ES2278093T5 - Método de mejora de la tenacidad a la rotura en aleaciones de aluminio-litio - Google Patents

Método de mejora de la tenacidad a la rotura en aleaciones de aluminio-litio Download PDF

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DESCRIPCIÓN
Método de mejora de la tenacidad a la rotura en aleaciones de aluminio-litio.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de mejora de la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta en aleaciones de aluminio-litio y en un producto derivado de las mismas, en particular, a un método que controla los niveles de cobre, manganeso, litio y zirconio en las aleaciones para obtener una mejor tenacidad a la rotura.
Técnica antecedente 5
Es bien conocido que la adición de litio como elemento de aleación a aleaciones de aluminio da como resultado la obtención de propiedades mecánicas beneficiosas.
Las aleaciones de aluminio-litio presentan mejoras de rigidez y resistencia, al tiempo que reducen la densidad. Por 10 consiguiente, estos tipos de aleaciones son de utilidad como materiales estructurales en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales. Los ejemplos de aleaciones de aluminio-litio conocidas incluyen AA2097 y AA2197. Las composiciones químicas de estas aleaciones se presentan en la Tabla 1 más adelante.
Las aleaciones de aluminio-litio presentan problemas, particularmente en chapas gruesas de aproximadamente 3 15 pulgadas (76,2 mm) o más, en términos de tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L).
Los valores de tenacidad en esta dirección tienden a ser significativamente más bajos que los valores de tenacidad en otras direcciones, tales como la dirección longitudinal (L-T) o la dirección transversal larga (T-L).
20
En vista de los inconvenientes de las aleaciones de aluminio-litio con respecto a la tenacidad a la rotura, se desarrolló una necesidad de proporcionar un método de mejora de la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L) para estos tipos de aleaciones. En respuesta a esta necesidad, la presente invención proporciona tanto un método como un producto de la misma que incrementa de manera significativa la tenacidad a la rotura en las aleaciones de aluminio-litio en dirección longitudinal corta (S-L), mejorando de este modo su idoneidad para más 25 aplicaciones comerciales.
La solicitud de patente WO 9214855 desvela, en una realización, Mg 0-0,25, Mn 0,1-1,0, Li 1,2-1,8 y Cu 2,5-3,2.
Resumen de la invención 30
Un primer objeto de la invención es mejorar la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L) de aleaciones de aluminio-litio.
Otro objeto de la invención es proporcionar un método de fabricación de una aleación de aluminio-litio que tiene una 35 mejor tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta.
Otro objeto más de la presente invención es utilizar una aleación de aluminio-litio que tiene cantidades reguladas de cobre, litio, manganeso, zinc y zirconio para conseguir mejoras de la tenacidad a la rotura.
40
Aún otro objeto de la presente invención es proporcionar un producto de aleación de aluminio-litio que tiene tanto tenacidad a la rotura mejorada en dirección longitudinal corta (S-L) como una resistencia aceptable en dirección transversal corta aceptable.
Otros objetos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes a medida que se desarrolle una descripción 45 de los mismos.
De conformidad con los objetos y ventajas anteriores, la presente invención proporciona un método para mejorar la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L) en un artículo de aleación de aluminio-litio que comprende las etapas de proporcionar una aleación de aluminio que está constituida principalmente, en porcentaje en peso, 50 (todos los siguientes niveles de aleación se dan en porcentaje en peso salvo que se indique lo contrario): por del 2,7 al 3,0% de cobre, del 0,8% a menos del 1,2% de litio, del 0,05 al 0,8% de manganeso, del 0,04 al 0,18% de zirconio, con el resto aluminio e inevitables impurezas. La aleación de aluminio también puede contener elementos de afino del grano, tales como al menos uno de boro, titanio, vanadio, manganeso, hafnio, escandio y cromo. Preferentemente, la aleación de aluminio tiene sólo niveles de impureza de zinc, de manera que está principalmente 55 libre de zinc, por ejemplo menos del 0,05 por ciento en peso de zinc, más preferentemente menos o igual al 0,02%.
