ES2642730T3 - Aleación de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag - Google Patents

Aleación de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag
La invencion se refiere a una aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag, asf como a un producto de aleacion producido a partir de la misma.
Los componentes fabricados de aleaciones de aluminio de alto rendimiento son, en muchos casos, un componente indispensable en la construccion de aviones. Los componentes fabricados de aleaciones de aluminio de alto rendimiento de este tipo se usan, entre otras aplicaciones, en el fuselaje y en las alas como elementos estructurales. Estas piezas son piezas extrudidas y/o forjadas. Deben poseer la combinacion precisa de resistencia estatica y dinamica y cumplir determinados requerimientos con respecto a la resistencia a la traccion, el lfmite de elasticidad, el alargamiento de rotura y la tenacidad de rotura (Kic y corrosion por tensofisuracion). Ademas, el peso de los componentes que se utilizan en la industria aeroespacial desempena un papel no despreciable. Por lo tanto, tambien es relevante el peso espedfico (la densidad) de la aleacion de alto rendimiento utilizada.
Una aleacion de Al-Cu-Zn-Mg de uso habitual que cumple con estos requerimientos es la aleacion de aluminio AA 7449. Esta aleacion conocida previamente tiene una composicion del 1,4-2,1 % en peso de Cu, 1,8-2,7% en peso de Mg, 7,5-8,7 % en peso de Zn, un maximo del 0,2 % en peso de Mn, un maximo del 0,12 % en peso de Si, un maximo del 0,15% en peso de Fe, asf como un maximo del 0,25% en peso de Ti + Zr. Los componentes producidos a partir de esta aleacion tienen una densidad de aproximadamente 2,85 g/cm3
Otra aleacion de Al-Cu-Zn-Mg utilizada que cumple con estos requerimientos es la aleacion de aluminio AA 7050. Esta aleacion conocida previamente tiene una composicion del 2,0-2,6 % en peso de Cu, 1,9-2,6 % en peso de Mg, 5,7-6,7 % en peso de Zn, un maximo del 0,10 % en peso de Mn, un maximo del 0,12 % en peso de Si, un maximo del 0,15 % en peso de Fe, asf como un maximo del 0,06 % en peso de Ti y el 0,08 - 0,15 % en peso de Zr, un maximo del 0,06 % en peso de Ti. Los componentes producidos a partir de esta aleacion tienen una densidad de aproximadamente 2,83 g/cm3.
Con el aumento del tamano de los aviones viene acompanada la tendencia a reducir el peso de los componentes adicionalmente en lo posible. Se han desarrollado para cumplir con estos requerimientos, partiendo de la aleacion AA 7449 y AA 7050, aleaciones de Al-Cu-Li que presentan valores de resistencia comparables a la aleacion AA 7449 y AA 7050, pero en las que el peso espedfico de los componentes producidos a partir de las mismas se encuentra en aproximadamente 2,7 g/cm3. La aleacion de aluminio AA2050 es un ejemplo de una aleacion de alto rendimiento de este tipo, que ha reemplazado entre tanto, a menudo, en el sector de la aviacion componentes que anteriormente se fabricaban de la aleacion AA7449. La aleacion AA2050 presenta una proporcion de Cu del 3,23,9 % en peso; un contenido de Li del 0,7-1,3 % en peso y un contenido de Mg del 0,1-0,5 % en peso. El Zn forma parte habitualmente de la estructura de la aleacion en hasta el 0,25 % en peso. Con el fin de lograr las propiedades de resistencia precisas, se alea plata en esta aleacion, y concretamente en contenidos del 0,2-0,7 % en peso. Con esta medida, se sustenta la opinion prevaleciente de que la plata, particularmente en el caso de aleaciones de Al-Cu que contienen Li, es un componente de aleacion necesario para lograr resistencias elevadas en los componentes producidos a partir de las mismas.
Una aleacion similar a la aleacion AA2050 con una proporcion de Li aun mas elevada es la aleacion AA2196 con una proporcion de Li del 1,4 - 2,1 % en peso. La proporcion de Cu de esta aleacion se reduce ligeramente con respecto a la proporcion de Cu de la aleacion 2050. A partir de esta aleacion, no obstante, pueden producirse solo componentes con una tenacidad de rotura y una corrosion por tensofisuracion reducidas, en comparacion con componentes que se pueden producir a partir de la aleacion AA 2050.
Aunque los componentes producidos a partir de la aleacion AA 2050 presenten las propiedades de resistencia deseadas, debe aceptarse que, debido a la proporcion de Ag necesaria, estos son mas caros ya en el calculo de gastos de materiales que los componentes producidos a partir de aleaciones de Al-Cu-Mg exentas de Ag AA 7449 o AA 7050.
