ES2642118T3 - Aleación de Al-Cu-Mg-Li así como producto de aleación fabricado a partir de la misma - Google Patents

Aleación de Al-Cu-Mg-Li así como producto de aleación fabricado a partir de la misma Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Aleacion de Al-Cu-Mg-Li as^ como producto de aleacion fabricado a partir de la misma
La invencion se refiere a una aleacion de Al-Cu-Mg-Li asf como a un producto de aleacion fabricado a partir de la misma.
Los componentes de aleaciones de aluminio de alto rendimiento son en muchos casos constituyentes imprescindibles en la construccion de aviones. Los componentes de dichas aleaciones de aluminio de alto rendimiento se utilizan entre otras cosas en el fuselaje y en las alas como componentes estructurales. Se trata en estas piezas de piezas forjadas extruidas. Estas deben satisfacer la combinacion necesaria de resistencia mecanica y dinamica y presentar determinados requisitos con respecto a resistencia a la traccion, lfmite de alargamiento, alargamiento de rotura y tenacidad a la fractura (Kic y corrosion por tensofisuracion). Ademas, el peso de los componentes, que se utilizan para la industria aeronautica y aeroespacial, desempena un papel significativo. Por tanto, el peso espedfico (la densidad) de la aleacion de alto rendimiento es tambien de relevancia.
Una aleacion de Al-Cu-Mg-Li implantada en el mercado que satisface estos requisitos es la aleacion de aluminio AA
2195. Esta aleacion tiene una composicion de 3,7-4,3 % en peso de Cu, 0,25-0,8 % en peso de Mg, 0,8-1,2 % en peso de Li, 0,25-0,6 % en peso de Ag, maximo 0,25 % en peso de Zn, max. 0,25 % en peso de Mn, max. 0,12 % en peso de Si, max. 0,15 % en peso de Fe, max. 0,1 % en peso de Ti y 0,08-0,16 % en peso de Zr. Los componentes fabricados a partir de esta aleacion tienen una densidad de aproximadamente 2,7 g/cm3.
El tamano creciente de los aviones esta acompanado por el intento de dotar a los componentes, ademas de con una mayor resistencia, con un mejor comportamiento tolerante al dano. Se han desarrollado, para satisfacer estos requisitos, a partir de la aleacion AA 2195, aleaciones de Al-Cu-Mg-Li con tenacidad y resistencia a la vibracion mejoradas. La aleacion de aluminio AA 2050 es un ejemplo de una de dichas aleaciones de alto rendimiento que sustituye temporalmente en el campo aeronautico a la aleacion 2195, a partir de la cual se produdan anteriormente a menudo componentes. La aleacion AA 2050 presenta una proporcion de Cu de 3,2-3,9 % en peso, un contenido de Li de 0,7-1,3 % en peso, un contenido de Mn de 0,2-0,8 % en peso y un contenido de Mg de 0,1-0,5 % en peso. El Zn participa habitualmente en la construccion de la aleacion con hasta un 0,25 % en peso. Para conseguir las propiedades de resistencia necesarias, se alea plata en esta aleacion, a saber en contenidos de 0,2-0,7 % en peso. Mediante esta medida, se da cuenta de la opinion reinante de que la plata, precisamente en aleaciones de Al-Cu que contienen litio, es un constituyente de aleacion necesario para conseguir altas resistencias de los componentes fabricados a partir de ellas.
Una de las aleaciones similares a la aleacion AA 2050 con una proporcion de Li aun mas alta es la aleacion AA
2196, con una proporcion de Li de 1,4-2,1 % en peso. La proporcion de Cu de esta aleacion esta ligeramente reducida frente a la proporcion de Cu en la aleacion 2050. A partir de esta aleacion, pueden fabricarse sin embargo solo componentes con una resistencia menor en comparacion con los componentes que pueden fabricarse a partir de la aleacion AA 2050.
Las aleaciones de aluminio de alto rendimiento que contienen Ag anteriormente conocidas, como la aleacion AA 2050, incluyen como elemento de aleacion necesario Mn. En la aleacion AA 2050, es necesario un contenido de Mn de 0,2-0,5 % en peso. El Mn es un inhibidor de la recristalizacion. Sobre todo por esta ultima propiedad, el Mn es un elemento necesario para conseguir las propiedades de resistencia deseadas. Esto se corresponde con la opinion reinante de que en las aleaciones de Al-Cu-Mg-Li que contienen Ag debe participar al menos un 0,2 % en peso de Mn, cuando no claramente mas, en la construccion de la aleacion. No obstante, ha de prestarse atencion a que el contenido de Mn no sea tan alto como para que se formen solidificaciones primarias gruesas en microestructuras, lo que influye negativamente particularmente en el comportamiento de fatiga. En este sentido, no debe superarse un maximo determinado. Por otro lado, dicha aleacion de aluminio de alto rendimiento debe contener suficiente Mn para poder satisfacer la propiedad deseada como inhibidor de la recristalizacion. Satisfacen estos requisitos las aleaciones anteriormente conocidas con contenidos de Mn, como por ejemplo en AA 2050, de entre 0,2 y 0,5 % en peso.