Si el contenido de litio está controlado entre aproximadamente el 1,2 y el 1,28 por ciento en peso para proporcionar un producto de baja densidad con una buena tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta está fuera del alcance de la reivindicación. El manganeso se encuentra preferentemente entre el 0,30 y el 0,32 por ciento en peso, 60
siendo el zirconio aproximadamente el 0,10 por ciento en peso. Debe apreciarse que, aparte de las cantidades de litio y de cobre, las cantidades de los elementos de aleación pueden estar en los intervalos descritos en el párrafo anterior.
En una modificación de la composición descrita en el párrafo anterior, el contenido de litio varía entre 5 aproximadamente el 0,8% y menos del 1,2 y el contenido de cobre está entre aproximadamente el 2,8 y el 3%. Esta composición debe proporcionar propiedades combinadas de tenacidad a la rotura y de resistencia incluso superiores, con una densidad ligeramente superior. En este intervalo de composición, precipitarían partículas precipitadas theta (Al2Cu) adicionales además de las partículas precipitadas T1 (Al2CuLi) en el contorno de los granos. Esto incrementaría las propiedades combinadas de resistencia y de tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta. 10
Si se desea, se puede añadir magnesio en una cantidad de hasta el 0,25 por ciento en peso. Pequeñas cantidades de magnesio pueden ser beneficiosas en términos de resistencia y de disminución de densidad. Sin embargo, cantidades excesivas pueden crear una susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión y no proporcionar beneficios adicionales en términos de resistencia y de reducción de densidad. 15
La aleación de aluminio se cuela para formar un lingote y se homogeniza durante un periodo de tiempo seleccionado. Luego el lingote homogeneizado se conforma en caliente hasta lograr una forma tal como de chapa y se somete a un tratamiento térmico de solubilización durante un periodo de tiempo seleccionado. A continuación, el perfil sometido a tratamiento térmico de solubilización se templa, preferentemente en agua, se conforma en frío, 20 preferentemente por estirado, y se envejece durante un periodo de tiempo seleccionado. Con este tratamiento, el perfil conformado en frío (estirado) y envejecido presenta resistencias equivalentes, pero tenacidades a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L) mayores que las aleaciones de aluminio similares con contenidos de litio mayores de 1,38.
25
Las temperaturas de homogeneización y de tratamiento térmico de solubilización varían entre aproximadamente 940ºF (505ºC) y 975ºF (524ºC), y las temperaturas de tratamiento térmico de solubilización variarán entre aproximadamente 975ºF (524ºC) y 1000ºF (538ºC). La temperatura preferida a menudo depende de la composición de aleación particular tal como lo entenderá un experto en la materia. Los tiempos de homogeneización pueden ser aproximadamente de 8 a 48 horas, preferentemente aproximadamente de 24 a aproximadamente 36 horas. Los 30 tiempos de tratamiento térmico de solubilización pueden variar entre aproximadamente 1 y 10 horas, preferentemente aproximadamente de 1 hora a 6 horas, más preferentemente aproximadamente 2 horas, una vez que el metal alcanza una temperatura deseada. La chapa puede ser envejecida artificialmente sin ninguna conformación en frío. Sin embargo, se prefiere someterla a entre aproximadamente 4 y 8 conformaciones en frío, preferentemente por estirado. La chapa es preferentemente envejecida de forma artificial a entre aproximadamente 35 300 y 350ºF (149 y 177ºC) durante entre aproximadamente 4 y aproximadamente 48 horas, preferentemente entre aproximadamente 12 y aproximadamente 36 horas, estando el tiempo de envejecimiento en función de la temperatura de envejecimiento.
