EP3072984A1 - Al-Cu-Mg-Li-Legierung sowie daraus hergestelltes Legierungsprodukt - Google Patents

Al-Cu-Mg-Li-Legierung sowie daraus hergestelltes Legierungsprodukt Download PDF

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EP3072984A1
EP3072984A1 EP15161219.9A EP15161219A EP3072984A1 EP 3072984 A1 EP3072984 A1 EP 3072984A1 EP 15161219 A EP15161219 A EP 15161219A EP 3072984 A1 EP3072984 A1 EP 3072984A1
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EP
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alloy
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content
strength
product
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EP15161219.9A
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EP3072984B2 (de
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Tina Schlingmann
Joachim Becker
Thomas Witulski
Abi D. Dehbozorgi
Mark Timko
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Otto Fuchs KG
Original Assignee
Otto Fuchs KG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/057—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with copper as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to an Al-Cu-Mg-Li alloy and an alloy product produced therefrom.
  • High-performance aluminum alloy components are an indispensable component of aircraft design in many cases. Components of such high-performance aluminum alloys are used among other things in the fuselage and in the wing as structural components. These parts are forged, extruded parts. These must meet the necessary combination of static and dynamic strength and have certain requirements in terms of tensile strength, yield strength, elongation at break and crack toughness (K 1C and stress corrosion cracking). In addition, the weight plays a not insignificant role in components used in the aerospace industry. Thus, the specific gravity (density) of the high performance alloy used is also relevant.
  • Al-Cu-Mg-Li alloy meeting these requirements is the aluminum alloy AA 2195.
  • This alloy has a composition of 3.7-4.3% by weight of Cu, 0.25%. 0.8% by weight of Mg, 0.8-1.2% by weight of Li, 0.25-0.6% by weight of Ag, max. 0.25% by weight of Zn, max. 0.25% by weight of Mn, max. 0.12% by weight of Si, max. 0.15 wt.% Fe, max. 0.1% by weight of Ti and 0.08-0.16% by weight of Zr.
  • the components made from this alloy have a density of about 2.7 g / cm 3 .
  • the aluminum alloy AA 2050 is an example of such a high-performance alloy, which replaced the alloy 2195, from which often components were previously made in the aviation sector in the meantime.
  • the alloy AA 2050 has a Cu content of 3.2-3.9% by weight, a Li content from 0.7 to 1.3 wt%, an Mn content of 0.2 to 0.8 wt%, and a Mg content of 0.1 to 0.5 wt%.
  • Zn is usually involved in the construction of the alloy with up to 0.25 wt .-%.
  • silver is alloyed in this alloy in amounts of 0.2-0.7% by weight. This measure accounts for the prevailing opinion that silver is a necessary alloying component especially in lithium-containing Al-Cu alloys for achieving high strengths of components made therefrom.
  • An alloy similar to the alloy AA 2050 with an even higher Li content is the alloy AA 2196 with a Li content of 1.4-2.1% by weight.
  • the Cu content of this alloy is slightly reduced compared to the Cu content in the 2050 alloy. From this alloy, however, only components with a lower strength can be produced compared to components that can be made of the AA 2050 alloy.
  • Previously known Ag-containing high-performance aluminum alloys such as the AA 2050 alloy, contain Mn as a necessary alloying element.
  • the AA 2050 alloy requires a Mn content of 0.2-0.5 wt%.
  • Mn in a recrystallization inhibitor Mainly due to the latter property, Mn is an element necessary for achieving the desired strength properties.
  • This also corresponds to the prevailing opinion that in Ag-containing Al-Cu-Mg-Li alloys at least 0.2 wt .-% Mn, if not significantly more involved in the construction of the alloy must be.
  • care must be taken to ensure that the Mn content is not so high that coarse primary solidification does not form in the microstructure, which in particular adversely affects the fatigue behavior.
  • Such a high-performance aluminum alloy must contain enough Mn to fulfill the desired property as a recrystallization inhibitor. These requirements meet the previously known alloys with Mn contents, such as in the AA 2050 between 0.2 and 0.5 wt .-%.
