JP4014229B2 - アルミニウム合金製品 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム合金製品に関し、更に詳しくは、航空宇宙用途のために開発されるアルミニウム合金製品に関する。
ほとんどすべての事業用航空機は、アルクラッド２０２４−Ｔ３製の胴体外板を備えている。母材、２０２４−Ｔ３薄板は、航空宇宙用途に対する必要な強度および耐損傷性を有するが、点食および／または粒界腐食侵食をうけやすい欠点がある。こうした問題を補うため、母材は、クラッド層、塗料またはは塗装系もしくは両方の組合せによって環境から効果的に分離される。
アルクラッド法は、２０４３−Ｔ３薄板の両側に２０４３−Ｔ３に対して陽極のアルミニウム合金の薄層を貼合わせることを有する。これらの層は、遮断層として作用すると共に、クラッドが損傷された場合、２０４３−Ｔ３に対するスクリーン防食も与える。軽量化するために、これらの層を機械加工または化学的切削加工によって意図的に除去する場合、２０２４−Ｔ３薄板は、塗装および／または陽極酸化によって保護することができる。
上述の保護系は一般に効果的である一方で、それらには、幾つかの顕著な欠点がある。アルクラッド層は、強度に対してほとんど寄与せず、薄板に重量を追加し、疲労亀裂を開始するように作用しうる。その他の塗装系も重量を追加し、損傷されれば、２０３４−Ｔ３母材の保護を果たさない。陽極酸化された表面は脆く、しかも亀裂を開始するように作用しうる。２０２４−Ｔ３薄板のもう一つの欠点は、比較的大きい比重（０．１０１ｌｂ／ｉｎ3）（２．８ｇ／ｃｍ3）である。
本発明の主たる関心は、胴体外板、下部翼形、ストリンガ即ち縦通材および／または耐圧壁を含む航空機用途のために有用な耐損傷性アルミニウム合金製品を提供することである。本発明の合金は、比較的小さい比重、良好な耐食性および強度と靱性の良好な取合せを有するために、クラッド、塗装および／またはその他の母材保護系を不要にする。
本発明のもう一つの主たる関心は、２０２４−Ｔ３アルミニウム中のようなマトリックスとは電気化学的に異なる折出粒子とは対照的に、一般に均一なマトリックス組成物の歪硬化によって主として生成される十分な強度を有する、胴体外板などの耐損傷性用途のためのアルミニウム合金製品を提供することである。
本発明のなお更なる関心は、事業用航空機の軽量化のために２０２４−Ｔ３アルミニウムよりも小さい比重の合金を提供することである。より小さい比重の合金によって、燃料効率の向上および／または収益荷重能力の向上がもたらされる。なおもう一つの目的は、事業用航空機の長い耐用年数（一般に２０〜４０年）にわたって優れた性能を維持するアルミニウム合金系を提供することである。本発明の関心はまた、疲労亀裂の開始に対する耐性を改善されたこうした材料を提供することである。
本発明の１つの実施形態は、約３〜７重量％のマグネシウム、約０．０３〜０．２０重量％のジルコニウム、約０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素ならびにスカンジウム、エルビウム、イットリウム、ガドリニウム、ホルミウムおよびハフニウムからなる群から選択される約０．０５〜０．５重量％の分散質形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物を含む合金組成物を含むアルミニウム合金製品に関係する。分散相形成元素はスカンジウムであることが好ましい。この合金組成物はまた、好ましくは、亜鉛もリチウムも含まない。
以下に記載する合金組成物の説明において、特に明記しないかぎり、重量百分率（ｗｔ％）ですべてを記載する。値のいかなる数値範囲に言及する時も、こうした範囲は、記載された最大範囲と最小範囲との間の各数値およびあらゆる数値および／または分数を包含するものと解釈される。例えば、約０．０５〜０．５重量％のスカンジウムの範囲は、約０．０６、０．０７、０．０８および０．１重量％からずっと上のすべての中間値を包含すると共に、約０．４８、０．４９および０．４９９５重量％のスカンジウムを包含する。同じことは、以下に記載されたその他の元素の範囲に当てはまる。
「実質的に含まない」という用語は、合金組成物に意図的に添加される成分について有意な量がないことを意味し、微量の不可避元素および／または不純物が必要な最終製品に入り込みうることを意味する。
本発明の合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｃ系に基づくと共に、クラッドあるいはその他の保護系も不要にするほど十分に耐食性のものである。これらの合金における強度は、組成がほぼ均一である金属マトリックスの歪硬化によって主として生じる。胴体外板用途のための十分な強度および耐損傷性特性の取合せは、組成の適切な選択、変形加工およびその後の安定化処理によって得ることができる。
