ES2834134T3 - A low-cost, low-density, substantially Ag- and Zn-free, aluminum-lithium plate alloy for aerospace application - Google Patents
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Abstract
Una aleación de Al-Li de bajo costo, baja densidad y alto rendimiento que comprende: de 3,6 a 4,1 % en peso de Cu, de 0,8 a 1,05 % en peso de Li, de 0,6 a 1,0 % en peso de Mg, de 0,2 a 0,6 % en peso de Mn, menos del 0,05 % en peso de Ag, menos del 0,2 % en peso de Zn, de 0,03 a 0,16 % en peso de al menos un elemento de control de la estructura del grano seleccionado del grupo que consiste en Zr, Sc, Cr, V, Hf y otros elementos del grupo de las tierras raras, hasta 0,10 % en peso de Ti, hasta 0,12 % en peso de Si, hasta 0,15 % en peso de Fe, hasta 0,15 % en peso de cada elemento aleatorio, con un total de elementos aleatorios que no exceda de 0,35 % en peso, en donde los elementos aleatorios no se incluyen intencionalmente y en donde los elementos aleatorios incluyen cualquier elemento excepto Al, Cu, Li, Mg, Zr, Zn, Mn, Ag, Fe, Si y Ti, siendo el resto aluminio, y en donde la cantidad de Cu en porcentaje en peso es al menos igual o superior a cuatro veces la cantidad de Li en porcentaje en peso.A low cost, low density, high performance Al-Li alloy comprising: 3.6 to 4.1% by weight Cu, 0.8 to 1.05% by weight Li, 0.6 at 1.0% by weight of Mg, from 0.2 to 0.6% by weight of Mn, less than 0.05% by weight of Ag, less than 0.2% by weight of Zn, from 0.03 to 0.16% by weight of at least one grain structure control element selected from the group consisting of Zr, Sc, Cr, V, Hf and other elements of the group of rare earths, up to 0.10% in weight of Ti, up to 0.12% by weight of Si, up to 0.15% by weight of Fe, up to 0.15% by weight of each random element, with a total of random elements not exceeding 0.35% by weight, where the random elements are intentionally not included and where the random elements include any element except Al, Cu, Li, Mg, Zr, Zn, Mn, Ag, Fe, Si, and Ti, the remainder being aluminum, and where the amount of Cu in percent by weight is at least equal to or greater than four times the amount of Li in percent e by weight.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Una aleación de placas de aluminio-litio de bajo coste, baja densidad y sustancialmente libre de Ag y Zn para aplicación aeroespacialA low-cost, low-density, substantially Ag- and Zn-free, aluminum-lithium plate alloy for aerospace application
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Campo de la invenciónField of the invention
La presente invención se refiere generalmente a productos de aleación a base de aluminio-cobre-litio-magnesio. The present invention relates generally to aluminum-copper-lithium-magnesium based alloy products.
Descripción de la técnica relacionadaDescription of Related Art
Con el fin de reducir el peso de las aeronaves para una mejor eficiencia del combustible, los fabricantes de fuselaje y los fabricantes de material de aluminio están intensamente enfocados en las aleaciones de aluminio y litio de baja densidad. Además de la densidad, la resistencia del material, la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión se requieren simultáneamente para aplicaciones aeroespaciales. Además, el coste del material debe tenerse en cuenta para la solución sostenible de productos de aluminio y litio.In order to reduce the weight of aircraft for better fuel efficiency, airframe manufacturers and aluminum material manufacturers are intensely focused on low-density lithium-aluminum alloys. In addition to density, material strength, fracture toughness, fatigue resistance, and corrosion resistance are required simultaneously for aerospace applications. In addition, the cost of the material must be taken into account for the sustainable solution of aluminum and lithium products.
Por lo tanto, es un desafío extremo producir productos de placas de aluminio-litio (Al-Li) que cumplan con todos los requisitos anteriores. Como consecuencia, solo hay una cantidad limitada de aleaciones de Al-Li registradas capaces de producir productos de placa de grosor superior a 0,5”. Los ejemplos de aleaciones existentes son 2050 (hasta 6,5” de grosor), 2195 (hasta 2,25" de grosor), 2060 (hasta 1,5” de grosor), 2395 (hasta 1,5" de grosor) y 2196 (hasta 1,0” de grosor) basado en "Registration Record Series - Tempers for Aluminum and Aluminum Alloys Production" publicado en 2011 y "Addendum to 2011 Tan Sheets of Registration Record Series - Tempers for Aluminum and Aluminum Alloys Production" publicado en 2017 por The Aluminum Association. Debe mencionarse que todas las aleaciones de placas de Al-Li anteriores son aleaciones de alto coste que contienen Ag. El elemento plata (Ag) se adiciona a muchas aleaciones de Al-Li de nueva generación para mejorar las propiedades del producto final.Therefore, it is an extreme challenge to produce aluminum-lithium (Al-Li) plate products that meet all of the above requirements. As a consequence, there are only a limited number of registered Al-Li alloys capable of producing plate products thicker than 0.5 ". Examples of existing alloys are 2050 (up to 6.5 "thick), 2195 (up to 2.25" thick), 2060 (up to 1.5 "thick), 2395 (up to 1.5" thick), and 2196 (up to 1.0 ”thick) based on" Registration Record Series - Tempers for Aluminum and Aluminum Alloys Production "published in 2011 and" Addendum to 2011 Tan Sheets of Registration Record Series - Tempers for Aluminum and Aluminum Alloys Production "published in 2017 by The Aluminum Association. It should be mentioned that all the above Al-Li plate alloys are high cost Ag containing alloys. The element silver (Ag) is added to many new generation Al-Li alloys to improve the properties of the final product.
Además, la popularidad del uso de Ag de alto coste en aleaciones de Al-Li puede demostrarse mediante una cantidad significativa de patentes y solicitudes de patentes de aleaciones de Al-Li. Por lo tanto, es un desafío significativo proporcionar una hoja de Al-Li de bajo coste mediante la eliminación de la adición de Ag y al mismo tiempo mantener el rendimiento del producto que proporciona la Ag como lo demuestran estos ejemplos de la técnica anterior.Furthermore, the popularity of the use of high cost Ag in Al-Li alloys can be demonstrated by a significant number of patents and patent applications for Al-Li alloys. Therefore, it is a significant challenge to provide a low cost Al-Li sheet by eliminating the addition of Ag while maintaining the yield of the Ag-providing product as demonstrated by these prior art examples.
Obviamente, el Li es el elemento más crítico para las aleaciones Al-Li. Un nivel demasiado bajo de Li no puede reducir la densidad y mejorar las propiedades lo suficiente. Sin embargo, un nivel demasiado alto de Li puede provocar un rendimiento no deseado, como una baja tenacidad a la fractura transversal corta y una alta anisotropía de las propiedades de tracción.Obviously, Li is the most critical element for Al-Li alloys. Too low a level of Li cannot reduce the density and improve the properties sufficiently. However, too high a level of Li can lead to undesired performance, such as low short transverse fracture toughness and high anisotropy of tensile properties.
El Cu es otro elemento importante y debe controlarse dentro de un cierto rango para obtener un rendimiento deseable del producto.Cu is another important element and must be controlled within a certain range for desirable product performance.
El Mg es otro elemento que se debe agregar en un cierto rango para mejorar principalmente la fuerza y, en segundo lugar, reducir la densidad.Mg is another element that needs to be added in a certain range to primarily improve strength and secondly reduce density.
El Zn también es otro elemento que considerar para la aleación Al-Li. Sin embargo, la adición de Zn también puede afectar negativamente a la densidad.Zn is also another element to consider for the Al-Li alloy. However, the addition of Zn can also adversely affect density.
En general, las composiciones de aleación de Al-Li anteriores no lograron simultáneamente propiedades de baja densidad, bajo costo, alta resistencia, buena tolerancia al daño, resistencia a la fatiga y corrosión para las aleaciones de Al-Li capaces de producir productos de placa. Lograr todo esto es un desafío metalúrgico extremo, especialmente sin el uso de la adición de Ag, que aumenta significativamente el coste del producto.In general, the above Al-Li alloy compositions did not simultaneously achieve low density, low cost, high strength, good damage tolerance, fatigue and corrosion resistance properties for Al-Li alloys capable of producing plate products. . Achieving all of this is an extreme metallurgical challenge, especially without the use of Ag addition, which significantly increases the cost of the product.