Usando el procesamiento de la invención, se fabrica un artículo de aleación de aluminio-litio con una tenacidad a la 40 rotura ampliamente mejorada en dirección longitudinal corta (S-L). El valor de la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L) es al menos aproximadamente 689 del valor de la tenacidad a la rotura en dirección transversal larga (T-L). Aunque presentan una mejor tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L), los artículos de aleación de aluminio-litio de la invención presentan un límite elástico en tracción que sobrepasa aproximadamente 54 KSI. 45
Breve descripción de los dibujos
A continuación se hace referencia a los dibujos de la presente invención:
50
La figura 1 compara la invención con la técnica anterior en términos de límite elástico en tracción en dirección transversal corta y de tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L);
La figura 2 compara productos de aleación de la técnica anterior con productos de aleación de la invención con respecto al contenido de litio y a la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L); y 55
La figura 3 compara productos de aleación de la técnica anterior con productos de aleación de la invención con respecto al contenido de cobre y a la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L).
Descripción de la realización preferida 60
La presente invención resuelve un problema significativo en el campo de los materiales de aluminio-litio para aplicaciones estructurales tales como las que se encuentran en la industria aeroespacial y de aviación. A saber, controlando las cantidades de composición de cobre, litio, manganeso y zirconio en estos tipos de aleaciones, se obtiene una tenacidad a la rotura aceptable en dirección longitudinal corta (S-L) con una resistencia aceptable en 65 dirección transversal corta (ST). Esta inesperada mejora de la tenacidad a la rotura en dirección S-L permite el uso
de estos tipos de aleaciones en una amplia gama de aplicaciones estructurales que requieren bajo peso, alta resistencia y rigidez y buena tenacidad a la rotura.
Según una realización preferida, los elementos de aleación de cobre, litio, manganeso y zirconio están controlados en los intervalos siguientes para lograr las mejoras de tenacidad a la rotura: de aproximadamente el 2,7 al 3,0 por 5 ciento en peso de cobre, de aproximadamente el 0,8 a menos de aproximadamente el 1,2 por ciento en peso de litio, de aproximadamente el 0,05 al 0,8 por ciento en peso de manganeso, de aproximadamente el 0,04 al 0,16 por ciento en peso de zirconio, con el resto de aluminio e inevitables impurezas. También puede añadirse uno o más elementos del afino del grano a la composición de aluminio-litio descrita anteriormente. Los elementos de afino del grano pueden seleccionarse entre el grupo constituido por titanio en una cantidad de hasta el 0,2 por ciento en peso, 10 boro en una cantidad de hasta el 0,2 por ciento en peso, vanadio en una cantidad de hasta el 0,2 por ciento en peso, hafnio en una cantidad de hasta el 0,2 por ciento en peso, escandio en una cantidad de hasta el 0,5 por ciento en peso, y cromo en una cantidad de hasta el 0,3 por ciento en peso. Preferentemente, el aluminio está libre de zinc. En otras palabras, el zinc está presente solamente como impureza y a niveles menores del 0,05 por ciento en peso. Se cree que el zinc a niveles mayores que los de impureza afecta negativamente a las propiedades mecánicas de estos 15 tipos de aleaciones de aluminio-litio.
El contenido de cobre debe mantenerse superior al 2,7 por ciento en peso para alcanzar una alta resistencia pero inferior al 3,0 por ciento en peso para evitar partículas sin disolver durante el tratamiento térmico de solubilización.
20
Se prefieren niveles de cobre más elevados debido a los niveles de litio más bajos en la aleación.
El contenido de litio debe mantenerse superior al 0,8 por ciento en peso para alcanzar una buena resistencia y una baja densidad pero inferior al 1,2 por ciento en peso para evitar una pérdida de tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta (S-L). El contenido de manganeso debe mantenerse inferior al 0,8 por ciento en peso para evitar 25 partículas gruesas no solubles que serían perjudiciales para la tenacidad a la rotura. El manganeso debe ser superior al 0,05 por ciento en peso para controlar el tamaño del grano y el comportamiento de deslizamiento homogéneo durante el procesamiento de deformación plástica.