Partiendo de este estado de la tecnica abordado, la invencion se basa en el objetivo de proponer una aleacion de aluminio de Al-Cu con la puedan producirse componentes de resistencia elevada y de resistencia altamente elevada, asf como un producto producido a partir de la misma, en particular adecuado para su uso como componente en una aplicacion aeroespacial, que no solo cumpla los requisitos de resistencia establecidos, sino que tambien sea mas economica en el uso de materiales en comparacion con los componentes producidos a partir de la aleacion AA 2050.
Este objetivo se logra segun la invencion mediante una aleacion de Al-Cu que esta exenta de Ag y presenta la composicion siguiente:
3,5-4,5 % en peso de Cu,
0,8-1,3 % en peso de Li,
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0,2-0,8 % en peso de Mg,
0,1-0,4 % en peso de Mn,
0,05-0,2 % en peso de Zr,
hasta el 0,1 % en peso de Ti, estando presente el Ti como TiB2 o TiC, el resto Al junto con impurezas inevitables.
En todas las composiciones de aleaciones que se describen en el contexto de las presentes realizaciones, pueden estar contenidas impurezas inevitables, de hasta el 0,05% para cada elemento, no debiendo superar la cantidad total de impurezas el 0,15% en peso. Es preferente, no obstante, mantener las impurezas lo mas reducidas posible, de modo que estas presenten una proporcion del 0,02 % en peso para cada elemento y no debiendo superar una cantidad total del 0,08 % en peso.
Los componentes con las propiedades de resistencia altamente elevadas solo pueden producirse dentro de lfmites estrechos de los elementos de aleacion reivindicados con un procedimiento de tratamiento termico de otro modo habitual. Preferentemente, el envejecimiento termico se lleva a cabo de forma que se ajuste una resistencia maxima en el componente producido a partir de la aleacion. Como procedimiento de envejecimiento termico habitual se contempla uno en el que el envejecimiento termico se lleva a cabo entre 145 °C y 170 °C con un periodo de envejecimiento termico adaptado de entre 10 h y 90 h.
Esta aleacion se caracteriza particularmente por unos intervalos estrechos en las proporciones de los elementos de aleacion. Aparte de esto, la aleacion esta exenta de Ag y de Zn, incluso aunque pueda tolerarse un determinado contenido de Zn. Aunque segun la opinion prevaleciente las resistencias necesarias se pueden lograr solo en el caso de una aleacion de Al-Cu que contiene Li en los componentes producidos a partir de la misma cuando se alea plata con una proporcion no insignificante, se establece sorprendentemente que un componente producido a partir de una aleacion segun la invencion no solo cumple con los requisitos de resistencia establecidos mediante las posibilidades de la aleacion AA 7449, sino que presenta unas propiedades de resistencia incluso mas elevadas que esta y tambien que la aleacion AA 2050. Por medio del intervalo estrecho espedfico de los contenidos de los asociados de aleacion se proporciona una aleacion de Al-Cu-Mg-Li, a partir de la cual pueden producirse componentes con una resistencia altamente elevada. Para definir resistencia elevada y resistencia altamente elevada: Un componente presenta propiedades de resistencia altamente elevada cuando el lfmite de elasticidad Rpo,2 es al menos de 600 MPa. Un componente presenta propiedades de resistencia elevada cuando el lfmite de elasticidad Rpo,2 es al menos de 500 MPa.
No se podfa esperar que se pudieran producir componentes con resistencia altamente elevada con una aleacion de Al-Cu exenta de plata. Sobre todo, esto se logra sin que el gasto en el tratamiento termico del componente producido a partir de la aleacion tenga que ser mas elevado.
Si la proporcion de Cu se encuentra por debajo del 3,5 % en peso, no se ajusta en combinacion con los otros elementos de aleacion la resistencia necesaria. Los contenidos en cobre superiores al 4,3 % en la aleacion no son capaces de aumentar adicionalmente la resistencia de un componente producido a partir de la aleacion. Mas bien, debe considerarse que en caso de contenidos de Cu mas elevados. Se producen fases que pueden perjudicar las propiedades de fractura y el comportamiento de fatiga.
El litio esta contenido en la aleacion para reducir la densidad (el peso espedfico). El contenido en litio esta adaptado a los contenidos de Cu y Mg de la aleacion, y concretamente de una forma en la que se incorpora todo el litio posible a la aleacion, pero solo si este se disuelve y no se produce ninguna fase que contenga Li no deseada. Por lo tanto, el contenido de Li en la aleacion esta limitado a un intervalo estrecho de entre el 0,8 y el 1,3 % en peso.