El documento WO2017137260 se refiere a un producto forjado de aleación de aluminio para elementos estructurales que tiene una composición química que consiste en, en % en peso: Cu 3,2 % a 4,4 %, Li 0,8 % a 1,4 %, Mg 0,20 % a 0,90 %, Mn 0,10 % a 0,8 %, Zn 0,20 % a 0,80 %, uno o más elementos seleccionados del grupo que consta de: (Zr 0,05 % a 0,25 %, Cr 0,05 % a 0,30 %, Ti 0,01 % a 0,25 %, Sc 0,05 % a 0,4 %, Hf 0,05 % a 0,4 %), Ag <0,08 %, Fe <0,15 %, Si <0,15 %, impurezas inevitables y resto de aluminio.Document WO2017137260 refers to an aluminum alloy forged product for structural elements having a chemical composition consisting of, in% by weight: Cu 3.2% to 4.4%, Li 0.8% to 1.4 %, Mg 0.20% to 0.90%, Mn 0.10% to 0.8%, Zn 0.20% to 0.80%, one or more elements selected from the group consisting of: (Zr 0, 05% to 0.25%, Cr 0.05% to 0.30%, Ti 0.01% to 0.25%, Sc 0.05% to 0.4%, Hf 0.05% to 0.4 %), Ag <0.08%, Fe <0.15%, Si <0.15%, unavoidable impurities and remaining aluminum.
Breve resumen de la invenciónBrief summary of the invention
La presente invención proporciona una aleación de Al-Li de baja densidad, de bajo costo, alto rendimiento, alto Mg, sustancialmente libre de Ag y libre de Zn, adecuada para fabricar componentes de transporte, tales como componentes estructurales aeroespaciales. La aleación de aluminio-litio de la presente invención comprende de 3,6 a 4,1 % en peso de Cu, 0,8 a 1,05 % en peso de Li, 0,6 a 1,0 % en peso de Mg, 0,2 a 0,6 % en peso de Mn, hasta 0,12 % en peso de Si, hasta 0,15 % en peso de Fe, de 0,03 a 0,16 % en peso de al menos un elemento de control de la estructura del grano seleccionado del grupo que consiste en Zr, Sc, Cr, V, Hf y otros elementos del grupo de las tierras raras hasta 0,10 % en peso de Ti, hasta 0,15 % en peso de elementos aleatorios que no exceden el 0,35 % en peso y el resto es aluminio. Preferentemente, la Ag no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,05 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. Preferentemente, el Zn no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,2 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. La cantidad de Cu en porcentaje en peso es al menos igual o superior a 4 veces la cantidad de Li en porcentaje en peso en la aleación de la invención.The present invention provides a low-density, low-cost, high-performance, high-Mg, substantially Ag-free and Zn-free Al-Li alloy suitable for making transportation components, such as aerospace structural components. The aluminum-lithium alloy of the present invention comprises 3.6 to 4.1% by weight of Cu, 0.8 to 1.05% by weight of Li, 0.6 to 1.0% by weight of Mg 0.2 to 0.6% by weight of Mn, up to 0.12% by weight of Si, up to 0.15% by weight of Fe, from 0.03 to 0.16% by weight of at least one element control of the grain structure selected from the group consisting of Zr, Sc, Cr, V, Hf and other elements of the earth group rare up to 0.10 % by weight of Ti, up to 0.15 % by weight of random elements not exceeding 0.35 % by weight and the remainder is aluminum. Ag is preferably not added intentionally and should not exceed 0.05% by weight as an unintentionally added element. Preferably, the Zn is not intentionally added and should not be more than 0.2% by weight as an unintentionally added element. The amount of Cu in percent by weight is at least equal to or greater than 4 times the amount of Li in percent by weight in the alloy of the invention.
La aleación de la invención tiene propiedades mejoradas con respecto a la técnica anterior. Preferentemente, la aleación de la invención tiene un límite elástico a la tracción (TYS) a lo largo de la dirección de laminación (L) en función del calibre de la placa (ga) que es mayor que 75,0-1,4*ga, preferentemente mayor que 76,2-1,4*ga, y con mayor preferencia mayor que 77,0-1,4*ga. Preferentemente, la aleación de la invención tiene un límite elástico a la tracción (TYS) a lo largo de la dirección transversal larga (LT) que es superior a 71,2-1,4*ga, preferentemente superior a 72,2-1,4*ga, y con mayor preferencia, superior a 72,7-1,4*ga. Preferentemente, la aleación de la invención tiene una tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación del laminado transversal largo (TL) que es superior a 28-1,0*ga, preferentemente superior a 29-1,0*ga, y con mayor preferencia superior a 29,5-1,0*ga. Preferentemente, la aleación de la invención tiene una tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación de laminación - Transversal larga (LT) que es superior a 28,8-0,6*ga, preferentemente superior a 30,8-0,6*ga, y con mayor preferencia superior a 31,8-0,6*ga. Las unidades de calibre (ga), resistencia y tenacidad a la fractura son pulgadas, ksi y ksi*pulg1/2 respectivamente. También se proporcionan métodos para fabricar productos de aleación de aluminio y litio forjados de la presente invención.The alloy of the invention has improved properties over the prior art. Preferably, the alloy of the invention has a tensile yield strength (TYS) along the rolling direction (L) as a function of the plate gauge (ga) that is greater than 75.0-1.4 * ga, preferably greater than 76.2-1.4 * ga, and more preferably greater than 77.0-1.4 * ga. Preferably, the alloy of the invention has a tensile yield strength (TYS) along the long transverse direction (LT) that is greater than 71.2-1.4 * ga, preferably greater than 72.2-1 , 4 * ga, and more preferably, greater than 72.7-1.4 * ga. Preferably, the alloy of the invention has a fracture toughness (K1c) along the orientation of the long transverse roll (TL) that is greater than 28-1.0 * ga, preferably greater than 29-1.0 * ga, and more preferably greater than 29.5-1.0 * ga. Preferably, the alloy of the invention has a fracture toughness (K1c) along the roll orientation - Long Transverse (LT) that is greater than 28.8-0.6 * ga, preferably greater than 30.8 -0.6 * ga, and more preferably greater than 31.8-0.6 * ga. The units of gauge (ga), strength, and fracture toughness are inches, ksi, and ksi * in1 / 2 respectively. Methods for making forged lithium aluminum alloy products of the present invention are also provided.
La aleación de aluminio-litio de la presente invención es una placa, extrusión o producto forjado que tiene un grosor de 1,27 a 20,32 cm (0,5 a 8,0 pulgadas). Se ha descubierto sorprendentemente que la aleación de aluminio-litio de la presente invención que no tiene Ag, o cantidades muy bajas de Ag añadido no intencionalmente, sin Zn, o cantidades muy bajas de Zn añadido no intencionalmente, y un alto contenido de Mg es capaz de producir productos de placa de grosor de 1,27 a 20,32 cm (0,5 a 8,0 pulgadas) con excelentes propiedades de resistencia y tenacidad a la fractura y un rendimiento deseable de resistencia a la corrosión. Otro aspecto de la presente invención es un método para fabricar aleaciones de aluminio-litio de la presente invención, expuesto en la reivindicación 12 de las reivindicaciones adjuntas.The aluminum-lithium alloy of the present invention is a plate, extrusion, or wrought product having a thickness of 1.27 to 20.32 cm (0.5 to 8.0 inches). It has been surprisingly found that the aluminum-lithium alloy of the present invention having no Ag, or very low amounts of unintentionally added Ag, no Zn, or very low amounts of unintentionally added Zn, and a high Mg content is capable of producing 0.5 to 8.0 inch thick plate products with excellent fracture toughness and strength properties and desirable corrosion resistance performance. Another aspect of the present invention is a method for making aluminum-lithium alloys of the present invention, set forth in claim 12 of the appended claims.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Las características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de una modalidad preferida de la misma, tomada junto con los dibujos adjuntos, en donde:The features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of a preferred embodiment thereof, taken in conjunction with the accompanying drawings, wherein:
La Figura 1 es un gráfico que muestra la respuesta de resistencia al envejecimiento entre aleaciones de la invención y aleaciones que no son de la invención.Figure 1 is a graph showing the aging resistance response between inventive alloys and non-inventive alloys.