本発明のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｃ合金材料が粒界（すなわち結晶粒界）腐食に対する優れた耐性と共に、適切な引張強度特性および靱性指標を示すことが見出された。これらの材料はまた、良好な耐剥離侵食性およびＡＳＴＭ Ｇ−４７に準拠し試験して、ＮａＣｌ溶液中での交互浸漬中における優れた耐応力腐食割れ（「ＳＣＣ」）性を示す。
本発明の主な合金の実施形態は、約３〜７重量％のマグネシウム、約０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、約０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素ならびにスカンジウムとエルビウムとイットリウムとガドリニウムとホルミウムとハフニウムとからなる群から選択される約０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物からなる。更に好ましくは、アルミニウム合金組成物は、約３．５〜６重量％のマグネシウム、約０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、約０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および約０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する。最も好ましくは、アルミニウム合金組成物は、約３．８〜５．２重量％のマグネシウム、約０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、約０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および約０．２〜０．３重量％のスカンジウムから主としてなる。このアルミニウム合金の好ましい実施形態はまた、亜鉛もリチウムも実質的に含まない。
特定の理論に全く限定されないかぎりは、本発明は、希土類に富んだ析出物を形成させることにより、スカンジウムなどの特定の希土類元素または希土類元素「作用類似物」の添加を通して、意義のある高い強度およびより大きい耐食性を胴体外板薄板素材にうまく付与すると考えられる。これらの析出物は、塑性変形から生じる強度の損失に対抗する能力を有する。これらの析出粒の比較的微小なサイズ即ち粒径および微細な分布のために、得られた合金の回復および再結晶化も抑制される。
本発明の合金は、スカンジウムまたはスカンジムに似た添加物のない同じ合金よりも耐熱性である。「耐熱性」とは、この合金の作用によって付与された強度および組織の大部分が、後続の圧延作業の間などで１種以上のより高い温度、典型的には約４５０°Ｆ（２３２℃）より高いにさらされた後でさえ、胴体外板薄板最終製品中に保持されることを意味する。
本発明の主たる合金成分について言うと、実質的なアルミニウムの残部は、本発明の付随特性に影響しうる不可避であるが、しかし意図的に添加された多少の元素、または意図せずに入り込む不純物を含んでもよく、そのいずれもが本合金の本質的な特性を変えないことは言うまでもない。本発明の主たる合金元素に関して、マグネシウムは歪硬化および強度に寄与すると考えられる。ジルコニウムの添加は、スカンジウム析出物の耐急速成長性を改善すると考えられる。スカンジウムとジルコニウムは、なおもう一つの目的を果たす。本明細書に記載された種類のアルミニウム−マグネシウム合金に添加される時、スカンジウムは、微細な金属間粒の分散（「分散相」と呼ばれる）、典型的には、Ａｌ3Ｘ化学量論比の分散を形成するように析出すると考えられ、この場合、ＸはＳｃ、Ｚｒのいずれか、またはＳｃおよびＺｒの両方である。Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）分散相は、析出−硬化化合物として多少の強度の利点をもたらすが、より重要なことは、こうした分散相は、「ツェナードラッグ効果」と時には呼ばれる現象によって、回復および再結晶化のプロセスを効果的に遅らせるか、または妨げることである［一般に、スミス（Ｃ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈ），ＴＭＳ−ＡＩＭＦ，１７５，１５（１９４８）参照］。これは次のように起きると考えられる。スカンジウム分散相はサイズが極めて微小であるが、数も多い。それらは、一般に、結晶粒界の移行および転位のための、金属が軟化するために迂回しなければならない「ピン止め」点として作用する。再結晶化および回復は、こうした歪硬化性の合金が軟化する主たる冶金学的プロセスである。Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）粒の大きな集団を有する合金を軟化させるためには、こうした粒をもたない合金のために必要な温度より高い温度に材料を加熱することが必要である。換言すると、同一条件下で歪硬化され、焼鈍される時、Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）分散相を含有する薄板製品は、スカンジウムを添加しなかった同等の合金よりも高い強度レベルを有する。