El magnesio contribuye a las propiedades deseadas de un componente producido a partir de la aleacion, pero solo se permite en una proporcion con la que no se produzcan fases no deseadas (tales como, por ejemplo, las fases S de A^CuMg). Considerando los otros elementos de aleacion, el contenido de Mg no debena superar el 0,8 % en peso.
El titanio se alea para refinar la estructura de colada y el circonio para evitar/inhibir la recristalizacion no deseada en la conformacion termica.
Los componentes de esta aleacion, por lo tanto, son ya mas economicos, dado que no la aleacion esta exenta de plata. Los costes de gasto de material para producir la aleacion pueden ser hasta un 30 %, e incluso mas, inferiores que los costes correspondientes de una aleacion comparativa que contenga Ag.
El peso espedfico de un componente producido a partir de esta aleacion es, en caso de una composicion de aleacion tfpica, de aproximadamente 2,7 g/cm3 y corresponde, por lo tanto, al peso espedfico, por ejemplo, de un componente producido a partir de una aleacion AA2050. Por lo tanto, los componentes producidos a partir de esta aleacion presentan la misma ventaja reductora del peso que la que poseen los componentes que se han producido, por ejemplo, a partir de la aleacion AA 2050.
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Las propiedades de resistencia son a lo largo del intervalo de los elementos de aleacion reivindicados relativamente uniformes. Un cierto aumento de los valores de resistencia puede lograrse con la composicion siguiente, en la que los intervalos permitidos de los elementos de aleacion estan mas limitados:
3,5-4,3 % en peso de Cu,
0,9-1,2 % en peso de Li,
0,38-0,6 % en peso de Mg,
0,14-0,22 % en peso de Mn,
0,08-0,17 % en peso de Zr,
0,03-0,07 % en peso de Ti,
el resto Al junto con impurezas inevitables.
Es particularmente preferente la aleacion de Al-Cu exenta de plata con la composicion siguiente:
3,7-4,0 % en peso de Cu,
0,9-1,2 % en peso de Li,
0,43-0,52 % en peso de Mg,
0,14-0,20 % en peso de Mn,
0,09-0,11 % en peso de Zr,
0,04-0,06 % en peso de Ti,
el resto Al junto con impurezas inevitables.
El Fe no puede evitarse, en general, totalmente como elemento acompanante. Se pueden tolerar, a este respecto, contenidos del 0,02-0,035 % en peso.
Para investigaciones de la composicion de aleacion y de las resistencias autoajustables de los componentes producidos a partir de la misma se fundieron aleaciones segun la invencion y aleaciones comparativas y se colaron a escala de laboratorio mediante fundicion en coquilla para dar barras de ensayo.
Las aleaciones fundidas tienen la composicion siguiente, siendo las aleaciones XL21, XL29 aleaciones segun la invencion, mientras que las restantes aleaciones se fundieron como aleaciones comparativas:
Aleacion
Cu Li Mg Mn Ti Zr Si Fe Ag Zn
XL21
3,87 0,97 0,46 0,17 0,05 0,10 0,02 0,027 < 0,02 < 0,02
XL29
4,1 0,95 0,47 0,17 0,04 0,11 0,03 0,03 < 0,02 < 0,02
AA 2050
3,72 0,94 0,31 0,38 0,04 0,092 0,04 0,063 0,491 < 0,02
AA 2196
2,61 1,6 0,37 < 0,02 0,05 0,11 0,02 0,03 0,3 < 0,02
AA 7449
1,62 < 0,02 2,45 0,15 0,02 0,10 0,04 0,09 < 0,02 7,7
AA 7050
2,24 < 0,02 2,17 0,08 0,03 0,11 0,06 0,09 < 0,02 6,4
Los lingotes colados en cada caso se homogeneizaron y se extrudieron o se forjaron y a continuacion se recocieron por solucion como perfiles, se estiraron (2-4% en direccion longitudinal) y se envejecieron termicamente. A continuacion se llevaron a cabo investigaciones para determinar el lfmite de elasticidad Rpo,2, la resistencia a la traccion Rm, el alargamiento de rotura A5 y la tenacidad de rotura Kic. Las investigaciones se efectuaron en los espedmenes en espedmenes de varillas extrudidas en, en cada caso, los mismos sitios. Las investigaciones proporcionaron los resultados siguientes:
Muestra
Densidad [g/cm3] Rpo,2 [MPa] Rm [MPa] As [%] KiC [MPaV m]
XL21
L 2,70 628 653 9,0 L-T 41,2
T-L
28,4
XL29
L 2,70 658 673 10,5 L-T 37,24
T-L
28,10
AA 2050
L 2,70 615 637 9,0 L-T 42,1
T-L
31,6
AA 2196
L 2,63 589 606 8,2 L-T 32,1
T-L
22,2
AA 7449
L 2,85 600 625 7,0 L-T 24,2
T-L
21,3
AA 7050
L 2,83 531 581 12,8 L-T 35,1
T-L
29,1
Los datos de la aleacion comparativa AA 7449 se tomaron de la literatura.