La Figura 2 es un gráfico que muestra la comparación de resistencia y tenacidad a la fractura entre aleaciones de la invención sustancialmente libres de Ag y aleaciones que no son de la invención (sustancialmente libres de Ag) de placas de 3 pulgadas; El LT TYS mínimo es 67 ksi; El LT TYS mínimo preferido es 68ksi; y el LT TYS mínimo con mayor preferencia es 68,5 ksi; El mínimo de K1c TL es 25 ksi*pulg1/2; El mínimo preferido de K1c TL es 26 ksi*pulg1/2; El TL mínimo de K1c de mayor preferencia es 26,5 ksi*pulg1/2.Figure 2 is a graph showing the comparison of strength and fracture toughness between substantially Ag-free inventive alloys and non-inventive (substantially Ag-free) alloys of 3-inch plates; The minimum LT TYS is 67 ksi; The preferred minimum LT TYS is 68ksi; and the most preferred minimum LT TYS is 68.5 ksi; The minimum of K1c TL is 25 ksi * in1 / 2; The preferred minimum of K1c TL is 26 ksi * in1 / 2; The most preferred K1c minimum TL is 26.5 ksi * in1 / 2.
La Figura 3 es un gráfico que muestra la comparación de resistencia y tenacidad a la fractura entre aleaciones de la invención sustancialmente libres de Ag y aleaciones que no son de la invención (sustancialmente libres de Ag) de placas de 3 pulgadas. El L TYS mínimo es 70,8 ksi; El L TYS mínimo preferido es 72 ksi; L TYS mínimo de mayor preferencia es 72,8 ksi; El mínimo de K1c LT es 27 ksi*pulg1/2; El mínimo preferido de K1c LT es 29 ksi*pulg1/2; El K1c LT mínimo de mayor preferencia es 30 ksi*pulg1/2.Figure 3 is a graph showing the comparison of strength and fracture toughness between substantially Ag-free inventive alloys and non-inventive (substantially Ag-free) alloys of 3-inch plates. The minimum L TYS is 70.8 ksi; The preferred minimum L TYS is 72 ksi; The most preferred minimum L TYS is 72.8 ksi; The minimum of K1c LT is 27 ksi * in1 / 2; The preferred minimum of K1c LT is 29 ksi * in1 / 2; The most preferred minimum K1c LT is 30 ksi * in1 / 2.
La Figura 4 es un gráfico que muestra la comparación de LT TYS frente a K1c TL entre aleaciones de la invención sustancialmente libres de Ag y aleaciones que no son de la invención de alto coste que contienen Ag de placas de 3 pulgadas.Figure 4 is a graph showing the comparison of LT TYS versus K1c TL between substantially Ag-free inventive alloys and high-cost, non-inventive, Ag-containing alloys of 3 inch plates.
La Figura 5 es un gráfico que muestra la comparación de L TYS frente a K1c LT entre aleaciones de invención de bajo coste sustancialmente libres de Ag y aleaciones de alto coste que no son de la invención y que contienen Ag de placas de 3 pulgadas.Figure 5 is a graph showing the comparison of L TYS versus K1c LT between substantially Ag-free low cost invention alloys and 3 inch plate Ag containing non-inventive high cost alloys.
La Figura 6 es un gráfico que muestra el LT TYS en función del grosor de la placa de las placas de aleación de la invención. El mínimo es 71,2-1,4*ga; El mínimo preferido es 72,2-1,4*ga; El mínimo de mayor preferencia es 72,7-1,4*ga.Figure 6 is a graph showing LT TYS as a function of plate thickness of the alloy plates of the invention. The minimum is 71.2-1.4 * ga; The preferred minimum is 72.2-1.4 * ga; The most preferred minimum is 72.7-1.4 * ga.
La Figura 7 es un gráfico que muestra el L TYS en función del grosor de la placa de las placas de aleación de la invención. El mínimo es 75,0-1,4*ga; El mínimo preferido es 76,2-1,4*ga; El mínimo más preferido es 77,0-1,4*ga. La Figura 8 es un gráfico que muestra el K1c t L en función del grosor de la placa de las placas de aleación de la invención. El mínimo es 28-1,0*ga; El mínimo preferido es 29-1,0*ga; El mínimo más preferido es 29,5-1,0*ga. La Figura 9 es un gráfico que muestra el K1 c LT en función del grosor de la placa de las placas de aleación de la invención. El mínimo es 28,8-0,6*ga; El mínimo preferido es 30,8-0,6*ga; El mínimo más preferido es 31,8-0,6*ga. La Figura 10 son fotografías que muestran la apariencia típica de las superficies después de 672 horas de tiempos de exposición de la prueba MASTMASSIS (muestra de la izquierda # 6 con un grosor de placa de 3 pulgadas y muestra de la derecha # 11 con un grosor de placa de 6 pulgadas).Figure 7 is a graph showing the L TYS as a function of plate thickness of the alloy plates of the invention. The minimum is 75.0-1.4 * ga; The preferred minimum is 76.2-1.4 * ga; The most preferred minimum is 77.0-1.4 * ga. Figure 8 is a graph showing K1c t L as a function of plate thickness of the alloy plates of the invention. The minimum is 28-1.0 * ga; The preferred minimum is 29-1.0 * ga; The most preferred minimum is 29.5-1.0 * ga. Figure 9 is a graph showing K1 c LT as a function of plate thickness of the alloy plates of the invention. The minimum is 28.8-0.6 * ga; The preferred minimum is 30.8-0.6 * ga; The most preferred minimum is 31.8-0.6 * ga. Figure 10 are photographs showing typical surface appearance after 672 hours of MASTMASSIS test exposure times (left sample # 6 with 3-inch plate thickness and right sample # 11 with thickness 6-inch plate).
La Figura 11 son fotografías que muestran las estructuras de grano de la Muestra núm. 1: placa de aleación de invención de 1 pulgada de grosor. Figure 11 are photographs showing the grain structures of Sample No. 1: 1 inch thick invention alloy plate.
La Figura 12 son fotografías que muestran las estructuras de grano de la Muestra núm. 2: placa de aleación de invención de 2 pulgadas de grosor.Figure 12 are photographs showing the grain structures of Sample No. 2: 2 inch thick invention alloy plate.
La Figura 13 son fotografías que muestran las estructuras de grano de la Muestra núm. 3: placa de aleación de la invención de 3” de grosor.Figure 13 are photographs showing the grain structures of Sample No. 3: 3 "thick inventive alloy plate.
La Figura 14 son fotografías que muestran las estructuras de grano de la Muestra núm. 9: placa de aleación de invención de 4 pulgadas de grosor.Figure 14 are photographs showing the grain structures of Sample No. 9: 4 inch thick invention alloy plate.
La Figura 15 son fotografías que muestran las estructuras de grano de la Muestra núm. 10: placa de aleación de la invención de 6 pulgadas de grosor.Figure 15 are photographs showing the grain structures of Sample No. 10: 6-inch thick inventive alloy plate.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
La presente invención está dirigida a las aleaciones de aluminio-litio, específicamente aleaciones de aluminio - cobre -litio - magnesio - manganeso. La aleación de aluminio-litio de la presente invención comprende de 3,6 a 4,1 % en peso Cu, 0,8 a 1,05 en peso Li, 0,6 a 1,0 % en peso de Mg, 0,2 a 0,6 % en peso de Mn, hasta 0,12 % en peso de Si, hasta 0,15 % en peso de Fe, de 0,03 a 0,16 % en peso de al menos un elemento de control de la estructura del grano seleccionado del grupo que consta de Zr, Sc, Cr, V, Hf y otros elementos de tierras raras, hasta 0,10 % en peso de Ti, hasta 0,15 % en peso de elementos aleatorios con el total de elementos aleatorios que no exceda de 0,35 % en peso y el resto es aluminio. Preferentemente, la Ag no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,05 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. Preferentemente, el Zn no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,2 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. La cantidad de Cu en porcentaje en peso es al menos igual o superior a 4 veces la cantidad de Li en porcentaje en peso en la aleación de la invención.The present invention is directed to aluminum-lithium alloys, specifically aluminum-copper-lithium-magnesium-manganese alloys. The aluminum-lithium alloy of the present invention comprises 3.6 to 4.1% by weight Cu, 0.8 to 1.05 by weight Li, 0.6 to 1.0% by weight Mg, 0, 2 to 0.6% by weight of Mn, up to 0.12% by weight of Si, up to 0.15% by weight of Fe, from 0.03 to 0.16% by weight of at least one control element of the grain structure selected from the group consisting of Zr, Sc, Cr, V, Hf and other rare earth elements, up to 0.10% by weight of Ti, up to 0.15% by weight of random elements with the total of random elements not exceeding 0.35% by weight and the remainder is aluminum. Ag is preferably not added intentionally and should not exceed 0.05% by weight as an unintentionally added element. Preferably, the Zn is not intentionally added and should not be more than 0.2% by weight as an unintentionally added element. The amount of Cu in percent by weight is at least equal to or greater than 4 times the amount of Li in percent by weight in the alloy of the invention.
