DK175881B1 - Al-Cu-Li-Mg legeringer med ultrahöj styrke - Google Patents

Description

DK 175881 B1

Den foreliggende opfindelse angår Al-Cu-Li-Mg-baserede legeringer, som har vist sig at have særdeles ønskelige egenskaber, såsom høj styrke efter kunstig ældning med og uden koldbearbejdning, stærk naturlig ældningsrespons med 5 og uden forudgående koldbearbejdning, høje forhold imellem styrke og sejhed, lav massefylde og højt modul. Desuden har legeringerne ifølge opfindelsen en god svejselighed, en høj modstand mod korrosion, gode kryogene egenskaber og gode egenskaber ved forhøjede temperaturer. De 10 omhandlede legeringer er særligt velegnede til anvendelse i forbindelse med rumfart og lufttrafik samt til armering og til anvendelse i pansrede køretøjer, hvor en høj specifik styrke (styrken divideret med massefylden) er af afgørende betydning, og hvor en god naturlig ældningsre-15 spons er nyttig, fordi det i mange tilfælde er umuligt i praksis at foretage en fuldstændig varmebehandling. Svejseligheden af de omhandlede legeringer gør dem desuden anvendelige i strukturer, som samles ved svejsning.

20 I overensstemmelse med opfindelsen opnår man betydeligt forbedrede egenskaber i Al-Cu-Li-Mg-baserede legeringer ved at tilføre mængderne af Cu, Li og Mg inden for specificerede områder. Med hensyn til Al-legeringer, som indeholder fra 5 til 7 vægt-% Cu, skal mængden af Li holdes 25 inden for området fra 0,1 til 2,5 vægt-%, mens mængden af Mg skal begrænses til at være fra 0,05 til A vægt-%. Allegeringer, der indeholder fra 3,5 til 5 vægt-% Cu, skal have et begrænset Li-indhold på mellem 0,8 og 1,8 vægt-%, mens Mg-indholdet skal holdes på mellem 0,25 og 1,0 vægt-30 %. Ifølge opfindelsen opnår man særlige fordele med Al-

Cu-Li-Mg-legeringer, hvori forholdet mellem Cu og Li L_______ ___________________

I DK 175881 B1 I

I 2 I

(vægt-%) er højt. I

H Ifølge et aspekt af opfindelsen tilvejebringes således en I

I aluminium-baseret legering bestående af 3,5-7,0 vægt-% I

I 5 Cu,0,8-1,8 vægt-% Li, 0,25-1,0 vægt-% Mg, 0,01-1,5 vægt- I I

I % af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Μη, I

I Ti, Hf, V, Nb, B, T1B2 og blandinger deraf og eventuelt I

0,01-1,5 vægt-% af mindst et hjælpeelement valgt blandt I

Zn, Ge, Be, Sr og Ca, idet resten er aluminium og uundg å- I

I 10 elige urenheder. I

I Ifølge et andet aspekt af opfindelsen tilvejebringes en I

aluminium-baseret legering bestående af 5,0-7,0 vægt-% I

I Cu, 0,1-2,5 vægt-% Li, 0,05-4 vægt-% Mg, 0,01-1,5 vægt-% I

I 15 af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Μη, I

I Ti, Hf, v, Nb, B, T1B2 og blandinger deraf og eventuelt I

I 0,01-1,5 vægt-% af mindst et hjælpeelement valgt blandt I

I Zn, Ge, Be, Sr og Ca, idet resten er aluminium og uundg å- I

I elige urenheder. I

I 20 I

I De ønskelige egenskaber af aluminium og dettes legerin- I

ger, såsom lave omkostninger, lav massefylde, god mod- I

I standsdygtighed mod korrosion og let og bekvem fremstil- I

I ling, er velkendte. I

I 25 I

I Et af de vigtige midler til at forøge styrken af alumini- I

I umlegeringer er varmebehandling. Man anvender sædvanlig- I

I vis tre grundlæggende trin i varmebehandlingen af alumi- I

I niumlegeringer: (1) opløsningsvarmebehandling, (2) brat- I

I 30 køling og (3) ældning. Desuden indføjer man ofte et kold- I

I bearbejdningstrin forud for ældningen. Opløsningsvarmebe- I

I handlingen består i, at man opbløder legeringen ved en I

DK 175881 B1 3 tilstrækkelig høj temperatur og i et tilstrækkeligt langt tidsrum til at opnå en næsten homogen fast opløsning af precipitat-dannende elementer i aluminium. Formålet hermed er at bringe så store mængder af de opløselige hær-5 dende elementer i fast opløsning, som det er praktisk muligt. Bratkølingen involverer en meget hurtig afkøling af den faste opløsning, som er dannet under opløsningsvarmebehandlingen, til dannelse af en overmættet fast opløsning ved stuetemperatur. Under hærdningstrinnet sker der 10 en dannelse af styrkedannende udfældninger fra den hurtigt afkølede overmættede faste opløsning. Disse udfældninger kan dannes ved at anvende naturlige (ved omgivelsestemperatur) eller kunstige (ved forhøjede temperaturer) ældningsteknikker. Ved naturlig ældning holdes den 15 bratkølede legering på en temperatur mellem -20 og +50 °C, typisk ved stuetemperatur, i en relativ lang tidsperiode. For visse legeringers vedkommende fører den modningshærdning, som er et resultat af naturlig ældning alene, til nyttige fysiske og mekaniske egenskaber. Ved 20 kunstig ældning holdes den bratkølede legering ved temperaturer, som typisk ligger mellem 100 og 200 °C, i typiske tidsrum på omkring 5 til 48 timer, hvorved der sker en modningshærdning.

25 Den udstrækning, i hvilken styrken af aluminiumlegeringer kan forøges ved varmebehandling, hænger sammen med typen og mængden af anvendte tilsætninger til legeringen. Ved at sætte kobber til aluminiumlegeringer op til et bestemt punkt opnår man, at styrken forøges, og i visse tilfælde 30 forbedres svejseligheden. En yderligere tilsætning af magnesium til Al-Cu-legeringer kan forbedre korrosionsbe-

I DK 175881 B1 I

standigheden, forøge den naturlige ældningsrespons uden I

forudgående koldbearbejdning samt forøge styrken. Imid- I

lertid forringes svejseligheden allerede ved relativt la- I

ve Mg-niveauer. I

En af de kommercielt tilgængelige aluminiumlegeringer, I

som indeholder både kobber og magnesium, betegnes "lege- I

ring 2024", og den har den nominelle sammensætning Al - I

4,4 Cu - 1,5 Mg - 0,6 Mn. Legering 2024 er en legering, I

10 der har fundet udbredt anvendelse, og som har høj styrke, I

god sejhed, gode egenskaber ved forhøjede temperaturer og I

en god naturlig ældningsrespons. Legeringen har imidler- I

tid en begrænset korrosionsmodstand efter visse hærdnin- I

ger, og den frembyder ikke den ultrahøje styrke og den I

15 exceptionelt stærke naturlige ældningsrespons, som kan I

opnås med legeringerne ifølge opfindelsen. Hertil kommer, I

at den kun er marginalt svejselig. I de fleste situatio- I

ner opfattes svejsninger foretaget med legering 2024 fak- I

tisk ikke som kommercielt anvendelige. I

En anden kommerciel Al-Cu-Mg-legering er "legering 2519", I

hvis nominelle sammensætning er Al - 5,6 Cu - 0,2 Mg -0,3 I

Mn - 0,2 Zr - 0,06 Ti - 0,05 V. Denne legering blev ud- I

viklet af Alcoa som en forbedring af legering 2219, som I

25 for øjeblikket anvendes til forskellige formål inden for I

rumfart. Ved at sætte Mg til Al-Cu-systemet kan man gan- I

ske vist opnå en naturlig ældningsrespons uden forudgåen- I

de koldbearbejdning, men legering 2519 har kun en margi- I

nalt forøget styrke i forhold til legering 2219 i hærd- I

30 ninger med de højeste styrker. I

DK 175881 B1 5

Et oversigtsarbejde af Mondolfo vedrørende konventionelle Al-Cu-Mg-legeringer anfører, at de vigtigste hærdningsraidler er udfældninger af CuAl2-typen i legeringer, hvori forholdet mellem Cu og Mg er over 8:1 (se Aluminum 5 Alloys: Structure and Properties, L.F. Mondolfo, Boston: Butterworths, 1976, side 502).

Ifølge US patentskrift nr. 4 772 342 har man sat sølv og magnesium til Al-Cu-systemet med henblik på at forbedre ι 10 egenskaberne ved forhøjede temperaturer. En foretrukken legering har sammensætningen Al - 6,0 Cu - 0,5 Mg - 0,4 Ag - 0,5 Mn - 0,15 Zr - 0,10 V - 0,05 Si. I patentskriftet forbindes den observerede styrkeforøgelse med den "omega-fase", som opstår i nærværelse af Mg og Ag (se 15 "Development of an Experimental Wrought Aluminum Alloy for Use at Elevated Temperatures", Polmear, Aluminum Alloys: Their Physical and Mechanical Properties, redigeret af E.A. Starke, Jr. og T.H. Sanders, Jr., Volume I of Conference Proceedings of International Conference, Uni-20 versity of Virginia, Charlottesville, VA, 15-20 juni 1986, side 661-674, Chameleon Press, London).

Det er velkendt, at man ved at sætte lithium til Al-Mg-legeringer og til Al-Cu-legeringer sænker massefylden og 25 forøger elasticitetsmodulet, hvorved man opnår signifi-• kante forbedringer med hensyn til den specifikke stivhed, ligesom man forøger hærdningsresponsen ved kunstig ældning. Imidlertid besidder konventionelle Al-Li-legeringer generelt en relativt lav sejhed ved givne styrkeniveauer, 30 og hårdheden er ofte lavere end ønsket, hvorved disse legeringers anvendelighed begrænses.

I DK 175881 B1 I

I 6 I

I Vanskeligheder i forbindelse med smeltning og støbning I

I har gjort Al-Li-legeringer mindre acceptable. Eksempelvis I

I kan Al-Li-smelter reagere med de ildfaste materialer i I

I 5 ovnforinger, fordi lithium er ekstremt reaktivt. Desuden

I er det nødvendigt at kontrollere atmosfæren over smelten I

for at reducere oxidationsproblemerne. Hertil kommer, at I

I lithium sænker varmeledningsevnen hos aluminium, hvorved I

I det bliver mere vanskeligt at fjerne varmen fra en metal-

I 10 blok ved støbning under direkte afkøling, hvilket nedsæt- I

ter støbehastigheden. Det skal desuden anføres, at der er I

I en betydelig risiko for eksplosion i Al-Li-smelter inde- I

I holdende 2,2-2,7% lithium, hvilket er en typisk sammen- I sætning af Al-Li-legeringer, som for nylig er kommet på

I 15 markedet. De fordelagtige egenskaber, som kan tilskrives I

I disse nye Al-Li-legeringer, har til dato ikke været til- I

I strækkelige til at opveje den forøgelse i produktionsom-

I kostningerne, som de ovennævnte problemer giver anledning I

I til. Som følge heraf har disse nye legeringer ikke været I

I 20 i stand til at erstatte konventionelle legeringer, såsom I

I 2024 og 7075. De foretrukne legeringer ifølge opfindelsen

I frembyder ikke disse problemer med hensyn til smeltning I

I og støbning i nær så stort omfang, fordi de har et lavere I

I lithiumindhold. I

I 25 ' I

I Al-Li-legeringer, som indeholder magnesium, er velkendte, I

men de lider typisk under problemer med lav duktilitet og I

I lav hårdhed. Et eksempel på et sådant Al-Li-Mg-system er I

I den Sovjetiske legering 01420 (svejselig legering med lav I

I 30 massefylde), som er beskrevet GB patentskrift nr. I

I 1 172 736. Legeringen har den nominelle sammensætning Al DK 175881 B1 7 - 5 Mg - 2 Li.

Al-Li-legeringer indeholdende Cu er ligeledes velkendte, såsom legeringen 2020, som blev udviklet i 1950'erne, men 5 som' siden hen blev trukket tilbage fra produktionen pågrund af fremstillingsvanskeligheder og lav sejhed. Legering 2020 falder inden for det sammensætningsområde, som er beskrevet i US patentskrift nr. 2 381 219, hvori det fastslås, at legeringerne er "magnesium-fri", hvilket 10 vil sige, at legeringerne har et indhold af Mg på under 0,01%, idet magnesiumindholdet kun forekommer som en urenhed. Disse legeringer kræver endvidere tilstedeværelse af mindst et legeringselement valgt blandt Cd, Hg, Ag,

Sn, In og Zn. Legering 2020 har en relativt lav massefyl-15 de, god modstandsdygtighed mod afskalningskorrosion og god modstandsdygtighed mod revnedannelse ved spændingskorrosion, og legeringen bevarer en nyttig del af sin styrke ved let forhøjede temperaturer. Imidlertid lider denne legering under en lav sejhed og ringe egenskaber 20 med hensyn til brudhårdhed i hærdninger med høj styrke, hvilket begrænser legeringens anvendelighed.

For at opnå de højeste styrker i Al-Cu-Li-legeringer er det nødvendigt at introducere et koldbearbejdningstrin 25 forud for ældningen, hvilket trin typisk involverer en valsning og/eller udstrækning af materialet ved temperaturer omkring omgivelsestemperaturen. Den spænding, som introduceres som et resultat af koldbearbejdningen, frembringer dislokationer i legeringen, som tjener som kim-30 dannelsessteder for de forstærkende udfældninger. Nærmere bestemt er det nødvendigt at koldbearbejde konventionelle

DK 175881 B1 I

Al-Cu-Li-legeringer inden den kunstige ældning, således I

at man kan opnå høje styrker, dvs. ultimative trækstyrker I

(UTS) på over 70 ksi. En koldbearbejdning af disse lege- I

ringer er nødvendig for at frembringe høje volumenfrakti- I

5 oner af Al2CuLi (Tj) og Al2Cu {Θ' udfældninger), der som I

følge af deres høje forhold imellem overflade og volumen

meget letter undergår kimdannelse på dislokationer end i I

den aluminium-matrix, der udgør en fast opløsning. Uden

koldbearbejdningstrinnet forsinker man dannelsen af de I

10 pladeagtige Al2CuLi og Al2Cu udfældninger, hvilket resul-

terer i signifikant forringede styrker. Desuden har ud- I

fældningerne vanskeligt ved at undergå en homogen kimdan-

nelse på grund af den store energibarriere, der skal I

overvindes som følge af deres store overfladeareal. Af H

15 samme grund er en koldbearbejdning ligeledes nyttig for H

at fremkalde de højeste styrker i mange kommercielle Al- I

Cu-legeringer, såsom legering 2219. I

Kravet om koldbearbejdning med henblik på at fremkalde de I

20 højeste styrker i Al-Cu-Li-legeringer er i særlig grad I

begrænsende i forbindelse med smedninger, hvor det ofte I

er vanskeligt på ensartet måde at introducere en koldbe- I

arbejdning af den smedede del efter frembringelse af en I

fast opløsning og efterfølgende bratkøling. Som et resul- I

25 tat heraf er smedede Al-Cu-Li-legeringer typisk begrænset I

"til ikke-koldbearbejdede hærdede legeringer, som resulte- I

rer i mekaniske egenskaber, der generelt er utilfreds- I

stillende. I

30 For nylig er Al-Li-legeringer, som bade indeholder Cu og I

Mg, blevet bragt på markedet. Disse inkluderer legerin- I

DK 175881 B1 9 gerne 8090, 2091, 2090 og CP 276. Legering 8090, som er beskrevet i US patentskrift nr. 4 588 553, indeholder j 1,0-1,5 Cu, 2,0-2,8 Li og 0,4-1,0 Mg. Legeringen blev udviklet med de følgende egenskaber for øje med henblik på 5 anvendelse i flykonstruktioner: god modstandsdygtighed mod afskalningskorrosion, god skadetolerance og en mekanisk styrke, som mindst er lige så høj som hos legering 2024 under T3 og T4 betingelser. Legering 8090 udviser en naturlig ældningsrespons uden forudgående koldbearbejd-10 ning, men denne ældningsrespons er ikke nær så stærk som den, der kendetegner legeringerne ifølge opfindelsen.

