfestigt wird, wie eine Aluminiumlegierung in Pulverform mit den Zusammensetzungen in den oben angegebenen Bereichen. Das pulver- oder teilchenförmige Material kann durch Verfahren wie Zerstäuben, mechanisches Legieren und Schmelzspinnen hergestellt werden. Der Block oder Strang kann vorbearbeitet oder geformt werden, um eine geeignete Grundlage für folgende Bearbeitungsschritte zu bieten. Vor dem Hauptbearbeitungsschritt wird das Legierungsmaterial vorzugsweise entspannt und einem Diffusionsglühen unterworfen, um die innere Struktur des Metalls zu homogenisieren. Die Entspannung kann etwa 8 Stunden lang bei Temperaturen zwischen 315,5 und 426,7ºC (600 und 800ºF) erfolgen. Die Temperatur beim Diffusionsglühen kann im Bereich von 343,3 bis 537,8ºC (650 bis 1000ºF) liegen. Ein bevorzugter Zeitraum beträgt etwa 8 Stunden oder mehr im Temperaturbereich des Diffusionsglühens. Normalerweise müssen das Erhitzen und die Diffusionsglühbehandlung nicht länger als 40 Stunden dauern; längere Zeiten sind üblicherweise jedoch nicht schädlich. Es ist gefunden worden, dass eine Zeitspanne von 20 bis 40 Stunden bei Diffusionsglühtemperatur ziemlich gut geeignet ist. Zum Beispiel kann der Strang bei etwa 504,4ºC (940ºF) 8 Stunden lang durchgewärmt werden, gefolgt von etwa 36 Stunden Durchwärmen bei 537,8ºC (1000ºF) und Abkühlung. Abgesehen vom Lösen der Bestandteile zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit ist diese Diffusionsglühbehandlung wichtig, da angenommen wird, dass sich dadurch Dispersoide absetzen, was hilft, die endgültige Kornstruktur zu regulieren.
Nach der Diffusionsglühbehandlung kann das Metall gewalzt oder extrudiert oder sonst einer Bearbeitung unterzogen werden, um Material wie Blech, Platten, Extrudate oder andere Materialien herzustellen, die zum Formen zum Endprodukt geeignet sind.
Das heißt, nachdem der Block oder Strang diffusionsgeglüht worden ist, kann er warm verarbeitet oder warm gewalzt werden. Das Warmwalzen kann bei einer Temperatur im Bereich von 260 bis 510ºC (500 bis 950ºF) erfolgen, wobei die typische Temperatur im Bereich von 315,6 bis 482,2ºC (600 bis 900ºF) liegt. Das Warmwalzen kann die Dicke eines Blocks je nach der Tauglichkeit der Walzvorrichtung auf ein Viertel der ursprünglichen Dicke oder auf das Endmaß reduzieren. In einer bevorzugten Walzsequenz wird der Block oder Strang vorgeheizt und 3 bis 5 Stunden lang bei 510ºC (950ºF) durchgewärmt, auf 482,2ºC (900ºF) luftgekühlt und warm gewalzt. Das Kaltwalzen kann eingesetzt werden, um eine weitere Maßreduktion zu erzielen.
Das gewalzte Material wird vorzugsweise lösungsgeglüht, typischerweise über einen Zeitraum im Bereich von 0,25 bis 5 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 515,6 bis 560ºC (960 bis 1040ºF). Um weiters die gewünschte Festigkeit und Bruchzähigkeit zu ergeben, die für das Endprodukt und die Bearbeitungsschritte zur Formung dieses Produktes notwendig sind, sollte das Produkt rasch abgeschreckt oder ventilatorgekühlt werden, um das unkontrollierte Ausfallen festigender Phasen zu verhindern oder zu minimieren. Daher liegt in der Praxis der vorliegenden Erfindung die Abschreckgeschwindigkeit vorzugsweise bei mindestens 37,8ºC (100ºF) pro Sekunde von der Lösungsglühtemperatur auf eine Temperatur von etwa 93,3ºC (200ºF) oder darunter. Eine bevorzugte Abschreckgeschwindigkeit liegt bei mindestens 93,3ºC (200ºF) pro Sekunde von der Temperatur von 504,4ºC (940ºF) oder darüber auf eine Temperatur von etwa 93,3ºC (200ºF). Nachdem das Metall eine Temperatur von etwa 93,3ºC (200ºF) erreicht hat, kann es anschließend luftgekühlt werden. Bei einem bevorzugten Lösungsglühen wird das bearbeitete Produkt bei etwa 537,8ºC (1000ºF) etwa 1 Stunde lang lösungsgeglüht, gefolgt von Abschrecken mit kaltem Wasser. Wenn die erfindungsgemäße Legierung z. B. als Bramme gegossen oder walzgegossen wird, kann es möglich sein, einige oder alle der oben angeführten Schritte auszulassen, und dies wird im Bereich der Erfindung in Betracht gezogen.