胴体外板薄板素材およびその他の航空宇宙用途において、本発明は、圧延薄板製品に対して通常必要とされる高温熱暴露中に軟化に耐える能力を示す。高温熱暴露の際に、本発明の合金は圧延を通して獲得される強度の一部を保持する。スカンジウムを含まない他の合金は、圧延を通してより小さい強度しか保持しない傾向があるため、より小さい強度の最終製品を生成させる。ジルコニウムの追加の利点は、これらのＡｌ3Ｘ粒子の成長を制限して、こうした分散相が微小で、密に詰まり、ツェナードラッグ効果を生じることが可能なままであることを確実にするその能力である。
アルミニウム合金の中の珪素を限定することが好ましいが、耐火物からの珪素が含まれることは避けがたい。商業的現実において、８０％を超える合金は屑地金から得られている結果、珪素の存在を増している。本発明の合金は、０．１５重量％までの珪素を含有してもよく、０．０８重量％までは好ましく、０．０５重量％以下は最も好ましい。
同様に、銅は意図的な元素添加物ではないが、本発明に対して緩やかに可溶な元素である。そういうものとして、本明細書中で記載された合金製品は、約０．２５重量％までの銅または好ましくは、約０．１５重量％以下の銅を含有してもよい。
本発明のアルミニウム合金製品は、耐損傷性が必要とされる用途のために特に適する。詳しくは、こうした耐損傷性アルミニウム製品は、航空宇宙用途、特に胴体外板および多くの航空機の下部翼形、ストリンガまたは耐圧壁のために用いられる。
本発明の目的および利点を更に説明するために、以下の実施例を提供する。しかし、以下の実施例は、本発明の範囲をいかなるやり方でも限定することを意図するものではない。
実施例
この実施例は、本発明のアルミニウム基合金に対する以下の主たる添加物に関連し、各合金の残りは、アルミニウム、不可避元素および不純物である。
２−１／２×１２インチ（１．２７ｃｍ×３０．５ｃｍ）インゴットとして、上述の合金のすべてを直接チル鋳造（すなわち「ＤＣ」）し、圧延表面をインゴットから削った。合金Ａは均質化処理しなかった。合金Ｂは５５０°Ｆ（２８８℃）において５時間にわたり均質化処理し、引き続いて８００°Ｆ（４２７℃）において５時間にわたり均質化処理した。合金Ｃは５００°Ｆ（２６０℃）において５時間にわたり均質化処理し、その後、７５０°Ｆ（４００℃）において更に６時間にわたり均質化処理した。削ったインゴットを３０分にわたり５５０°Ｆ（２８８℃）に加熱し、１インチ（２．５ｃｍ）の公称厚さまで約５０％十字圧延した。次に、合金ＡおよびＢを５５０°Ｆ（２８８℃）に再加熱し、０．１インチ（０．２５ｃｍ）の最終公称厚さに圧延した。その後、各合金に対する機械的特性を５５０°Ｆ（２８８℃）における５時間の安定化処理後に評価した。合金Ｃのインゴットを７００°Ｆ（３７１℃）に加熱し、約１インチ（２．５ｃｍ）厚さに十字圧延した。次に、この板片を５３０°Ｆ（２７７℃）に再加熱し、０．５インチ（１．２７ｃｍ）厚さに圧延した。その後、導電率が国際焼鈍銅標準（すなわち「ＩＡＣＳ」）の２８％に増加するまで、合金Ｃから得られた板材を５００°Ｆ（２６０℃）において１５時間にわたりエージング即ち時効した。合金Ｃ板材をその後再び５００°Ｆ（２６０℃）に加熱し、５００°Ｆ（２６０℃）において２時間の最終熱処理に供する前に、０．１インチ（０．２５ｃｍ）の最終厚さに温間圧延した。
表Ｉは、合金Ａ、ＢおよびＣの前述のサンプルのために利用できる物理的機械的特性および腐食データを報告し、続いて、２０２４−Ｔ３アルミニウム、６０１３−Ｔ６アルミニウムおよび米国特許第５，２１３，６３９号によって製造されたアルコア社（Ａｌｃｏａ）のＣ−１８８製品として商業的に知られている可能性のあるもう一つの胴体外板材料に対する典型的な値と比較した。この特許の完全な開示は本明細書中に引例として明示的に記載する。
本発明の材料は、適切な引張強度特性を示す。合金ＡおよびＢの靱性指標、中央ノッチ靱性および疲労亀裂成長（すなわち「ＦＣＧ」）データも、これらの材料が良好な固有の靱性も示すことを強く示唆している。本発明の耐粒界腐食侵食性も注目に値する。Ａｌ−Ｍｇ基合金においてこうした侵食を測定する標準試験は、２１２°Ｆ（１００℃）における「過敏化」処理後のアセット試験（すなわちＡＳＴＭ Ｇ−６６）である。主題の材料は、こうした試験において良好な耐剥離侵食性を示した。合金Ｂだけが剥離の証拠を示し、それでさえほんのＥＡレベルにすぎなかった。比べると、その他の材料は、多少の点食侵食（Ｐ）を示し、最小の膨れを伴った。本発明の材料は、ＮａＣｌ溶液を用いる交互浸漬試験中に優れたＳＣＣ耐性も示した。