En una modalidad alternativa preferida, la aleación de aluminio-litio comprende de 3,7 a 4,0 % en peso de Cu, 0,9 a 1,0 % en peso de Li, 0,7 a 0,9 % en peso de Mg junto con 0,2 a 0,6 % en peso de Mn, hasta 0,12 % en peso de Si, hasta 0,15 % en peso de Fe, de 0,03 a 0,16 % en peso de al menos un elemento de control de la estructura del grano seleccionado del grupo que consta de Zr, Sc, Cr, V, Hf y otros elementos de tierras raras, hasta 0,10 % en peso de Ti, hasta 0,15 % en peso de elementos aleatorios con el total de elementos aleatorios que no exceda de 0,35 % en peso y el resto es aluminio. Preferentemente, la Ag no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,05 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. Preferentemente, el Zn no se agrega intencionalmente y no debe ser superior al 0,2 % en peso como elemento agregado no intencionalmente. La cantidad de Cu en porcentaje en peso es al menos igual o superior a 4 veces la cantidad de Li en porcentaje en peso en la aleación de la invención.In an alternative preferred embodiment, the aluminum-lithium alloy comprises 3.7 to 4.0% by weight of Cu, 0.9 to 1.0% by weight of Li, 0.7 to 0.9% by weight of Mg together with 0.2 to 0.6% by weight of Mn, up to 0.12% by weight of Si, up to 0.15% by weight of Fe, from 0.03 to 0.16% by weight of al less one grain structure control element selected from the group consisting of Zr, Sc, Cr, V, Hf and other rare earth elements, up to 0.10% by weight of Ti, up to 0.15% by weight of random elements with the total of random elements not exceeding 0.35% by weight and the remainder being aluminum. Ag is preferably not added intentionally and should not exceed 0.05% by weight as an unintentionally added element. Preferably, the Zn is not intentionally added and should not be more than 0.2% by weight as an unintentionally added element. The amount of Cu in percent by weight is at least equal to or greater than 4 times the amount of Li in percent by weight in the alloy of the invention.
La aleación de aluminio-litio de la presente invención se puede usar para producir productos forjados, con un intervalo de grosor de 1,27 a 20,32 cm (0,5 a 8,0 pulgadas). Además de la baja densidad y el bajo costo, las aleaciones de aluminio-litio de la presente invención son productos forjados que tienen alta resistencia, mayor tolerancia al daño y excelentes propiedades de resistencia a la fatiga y la corrosión.The aluminum-lithium alloy of the present invention can be used to produce forged products, with a thickness range of 1.27 to 20.32 cm (0.5 to 8.0 inches). In addition to low density and low cost, the aluminum-lithium alloys of the present invention are forged products that have high strength, greater tolerance to damage, and excellent properties of resistance to fatigue and corrosion.
Tales productos son adecuados para su uso en muchas aplicaciones estructurales, especialmente para componentes estructurales aeroespaciales como largueros, nervaduras y piezas estructurales mecanizadas integralmente. La aleación de aluminio-litio de la presente invención se puede usar para la fabricación de componentes mediante el uso de varios procesos de fabricación tales como mecanizado a alta velocidad.Such products are suitable for use in many structural applications, especially for aerospace structural components such as beams, ribs, and integrally machined structural parts. The aluminum-lithium alloy of the present invention can be used for component fabrication by using various fabrication processes such as high speed machining.
Se añade cobre a la aleación de aluminio-litio en la presente invención en el intervalo de 3,6 a 4,1 % en peso, principalmente para mejorar la resistencia, pero también para mejorar la combinación de resistencia y tenacidad a la fractura. Una cantidad excesiva de Cu puede resultar en partículas intermetálicas desfavorables que pueden afectar negativamente las propiedades del material como la ductilidad y la tenacidad a la fractura. En estos casos también se debe considerar la interacción del Cu con otros elementos como Li y Mg. Por tanto, en las modalidades alternativas, el límite superior o inferior para la cantidad de Cu puede seleccionarse entre 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4,0 y 4,1 % en peso. En la modalidad preferida, el Cu es de 3,7 a 4,0 % en peso para proporcionar composiciones que mejoren el rendimiento del producto específico mientras mantienen un rendimiento relativamente alto en los atributos restantes en comparación con la técnica anterior.Copper is added to the aluminum-lithium alloy in the present invention in the range of 3.6 to 4.1% by weight, mainly to improve strength, but also to improve the combination of strength and fracture toughness. An excessive amount of Cu can result in unfavorable intermetallic particles that can adversely affect material properties such as ductility and fracture toughness. In these cases, the interaction of Cu with other elements such as Li and Mg must also be considered. Therefore, in the alternative embodiments, the upper or lower limit for the amount of Cu can be selected from 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4.0 and 4.1% by weight. In the preferred embodiment, the Cu is 3.7 to 4.0% by weight to provide compositions that improve the performance of the specific product while maintaining a relatively high performance on the remaining attributes compared to the prior art.
Se adiciona litio a la aleación de aluminio-litio de la presente invención en el intervalo de 0,8 a 1,05 % en peso. El principal beneficio de agregar Li es reducir la densidad y aumentar el módulo elástico. Combinado con otros elementos como el Cu, el Li también es crítico para mejorar la resistencia, la tolerancia al daño y el rendimiento de corrosión. Los contenidos de Li que son demasiado altos, sin embargo, pueden afectar negativamente la tenacidad a la fractura y la anisotropía de las propiedades de tracción. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, la presente invención incluye las modalidades alternativas en donde el límite superior o inferior para la cantidad de Li puede seleccionarse entre 0,8, 0,9, 1,0 y 1,05 % en peso. En una modalidad preferida, el Li está en el intervalo de 0,9 a 1,0 % en peso.Lithium is added to the aluminum-lithium alloy of the present invention in the range of 0.8 to 1.05% by weight. The main benefit of adding Li is to reduce the density and increase the elastic modulus. Combined with other elements such as Cu, Li is also critical to improve strength, damage tolerance, and corrosion performance. Li contents that are too high, however, can adversely affect fracture toughness and anisotropy of tensile properties. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu, the present invention includes the alternative embodiments wherein the upper or lower limit for the amount of Li can be selected from 0.8, 0.9, 1.0 and 1.05%. in weigh. In a preferred embodiment, the Li is in the range of 0.9 to 1.0% by weight.
La relación Cu/Li afecta significativamente la fase de fortalecimiento T1 deseable, que es crítica para la resistencia, tenacidad a la fractura y anisotropía de las propiedades de tracción. La presente invención requiere que la relación Cu/Li sea superior a 4,0 en términos de % en peso de Cu/% en peso de Li. The Cu / Li ratio significantly affects the desirable T1 strengthening phase, which is critical for strength, fracture toughness, and anisotropy of tensile properties. The present invention requires that the Cu / Li ratio be greater than 4.0 in terms of% by weight of Cu /% by weight of Li.
Se adiciona Mg a la aleación de aluminio-litio de la presente invención en el intervalo de 0,6 a 1,0 % en peso. El propósito principal de agregar Mg es mejorar la resistencia con el propósito secundario de reducir la densidad. Sin embargo, los niveles de Mg que son demasiado altos pueden reducir la solubilidad del Li en la matriz, impactando así negativamente el potencial de envejecimiento para una mayor resistencia. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu y Li, la presente invención incluye modalidades alternativas en donde el límite superior o inferior para la cantidad de Mg se puede seleccionar entre 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 y 1,0 % en peso. En una modalidad preferida, el Mg está en el intervalo de 0,7 a 0,9 % en peso.Mg is added to the aluminum-lithium alloy of the present invention in the range of 0.6 to 1.0 % by weight. The primary purpose of adding Mg is to improve strength with the secondary purpose of reducing density. However, Mg levels that are too high can reduce the solubility of Li in the matrix, thus negatively impacting the aging potential for increased strength. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu and Li, the present invention includes alternative embodiments where the upper or lower limit for the amount of Mg can be selected from 0.6, 0.7, 0.8, 0, 9 and 1.0% by weight. In a preferred embodiment, the Mg is in the range of 0.7 to 0.9% by weight.