Nach dem Lösungsglühen und Abschrecken, wie angegeben, werden die verbesserten Bleche, Platten, Extrudate oder anderen verarbeiteten Produkte künstlich gehärtet, um die Festigkeit zu verbessern, wobei die Bruchzähigkeit erheblich nachlassen kann. Um den Bruchzähigkeitsverlust im Zusammenhang mit verbesserter Festigkeit gering zu halten, kann das lösungsgeglühte und abgeschreckte Legierungsprodukt, insbesondere Blech, Platte oder Extrudat, vor dem künstlichen Härten gestreckt werden, vorzugsweise bei Zimmertemperatur. Zum Beispiel wird das lösungsgeglühte, gewalzte Material innerhalb von 2 Stunden auf 6% gestreckt.
Nachdem das erfindungsgemäße Legierungsprodukt bearbeitet worden ist, kann es künstlich gehärtet werden, um die Kombination von Bruchzähigkeit und Festigkeit zu ergeben, die bei Flugzeugbestandteilen so sehr erwünscht ist. Dies kann geschehen, indem das Blech oder die Platte oder das geformte Produkt eine genügend lange Zeit einer Temperatur im Bereich von 65,6 bis 204,4ºC (150 bis 400ºF) ausgesetzt werden, um die Formänderungsfestigkeit weiter zu erhöhen. Vorzugsweise wird das künstliche Härten erreicht, indem das Legierungsprodukt während mindestens 30 Minuten einer Temperatur im Bereich von 135 bis 190,6ºC (275 bis 375ºF) ausgesetzt wird. Eine geeignete Härtungspraxis zieht eine Behandlung von etwa 8 bis 32 Stunden bei einer Temperatur zwischen etwa 160ºC (320ºF) und 171,1ºC (340ºF) und insbesondere 12, 16 und/oder 32 Stunden lang bei entweder 160ºC (320ºF) oder 171,1ºC (340ºF) in Betracht. Weiters wird erkannt werden, dass das erfindungsgemäße Legierungsprodukt jeglicher der typischen Unterhärtungsbehandlungen unterzogen werden, die auf diesem Gebiet wohl bekannt sind, einschließlich natürliches Altern. Während auf einzelne Härtungsschritte Bezug genommen worden ist, werden auch mehrfache Härtungsschritte, wie 2 oder 3 Härtungsschritte, in Betracht gezogen, um die Eigenschaften zu verbessern, wie die Festigkeit zu erhöhen und/oder die Schwere der Festigkeitsanisotropie zu reduzieren.
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch weiter darzustellen, werden die folgenden Beispiele angeführt; um die Erfindung zu illustrieren; die Erfindung soll jedoch nicht als darauf beschränkt angesehen werden.
Für Vergleichszwecke sind in Tabelle I chemische Zusammensetzungen von 6 Experimentslegierungen und 2 Legierungen als Vergleich aufgelistet. Die beiden Vergleichslegierungen stellen die bekannten Aluminiumlegierungen X2095 und X2094 dar. Die 6 Experimentslegierungszusammensetzungen wurden ausgewählt, um die Auswirkungen des Kupfer- und Lithiumgehaltes und deren Atomverhältnis sowie des gesamten Gehalts an gelösten Stoffen auf die Wärmestabilität, die Festigkeit und die Bruchzähigkeit zu bestimmen. Es ist zu bemerken, dass die chemische Analyse der Zusammensetzungen von Tabelle I unter Verwendung induktiver Plasmaverfahren von einem 19,05 mm (0,75 inch) Zieheisen durchgeführt wurde. Die Prozentsätze der Legierungselemente sind in %-Masse angegeben. TABELLE I
*Bevorzugte erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung
Bei der Auswahl der in Tabelle I aufgelisteten chemischen Verbindungen wurde eine Zieldichte im Bereich von 2629,60 und 2712,63 kg · m&supmin;³ (0,095 und 0,098 lbs/in³) festgelegt. Wie aus Tabelle I zu erkennen ist, fielen alle 6 Experimentslegierungen A-F und die beiden Legierungen nach dem Stand der Technik in den Zieldichtebereich. Die Legierungselemente Magnesium, Silber und Zirkonium wurden im wesentlichen auf 0,4%-Masse, 0,4%-Masse bzw. 0,14%-Masse festgelegt. Die Kupfer- und Lithiummengen und das Atomverhältnis von Lithium zu Kupfer waren bei den 6 Experimentslegierungen A-F unterschiedlich.
