DE69326838T3 - Zähe aluminiumlegierung mit kupfer und magnesium - Google Patents

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Description

  • Umfeld der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine verbesserte Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung und betrifft insbesondere eine Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung, welche Silber enthält und durch ausgezeichnete Kombinationen von mechanischer Festigkeit und hoher Zähigkeit gekennzeichnet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Aluminium-Legierungen weitläufig verwendet, bedingt durch die Haltbarkeit der Legierungen, wie auch durch die Gewichtsreduzierung, die durch deren Verwendung erzielt werden kann. In Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendbare Legierungen müssen ausgezeichnete Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften aufweisen. Es ist eine Anzahl an Legierungen für diese Anwendungen entwickelt worden. Diese Typen von Le gierungen umfassen Knet-Legierungen, die verschiedenen Wärmebehandlungs- und Verformungsverfahren unterworfen werden, um die Eigenschaften für eine spezifische Anwendung zu optimieren. Es verbleibt jedoch ein kontinuierlicher Bedarf in der Industrie für eine hochfeste und hochzähe Aluminium-Legierung, wie sie bei einer Vielzahl von Produktanwendungen zum Einsatz kommen kann, in denen es schwierig oder ungeeignet ist, eine vorangehende Kaltverformung für ein nachfolgendes Wärmebehandlungsverfahren anzuwenden, wie z.B. künstliche Alterung bzw. Aushärtbehandlungen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf in der Luft- und Raumfahrtindustrie, indem eine Aluminium-Legierung angegeben ist, die kritische Mengen an Kupfer, Magnesium und Silber enthält.
  • Die erfindungsgemäße Legierung verfügt als Ergebnis der Kombination von Legierungskomponenten über potentielle Anwendungsmöglichkeiten in einer breiten Vielzahl von Bereichen, einschließlich Schmieden, Platten-, Schicht-, Extrusions-, schweißbaren Komponenten und Matrixmaterialien für Kompositstrukturen.
  • In der Technik sind Aluminium-Legierungen bekannt, die Magnesium, Kupfer und Silber enthalten.
  • Staley et al., in "Metallurgical Transactions", Januar 1972, Seiten 191-199, beschreibt hochfeste Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen, und zwar mit und ohne Silberzusetzungen. In dieser Veröffentlichung untersuchten Staley et al. den Einfluß von Silberzusätzen bezüglich der Wärmebehandlungsmerkmale von hochfesten Legierungen. Staley et al. bezieht sich auf eine Veröffentlichung von Polmear in "Journal of the Institute of Metals", 1960, Vol. 89, Seiten 51 und 193, wo berichtet wird, daß 0,3 bis 1% an Silberzusätzen wesentlich die Festigkeit von Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen erhöhen.
  • Das U.S.-Patent Nr. 3,414,406 von Doyle et al. offenbart eine Kupfer, Mangan und Titan enthaltende Aluminium-Legierung, unter Einschluß von 0,1 bis 0,5 Gewichts-% von Magnesium. Die Aluminium-Legierung enthält ebenfalls 0,2 bis 0,4 Gewichts-% Silber. Des weiteren erfordert die Aluminium-Legierung von Doyle et al. eine Menge von Silizium zwischen 0,1 und 0,35 Gewichts-%.
  • Das U.S.-Patent Nr. 4,610,733 von Sanders et al. offenbart eine hochfeste schweißbare Aluminium-basierte Legierung, die sich durch hohe Festigkeit auszeichnet und die für ballistische Schutzvorrichtungen bzw. Rüstungen ausgelegt ist. Die Legierung umfaßt 5 bis 7 Gewichts-% Kupfer und 0,1 bis 0,3 Gewichts-% Magnesium. Die Legierung wird Bearbeitungsbedingungen unterworfen, umfassend eine Kaltbearbeitung, die einer 6-%igen Dehnung entspricht, sowie einer Alterung bzw. Aushärtung, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen.
  • U.S.-A-3,475,166 definiert eine Aluminium-Gußlegierung, umfassend 3,5 bis 6% Kupfer, 0,05 bis 3,0% Silber, 0,15 bis 0,4% Magnesium, bis zu 1% Mangan und als Balance Aluminium.