En una modalidad, la Ag no se adiciona intencionalmente en la aleación de aluminio-litio de la presente invención. Puede existir Ag en la aleación como resultado de una adición no intencional. En este caso, la Ag no debe ser superior a 0,05 % en peso. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, Li y Mg, la presente invención incluye modalidades alternativas en donde el límite superior o límite para la cantidad de Ag puede seleccionarse entre 0,05, 0,04, 0,03, 0,02 y 0,01 % en peso. La técnica anterior enseña que la Ag es necesaria para mejorar las propiedades del producto final y, por lo tanto, se incluye en muchas aleaciones de aluminio-litio, así como en muchas patentes y solicitudes de patentes. Sin embargo, la Ag aumenta significativamente el coste de las aleaciones. En la modalidad preferida de la aleación de aluminio-litio de la presente invención, la g no se incluye intencionalmente para reducir el costo. Es sorprendente encontrar que la aleación de aluminio-litio de la presente invención, sin la adición de Ag para proporcionar un bajo costo, se puede usar para producir productos de placa de alta resistencia, alta tenacidad a la fractura y excelente resistencia a la corrosión, adecuados para aplicaciones estructurales, particularmente en aplicaciones aeroespaciales.In one embodiment, Ag is not intentionally added in the aluminum-lithium alloy of the present invention. Ag may exist in the alloy as a result of unintentional addition. In this case, the Ag should not exceed 0.05% by weight. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu, Li and Mg, the present invention includes alternative embodiments wherein the upper limit or limit for the amount of Ag can be selected from 0.05, 0.04, 0.03, 0 .02 and 0.01% by weight. The prior art teaches that Ag is necessary to improve the properties of the final product and is therefore included in many aluminum-lithium alloys, as well as in many patents and patent applications. However, Ag significantly increases the cost of alloys. In the preferred embodiment of the aluminum-lithium alloy of the present invention, g is intentionally not included to reduce cost. It is surprising to find that the aluminum-lithium alloy of the present invention, without the addition of Ag to provide low cost, can be used to produce plate products of high strength, high fracture toughness and excellent corrosion resistance, suitable for structural applications, particularly aerospace applications.
La adición de Zn puede afectar negativamente a la densidad y, por tanto, no se añade Zn en la presente invención. El Zn puede existir en la aleación como resultado de una adición no intencionada. En este caso, el Zn no debería ser superior a 0,2 % en peso. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, Li, Mg y Ag, la presente invención incluye modalidades alternativas que tienen menos de 0,15 % en peso Zn, menos de 0,10 % en peso de Zn, menos de 0,05 % en peso de Zn.The addition of Zn can adversely affect density and therefore Zn is not added in the present invention. Zn can exist in the alloy as a result of unintended addition. In this case, the Zn should not be more than 0.2% by weight. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu, Li, Mg and Ag, the present invention includes alternative embodiments having less than 0.15% by weight Zn, less than 0.10% by weight Zn, less than 0 .05% by weight of Zn.
El Mn se agrega intencionalmente para mejorar la estructura del grano para una mejor isotropía mecánica y formabilidad. Además, a los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, Li, Mg, Ag y Zn, la presente invención incluye modalidades alternativas en donde los límites superior o inferior para las cantidades de Mn se pueden seleccionar entre 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 y 0,6 % en peso.Mn is intentionally added to improve grain structure for better mechanical isotropy and formability. In addition, to the upper and lower limits listed above for Cu, Li, Mg, Ag and Zn, the present invention includes alternative embodiments where the upper or lower limits for the amounts of Mn can be selected from 0.2, 0.3 0.4, 0.5 and 0.6% by weight.
Se puede adicionar Ti hasta un 0,10 % en peso. El propósito de agregar Ti es principalmente para el refinado de granos en la fundición. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, Li, Mg, Ag, Zn y Mn, la presente invención incluye modalidades alternativas en donde el límite superior para la cantidad de Ti se puede seleccionar entre 0,01, 0,02, 0,05, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09 y 0,10 % en peso de Ti.Ti can be added up to 0.10% by weight. The purpose of adding Ti is primarily for grain refining in the foundry. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu, Li, Mg, Ag, Zn and Mn, the present invention includes alternative embodiments where the upper limit for the amount of Ti can be selected from 0.01, 0.02, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09 and 0.10% by weight of Ti.
El Si y el Fe pueden estar presentes en la aleación de aluminio-litio de la presente invención como impurezas, pero no se adicionan intencionalmente. Además de los límites superior e inferior enumerados anteriormente para Cu, Li, Mg, Ag, Zn, Mn y Ti, la presente invención incluye modalidades alternativas en donde la aleación incluye <0,12 % en peso para Si y <0,15 % en peso para Fe, preferentemente <0,05 % en peso para Si y <0,08 % en peso para Fe. En una modalidad, la aleación de aluminio-litio de la presente invención incluye un contenido máximo de 0,12 % en peso para Si y 0,15 % en peso para Fe. En una modalidad preferida, los contenidos máximos son 0,05 % en peso para Si y 0,08 % en peso para Fe.Si and Fe may be present in the aluminum-lithium alloy of the present invention as impurities, but are not intentionally added. In addition to the upper and lower limits listed above for Cu, Li, Mg, Ag, Zn, Mn and Ti, the present invention includes alternative embodiments where the alloy includes <0.12% by weight for Si and <0.15% by weight for Fe, preferably <0.05% by weight for Si and <0.08% by weight for Fe. In one embodiment, the aluminum-lithium alloy of the present invention includes a maximum content of 0.12% in weight for Si and 0.15% by weight for Fe. In a preferred embodiment, the maximum contents are 0.05% by weight for Si and 0.08% by weight for Fe.
La aleación de aluminio-litio de la presente invención también puede incluir un bajo nivel de "elementos aleatorios" que no se incluyen intencionalmente. Los "elementos aleatorios" significan cualquier otro elemento excepto Al, Cu, Li, Mg, Zr, Zn, Mn, Ag, Fe, Si y Ti.The aluminum-lithium alloy of the present invention may also include a low level of "random elements" that are not included intentionally. The "random elements" mean any other element except Al, Cu, Li, Mg, Zr, Zn, Mn, Ag, Fe, Si and Ti.
La aleación Al-Li de alta resistencia y bajo coste de la presente invención puede usarse para producir productos forjados. En una modalidad, la aleación de aluminio-litio de la presente invención es capaz de producir productos laminados, preferentemente, un producto de placa en el intervalo de grosor de 1,27 a 20,32 cm (0,5 a 8,0 pulgadas). En las modalidades alternativas, el límite superior o inferior para el grosor se puede seleccionar entre 1,27, 2,54, 5,08, 7,62, 10,16, 12,7, 15,24, 17,78 y 20,32 cm (0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0 y 8,0 pulgadas).The low cost, high strength Al-Li alloy of the present invention can be used to produce forged products. In one embodiment, the aluminum-lithium alloy of the present invention is capable of producing rolled products, preferably a plate product in the thickness range of 1.27 to 20.32 cm (0.5 to 8.0 inches). ). In alternative embodiments, the upper or lower limit for thickness can be selected from 1.27, 2.54, 5.08, 7.62, 10.16, 12.7, 15.24, 17.78, and 20 , 32 cm (0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0 and 8.0 inches).