航空宇宙用途のための改善されたアルミニウム合金を開示してきたことが認められるであろう。このアルミニウム合金は、従来の胴体外板材料に比べて、低比重、良好な耐食性および強度と靱性の良好な取合せを有する。本発明の特定の実施形態を開示してきたが、当業者は、この開示の総合的な教示を考慮にいれて、これらの細部に対する種々の変形例および修正例を開発することができることを認めるであろう。従って、特定の配列の開示は、説明のみを意図するものであり、添付した請求の範囲およびその一切の均等物の完全な広さを与えるべき本発明の範囲に関して限定するものではない。
ほとんどすべての事業用航空機は、アルクラッド２０２４−Ｔ３製の胴体外板を備えている。母材、２０２４−Ｔ３薄板は、航空宇宙用途に対する必要な強度および耐損傷性を有するが、点食および／または粒界腐食侵食をうけやすい欠点がある。こうした問題を補うため、母材は、クラッド層、塗料またはは塗装系もしくは両方の組合せによって環境から効果的に分離される。
アルクラッド法は、２０４３−Ｔ３薄板の両側に２０４３−Ｔ３に対して陽極のアルミニウム合金の薄層を貼合わせることを有する。これらの層は、遮断層として作用すると共に、クラッドが損傷された場合、２０４３−Ｔ３に対するスクリーン防食も与える。軽量化するために、これらの層を機械加工または化学的切削加工によって意図的に除去する場合、２０２４−Ｔ３薄板は、塗装および／または陽極酸化によって保護することができる。
上述の保護系は一般に効果的である一方で、それらには、幾つかの顕著な欠点がある。アルクラッド層は、強度に対してほとんど寄与せず、薄板に重量を追加し、疲労亀裂を開始するように作用しうる。その他の塗装系も重量を追加し、損傷されれば、２０３４−Ｔ３母材の保護を果たさない。陽極酸化された表面は脆く、しかも亀裂を開始するように作用しうる。２０２４−Ｔ３薄板のもう一つの欠点は、比較的大きい比重（０．１０１ｌｂ／ｉｎ3）（２．８ｇ／ｃｍ3）である。
本発明の主たる関心は、胴体外板、下部翼形、ストリンガ即ち縦通材および／または耐圧壁を含む航空機用途のために有用な耐損傷性アルミニウム合金製品を提供することである。本発明の合金は、比較的小さい比重、良好な耐食性および強度と靱性の良好な取合せを有するために、クラッド、塗装および／またはその他の母材保護系を不要にする。
本発明のもう一つの主たる関心は、２０２４−Ｔ３アルミニウム中のようなマトリックスとは電気化学的に異なる折出粒子とは対照的に、一般に均一なマトリックス組成物の歪硬化によって主として生成される十分な強度を有する、胴体外板などの耐損傷性用途のためのアルミニウム合金製品を提供することである。
本発明のなお更なる関心は、事業用航空機の軽量化のために２０２４−Ｔ３アルミニウムよりも小さい比重の合金を提供することである。より小さい比重の合金によって、燃料効率の向上および／または収益荷重能力の向上がもたらされる。なおもう一つの目的は、事業用航空機の長い耐用年数（一般に２０〜４０年）にわたって優れた性能を維持するアルミニウム合金系を提供することである。本発明の関心はまた、疲労亀裂の開始に対する耐性を改善されたこうした材料を提供することである。
本発明の１つの実施形態は、約３〜７重量％のマグネシウム、約０．０３〜０．２０重量％のジルコニウム、約０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素ならびにスカンジウム、エルビウム、イットリウム、ガドリニウム、ホルミウムおよびハフニウムからなる群から選択される約０．０５〜０．５重量％の分散質形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物を含む合金組成物を含むアルミニウム合金製品に関係する。分散相形成元素はスカンジウムであることが好ましい。この合金組成物はまた、好ましくは、亜鉛もリチウムも含まない。
以下に記載する合金組成物の説明において、特に明記しないかぎり、重量百分率（ｗｔ％）ですべてを記載する。値のいかなる数値範囲に言及する時も、こうした範囲は、記載された最大範囲と最小範囲との間の各数値およびあらゆる数値および／または分数を包含するものと解釈される。例えば、約０．０５〜０．５重量％のスカンジウムの範囲は、約０．０６、０．０７、０．０８および０．１重量％からずっと上のすべての中間値を包含すると共に、約０．４８、０．４９および０．４９９５重量％のスカンジウムを包含する。同じことは、以下に記載されたその他の元素の範囲に当てはまる。
「実質的に含まない」という用語は、合金組成物に意図的に添加される成分について有意な量がないことを意味し、微量の不可避元素および／または不純物が必要な最終製品に入り込みうることを意味する。
本発明の合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｃ系に基づくと共に、クラッドあるいはその他の保護系も不要にするほど十分に耐食性のものである。これらの合金における強度は、組成がほぼ均一である金属マトリックスの歪硬化によって主として生じる。胴体外板用途のための十分な強度および耐損傷性特性の取合せは、組成の適切な選択、変形加工およびその後の安定化処理によって得ることができる。