Los datos dados para las aleaciones de aluminio de alto rendimiento anteriormente conocidas que contienen Ag y Li respecto al contenido de Mn presentan un margen relativamente amplio. Depende esencialmente de la participacion de los demas elementos de aleacion Cu, Li, Mg, Mn, Ti, Zr, Si, Fe y Ag, si con un contenido de Mn seleccionado del intervalo dado puede fundirse realmente una aleacion a partir de la cual puedan fabricarse componentes que satisfagan los requisitos de resistencia fijados asf como la fatiga y tenacidad.
La invencion se basa en el objetivo de proponer, a partir del estado de la tecnica reconocido anteriormente, una aleacion de Al-Cu que contiene Ag y Li que no solo este simplificada respecto a su construccion en comparacion con aleaciones anteriormente conocidas, sino que en la que este tambien garantizado que los componentes fabricados dentro del espectro dado de elementos de aleacion satisfagan las propiedades mecanicas despues del correspondiente tratamiento termico de la combinacion deseada.
Se consigue este objetivo mediante una aleacion de Al-Cu-Mg-Li con
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3,7-3,9 % en peso de Cu,
0,9-1,3 % en peso de Li,
0,30-0,45 % en peso de Mg,
0,10-< 0,2 % en peso de Mn,
0,2-0,45 % en peso de Ag,
0,09-0,13 % en peso de Zr,
max. 0,07 % en peso de Ti, en el que el Ti se presenta como TiB2 o TiC, y el resto Al junto con impurezas inevitables.
En todas las composiciones de aleacion que se describen en el marco de esta realizacion, pueden estar contenidas impurezas inevitables por elemento de 0,05 % en peso, no debiendo superar la cantidad total de impurezas el 0,15% en peso. Sin embargo, se prefiere mantener las impurezas lo mas bajas posibles y no superar una proporcion de 0,03 % en peso por elemento para una cantidad total de 0,08 % en peso.
Esta aleacion de aluminio de alto rendimiento que contiene Ag y Li presenta una amplitud de banda especialmente estrecha de sus elementos de aleacion. Eso se aplica en especial medida al elemento de aleacion Mn, que participa no solo en un espectro muy estrecho sino tambien con proporciones sorprendentemente bajas en la construccion de la aleacion y satisface las funciones asignadas a este elemento. Ha de destacarse en este respecto que esta aleacion esta exenta de Zn. Se comprobo sorprendentemente que en esta aleacion puede bastar con un contenido de Mn incluso solo la mitad del necesario en la aleacion AA 2050 para impedir eficazmente una recristalizacion. Ademas, ha de asegurarse de que el Mn este dentro del margen dado de 0,01 % en peso a < 0,2 % en peso para que no se originen fases primarias, o solo en una medida inapreciable, que empeoranan la fatiga y tenacidad. Los analisis han mostrado que en esta composicion de aleacion especial no se forman fases de AlaMn en forma de placa indeseadas o como mucho solo muy secundariamente. Por lo general, no ha de excluirse el Fe como elemento acompanante. En cambio, las fases formadas con Fe de AECu2Fe perjudican claramente menos a causa de su morfologfa compacta las propiedades mecanicas de un componente fabricado a partir de esta aleacion. En este sentido, se comprobo sorprendentemente que en una aleacion de Al-Cu-Mg-Li con la composicion anteriormente descrita y su contenido de Mn especialmente bajo, ha de suponerse que podnan fabricarse componentes con la combinacion deseada de propiedades no solo de alta resistencia sino tambien tenaces y resistentes a la fatiga que satisficiesen incluso los requisitos de maxima resistencia. Para la definicion de alta resistencia y maxima resistencia: un componente presenta propiedades de maxima resistencia cuando el lfmite elastico Rp0,2 asciende al menos a 600 MPa. Se atribuyen propiedades de alta resistencia a un componente cuando el lfmite elastico Rp0,2 asciende al menos a 500 MPa.
Si la proporcion de Cu se encuentra por debajo del 3,7 % en peso, no se regula la resistencia necesaria en combinacion con los demas elementos de aleacion. Contenidos de cobre superiores al 3,9 % en peso en la aleacion no pueden elevar mas la resistencia de un componente fabricado a partir de la aleacion. Mas bien, ha de estimarse por tanto que a contenidos de Cu mayores se forman fases daninas para las propiedades.