  • the Mn content information given in the prior art high-performance aluminum alloys containing Ag and Li has a relatively large margin. It depends largely on the participation of others Alloy elements Cu, Li, Mg, Mn, Ti, Zr, Si, Fe and Ag from whether a selected Mn content from the specified range can actually be melted an alloy from which components can be produced that meet the specified strength requirements and fatigue and toughness are sufficient.
  • the invention is based on the above-appreciated prior art, the task of proposing an Ag and Li-containing Al-Cu alloy, which is not only simplified in terms of their construction compared to prior art alloys, but in which is also ensured that within the specified spectrum of the alloying elements components produced therefrom after appropriate heat treatment satisfy the desired combination of mechanical properties.
  • All alloy compositions described in this embodiment may contain unavoidable impurities per element of 0.05% by weight, the total amount of impurities should not exceed 0.15% by weight. However, it is preferable to keep the impurity as low as possible and not to exceed 0.03 wt% per element at a total amount of 0.08 wt%.
  • This Ag and Li-containing high-performance aluminum alloy has a particularly narrow range of its alloying elements. This is especially true for the alloying element Mn, which not only in A very narrow spectrum, but also with surprisingly small proportions in the structure of the alloy is involved and fulfills the functions intended for this element. It should be pointed out in this context that this alloy is Zn-free. It was surprising to find that in this alloy having an Mn content as small as that required in the AA 2050 alloy, it is sufficient to effectively prevent recrystallization. In addition, care is taken within the stated range of 0.01% by weight to ⁇ 0.2% by weight that no or only to a significant extent primary phases are formed which would impair fatigue and toughness.
  • a component has extremely strong properties if the yield strength R p0.2 is at least 600 MPa.
  • a component is said to have high strength properties if the yield strength R p0.2 is at least 500 MPa.
  • the necessary strength does not appear in combination with the other alloying elements. Copper contents above 3.9 wt.% In the alloy are unable to further increase the strength of a component made from the alloy. On the contrary, it is to be expected that at higher Cu contents property-damaging phases form.
  • Lithium is included to reduce the density (specific gravity) in the alloy.
  • the lithium content is adapted to the Cu and Mg contents of the alloy in such a way that as much as possible Lithium is incorporated into the alloy, but only so much that this can be brought into solution and no unwanted Li-containing phases. Therefore, the Li content of the alloy is limited to the narrow range between 0.9 and 1.3 wt%.
  • Magnesium contributes to the desired properties of a component made of the alloy, but is only permitted with one share, so that no undesirable phases (such as an S phase Al 2 CuMg) form. Taking into account the further alloying elements, the Mg content should not exceed 0.45% by weight.
  • Titanium acts as a grain refiner in the cast structure and zirconium as a dispersoid former and thus contributes to the inhibition of recrystallization.
  • an Mn content of between 0.10 and 0.18 wt .-% is sufficient to effectively prevent recrystallization. This is attributed to the specific and targeted selection of the share and the range of Mn as well as the very limited Mn content. This ensures that within these limits can be consistently set the desired combination of mechanical properties in a made of the alloy component. If the Mn content exceeds 0.18% by weight, taking into account the other alloying elements, this may already lead to coarser primary solidifications in the microstructure, which in turn was not to be expected in accordance with prevailing opinion. Finally, in the alloy AA 2050, an Mn content of 0.2-0.8 wt% is proposed.
  • the Mn content of the claimed alloy is limited to a maximum amount of 0.18 wt%. If no primary solidification in the microstructure is to be accepted, the Mn content is limited to a range of 0.10-0.15% by weight at the top. Particularly good results can be achieved if the Mn content is between 0.10 and 0.12 wt .-%.
  • the Ag content is included to increase the strength in this alloy.
  • the Ag content is chosen to be slightly lower or slightly more within the claimed limit of between 0.2 and 0.45 wt%.
  • the Ag content should be more than 0.35 wt .-%.
  • a preferred contribution of the Ag content to the construction of the alloy is from 0.38 to 0.43 wt%.
  • the alloy is preferably Fe-free.