本発明のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｃ合金材料が粒界（すなわち結晶粒界）腐食に対する優れた耐性と共に、適切な引張強度特性および靱性指標を示すことが見出された。これらの材料はまた、良好な耐剥離侵食性およびＡＳＴＭ Ｇ−４７に準拠し試験して、ＮａＣｌ溶液中での交互浸漬中における優れた耐応力腐食割れ（「ＳＣＣ」）性を示す。
本発明の主な合金の実施形態は、約３〜７重量％のマグネシウム、約０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、約０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素ならびにスカンジウムとエルビウムとイットリウムとガドリニウムとホルミウムとハフニウムとからなる群から選択される約０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物からなる。更に好ましくは、アルミニウム合金組成物は、約３．５〜６重量％のマグネシウム、約０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、約０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および約０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する。最も好ましくは、アルミニウム合金組成物は、約３．８〜５．２重量％のマグネシウム、約０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、約０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および約０．２〜０．３重量％のスカンジウムから主としてなる。このアルミニウム合金の好ましい実施形態はまた、亜鉛もリチウムも実質的に含まない。
特定の理論に全く限定されないかぎりは、本発明は、希土類に富んだ析出物を形成させることにより、スカンジウムなどの特定の希土類元素または希土類元素「作用類似物」の添加を通して、意義のある高い強度およびより大きい耐食性を胴体外板薄板素材にうまく付与すると考えられる。これらの析出物は、塑性変形から生じる強度の損失に対抗する能力を有する。これらの析出粒の比較的微小なサイズ即ち粒径および微細な分布のために、得られた合金の回復および再結晶化も抑制される。
本発明の合金は、スカンジウムまたはスカンジムに似た添加物のない同じ合金よりも耐熱性である。「耐熱性」とは、この合金の作用によって付与された強度および組織の大部分が、後続の圧延作業の間などで１種以上のより高い温度、典型的には約４５０°Ｆ（２３２℃）より高いにさらされた後でさえ、胴体外板薄板最終製品中に保持されることを意味する。
本発明の主たる合金成分について言うと、実質的なアルミニウムの残部は、本発明の付随特性に影響しうる不可避であるが、しかし意図的に添加された多少の元素、または意図せずに入り込む不純物を含んでもよく、そのいずれもが本合金の本質的な特性を変えないことは言うまでもない。本発明の主たる合金元素に関して、マグネシウムは歪硬化および強度に寄与すると考えられる。ジルコニウムの添加は、スカンジウム析出物の耐急速成長性を改善すると考えられる。スカンジウムとジルコニウムは、なおもう一つの目的を果たす。本明細書に記載された種類のアルミニウム−マグネシウム合金に添加される時、スカンジウムは、微細な金属間粒の分散（「分散相」と呼ばれる）、典型的には、Ａｌ3Ｘ化学量論比の分散を形成するように析出すると考えられ、この場合、ＸはＳｃ、Ｚｒのいずれか、またはＳｃおよびＺｒの両方である。Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）分散相は、析出−硬化化合物として多少の強度の利点をもたらすが、より重要なことは、こうした分散相は、「ツェナードラッグ効果」と時には呼ばれる現象によって、回復および再結晶化のプロセスを効果的に遅らせるか、または妨げることである［一般に、スミス（Ｃ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈ），ＴＭＳ−ＡＩＭＦ，１７５，１５（１９４８）参照］。これは次のように起きると考えられる。スカンジウム分散相はサイズが極めて微小であるが、数も多い。それらは、一般に、結晶粒界の移行および転位のための、金属が軟化するために迂回しなければならない「ピン止め」点として作用する。再結晶化および回復は、こうした歪硬化性の合金が軟化する主たる冶金学的プロセスである。Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）粒の大きな集団を有する合金を軟化させるためには、こうした粒をもたない合金のために必要な温度より高い温度に材料を加熱することが必要である。換言すると、同一条件下で歪硬化され、焼鈍される時、Ａｌ3（Ｓｃ、Ｚｒ）分散相を含有する薄板製品は、スカンジウムを添加しなかった同等の合金よりも高い強度レベルを有する。