  • Das U.S.-Patent Nr. 4,772,342 von Polmear offenbart eine Knet-Aluminium-Kupfer-Magnesium-Typ-Aluminium-Legierung mit Kupfer bei einer Menge zwischen 5 und 7 Gewichts-%, Magnesium bei einer Menge zwischen 0,3 bis 0,8 Gewichts-%, Silber bei einer Menge zwischen 0,2 und 1,0 Gewichts-%, gemeinsam mit Mangan, Zirkon, Vanadium und als Balance Aluminium. In dem dargestellten Beispiel 2 des Polmear-Patentes ist eine Legierung offenbart, die 5,3 Gewichts-% Kupfer und 0,6 Gewichts-% Magnesium enthält, wobei solch eine Zusammensetzung die Löslichkeitsgrenze von Kupfer und Magnesium in der Legierung überschreitet. Des weiteren beschreibt Polmear nicht die Erhaltung der Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit bei diesen Typen von Aluminium-Legierungen als ein Ergebnis der Einschränkung bzw. Beschränkung der Mengen an Kupfer und Magnesium auf unterhalb der Löslichkeitsgrenze. Die Legierung 2124 enthält 3,8 bis 4,9% Cu, 1,2 bis 1,8% Mg, 0,3 bis 0,9% Mn.
  • Die vorliegende Erfindung zielt auf eine verbesserte Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung ab, mit Silber, welche verbesserte Kombinationen von Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Die erfindungsgemäßen Legierungen verfügen über präzise Mengen der Legierungskomponenten, wie hierin beschrieben, und stellen herausragende Kombinationen von Festigkeits- und Zähigkeitsmerkmalen bereit.
  • Zusammenfassung der Erfindung.
  • Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminiumbasierte Legierung anzugeben, die Aluminium, Kupfer, Magnesium und Silber enthält, und welche hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit kombiniert.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Aluminiumbasierte Legierung anzugeben, die Kupfer- und Magnesiumgehalte bzw. -mengen unterhalb der Löslichkeitsgrenze enthält, um akzeptable Pegel an Festigkeit zu erhalten, während eine höhere Beschädigungstoleranz oder verbesserte Zähigkeit erzielt wird.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium-basierte Legierung anzugeben, die reduzierte Kupferpegel aufweist, um Anwendungen in Legierungen zu Schweißzwecken, Schmiedearbeiten, Gußfolien, Flugzeugkomponentenverwendungen und Matri zen für Metallmatrixkompositelemente zu vereinfachen.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung.
  • Gemäß Anspruch 1 wird unter Zufriedenstellung der vorangegangenen Aufgaben und Vorteile erfindungsgemäß eine Aluminiumbasierte Legierung bereitgestellt, umfassend 3,85 bis 5,5 Gewichts-% Kupfer, 0,1 bis 0,8 Gewichts%-Magnesium, 0,1 bis 1,0 Gewichts-% Silber und geringe Mengen an zusätzlichen Legierungselementen, um die Körnungsstruktur während Heißbearbeitungsschritten und die Kornbearbeitung zu steuern. Die Beziehung zwischen den Mengen bzw. Gehalten an Kupfer und Magnesium ist derart, daß die Löslichkeitsgrenze bzw. die Festkörperlöslichkeitsgrenze nicht überschritten wird. Die Legierung zeigt verbesserte Kombinationen von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es wird nun Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen gilt:
  • 1 ist ein Kurvenverlauf, welcher Legierungsproben und den Zusammensetzungsbereich der erfindungsgemäßen Legierung bezüglich der Festkörperlöslichkeitsgrenzlinie für Magnesium und Kupfer in Aluminium zeigt.
  • 2a und 2b sind Kurvenverläufe, die die Beziehung zwischen CIE (Charpy Impact Energy) (Kerbenergie) -Bruchwiderstand und auftretender Festigkeit für verschiedene Proben der erfindungsgemäßen Legierung und Legierungen gemäß dem Stand der Technik in zwei Testausrichtungen zeigen.