Los productos laminados se pueden fabricar mediante el uso de procesos conocidos tales como fundición, homogeneización, laminación en caliente, tratamiento térmico en solución y tratamientos de temple, estiramiento y envejecimiento. El lingote se puede colar mediante el método tradicional de colado por enfriamiento directo (DC). Los lingotes pueden homogeneizarse a temperaturas de 482 a 543 °C (900 a 1010 °F). Las temperaturas de laminado en caliente fueron de 357 a 482 °C (675 a 900 °F). Los productos pueden tratarse térmicamente en solución en un rango de temperatura de 482 a 538 °C (900 a 1000 °F). Los productos forjados son templados con agua fría a temperatura ambiente y pueden estirarse hasta un 15 %, preferentemente del 2 al 8 %. El producto templado y estirado puede someterse a cualquier práctica de envejecimiento conocida por los expertos en la técnica, incluidas, pero sin limitarse a, prácticas de envejecimiento en una sola etapa que produzcan un temple final deseable, como el temple T8, para una mejor combinación de resistencia, tenacidad a la fractura y resistencia a la corrosión que son muy deseables para los miembros aeroespaciales. La temperatura de envejecimiento puede estar en el rango de 121 a 205 °C (250 a 400 °F) y preferentemente de 149 a 182 °C (300 a 360 °F) y el tiempo de envejecimiento puede estar en el rango de 2 a 60 horas, preferentemente de 10 a 48 horas.Rolled products can be manufactured using known processes such as casting, homogenization, hot rolling, solution heat treatment, and quenching, stretching and aging treatments. The ingot can be cast using the traditional direct chill (DC) casting method. Ingots can be homogenized at temperatures of 482 to 543 ° C (900 to 1010 ° F). Hot rolling temperatures were 357 to 482 ° C (675 to 900 ° F). Products can be heat treated in solution in a temperature range of 482 to 538 ° C (900 to 1000 ° F). Forged products are tempered with cold water at room temperature and can be stretched up to 15%, preferably 2 to 8%. The drawn and annealed product can be subjected to any aging practices known to those skilled in the art, including, but not limited to, single stage aging practices that produce a desirable final temper, such as T8 temper, for a better blend. strength, fracture toughness, and corrosion resistance that are highly desirable for aerospace members. The aging temperature can be in the range of 121 to 205 ° C (250 to 400 ° F) and preferably 149 to 182 ° C (300 to 360 ° F) and the aging time may be in the range of 2 to 60 hours, preferably 10 to 48 hours.
La química única junto con el procesamiento adecuado de la presente solicitud de patente da como resultado productos de placa con características de material básicas, novedosas y sorprendentes. En una modalidad, el límite elástico de tracción (TYS) a lo largo de la dirección de laminación (L) en función del calibre de la placa (ga) es mayor que 75,0-1,4*ga, preferentemente mayor que 76,2-1,4*ga, y con mayor preferencia mayor que 77,0-1,4*ga. El límite elástico por tracción (TYS) a lo largo de la dirección transversal larga (LT) es superior a 71,2-1,4*ga, preferentemente superior a 72,2-1,4*ga, y con mayor preferencia superior a 72,7-1,4*ga. La tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación del laminado transversal largo (TL) es superior a 28-1,0*ga, preferentemente superior a 29-1,0*ga, y con mayor preferencia superior a 29,5-1,0*ga. La tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación de laminado -transversal largo (LT) es superior a 28,8-0,6*ga, preferentemente superior a 30,8-0,6*ga, y con mayor preferencia superior a 31,8-0,6*ga. Las unidades de calibre (ga), resistencia y tenacidad a la fractura son pulgadas, ksi y ksi*pulg1/2 respectivamente.The unique chemistry coupled with the proper processing of the present patent application results in plate products with basic, novel and amazing material characteristics. In one embodiment, the tensile yield strength (TYS) along the rolling direction (L) as a function of plate gauge (ga) is greater than 75.0-1.4 * ga, preferably greater than 76 , 2-1.4 * ga, and more preferably greater than 77.0-1.4 * ga. The tensile yield strength (TYS) along the long transverse direction (LT) is greater than 71.2-1.4 * ga, preferably greater than 72.2-1.4 * ga, and more preferably greater at 72.7-1.4 * ga. The fracture toughness (K1c) along the orientation of the long transverse laminate (TL) is greater than 28-1.0 * ga, preferably greater than 29-1.0 * ga, and more preferably greater than 29 , 5-1.0 * ga. The fracture toughness (K1c) along the laminate orientation -long transverse (LT) is greater than 28.8-0.6 * ga, preferably greater than 30.8-0.6 * ga, and with higher preference greater than 31.8-0.6 * ga. The units of gauge (ga), strength, and fracture toughness are inches, ksi, and ksi * in1 / 2 respectively.
Los siguientes ejemplos ilustran varios aspectos de la invención y no pretenden limitar el alcance de la invención. The following examples illustrate various aspects of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.
Ejemplos: Lingotes de escala industrial - Placas de 1 a 6 pulgadas de grosorExamples: Industrial Scale Ingots - 1 to 6 Inch Thick Plates
Se moldearon veintisiete (27) lingotes de 16" (406 mm) de grosor de aleaciones de Al-Li a escala industrial mediante el proceso de fundición DC (enfriamiento directo) y se produjeron en placas de 1" a 6” de grosor. Es bien sabido que las propiedades de los productos finales en placa se ven fuertemente afectadas por el procesamiento. Las propiedades de las placas del proceso a escala industrial pueden ser dramáticamente diferentes de las del procesamiento a escala de laboratorio debido a la diferente segregación química, estructura como en la fundición, textura cristalográfica relacionada con la laminación en caliente y velocidad de enfriamiento del tratamiento térmico de la solución.Twenty-seven (27) 16 "(406 mm) thick ingots of Al-Li alloys were cast on an industrial scale using the DC casting process (direct cooling) and produced in 1" to 6 "thick plates. It is well known that the properties of final plate products are strongly affected by processing. The properties of industrial-scale process plates can be dramatically different from laboratory-scale processing due to different chemical segregation, cast-like structure, crystallographic texture related to hot rolling, and cooling rate of heat treatment. of the solution.
La Tabla 1 da las composiciones químicas y el grosor final de la placa. Hay tres grupos: (1) "Invención", (2) "No invención (sustancialmente libre de Ag)" y (3) "No invención (Ag)". El tercer grupo no es, obviamente, la aleación de la invención debido al alto coste del elemento Ag y/o junto con otras condiciones que no cumplen los límites de composición química de la aleación de la invención. En el segundo grupo, las muestras no son aleaciones de la invención debido a la combinación de la relación Cu/Li, los límites de Cu, Li y Zn. Por ejemplo, las relaciones Cu/Li para las muestras 12, 1314 y 16 son inferiores a 4,0. Los contenidos de Cu en las muestras 13 y 15 son inferiores a 3,6 % en peso. El contenido de Li en la Muestra 13 es superior a 1,05 % en peso. El contenido de Zn en la Muestra 16 es superior a 0,2 % en peso. Table 1 gives the chemical compositions and the final thickness of the plate. There are three groups: (1) "Invention", (2) "No invention (substantially Ag free)" and (3) "No invention (Ag)". The third group is obviously not the alloy of the invention due to the high cost of the element Ag and / or together with other conditions that do not meet the limits of chemical composition of the alloy of the invention. In the second group, the samples are not alloys of the invention due to the combination of the Cu / Li ratio, the limits of Cu, Li and Zn. For example, the Cu / Li ratios for samples 12, 1314, and 16 are less than 4.0. The Cu contents in samples 13 and 15 are less than 3.6% by weight. The Li content in Sample 13 is greater than 1.05% by weight. The Zn content in Sample 16 is greater than 0.2% by weight.
Tabla 1: Composiciones químicas de muestrasTable 1: Chemical compositions of samples
Los lingotes se homogeneizaron a temperaturas de 496 a 538 °C (925 a 1000 °F). Las temperaturas de laminado en caliente fueron de 371 a 466 °C (700 a 870 °F). Los lingotes se laminaron en caliente en múltiples pasadas con un grosor de 1" a 6”. Las placas laminadas se trataron térmicamente en solución en un intervalo de temperatura de 493 a 532 °C (920 a 990 °f ). Las láminas se templaron con agua fría hasta la temperatura ambiente. Todas las placas de ejemplo se estiraron entre un 2 y un 7 % en términos de deformación plástica. Las placas estiradas se envejecieron aún más hasta el temple T8 para evaluar la resistencia, la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión. La temperatura de envejecimiento fue de 160 °C (320 °F) a 171 °C (340 °F) durante 8 a 70 horas.The ingots were homogenized at temperatures of 496 to 538 ° C (925 to 1000 ° F). Hot rolling temperatures were 371 to 466 ° C (700 to 870 ° F). The ingots were hot rolled in multiple passes to a thickness of 1 "to 6". The rolled plates were heat treated in solution in a temperature range of 493 to 532 ° C (920 to 990 ° F). The sheets were tempered with cold water to room temperature. All example plates were stretched between 2 and 7% in terms of plastic deformation. The stretched plates were further aged to T8 temper to evaluate strength, fracture, resistance to fatigue and corrosion resistance The aging temperature was 160 ° C (320 ° F) to 171 ° C (340 ° F) for 8 to 70 hours.