胴体外板薄板素材およびその他の航空宇宙用途において、本発明は、圧延薄板製品に対して通常必要とされる高温熱暴露中に軟化に耐える能力を示す。高温熱暴露の際に、本発明の合金は圧延を通して獲得される強度の一部を保持する。スカンジウムを含まない他の合金は、圧延を通してより小さい強度しか保持しない傾向があるため、より小さい強度の最終製品を生成させる。ジルコニウムの追加の利点は、これらのＡｌ3Ｘ粒子の成長を制限して、こうした分散相が微小で、密に詰まり、ツェナードラッグ効果を生じることが可能なままであることを確実にするその能力である。
アルミニウム合金の中の珪素を限定することが好ましいが、耐火物からの珪素が含まれることは避けがたい。商業的現実において、８０％を超える合金は屑地金から得られている結果、珪素の存在を増している。本発明の合金は、０．１５重量％までの珪素を含有してもよく、０．０８重量％までは好ましく、０．０５重量％以下は最も好ましい。
同様に、銅は意図的な元素添加物ではないが、本発明に対して緩やかに可溶な元素である。そういうものとして、本明細書中で記載された合金製品は、約０．２５重量％までの銅または好ましくは、約０．１５重量％以下の銅を含有してもよい。
本発明のアルミニウム合金製品は、耐損傷性が必要とされる用途のために特に適する。詳しくは、こうした耐損傷性アルミニウム製品は、航空宇宙用途、特に胴体外板および多くの航空機の下部翼形、ストリンガまたは耐圧壁のために用いられる。
本発明の目的および利点を更に説明するために、以下の実施例を提供する。しかし、以下の実施例は、本発明の範囲をいかなるやり方でも限定することを意図するものではない。
実施例
この実施例は、本発明のアルミニウム基合金に対する以下の主たる添加物に関連し、各合金の残りは、アルミニウム、不可避元素および不純物である。
表Ｉは、合金Ａ、ＢおよびＣの前述のサンプルのために利用できる物理的機械的特性および腐食データを報告し、続いて、２０２４−Ｔ３アルミニウム、６０１３−Ｔ６アルミニウムおよび米国特許第５，２１３，６３９号によって製造されたアルコア社（Ａｌｃｏａ）のＣ−１８８製品として商業的に知られている可能性のあるもう一つの胴体外板材料に対する典型的な値と比較した。この特許の完全な開示は本明細書中に引例として明示的に記載する。
本発明の材料は、適切な引張強度特性を示す。合金ＡおよびＢの靱性指標、中央ノッチ靱性および疲労亀裂成長（すなわち「ＦＣＧ」）データも、これらの材料が良好な固有の靱性も示すことを強く示唆している。本発明の耐粒界腐食侵食性も注目に値する。Ａｌ−Ｍｇ基合金においてこうした侵食を測定する標準試験は、２１２°Ｆ（１００℃）における「過敏化」処理後のアセット試験（すなわちＡＳＴＭ Ｇ−６６）である。主題の材料は、こうした試験において良好な耐剥離侵食性を示した。合金Ｂだけが剥離の証拠を示し、それでさえほんのＥＡレベルにすぎなかった。比べると、その他の材料は、多少の点食侵食（Ｐ）を示し、最小の膨れを伴った。本発明の材料は、ＮａＣｌ溶液を用いる交互浸漬試験中に優れたＳＣＣ耐性も示した。
Claims (58)
- ３〜７重量％のマグネシウム、０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素、ならびにスカンジウムから成る０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物を含むアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．３８重量％までのスカンジウムを含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する請求項２に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項３に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．２５重量％までの銅を更に含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、３．５〜６重量％のマグネシウムを含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、３．８〜５．２重量％のマグネシウムを含有する請求項６に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．０９〜０．１２重量％のジルコウムを含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．４〜１重量％のマンガンを含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．