El contenido de litio está controlado a menos del 1,2 por ciento en peso. El manganeso está, más preferentemente, 30 entre el 0,3 y el 0,32 por ciento en peso con el nivel de cobre variando entre aproximadamente el 2,7 y el 3,0 por ciento en peso.
Si se desea, se puede añadir magnesio en una cantidad preferentemente de hasta el 0,25 por ciento en peso. Una pequeña cantidad de magnesio puede ser beneficiosa en términos de resistencia y de disminución de la densidad. 35 Sin embargo, cantidades excesivas pueden crear susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión y no proporcionar beneficios adicionales en términos de resistencia y de reducción de densidad.
Junto con la especificación de la composición de la aleación en la composición de la aleación de aluminio-litio anterior, la aleación se procesa mediante las etapas de colado, homogeneización, conformación en caliente (por 40 ejemplo, por laminado, forjado, extrusión y sus combinaciones), tratamiento térmico de solubilización, temple, conformación en frío (por ejemplo, por estirado) y envejecimiento para formar un artículo de aluminio-litio que presente la mejora de tenacidad a la rotura en dirección S-L.
Como parte de este procesamiento, la aleación de aluminio-litio descrita anteriormente se cuela para formar un 45 lingote, tocho u otro perfil para proporcionar materia prima adecuada para las operaciones subsiguientes del procesamiento. Una vez que se cuela el perfil, éste puede someterse a una relajación de esfuerzos tal como se conoce en la técnica, antes de la homogeneización. A continuación el perfil colado se homogeniza a temperaturas en el intervalo de 940ºF y 975ºF, 505ºC y 524ºC, durante un periodo de tiempo suficiente para que se disuelvan los elementos solubles y se homogeneice la estructura interna del metal. Un tiempo de residencia de homogeneización 50 preferido varía entre 1 y 36 horas, aunque tiempos más largos normalmente no afectan negativamente al artículo. La homogeneización puede llevarse a cabo a una temperatura o en varias etapas utilizando varias temperaturas.
Después de la homogeneización, el perfil colado se conforma en caliente con el fin de producir materia prima tal como una lámina, chapa, extrusiones u otras materias primas dependiendo del uso final deseado del artículo de 55 aleación de aluminio-litio. Por ejemplo, un lingote que presenta una sección transversal de forma rectangular podría ser conformado en caliente hasta lograr una forma de chapa. Debido a que esta etapa de conformación en caliente es convencional en la técnica, se estima que, para la comprensión de la invención, no es necesaria una descripción adicional de la misma.
60
Después de la etapa de conformación en caliente, el perfil conformado en caliente se somete a un tratamiento térmico de solubilización y a temple. Preferentemente, se somete el perfil conformado en caliente a un tratamiento térmico de solubilización entre 975º y 1000ºF (524º y 538ºC) durante un tiempo desde menos de 1 hora hasta varias horas. Este perfil sometido a un tratamiento térmico de solubilización es, preferentemente, rápidamente sometido a temple, por ejemplo sometido a temple en agua a temperatura ambiente, para prevenir o minimizar la precipitación 65 incontrolada de fases de refuerzo en la aleación.
El temple rápido también puede incluir una etapa posterior de enfriamiento por aire, si se desea.
A continuación, preferentemente, se estira el perfil templado hasta un 8% y se envejece artificialmente en el intervalo de temperatura de 150º a 400ºF (66º a 204ºC) durante un tiempo suficiente para que aumente aún más el límite de 5 elasticidad, por ejemplo, hasta 100 horas, dependiendo de la temperatura, por ejemplo, 24 horas a 300ºF (149ºC). El perfil estirado y envejecido está entonces listo para su uso en cualquier aplicación, particularmente en una aplicación aeroespacial o aeronáutica. Como alternativa, antes del envejecimiento, el perfil puede conformarse en un artículo y luego envejecerse.