5 Los resultados de resistencias anteriores pudieron confirmarse mediante diversas investigaciones paralelas con variaciones en la composicion de la aleacion segun la invencion en el marco de los Kmites establecidos en la reivindicacion 1.
10
Es particularmente preferente la relacion Cu/Mg segun la formula:
3,85 % en peso-0,7 % en peso de Mg < Cu < 4,63 % en peso-0,7 % en peso de Mg.
La descripcion de la aleacion Al-Cu-Mg-Li deja claro que a pesar de su carencia de plata, sorprendentemente, los componentes producidos a partir de la misma cumplen los requisitos de una resistencia altamente elevada e incluso 15 presentan en comparacion con la aleacion AA 7449 y AA 7050 habitual una ventaja no despreciable en su densidad.
Un componente producido a partir de esta aleacion es adecuado, gracias a las propiedades anteriores, como componente para su uso en la industria aeroespacial, sobre todo para componentes estructurales. No obstante, se pueden producir y usar componentes producidos a partir de estas aleaciones tambien en otras aplicaciones, sobre 20 todo cuando tambien desempena un papel una densidad reducida.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag con
  2. 3.5- 4,5 % en peso de Cu,
    0,8-1,3 % en peso de Li,
    0,2-0,8 % en peso de Mg,
    0,1-0,4 % en peso de Mn,
    0,05-0,2 % en peso de Zr,
    hasta el 0,1 % en peso de Ti, estando presente el Ti como TiB2 o TiC,
    el resto Al junto con impurezas inevitables de, en total, un maximo del 0,15 % en peso.
  3. 2. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag segun la reivindicacion 1 con
  4. 3.5- 4,3 % en peso de Cu,
    0,9-1,2 % en peso de Li,
    0,38-0,6 % en peso de Mg,
    0,14-0,22 % en peso de Mn,
    0,08-0,17 % en peso de Zr,
    0,03-0,07 % en peso de Ti, maximo del 0,08 % en peso de Fe, maximo del 0,05 % en peso de Si,
    el resto Al junto con impurezas inevitables de, en total, un maximo del 0,15 % en peso.
  5. 3. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag segun la reivindicacion 1 con 3,7-4,0 % en peso de Cu,
    0,9-1,2 % en peso de Li,
    0,43-0,52 % en peso de Mg,
    0,14-0,20 % en peso de Mn,
    0,09-0,11 % en peso de Zr,
    0,04-0,06 % en peso de Ti, maximo del 0,08 % en peso de Fe, maximo del 0,05 % en peso de Si,
    el resto Al junto con impurezas inevitables de, en total, un maximo del 0,15 % en peso.
  6. 4. Aleacion de Al-Cu exenta de Ag segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la aleacion contiene adicionalmente como maximo el 0,03 % en peso de Si y/o como maximo el 0,05 % en peso de Fe.
  7. 5. Aleacion de Al-Cu exenta de Ag segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que la relacion Cu/Mg corresponde a la formula siguiente: 3,85 % en peso-0,7 % en peso de Mg < Cu < 4,63 % en peso-0,7 % en peso de Mg.
  8. 6. Aleacion de Al-Cu exenta de Ag segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que la composicion de la aleacion se elige de forma que un producto producido a partir de la misma presente una densidad inferior al 2,73 g/cm3, en particular inferior al 2,71 g/cm3, preferentemente de aproximadamente 2,70 g/cm3.
  9. 7. Aleacion de Al-Cu-Mg-Li exenta de Ag con una composicion de aleacion segun una de las reivindicaciones 1 a 5 y preferentemente una densidad segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el producto se homogeneizo, se conformo en caliente, se recocio por solucion, se estiro y se envejecio termicamente y a continuacion se estiro de forma que el producto de aleacion presenta un lfmite de elasticidad al 0,2 % Rp0,2 superior a 600 MPa, una resistencia a la traccion Rm superior a 640 MPa y un alargamiento de rotura superior al 7 %.
  10. 8. Producto de aleacion segun la reivindicacion 7, caracterizado por que el producto de aleacion es un producto previsto para aplicaciones tecnicas aeroespaciales.
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