Desuden har 8090-T6-smedninger vist sig at besidde en lav tværgående forlængelse på kun 2,5%.

15 Legering 2091 med en sammensætning på 1,5-3,4 Cu, 1,7-2,9 Li og 1,2-2,7 Mg blev udviklet som en legering med høj styrke og høj duktilitet. Det har imidlertid vist sig, at duktiliteten er relativ lav i den korte tværgående retning under de varmebehandlingsbetingelser, som frembrin-20 ger den maksimale styrke.

I et senere arbejde med legeringerne 8090 og 2091 har Marchive og Charue rapporteret rimeligt høje longitudina-le trækstyrker (se "Processing and Properties" 4th Inter-25 national Aluminium Lithium Conference, redigeret af G.

Champier, B. Dubost, D. Miannay og L. Sabetay, Proceedings of International Conference, 10-12 Juni 1987, Paris, Frankrig, side 43-49) . Når der er tale om en T6-hærdning, udviser legering 8090 en flydespænding på 67,3 30 ksi og en ultimativ trækstyrke på 74 ksi, mens legering 2091 udviser en flydespænding på 63,8 ksi og en ultimativ

I DK 175881 B1 I

I 10 I

trækstyrke på 75,4 ksi. Styrkerne af såvel 8090-T6 som I

2091-T6 smedninger er imidlertid stadig under de styrker, I

som opnås ved T8-hærdning. For 8090-T851 ekstruderinger I

er trækegenskaberne eksempelvis 77,6 ksi flydespænding og Ί I

5 84,1 ksi ultimativ trækstyrke, mens de tilsvarende træk- I

egenskaber er 73,3 ksi flydespænding og 84,1 ksi ultima- I

tiv trækstyrke for 2091-T851 ekstruderinger. I modsætning I

hertil besidder Al-Cu-Li-Mg-legeringerne ifølge opfindel- I

sen væsentligt forbedrede egenskaber i sammenligning med I

10 konventionelle 8090 og 2091 legeringer, såvel i koldbear- I

bejdede som i ikke-koldbearbejdede versioner. I

Legering 2090, som kan indeholde ganske minimale mængder I

I Mg, består af 2,4-3,0 Cu, 1,9-2,6 Li og 0-0,25 Mg. Lege- I

I 15 ringen blev udviklet som en erstatning for produkter med I

I høj styrke, såsom 2024 og 7075, men med lav massefylde. I

I Levering 2090 udviser imidlertid en styrke ved svejsning, I

I som er lavere end de styrker, der kendetegner konventio- I

I nelle svejselige legeringer såsom 2219, der har en svej- I

I 20 sestyrke på 35-40 ksi (241-276 MPa). Som det fremgår af I

I den følgende reference, kan legering 2090 i den T6- I

I hærdede version ikke vedvarende opfylde de værdier for I

I styrke, hårdhed og modstandsdygtighed imod revnedannelse I

I som følge af spændingskorrosion, som kendetegner legering I

I 25 7075-T73 (se "First Generation Products - 2090", Bretz, I

I Alithalite Alloys: 1987 Update, redigeret af J. Kar, S.P.- I

I Agrawal og W.E. Quist, Conference Procedings of Interna- I

I tional Aluminum-Lithium Symposium, Los Angeles, CA 25-26 I

I marts 1987, side 1-40). Som følge heraf er egenskaberne I

I 30 af de 2090-legeringer (Al-Cu-Li), der for tiden anvendes I

I til smedning, ikke tilstrækkeligt gode til at berettige I

DK 175881 B1 11 deres anvendelse i stedet for de eksisterende 7 XXX-legeringer til smedning.

Det skal bemærkes, at en tilsætning af Mg til Al-Cu-Li-5 systemet ikke i sig selv fremkalder en stigning i legeringens styrke, når der er tale om hærdede legeringer med høj styrke. F.eks. har legeringen 8090 (nominel sammensætning Al - 1,3 Cu - 2,5 Li - 0,7 Mg) ikke nogen signifikant højere styrke i sammenligning med den nominelt Mg-10 fri legering 2090 (nominel sammensætning Al - 2,7 Cu -2,2

Li - 0,12 Zr). Endvidere skal det anføres, at den Mg-fri | legering 2020 med den nominelle sammensætning Al -4,5 Cu - 1,1 Li - 0,4 Mn - 0,2 Cd tilmed er en smule stærkere end den Mg-holdige legering 8090.

15

Der findes flere patenter, der beskæftiger sig med Al-Cu-Li-Mg-legeringer. EP patentskrift nr. 158 571 angår således Al-legeringer, som består af 2,75-3,5 Cu, 1,9-2,7 Li, 0,1-0,8 Mg, resten Al og tilsætningsstoffer. Legeringer-20 ne, der kendes kommercielt som CP 276, hævdes at besidde en høj mekanisk styrke kombineret med et fald i massefylden på 6-9% sammenlignet med de konventionelle 2xxx (Al-Cu) og 7xxx (Al-Zn-Mg) legeringer. Sammensætningsområderne i det nævnte EP patentskrift ligger uden for områderne 25 ifølge opfindelsen. Nærmere bestemt opererer EP patentskriftet med et Li-indhold, som er højere end Liindholdet af legeringerne ifølge opfindelsen, som indeholder under ca. 5% Cu. Sådanne høje niveauer af Li kræves ifølge det ovennævnte EP patentskrift med henblik på 30 at sænke massefylden i forhold til massefylden af konventionelle legeringer. Desuden ligger det maksimale Cu- ‘ — ...--

I DK 175881 B1 I

I 12 I

niveau på 3,5%, som er anført i EP patentskriftet, under I

det foretrukne Cu-niveau ifølge opfindelsen. En begræns- I

ning af Cu-indholdet til maksimalt 3,5% tjener også til I

at nedbringe massefylden af de kendte legeringer mest mu- I

I 5 ligt. Der er i EP patentskriftet angivet høje flydespæn- I

I dinger på 498-591 MPa (72-85 ksi) for legeringerne i T6- I

I tilstand, men de opnåede forlængelser er relativt lave I

I {2,5-5,5%). I

I 10 US patentskrift nr. 4 752 343 har relation til Al- I

I legeringer bestående af 1,5-3,4 Cu, 1,7-2,9 Li og 1,2-2,7 I

Mg, mens resten udgøres af Al og tilsætningsstoffer. For- I

I holdet imellem Mg og Cu skal være mellem 0,5 og 0,8. Dis- I

I se kendte legeringer siges at besidde mekanisk styrke og I

I 15 sejhedskarakteristika, som er ækvivalente med konventio- I

I nelle 2xxx og 7xxx legeringer. De i skriftet angivne sam- I

mensætningsområder ligger uden for områderne ifølge op- I

I findelsen. F.eks. er det maksimale Cu-indhold ifølge US I

I patentskriftet lavere end det minimale Cu-niveau ifølge I

I 20 opfindelsen. Endvidere er det minimale Mg-indhold ifølge I

I US patentskriftet højere end det maksimale Mg-indhold, I

som tillades i legeringerne ifølge opfindelsen, der inde- I

I holder under ca. 5% Cu. Det minimale Mg/Cu-forhold på I

I 0,5, som tillades ifølge US patentskriftet, ligger desu- I

I 25 den langt over Mg/Cu-forholdet i legeringerne ifølge op- I

I findelsen. Formålet med den· i US patentskrift nr. I

I 4 752 343 beskrevne opfindelse er at producere legerin- I

I ger, hvis mekaniske styrker og sejhedsegenskaber kan sam- I

I menlignes med konventionelle legeringer, såsom 2024 og

I 30 7475, men det bemærkes, at de kombinationer af styrke og I

I sejhed, som faktisk opnås, er ringere end de kombinatio- I

ner, som opnås med legeringerne ifølge opfindelsen.

DK 175881 B1 13 US patentskrift nr. 4 652 314 vedrører en fremgangsmåde til varmebehandling af Al-Cu-Li-Mg-legeringer. Den pågæl-5 dende fremgangsmåde hævdes at bibringe slutproduktet et højt niveau af duktilitet og isotropi. Det hævdes i patentskriftet, at den pågældende varmebehandlingsmetode kan anvendes på Al-Cu-Li-Mg-legeringer, men de specifikke i sammensætninger, som fremgår af patentskriftet, ligger 10 uden for de sammensætningsområder, som anvendes ifølge den foreliggende opfindelse. De egenskaber, som opnås ifølge US patentskriftet, er iøvrigt ringere end egenskaberne af legeringerne ifølge opfindelsen. F.eks. er den højeste flydespænding, som opnås ifølge US patentskrift 15 nr. 4 652 314, af størrelsesordenen 504 MPa (73 ksi) for en koldbearbejdet, kunstigt ældet legering i longitudi-nalretningen, hvilket er betydeligt under de flydespæn-dinger, som opnås i legeringerne ifølge opfindelsen i koldbearbejdet, kunstigt ældet tilstand.

20

Fra US patentskrift nr. 4 526 630 kendes en metode til varmebehandling af Al-Li-legeringer indeholdende Cu og/eller Mg. Denne metode, som er en modifikation af konventionelle homogeniseringsteknikker, involverer opvarm-25 ning af en metalblok til en temperatur på mindst 530 °C, hvilken temperåtur opretholdes, indtil de faste interme-"'· talliske faser, der er til stede i legeringen, går over i fast opløsning. Derefter afkøles blokken til dannelse af et produkt, som er velegnet til yderligere termomekanisk 30 behandling, såsom valsning, ekstrudering eller smedning.

Den beskrevne proces hævdes at eliminere uønskede faser

14 I

DK 175881 B1 I

fra metalblokken, såsom den grove kobberholdige fase, der I

forekommer i de kendte Al-Cu-Li-Mg-legeringer. Det anfø- I

res i US patentskrift nr. 4 526 630, at homogeniserings- I

behandlingen er begrænset til Al-Li-legeringer med sam- I

5 mensætninger, der ligger inden for nærmere angivne områ- I

der. For de kendte Al-Cu-Li-Mg-baserede legeringers ved- I

kommende er sammensætningerne begrænset til 1-3 Li, 0,5-2 I

Cu og 0,2-2 Mg. Når der er tale om konventionelle Al-Li- I

Mg-baserede legeringer, er sammensætningerne begrænset I

10 til 1-3 Li, 2-4 Mg og under 0,1 Cu. For de kendte Al-Li- I

Cu-baserede legeringers vedkommende er sammensætningerne I

begrænset til 1-3 Li, 0,5-4 Cu og op til 0,2 Mg. Legerin- I

gerne ifølge opfindelsen falder ikke inden for nogen af I

disse sammensætningsområder. Desuden udviser legeringerne I

15 ifølge opfindelsen fremragende egenskaber, såsom forøget I

styrke, i sammenligning med de således kendte legeringer. I

De følgende reference omtaler andre Al-, Cu-, Li- og Mg- I

holdige legeringer med sammensætningsområder, der ligger I

20 uden for de ifølge opfindelsen anvendte områder: US pa- I

tentskrifterne nr. 3 306 717, nr. 3 346 370, nr. I

4 584 173, nr. 4 603 029, nr. 4 626 409, nr. 4 661 172 og I

nr. 4 758 286, EP offentliggørelsesskrift nr. 0188762 og I

nr. 0149193 samt JP patentskrift nr. J6-0238439, nr. I

25 J61133358 og nr. J6-1231145. ' I

Der findes et begrænset antal referencer, der har relati- I

on til Al-Cu-Li-Mg-legeringer, hvor mængden af Cu er over I

5%. Ingen af disse referencer omtaler den specifikke le- I

30 geringssammensætning ifølge opfindelsen, og de beskriver I

heller ikke de særdeles ønskelige egenskaber, som lege- I

DK 175881 B1 15 ringerne ifølge opfindelsen har vist sig at besidde. Desuden er der heller ikke nogen af disse referencer, der kommer ind på nødvendigheden af det høje Cu-Li-forhold, som kræves i legeringerne ifølge opfindelsen. Hver af de 5 følgende referencer beskriver brede intervaller for Cu,

Li og Mg, som kan legeres med aluminium, men ingen af disse referencer omtaler de kritiske områder og kombinationer af Cu, Li og Mg ifølge opfindelsen, som fører til legeringer med fysiske og mekaniske egenskaber, der ikke 10 hidtil har kunnet opnås.