Der Kupfer- und Lithiumgehalt der 6 Experimentslegierungen und der beiden Legierungen nach dem Stand der Technik sind in Fig. 2 gegenüber einer angenommenen Kurve der Löslichkeitsgrenze bei den Nichtgleichgewichtsschmelztemperaturen dargestellt, wo bei die Löslichkeitskurve als strichlierte Linie dargestellt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt der Kupfergehalt aller geoffenbarten Legierungen im Bereich von etwa 2,5 bis 4,7%-Masse, wobei die Lithiummenge im Bereich von 1,1 bis 1,7%-Masse liegt. Wie oben dargelegt ist, ist der Gesamtgehalt an gelösten Stoffen in Bezug auf die Löslichkeitsgrenze eine wichtige Variable in der Kombination der Festigkeit und Bruchzähigkeit für die erfindungsgemäße Legierung. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wurden alle 6 Experimentslegierungen so ausgewählt, dass sie unter der angenommenen Kurve der Löslichkeitsgrenze lagen, um gute Bruchzähigkeit sicherzustellen. Vier der Legierungen, nämlich A, B, C und F, haben einen relativ geringen Anteil an gelösten Stoffen, während die Legierungen D und E Legierungen mit einem mittleren Anteil an gelösten Stoffen sind. Die Legierungen D und E kommen in die Nähe der Kurve der Löslichkeitsgrenze. Im Gegensatz dazu liegen die Legierungen nach dem Stand der Technik, nämlich AAX 2094 und AAX 2095, ziemlich weit oberhalb der Kurve der Löslichkeitsgrenze.
Fig. 2 stellt auch ein Zusammensetzungsfeld dar, das die bevorzugten Bereiche von Kupfer und Lithium für die erfindungsgemäße Legierung darstellt. Das Zusammensetzungsfeld wird durch 5 Punkte dargestellt, die miteinander verbunden sind, um einen bevorzugten Bereich von Kupfer und Lithium für die erfindungsgemäße Legierung zu umgeben. Das Zusammensetzungsfeld wird durch folgende 5 Punkte definiert: 3,8 Cu - 0,8 Li; 2,8 Cu - 0,8 Li; 2,8 Cu - 1,3 Li; 3,45 Cu - 1,3 Li; und 3,8 Cu - 1,07 Li; wobei alle Zahlen %-Masse darstellen.
Die oberen und unteren Grenzen für Kupfer und Lithium, die die horizontalen und vertikalen Geraden für das Zusammensetzungsfeld definieren, sind oben beschrieben. Der schräge Teil des Zusammensetzungsfeldes stellt das Beibehalten eines gemeinsamen Kupfer- und Lithiumgehaltes unter einer Löslichkeitsgrenze von 0,5%-Masse Kupfer bei einem gegebenen Lithiumgehalt dar.
Die 6 Legierungen A-F wurden direkt in runde Stränge mit einem Durchmesser von 228,6 mm (9 inch) auf Kokillen gegossen. Die runden Stränge wurden etwa 8 Stunden lang bei Temperaturen von 315,5 bis 426,7ºC (600 bis 800ºF) entspannt. Die Legierungsstränge A-F wurden dann zersägt und unter Anwendung der herkömmlichen Praxis einschließlich der folgenden Schritte diffusionsgeglüht:
1) Erwärmen auf 504,4ºC (940ºF) um 10ºC (50ºF)/Stunde;
2) 8 Stunden Durchwärmen bei 504,4ºC (940ºF);
3) Erwärmen auf bis zu 537,8ºC (1000ºF) um 10ºC (50ºF)/Stunde oder langsamer;
4) 36 Stunden Durchwärmen bei 537,8ºC (1000ºF);
5) Ventilatorkühlung auf Zimmertemperatur; und
6) Die beiden Seiten dieser Stränge wurden dann zu 152,4 mm (6 inch) dickem Walzmaterial zum Warmwalzen um gleiche Mengen spanabhebend zu Platten verarbeitet.
Die Vergleichslegierungen nach dem Stand der Technik wurden aus in der Fabrik hergestellten Plattenproben für Vergleichszwecke erhalten. Die Legierungen nach dem Stand der Technik, AAX 2095 und AAX 2094, wurden direkt in 304,8 mm (12 inch) dicke mal 1143 mm (45 inch) große, rechteckige Blöcke auf Kokillen gegossen. Nach 8 Stunden Entspannen bei Temperaturen von 315,5 bis 426,7ºC (600 bis 800ºF) wurden die Blöcke zersägt und nach den folgenden Schritten diffusionsgeglüht:
1) Erwärmen auf 498,89ºC (930ºF), langsamer als um 10ºC (50ºF)/Stunde;
2) 36 Stunden Durchwärmen bei 498,89ºC (930ºF);
3) Luftkühlung auf Zimmertemperatur; und
4) Beide Oberflächen der Blöcke wurden um die gleiche Menge geschält, und beide Seiten wurden zum endgültigen Blockdurchschnitt von 254 mm (10 inch) mal 1016 mm (40 inch) zum Warmwalzen zersägt.
Nach dem Diffusionsglühen wurden alle Legierungen dem Warmwalzen unterworfen. Die Legierungen A-F, die zwei flache Oberflächen aufweisen, wurden zu Platte und Blech warmgewalzt. Die Warmwalzpraxis war folgende:
1) Vorwärmen auf 510ºC (950ºF) und Durchwärmen für 3 bis 5 Stunden;
2) Luftkühlen auf 482ºC (900ºF) vor dem Warmwalzen;
3) Schrägwalzen zu 101,6 mm (4 inch) dicker Bramme;