  • dispersion-forming elements have Mn + Fe + Si ⁇ 0.3% by weight.
  • alloys according to the invention were melted as comparative alloy on a laboratory scale cast by chill casting to test bars.
  • the molten alloys have the following composition, wherein the alloy XL33 is the alloy according to the invention, while the alloy AA 2050 has been melted as a reference alloy: alloy Cu Li mg Mn Ti Zr Si Fe Ag XL33 3.78 0.90 0.35 0.11 0,052 0.112 0.02 0.02 0.404 AA 2050 3.72 0.94 0.31 0.38 0.40 0.092 0.04 0.063 0.491
  • the cast billets were homogenized, extruded and solution annealed as profiles and then stretched longitudinally by about 2-4%.
  • the hot aging was carried out at 153 ° C for 48 hours.
  • the yield strength R p0.2 the tensile strength R m
  • the elongation at break A 5 the fracture toughness. The tests were carried out on the specimens in the same places.
  • FIG. 1 shows a micrograph of a sample of the alloy according to the invention with a Cu content of 3.3 wt .-% and a Mn content of 0.11 wt .-%.
  • identifiable phases are exclusively Al 7 Cu 2 Fe phases.
  • FIG. 2 shows a micrograph of a comparative sample with an alloy composition corresponding to AA 2050 (s. FIG. 2 ).
  • This alloy has a Cu content of 3.7% by weight and an Mn content of 0.37% by weight.
  • the micrograph clearly shows that in addition to the Al 7 Cu 2 Fe phases, this alloy contains the undesirable Al 6 Mn phases due to their morphology. These are as in FIG. 2 recognizable, as a layered arranged in the examined sample, which shows layered arrangement in the Al 6 Mn particle line.
  • a component made of this alloy is suitable as a component for use in the aerospace industry, especially for structural components, due to the properties described above.
  • components made of this alloy can also be made and used for other applications, especially if a low density should also play a role.

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Abstract

Beschrieben ist eine Al-Cu-Legierung mit 3,7 - 3,9 Gew.-% Cu, 0,9 - 1,3 Gew.-% Li, 0,30 - 0,45 Gew.-% Mg, 0,10 - < 0,2 Gew.-% Mn, 0,2 - 0,45 Gew.-% Ag, 0,09 - 0,13 Gew.-% Zr, max. 0,07 Gew.-% Ti, wobei das Ti als TiB 2 oder TiC vorliegt, Rest Al nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Al-Cu-Mg-Li-Legierung sowie ein daraus hergestelltes Legierungsprodukt.
  • Bauteile aus Hochleistungsaluminiumlegierungen sind in vielen Fällen unverzichtbarer Bestandteil bei der Konstruktion von Flugzeugen. Bauteile aus derartigen Hochleistungsaluminiumlegierungen werden unter anderem im Rumpf und im Flügel als Strukturbauteile eingesetzt. Bei diesen Teilen handelt es sich um geschmiedete, stranggepresste Teile. Diese müssen der notwendigen Kombination aus statischer und dynamischer Festigkeit genügen und bestimmte Anforderungen in Bezug auf Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung und Risszähigkeit (K1C und Spannungsrisskorrosion) aufweisen. Zudem spielt das Gewicht bei Bauteilen, die für die Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden, eine nicht unbedeutende Rolle. Somit ist auch das spezifische Gewicht (die Dichte) der verwendeten Hochleistungslegierung von Relevanz.
  • Eine am Markt eingeführte Al-Cu-Mg-Li-Legierung, die diesen Anforderungen genügt, ist die Aluminium-Legierung AA 2195. Diese Legierung hat eine Zusammensetzung von 3,7 - 4,3 Gew.-% Cu, 0,25 - 0,8 Gew.-% Mg, 0,8 - 1,2 Gew.% Li, 0,25 - 0,6 Gew.% Ag, max. 0,25 Gew.-% Zn, max. 0,25 Gew.-% Mn, max. 0,12 Gew.-% Si, max. 0,15 Gew.-% Fe, max. 0,1 Gew.-% Ti und 0,08 - 0,16 Gew.% Zr. Die aus dieser Legierung hergestellten Bauteile haben eine Dichte von etwa 2,7 g/cm3.