US patentskrift nr. 4 648 913 beskriver en fremgangsmåde til koldbearbejdning af Al-Li-legeringer, hvori opløs-ningsvarmebehandlede og bratkølede legeringer udsættes 15 for en strækning på over 3% ved stuetemperatur. Derefter bliver legeringen kunstigt ældet til opnåelse af det endelige legeringsprodukt. Den koldbearbejdning, som man foretager ved den pågældende fremgangsmåde, hævdes at forøge styrken samtidigt med, at der observeres et ringe 20 (eller slet intet) fald hos legeringerne med hensyn til brudhårdhed. De pågældende legeringer vælges på en sådan måde, at de er modtagelige for den beskrevne koldbearbejdning og ældningsbehandling. Det betyder, at de pågældende legeringer skal udvise en forøget styrke sammen-25 holdt med et minimalt fald i brudhårdheden, når de udsættes for den beskrevne koldbearbejdning (over 3% strækning) , i modsætning til resultatet opnået med den samme legering, når koldbearbejdningen er under 3%. US patentskrift nr. 4 648 913 angiver brede områder for legerings-30 elementer, der ved kombination med Al kan føre til legeringer, som kan modstå en strækning på over 3%. De anfør-

16 I

DK 175881 B1 I

te områder er 0,5-4,0 Li, 0-5,0 Mg, op til 5,0 Cu, 0-1,0 I

Zr, 0-2,0 Mn, 0-7,0 Zn og resten Al. I skriftet anføres I

meget brede områder for adskillige legeringselementer,

men der anføres kun et begrænset område med hensyn til I

5 legeringssammensætninger, der i praksis vil udvise den I

krævede kombination af forøget styrke og bevaret brud- I

hårdhed, når de udsættes for en strækning på over 3%. Le- I

geringssammensætningerne ifølge opfindelsen udviser ikke I

den respons med hensyn til koldbearbejdning, som kræves I

10 ifølge US patentskrift nr. 4 648 913. Derimod forbliver I

de styrker, som opnås i legeringerne ifølge opfindelsen, I

i det væsentlige konstante, når legeringerne udsættes for I

forskellige grader af strækning. Legeringerne ifølge op- I

findelsen adskiller sig således fra de fra US patent- I

15 skrift nr. 4 648 913 kendte legeringer, og de udviser I

fordele i forhold hertil, fordi det ikke er nødvendigt at I

foretage koldbearbejdning i større omfang for at opnå I

forbedrede egenskaber. Desuden er de flydespændinger, som . I

opnås i de kendte legeringssammensætninger, betydeligt I

20 lavere end de flydespændinger, som opnås i legeringerne I

ifølge opfindelsen. Det anføres også i US patentskriftet, I

at det ved den beskrevne fremgangsmåde foretrækkes at fo-

retage en kunstig ældning af legeringen efter koldbear- I

bejdningen i stedet for en naturlig ældning. I modsætning I

25 hertil udviser legeringerne ifølge opfindelsen en eks- I

tremt stærk naturlig ældningsrespons, som giver høje for- ······ I

længelser og kun ubetydeligt lavere styrker end i de kun- I

stigt ældede legeringer. I

30 I US patentskrift nr. 4 795 502 beskrives en metode til I

at producere ikke-omkrystalliserede forarbejdede plade- I

DK 175881 B1 17 formede Al-Li-produkter, som udviser forbedrede værdier med hensyn til styrke og brudhårdhed. Ved denne metode : bliver en homogeniseret blok af en aluminiumlegering varmvalset mindst en gang, koldvalset og derefter under-5 kastet en kontrolleret genopvarmning. Det genopvarmede produkt bliver derefter opløsningsvarmebehandlet, bratkølet og koldbearbejdet til at inducere en ækvivalent til over 3% strækning. Til sidst ældes produktet kunstigt til opnåelse af et i det væsentlige ikke-omkrystalliseret 10 pladeprodukt, som udviser forbedrede niveauer med hensyn til styrke og brudhårdhed. Slutproduktet er karakteriseret ved en særdeles forarbejdet mikrostruktur, som ikke indeholder veludviklede korn. US patentskrift nr.

4 795 502 synes at være en modificeret udgave af US pa-15 tentskrift nr. 4 638 913, som er kommenteret ovenfor, hvor modifikationen består i, at der er tilføjet et kontrolleret genopvarmningstrin forud for opløsningsvarmebehandlingen, som forebygger omkrystallisation i det endelige produkt. Det anføres i US patentskrift nr.

20 4 7 95 502, at man i den beskrevne proces med fordel kan anvende aluminium-baserede legeringer, som falder inden for de følgende intervaller: 1,6-2,8 Cu, 1,5-2,5 Li, 0,7- 2,5 Mg og 0,03-0,2 Zr. Disse intervaller ligger uden for de sammensætningsområder, som anvendes ifølge den fore-25 liggende opfindelse. F.eks. er det maksimale Cu-niveau på 2,”8%, som fremgår af US patentskrift nr. 4 795-502, betydeligt under den minimale Cu-grænse ifølge opfindelsen. Imidlertid fortsætter man i US patentskrift nr. 4 795 502 med generelt at angive, at legeringen ifølge patentskrif-30 tet kan indeholde 0,5-4,0 Li, 0-5,0 Mg, op til 5,0 Cu, 0- 1,0 Zr, 0-2,0 Mn og 0-7,0 Zn. Ligesom i US patentskrift I DK 175881 B1 i

I I

I 18

nr. 4 648 913 har man tilsyneladende valgt legeringerne I

H på en sådan måde, at de udviser en kombination af forøget I

H styrke og forøget brudhårdhed, når de udsættes for en I

koldbearbejdning svarende til over 3% strækning. Legerin- ! I

5 gerne ifølge US patentskrift nr. 4 795 502 skal endvidere I

være modtagelige for den beskrevne genopvarmningsbehand- I

ling. Som omtalt i det foregående opnår legeringerne I

H ifølge opfindelsen i alt væsentligt den samme ultrahøje I

styrke under forskellige grader af strækning, og de kræ- I

10 ver ikke nogen koldbearbejdning for at opnå den ekstremt I

høje styrke. Ganske vist tilvejebringer US patentskrift I

nr. 4 795 502 en fremgangsmåde, som siges at forøge styr- I

ken af kendte Al-Li-legeringer, såsom legering 2091, men I

de opnåede styrker er væsentligt under de styrker, som I

15 opnås med legeringerne ifølge opfindelsen. Samme US pa- I

tentskrift angiver også, at man bør anvende en kunstig I

I ældning i processen for at opnå fordelagtige egenskaber. I

I I modsætning hertil kræver legeringerne ifølge opfindel- I

I sen ikke nogen kunstig ældning. Tværtimod udviser de om- I

I 20 handlede legeringer en ekstremt stærk naturlig ældnings- I

I respons, som gør det muligt at anvende disse legeringer I

I til formål, hvor en kunstig ældning ikke lader sig gen- I

nemføre. Det fremgår heraf, at legeringerne ifølge opfin- I

delsen klart adskiller sig fra de legeringer, der opnås I

25 ved fremgangsmåden ifølge US patentskrift nr. 4 795 502. I

I EP offentliggørelsesskrift nr. 227 563 angår en frem- I

I gangsmåde til varmebehandling af konventionelle Al-Li- I

I legeringer med det formål at forbedre modstandsdygtighe- I

30 den mod afskalningskorrosion under samtidig opretholdelse I

I af høj mekanisk styrke. Den beskrevne fremgangsmåde in- I

DK 175881 B1 19 i volverer homogenisering, ekstrudering, opløsningsvarmebehandling og koldbearbejdning af en Al-Li-legering efter- ! fulgt af et afsluttende anløbningstrin, som siges at give legeringen større modstandsdygtighed imod afskalningskor-5 rosion under samtidig bevarelse af en høj mekanisk styrke og god modstand imod beskadigelse. Legeringer, som underkastes denne behandling, har en følsomhed overfor EXCO-afskalningstesten, som er mindre end eller lig med EB (svarende til gode egenskaber i naturlig atmosfære) og en 10 mekanisk styrke, som kan sammenlignes med styrken af 2024-legeringer. I det nævnte EP offentliggørelsesskrift anføres brede intervaller for legeringselementerne, som ved kombination med aluminium kan føre til legeringer, der kan underkastes den beskrevne afsluttende anløbnings-15 behandling. De anførte intervaller er 1-4 Li, 0-5 Cu og 0-7 Mg. Selv om der anføres meget brede intervaller for legeringselementerne, er de legeringer, som ifølge EP offentliggørelsesskriftet anvendes i praksis, de konventionelle legeringer 8090, 2091 og CP276. Skriftet omtaler 20 således ikke fremstillingen af nogen nye legeringssammensætninger, men anfører udelukkende en metode til bearbejdning af kendte Al-Li-legeringer. Den højeste flyde-spænding, som opnås ifølge EP offentliggørelsesskriftet, er 525 MPa (76 ksi) for legering CP276 (2,0 Li, 3,2 Cu, 25 0,3 Mg, 0,11 Zr, 0,04 Fe, 0,04 Si, resten Al) i koldbear- bejdet, kunstigt- ældet tilstand. Denne maksimale flyde-spænding ligger under de flydespændinger, som kan opnås med legeringerne ifølge opfindelsen i koldbearbejdet, kunstigt hærdet tilstand. Endvidere siges den afsluttende 30 anløbningsbehandling ifølge EP offentliggørelsesskriftet at forbedre modstandsdygtigheden imod afskalningskorrosi- I DK 175881 B1 20

H on hos Al-Li-legeringer, hvorved følsomheden for EXCO- I

testen for afskalningskorrosion forbedres til at være I

mindre end eller lig med EB. I modsætning hertil udviser I

H legeringerne ifølge opfindelsen en korrosionsbestandighed I

H 5 ved afskalning, som er mindre end eller lig med EB, uden I

H at det er nødvendigt at foretage en afsluttende anløb- I

ning. De omhandlede legeringer adskiller sig derved klart I

H og fordelagtigt fra de legeringer, som kendes fra EP of- I

H fentliggørelsesskrift nr. 227 563, fordi det ikke er nød- i I

10 vendigt at foretage en afsluttende anløbningsbehandling I

for at opnå favorable egenskaber i henseende til afskal- I

ningskorrosion. I

I GB offentliggørelsesskrift nr. 2 134 925 vedrører Al-Li- I

15 legeringer med høj specifik elektrisk modstand. Disse le- I

geringer egner sig til strukturelle anvendelser, såsom I

I elektromotorkøretøjer og nucleare fusionsreaktorer, hvor I

der udvikles store inducerede elektriske strømme. Den I

I primære funktion af lithium i de i GB offentliggørelses- I

I 20 skriftet beskrevne legeringer er at forøge den specifikke I

I elektriske modstand. I skriftet anføres brede intervaller I

for legeringselementer, som i kombination med aluminium I

I kan føre til strukturelle legeringer med forøget specifik I

I elektrisk modstand. De anførte intervaller er 1,0-5,0 Li, I

I 25 et eller flere kornraffinerende midler valgt blandt Ti, I

Cr, Zr, V og W, mens resten er Al. Legeringen kan yderli- I

I gere indeholde 0-5,0 Mn og/eller 0,05-5,0 Cu og/eller I

I 0,05-8,0 Mg. I skriftet omtales især Al-Li-Cu- og Al-Li- I

I Mg-baserede legeringssammensætninger, som siges at besid- I

I 30 de de forbedrede elektriske egenskaber. Desuden beskriver I

I skriftet en Al-Li-Cu-Mg-legering med sammensætningen 2,7 I

DK 175881 B1 21

Li, 2,4 Cu, 2,2 Mg, 0,1 Cr, 0,06 Ti, 0,14 Zr og resten aluminium, som udviser den ønskede stigning i specifik elektrisk modstand. De for denne legering angivne Li- og Cu-niveauer ligger uden for Li- og Cu-intervallerne i le-5 geringerne ifølge opfindelsen. Desuden er det angivne Mg-niveau uden for det foretrukne Mg-område i legeringerne ifølge opfindelsen. De styrkeværdier, som anføres i GB offentliggørelsesskriftet, ligger langt under de værdier, som kendetegner legeringerne ifølge opfindelsen. I de an-10 førte Al-Li-Cu-baserede legeringer ifølge GB offentliggørelsesskriftet er der f.eks. anført trækstyrker på omkring 17-35 kg/mm2 (24-50 ksi). Med hensyn til de i skriftet anførte Al-Li-Mg-baserede legeringer anføres trækstyrker på omkring 43-52 kg/mm2 (61-74 ksi). Ifølge 15 GB offentliggørelsesskriftet ønsker man at producere legeringer, der har så høje styrker som muligt, med henblik på at producere materialer til de anførte strukturelle anvendelser. Imidlertid ligger de styrker, som faktisk opnås,, væsentligt under de styrker, som kan opnås i lege-20 ringerne ifølge opfindelsen, og det er derfor klart, at GB offentliggørelsesskriftet hverken omtaler eller foregriber de specifikke legeringer ifølge opfindelsen.

Det skal bemærkes, at de hidtil kendte Al-Cu-Li-Mg-25 legeringer næsten uden undtagelse har begrænset mængden af Cu t-il maksimalt 5 vægt-% på grund af de kendte skadelige virkninger, som et højere Cu-indhold indebærer, såsom forøget massefylde. Ifølge Mondolfo bevirker Cu-mængder på over 5 vægt-% ikke en forøget styrke, men har 30 derimod en tendens til at nedsætte brudhårdheden og reducere korrosionsmodstanden (se Mondolfo, side 706 og 707).

I DK 175881 B1 I

I 22 I

I Disse virkninger menes at opstå, fordi den praktiske I

I grænse for fast opløselighed af Cu i tekniske Al-Cu- I

H legeringer er omkring 5 vægt-%, og fordi et hvilket som I

helst Cu-indhold over ca. 5 vægt-% fører til dannelse af I

5 den mindre ønskede primære Θ-fase. Endvidere anfører I

Mondolfo, at Cu-opløseligheden reduceres yderligere i det I

H kvaternære system Al-Cu-Li-Mg. Han konkluderer, at "de I

I faste opløseligheder af Cu og Mg reduceres af Li, mens de I

I faste opløseligheder af Cu og Li reduceres af Mg, hvorved I

I 10 ældningshærdningen og den opnåelige UTS (dvs. den endeli- I

I ge trækstyrke) reduceres” (Mondolfo side 641). Det bety- I

I der, at den yderligere Cu-mængde ikke skulle gå i fast I

opløsning under opløsningsvarmebehandlingen, og at den I

I ikke kan forøge styrken ved udfældning. Tilstedeværelsen I

I 15 af den uopløselige Θ-fase sænker hårdheden og korrosi- I

I onsmodstanden. I

I En af de referencer, som omtaler en anvendelse af over 5% I

I Cu, er US patentskrift nr. 2 915 391. Denne reference om- I

I 20 taler Al-Cu-Mn-baserede legeringer indeholdende Li, Mg og I

I Cd med op til 9 vægt-% Cu. Det anføres i skriftet, at Μη I

I er af væsentlig betydning for opnåelse af en høj styrke I

I ved forhøjede temperaturer, og at Cd (i kombination med I

Mg og Li) er af væsentlig betydning til styrkelse af Al- I

I 25 Cu-Mn-systemet. Der opnås ikke egenskaber, som kan sam- I

I menlignes med egenskaberne ifølge opfindelsen, dvs. ul- I

I trahøj styrke, stærk naturlig ældningsrespons, høj dukti- I

I litet ved flere teknologisk anvendelige styrkeniveauer, I

I svejselighed, modstandsdygtighed imod revnedannelse som I

I 30 følge af spændingskorrosion etc. I

DK 175881 B1 23

Ansøgers europæiske patentansøgning nr. 88908055.2 (EP-A-377640) beskriver en Al-Cu-Mg-Li-Ag-legering med en sammensætning inden for følgende brede område: 0-9,79 Cu, 0,05-4,1 Li, 0,01-9,8 Mg, 0,01-2,0 Ag, 0,05-1,0 kornraf-5 finerende middel og resten Al. Specifikke legeringer inden for dette område besidder ekstremt høje styrker, som til dels synes at skyldes tilstedeværelsen af sølvholdige udfældninger.