El litio esta contenido en la aleacion para la reduccion de la densidad (del peso espedfico). El contenido de litio esta adaptado a los contenidos de Cu y Mg de la aleacion, de tal manera que se incorpore lo mas posible de litio a la aleacion pero no demasiado como para que este pueda entrar en solucion y no genere fases que contienen Li indeseadas. Por tanto, el contenido de Li de la aleacion esta limitado al estrecho intervalo entre 0,9 y 1,3 % en peso.
El magnesio contribuye a las propiedades deseadas de un componente fabricado a partir de la aleacion, pero esta permitido solo a una proporcion para que no forme fases indeseadas (como p.ej., una fase S de A^CuMg). En consideracion de los demas elementos de la aleacion, la proporcion de Mg no debe superar el 0,45 % en peso.
El titanio actua como dispersor en estructuras de colada y el circonio como creador de dispersoides y contribuye por tanto a la inhibicion de la recristalizacion.
Se ha mostrado sorprendentemente que, en consideracion de los demas elementos de aleacion y su contenido, basta un contenido de Mn de entre 0,10 y 0,18 % en peso para impedir eficazmente la recristalizacion. Esto se atribuye a la seleccion especial y dirigida de la proporcion y la amplitud de banda de Mn asf como al contenido de Mn muy estrechamente limitado. Esto garantiza que dentro de estos lfmites por lo general pueda regularse la combinacion deseada de propiedades mecanicas en un componente fabricado a partir de la aleacion. Si se supera el contenido de Mn de 0,18 % en peso, esto puede conducir ya, en consideracion de los demas elementos de aleacion, a solidificaciones primarias mas gruesas en microestructuras, lo que a su vez no se esperaba correspondientemente a la opinion reinante. Finalmente, se propone en la aleacion AA 2050 un contenido de Mn de 0,2-0,8 % en peso. Por tanto, el contenido de Mn de la aleacion reivindicada esta limitado a una proporcion maxima del 0,18 % en peso. Si no se acepta ninguna solidificacion primaria en microestructuras, el contenido de Mn se limita a un margen maximo
de 0,10-0,15 % en peso. Pueden conseguirse resultados especialmente buenos cuando el contenido de Mn se encuentra entre 0,10 y 0,12 % en peso.
La Ag esta contenida en esta aleacion para elevar la resistencia. Dependiendo de la resistencia deseada a regular en el componente, se selecciona el contenido de Ag algo menor o algo mayor dentro de los lfmites reivindicados 5 entre 0,2 y 0,45 % en peso. Para conseguir un componente que satisfaga los requisitos de un componente de alta resistencia, el contenido de Ag debena ascender a mas de 0,35 % en peso. Una participacion preferida de la proporcion de Ag en la construccion de la aleacion se extiende de 0,38 a 0,43 % en peso.
Es tambien destacable que la aleacion esta preferiblemente exenta de Fe.
Se prefiere una configuracion de esta invencion en la que los elementos formadores de dispersion Mn+Fe+Si 10 presenten <0,3 % en peso.
Se ha mostrado que una relacion de Cu/Mg entre 8,22 y 12 es especialmente conveniente para obtener las propiedades de aleacion deseadas.
Para analisis de la composicion de la aleacion y la combinacion regulable de propiedades deseadas de los componentes fabricados a partir de la misma, se fundieron aleaciones segun la invencion asf como aquellas segun 15 AA 2050 como aleacion comparativa coladas a escala de laboratorio mediante colada de coquilla hasta lingotes de ensayo.
Las aleaciones fundidas tienen la siguiente composicion, en la que la aleacion XL33 es la aleacion segun la invencion, mientras que la aleacion AA 2050 se funde como aleacion comparativa:
Aleacion
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
20 Se homogeneizaron los lingotes colados, se extruyeron, se recocieron como perfiles y a continuacion se alargaron en direccion longitudinal, a saber aproximadamente un 2-4 %. Se llevo a cabo el envejecimiento artificial durante 48 horas a 153 °C. A continuacion, se llevaron a cabo analisis para determinar el lfmite elastico Rp0,2, la tenacidad Rm, el alargamiento de rotura A5 asf como la tenacidad a la fractura. Los analisis se efectuaron en espedmenes en posiciones respectivamente iguales. Los analisis dieron los siguientes resultados:
Muestra
Densidad [g/cm3] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] K1C [MPaVm]
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
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Paralelamente a los espedmenes anteriormente descritos, se fabricaron aquellos cuyo envejecimiento artificial se llevo a cabo durante 48 horas a aprox. 160 °C. Los resultados son a este respecto de interes, ya que estos prueban la insensibilidad de la aleacion segun la invencion y por tanto la eficacia del contenido de Mn especial. Los resultados de estos analisis se corresponden en la aleacion segun la invencion con los valores de resistencia que se 30 han determinado tambien para las muestras cuyo envejecimiento artificial ha tenido lugar a 153° C. Los valores de resistencia de las muestras con un envejecimiento artificial durante 48 horas a 160 °C se reproducen a continuacion:
Muestra
Densidad [g/cm3] Rpo,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] K1C [MPaVm]
XL33
L 2,7 642 663 9,7 L-T 36,9
T-L 25,2
AA 2050
L 2,7 597 629 19,5 L-T 41,1
T-L 30,5
Los resultados de analisis anteriores dejan claro que los componentes que se fabrican a partir de la aleacion segun la invencion satisfacen incluso los requisitos de maxima resistencia, que son tambien mejores que los valores de resistencia que se han determinado en la muestra comparativa de la aleacion AA 2050. Se atribuye este incremento en los valores de resistencia a la proporcion muy baja de Mn de las aleaciones especiales frente a las anteriormente 5 conocidas. Los valores de resistencia muestran ademas que, tambien a dichos contenidos bajos de Mn en la composicion especial de la aleacion reivindicada respecto a los demas elementos de aleacion, se inhiben eficazmente las recristalizaciones.