５〜０．７重量％のマンガンを含有する請求項９に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、０．０８重量％までの珪素を含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金には、亜鉛および／またはリチウムが、前記アルミニウム合金製品の特性に影響を与えない量だけ不可避元素として存在する、請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、３．５〜６重量％のマグネシウム、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する請求項１に記載されたアルミニウム合金製品。
- 前記合金が、３．８〜５．２重量％のマグネシウム、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項１３に記載されたアルミニウム合金製品。
- ３〜７重量％のマグネシウム、０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素、ならびにスカンジウムから成る０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素を含み、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物から製造され、低比重、良好な耐食性および強度と靱性の良好な取合せを有する耐損傷性の航空宇宙部品。
- 胴部外板、下部翼形、ストリンガおよび耐圧壁から成る群から選択される請求項１５に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウムを含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．２５重量％までの銅を更に含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．４〜１重量％のマンガンを含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．５〜０．７重量％のマンガンを含有する請求項２１に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、０．０８重量％までの珪素を含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウム、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する請求項１６に記載された航空宇宙部品。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウム、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項２４に記載された航空宇宙部品。
- ３〜７重量％のマグネシウム、０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素、ならびにスカンジウムから成る０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素からなり、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物から製造され、強度と靱性と耐食性特性の良好な取合せを有する航空機の胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．２５重量％までの銅を更に含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウムを含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウムを含有する請求項２９に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項３１に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．４〜１重量％のマンガンを含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．０８重量％までの珪素を含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、０．０５重量％までの珪素を含有する請求項３４に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウム、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する請求項２６に記載された胴体外板素材。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウム、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項３６に記載された胴体外板素材。