10 US patentansøgning nr. 07/233 705 (indleveret 18. august 1988), fra hvilken nærværende ansøgning kræver prioritet, beskriver Al-Cu-Mg-Li-legeringer med sammensætninger inden for følgende brede område: 5,0-7,0 Cu, 0,1-2,5 Li, 0,05-4 Mg, 0,01-1,5 kornraffinerende middel og resten Al.

15 Den foreliggende opfindelse omfatter de områder, der er angivet i den ansøgning. Desuden omfatter den foreliggende opfindelse en udførelsesform, der vedrører legeringer med lavere mængder af Cu, nærmere bestemt 3,5-5,0%, hvori niveauerne af Li og Mg er holdt inden for snævre grænser.

20 Udførelsesformen med et lavere Cu-indhold ifølge opfindelsen repræsenterer en gruppe af legeringer, som har vist sig at besidde stærkt forbedrede egenskaber i forhold til de hidtil kendte Al-Cu-Li-Mg-legeringer. Den foreliggende opfindelse omfatter således en familie af le-25 geringer, som udviser forbedrede egenskaber i sammenligning' med konventionelle legeringer. F.eks. udviser de omhandlede legeringer forøget styrke i såvel koldbearbejdet som ikke-koldbearbejdet tilstand. Hertil kommer, at de omhandlede legeringer udvisér en ekstremt stærk naturlig 30 ældningsrespons. Legeringerne har endvidere høje kombinationer af styrke og duktilitet, lave massefylder, høje

I DK 175881 B1 I

I 24 I

I moduler, god svejselighed, god korrosionsmodstand, for- I

H bedrede kryogene egenskaber og forbedrede egenskaber ved I

I forhøjede temperaturer. I

I 5 Som beskrevet nedenfor kan den foreliggende opfindelse I

I tilvejebringe I

I (a) en Al-Li-legering med fremragende egenskaber efter I

naturlig ældning, både med (T3) og uden (T4) koldbear- I

I 10 bejdning, herunder høj duktilitet, god svejselighed, I

I fremragende kryogene egenskaber og gode egenskaber ved I

I forhøjede temperaturer; I

I (b) en Al-Li-legering med fremragende T8-egenskaber, så- I

I 15 som ultrahøj styrke i kombination med høj duktilitet, god I

I svejselighed, fremragende kryogene egenskaber, gode egen- I

I skaber ved høje temperaturer og god modstandsdygtighed I

I imod revnedannelse som følge af spændingskorrosion; I

I 20 (c) en Al-Li-legering med væsentligt forbedrede egenska- I

I ber i ikke-koldbearbejdet, kunstigt ældet T6-tilstand, I

I såsom ultrahøj styrke i kombination med høj duktilitet, I

I god svejselighed, fremragende kryogene egenskaber og gode I

I egenskaber ved høje temperaturer; I

I 25 I

I (d) en Al-Cu-Li-Mg-legering med en sammensætning inden I

for følgende områder: 3,5-5 Cu, 0,8-1,8 Li, 0,25-1,0 Mg, I

0,01-1,5 kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Μη, I

Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og kombinationer deraf, og hvor I

30 resten er aluminium; I

i DK 175881 B1 25 (e) en Al-Cu-Li-Mg-legering med en sammensætning inden for følgende områder: 5-7 Cu, 0,1-2,5 Li, 0,05-1,5 Mg, 0,01-1,5 kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Mn,

Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og kombinationer deraf, og hvor 5 resten er aluminium; (f) en Al-Cu-Li-Mg-legering med en sammensætning inden for følgende områder: 3,5-7 Cu, 0,8-1,8 Li, 0,25-1,0 Mg, 0,01-1,5 kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Mn, 10 Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og kombinationer deraf, og hvor resten er aluminium; og (g) en Al-Cu-Li-Mg-legering, hvori forholdet imellem Cu og Li, baseret på vægt-%, er over 2,5 og fortrinsvis over 15 3,0.

Med mindre andet er angivet, er samtlige sammensætninger anført i vægt-%.

20 Opfindelsen illustreres nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser data for varm vridning af en legering med sammensætning I, 25 fig. 2 viser ældningskurver (Rockwell B hårdhed) for sam- · ' mensætning I under forskellige grader af strækning, fig. 3 viser en ældningskurve for styrke og duktilitet 30 som funktion af tiden for sammensætning I i T6-tilstand,

I DK 175881 B1 I

I 26 I

fig. 4 viser en ældningskurve for styrke og duktilitet I

som funktion af tiden for sammensætning I i T8-tilstand, I

fig. 5 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg- I

5 niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 6,3 Cu - I

I 1,3 Li - 0,14 Zr i T3-tilstand, I

H fig. 6 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg- I

niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 6,3 Cu - I

I 10 1,3 Li - 0,14 Zr i T4-tilstand, I

I fig. 7 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg- I

I niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 6,3 Cu - I

I 1,3 Li - 0,14 Zr i T6-tilstand, I

I 15 I

I fig. 8 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg- I

niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 6,3 Cu - I

I 1,3 Li - 0,14 Zr i T8-tilstand, I

20 fig. 9 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg- I

niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 5,4 Cu - I

I 1,3 Li - 0,14 Zr i T3-tilstand, I

I fig. 10 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med I

I 25 Mg-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 5,4 Cu I

I - 1,3 -Li - 0,14 Zr i T4-tilstand, I

I fig. 11 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med I

I Mg-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 5,4 Cu I

I 30 - 1,3 Li - 0,14 Zr i T6-tilstand {nær optimal ældning), I

i DK 175881 B1 27 fig. 12 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med Mg-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 5,4 Cu - 1,3 Li - 0,14 Zr i T6-tilstand (underældet), 5 fig. 13 viser, hvorledes trækegenskaberne varierer med

Mg-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 5,4 Cu i - 1,3 Li - 0,14 Zr i T8-tilstand, fig. 14 viser ældningskurver for hårdheden som funktion 10 af tiden for legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li -0,4 Mg - 0,14 Zr - 0,05 Ti, med varierende mængder Cu, i T8-tilstand, fig. 15 viser ældningskurver for hårdheden som funktion 15 af tiden for legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li -0,4 Mg - 0,14 Zr - 0,05 Ti, med varierende mængder Cu, i T6-tilstand, fig. 16 viser, hvordan trækegenskaberne varierer med Cu-20 niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li -0,4 Mg - 0,14 Zr- 0,05 Ti i T3-tilstand, fig. 17 viser, hvordan trækegenskaberne varierer med Cu-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li -25 0,4 Mg - 0,14 Zr - 0,05 Ti i T4-tilstand, fig. 18 viser, hvordan trækegenskaberne varierer med Cu-niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li -0,4 Mg - 0,14 Zr - 0,05 Ti i T6-tilstand, fig. 19 viser, hvordan trækegenskaberne varierer med Cu- 30

28 I

DK 175881 B1 I

niveauet i legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li - I

0,4 Mg - 0,14 Zr - 0,05 Ti i T8-tilstand, I

fig. 20 viser styrke- og forlængelsesegenskaber ved lav I

5 temperatur af en legering med sammensætning I i T8- I

tilstand, og I

fig. 21 viser trækstyrke og forlængelse som funktion af I

temperaturen for en legering med sammensætning I i T8- I

10 tilstand. I

Opfindelsen beskrives herefter detaljeret: I

Legeringerne ifølge opfindelsen indeholder elementerne I

15 Al, Cu, Li, Mg og et kornraffinerende middel eller en I

kombination af sådanne midler valgt blandt Zr, Ti, Cr, I

Μη, B, Nb, V, Hf og T1B2. I

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen har en Al-Cu-Li- I

20 Mg-legering en sammensætning, der falder inden for føl- I

gende områder: 5,0-7,0 Cu, 0,1-2,5 Li, 0,05-4 Mg, 0,01- I

1,5 kornraffinerende midler, mens resten er Al og uundgå- I

elige urenheder. Foretrukne områder er: 5,0-6,5 Cu, 0,5- I

2,0 Li, 0,2-1,5 Mg, 0,05-0,5 kornraffinerende midler og I

25 resten Al og uundgåelige urenheder. Særligt foretrukne I

områder er: 5,2-6,5 Cu-, 0,8-1,8 Li, 0,25-1,0 Mg, 0,05-0,5 I

kornraffinerende midler. De mest foretrukne områder er: I

5,4-6,3 Cu, 1,0-1,4 Li, 0,3-0,5 Mg, 0,08-0,2 kornraffine- I

rende midler, mens resten er Al og uundgåelige urenhe- I

30 der(se tabel I). I

DK 175881 B1 29

Ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen har en Al-Cu-Li-Mg-legering en sammensætning inden for følgende områder: 3,5-5,0 Cu, 0,8-1,8 Li, 0,25-1,0 Mg, 0,01-1,5 kornraffinerende midler og resten er Al og uundgåelige 5 urenheder. Foretrukne områder er: 3,5-5,0 Cu, 1,0-1,4 Li, 0,3-0,5 Mg, 0,05-0,5 kornraffinerende midler og resten Al og uundgåelige urenheder. Særligt foretrukne områder er: 4,0-5,0 Cu, 1,0-1,4 Li, 0,3-0,5 Mg, 0,08-0,2 kornraffinerende midler og resten er Al. De mest foretrukne områder 10 er: 4,5-5,0 Cu, 1,0-1,4 Li, 0,3-0,5 Mg, 0,08-0,2 kornraffinerende midler og resten Al og uundgåelige urenheder (se tabel la). Som anført ovenfor er samtlige procenter angivet som vægt-% baseret på den totale vægt åf legeringen, med mindre andet er anført.

15

Tilfældige urenheder forbundet med aluminium, såsom Si og Fe, kan være til stede, især når legeringen har været støbt, valset, smedet, ekstruderet, presset eller på anden måde bearbejdet og derefter varmebehandlet. Hjælpe-20 elementer såsom Ge, Be, Sr, Ca og Zn kan tilsættes, enkeltvis, eller i kombination, i mængder på mellem ca. 0,01 og ca. 1,5 vægt-%, eksempelvis med det formål at fremme kimdannelsen og raffineringen af udfældningerne.

I DK 175881 B1 I

I 30 I

I TABEL I I

I Sammensætninger (højt kobberindhold) I

|-1-1--1-[- I

Kornraf- I

I 5 finerende I

Cu Li Mg middel* I

I vægt-% vægt-% vægt-% vægt-% Al I

I Bredt 5,0-7,0 0,1-2,5 0,05-4 0,01-1,5 Resten I

10 ---—--- I

I Foretrukket 5,0-6,5 0,5-2,0 0,2-1,5 0,05-0,5 Resten I

I Mere 5,2-6,5 0,8-1,8 0,25-1,0 0,05-1,5 Resten I

foretrukket I

15 ------ I

I Mest 5,4-6,3 1,0-1,4 0,3-0,5 0,08-0,2 Resten I

I foretrukket I

_I_I_I_I_I_I I

20 * Vælges blandt følgende - alene eller i kombina- I

I tion: Zr, Ti, Cr, Hf, Nb, B, TiB2, V og Μη. I

I TABEL la I

I Sammensætninger (lavt kobberindhold) I

I 25 I-I-1-1--1- I

I Kornraf- I

I finerende I

I Cu Li Mg middel* I

I vægt-% vægt-% vægt-% vægt-% Al I

I 30 ------ I

I Bredt 3,5-5,0 0,8-1,8 0,25-1,0 0,01-1,5 Resten I

I Foretrukket 3,5-5,0 1,0-1,4 0,3-0,5 0,05-0,5 Resten I

I 35 Mere 4,0-5,0 1,0-1,4 0,3-0,5 0,08-0,2 Resten I

I foretrukket I

I Mest 4,5-5,0 1,0-1,4 0,3-0,5 0,08-0,2 Resten I

I foretrukket I

40 i_i_i-1__i_i 1 I

I 45 I overensstemmelse med opfindelsens parametre fremstille- I

* Vælges blandt følgende - alene eller i kombina- I

I tion: Zr, Ti, Cr, Hf, Nb, B, TiB2, V og Μη. I

DK 175881 B1 31 r~ de man flere legeringer med de i nedenstående tabel II angivne sammensætninger.

TABEL II

5 Nominelle sammensætninger af forsøgslegeringer (vægt-%) I i l l i i l

Sammensætning Cu Li Mg Zr Al 10 I 6,3 1,3 0,4 0,14 resten II 6,3 1,3 0,2 0,14 resten III 6,3 1, 3 0, 6 0, 14 resten Ί5 ------ IV 5,4 1,3 0,2 0,14 resten V 5, 4 1, 3 0,6 0, 14 resten 20 VI 5,4 1,3 0,4 0,14 resten VII 5,4 1,7 0,4 0,14 resten VIII 5,4 1,3 0,8 0,14 resten 25 ---—|--- IX 5,4 1,3 1,5 0,14 resten X 5,4 1,3 2,0 0,14 resten 30 XI 5,0 1,3 0,4 0,14 resten XII 5,2 1,3 0,4 0,14 resten

I_I_I__I_I_I

35 Alle legeringer lod sig ekstrudere særdeles godt uden no- i gen revnedannelse eller overfladeridser ved en trækhastighed på 2,5 mm/sekund ved omkring 370 °C (700 °F) .