  • 3a und 3b sind Kurvenverläufe, die die Beziehung zwischen Kq-Bruchzähigkeit und auftretender Festigkeit für verschiedene Beispiele der erfindungsgemäßen Legierung und bestehende Legierung in zwei Testausrichtungen darstellen.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung zielt auf eine verbesserte Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung ab, die ausgezeichnete Kombinationen von Festigkeits- und Zähigkeitsmerkmalen aufweist. Die Aluminium-basierte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt 3,85 bis 5,5 Gewichts-% Kupfer, 0,10 bis 0,8 Gewichts-% Magnesium und als Balance Aluminium, wobei die Gesamtmenge bzw. der Gesamtgehalt an Magnesium und Kupfer derart ist, daß die Festkörperlöslichkeitsgrenze der Legierung nicht überschritten wird. Die Legierung umfaßt 0,10 bis 1,0 Gewichts-% Silber. Die Legierung kann ebenfalls geringe Mengen an Dispersionszusätzen enthalten, um die Legierungskornstruktur bzw. -Körnungsstruktur zu steuern, wie z.B. zumindest eines von Zirkon, bei einer Menge von bis zu 0,20 Gewichts-%, bevorzugt 0,001 bis 0,12, Vanadium, bei einer Menge von bis zu 0,20 Gewichts-%, bevorzugt 0,001 bis 0,12, und Mangan, bei einer Menge von bis zu 0,6 Gewichts-%, bevorzugt 0,001 bis 0,45. Die Legierung kann ebenfalls Körnungsrefiner bzw. Kornbildner enthalten, wie z.B. Titan bei einer Menge von bis zu 0,05 Gewichts-%, bevorzugt 0,001 bis 0,05. Zusätzlich kann die Legierung ebenfalls Unreinheiten enthalten, wie z.B. Eisen und Silizium, wobei die maximale Menge an Eisen etwa 0,30 Gewichts-% und die maximale Menge an Silizium etwa 0,25 Gewichts-% ausmacht, wobei ein Maximum von 0,10 Fe und 0,08 Si bevorzugt ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Aluminium-basierte Legierung im wesentlichen aus etwa 4,8 Gewichts-% Kupfer, 0,45 Gewichts-% Magnesium, 0,40 Gewichts-% Silber, 0,12 Gewichts-% Zirkon, 0,12 Gewichts-% Vanadium, 0,01 bis 0,02 Gewichts-% Titan, 0,08 Gewichts-% Eisen und 0,06 Gewichts-% Silizium.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung verfügt die Aluminiumbasierte Legierung über die Hauptlösungselemente von Kupfer und Magnesium, die in solch einer Weise gesteuert sind, daß die Löslichkeitsgrenze nicht überschritten wird. Bei dieser Ausführungsform wird eine Legierung bereitgestellt, die eine höhere Zähigkeit als Legierungen gemäß dem Stand der Technik aufweist, und zwar als Ergebnis einer Niedervolumenprozentzweitphase bzw. einer Niederprozentvolumenensekundärphase (VPSP), bedingt durch den niedrigeren Kupfergehalt.
  • Es wurde entdeckt, daß Kombinationen von sowohl hoher Festigkeit als auch hoher Zähigkeit in der erfindungsgemäßen Legierung erhalten werden, indem der Bereich der Zusammensetzung der Lösungselemente von Kupfer und Magnesium in solch einer Weise gesteuert wird, daß die Festkorperlöslichkeitsgrenze nicht überschritten wird. Als ein Ergebnis dieses gesteuerten Zusammensetzungsbereiches wird eine erfinderische Legierung bereitgestellt mit Pegeln von Festigkeit, die vergleichbar sind mit jenen von Legierungen gemäß dem Stand der Technik, wobei jedoch eine verbesserte Bruchzähigkeit oder Beschädigungstoleranz vorliegt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Legierung basieren die Hochfestigkeits- und Hochzähigkeitseigenschaften auf der Maximierung der Kupfer- und Magnesiumzusätze, so daß sämtliche Lösungselemente, d.h. Kupfer zuzüglich Magnesium zur Präzipitation bzw. Fällung bzw. Niederschlag der Festigungsphasen verwendet werden. Es ist wichtig, jeglichen Überschuß an Lösungselementen zu vermeiden, die zu dem Sekundär- bzw. Zweitphasengehalt des Materials beitragen könnten und dessen Bruchzähigkeit reduzieren könnten. Theoretisch sollte der maximale Lösungspegel, Kupfer zuzüglich Magnesium, bei dieser Löslichkeitsgrenze gehalten werden. Diese Grenze wird in Gewichts-% angegeben durch die Gleichung: Cumax = –0,91 (Mg) + 5,59 (1)
  • Demzufolge kann eine Legierung, die 0,1 Gewichts-% Magnesium enthält, maximal 5,5 Gewichts-% Kupfer enthalten, ohne unerwünschte unlösliche Sekundärphasenpartikel zu erzeugen. In ähnlicher Weise würde bei 0,8 Gewichts-% Magnesium das Kupfermaximum bei 4,85 Gewichts-% liegen.
  • In der Praxis müssen die Lösungspegel gesteuert werden auf unmittelbar unterhalb der Löslichkeitsgrenze, um Zweitphasen- bzw. Sekundärphasenpartikel zu vermeiden. Dieser Steuerpegel muß erfolgen als ein Ergebnis herkömmlicher Verarbeitungstechniken, um diese Typen von Legierungen zu bilden. Beim herkömmlichen Gießen dieser Typen von Legierungen führt Mikrosegregation von Kupfer in dem Rohling zu lokalen Bereichen mit hohem Kupfergehalt. Wenn der Gesamtkupferpegel nahe an der Löslichkeitsgrenze liegt, werden diese Bereiche die Festkörperlöslichkeitsgrenze überschreiten und unlösliche Zweitphasenpartikel enthalten.