4) Warmscheren bedeutender Kantenrisse;
5) Klassisches Walzen zu 19,05 mm (0,75 inch) Zieheisen; und
6) Luftkühlung auf Zimmertemperatur.
Die Legierungsblöcke nach dem Stand der Technik wurden nach dem folgenden Verfahren warmgewalzt:
1) Vorwärmen auf 487,78 bis 498,89ºC (910 bis 930ºF) und Durchwärmen für 1 bis 5 Stunden;
2) Schrägwalzen zu 177,8 mm (7 inch) dicker Bramme;
3) Klassisches Walzen zu 38,1 mm (1,5 inch) Bramme;
4) Wiedererhitzen der Bramme auf 482 bis 498,89ºC (900 bis 930ºF);
5) Warmwalzen zu 12,7 mm (0,5 inch) Ziehbramme; und
6) Luftkühlung auf Zimmertemperatur.
Nach dem Warmwalzen wurde jede Legierung lösungsgeglüht. Die Legierungen A-F, die ein 19,05 mm (0,75 inch) Zieheisen umfassten, wurden in Längen von 609,6 mm (24 inch) gesägt, bei 537,8ºC (1000ºF) eine Stunde lang lösungsgeglüht und mit kaltem Wasser abgeschreckt. Alle T3- und T8-vergüteten Platten wurden innerhalb von 2 Stunden auf 6% gestreckt.
Die Legierungen AAX 2095 und AAX 2094 als 12,7 mm (0,5 inch) Zieheisen wurden bei 504,4ºC (940ºF) 2 Stunden lang lösungsgeglüht, mit kaltem Wasser abgeschreckt und auf 6% gestreckt.
Nach dem Lösungsglühen wurden alle Legierungen einem künstlichen Härten unterworfen. Für die Legierungen A-F, und um T8- Vergütungseigenschaften zu erreichen, wurden die Proben der T3- vergüteten Platten bei entweder 160ºC (320ºF) oder 171,1ºC (340ºF) 12, 16 und/oder 32 Stunden lang gehärtet. Die Proben der T3-vergüteten Platten von Legierung AAX 2095 wurden bei 148,89ºC (300ºF) 10, 20 und 30 Stunden lang gehärtet, um T8-Vergütungseigenschaften zu entwickeln. Die Proben von T3-Platten von Legierung AAX 2094 wurden 12 Stunden lang bei 148,89ºC (300ºF) gehärtet.
Um die Betriebsumgebung mit erhöhter Temperatur von Überschallflugzeugen zu simulieren, wurden für die Auswertung 162,8ºC (325ºF) und 176,67ºC (350ºF) gewählt. In diesem Experiment wurden Zeitspannen von 100 und 1000 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) gewählt. Zusätzlich wurden 1000 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 176,67ºC (350ºF) gewählt, um den Einfluss der Unterschiede in der Zusammensetzung auf die Wärmestabilität der 8 Legierungen genauer zu untersuchen.
Gemäß den oben beschriebenen Verarbeitungsbedingungen wurden die mechanischen Eigenschaften für die Legierungen A-F bzw. AAX 2095 und AAX 2094 erhalten. Tabelle II zeigt die Ergebnisse des natürlichen Alterns zu Spitzenfestigkeiten bei T8-Vergütungs bedingungen. Es ist zu bemerken, dass alle Festigkeitseigenschaften die Durchschnittswerte von doppelten Tests sind. Die Ergebnisse des Tests der Bruchzähigkeit jedoch stammen von Einzeltests. Die Tests der Festigkeit wurden mit länglichen 8,89 mm (0,350 inch) runden Proben durchgeführt, wobei der Bruchzähigkeitstest mit W = 38,1 mm (1,5 inch) Kompaktspannungsproben durchgeführt wurde.
Um den Vergleich der Eigenschaften zwischen den Legierungen AAX 2094 und AAX 2095 bzw. den Legierungen A-F konservativer zu gestalten, wurden die Bruchzähigkeitstests mit CT-Proben unter Verwendung einer 19,05 mm (0,75 inch) dicken Testprobe für die Legierungen A-F und einer 12,7 mm (0,5 inch) dicken Testprobe für die Legierungen nach dem Stand der Technik durchgeführt.
Die Ergebnisse der Tests der mechanischen Eigenschaften sind in den Tabellen II-IV aufgeführt. Tabelle II stellt die Ergebnisse von Tests der Bruchzähigkeit und der Zugfestigkeit dar, wobei die Antwort des künstlichen Härtens der Legierungen A-F und der beiden Legierungen nach dem Stand der Technik bis zu einer Spitzenfestigkeit bei T8-Vergütungsbedingungen zu sehen ist. TABELLE II TABELLE III
Es ist zu bemerken, dass die mechanischen Eigenschaften zu verschiedenen Härtungszeiten getestet wurden, um ein Steigen bzw. Fallen der Formänderungsfestigkeit bezüglich der Härtungsbedingungen festzustellen. Wie im folgenden beschrieben wird, erleichtert ein Beobachten der mechanischen Eigenschaften während des Härtens die Beurteilung der verschiedenen Zusammensetzungen auf ihre Wärmestabilität.