10
Para demostrar las mejoras inesperadas asociadas con la presente invención, se realizó una comparación entre las propiedades de artículos fabricados a partir de aleaciones de aluminio-litio de la técnica anterior y artículos fabricados a partir de aleaciones de aluminio-litio según la invención. En esta comparación, se eligieron cuatro químicas de la técnica anterior junto con cuatro químicas según la invención. De cada una de las ocho químicas se realizó un baño fundido de aleación de aluminio que se coló, homogeneizó, sometió a un tratamiento térmico de 15 solubilización, templó, estiró y envejeció para producir un artículo o producto de aleación de aluminio-litio. Los artículos de aleación de aluminio-litio se sometieron a continuación a un ensayo de tenacidad a la rotura y de tracción para comparar las propiedades mecánicas de las químicas de la técnica anterior con las correspondientes a la presente invención.
20
A continuación se detalla el procesamiento utilizado y los métodos de ensayo para comparar las propiedades mecánicas de la técnica anterior y los artículos de aleación de aluminio-litio de la invención. En la comparación, los artículos de la técnica anterior se designan como Ejemplos 1-4, y los artículos de la invención se designan como Ejemplos 5-8.
25
Debe entenderse que las variables de procesamiento y las químicas desveladas en los Ejemplos 5-8 son según las reivindicaciones.
Tabla 1
Si Fe Cu Mn Mg Zn Zr Ti Li
AA2097
0,12 0,15 2,5-3,1 0,10-0,6 0,35 0,35 0,08-0,16 0,15 1,2-1,8
AA2197
0,10 0,10 2,5-3,1 0,10-0,5 0,25 0,05 0,08-0,15 0,12 1,3-1,7
Notas de la Tabla 1 1. Las composiciones químicas se expresan en porcentaje en peso máximo salvo que se indique como un intervalo. 2. Además de los elementos enumerados, cada aleación puede contener otros elementos, con una cantidad máxima de cada uno de los otros elementos que no exceda el 0,05 por ciento en peso y con un total de los demás elementos que no exceda el 0,15 por ciento en peso.
30
Ejemplo 1
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,84 Cu-1,36 Li-0,32 Mn-0,1 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente 35 hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción 40 en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta y probetas de tensión 45 compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 2.
TABLA 2
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,84
1,36 0,32 0,1
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
62,7 54,3 3,6 S-L 18,4
LT
67,2 60,0 6,5 T-L 28
L
67,7 62,1 10 L-T 32
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 2
5
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,71 Cu-1,37 Li-0,32 Mn-0,1 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se 10 templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal 15 corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 3. 20
TABLA 3
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,71
1,37 0,32 0,1
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
66,8 59,8 4,7 S-L 15,8
LT
68,1 61,9 6,5 T-L 29,1
L
70,4 65,8 9,5 L-T 32,7
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 3 25
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,77 Cu-1,33 Li-0,32 Mn-0,11 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico 30 de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' 35 (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la 40 Tabla 4.
TABLA 4
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,77
1,33 0,32 0,11
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
65,6 56,7 3,5 S-L 15,5
LT
68,7 62,0 6,0 T-L 26,8
L
70,7 65,5 11 L-T 28,1
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 4 5
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,89 Cu-1,36 Li-0,32 Mn-0,1 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico 10 de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' 15 (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se 20 muestran en la Tabla 5.
TABLA 5
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,89
1,36 0,32 0,10
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
63,6 56,3 2,1 S-L 20,4
LT
64,7 57,2 8,0 T-L 30,8
L
76,5 60,7 10 L-T 32,2
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
25
Ejemplo 5
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,78 Cu-1,21 Li-0,31 Mn-0,1 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente 30 hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 8% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción 35 en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de 40
tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 6.