  • Mit zunehmender Größe der Flugzeuge geht das Bestreben einher, in Ergänzung zu einer hohen Festigkeit die Bauteile mit einem besseren damage tolerant Verhalten zu versehen. Entwickelt worden sind, um dieser Anforderung zu genügen, ausgehend von der Legierung AA 2195, Al-Cu-Mg-Li-Legierungen mit verbesserter Zähigkeit und Schwingfestigkeit. Die Aluminiumlegierung AA 2050 ist ein Beispiel für eine solche Hochleistungslegierung, die die Legierung 2195, aus der zuvor oftmals Bauteile gefertigt wurden, im Luftfahrtbereich zwischenzeitlich ersetzt. Die Legierung AA 2050 weist einen Cu-Anteil von 3,2 - 3,9 Gew.-%, einen Li-Gehalt von 0,7 - 1,3 Gew.-%, einen Mn-Gehalt von 0,2 - 0,8 Gew.-% und einen Mg-Gehalt von 0,1 - 0,5 Gew.-% auf. Zn ist üblicherweise am Aufbau der Legierung mit bis zu 0,25 Gew.-% beteiligt. Um die notwendigen Festigkeitseigenschaften zu erzielen, wird bei dieser Legierung Silber zulegiert, und zwar in Gehalten von 0,2 - 0,7 Gew.-%. Durch diese Maßnahme wird der herrschenden Meinung Rechenschaft getragen, dass Silber, gerade bei Lithium-haltigen Al-Cu-Legierungen zum Erzielen hoher Festigkeiten daraus hergestellter Bauteile notwendiger Legierungsbestandteil ist.
  • Eine der Legierung AA 2050 ähnliche Legierung mit einem noch höheren Li-Anteil ist die Legierung AA 2196 mit einem Li-Anteil von 1,4 - 2.1 Gew.- %. Der Cu-Anteil dieser Legierung ist gegenüber dem Cu-Anteil in der Legierung 2050 geringfügig reduziert. Aus dieser Legierung können jedoch nur Bauteile mit einer geringeren Festigkeit hergestellt werden, verglichen mit Bauteilen, die aus der Legierung AA 2050 hergestellt werden können.
  • Vorbekannte Ag-haltige Hochleistungsaluminiumlegierungen wie die Legierung AA 2050 beinhalten als notwendiges Legierungselement Mn. Bei der Legierung AA 2050 ist ein Mn-Gehalt von 0,2 - 0,5 Gew.-% erforderlich. Mn in ein Rekristallisationshemmer. Vor allem aufgrund letzterer Eigenschaft ist Mn ein für die Erzielung der gewünschten Festigkeitseigenschaften notwendiges Element. Dieses entspricht auch der herrschenden Meinung, dass bei Ag-haltigen Al-Cu-Mg-Li-Legierungen zumindest 0,2 Gew.-% Mn, wenn nicht deutlich mehr am Aufbau der Legierung beteiligt sein muss. Allerdings ist darauf zu achten, dass der Mn-Gehalt nicht so hoch ist, damit sich keine groben Primärerstarrungen im Mikrogefüge ausbilden, die insbesondere das Ermüdungsverhalten negativ beeinflussen. Insofern darf ein gewisses Maximum nicht überschritten werden. Auf der anderen Seite muss eine solche Hochleistungsaluminiumlegierung genügend Mn enthalten, um die gewünschte Eigenschaft als Rekristallisationshemmer erfüllen zu können. Diesen Anforderungen genügen die vorbekannten Legierungen mit Mn-Gehalten, wie beispielsweise bei der AA 2050 zwischen 0,2 und 0,5 Gew.-%.