In Tabelle III sind die Eigenschaften der technischen Streckgrenze (TYS) und Bruchzähigkeit (Kq) nach 100 bzw. 1000 Stunden langem Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) aufgelistet. Die Legierungen wurden diesen Temperaturen für diese Zeitspannen nach Erreichen der Spitzenfestigkeiten, wie sie in Tabelle II dargestellt sind, ausgesetzt.
Fig. 3 stellt die Bruchzähigkeit und die technische Streckgrenze in Bezug auf die in Tabelle II und III angegebenen Härtungsbedingungen dar. In dieser Zeichnung ist eine Härtungsverhaltenskurve für jede im Schlüssel angegebene Legierung dargestellt. Die Härtungsverhaltenskurve zeigt einen Datenpunkt, der dem anfänglichen Härten bis zur höchsten oder fast höchsten Festigkeit entspricht. Die Verwendung dieser kombinierten Daten ermöglicht einen Vergleich des Übervergütungsverhaltens der Legierungen A-F und der beiden getesteten Legierungen nach dem Stand der Technik auf eine Weise, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Zum Beispiel hat die Härtungskurve für Legierung F drei Punkte der Bruchzähigkeit und der entsprechenden technischen Streckgrenze von Tabelle II, die im allgemeinen vertikal nebeneinanderliegen. Fortlaufend auf der gleichen Kurve sind 2 weitere Datenpunkte gesetzt, welche das Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) für 100 bzw. 1000 Stunden darstellen, wie in Tabelle III dargestellt ist. So zeigt die Kurve jeder Legierung ein verlängertes Übervergütungsverhalten, wie durch die beiden zusätzlichen Punkte dargestellt ist, wobei der erste Zusatzpunkt die TYS-Kq-Werte der Probe nach 100 Stunden Übervergüten bei 162,8ºC (325ºF) und der zweite Zusatzpunkt die TYS-Kq-Werte der Legierung nach 1000 Stunden Übervergüten bei 162,8ºC (325ºF) darstellt.
Die Vergleichslegierungen AAX 2095 und AAX 2094 zeigen ein typisches Übervergütungsverhalten für hochfeste lithiumhältige Aluminiumlegierungen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, wobei sich ein signifikanter Verlust der Bruchzähigkeit während des Übervergütens ohne annehmbare Wiedererlangung der Bruchzähigkeit selbst nach langem Aussetzen erhöhter Temperatur und schwerem Festigkeitsverlust zeigt. Dies wird durch die im allgemeinen horizontale Konfiguration der Kurven von AAX 2095 und AAX 2094 nach Erreichen der maximalen technischen Streckgrenze demonstriert. Im Zusammenhang mit dem Zeigen einer geringen Bruchzähigkeit selbst nach langem Aussetzen erhöhter Temperatur sind die Legierungen AAX 2094 und AAX 2095 Legierungen mit hohem Anteil an gelösten Stoffen mit Zusammensetzungen oberhalb der Kurve der Löslichkeitsgrenze, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 3 zeigen die Legierungen A-C und F keinen signifikanten Verlust an Bruchzähigkeit während des Übervergütens während des Aussetzens einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF). In Fig. 2 haben diese 4 Legierungen einen geringen Kupfer- und Lithiumgehalt, d. h. Gesamtgehalt an gelösten Stoffen, im Vergleich zur Kurve der Löslichkeitsgrenze. Die Legierungen D und E, Legierungen mit einem mittleren Gehalt an gelösten Stoffen, zeigen ein gemischtes Verhalten, einen Verlust an Bruchzähigkeit im Anfangsstadium des Übervergütens mit einem Wiedererlangen der Bruchzähigkeit nur nach einem erheblichen Festigkeitsverlust.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind ein Sinken der Bruchzähigkeit unter 21,98 MPa m (20ksi - inch) während des Übervergütens und die Fähigkeit, die Bruchzähigkeit von über 21,98 MPa m (20 ksi- inch) nach dem Erweichen durch zusätzliches Übervergüten wieder zu erlangen, eng mit dem Wert des Gesamtgehalts an gelöstem Kupfer und Lithium verbunden. Wenn der Gesamtgehalt an gelösten Stoffen genügend weit unter der Löslichkeitsgrenze liegt, d. h. 0,5%-Masse weniger Kupfergehalt als die Löslichkeitsgrenze bei einem gegebenen Lithiumwert, behält die Legierung während des gesamten Aussetzens erhöhter Temperatur gute Bruchzähigkeitswerte von über 21,98 MPa m (20 ksi - inch) bei.