TABLA 6
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,78
1,21 0,31 0,1
5
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
62,5 54,7 3,6 S-L 26,6
LT
65,1 58 8,5 T-L 31,5
L
64,4 59,1 11,5 L-T 37,5
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 6
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,86 Cu-1,28 Li-0,3 Mn-0,1 Zr, el resto aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) 10 de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las 15 propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando 20 probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 7.
TABLA 7 25
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,86
1,28 0,30 0,10
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
64 57,3 4,1 S-L 26,3
LT
66,4 59,4 7,5 T-L 34,2
L
66,4 61,3 9,5 L-T 40,1
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 7
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,73 Cu-1,28 Li-0,3 Mn-0,1 Zr, el resto 30 aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el 35 envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de 40 longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando
probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 8.
TABLA 8 5
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,73
1,28 0,30 0,1
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
64,4 55,9 3,6 S-L 22,7
LT
65,4 58,8 7,5 T-L 33,1
L
64 59 12 L-T 38,5
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Ejemplo 8
Una aleación de aluminio que está constituida por, en porcentaje en peso, 2,83 Cu-1,26 Li-0,32 Mn-0,11 Zr, el resto 10 aluminio e impurezas, se coló para formar un lingote con una sección transversal de 16'' (406,4 mm) y 45'' (1143 mm) de ancho. El lingote se homogeneizó a 950ºF (510ºC) durante 36 horas, a continuación se conformó en caliente hasta obtener una chapa de 4'' (101,6 mm) de grosor. A continuación, la chapa se sometió a un tratamiento térmico de solubilización en un horno de tratamiento térmico a una temperatura de 990ºF (532ºC) durante 2 horas y luego se templó en agua. A continuación la chapa se estiró un 6% en dirección longitudinal a temperatura ambiente. Para el 15 envejecimiento artificial, las muestras estiradas se envejecieron en un horno a 320ºF (160ºC) durante 24 horas. Las propiedades de tracción se determinaron en el plano T/4 según la norma ASTM B-557. En los ensayos de tracción en dirección longitudinal y en dirección transversal larga se utilizaron probetas de tracción cilíndricas de 0,5'' (12,7 mm) de diámetro y 1'' (25,4 mm) de longitud de referencia. Los ensayos de tracción en dirección transversal corta se llevaron a cabo con probetas de tensión cilíndricas de 0,16'' (4,1 mm) de diámetro y 0,5'' (12,7 mm) de 20 longitud de referencia. La tenacidad a la rotura se determinó en el plano T/4 según la norma ASTM E266 utilizando probetas de tensión compactas de W = 1,5'' (38,1 mm) para la dirección longitudinal corta (S-L) y probetas de tensión compactas de W = 2'' (50,8 mm) para las direcciones L-T y T-L. Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 9.
25
TABLA 9
Química (% en peso)
Cu
Li Mn Zr
2,83
1,26 0,32 0,11
Propiedades mecánicas
Dirección del ensayo
Resistencia a la rotura (KSI)* Límite elástico (KSI) % de elongación Dirección del ensayo Tenacidad a la rotura in**
ST
63,9 55,9 3,6 S-L 22,7
LT
65,4 58,8 7,5 T-L 33,1
L
64,0 59 12 L-T 38,5
*1 KSI = 6,894757 MPa ** KSI in = 1,0988434 MPa m
Tal como resulta evidente a partir de la Figura 1, no se transige en lo que se refiere a los límites elásticos de tracción entre los ejemplos de la técnica anterior y los ejemplos de la invención. Más específicamente, los valores de los 30 límites elásticos de tracción de la técnica anterior varían entre ligeramente por encima de 54 KSI y casi 60 KSI. En comparación, los límites elásticos de tracción de los otros ejemplos varían entre ligeramente por debajo de 55 KSI y ligeramente por encima de 57 KSI.