  • Die zu den vorbekannten Hochleistungsaluminiumlegierungen, die Ag und Li enthalten, gemachten Angaben zu dem Mn-Gehalt weisen eine relativ große Spanne auf. Es hängt maßgeblich von der Beteiligung der anderen Legierungselemente Cu, Li, Mg, Mn, Ti, Zr, Si, Fe und Ag ab, ob mit einem ausgewählten Mn-Gehalt aus dem angegebenen Bereich tatsächlich eine Legierung erschmolzen werden kann, aus der Bauteile hergestellt werden können, die den gestellten Festigkeitsanforderungen sowie der Ermüdung und Zähigkeit genügen.
  • Der Erfindung liegt ausgehend von dem vorstehend gewürdigten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Ag- und Li-haltige Al-Cu-Legierung vorzuschlagen, die nicht nur hinsichtlich ihres Aufbaus im Vergleich zu vorbekannten Legierungen vereinfacht ist, sondern bei der auch gewährleistet ist, dass innerhalb des angegebenen Spektrums der Legierungselemente daraus hergestellte Bauteile nach entsprechender Wärmebehandlung der gewünschten Kombination mechanischer Eigenschaften genügen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Al-Cu-Mg-Li-Legierung mit
    • 3,7 - 3,9 Gew.-% Cu,
    • 0,9 - 1,3 Gew.-% Li,
    • 0,30 - 0,45 Gew.-% Mg,
    • 0,10 - < 0,2 Gew.-% Mn,
    • 0,2 - 0,45 Gew.-% Ag,
    • 0,09 - 0,13 Gew.-% Zr,
    • max. 0,07 Gew.-% Ti, wobei das Ti als TiB2 oder TiC vorliegt,
    • Rest Al nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  • Bei allen Legierungszusammensetzungen, die im Rahmen dieser Ausführung beschrieben sind, können unvermeidbare Verunreinigungen je Element von 0,05 Gew.-% enthalten sein, wobei die Gesamtmenge an Verunreinigungen 0,15 Gew.-% nicht überschreiten sollte. Es ist jedoch bevorzugt, die Verunreinigung möglichst gering zu halten und einen Anteil von 0,03 Gew.-% je Element bei einer Gesamtmenge von 0,08 Gew.-% nicht zu überschreiten.
  • Diese Ag- und Li-haltige Hochleistungsaluminiumlegierung weist eine besonders enge Bandbreite seiner Legierungselemente auf. Dieses gilt in besonderem Maße für das Legierungselement Mn, welches nicht nur in einem sehr engen Spektrum, sondern auch mit erstaunlich geringen Anteilen am Aufbau der Legierung beteiligt ist und den diesem Element zugedachten Funktionen erfüllt. Herauszustellen ist in diesem Zusammenhang, dass diese Legierung Zn-frei ist. Es war überraschend festzustellen, dass bei dieser Legierung mit einem Mn-Gehalt, der sogar nur halb so groß sein kann wie der in der Legierung AA 2050 benötigte, ausreicht, um eine Rekristallisation wirksam zu verhindern. Zudem ist innerhalb der angegebenen Spanne von 0,01 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-% Mn Sorge dafür getragen, dass keine oder nur in einem nicht nennenswerten Maße Primärphasen entstehen, die die Ermüdung und Zähigkeit verschlechtern würden. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bei dieser besonderen Legierungszusammensetzung ungewollte, plattenförmige Al6Mn-Phasen nicht oder allenfalls nur sehr untergeordnet bilden. In aller Regel ist Fe als Begleit-element nicht auszuschließen. Die sich mit Fe bildenden Phasen Al7Cu2Fe beeinträchtigen aufgrund ihrer kompakten Morphologie die mechanischen Eigenschaften eines aus dieser Legierung hergestellten Bauteils hingegen deutlich weniger. Insofern war es überraschend festzustellen, dass bei eine Al-Cu-Mg-Li-Legierung mit der vorbeschriebenen Zusammensetzung und ihrem besonders geringen Mn-Gehalt davon auszugehen ist, dass Bauteile mit der gewünschten Kombination aus Eigenschaften, die nicht nur hochfest, sondern auch zäh und ermüdungsbeständig sind, hergestellt werden konnten, die sogar höchstfesten Anforderungen genügen. Zur Definition hochfest und höchstfest: Ein Bauteil weist höchstfeste Eigenschaften auf, wenn die Dehngrenze R p0,2 zumindest 600 MPa beträgt. Einem Bauteil werden hochfeste Eigenschaften zugesprochen, wenn die Dehngrenze R p0,2 zumindest 500 MPa beträgt.