Um die bessere Bruchzähigkeit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung noch genauer zu vergleichen, sind in Fig. 4 die Bruchzähigkeit und die technische Streckgrenze für jede Legierung im Schlüssel nach 100 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) dargestellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, behalten die Legierungen A-C und F nach 100 Stunden bei 162,8ºC (325ºF) gute Bruchzähigkeit bei, wobei jede Legierung eine Bruchzähigkeit von mehr als 21,98 MPa m (20 ksi- inch) aufweist. Die Legierungen F und C behalten ebenfalls eine höhere Festigkeit als die Legierungen A und B, während sie eine ähnliche Bruchzähigkeit behalten wie die beiden weicheren Legierungen A und B. Legierung F zeigt höhere Festigkeit als Legierung C, wobei Legierung C geringfügig höhere Bruchzähigkeit zeigt als Legierung F. Die in Fig. 4 dargestellten Daten entsprechen dem zweiten bis letzten Datenpunkt für jede Legierungskurve in Fig. 3.
Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Graphen wie Fig. 4, der die Beziehung zwischen der Bruchfestigkeit und der technischen Streckgrenze für jede Legierung im Schlüssel nach 1000 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) zeigt. Die in Fig. 5 dargestellten Daten entsprechen dem Endpunkt der Kurven von Fig. 3.
Die Ergebnisse, die in Fig. 5 dargestellt sind, erweisen sich als ähnlich wie jene von Fig. 4. Wieder behalten die Legierungen F und C gute Festigkeit und Bruchzähigkeit bei, wobei Legierung F die höchste Festigkeit und einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert aufweist, d. h. über 21,98 MPa m (20 ksi- inch). Legierung C zeigt wiederum höhere Bruchzähigkeit, jedoch geringere Festigkeit als Legierung F. Es ist jedoch zu bemerken, dass die beiden Legierungen mit mittlerem Gehalt an gelösten Stoffen, nämlich D und E, beim Erweichen ein gewisses Wiedererlangen der Bruchzähigkeit zeigten.
Um die Auswirkungen des Aussetzens einer erhöhten Temperatur auf die erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen genauer zu demonstrieren, sind in Tabelle IV die Eigenschaften der Festigkeit (TYS) und der Bruchzähigkeit (Kq) der Legierungen von Tabelle I aufgeführt, getestet bei Zimmertemperatur nach langdauerndem Aussetzen einer Temperatur von 176,7ºC (350ºF). Diese Daten sollen ein Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºC) während einer Zeitspanne von mehr als 1000 Stunden simulieren, da ein Testen bei 162,8ºC (325ºF) für eine größere Anzahl von Stunden über 1000 Stunden hinaus während des Experimentsverfahrens unpraktisch war. TABELLE IV
Auf gleiche Weise wie in Fig. 3 sind die Ergebnisse des Härtens und die Beziehung zwischen der Bruchzähigkeit und der technischen Streckgrenze, die in Tabelle IV aufgelistet sind, in Fig. 6 dargestellt. Wieder ist Legierung F besser als die anderen Legierungen, die in dieser Kombination von Festigkeit und Bruchzähigkeit dargestellt sind. Bei diesem "beschleunigten Test" bei 176,7ºC (350ºF) für 1000 Stunden wird gezeigt, dass Legierung F im wesentlichen die gleichen Werte für die Bruchzähigkeit wie die anderen Legierungen mit geringem oder mittlerem Gehalt an gelösten Stoffen beibehält, während sie im wesentlichen die gleichen Werte der Festigkeit behält wie die Legierungen AAX 2094 und AAX 2095, die einen viel höheren Gehalt an gelösten Stoffen haben.
Anhand der in Fig. 3-6 und Tab. II-IV dargestellten Ergebnisse wurde gefunden, dass der Verlust an Bruchzähigkeit während des Übervergütens und die Fähigkeit, die Bruchzähigkeit nach dem Erweichen durch Übervergüten wieder zu erlangen, eng mit dem Wert des Gesamtgehalts an gelöstem Kupfer und Lithium verknüpft ist. Wie aus dem Vergleich zwischen den Legierungen A-F zu erkennen ist, hilft ein hoher Kupfergehalt, den Festigkeitsverlust nach langdauerndem Aussetzen erhöhter Temperatur gering zu halten.