Udover de i tabel II anførte legeringer fremstillede man 40 et antal legeringer, som havde et indhold af Ti sammen med forskellige hjælpeelementer. Disse legeringer er an-

I DK 175881 B1 I

I 32 i I

I ført i den nedenstående tabel Ila. I

I TABEL Ila I

Nominelle sammensætninger af forsøgslegeringer (vægt-%) I

5 ,-,-1-1---1-1-1 I

I Sammen- Tilsæt-| I

I sætning Cu Li Mg Zr Ti ning | Al I

I ----l·-—--1- I

XIII 5,4 1,3 0,4 0,14 0,03 0,25 Zn|resten

I 10 -------1- I

I XIV 5,4 1,3 0,4 0, 14 0,03 0,5 Znjresten I

I XV 5,4 1,3 0,4 0,14 0,03 0,2 Gejresten I

I -------1- I

15 XVI 5,4 1,3 0,4 0,14 0,03 0,1 In|resten

I -------i- I

XVII 5,4 1,3 0,4 0,14 0,03 0,4 Mn|resten

I -------I- I

XVIII 5,4 1,3 0,4 0,14 0,03 0,2 V |resten

20 1_1_1_1_I_I_i_I_ I

I Man fremstillede også et antal legeringer, som havde la- I

I vere Cu-koncentrationer end de ovenfor anførte legerin- I

I ger. Disse legeringer er anført i den nedenstående tabel I

I 25 lib. I

I TABEL IIb I

I Nominelle sammensætninger af forsøgslegeringer (vægt-%) I

I I I I I I I I

30 I Sammen- | | I

I I sætning j Cu { Li. Mg Zr Ti Al I

I i-1-1- I

I XIX I 4,5 I 1,3 0,4 0,14 0,03 resten I

I i-~\-i-- I

35 I XX I 4,0 I 1,3 0,4 0,14 0,03 resten I

I I XXI I 3,5 I 1,3 0,4 0, 14 0, 03 resten I

I i-1-1- I

I XXII I 3,0 I 1,3 0,4 0,14 0,03 resten I

40 I-1-1- I

I I XXIII I 2,5 I 1,3 0,4 0,14 0,03 resten I

I_I_I_I_1_I_I_ I

DK 175881 B1 33

Blandt de i tabel Ilb angivne legeringer må sammensætningerne XIX, XX og XXI, som indeholder henholdsvis 4,5, 4,0 og 3,5% Cu, opfattes som liggende inden for opfindelsens rammer, mens sammensætningerne XXII og XXIII, som inde-5 holder henholdsvis 3,0 og 3,5% Cu, må opfattes som liggende uden for de sammensætningsområder, der gælder for den foreliggende opfindelse. Det har vist sig, at Cu-koncentrationer under ca. 3,5% ikke fører til de signifikant forbedrede egenskaber, såsom ultrahøj styrke, som 10 kan opnås i legeringer, der indeholder større mængder Cu.

I overensstemmelse med opfindelsen anvender man således Cu i relativt høje koncentrationer, dvs. 3,5-7,0%, hvilket resulterer i forøgede trækstyrker og flydespændinger 15 i forhold til konventionelle Al-Li-legeringer. Desuden er en anvendelse af over ca. 3,5% Cu nødvendig for at fremme legeringernes svejselighed, idet svejseligheden har vist sig at blive ekstremt god ved Cu-indhold på over ca.

4,5%. Koncentrationer af Cu på over ca. 3,5% er nødvendi-20 ge for at sikre en tilstrækkelig Cu-mængde til at kunne danne høje volumenfraktioner af styrkegivende Τχ (Al2CuLi) udfældninger i de kunstigt ældede tilstandsformer. Disse udfældninger virker på den måde, at de hæver styrken af de omhandlede legeringer væsentligt over de 25 styrker, som opnås i konventionelle Al-Li-legeringer.

Anvendelsen af Li i legeringerne ifølge opfindelsen muliggør en betydelig nedsættelse af massefylden i forhold til konventionelle Al-legeringer. Desuden virker Li styr-30 keforøgende, ligesom dette metal forøger elasticitetsmodulet. Det har vist sig, at egenskaberne af de omhandlede

34 I

DK 175881 B1 I

legeringer varierer i betydelig grad i afhængighed af Li- I

indholdet. I de udførelsesformer, hvor Cu-indholdet er I

højt (5,0-7,0%) opnår man væsentligt forbedrede fysiske I

og mekaniske egenskaber med Li-koncentrationer på mellem H

5 0,1 og 2,5%, idet det optimale indhold er omkring 1,2%. H

Ved Li-koncentrationer på under 0,1% opnår man ikke nogen I

signifikant reduktion af massefylden, og ved Li- H

koncentrationer over 2,5% falder styrken i uønsket grad. I

I de udførelsesformer, hvor Cu-indholdet er lavt (3,5- I

10 5,0%), opnår man væsentligt forbedrede fysiske og mekani- I

ske egenskaber med Li-koncentrationer på mellem ca. 0,8 I

og ca. 1,8%, idet det optimale Li-indhold ligger omkring I

1,2%. Uden for dette område har sådanne egenskaber som I

styrken en tendens til at falde til et uønsket lavt ni-

15 veau. I

Det høje forhold imellem Cu og Li (baseret på vægt-%) i I

legeringerne ifølge opfindelsen, som er mindst 2,5 og I

fortrinsvis over 3,0, er nødvendigt for at tilvejebringe I

20 en høj volumen-% af styrkegivende Τχ-udfældninger i de I

fremstillede legeringer. I

Anvendelsen af Mg i legeringerne ifølge opfindelsen for- I

øger styrken og muliggør en mindre nedsættelse af masse- I

25 fylden i forhold til konventionelle Al-legeringer. Endvi- I

H dere forøger Mg modstandsdygtigheden imod korrosion og I

I forbedrer den naturlige ældningsrespons uden forudgående I

koldbearbejdning. Det har vist sig, at styrken af de om- I

I handlede legeringer varierer i betydelig grad i afhængig- I

30 hed af Mg-indholdet. I de udførelsesformer, hvor Cu- I

koncentrationen er høj (5,0-7,0%), opnår man væsentligt I

DK 175881 B1 35 forbedrede fysiske og mekaniske egenskaber med Mg-koncentrationer på mellem 0,05 og 4%, idet den optimale Mg-koncentration er omkring 0,4%. I de udførelsesformer, hvor Cu-koncentrationen er lav (3,5-5,0%), opnår man væ-5 sentligt forbedrede fysiske og mekaniske egenskaber med Mg-koncentrationer på mellem ca. 0,25 og ca. 1,0%, idet det optimale Mg-indhold ligger på omkring 0,4%. Uden for de ovenfor angivne områder opnår man ikke nogen væsentlig forbedring af egenskaberne, såsom trækstyrken.

10

Man har observeret særligt fordelagtige egenskaber hos de legeringer, hvor Li-indholdet er mellem 1,0 og 1,4%, og Mg-indholdet er mellem 0,3 og 0,5%. Dette viser, at typen og udstrækningen af de styrkegivende udfældninger på kri-15 tisk måde afhænger af mængderne af disse to metaller.

For at lette overblikket er anløbningsbetingelserne for de forskellige kombinationer af ældningsbehandling og eventuel koldbearbejdning sammenfattet i den efterfølgen-20 de tabel III.

DK 175881 B1 I

36 I

TABEL III I

AnløbningsbetingeIser H

Anløbning* Beskrivelse : H

T3 Opløsningsvarmebehandlet H

Koldbearbejdet1 I

naturligt ældet til i det væsentlige stabil H

tilstand H

T4 Opløsningsvarmebehandlet H

naturligt ældet til i det væsentlige stabil H

tilstand

15 T6 Opløsningsvarmebehandlet I

kunstigt ældet

T8 Opløsningsvarmebehandlet H

koldbearbejdet H

20 kunstigt ældet H

* Når der optræder flere tal efter standard- H

angivelsen, såsom T81, angiver dette sim- I

pelt hen en specifik T8-anløbning, eksem- H

25 pelvis ved en bestemt ældningstemperatur H

eller i et bestemt tidsrum. H

En T4- eller T6-anløbning kan koldbearbej- I

des for at fremkalde geometrisk integritet,

30 men denne koldbearbejdning har ikke nogen I

DK 175881 B1 37 signifikant indflydelse på egenskaberne af de respektive ældninger.

En legering med sammensætning I blev støbt og ekstruderet 5 ved anvendelse af følgende teknikker: legeringselementerne blev induktionssmeltet under en inert argonatmosfære og støbt i barre med en diameter på 160 mm og en vægt på23 kg. Barrerne blev homogeniseret med henblik på at j frembringe en sammensætningsmæssig ensartethed, og hertil 10 anvendte man en homogeniseringsbehandling i to trin. I det første trin blev barren opvarmet i 16 timer til 4 54 °C (850 °F) for at bringe faser med lav smeltetemperatur i fast opløsning, og i det andet trin blev barren opvarmet i 8 timer til 504 °C (940 °F) . Opvarmningstrinnet I 15 blev gennemført ved en temperatur, som lå under smeltepunktet for enhver af de lavt smeltende faser uden for ligevægt, der dannes i strukturen svarende til den støbte struktur, fordi en smeltning af sådanne faser kan frembringe porøsitet i materialet og/eller bevirke dårlig be-20 arbejdelighed. Opvarmningstrinnet II blev gennemført ved den højeste temperatur, som var praktisk mulig uden at føre til smeltning, for at sikre en hurtig diffusion og dermed en hurtig homogenisering af sammensætningen. Barrerne blev afflosset og derefter ekstruderet ved en frem-25 føringshastighed på 25 mm/sekund ved en temperatur på omkring 370 °C (700 °F) til dannelse af rektangulære barrer med tværsnit på 10 x 102 mm.

Ved en vridningstest under opvarmning fastslog man, at 30 denne legering er let at bearbejde under anvendelse af konventionelt udstyr til bearbejdning af aluminium ved de

I DK 175881 B1 I

I 38 1

I deformationstemperaturer og de belastningsområder, som I

I anvendes i praksis. F.eks. bestemte man de varmebearbejd- I

I ningsparametre, som gælder for mere krævende operationer, I

I såsom valsning. Prøvestykker med en diameter på 6,1 mm og I

I 5 en målelængde på 50 mm blev udskåret fra en ekstruderet H

I legering og rehomogeniseret. Forsøget med vridning i varm I

I tilstand blev foretaget ved en ækvivalent trækstyrke på

I 0,06/S ved temperaturer på mellem 370 og 510 °C (700-950 I

I °F). Den ækvivalente trækflydespænding og den ækvivalente ; I

I 10 trækpåvirkning til brud blev evalueret over dette tempe- I

I raturområde, således som det er illustreret på fig. 1. I

I Trækpåvirkningen til brud maksimeres over et bredt område I

I af varmbearbejdningstemperaturer fra under 427 °C (800 I

I °F) til lige over 482 °C (900 °F), hvilket giver en til- I

I 15 strækkelig fleksibilitet med hensyn til valg af tempera- I

I turer til valsnings- og smedningsoperationer. Der begyn- I

der at optræde en flydende fase ved 508 °C (946 °F) som I

bestemt ved anvendelse af differentialscanning- I

I kalorimetri (DSC) og analyse af afkølingskurver, og dette I

I 20 er forklaringen på det bratte fald i varmsejhed ved 510 I

I °C (950 °F). Flydespændingerne over det optimale tempera- I

I turområde for varmbearbejdning er lave nok til, at man I

I let kan foretage bearbejdningen i en presse eller en møl-

I le med en kapacitet, der stemmer overens med konventionel I

25 forarbejdning af aluminiumlegeringer. Ud fra et kommerci- I

I elt synspunkt er det interessant at bemærke, at tilsva- I

rende undersøgelser, hvor man har anvendt et støbt og ho- I

I monogeniseret materiale med sammensætning I, viser de I

samme tendenser. I

I 30 I

DK 175881 B1 39

De rektangulære ekstruderede barrer, som ikke blev anvendt ved vridningstesten i varm tilstand, blev derefter opløsningsvarmebehandlet ved 503 °C (938 °F) i 1 time, hvorefter de blev bratkølet i vand. Nogle segmenter fra 5 hver ekstrudering blev udstrakt omkring 3% inden 3 timer efter bratkølingen. Ved denne udstrækningsproces udrettes det ekstruderede materiale, og der introduceres ligeledes en koldbearbejdning. Nogle af segmenterne, såvel med som uden koldbearbejdning, blev naturligt ældet ved omkring 10 20 °C (68 °F) . Andre segmenter blev kunstigt ældet ved 160 °C (320 °F) , hvis de var koldbearbejdede, eller ved 180 °C (356 °F), hvis de ikke var koldbearbejdede.

De overlegne egenskaber af legeringssammensætningen I i 15 sammenligning med de konventionelle legeringer 2219 og 2024 er vist i den nedenstående tabel IV. Nærmere bestemt bør det bemærkes, at de naturligt ældede (T3 og T4) tilstande for sammensætningen I sammenlignes med den optimale T8-tilstand med høj styrke for de konventionelle lege-20 ringers vedkommende.

I DK 175881 B1 I

I 40 I

I TABEL IV I

I Trækegenskaber I

I I-1-1-1 l I I

I Flyde- |Endelig Forlæn-| H

I 5 spænding|trækstyrke gelse j I

I Legering Anløbning (ksi) j (ksi) (%) | I

I ---1--1 I

I Comp. I T4 61,9 | 85,0 16,5 | I

I T3 60,3 I 76,6 15,0 | I

I 10 ---1--1 I

I 2219 T81 minimal 44,0 j 61,0 6,0 j I

I T81 typisk 51,0 | 66,0 10,0 | I

I ---1--1 I

I 2024 T42 minimal 38,0 | 57,0 12,0 | I

I 15 T31 minimal 58,0 j 66,0 5,0 j I

_I__I_I_I

I Den efterfølgende tabel V viser trækegenskaberne efter I

I naturlig ældning for forskellige legeringer ifølge opfin-

I 20 delsen. I

DK 175881 B1 41

TABEL V

Trækegenskaber efter naturlig ældning I-1-1-1-1--

Lege- 5 rings- Æld- Flyde- Endelig Forlæn sammen- Anløb- nings- spænding trækstyrke gelse sætning ning tid (h) (ksi) (ksi) . (%) II T3 1300 51,1 67,0 14,6 10 T4 1400 50,9 75,0 17,8 III T3 1300 58,2 75,9 17,4 T4 1400 58,0 80,9 18,1 15 IV T3 1300 51,0 69,0 17,6 T4 1400 54,5 78,0 20,1 V T3 1300 58,2 . 75,4 16,5 T4 1400 58,0 82,5 19,2 20 ------ VI T3 1300 58,2 75,3 16,9 T4 1400 59,9 83,4 18,2 VII T3 1300 57,3 71,6 14,4 25 T4 1400 60,6 81,2 14,1 VIII T3 1300 58,4 75,0 16,7 T 4 1400 60,7 82,8 16,5 30 IX T3 1100 55, 8 68,2 14,3 T4 1100 53, 5 71,1 15,1 X T3 1100 53,7 64,4 12,1 T4 1100 49,4 67,2 15,1 35 h------ XI T3 1000 58,8 75,0 15,5 T4 1000 64,5 84,6 14,1 j . T4 1400 57,9 81,8 16, 9 j 40 XII T3 1000 60,2 76, 6 17,2 T4 1000 59,0 81,1 14,8 XIII T3 2300 58,3 76,5 15,1 T4 1000 56,3 80, 3 15,5 45 ------ XIV I T3 2300 58,4 77,2 18,2 I T4 1000 62,5 85,3 16,4 !