- ３〜７重量％のマグネシウム、０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素、ならびにスカンジウムから成る０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素からなり、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物から製造され、強度と靱性と耐食性の良好な取合せを有する耐損傷性の航空機ストリンガ。
- 前記分散質形成元素が、０．１６〜０．３８重量％のスカンジウムからなる請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項３９に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．２５重量％までの銅を更に含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウムを含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウムを含有する請求項４２に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項４４に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．４〜１重量％のマンガンを含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、０．０８重量％までの珪素を含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウム、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウム、０．４〜１重量％のマンガン、０．０８重量％までの珪素および０．１６〜０．３４重量％のスカンジウムを含有する請求項３８に記載された航空機ストリンガ。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウム、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、０．５〜０．７重量％のマンガン、０．０５重量％までの珪素および０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項４８に記載された航空機ストリンガ。
- ３〜７重量％のマグネシウム、０．０３〜０．２重量％のジルコニウム、０．２〜１．２重量％のマンガン、０．１５重量％までの珪素、ならびにスカンジウムから成る０．０５〜０．５重量％の分散相形成元素からなり、残りがアルミニウム、不可避元素および不純物である合金組成物から製造され、強度と靱性と耐食性の良好な取合せを有する耐損傷性の航空宇宙耐圧壁。
- 前記分散質形成元素が、０．１６〜０．３８重量％のスカンジウムからなる請求項５０に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、０．２〜０．３重量％のスカンジウムを含有する請求項５１に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、０．２５重量％までの銅を更に含有する請求項５０に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、３．５〜６重量％のマグネシウムを含有する請求項５０に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、３．８〜５．２重量％のマグネシウムを含有する請求項５４に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、０．０６〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項５０に記載された航空宇宙耐圧壁。
- 前記合金組成物が、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウムを含有する請求項５６に記載された航空宇宙耐圧壁。
- ３．８〜５．２重量％のマグネシウム、０．０９〜０．１２重量％のジルコニウム、０．５〜０．７重量％のマンガン、最大０．０５重量％までの珪素、０．２〜０．３重量％のスカンジウム、および残部であるアルミニウム、不可避元素および不純物から成る合金組成物からできている耐損傷性の航空宇宙耐圧壁。
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