  • Während Lösungswärmebehandlungsschritten können Öfen nicht unter realen isothermischen Bedingungen beibehalten werden. Als ein Ergebnis messen die Öfen in dem Varianzbereich bezüglich des eingestellten Temperaturpunktes betrieben werden. Demzufolge muß die Legierungszusammensetzung in solch einer Weise vorgesehen werden, daß sämtliche Kupfer- und Magnesiumlösungselemente in die Festkörperlösung gebracht werden können, unter der Annahme der Betriebsgrenzen des Ofens. Als ein Ergebnis der Einschränkungen in der beabsichtigten Verarbeitungssequenz für diese Typen von Legierungen müssen die bevorzugten Prozentzahlen für Kupfer und Magnesium die oben diskutierten Variablen bzw. die oben diskutierte Varianz kompensieren. Eine bevorzugte Lösungsgrenze für Kupfer unter Verwendung von DC (direct chill) (Gußrohling) und herkömmlicher Lösungswärmebehandlungsöfen ist in Gewichts-% angegeben durch die folgende Gleichung: Cubevorzugt = –0,91 (Mg) + 5,2 (2)
  • Demzufolge würde eine 0,1 Gewichts-% Magnesium enthaltende Legierung bevorzugt 5,1 Gewichts-% Kupfer aufweisen. In ähnlicher Weise würde bei 0,8 Gewichts-% Magnesium bevorzugt 4,40 Gewichts-% Kupfer vorliegen.
  • Ein Minimalkupferpegel, um die hohe Festigkeit zu sichern, kann in Gewichts-% angegeben werden durch die folgende Gleichung: Cu = –0,91 (Mg) + 4,59 (3)
  • Demzufolge würde eine Legierung, die 0,1 Gewichts-% Magnesium enthält, ein Minimum von 4,5 Gewichts-% Kupfer aufweisen. In ähnlicher Weise würde bei 0,8 Gewichts-% Magnesium ein Minimum an Kupfer bei 3,85 Gewichts-% liegen.
  • Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 sind die Zusammensetzungsgrenzen für eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung als Bereich A dargestellt. Es sollte erwähnt werden, daß wie vorangehend beschrieben, die Legierung ebenfalls Titan enthalten können.
  • Innerhalb dieses Bereiches müssen die Mengen an Kupfer und Magnesium wechselweise abgestimmt sein, um zu sichern, daß die Festkörperlöslichkeitsgrenze für eine beliebige Zusammensetzung nicht überschritten wird. Wenn die Mengen bzw. Gehalte an Kupfer und Magnesium zu hoch sind, besteht eine nicht akzeptierbare Reduzierung der Bruchzähigkeitseigenschaften. Wenn die Mengen an Kupfer und Magnesium zu niedrig sind, wird die Festigkeit der Legierung zu niedrig sein.
  • Innerhalb des Bereiches A sind die prädominanten Präzipitationsphasen bzw. Fällungs- bzw. Niederschlagsphasen kupferreich. Sowohl die Präzipitationszusammensetzung als auch die Verteilung können durch Silberzusetzungen verändert werden.
  • Die Präzipitationsphasenzusemmensetzung und -Verteilung beeinflußt die Eigenschaften der aus den Legierungen gebildeten Produkte, wie z.B. den Korrosionswiderstand und mechanische Eigenschaftsveränderungen nach Aussetzung bezüglich überhöhter bzw. hoher Temperatur. Die spezifische Anwendung für die Legierungsprodukte würde bestimmen, daß die gewünschte Präzipitationsphase maximiert wird.