DK 175881 B1 I

42 I

XV T4 1000 52,0 75,2 18,7 : I

XVI T4 1000 53,9 77,7 18,1 5

XVII T4 1000 54,8 79,3 18,0 I

XVIII T4 1000 58,0 78,1 14,1 I

10 XIX T3 1000 54,6 72,2 16,1 I

T4 1000 60,4 83,8 17,0 j I

XX T3 1000 49,9 64,5 13,8 I

T4 1000 58,9 80,8 18,6 I

15 I

XXI T3 1000 51,7 66,7 18,1 I

T4 1000 45,6 67,5 15,4 I

XXII T3 1000 49,3 63,1 14,5 I

20 T4 1000 49,6 71,7 18,4 I

XXIII T3 1000 43,5 57,1 13,9 I

T4 1000 41,1 62,3 15,8 I

I_I_I_l_I__

25 {1 ksi = 6,895 MPa) I

Legeringssammensætningen I udviser en fremragende natur- I

lig ældningsrespons. Trækegenskaberne af sammensætningen I

I i naturligt ældet tilstand uden forudgående koldbear- I

30 bejdning (T4-anløbning) er endda bedre end egenskaberne I

af legering 2219 i kunstigt ældet tilstand efter forudgå- I

ende koldbearbejdning, dvs. i den fuldstændigt varmebe- I

handlede tilstand eller T81-anløbning. Sammensætningen I

i T4-tilstand har en flydespænding på 61,9 ksi, en ende- I

35 lig trækstyrke på 85,0 ksi og en forlængelse på 16,5%. I I

modsætning hertil kan det anføres, at de i håndbøger an- I

givne minimumsværdier for ekstruderinger af 2219-T81, som I

er den for øjeblikket anvendte standardlegering til rum- I

fartsformål, er en flydespænding på 44,0 ksi, en endelig I

DK 175881 B1 43 trækstyrke på 61,0 ksi og en forlængelse på 6% (se tabel IV). T81-anløbningen er den standardanløbning, der giver den højeste styrke til 2219-ekstruderinger med samme geometri som legeringen med sammensætning I. Legeringssam-5 mensætningen I i naturligt ældet anløbningstilstand har også bedre egenskaber i forhold til legeringen 2024 med høj styrke efter T81-anløbning, hvilken legering hører til de førende legeringer til brug inden for luftfarten. Ifølge håndbøger har denne legering en minimal flydespæn- 10 ding på 58 ksi, en endelig trækstyrke på 66 ksi og en forlængelse på 5%. Legering 2024 udviser også en naturlig ældningsrespons, dvs. T42, men denne er meget mindre end responsen af legeringssammensætning I (se tabel IV).

15 Med henblik på at bestemme passende temperaturer til kunstig ældning foretog man ældningsundersøgelser, som antydede, at det var muligt at opnå næsten optimale styrker inden for teknologisk gennemførlige tidsrum som følger: 160 °C for et strakt materiale eller 180 °C for et ikke- ..

20 strakt materiale. Man valgte den lavere temperatur til det strakte materiale, fordi de dislokationer, som introduceres ved koldbearbejdningen, accelererer ældningskinetikken.

25 I den kunstigt ældede tilstand opnå legeringssammensætningen I en ultrahøj styrke. Af særlig stor betydning er den kendsgerning, at det er muligt at opnå optimale trækstyrker tæt ved 100 ksi og forlængelser på 5% efter både T8- og T6-anløbning. Dette antyder, at en koldbearbejd- 30 ning ikke er nødvendig for at opnå ultrahøje styrker i legeringerne ifølge opfindelsen, således som det typisk

DK 175881 B1 I

44 I

er tilfældet i konventionelle 2XXX legeringer. Dette er I

illustreret grafisk på fig. 2, som viser, at Rockwell B I

hårdheden (et mål for den legeringshårdhed, som svarer I

til tilnærmelsesvis 1:1 i forhold til den endelige træk- I

5 styrke i disse legeringer) når op på den samme endelige I

værdi uden hensyn til graden af koldbearbejdning (stræk- I

ning) efter en tilstrækkelig ældningstid. Dette skulle I

indebære en betydelig grad af frihed under de fremstil- I

lingsprocesser, som er forbundet med fremstilling af ma- I

10 terialer til lufttrafik og rumfart. Desuden kunne man op- I

nå forlængelser på op til 25% i meget underældede, dvs. I

reverterede anløbninger (se tabel VI med hensyn til egen- I

skaberne af sammensætninger I, VI, XI og XII og tabel Via I

med hensyn til yderligere egenskaber af legeringer frem- I

15 stillet ifølge opfindelsen). Anløbninger til opnåelse af I

høj duktilitet, såsom denne, kan være særdeles nyttige I

ved fabrikation af strukturelle komponenter til rumfart I

på grund af de ekstensive kuldedannende grænser. Kurverne I

på fig. 3 og 4 viser, hvorledes sammenhængen imellem I

20 styrke og duktilitet varierer med tidsrummet for den kun-

stige ældning for både ikke-koldbearbejdede og koldbear- I

bejdede legeringer. I

DK 175881 B1 45

TABEL VI

Trækegenskaber efter kunstig ældning

Legerings- £ld- Ende- saa- Sid- nlngs1 Piyde- lig- Formen- An- nings- tempe- span- trek- len- sat- Løb- tid retur ding styrke gclse ning riing Beskrivelse (h) (°C) (ksi) (ksi) (X) 1 T6 nssten optimal 24 160 95,7 99.4 4,5

T6 nas ten optimal 24 160 94.5 98.0 S.O

Τ8 nas ten optimal 15.5 160 94,8 99.0 6.5 T8 undereldet 2 160 58.6 77.7 20.0 T6 reversion 0,5 180 40,1 72,6 25,0 T6 nes ten optimal 22 180 87.4 94,1 4.0 T6 undereldet 38.5 180' 89.5 96,6 4,0 VI T8 undereldet 6 160 80,5 89.1 11.8 T8 nssten optimal 20 160 93,0 96,8 8,3 TB nasten optimal 24 160 92,0 95.5 6,4 16 nacten optimal 22 180 82.7 90,1 7,0 T6 undereldet 16 180 78.3 87.0 7,8 XI T8 reversion 0,25 160 53.8 74.0 16.3 T8 undereldet 6 160 81.2 88.6 12.9 T8 undereldet 16 160 93,8 97,1 7.5 TB underaldet 20 160 92.4 96.2 8,9 T8 nasten optimal 24 160 95.1 98.4 8.4 T8 nesten optimal 24 160 96,7 100,3 6.7 T6 reversion 0,25 180 39.1 68.9 23.9 T6 undereldet 6 180 83,4 91.3 7.9 T6 undereldet 16 180 81.6 90,7 7,3 T6 nasten optimal 22 180 84,6 92,4 5.5 T6 nasten optimal 22.5 180 68.6 94.2 7,4 XII T8 undereldet 16 180 91.Θ 96.3 7.2 T8 underaldet 20 160 92.3 96.3 7.4 *T8 20 160 102.4 104.5 6.1 T6 nesten optimal 22 180 85.3 92,3 5,5 *T6 16 180 84.4 92.9 7.1 malinger foretaget på en ekstruderet stav med diameter 0.95 cm.

I DK 175881 B1 I

I 46 I

I TABEL Via I

I Trækegenskaber efter kunstig ældning I

Lege« H

I ringe« Sid* Ende* I

sam« Sid- nings- Flyde« lig« For« H

H men- An« ninge« tempe« *p*o- trek« len« H

I eet« løb« tid retur ding styrke geløe I

I ηΐης ηϊτ>9 Beskrivelse (h) (°C> (ksl) (ksil {%) I

I 12 T8 under*Idet 6 160 74,1 84,0 11 - 2 I

TO undertldet 20 160 89,4 93,8 7,3 H

T8 ncstcn optimal 24 160 90,1 94.3 5,8 H

Tb undercldet lb 180 63,4 77.7 6,4 T6 nesten optimal 22.5 160 68.2 81.0 4,9

111 Τβ undercldet 6 160 76.1 85.1 10.9 H

T8 undercldet 20 160 91.7 95.3 6.9 H

Η T8 n*itfrt optimal 24 160 92.2 95.8 7,4

I T6 under·Idet 16 180 .78.7 88,0 β,2 I

76 nesten optimal 22.5 180 82,1 89.4 4,3

IV« T8 undercldet 6 160 71,5 83.3 14.6 H

I T8 undercldet 20 160 87.0 92.3 8,2 I

^^k T8 nesten optimal 24 160 89,6 94.9 7,4 T6 undercldet 16 160 58.1 77.5 11,7

T6 nesten optimal 22,5 180 65.7 80.8 8,2 H

Η V - T8 undercldet 6 160 78,0 87.0 11.7 T8 undercldet 20 160 87.7 92.6 7.8

TB nesten optimal 24 160 89,1 94,1 8,3 H

T6 undercldet 16 180 75,4 Θ5.6 ,9.1 I

Vil T8 undercldet 6 160 73,2 81.3 8,9 I

H TB undercldet 20 160 85.3 89.1 5.9 I

^^k Τβ nesten optimal 24 160 85.7 89.7 6,5 I

T6 undercldet 16' 180 70.5 81.5 9.5 H

T6 nesten optime1 22.5 180 80.4 66.3 6,4 I

Η VI3 J TB undercldet 6 160 75.7 B3.9 11.0 H

T8 undercldet 2Q 160 90.1 93.5 7,2 H

Γ6 nesten optimal 24 160 89.6 93.5 6,4 H

T6 undercldet 16 180 76.0 86.0 8.0 H

T6 nesten optimal 22.5 180 81.0 87.6 7,0 I

Η IX T8 undercldet 24 160 662.2 72.1 11.0 H

Η T8 undercldet 24 180 75,4 76.6 4,5

X T8 undercldet 24 160 55.2 68.2 12,7 H

T8 undercldet 24 160 70.1 72.8 7,6 H

XJll 76 undercldet 20 160 93.4 97,5 7,1

T6 nesten optimal 24 160 98.5 101.9 6,3 I

T6 nesten optimal 22 1Θ0 89.2 94.8 3.9 I

DK 175881 B1 47 TABEL Via

Trækegenskaber efter kunstig ældning

Legering·- Ild· Ende- •Afi- Eld- nlnge- Flyde- lig- Formen- An - nlnge- tempe- spæn- trek- ltn- aet- lob- tid retur ding styrke geUe ning nlng Beskrivelse (h) (°C) - (kel) (kel) (k> j XIV T8 undere)de t 20 160 99.4 102.6 7.6 ΤΘ undercldet 22 160 93.3 97.1 6.4 T6 næsten optimal 24 160 95.9 99.1 6.0 T6 næsten optimal 21 160 89.3 94.9 4.9 XV T6 underel det 20 160 69.5 94.7 7.8 TB næsten optimal 24 160 91.8 95.4 7.7 T6 næsten optimal 22 1Θ0 80.4 89.9 5.9 XVI, ΤΘ underældet 20 160 92.7 97.0 8,1 Τθ næsten optimal 24 160 92.3 96.1 7.7 T6 næsten optimal 22 180 60,6 89,0 6,2 XVII T8 underældet 20 160 91,4 94.6 8.2 Τθ næsten optimal 24 160 94,1 97.5 6,9 XVIJI ΤΘ underældet 20 160 96.0 99.0 4.6 T8 næsten optimal 24 160 93.0 95.4 3.6 XIX T8 reversion 0.25 160 46,9 72.0 20.5 T8 underældet 6 160 73.8 82.3 11.5 T8 underældet 16 160 9S.7 98,7 9.0 TB underældet 16 180 87.0 91.8 8.0 ΤΘ underældet 20 160 89,3 93.7 9,6 ΤΘ næsten optimal 24 160 92.7 96.1 Θ.4 T6 reversion 0.25 1B0 36.5 65.4 25.5 T6 underældet 6· 180 66,3 80.1 12,4 T6 næsten optimal 22 160 82.2 68.4 7.3 XX T8 underældet 16 180 60.1 Θ5.3 10.9 Τβ under*)det 24 160 88,6 92.0 11.5 T6 næsten optimal 22 180 66.8 75.7 12,0 XXI Τβ underbidet 16 1 BO 78,3 83.7 10.2 Τβ underældet 24 160 77.8 82,8 12,4 T6 næsten optimal 22 180 65.3 75.3 10.9 XX22 Τβ underældet 16 180 68.6 74.1 10.1 Τβ underældet 24 160 67.3 73.2 11,6 T6 næeten optimal 22 1Θ0 54,6 67.6 11.4 XXllI Τβ underældet 16 180 59.0 66,0 8.8 Τβ underældet 24 160 57.7 63,8 10,2 1 ksi = 6,895 MPa)

DK 175881 B1 I

48 I

Det skal bemærkes, at selv om der er angivet bestemte I

forarbejdningstrin i forbindelse med fremstillingen af I

legeringsprodukterne ifølge opfindelsen, kan disse trin

modificeres med henblik på at opnå forskellige ønskede I

5 resultater. De trin, der inkluderer støbning, homogenise- I

ring, bearbejdning, varmebehandling, ældning og lignende, I

kan således ændres, eller der kan tilføjes yderligere be- I

handlingstrin, hvorved man f.eks. kan påvirke de fysiske

og mekaniske egenskaber af de dannede slutprodukter. I

10 Egenskaber såsom type, størrelse og fordeling af styrke- I

givende udfældninger kan således kontrolleres i en vis I

udstrækning i afhængighed af forarbejdningsteknikkerne. I

Man kan også i en vis udstrækning kontrollere kornstør- I

reisen og krystalliniteten af slutproduktet. Udover de

15 forarbejdningsteknikker, som fremgår af nærværende be- I

skrivelse, kan man derfor anvende andre konventionelle I

metoder ved fremstillingen af legeringerne ifølge opfin- I

delsen. I

20 Man foretrækker ganske vist at fremstille blokke eller I

barrer af de omhandlede legeringer ved støbeteknik, men I

det er også muligt at fremstille de omhandlede legeringer I

i form af barrer, som er fremstillet ud fra et fint par- I

tikelformigt materiale. Pulveret eller det partikelformi- I

25 ge materiale kan fremstilles ved sådanne processer som

atomisering, mekanisk legeringsfremstilling og smelte- I

spinding. I

Man har undersøgt indvirkningen af Mg-indholdet på træk- I

30 egenskaberne af legeringer fremstillet ifølge opfindel- I

sen. Fig. 5 viser, at legeringer med sammensætningen Al - DK 175881 B1 ! 49 6,3 Cu - 1,3 Li - 0,14 Zr, og med forskellige mængder af Mg har et maksimum med hensyn til naturligt ældet styrke ved 0,4 vægt-% Mg i T3-anløbning, og fig. 6 viser et tilsvarende maksimum i T4-anløbning. Desuden opnås den høje-5 ste styrke i de kunstigt ældede T6- og T8-tilstande også ved 0,4 vægt-% Mg, således som det er vist på fig. 7 og i 8. Det er velkendt i konventionelle 2XXX-legeringer, at et stigende Mg-indhold frembringer en forøget styrke, idet eksempelvis legeringerne 2024, 2124 og 2618 generelt ..