La resistencia y tenacidad a la fractura en función del proceso de envejecimiento es una característica crítica para el desempeño de la aleación. Las placas de aleación seleccionadas sustancialmente libres de Ag 3” de la invención y no de la invención se evaluaron a una temperatura de envejecimiento de 166 °C (330 °F) a diferentes tiempos de envejecimiento. La Tabla 2 muestra los resultados de las pruebas de resistencia a la tracción y a la fractura. La tracción en la dirección LT a un cuarto de grosor (T/4) se llevó a cabo de acuerdo con la especificación ASTM B557. La tenacidad a la fractura por deformación plana (K1c) en orientaciones TL a grosor medio (T/2) se midió de acuerdo con ASTM E399 mediante el uso de muestras de Ct .The resistance and toughness to fracture as a function of the aging process is a critical characteristic for the performance of the alloy. The selected alloy plates substantially free of 3 "Ag of the invention and not of the invention were evaluated at an aging temperature of 166 ° C (330 ° F) at different aging times. Table 2 shows the results of the tensile and fracture strength tests. Tensile in the LT direction at quarter thickness (T / 4) was carried out in accordance with the ASTM B557 specification. Planar strain fracture toughness (K1c) in medium thickness TL orientations (T / 2) was measured in accordance with ASTM E399 using Ct samples.
Para las mismas aleaciones sustancialmente libres de Ag, como se demuestra en la FIG. 1, las aleaciones de la invención tienen una respuesta de resistencia mucho más rápida/mejor a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento que las aleaciones que no son de la invención. Tal diferencia significativa se debe principalmente a la diferencia distintiva de composición química entre las aleaciones de la invención y las aleaciones que no son de la invención. For the same substantially Ag-free alloys, as demonstrated in FIG. 1, the inventive alloys have a much faster / better strength response as aging time increases than non-inventive alloys. Such a significant difference is mainly due to the distinctive difference in chemical composition between the inventive alloys and the non-inventive alloys.
Tabla 2: Resistencia y tenacidad a la fractura como función del tiempo de envejecimiento a 330 °FTable 2: Fracture strength and toughness as a function of aging time at 330 ° F
En base a los resultados de envejecimiento en laboratorio, se seleccionó la práctica de envejecimiento deseada con resistencia equilibrada y tenacidad a la fractura para el tratamiento de envejecimiento de producción. Las placas envejecidas de producción se evaluaron exhaustivamente en cuanto a resistencia a la tracción, rotura, corrosión y fatiga.Based on the laboratory aging results, the desired aging practice with balanced strength and fracture toughness was selected for the production aging treatment. Aged production plates were extensively evaluated for tensile strength, breakage, corrosion, and fatigue.
Las Tablas 3 y 4 dan las propiedades de tracción a lo largo de las direcciones L, LT y L45 (45° fuera de la dirección de laminación) en un cuarto de grosor (T/4) y un grosor medio (T/2) para todas las placas envejecidas de producción. La Tabla 5 da la tenacidad a la fractura en las orientaciones de LT, t L y SL en un cuarto de grosor (T/4) y un grosor medio (T/2) para todas las placas envejecidas de producción. Tables 3 and 4 give the tensile properties along the L, LT and L45 directions (45 ° outside the rolling direction) at a quarter thickness (T / 4) and a mean thickness (T / 2). for all aged production plates. Table 5 gives the fracture toughness in LT, t L and SL orientations at a quarter thickness (T / 4) and a mean thickness (T / 2) for all production aged plates.
Tabla 3: Propiedades de tracción a lo largo de las direcciones L, LT y L45 a un cuarto de grosor (T/4) para placas envejecidas de producciónTable 3: Tensile Properties Along the L, LT, and L45 Directions at Quarter Thickness (T / 4) for Aged Production Boards
Tabla 4: Propiedades de tracción a lo largo de las direcciones L, LT y L45 en grosores medios (T/2) para placas envejecidas de producción Table 4: Tensile properties along the L, LT and L45 directions at medium thicknesses (T / 2) for production aged plates
Tabla 5: Tenacidad a la fractura en las orientaciones LT, TL y SL en un cuarto de grosor (T/4) y un grosor medio (T/2) para todas las placas envejecidas de producción finalTable 5: Fracture toughness in LT, TL and SL orientations at a quarter thickness (T / 4) and a mean thickness (T / 2) for all aged final production plates
Las tablas 3 a 5 muestran que la aleación de la invención de bajo coste con una composición química única tiene propiedades de material sorprendentemente mejores en términos de combinación de resistencia y tenacidad a la fractura. Como ejemplo, la Figura 2 da la comparación de la resistencia LT TYS y la tenacidad a la fractura de K1c TL entre aleaciones de la invención sustancialmente libres de Ag y aleaciones que no son de la invención (No Ag) de placas de 3 pulgadas. Las aleaciones de la invención tienen una mejor combinación de resistencia y tenacidad a la fractura. El LT TYS mínimo puede ser 67 ksi y el mínimo K1c TL puede ser 25 ksi*pulg1/2 para placa de 3”. Preferentemente, el mínimo LT TYS puede ser 68 ksi y el mínimo K1c TL puede ser 26 ksi*pulg1/2 para placa de 3”. Con mayor preferencia, el mínimo LT TYS puede ser 68,5 ksi y el mínimo K1c TL puede ser 26,5 ksi*pulg1/2 para placa de 3”.Tables 3 to 5 show that the inventive low cost alloy with a unique chemical composition has surprisingly better material properties in terms of combination of strength and fracture toughness. As an example, Figure 2 gives the comparison of LT TYS strength and K1c TL fracture toughness between substantially Ag-free inventive alloys and 3-inch plate non-inventive (Non Ag) alloys. The alloys of the invention have a better combination of strength and fracture toughness. The minimum LT TYS can be 67 ksi and the minimum K1c TL can be 25 ksi * in1 / 2 for 3 ”plate. Preferably, the minimum LT TYS can be 68 ksi and the minimum K1c TL can be 26 ksi * in1 / 2 for 3 "plate. With More preferably, the minimum LT TYS can be 68.5 ksi and the minimum K1c TL can be 26.5 ksi * in 1/2 for 3 ”plate.
El carácter distintivo similar se puede demostrar en la Figura 3 para propiedades de 3” L TYS y K1c LT. El L TYS mínimo puede ser 70,8 ksi y el K1c LT mínimo puede ser 27 ksi*pulg1/2 para placa de 3”. Preferentemente, el L TYS mínimo puede ser 72,0 ksi y el K1c LT mínimo puede ser 29 ksi*pulg1/2 para placa de 3”. Con mayor preferencia, el L TYS mínimo puede ser 72,8 ksi y el K1c LT mínimo puede ser 30 ksi*pulg1/2 para placa de 3”.Similar distinctiveness can be demonstrated in Figure 3 for 3 ”L TYS and K1c LT properties. The minimum L TYS can be 70.8 ksi and the minimum K1c LT can be 27 ksi * in1 / 2 for 3 ”plate. Preferably, the minimum L TYS can be 72.0 ksi and the minimum K1c LT can be 29 ksi * in1 / 2 for 3 "plate. More preferably, the minimum L TYS may be 72.8 ksi and the minimum K1c LT may be 30 ksi * in 1/2 for 3 "plate.
Las Figuras 4 y 5 dan la comparación de LT TYS frente a K1c TL y L TYS frente a K1c LT entre bajo coste sustancialmente Aleaciones de invención libres de Ag y aleaciones de alto coste que no contienen Ag de placas de 3 pulgadas. Sorprendentemente, muestra que no hay una diferencia significativa entre las aleaciones que no contienen Ag y las aleaciones que no contienen Ag sustancialmente sin Ag en términos de combinación de resistencia y tenacidad a la fractura.Figures 4 and 5 give the comparison of LT TYS versus K1c TL and L TYS versus K1c LT between substantially low cost Ag-free inventive alloys and high cost non-Ag containing 3 inch plate alloys. Surprisingly, it shows that there is no significant difference between alloys containing no Ag and alloys containing no Ag with substantially no Ag in terms of combination of strength and fracture toughness.