Anhand des Tests des Aussetzens einer erhöhten Temperatur von 162,8ºC (325ºF) für 100 und 1000 Stunden und 1000 Stunden bei 176,7ºC (350ºF) zeigte Legierung F die am meisten bevorzugten Eigenschaften, d. h. minimalen Festigkeitsverlust ohne Verlust der Bruchzähigkeit nach langdauerndem Aussetzen erhöhter Temperatur. Wie in Fig. 3-6 dargestellt ist, zeigte Legierung F den unerwünschten Effekt eines Sinkens der Bruchzähigkeit unter minimal annehmbare Werte, gefolgt vom Wiedererlangen annehmbarer Werte, nicht. Im Gegenteil behielt Legierung F während des gesamten Aussetzens einer erhöhten Temperatur einen annehmbaren Bruchzähigkeitswert bei. Weiters ist die Dichte von Legierung F um 6% niedriger, d. h. 2684,95 kg · m&supmin;³ (0,097 lbs./in³) im Vergleich zur hochfesten Hochtemperaturlegierung AA 2519 auf Al-Cu- Basis nach dem Stand der Technik. Um die unerwarteten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung deutlicher darzustellen, vergleicht Tabelle V die Dichte und die technische Streckgrenze nach 100 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) und 176,7ºC (350ºF) für Legierung F im Vergleich zu 3 Legierungen nach dem Stand der Technik. Wie aus Tabelle V ersichtlich ist, weist Legierung F die niedrigste Dichte auf, während sie bei beiden Temperaturen die höchste technische Streckgrenze zeigt. TABELLE V
Tabelle VI zeigt einen Vergleich wie Tabelle V für Legierung F und 3 Legierungen nach dem Stand der Technik. In Tabelle VI wird die technische Streckgrenze bei Zimmertemperatur nach 1000 Stunden Aussetzen einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) und 176,7ºC (350ºF) mit der Dichte verglichen. Wiederum zeigt Legierung F die niedrigste Dichte und die höchste technische Streckgrenze bei Zimmertemperatur. Es ist zu bemerken, dass die Eigenschaften von 2618, 2024, 2219 und 2519 aus "Aluminum-based Materials for High Speed Aircraft" von L. Angers, vorgelegt beim NASA Langley Metallic Materials Workshop, 6.-7. Dezember 1991, entnommen sind. TABELLE VI
Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung bietet unerwarteterweise eine Kombination annehmbarer Bruchzähigkeitswerte während des gesamten Aussetzens erhöhter Temperatur und hoher Festigkeitswerte. Daher wird die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung speziell für die Verwendung beim Einsatz in der Luft- und Raumfahrt adaptiert, was gute Wärmestabilität erfordert. In Anwendungen dieser Art kann Rumpfbekleidungsmaterial, das Mach 2,0 und Mach 2,2 unterworfen ist, einer Temperatur von 162,8ºC (325ºF) ausgesetzt werden. Anhand der oben dargestellten Ergebnisse bietet die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung eine hochfeste Aluminium-Lithium-Legierung mit niedriger Dichte ohne ernsthafte Verschlechterung der Bruchzähigkeit während dieser erhöhten Temperaturen, während die Werte der Bruchzähigkeit in der Ebene bei Belastung bei etwa 21,98 MPa m (20 ksi- inch) oder höher bleiben.
Es ist zu bemerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren zwar anhand der Herstellung einer Plattenstruktur beschrieben worden ist, jedoch jeder Bauteil unter Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung bzw. des Verfahrens hergestellt werden kann. Zum Beispiel können Rumpfbekleidungsmaterial oder Rahmenbauteile gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren produziert und aus der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung hergestellt werden.
An sich ist eine Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen geoffenbart worden, die alle und jede Ziele der vorliegenden Erfindung erfüllen, wie sie oben dargelegt sind, und eine neue und verbesserte Aluminiumlegierungszusammensetzung zur Verfügung stellen, die während des gesamten Aussetzens erhöhter Temperatur sowohl hohe Festigkeit als auch annehmbare Bruchzähigkeitswerte aufweist.
Selbstverständlich können vom Fachmann verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Abänderungen der Lehre der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angeschlossenen Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Aluminiumlegierung mit niedriger Dichte, umfassend die Formel