  • Unter Bezugnahme nun auf 1 ist die Festkörperlöslichkeitsgrenze dargestellt, aufgezeichnet mit Bezug auf Gewichtsprozentangaben von Kupfer und Magnesium. Der durch die Löslichkeitsgrenze umgebene Bereich, wie durch die Gleichung 1 beschrieben, und die untere Legierungszusammensetzungsgrenze, wie durch die Gleichung 3 beschrieben, zwischen den Bereichen von 0,1 bis 0,8 Gewichts-% Magnesium, identifiziert die Bereiche und Beziehungen von Kupfer und Magnesium für die Legierung der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wurde herausgefunden, daß Silber der Legierung zugesetzt wird, um die Festigkeit zu erhöhen, die aus der Losungswärmebehandlung entwikkelt wird, gefolgt von einer künstlichen Alterung bzw. Aushärtung (im folgenden "T6 Festigkeit"). Das Zusetzen von Silber zu der erfindungsgemäßen Legierung erzeugt dieselbe. Festigkeit, jedoch ohne Kaltverformung vor dem Altern bzw. Aushärten, wie eine silberfreie Legierung dies tun würde, bei 4 bis 8 Prozent Kaltreduzierung vor der Alterung bzw. Aushärtung. Des weiteren scheint das Zusetzen von Silber zu der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung nicht in unakzeptabler Weise die Bruchzähigkeit zu reduzieren.
  • Neben der Steuerung der Gesamtmenge an Kupfer und Magnesium auf unterhalb der Löslichkeitsgrenze und dem Zusetzen von Silber zu der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung können Dispersoid bzw. Dispersionszusätze erfolgen, um die Legierungskorn- bzw. körnungsstruktur während Heißbearbeitungsschritten, wie z.B. Heißwalzen, Schmieden, Extrudieren, etc., erfolgen. Ferner können die Dispersoid- bzw. Dispersionszusätze der Gesamtlegierung zusätzliche Festigkeit und Stabilität verleihen.
  • Ein Dispersionszusatz kann Zirkon sein, welches eine Körnungsrekristallisation hemmt, indem Al3Zr-Partikel gebildet werden. Ein anderer Dispersionszusatz, Vanadium, kann zugesetzt werden, um die Al3Zr-Partikel zu modifizieren mittels Substitution von Zirkon mit Vanadium in dem Kristallgitter. Die resultierenden Al3(Zr, V)-Partikel zeigen größere thermische Stabilität während des Homogenisierens und der Lösungswärmebehandlung.
  • Zusätzliches oder ersetzendes Mangan für Zirkon und/oder Vanadium kann ebenfalls zugesetzt werden, um die Legierungskornstruktur zu verbessern. Mangan kann jedoch ebenfalls dem Zweitphasengehalt des Endproduktes zugeführt werden, was zu einer niedrigeren Bruchzähigkeit führt. Als ein Ergebnis muß das Zusetzen von Mangan zu der erfindungsgemäßen Legierung bestimmt werden, basierend auf der beabsichtigten Anwendung.
  • Das Zirkon kann in einem Bereich liegen von bis zu maximal 0,20 Gewichts-%, wobei ein bevorzugter Zielwert etwa 0,12 Gewichts-% ist. Das Vanadium kann ebenfalls in einem Bereich liegen von bis zu einem Maximum von 0,20 Gewichts-%, wobei ein Zielwert derselbe ist wie jener für Zirkon.
  • Mangan kann vorgesehen sein in einem Bereich zwischen 0,00 Prozent bis zu einem Maximum von 0,60 Gewichts-%. Ein bevorzugter Bereich für Mangan, insoweit vorliegend, liegt zwischen 0,001 und 0,45 Gewichts-%.
  • Körnungsraffinierlegierungszusätze können ebenfalls bezüglich der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung erfolgen. Titan kann zugesetzt werden während des DC-Gießens, um die Kornform und -größe im Nachgußzustand zu modifizieren. Es ist wünschenswert, lediglich ausreichend Titan zu verwenden, um einen vernünftigen Pegel an Korngröße bzw. Körnungsgröße zu erzielen. Überschüssige Titanzusätze sind zu vermeiden, da diese einen Beitrag zu dem unlöslichen Zweitphasengehalt der Legierung bilden. Titan kann vorgesehen sein in einem Bereich von bis zu maximal 0,05 Gewichts-%, wobei ein bevorzugter Bereich bei 0,01 bis 0,02 Gewichts-% liegt.
  • Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung umfaßt ebenfalls andere Elemente als Unreinheiten. Idealerweise sollten Unreinheiten beschränkt sein auf ein Maß, wie es ökonomisch möglich ist, wobei der Unreinheitspegel für einzelne Elemente (welche nicht Eisen und Silizium sind), weniger als 0,05 Gewichts-% sein sollte, oder der Gesamtunreinheitspegel weniger als 0,15 Gewichts-% sein sollte. Maßgebliche Unreinheiten in Aluminium sind Eisen und Silizium, welche beeinträchtigende Wirkung auf die Bruchzähigkeit haben können. Eisen in der erfindungsgemäßen Legierung sollte nicht ein Maximum von 0,15 Gewichts-% überschreiten, wobei ein bevorzugter Maximalzielwert bei 0,08 Gewichts-% liegt. Silizium sollte 0,10 Gewichts-% nicht überschreiten, wobei ein bevorzugter Zielmaximalwert bei 0,06 Gewichts-% liegt.
  • Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können hergestellt werden entsprechend herkömmlichen Verfahren, die in der Technik bekannt sind. Vorteilhafterweise werden in einer Ausführungsform die Komponenten der Legierung gemischt bzw. vermengt und als Schmelze bereitgestellt. Die Schmelze wird anschließend gegossen, um einen zur Verarbeitung vorgesehenen Rohling zu bilden. Der Rohling bzw. Block kann mechanisch mit in der Technik bekannten Mitteln bearbeitet werden, wie z.B. Walzen, Schmieden oder Extrudieren, um Produkte zu bilden. Wie angegeben, sind die Legierungen insbesondere geeignet für Luft- und Raumfahrtkomponenten, wie z.B. Flugzeughäute und strukturelle Glieder, die erforderlich sind, um komplexen Spannungen bei hohen Temperaturen für lange Zeiten zu widerstehen. Nach der Bearbeitung können die Produkte lösungswärmebehandelt werden bei hohen Temperaturen, mit einem anschließenden Quenschen und abschließender natürlicher und/oder künstlicher Alterung bzw. Aushärtung.
  • Es wird anerkannt, daß frühere Patente und Veröffentlichungen breite Offenbarungen von Aluminium -basierten Legierungen enthalten, welche die Komponenten der erfindungsgemäßen Legierung enthalten. Jedoch beschreibt der Stand der Technik keine Legierungen, welche sämtliche der kritischen Komponenten der Legierung gemäß der Erfindung in der kritischen Kombination enthalten, wie oben angegeben. Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß die Mengen an Kupfer und Magnesium, wie auch die Beziehung zwischen den Mengen, kritisch und wesentlich sind, um eine Aluminiumbasierte Legierung anzugeben, welche ausgezeichnete Kombinationen von mechanischer Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweist. Erfindungsgemäß stellt das Aufrechterhalten der Kombination von Kupfer- und Magnesiummengen in der Legierung unterhalb der Festkorperlöslichkeitsgrenze eine Kombination bereit von sowohl hoher Festigkeit als auch hoher Bruchzähigkeit.
  • Um die erfindungsgemäße Legierung und die Einflüsse bzw. Wirkungen der Steuerung des Kupfer- und Magnesiumgehaltes unterhalb der Löslichkeitsgrenze und den Einfluß des Zusetzens von Silber zu diesen Typen von Legierungen zu beschreiben, werden die folgenden Beispiele angegeben. Die Beispiele bzw. Proben sind illustrativ für die Erfindung angegeben, sollen diese jedoch nicht einschränken. Bei den experimentellen Ergebnissen sind Anteile, Gewichtsanteile insoweit nicht anders angegeben.
  • Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen zu Darstellungszwecken der Verbesserung in den mechanischen Eigenschaften wurden 7,6 cm (3 inch) × 20,3 cm (8 inch) Rohlinge der in Tabelle 2 aufgelisteten Zusammensetzungen gegossen.
  • Sämtliche Rohlinge, mit Ausnahme der Proben 5 und 6, wurden schrittweise bzw. batch homogenisiert unter Erwärmung bei 28°C (50°F) je Stunde auf zwischen 527 bis 532°C (980 bis 990°F) und für 36 Stunden eingetaucht bzw. ziehen gelassen. Proben 5 und 6 wurden homogenisiert zwischen 493 bis 499°C (920 bis 930°F). Nach dem Auskühlen wurden die Rohlinge um 0,318 cm (0,125 inch) an jeder Seite beschnitten und vorerwärmt auf zwischen 466 bis 468°C (870 bis 875°F). Beim Erreichen der Vorerwärmungstemperatur wurden die Rohlinge quergewalzt auf 25,4 cm (zehn inch) Breite, gefolgt von einem Streckwalzen auf 0,016 cm (0,400 inch) Dicke bzw. Materialstärke. Die Arbeitsstücke wurden auf 466°C (870°F) nacherhitzt, wenn die Walztemperatur unter 371°C (700°F) gefallen war.