  • Liegt der Cu-Anteil unter 3,7 Gew.-% stellt sich in Kombination mit den anderen Legierungselementen nicht die notwendige Festigkeit ein. Kupfergehalte über 3,9 Gew.-% in der Legierung vermögen die Festigkeit eines aus der Legierung hergestellten Bauteils nicht weiter zu erhöhen. Vielmehr ist damit zu rechnen, dass sich bei höheren Cu-Gehalten eigenschaftsschädigende Phasen bilden.
  • Lithium ist zur Reduzierung der Dichte (des spezifischen Gewichtes) in der Legierung enthalten. Der Lithium-Gehalt ist an die Cu- und Mg-Gehalte der Legierung angepasst, und zwar dergestalt, dass zwar möglichst viel Lithium in die Legierung eingebaut wird, jedoch nur so viel, dass dieses in Lösung gebracht werden kann und keine unerwünschten Li-haltigen Phasen entstehen. Daher ist der Li-Gehalt der Legierung auf den engen Bereich zwischen 0,9 und 1,3 Gew.-% begrenzt.
  • Magnesium trägt zu den gewünschten Eigenschaften eines aus der Legierung hergestellten Bauteils bei, ist jedoch nur mit einem Anteil zugelassen, damit sich keine unerwünschten Phasen (wie z.B. eine S-Phase Al2CuMg) ausbilden. Unter Berücksichtigung der weiteren Legierungselemente soll der Mg-Anteil 0,45 Gew.-% nicht überschreiten.
  • Titan wirkt als Kornfeiner im Gussgefüge und Zirkon als Dispersoidbildner und trägt somit zur Hemmung der Rekristallisation bei.
  • Überraschend hat sich gezeigt, dass unter Berücksichtigung der anderen Legierungselemente und deren Gehalte ein Mn-Gehalt zwischen 0,10 und 0,18 Gew.-% ausreicht, um wirksam eine Rekristallisation zu verhindern. Zugeschrieben wird dieses der speziellen und gezielten Auswahl des Anteils und der Bandbreite von Mn als auch der sehr eng begrenzte Mn-Gehalt. Dies gewährleistet, dass sich innerhalb dieser Grenzen durchweg die gewünschten Kombination an mechanischen Eigenschaften bei einem aus der Legierung hergestellten Bauteil einstellen lassen. Überschreitet der Mn-Gehalt 0,18 Gew.-% kann dieses unter Berücksichtigung der anderen Legierungselemente bereits zu gröberen Primärerstarrungen im Mikrogefüge führen, was wiederum der herrschenden Meinung entsprechend nicht zu erwarten war. Schließlich wird in der Legierung AA 2050 ein Mn-Gehalt von 0,2 - 0,8 Gew.-% vorgeschlagen. Daher ist der Mn-Gehalt der beanspruchten Legierung auf einen Maximalanteil von 0,18 Gew.-% begrenzt. Sollen keinerlei Primärerstarrungen im Mikrogefüge in Kauf genommen werden, wird der Mn-Gehalt auf eine Spanne von 0,10 - 0,15 Gew.-% nach oben hin begrenzt. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Mn-Gehalt zwischen 0,10 und 0,12 Gew.-% liegt.
  • Ag ist zur Erhöhung der Festigkeit in dieser Legierung enthalten. In Abhängigkeit von der in dem Bauteil einzustellenden gewünschten Festigkeit wird der Ag-Gehalt etwas geringer oder etwas mehr innerhalb der beanspruchten Grenze zwischen 0,2 und 0,45 Gew.-% gewählt. Zur Erzielung eines Bauteiles, welches den Anforderungen an ein höchstfestes Bauteil genügen soll, sollte der Ag-Gehalt mehr als 0,35 Gew.-% betragen. Eine bevorzugte Beteiligung des Ag-Anteils am Aufbau der Legierung erstreckt sich von 0,38 - 0,43 Gew.-%.