Las propiedades mecanicas anteriores podfan confirmarse mediante numerosos analisis paralelos con variaciones en la composicion de la aleacion segun la invencion en el marco de los ffmites fijados en la reivindicacion 1.
10 La Figura 1 muestra una micrograffa de una muestra de la aleacion segun la invencion con un contenido de Cu de 3,3 % en peso y un contenido de Mn de 0,11 % en peso. En las fases reconocibles en la Figura 1, se trata exclusivamente de fases de AECu2Fe.
La Figura 2 muestra una micrograffa de una muestra comparativa con una composicion de aleacion correspondiente a AA 2050 (vease la Figura 2). Esta aleacion presenta un contenido de Cu de 3,7 % en peso y un contenido de Mn 15 de 0,37 % en peso. La micrograffa muestra claramente que en esta aleacion, ademas de las fases de AECu2Fe, estan presentes fases de AlaMn indeseadas debido a su morfologfa. Estas estan dispuestas, como es reconocible en la Figura 2, como en capas de la muestra analizada, cuya disposicion en capas se muestra en la fila de parffculas de AlaMn.
Un componente fabricado a partir de esta aleacion es adecuado debido a las propiedades anteriormente descritas 20 como componente para uso en la industria aeronautica y aeroespacial, sobre todo para componentes estructurales. No obstante, pueden fabricarse componentes a partir de esta aleacion y utilizarse tambien para otras aplicaciones, sobre todo entonces cuando deba desempenar un papel la baja densidad.

Claims (11)

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    10
    15
    20
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    REIVINDICACIONES
    1. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li con
  2. 3.7- 3,9 % en peso de Cu,
    0,9-1,3 % en peso de Li,
    0,30-0,45 % en peso de Mg,
    0,10-< 0,2 % en peso de Mn,
    0,2-0,45 % en peso de Ag,
    0,09-0,13 % en peso de Zr,
    max. 0,07 % en peso de Ti, en la que el Ti se presenta como TiB2 o TiC, y el resto Al junto con impurezas inevitables.
  3. 2. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun la reivindicacion 1 con
  4. 3.7- 3,9 % en peso de Cu,
    0,95-1,2 % en peso de Li,
    0,35-0,45 % en peso de Mg,
    0,10-0,18 % en peso de Mn,
    0,38-0,43 % en peso de Ag,
    0,09-0,13 % en peso de Zr,
    max. 0,07 % en peso de Ti, en la que el Ti se presenta como TiB2 o TiC, y el resto Al junto con impurezas inevitables.
  5. 3. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque el contenido de Mn asciende a entre 0,10 y 0,15 % en peso.
  6. 4. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la suma de los elementos formadores de dispersion Mn+Fe+Si asciende a < 0,3 % en peso.
  7. 5. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la relacion de Cu/Mg asciende a entre 8,22 y 12.
  8. 6. Producto de aleacion de Al-Cu-Mg-Li con una composicion de aleacion segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el producto se envejece artificialmente en tal medida que el producto de aleacion presente paralelamente fibras de un lfmite elastico al 0,2 % Rp02 de mas de 620 MPa y una tenacidad Rm de mas de 630 MPa.
  9. 7. Producto de aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun la reivindicacion 6, caracterizado porque este presenta paralelamente fibras de un alargamiento de rotura A5 de al menos un 9 %.
  10. 8. Producto de aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun la reivindicacion 6 o 7, caracterizado porque la composicion de la aleacion se selecciona de modo que el producto fabricado a partir de ella presente una densidad de aproximadamente 2,70 g/cm3.
  11. 9. Producto de aleacion de Al-Cu-Mg-Li segun una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque se trata en el producto de aleacion de un componente estructural para aplicacion en la tecnica aeronautica y/o aeroespacial.
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