  • Proben der hergestellten Platten wurden für eine Stunde lösungswärmebehandelt (SHT), unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Temperaturen. Die Proben 1 bis 4 wurden für eine Stunde lösungswärmebehandelt bei 529°C (985°F), die Proben 5 bis 6 wurden für eine Stunde lösungswärmebehandelt bei 496°C (925°F). Sämtliche Proben wurden nach der Wärmebehandlung kaltwassergequetscht bzw. -gequenscht. Eine Probe von jeder Plattenzusammensetzung wurde um 1 Prozent gestreckt bzw. gereckt bzw. gedehnt innerhalb einer Stunde Quetschens bzw. Quenschens und für 12 Sunden bei 177°C (350°F) ausgehärtet bzw. gealtert. Diese Praxis bei 1 Prozent Streckung, zuzüglich 12 Stunden bei 177°C (350°F), wurde als T651 identifiziert. In ähnlicher Weise wurde eine Probe von jeder Plattenzusammensetzung, mit Ausnahme der Proben 5 bis 6, bei sieben Prozent gestreckt bzw. gereckt bzw. gedehnt, innerhalb einer Stunde Quetschens bzw. Quenschens, und für 12 Stunden bei 177°C (350°F) gealtert bzw. ausgehärtet. Diese Praxis wurde als T87 identifiziert.
  • Längs- und Querzugtests wurden für jede Plattenprobe, T651 und T87, zweifach durchgeführt, unter Verwendung von Standard- bzw. Normrundteststücken von 0,64 cm (0,250 inch). Herkömmliche L-T und T-L Charpy Impact Energy (CIE) bzw. herkömmliche L-T und T-L Schlagfestigkeit bzw. Kerbaufprallenergie und Bruchzähigkeits(Kq)-Testen wurden zweifach durchgeführt unter Verwendung der Standardteststücke. Die mittleren mechanischen Testergebnisse sind in Tabelle 3 für die T651 und T87 getemperten Proben angegeben. Die Beziehung zwischen CIE-Bruchwiderstand und auftretender Festigkeit für sämtliche verschiedenen Legierungs/Temper-Kombinationen ist in 2 dargestellt. In ähnlicher Weise ist die Beziehung zwischen der Legierungsbruchzähigkeit (Kq) und der auftretenden Festigkeit in 3 dargestellt.
  • Die Untersuchung der 1 bis 3 ermöglicht es, die Legierungsproben wie folgt zu charakterisieren:
    • Probe 1: Enthält nicht ausreichend Kupfer, fällt außerhalb des erfindungsgemäßen Legierungskupferbereiches für 0,5 Gewichts-% Magnesiumlegierung. Festigkeit zu niedrig.
    • Proben 2 und 4: proben fallen in den erfindungsgemäßen Bereich für Kupfer und Magnesium. Diese Legierungen zeigen beste Kombinationen für Festigkeit und Zähigkeit in den 2 und 3.
    • Proben 3 und 5: Proben sind Vergleichsbeispiele.
    • Probe 6: Enthält überschüssiges Kupfer, fällt außerhalb des erfindungsgemäßen Legierungskupferbereiches für 1,5 Gewichts-% Magnesiumlegierung. Zähigkeit zu niedrig.
    • 2519 Beispiele: Enthalten überschüssiges Kupfer, fallen außerhalb des erfindungsgemäßen Legierungskupferbereiches für 0,1 bis 0,5 Gewichts-% Magnesiumlegierung. Zähigkeit zu niedrig.
    • Polmear-Beispiel: Enthält Überschuß an Kupfer, fällt außerhalb des erfindungsgemäßen Legierungskupferbereiches für 0,1 bis 0,5 Gewichts-% Magnesiumlegierung. Zähigkeit zu niedrig.
  • Die Legierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung stellt eine breite Vielzahl von potentiellen Anwendungen bereit, bedingt durch die Verbesserungen in der Kombination von Festigkeits- und Zähigkeitsmerkmalen. Bedingt durch die Ähnlichkeit der erfindungsgemäßen Legierung bezüglich der bekannten Legierung AA2219 kann diese verwendet werden zur Raumfahrttankbildung. Die erfindungsgemäße Legierung ist deutlich fester als die bekannte AA2219-Legierung, wodurch es ermöglicht wird, die Tankwandungen bezüglich der Materialstärke bzw. des -ausmaßes zu reduzieren. Des weiteren entwickelt die Silber enthaltende Legierung höhere T6-Eigenschaften als die bekannte AA2519-Legierung, wodurch es ebenfalls ermöglicht wird, die erfindungsgemäße Legierung in dieser Anwendung einzusetzen.