La figura 2 ilustra las mejoras inesperadas de tenacidad a la rotura en dirección S-L con respecto a la técnica 35 anterior. Los valores representados en la figura 2 demuestran que la tenacidad a la rotura en dirección S-L para los Ejemplos 5-8 es ampliamente superior a la mostrada para los Ejemplos 1-4. Esta mejora, que está relacionada con el contenido de litio, es bastante inesperada en vista de la técnica anterior.
La figura 3 destaca el hecho de que las mejoras de tenacidad a la rotura están relacionadas con el contenido de litio 40 de las aleaciones. La figura 3 demuestra que la tenacidad a la rotura no varía ampliamente con respecto al
contenido de cobre. Para los Ejemplos 5-8, la tenacidad a la rotura parece seguir siendo relativamente igual con el aumento o la disminución de las cantidades de cobre. Análogamente, la tenacidad a la rotura de los Ejemplos 1-4 no varía ampliamente con el aumento o la disminución del contenido de cobre.
Haciendo nuevamente referencia a la figura 2, se cree que el contenido de litio puede descender hasta el 0,8 por 5 ciento en peso y seguir mejorando la tenacidad a la rotura y manteniendo una resistencia aceptable en dirección transversal corta. Se cree, además, que se pueden obtener los mismos resultados si se pone en práctica el tratamiento de la invención de acuerdo con los amplios intervalos de variables de procesamiento desvelados anteriormente.
10
Por consiguiente, se ha desvelado una invención en términos de realizaciones preferidas de la misma que cumplen todos y cada uno de los objetos de la presente invención tal como se ha expuesto anteriormente y proporciona un método nuevo y mejorado para mejorar la tenacidad a la rotura en dirección longitudinal corta de aleaciones de aluminio-litio.
15

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Método de fabricación de un artículo de aleación de aluminio-litio que comprende las etapas de:
    a) proporcionar una aleación de aluminio que está constituida, en porcentaje en peso, por:
    del 2,7 al 3,0% de cobre, 5
    del 0,8 a menos del 1,3% de litio,
    del 0,05 al 0,8% de manganeso,
    hasta el 0,25% de magnesio,
    del 0,04 al 0,18% de zirconio,
    opcionalmente uno o más elementos de afino del grano seleccionados entre el grupo constituido por hasta 10 el 0,2% de titanio, hasta el 0,2% de boro, hasta el 0,2% de vanadio, hasta el 0,2% de hafnio, hasta el 0,5% de escandio y hasta el 0,3% de cromo,
    el resto aluminio e inevitables impurezas;
    b) colar la aleación de aluminio para formar un lingote; 15
    c) homogeneizar el lingote a entre 940ºF y 975ºF (505ºC y 524ºC);
    d) conformar en caliente el lingote homogeneizado hasta lograr un perfil conformado en caliente;
    20
    e) someter a tratamiento térmico de solubilización al perfil trabajado en caliente a entre 975º y 1000ºF (524 y 538ºC);
    f) templar el perfil sometido a tratamiento térmico de solubilización; y
    25
    g) conformar en frío y envejecer el perfil templado.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que el perfil se estira entre el 4 y el 8% y a continuación se envejece entre 150 y 400ºF (66 y 204ºC), y preferentemente entre aproximadamente 300 y 350ºF (149 y 177ºC).
    30
  3. 3. Método según la reivindicación 1, en el que el contenido de litio es menor del 1,2% en peso y el contenido de cobre es mayor del 2,8% en peso.
  4. 4. Método según la reivindicación 1, en el que el zirconio está entre el 0,04 y el 0,16%.
    35
  5. 5. Método según las reivindicaciones 1 a 4, en el que la aleación de aluminio es esencialmente libre de zinc.
  6. 6. Método según las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho artículo de aluminio-litio es una chapa gruesa.
  7. 7. Método según la reivindicación 1, en el que la tenacidad a la rotura de la chapa en dirección longitudinal corta 40 (S-L) es al menos aproximadamente el 68,5% de la tenacidad a la rotura de la chapa en dirección transversal larga (T-L).
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