Las Figuras 6 a 9 da la resistencia y tenacidad a la fractura en función del grosor de la placa para placas de aleación de la invención. El límite elástico por tracción (TYS) a lo largo de la dirección transversal larga (LT) es superior a 71,2-1,4*ga, preferentemente superior a 72,2-1,4*ga, y con mayor preferencia superior a 72,7-1,4*ga. El límite elástico por tracción (TYS) a lo largo de la dirección de laminación (L) como función del calibre de la placa (ga) es superior a 75,0-1,4*ga, preferentemente superior a 76,2-1,4*ga, y con mayor preferencia superior a 77,0-1,4*ga. La tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación del laminado transversal largo (TL) es superior a 28-1,0*ga, preferentemente superior a 29-1,0*ga, y con mayor preferencia superior a 29,5-1,0*ga. La tenacidad a la fractura (K1c) a lo largo de la orientación de laminado - transversal largo (LT) es superior a 28,8-0,6*ga, preferentemente superior a 30,8-0,6*ga, y con mayor preferencia superior a 31,8-0,6*ga. Las unidades de calibre (ga), resistencia y tenacidad a la fractura son pulgadas, ksi y ksi*pulg1/2 respectivamente.Figures 6 to 9 give resistance and toughness to fracture as a function of plate thickness for alloy plates of the invention. The tensile yield strength (TYS) along the long transverse direction (LT) is greater than 71.2-1.4 * ga, preferably greater than 72.2-1.4 * ga, and more preferably greater at 72.7-1.4 * ga. The tensile elastic limit (TYS) along the rolling direction (L) as a function of the plate gauge (ga) is greater than 75.0-1.4 * ga, preferably greater than 76.2-1 , 4 * ga, and more preferably greater than 77.0-1.4 * ga. The fracture toughness (K1c) along the orientation of the long transverse laminate (TL) is greater than 28-1.0 * ga, preferably greater than 29-1.0 * ga, and more preferably greater than 29 , 5-1.0 * ga. The fracture toughness (K1c) along the roll orientation - long transverse (LT) is greater than 28.8-0.6 * ga, preferably greater than 30.8-0.6 * ga, and with higher preference greater than 31.8-0.6 * ga. The units of gauge (ga), strength, and fracture toughness are inches, ksi, and ksi * in1 / 2 respectively.
La resistencia a la corrosión es una consideración de diseño clave para los fabricantes de fuselajes. La prueba MASTMASSIS se considera generalmente un buen método representativo de prueba de corrosión acelerada para aleaciones basadas en Al-Li.Corrosion resistance is a key design consideration for airframe manufacturers. The MASTMASSIS test is generally considered a good representative accelerated corrosion test method for Al-Li based alloys.
La prueba MASTMASSIS se basó en ASTM G85-11 Anexo-2 en condiciones de fondo seco. El tamaño de la muestra fue 4,5” L x 4,5" LT en la mitad del grosor de la hoja. La temperatura de la cámara de exposición durante la duración de la prueba fue de 49 ± 2 °C. La prueba a través de la ubicación del grosor es T/2 (centro del grosor). El plano de prueba es el plano L-LT. Los tiempos de duración de la prueba fueron 24, 48, 96, 168, 336, 504 y 672 horas.The MASTMASSIS test was based on ASTM G85-11 Annex-2 under dry bottom conditions. The sample size was 4.5 ”L x 4.5” TL at the middle of the sheet thickness. The temperature of the exposure chamber during the duration of the test was 49 ± 2 ° C. The test at through thickness location is T / 2 (center of thickness) Test plane is L-LT plane Test duration times were 24, 48, 96, 168, 336, 504, and 672 hours.
La Figura 10 da las apariencias típicas de la superficie después de 672 horas de exposición a las pruebas MASTMASSIS. La foto de la izquierda es de la muestra de aleación de la invención #6 con un grosor de placa de 3 pulgadas y la foto de la derecha es de la muestra de aleación de la invención #11 con un grosor de placa de 6 pulgadas. Las superficies probadas están muy limpias y brillantes. No se evidencia exfoliación en todos los tiempos de exposición. La excelente resistencia a la corrosión de picaduras/EA se puede concluir para todos los tiempos de exposición para todas las placas de aleación de la invención.Figure 10 gives typical surface appearances after 672 hours of exposure to MASTMASSIS tests. The photo on the left is of the invention alloy sample # 6 with a plate thickness of 3 inches and the photo on the right is of the alloy sample of the invention # 11 with a plate thickness of 6 inches. The tested surfaces are very clean and shiny. Exfoliation is not evident at all times of exposure. Excellent resistance to pitting / EA corrosion can be concluded for all exposure times for all alloy plates of the invention.
La resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) también es fundamental para la aplicación aeroespacial. La prueba estándar de resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión se realizó de acuerdo con los requisitos de ASTM G47, que es inmersión alterna en una solución de NaCl al 3,5 % bajo deflexión constante. Se analizaron tres especímenes por muestra. Los niveles de estrés son 45 ksi y 50 ksi.Resistance to stress corrosion cracking (SCC) is also critical for aerospace application. The standard test for resistance to stress corrosion cracking was performed in accordance with the requirements of ASTM G47, which is alternate immersion in a 3.5% NaCl solution under constant deflection. Three specimens per sample were analyzed. The stress levels are 45 ksi and 50 ksi.
La Tabla 6 da los resultados de las pruebas de SCC para las Muestras 6, 7, 8, 10 con el tratamiento de envejecimiento de producción final. Todas las muestras sobrevivieron 30 días de prueba sin fallas por debajo de los niveles de tensión de 45 ksi o 50 ksi en la dirección ST.Table 6 gives the SCC test results for Samples 6, 7, 8, 10 with the final production aging treatment. All samples survived 30 days of testing without failure below the 45 ksi or 50 ksi stress levels in the ST direction.
Tabla 6: Resultados de las pruebas de SCC para las Muestras 6, 7, 8, 10 con el tratamiento de envejecimiento de producción finalTable 6: SCC test results for Samples 6, 7, 8, 10 with final production aging treatment
La propiedad de fatiga se probó de acuerdo con los requisitos de ASTM E466. Se probaron cuatro muestras LT lisas de cada placa en el centro del grosor de la placa a lo largo de la dirección transversal larga (LT). La muestra se analizó a 240 MPa (35 ksi). La Tabla 7 muestra los resultados de las pruebas de fatiga de las placas de aleación de la invención. La mayoría de las probetas de ensayo de fatiga no presentaron fallas después de 300000 ciclos y todas las placas cumplieron con el criterio común aceptado industrialmente, es decir, 120000 ciclos de promedio logarítmico de cuatro probetas.Fatigue property was tested in accordance with the requirements of ASTM E466. Four smooth LT samples from each plate were tested in the center of the plate thickness along the long transverse direction (LT). The sample was analyzed at 240 MPa (35 ksi). Table 7 shows the results of the fatigue tests of the alloy plates of the invention. Most of the fatigue test specimens did not fail after 300,000 cycles and all Plates met the common industrially accepted criterion, ie, 120,000 logarithmic average cycles of four specimens.
Tabla 7: Resultados de la prueba de fatiga suave de las placas de aleación de la invenciónTable 7: Results of the mild fatigue test of the alloy plates of the invention
El rendimiento del material está fuertemente relacionado con la estructura del grano del material, que se ve muy afectada por la composición química de la aleación junto con el procedimiento de procesamiento mecánico térmico. Específicamente para los productos de placas de Al-Li, es deseable una estructura de grano no cristalizado para una mejor resistencia, tenacidad a la fractura y resistencia a la corrosión. Las Figuras 11 a 15 dan las estructuras de grano de placas de aleación de la invención de diferentes grosores. Todas las placas de aleación de la invención tienen estructuras de grano sin recristalizar tanto en un cuarto de grosor (T/4) como en un grosor medio (T/2).The performance of the material is strongly related to the grain structure of the material, which is greatly affected by the chemical composition of the alloy in conjunction with the thermal mechanical processing procedure. Specifically for Al-Li plate products, a non-crystallized grain structure is desirable for better strength, fracture toughness, and corrosion resistance. Figures 11 to 15 give the inventive alloy plate grain structures of different thicknesses. All alloy plates of the invention have unrecrystallized grain structures in both a quarter thickness (T / 4) and a medium thickness (T / 2).
Si bien se han descrito modalidades de la invención específicas, los expertos en la técnica apreciarán que podrían desarrollarse diversas modificaciones y alteraciones a esos detalles a la luz de las enseñanzas generales de la descripción. En consecuencia, las disposiciones particulares descritas pretenden ser únicamente ilustrativas y no limitantes en cuanto al alcance de la invención, a la que se le debe dar toda la amplitud de las reivindicaciones adjuntas. While specific embodiments of the invention have been described, those skilled in the art will appreciate that various modifications and alterations to those details could be developed in light of the general teachings of the description. Consequently, the particular provisions described are intended to be illustrative only and not limiting as to the scope of the invention, to which the full breadth of the appended claims should be given.
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