CuaLibMgcAgdZreAlbal

worin a, b, c, d und e die Menge der einzelnen Legierungskomponenten in Massenprozent angeben und bal den Massenprozentsatz von Aluminium angibt, um auf 100%-Masse der Legierung zu ergänzen, und worin 2,8 < a < 3,8, 0,80 < b < 1,3, 0,20 < c < 1,00, 0,20 < d < 1,00 und 0,08 < e < 0,25 ist, mit bis zu jeweils 0,25%-Masse Verunreinigungen wie Si, Fe und Zn und bis zu insgesamt höchstens 0,5%-Masse, worin die Kupfer- und Lithiummengen durch Cu (%-Masse) + 1,5 Li (%-Masse) < 5,4 festgelegt sind, wobei die Legierung eine Dichte im Bereich von 2619,59 bis 2712,63 kg · m&supmin;³ (0,095 bis 0,0980 lbs/in³) hat und das Verhältnis von Cu : Li in eine Fläche auf einem Graphen fällt, wobei der Cu-Gehalt auf der einen Achse und der Li-Gehalt auf der anderen Achse liegen, wobei die Fläche durch die folgenden Eckpunkte definiert ist:

(a) 3,8% Cu - 0,8% Li; (b) 2,8% Cu - 0,8% Li; (c) 2,8% Cu - 1,3% Li; (d) 3,45% Cu - 1,3% Li und (e) 3,8% Cu - 1,07% Li, wobei diese Legierung beim Aussetzen hohen Temperaturen hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweist.

2. Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 1, worin der Gehalt an Kupfer und Lithium zusammen bei einer gegebenen Lithiummenge um mindestens 0,4%-Masse Kupfer unterhalb der Solubilitätsgrenze von Kupfer und Lithium in Aluminium liegt.

3. Flugwerkskonstruktion für die Luft- und Raumfahrt, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 1.

4. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsproduktes mit hoher Bruchzähigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen, welches die folgenden Schritte umfaßt:

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

CuaLibMgcAgdZreAlbal

worin a, b, c, d und e die Menge der einzelnen Legierungskomponenten in Massenprozent angeben und bal den Massenprozentsatz von Aluminium angibt, um auf 100%-Masse der Legierung zu ergänzen, und worin 2,8 < a < 3,8, 0,80 < b < 1,30, 0,20 < c < 1,00, 0,20 < d < 1,00 und 0,08 < e < 0,40 ist, mit bis zu jeweils 0,25%-Masse Verunreinigungen wie Si, Fe und Zn und bis zu insgesamt höchstens 0,5%-Masse, worin die Kupfer- und Lithiummengen durch Cu (%-Masse) + 1,5 Li (%-Masse) < 5,4 festgelegt sind, wobei die Legierung eine Dichte im Bereich von 2629,59 bis 2715,40 kg · m&supmin;³ (0,095 bis 0,0981 lbs/in³) hat und das Verhältnis von Cu : Li in eine Fläche auf einem Graphen fällt, wobei der Cu-Gehalt auf der einen Achse und der Li-Gehalt auf der anderen Achse liegen, wobei die Fläche durch die folgenden Eckpunkte definiert ist:

(a) 3,8% Cu - 0,8% Li; (b) 2,8% Cu - 0,8% Li; (c) 2,8% Cu - 1,3% Li; (d) 3,45% Cu - 1,3% Li und (e) 3,8% Cu - 1,07% Li;

b) Entspannung des Blocks oder Strangs durch etwa 8 Stunden Erhitzen zwischen 315,5ºC und 426,7ºC (600ºF und 800ºF);

c) Diffusionsglühen des Blocks oder Strangs durch Erhitzen, etwa 8 Stunden Durchwärmen bei etwa 504,4ºC (940ºF) und weiters etwa 36 Stunden bei etwa 537,8ºC (1000ºF) und anschließend Abkühlung;

d) Auswalzen des Blocks oder Strangs in ein Produkt mit den endgültigen Maßen;

e) Lösungsglühen des Produkts bei etwa 537,8ºC (1000ºF) durch Durchwärmen und anschließend Abschrecken;

f) Strecken des Produktes auf 5 bis 11%; und

g) Aushärten des Produktes durch 12 bis 32 Stunden Erhitzen auf 160ºC bis 171,1ºC (320ºF bis 340ºF).

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, umfassend die Schritte:

a) Entspannung für etwa 8 Stunden zwischen 315,5ºC und 426,7ºC (600ºF und 800ºF);

b) Diffusionsglühen des Blocks zuerst etwa 8 Stunden lang bei etwa 504,4ºC (940ºF) und weiters etwa 36 Stunden lang bei etwa 537,8ºC (1000ºF), gefolgt von Ventilatorkühlung;

c) 3 bis 5 Stunden lang Vorwärmen des Blocks bei 510ºC (950ºF), Luftkühlung auf etwa 482,2ºC (900ºF) und Warmwalzen;

d) etwa 1 Stunde lang Lösungsglühen bei etwa 537,8ºC (1000ºF) und Abschrecken mit kaltem Wasser;

e) Strecken auf etwa 6%; und

f) 12 bis 32 Stunden Aushärten bei 160ºC bis 171,1ºC (320ºF bis 340ºF).

6. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei dieses Produkt eine Bruchzähigkeit von über 21,98 MPa m (20 ksi inch) aufweist, wenn es längere Zeit hohen Temperaturen von mindestens etwa 162,8ºC (325ºF) ausgesetzt wird.