  • Bemerkenswert ist auch, dass die Legierung vorzugsweise Fe-frei ist.
  • Bevorzugt ist eine Ausgestaltung dieser Erfindung, bei der die dispersionsbildenden Elemente Mn+Fe+Si < 0,3 Gew.-% aufweisen.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein Cu/Mg-Verhältnis zwischen 8,22 und 12 besonders zweckmäßig ist, um die gewünschten Legierungseigenschaften zu erhalten.
  • Für Untersuchungen der Legierungszusammensetzung und der sich einstellenden Kombination der gewünschten Eigenschaften von daraus hergestellten Bauteilen wurden erfindungsgemäße Legierungen sowie solche gemäß AA 2050 als Vergleichslegierung erschmolzen im Labormaßstab durch Kokillenguss zu Versuchsbarren gegossen.
  • Die erschmolzenen Legierungen haben folgende Zusammensetzung, wobei die Legierung XL33 die erfindungsgemäße Legierung ist, während die Legierung AA 2050 als Vergleichslegierung erschmolzen worden ist:
    Legierung Cu Li Mg Mn Ti Zr Si Fe Ag
    XL33 3,78 0,90 0,35 0,11 0,052 0,112 0,02 0,02 0,404
    AA 2050 3,72 0,94 0,31 0,38 0,40 0,092 0,04 0,063 0,491
  • Die gegossenen Barren wurden homogenisiert, stranggepresst und als Profile lösungsgeglüht und anschließend in Längsrichtung gereckt, und zwar um etwa 2 - 4 %. Die Warmauslagerung wurde für 48 Stunden bei 153 °C durchgeführt. Nachfolgend sind Untersuchungen durchgeführt worden, um die Dehngrenze R p0,2 , die Zugfestigkeit R m , die Bruchdehnung A 5 sowie die Risszähigkeit zu ermitteln. Die Untersuchungen sind an den Probenstücken an jeweils gleichen Stellen vorgenommen worden. Die Untersuchungen ergaben folgende Ergebnisse:
    Probe Dichte [g/cm3] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] K1C [MPa√m]
    XL33 L 2,7 653 668 9,8 L-T 37,3
    T-L 25,9
    AA 2050 L 2,7 615 638 11,2 L-T 42,1
    T-L 31,6
  • Parallel zu den vorbeschriebenen Probenstücken wurden solche hergestellt, deren Warmauslagerung für 48 Stunden bei etwa 160° C durchgeführt worden ist. Die Ergebnisse sind insofern von Interesse, da diese die Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Legierung und somit die Wirksamkeit des speziellen Mn-Gehaltes belegen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen entsprechen bei der erfindungsgemäßen Legierung den Festigkeitswerten, die auch zu der Probe ermittelt worden sind, deren Warmauslagerung bei 153° C stattgefunden hat. Die Festigkeitswerte der Proben mit einer Warmauslagerung über 48 Stunden bei 160 °C sind nachfolgend wiedergegeben:
    Probe Dichte [g/cm3] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] K1C [MPa√m]
    XL33 L 2,7 642 663 9,7 L-T 36,9
    T-L 25,2
    AA 2050 L 2,7 597 629 9,5 L-T 41,1
    T-L 30,5
  • Die vorstehenden Untersuchungsergebnisse machen deutlich, dass Bauteile, die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt sind, sogar höchstfesten Ansprüchen genügen, die auch besser sind als die Festigkeitswerte, die an der Vergleichsprobe aus der Legierung AA 2050 ermittelt wurden. Zugeschrieben wird diese Steigerung in den Festigkeitswerten dem speziellen, gegenüber vorbekannten Legierungen sehr geringen Mn-Anteil. Die Festigkeitswerte zeigen zudem, dass auch bei derart niedrigen Mn-Gehalten in der speziellen Zusammensetzung der beanspruchten Legierung in Bezug auf die übrigen Legierungselemente Rekristallisationen wirksam gehemmt sind.