10 indeholder 1,5 vægt-% Mg. Det er derfor overraskende, at man opnår et maksimum i de omhandlede legeringer ved sålavt et Mg-niveau, og at et forøget Mg-indhold over ca.

0,4 vægt-% ikke virker styrkeforøgende.

15 Situationen er tilsvarende i Al - 5,4 Cu - 1,3 Li - 0,14 Zr legeringer med varierende Mg-indhold. F.eks. er den naturligt ældede styrke højest ved et Mg-indhold på omkring 0,4 vægt-%, idet der ses et gradvis fald i styrken ved 1,5 og 2,0 vægt-% Mg, både i T3- og T4-tilstand, så-20 ledes som det er vist på fig. 9 og 10. I T6-tilstand (såvel nær optimum som i underældet tilstand) er styrken atter højest ved et Mg-indhold på omkring 0,4 vægt-%; se fig. 11 ( næsten optimal ældning) og fig. 12 (underældet tilstand). I T8-tilstanden (fig. 13) er styrken ligeledes 25 højest ved 0,4 vægt-% Mg, selv om toppunktet er mindre dramatisk end i T3-, T4- og Τβ-tilstandene.

Trækegenskaberne af legeringerne ifølge opfindelsen afhænger i høj grad af Li-indholdet. Man opnår optimale 30 styrker med Li-koncentrationer på omkring 1,1-1,3%, idet der sker et signifikant fald i styrken ved Li-indhold

50 I

DK 175881 B1 { I

I I

over ca. 1,4% og under ca. 1,0%. F.eks. afslører en sam- I

menligning mellem trækegenskaberne af legeringssammensæt- j I

ning VI ifølge opfindelsen (Al - 5,4 Cu - 1,3 Li - 0,4 Mg il

- 0,14 Zr) og legeringssammensætning VII (Al - 5,4 Cu - I

5 1,7 Li - 0,4 Mg - 0,14 Zr) et fald på over 8 ksi såvel I

med hensyn til flydespænding som med hensyn til endelig I

trækstyrke (se tabellerne VI og Via). I

Generelt har det vist sig, at de mest fordelagtige egen- I

10 skaber, såsom styrke og forlængelse, er blevet opnået i I

legeringer, som har en kombination af relativt snævre Mg- I

og Li-områder. For en bestemt anløbningstilstand har le I

geringer ifølge opfindelsen, hvis sammensætning ligger I

inden for området 4,5-7,0 Cu, 1,0-1,4 Li, 0,3-0,5 Mg, I

15 0,05-0,5 kornraffinerende middel og resten Al, overor- I

dentligt nyttige egenskaber i henseende til strækning i I

langsgående retning og forlængelse. F.eks. har legerin- I

ger, hvis sammensætning er som angivet ovenfor, i T3- I

anløbet tilstand en flydespænding på omkring 55-65 ksi, I

20 en endelig trækstyrke på omkring 70-80 ksi og en forlæn- I

gelse, der andrager omkring 12-20%. Legeringer med den I

ovenfor angivne sammensætning har i T4-anløbet tilstand I

en flydespænding på omkring 56-68 ksi, en endelig træk- I

styrke på omkring 80-90 ksi og en forlængelse, på omkring I

25 12-20%. I T6-anløbet tilstand udviser sådanne legeringer I

en flydespænding på omkring 80-100 ksi, en endelig træk- I

styrke på omkring 85-105 ksi og en forlængelse, på om- I

kring 2-10%. Endelig udviser legeringer, som har den I

ovenfor angivne sammensætning, i T8-anløbet tilstand en I

30 flydespænding på omkring 87-100 ksi, en endelig trækstyr- I

DK 175881 B1 51 ke på omkring 88-105 ksi og en forlængelse, på omkring 2- 1 11%.

Man har undersøgt indvirkningen af Cu-indholdet på hård-5 heden og trækegenskaberne af legeringer fremstillet ifølge opfindelsen. Legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li - 0,4 Mg - 0,14 Zr og 0,05 Ti og med varierende koncentrationer af Cu på mellem 2,5 og 5,4% blev udstøbt, homogeniseret, afflosset, ekstruderet, opløsningsvarmebe-10 handlet, bratkølet, eventuelt udstrakt (i et omfang på 3%) og endelig varmebehandlet på samme måde som omtalt for legeringssammensætning I ovenfor. Fig. 14 viser kurver for hårdheden som funktion af ældningstiden for legeringer med varierende Cu-indhold, som har været underka-15 stet 3% strækning og en ældning ved 160 °C. Som det fremgår af fig. 14, stiger hårdheden med stigende Cu-indhold I

for legeringer i koldbearbejdet, kunstigt ældet tilstand.

Fig. 15 viser kurver for hårdheden som funktion af ældningstiden for legeringer med varierende Cu-indhold, som 20 ikke har været udsat for strækning, men som er ældet ved , 180 °C. Som det ses af fig. 15, stiger hårdheden med stigende Cu-indhold for legeringer i ikke-koldbearbejdet, kunstigt ældet tilstand.

25 Fig. 16 viser, at legeringer med sammensætningen Al - 1,3 Li - 0,4 Mg - 0,14 Zr og 0,05 Ti og med forskellige mængder af Cu har de højeste naturligt ældede styrker mellem ca. 5 og ca. 6% Cu i T3-tilstand. Under ca. 5% Cu falder styrken gradvis. Fig. 17 viser, at der er en tilsvarende 30 tendens i T4-anløbet tilstand. På tilsvarende måde opnås de højeste styrker i begge de kunstigt ældede T6- og T8-

DK 175881 B1 I

52 I

tilstande ved et Cu-indhold på mellem ca. 5 og ca. 6%, I

således som det er vist på fig. 18 og 19. Ligesom i T3- I

og T4-tilstandene falder styrkerne ved et Cu-indhold I

påunder ca. 5%. Faldet er imidlertid mere udtalt i T6- og I

5 T8-tilstandene. I

I tabel VII er anført trækegenskaber af legeringerne I

ifølge opfindelsen, som består af Al - 1,3 Li - 0,4 Mg - I

0,14 Zr og 0,05 Ti med forskellige mængder Cu. De angivne H

10 vægt-% af Cu er målte værdier. H

DK 175881 B1 53

TABEL VII

Trækegenskaber af legeringer med stigende Cu-indhold

Flyde- Endelig

Ildnlng·*· open- t rck - Forlen-

SaocDen· Cu-niveeu temperatur Eidningø- Anløb- ding styrke gels· sctnlng Ivegt-X) (°C) tid (h) ning (kel) (kel) (X) XXIV 2.62 - ' - T3 43.5 57.1 13.9 T 4 41.1 62.3 15.Θ 160 (16) T8 59.0 60.0 8.6 160 (24) ΤΘ 57.7 63.6 10.2 160 (22) T6 49.9 61.2 13.5 XXV 3.06 - T3 49.3 61.2 13.5 T4 49.6 71.7 18.4 180 (16) ΤΘ 68.8 74.1 10.1 160 (24) T8 67.3 73.2 11.8 180 (22) T6 54.8 67.6 11.4 XXVI 3.55 - T3 51.7 66.7 18.1 T4 - 45.6 67.5 15.4 180 (16) T8 78.3 83.7 10.2 · 160 (24) T8 77.8 82.8 12.4 180 (22) T6 65.3 75.3 10.9 XXVII 4.07 . - - T3 49.9 64.5 13.8 T4 68.9 80.8 18.6 180 (16) T 8 80.1 85.3 10.9 160 (24) T8 88.6 92.0 11.5 180 (22) T6 66.8 75.7 12.0 ( XXVJIJ 4.42 - - T3 54.6 72.2 16.1 T4 60.4 83.8 27.0 180 (16) TB 87.0 92.8 8.0 160 (16) T8 95.7 98.7 9.0 160 (20) T6 69.3 93.7 9.6 180 (22) T6 82.2 88.4 7.3 XXIX 4.98 - - -T3 58.8 75.0 15.5 T4 64.5 84.6 14.1 180 (16) T8 92.0 96.8 6.1 160 (20) T8 93.3 96.7 7.8 380 (22) T6 84.6 92.4 5.5 XXX 5.16 - T3 60.2 76.7 37.2 T4 59.0 81.B 14.8 180 (16) T8 93.8 96.3 7.2 160 (20) T8 92.3 96.3 7.4 380 (22) T6 85.3 92.3 5.5 XXXI 5.30 - T3 61.8 77.3 14.3 T 4 60.7 83.1 17.2 180 (16) T8 90.3 9S.8 7.1 160 (20) T8 93.0 96.8 8.3 180 (22) T 6 61.3 89.5 5.4 . (1 ksi = 6,895 MPa)

DK 175881 B1 I

54 I

Det bemærkes, at de ovenfor angivne, fremragende hærd- I

ningsresponser efter ældning og de fremragende høje styr- :

ker, som kan opnås med legeringerne ifølge opfindelsen, I

typisk måtte forventes med legeringer med en meget høj I

5 fast opløselighed af udfældningsdannende elementer. Re- I

sultaterne er således fuldstændigt uventede i sammenlig- I

ning med hidtil kendte Al-Cu-Li-Mg-legeringer, hvor Mon- I

dolfo (side 641) som tidligere anført konkluderer, at en I

tilsætning af Li til Al-Cu-Mg-legeringer nedsætter den I

10 faste opløselighed af Cu og Mg, og at en tilsætning af Mg I

til Al-Cu-Li-legeringer nedsætter den faste opløselighed I

af kobber og lithium og derved reducerer den opnåelige I

ældningsrespons og værdierne for den endelige trækstyrke. I

I modsætning hertil har det vist sig, at man kan opnå I

15 særdeles meget forbedrede resultater med hensyn til æld- I

ningsrespons og høj styrke med legeringerne ifølge opfin- I

delsen i forhold til, hvad der hidtil har kunnet opnås. I

En detaljeret undersøgelse med transmitterende elektron- I

20 mikroskopi (TEM) omfattende diffraktionsmålinger af ud- I

valgte områder, "selected area diffraction" (SAD), har I

vist, at den ultrahøje styrke af legeringerne ifølge op- I

findelsen i T8-anløbet tilstand kan stå i forbindelse med

den fine homogene fordeling af Ti (Al2CuLi) udfældninger I

25 og ikke de øvrige styrkegivende udfældninger, såsom I

δ’ (AI3L1) og 0(Al2Cu), som almindeligvis findes i Al-Li- I

og Al-Cu-Li-legeringer. I

For nylig er legeringen 2090 blevet undersøgt af Huang og I

30 Ardell (se "Crystal Structure and Stability of I

Ti(A123CuLi) Precipitates in Aged Al-Li-Cu Alloys", Mat. I

DK 175881 B1 55

Sci. and Technology, Vol. 3, side 176-188 marts 1987), og det viste sig, at legeringen 2090 i T8-anløbet tilstand indeholder begge faserne Ti og δ', idet Τχ-fasen er en kraftigere styrkegivende fase end 5'-fasen. Modsætnings-5 vis har en undersøgelse af diffraktionsmønstre i udvalgte områder, "selected area diffraction pattern" (SADP), af. legeringerne ifølge opfindelsen (legeringssammensætning I, T8-anløbning) vist, at Τι-fasen er den vigtigste tilstedeværende styrkegivende fase, og at der ikke observe-10 res nogen δ'-fase. Man når frem til denne konklusion ved at sammenligne diffraktionsmønstrene i udvalgte områder for [110], [112], [114] og [013] zoneakserne (ZA) fra en legering med sammensætningen I i T8-anløbet tilstand med •de forudsete mønstre fra den ovennævnte artikel af Huang 15 og Ardell. SADP-undersøgelsen viser også, at volumenfraktionen af Τι-flager i legeringen med sammensætning I i T8-anløbet tilstand synes at være større og mere ensartet fordelt end i legeringen 2090 {ved observation af et fotografi med et centreret mørkt felt, "centered dark field 20 (CDF)", optaget fra (1010) Τι-pletten med ZA - [114]).

Desuden kræver legeringen 2090 en koldbearbejdning for at få en ekstensiv Τι-udfældning til at optræde, hvorimod man ved legeringerne ifølge opfindelsen observerer høje volumenfraktioner af Τχ-fasen i kunstigt ældede anløbnin-25 ger, uanset om der foretages koldbearbejdning.

• i

Legeringerne ifølge opfindelsen minder mere om det Al-Cu-Li-system, der er undersøgt af Silcock (se J.M. Silcock, "The Structural Aging Characteristics of Aluminum-Copper-30 Lithium Alloys", J. Inst. Metals 8J3, side 357-364, 1959-1960). Ved tilsvarende kobber- og lithium-niveauer viste

DK 175881 B1 I

56 I

Silcock, at de faser, der er til stede i den kunstigt æl- I

dede tilstand, er Τι, Θ' og aluminium i fast opløsning. I

Det har på uventet måde vist sig, at udfældningen af Θ'- I

fasen i legeringerne ifølge opfindelsen undertrykkes, I

5 tilsyneladende som følge af den ekstensive kimdannelse i I

Τι-fasen, men denne effekt er ikke fuldstændigt forstået. I

Udover de fremragende egenskaber ved stuetemperatur har I

undersøgelser vist, at legeringerne ifølge opfindelsen I

10 besidder særdeles fordelagtige kryogene egenskaber. Man I

opnår ikke blot, at trækstyrken og flydegrænsen bevares, I

idet der faktisk sker en forbedring heraf ved lave tempe I

raturer. Egenskaberne ligger langt over de egenskaber,

der kendetegner legeringen 2219, således som det er vist I

15 i den efterfølgende tabel VIII. F.eks. udviser legerings- I

sammensætningen I i en T8-anløbning ved -196 °C (-320 °F) I

trækegenskaber så høje som en flydegrænse på 109 ksi og I

en endelig trækstyrke på 114 ksi (se fig. 20). Dette har I

afgørende betydning ved legeringernes anvendelse til rum- I

20 fartsformål, hvor det ofte er nødvendigt at anvende kryo- I

gene legeringer til brændstoftanke og iltbeholdere. I

DK 175881 B1 57 TABEL VIII Kryogene egenskaber -1-1-1-1-1 i j i Endelig j j 5 j jFlyde- jtræk- jForlæn-j

Temperatur j jgrænse jstyrke jgelse | °F °C | Anløbning | (ksi) | (ksi) | (%) | _I_I_I_!_