  • Die hohen T6-Eigenschaften der Silber enthaltenden Legierungen der Erfindung, wenn verglichen mit den T8-Eigenschaften, gestalten die Legierungen ebenfalls anwendbar auf Verwendungen beim Schmieden, wo es häufig nicht möglich ist, kalte Bearbeitung vor der Alterung bzw. Aushärtung vorzusehen. Die erfindungsgemäße Legierung ist bezüglich der Festigkeit ähnlich zu AA2014-T6, welches üblicherweise in Schmiedeanwendungen verwendet wird. Die erfindungsgemäße Legierung sollte verbesserte Bruchzähigkeit und Ermüdungseigenschaften aufweisen, und zwar als Ergebnis der gesteuerten Zusammensetzungsgrenzen.
  • Die erfindungsgemäße Legierung kann ebenfalls in Raumfahrtanwendungen verwendet werden, wie z.B. als kriechgeformte Flügelhäute oder Flugzeugkörperschichten. Die verbesserte Beschädigungstoleranz oder Bruchzähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung, gemeinsam mit der hochstabilen Mikrostruktur, gestaltet sie als einen attraktiven Kandidaten für Anwendungen, bei denen Kriechen bei hoher Temperatur auftreten kann.
  • Die erfindungsgemäße Legierung kann ebenfalls in dünnen Streifen hergestellt werden, zur Verwendung in hochfesten Wabenstrukturen, bedingt durch deren hohe T6-Eigenschaften. Die erfindungsgemäße Legierung kann ebenfalls ein Kandidat sein für hochfestes Matrixmaterial in Metallmatrixkompositanordnungen, bedingt durch den Lösungspegel, welcher niedriger als bei Legierungen gemäß dem Stand der Technik ist.
  • Als solche wurde die Erfindung bezüglich bevorzugter Ausführungsformen davon offenbart, welche jede jeweils die Aufgaben der vorliegenden Erfindung, wie oben angegeben, lösen und eine neue und verbesserte Aluminiumbasierte Legierungszusammensetzung bereitstellen, mit verbesserten Kombinationen an Festigkeit und Bruchzähigkeit.
  • Selbstverständlich sind verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Adaptationen der Lehren der vorliegenden Erfindung dem Fachmann möglich, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte die vorliegende Erfindung lediglich durch die in den beiliegenden Ansprüchen definierten Grenzen beschränkt sein.
  • Figure 00200001
  • Figure 00210001
  • Figure 00220001

Claims (8)

  1. Wärmebehandelte und gehärtete Legierung auf Aluminiumbasis, welche umfaßt: 3,85 bis 5,5 Gew.% Kupfer; 0,1 bis 0,8 Gew.% Magnesium; 0,1 bis 1,0 Gew.% Silber; bis zu 0,05% Titan; wahlweise bis zu 0,20 Gew.% Zirkonium, bis zu 0,20 Gew.% Vanadium und bis zu 0,60 Gew.% Mangan; wahlweise bis zu 0,30 Gew.% Eisen und bis zu 0,25 Gew.% Silizium als Fremdbestandteile; als Balance Aluminium; wobei die Legierung eine verbesserte Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Bruchzähigkeit aufweist, indem die Mengen an Kupfer und Magnesium zusammen geringer als die Festkörperlöslichkeitsgrenze von Kupfer und Magnesium in Aluminium gehalten und die in den folgenden Gleichungen wiedergegebene Wechselbeziehung eingehalten wird: Cumax = –0,91 Mg + 5,59 Cumin = –0,91 Mg + 4,59.
  2. Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, wobei die Legierung bis zu 0,15 Gew.% Eisen und bis zu 0,10 Gew.% Silizium aufweist.
  3. Legierung nach Anspruch 1, welche 4,8 Gew.% Kupfer, 0,45 Gew.% Magnesium, 0,12 Gew.% Zirkonium, 0,12 Gew.% Vanadium, 0,01 bis 0,02 Gew.% Titan, 0,40 Gew.% Silber, bis zu 0,45 Gew.% Mangan, bis zu 0,15 Gew.% Eisen und bis zu 0,10 Gew.% Silizium sowie als Ausgleich Aluminium umfaßt.
  4. Legierung nach Anspruch 3, welche nicht mehr als 0,08 Gew.% Eisen und nicht mehr als 0,06 Gew.% Silizium aufweist.
  5. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Legierung in Form eines Blocks oder Barrens gebracht ist.
  6. Flugzeug- oder Raumfahrzeugkomponente, weiche eine Legierung nach Anspruch 1 enthält.
  7. Gegossener Folienstreifen, der eine Legierung nach Anspruch 1 enthält.
  8. Verbundmaterial mit einem Matrixmaterial, das eine Legierung nach Anspruch 1 enthält.
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