  • Die vorstehenden mechanischen Eigenschaften konnten anhand etlicher Paralleluntersuchungen mit Variationen in der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung im Rahmen der durch den Anspruch 1 gesetzten Grenzen bestätigt werden.
  • Figur 1 zeigt ein Gefügebild einer Probe aus der erfindungsgemäßen Legierung mit einem Cu-Gehalt von 3,3 Gew.-% und einem Mn-Gehalt von 0,11 Gew.-%. Bei den in Figur 1 erkennbaren Phasen handelt es sich ausschließlich um Al7Cu2Fe-Phasen.
  • Figur 2 zeigt ein Gefügebild einer Vergleichsprobe mit einer Legierungszusammensetzung entsprechend AA 2050 (s. Figur 2). Diese Legierung weist einen Cu-Gehalt von 3,7 Gew.-% und einen Mn-Gehalt von 0,37 Gew.-% auf. Das Gefügebild zeigt deutlich, dass in dieser Legierung neben den Al7Cu2Fe-Phasen die aufgrund ihrer Morphologie unerwünschten Al6Mn-Phasen vorhanden sind. Diese sind, wie in Figur 2 erkennbar, als lagig in der untersuchten Probe angeordnet, welche lagige Anordnung sich in der Al6Mn-Partikel-Zeile zeigt.
  • Ein aus dieser Legierung hergestelltes Bauteil eignet sich aufgrund der vorbeschriebenen Eigenschaften als Bauteil zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, vor allem für Strukturbauteile. Gleichwohl können Bauteile aus dieser Legierung auch für andere Anwendungen hergestellt und eingesetzt werden, vor allem dann, wenn auch eine geringe Dichte eine Rolle spielen sollte.

Claims (9)

  1. Al-Cu-Mg-Li-Legierung mit
    3,7 - 3,9 Gew.-% Cu,
    0,9 - 1,3 Gew.-% Li,
    0,30 - 0,45 Gew.-% Mg,
    0,10 - < 0,2 Gew.-% Mn,
    0,2 - 0,45 Gew.-% Ag,
    0,09 - 0,13 Gew.-% Zr,
    max. 0,07 Gew.-% Ti, wobei das Ti als TiB2 oder TiC vorliegt,
    Rest Al nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  2. Al-Cu-Mg-Li-Legierung nach Anspruch 1 mit
    3,7 - 3,9 Gew.-% Cu,
    0,95 - 1,2 Gew.-% Li,
    0,35 - 0,45 Gew.-% Mg,
    0,10 - 0,18 Gew.-% Mn,
    0,38 - 0,43 Gew.-% Ag,
    0,09 - 0,13 Gew.-% Zr,
    max. 0,07 Gew.-% Ti, wobei das Ti als TiB2 oder TiC vorliegt,
    Rest Al nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  3. Al-Cu-Mg-Li-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mn-Gehalt zwischen 0,10 und 0,15 Gew.-% beträgt.
  4. Al-Cu-Mg-Li-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der dispersionsbildenden Elemente Mn+Fe+Si < 0,3 Gew.-% beträgt.
  5. Al-Cu-Mg-Li-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Cu/Mg-Verhältnis zwischen 8,22 und 12 beträgt.
  6. Al-Cu-Mg-Li-Legierungsprodukt mit einer Legierungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt dergestalt warmausgelagert worden ist, dass das Legierungsprodukt parallel zur Faser eine 0,2%-Dehngrenze R p0,2 von mehr als 620 MPa und eine Zugfestigkeit R m von mehr als 630 MPa aufweist.
  7. Al-Cu-Mg-Li-Legierungsprodukt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses parallel zur Faser eine Bruchdehnung A 5 von mindesten 9% aufweist.
  8. Al-Cu-Mg-Li-Legierungsprodukt nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Legierung so gewählt ist, dass das daraus hergestellte Produkt eine Dichte von etwa 2,70 g/cm3 aufweist.
  9. Al-Cu-Mg-Li-Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Legierungsprodukt um ein Strukturbauteil für eine luft- und/oder raumfahrtechnische Anwendung handelt.
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