Sammensætning I

10 -,-r--- -80 -62,2 T3 63,5 78,4 14,3 -320 -195,5 T3 reversion 64,7 85,5 19,5 -320 -195,5 T3 76,7 93,9 14,0 -80 -62,2 T4 65,1 87,9 13,0 15 -320 -195,5 T4 75,8 99,0 12,5 -80 -62,2 T4 reversion 39,8 65,7 22,0 -80 -62,2 T6 underældet 79,8 89,6 7,2 -80 -62,2 T6 96,5 102,8 2,0 -320 -195,5 T6 reversion 47,8 79,0 25,9 20 -320 -195,5 Τ6 underældet 85,5 99,6 6,0 -320 -195,5 Τ6 101,8 107,8 2,0 -80 -62,2 Τ8 reversion 51,8 69,3 16,1 -80 -62,2 Τ8 underældet 87,8 94,0 7,0 -80 -62,2 Τ8 99,0 102,3 3,0 25 -320 -195,5 Τ8 reversion 64,7 85,5 19,6 -320 -195,5 Τ3 underældet 100,6 107,8 4,0 -320 -195,5 Τ8 109,0 114,2 2,0 __1_I_I_

Sammensætning XI

30 1-1-1—-1- -80 -62,2 Τ3 I 60, 8 78,1 14,6 -320 -195,5 Τ3 | 76,9 97,2_ 13,5 -80 -62,2 Τ4 j 64,5 85,7 11,3 -320 -195,5 Τ4 | 80,5 106,2 12,4 35 -80 -62,2 Τ6 reversion | 40,6 64,9 22,3 -80 -62,2 Τ4 underældet | 79,0 89,0 8,6 -80 -62,2 Τ6 I 95,0 99, 0 4,2 -320 -195,5 Τ6 reversion | 44,8 77,9 28,2 -320 -195,5 Τ6 underældet | 92,9 105,6 8,3 40 -320 -195,5 Τ6 | 103,0 109,9 3,7 -80 -62,2 Τ8 reversion | 49,7 69,7 17,6 -80 -62,2 Τ8 underældet | 88,4 95,3 9,3 -80 -62,2 Τ8 j 98, 6 101, 6 5,0 -320 .-195,5 Τ8 reversion | 58,3 82,7 19,8 45 -320 -195,5 Τ8 underældet | 98,5 110,0 9,6 -320 -195,5 Τ8 | 110,9 118,7 5,8 _I____Ι_1_I_

DK 175881 B1 I

58 I

Legering 2219 | I

-!-1--1-j -80 -62, 21 T62 43,0 62, 0 j 13,0 j

-320 -195, 51 T62 51,0 74,0 '| 14,0 j I

5 -80 -62,2| T87 52,0 71,0 | 9,5 j .

-320 -195,51 T87 64,0 84,0 j 12,0 j I

I_!___I_I

(1 ksi = 6,895 MPa) I

10 Legeringen med sammensætningen I udviser også fremragende H

egenskaber ved forhøjede temperaturer. F.eks. beholder I

legeringen i T6-anløbet tilstand {med en optimal ældning

på 16 timer) en stor del af sin styrke og en nyttig grad H

af forlængelse ved 149 °C (300 °F) , nærmere bestemt en I

15 flydespænding på 74,4 ksi, en endelig trækstyrke på 77,0 H

ksi og en forlængelse på 7,5%. I den næsten optimalt æl- H

dede T8-anløbne tilstand har legeringen med sammensætnin- H

gen I ved 149 °C (300 °F) flydespænding på 84,7 ksi, en I

endelig trækstyrke på 85,1 ksi og en forlængelse på 5,5% H

20 (se den nedenstående tabel IX og fig. 21). H

TABEL IX I

Egenskaber ved forhøjede temperaturer H

--!-i-1-

25 I I Endelig | H

I Flyde- jtræk- jForlæn- I

Temperatur |grænse (styrke jgelse

°F °C j Anløbning | (ksi) | (ksi) | (%) | I

_I___I_I_I_I .

30 Sammensætning I | H

-!-1-1--1 300 149 j T6 I 74,4 77,0 7,5 j '

300 149 I T8 I 84,7 85,1 5,5 j I

500 260 I T8 I 44,5 45,2 5,5 j 35 -1-1-1-1-1

(1 ksi = 6,895 MPa) I

DK 175881 B1 59 i i

Svejseundersøgelser af legeringerne ifølge opfindelsen viser, at de er let svejselige, idet de har en fremragende modstandsdygtighed imod den revnedannelse i varm tilstand, som kan opstå under svejsning. Wolfram/inert gas 5 (TIG) stuksvejsninger af legeringen med sammensætningen I blev foretaget ud fra en ekstruderet barre (10 mm x 102 mm) ved anvendelse af fyldlegeringen 2319 (Al - 6,3 Cu -0,3 Mn - 0,15 Ti - 0,1 V - 0,18 Zr). Pladerne blev vredet kraftigt, og alligevel observeredes ingen revnedannelse i 10 varm tilstand. Svejsningen blev foretaget ved anvendelse af jævnstrøm med retlinet polaritet. De anvendte parametre var 240 vol/13,6 ampere ved en fremføringshastighed på 4,2 mm/sekund. Fyldlegeringen 2319 (en stav med diameter 1,6 mm) blev indført i svejsningen med en hastighed på 15 7,6 mm/sekund (ved 178 volt/19 ampere). En kvantitativ bedømmelse af svejseligheden er vanskelig at opnå, men svejseligheden synes at være meget tæt på svejseligheden af legeringen 2219, som er bedømt som "A" i Mil. Handbook V, hvilket indikerer, at den omhandlede legering generelt 20 er svejselig ved alle kommercielle procedurer og metoder.

De mekaniske egenskaber blev målt på svejsninger af legeringssammensætningen VI med henholdsvis legeringssammensætning VI og legering 2319 som fyldlegering, og der mål-25 tes også på legeringssammensætning XI med henholdsvis legeringssammensætning XI og legering 2319 som fyldlegering. Det viste sig, at svejsestyrken af disse legeringer i naturlig ældet tilstand i flere tilfælde er højere end svejsestyrken af legering 2219-T81 og legering 2519-T87, 30 som er legeringer, der generelt opfattes som værende svejselige (se tabel X).

DK 175881 B1 I

60 I

TABEL X I

Egenskaber af forsøgslegeringer i svejset, blærefri, na- I

turlig ældet tilstand. I

I I I -1-1-1-1 I

5 Anløb- |Ende- I

Basis- ning Flyde-jlig For- I

metal- før Fyld- spæn- jtræk- læn- I

sammen- svejs- lege- Proce- ding |styrke gelse I

sætning ning ring dure (ksi) j(ksi) (%) I

10 -----1-- i I

VI T3 VI GTAW 34,8 j 41,0 1,5 I

37.4 I 41,5 1,3 I

36,0 I 40,6 1,5 I

34.6 I 42,4 2,1 I

15 j I

VI T8 VI GTAW 35,1 j 41,8 1,9 I

i I

VI T8 2319 GTAW 32,2 | 37,1 1,2 I

33.8 j 40,7 2,3 I

20 31,2 j 37,1 1,5 I

i I

XI T3 XI GTAW 36,8 j 47,9 3,7 j I

38.9 j 50, 5 4, 4 I

35.6 j 49, 9 6, 3 I

25 i I

XI T8 XI GTAW 36,2 | 44,0 2,2 I

36.9 j 47,0 3, 1 I

36.4 j 49,9 5,0 I

i I

30 XI T8 2319 GTAW 31,0 | 43,4 3,9 I

j 33,0 j 45,0 3, 9 I

I 31,8 j 40,3 2, 6 I

I-1-1-1_I_I_I_ I

j (Basismetal taget fra 9,5 mm barre) I

35 j I i i i i i I

j 2519 j T87 j 2319) GMAW j 30,3 j 43,7 j 4,4 I

I 2519 j T87 j 2319 J GMAW j 27,3 | 43, 4 3, 6 I

J-I-1_I_I_I_I_ I

I (Basismetal taget fra 9,5 mm plade) j I

40 I i P I I I-j I

I 2219 I T81 I 2319 GMAW j 26,0 | 38,0 | 3,0 j I

j 2219 j T81 j 2319 GMAW j 34,0 j 41,0 I 2,0 I

I_I_I_1_I_!_I_j I

j (Basismetal taget fra 9,5 mm barre) j I

45 I- 1 I

(1 ksi = 6,895 MPa) I

DK 175881 B1 61

Aluminiumlegeringer med høj styrke har typisk en lav modstandsdygtighed over for forskellige typer af korrosion, især revnedannelse i forbindelse med spændingskorrosion, 5 "stress-corrosion cracking" (SCC), som har begrænset anvendeligheden af mange højteknologiske legeringer. I modsætning hertil udviser legeringerne ifølge opfindelsen lovende resultater ud fra sådanne SCC-forsøg. For lege-ringssammensætningen I viser en test over spændingen som 10 funktion af tiden indtil brud (ASTM standard G49 med testvarighed ASTM standard G64), at 4 LT-prøver (Long transverse) belastet med hver af de følgende spændingsniveauer: 50 ksi, 37 ksi og 20 ksi, alle overlevede den 40 dage lange standardtest med alternerende immersion. Dette 15 er signifikant, fordi testen viser en fremragende SCC-modstandsdygtighed ved belastningsniveauer, som omtrent svarer til de flydespændinger, som eksisterende legeringer til rumfart, såsom legering 2024 og 2014, udviser. Desuden besidder legeringen med sammensætningen I i T8-20 anløbet tilstand en SCC-modstandsdygtighed, der kan sammenlignes med den optimalt kunstigt ældede legering 8090, men ved et belastningsniveau, der er 25-30 ksi højere.

EXCO-testen (ASTM standard G34), som er en test for 2XXX 25 Al-legeringernes tilbøjelighed til afskalning, viser, at legeringen med sammensætningen I har bedømmelsen ”EA".

Denne bedømmelse viser, at legeringen kun har en minimal tilbøjelighed til korrosion ved afskalning.

Claims (17)

1. Aluminium-baseret legering, I I kendetegnet ved, at den består af 3,5-7,0 vægt- I I 5 % Cu, 0,8-1,8 vægt-% Li, 0,25-1,0 vægt-% Mg og 0,01-1,5 I H vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, I I Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf og eventu- I I elt 0,01 - 1,5 vægt-% af mindst ét hjælpeelement valgt I blandt Zn, Ge, Be, Sr og Ca, idet resten er aluminium og I I 10 uundgåelige urenheder. I

2. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, I I kendetegnet ved, at den består af 3,5-7,0 vægt- I I % Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,05-0,5 I I 15 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, I I Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet re- I I sten er aluminium og uundgåelige urenheder. I

3. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, I I 20 kendetegnet ved, at den består af 4,0-6,5 vægt- I I % Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,08-0,2 I I vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, I I Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet re- I I sten er aluminium og uundgåelige urenheder. I I 25 I

4. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, * I I kendetegnet ved, at den består af 4,5-6,3 vægt- I I % Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,08-0,2 I I vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, I I 30 Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet re- I I sten er aluminium og uundgåelige urenheder. I DK 175881 B1

5. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den indeholder mindst ene hjælpeelement. 5

6. Koldbearbejdet, naturligt ældet aluminium-baseret legering ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den består af 4,5-7,0 vægt-% Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,01-10 1,5 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, T1B2 og blandinger deraf, idet resten er aluminium og uundgåelige urenheder, hvilken legering i T3-anløbet tilstand har en flydespænding på mel- t lem 55 og 65 ksi (379 og 448 MPa), en endelig trækstyrke 15 på mellem 70 og 80 ksi (482 og 552 MPa) og en forlængelse på mellem 12 og 20%.

7. Ikke-koldbearbejdet, naturligt ældet aluminium-baseret legering ifølge krav 1, 20 kendetegnet ved, at den består af 4,5-7,0 vægt-% Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,01-1,5 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet resten er aluminium og uundgåelige urenheder, hvilken le-25 gering i T4-anløbet tilstand har en flydespænding på mellem 56 og 68 ksi (386 og 469 MPa), en- endelig trækstyrke på mellem 80 og 90 ksi (552 og 621 MPa) og en forlængelse på mellem 12 og 20%.

8. Ikke-koldbearbejdet, kunstigt ældet aluminium-baseret legering ifølge krav 1, DK 175881 B1 I

64 I kendetegnet ved, at den består af 4,5-7,0 I vægt-% Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,01- I I, 5 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, I Cr, Mn, Ti·, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet I 5 resten er aluminium og uundgåelige urenheder, hvilken le- I gering i T6-anløbet tilstand har en flydespænding på mel- I lem 80 og 90 ksi (552 og 621 MPa), en endelig trækstyrke I på mellem 85 og 105 ksi (586 og 724 MPa) og en forlængel- I se på mellem 2 og 10%. I

10 I

9. Koldbearbejdet, kunstigt ældet aluminium-baseret lege- I ring ifølge krav 1, I kendetegnet ved, at den består af 4,5-7,0 I vægt-% Cu, 1,0-1,4 vægt-% Li, 0,3-0,5 vægt-% Mg og 0,01- I 15 1,5 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, I Cr, Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet I resten er aluminium og uundgåelige urenheder, hvilken le- I gering i T8-anløbet tilstand har en flydespænding på mel- I lem 88 og 100 ksi (607 og 689 MPa), en endelig trækstyrke I 20 på mellem 88 og 105 ksi (607 og 724 MPa) og en forlængel- I se på mellem 2 og 10%.

10. Svejselig legering ifølge krav 1, I kendetegnet ved, at Cu-indholdet udgør fra ca. I 25 4,0 til ca. 7,0 vægt-%. I II. Aluminium-baseret legering, I kendetegnet ved, at den består af 5,0-7,0 vægt- I % Cu, 0,1-2,5 vægt-% Li, 0,05-4 vægt-% Mg og 0,01-1,5 I 30 vægt-% af et kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, I Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf og eventu- I DK 175881 B1 elt 0,01 - 1,5 vægt-% af mindst ét hjælpeelement valgt blandt Zn, Ge, Be,Sr og Ca, idet resten er aluminium og uundgåelige urenheder.

12. Aluminium-baseret legering ifølge krav 11, kendetegnet ved, at den består af 5,4-6,3 vægt-% Cu, 0,1-2,5 vægt-% Li, 0,05-4 vægt-% Mg og 0,01-1,5 vægt-% af ét kornraffinerende middel valgt blandt Zr, Cr, Mn, Ti, Hf, V, Nb, B, TiB2 og blandinger deraf, idet re-10 sten er aluminium og uundgåelige urenheder.

13. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den har sammensætningen Al - 5,0 Cu - 1,3 Li - 0,4 Mg - 0,14 Zr. 15

14. Aluminium-baseret legering ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den har sammensætningen Al - 5,3 Cu - 1,3 Li - 0,4 Mg - 0,14 Zr.

15. Legering ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den har sammensætningen Al - 5,4 Cu - 1,3 Li - 0,4 Mg -0,14 Zr - 0,03 Ti - 0,25 Zn.

16. Legering ifølge krav 1, 25 kendetegnet ved, at den har sammensætningen Al - 5,*4 Cu - 1,3 Li - 0,4 Mg -0,14 Zr - 0,03 Ti - 0,5 Zn.