KR101538529B1 - 개선된 알루미늄-구리-리튬 합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 개선된 알루미늄-구리-리튬 합금에 관한 것이다. 상기 합금은, 3.4 내지 4.2 중량%의 Cu; 0.9 내지 1.4 중량%의 Li; 0.3 내지 0.7 중량%의 Ag; 0.1 내지 0.6 중량%의 Mg; 0.2 내지 0.8 중량%의 Zn; 0.1 내지 0.6 중량%의 Mn; 및 0.01 내지 0.6 중량%의 하나 이상의 그레인 구조 제어 성분으로 본질적으로 이루어지고, 나머지는 알루미늄, 및 부수적인 성분 및 불순물을 포함할 수 있다. 상기 합금은 선행 기술의 합금에 비해 특성들의 조합의 개선을 달성한다.

Description

개선된 알루미늄-구리-리튬 합금{IMPROVED ALUMINUM-COPPER-LITHIUM ALLOYS}
본 발명은, 특성들의 조합이 개선된 알루미늄-구리-리튬 합금에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은, 2007년 12월 4일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 60/992,330 호("개선된 알루미늄 합금")를 우선권으로 주장하며, 2008년 12월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 제 호와 관련이 있다. 상기 언급된 특허들을 전체로 본원에 참고로 인용한다.
알루미늄 합금은 다양한 용도에 유용하다. 그러나, 알루미늄 합금에서, 다른 특성은 열화시키지 않으면서 하나의 특성을 개선하는 것은 종종 달성하기 힘든 것으로 판명되었다. 예를 들어, 합금의 인성을 감소시키지 않으면서 합금의 강도를 증가시키기는 어렵다. 알루미늄 합금의 관심있는 다른 특성은 몇가지 예를 들자면 내부식성, 밀도 및 피로를 포함한다.
하나의 양태에서, 본 발명의 알루미늄 합금은, 3.4 내지 4.2 중량%의 Cu; 0.9 내지 1.4 중량%의 Li; 0.3 내지 0.7 중량%의 Ag; 0.1 내지 0.6 중량%의 Mg; 0.2 내지 0.8 중량%의 Zn; 0.1 내지 0.6 중량%의 Mn; 및 0.01 내지 0.6 중량%의 하나 이상의 그레인 구조 제어 성분으로 본질적으로 이루어지고, 나머지는 알루미늄, 및 부수적인 성분 및 불순물인, 단조(wrought) 알루미늄 합금이다. 이러한 단조 제품은 압출(extrusion) 제품, 플레이트 제품, 시트 제품 또는 단련(forging) 제품일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 단조 제품은 압출 제품이다. 하나의 실시양태에서, 상기 단조 제품은 플레이트 제품이다. 하나의 실시양태에서, 상기 단조 제품은 시트 제품이다. 하나의 실시양태에서, 상기 단조 제품은 단련 제품이다.
하나의 접근에서, 상기 합금은 압출된 알루미늄 합금이다. 하나의 실시양태에서, 상기 합금은 4% 연신량 이하의 누적 냉간 작업량을 갖는다. 다른 실시양태에서, 상기 합금은 3.5% 연신량 이하, 3% 연신량 이하, 또는 심지어 2.5% 연신량 이하의 누적 냉간 작업량을 갖는다. 본원에서 "누적 냉간 작업량(accumulated cold work)"이란, 용체화 열처리(solution heat treatment) 후 제품에 누적된 냉간 작업량을 의미한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 3.6 또는 3.7 중량% 이상, 또는 심지어 약 3.8 중량% 이상의 Cu를 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 4.1 또는 4.0 중량% 이하의 Cu를 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 3.6 또는 3.7 중량% 내지 약 4.0 또는 4.1 중량% 범위의 구리를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 3.8 중량% 내지 약 4.0 중량% 범위의 구리를 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 1.0 또는 1.1 중량% 이상의 Li을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 1.3 또는 1.2 중량% 이하의 Li을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 1.0 또는 1.1 중량% 내지 약 1.2 또는 1.3 중량% 범위의 Li을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.3, 0.35, 0.4 또는 0.45 중량% 이상의 Zn을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.7, 0.65, 0.6 또는 0.55 중량% 이하의 Zn을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.3 또는 0.4 중량% 내지 약 0.6 또는 0.7 중량% 범위의 Zn을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.35, 0.4 또는 0.45 중량% 이상의 Ag을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.65, 0.6 또는 0.55 중량% 이하의 Ag을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.35, 0.4 또는 0.45 중량% 내지 약 0.55, 0.6 또는 0.65 중량% 범위의 은을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.2 또는 0.25 중량% 이상의 Mg을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.5 또는 0.45 중량% 이하의 Mg을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.2 또는 0.25 중량% 내지 약 0.45 또는 0.5 중량% 범위의 Mg을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.15 또는 0.2 중량% 이상의 Mn을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.5 또는 0.4 중량% 이하의 Mn을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.15 또는 0.2 중량% 내지 약 0.4 또는 0.5 중량% 범위의 Mn을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 상기 그레인 구조 제어 성분은 Zr이다. 이러한 실시양태 중 몇몇에서, 상기 알루미늄 합금은 0.05 내지 0.15 중량%의 Zr를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 상기 불순물은 Fe 및 Si를 포함한다. 이러한 실시양태 중 몇몇에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.06 중량% 이하의 Si(예컨대, 0.03 중량% 이하의 Si) 및 약 0.08 중량% 이하의 Fe(예컨대, 0.04 중량% 이하의 Fe)를 포함한다.
상기 알루미늄 합금은 기계적 특성 및 내부식성의 조합의 개선을 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 86 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 20 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성을 달성한다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 11.3 × 103 ksi의 전형적인 인장 모듈러스 및 약 11.6 × 103 ksi 이상의 전형적인 압축 모듈러스를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 0.097 lb/in3 이하의 밀도를 갖는다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 8.66 × 105 in 이상의 비 강도를 갖는다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 약 90 ksi 이상의 압축 항복 강도를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 응력 부식 균열에 대해 내성을 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 EA 이상의 MASTMAASIS 등급을 달성한다. 하나의 실시양태에서, 상기 합금은 갈바닉 부식 내성을 나타낸다. 몇몇 실시양태에서, 단일 알루미늄 합금이 상기 특성들 중 다수(또는 심지어 전부)를 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 알루미늄 합금은 적어도, 약 84 ksi 이상의 종방향 강도 및 약 20 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성을 달성하고, 응력 부식 균열 내성을 나타내고, 갈바닉 부식 내성을 나타낸다.
상기 신규한 합금의 이러한 양태 및 기타 양태, 이점 및 신규한 특성은 하기 명세서에 부분적으로 개시되며, 이는 당업자가 하기 명세서 및 도면을 검토할 때 분명해지거나, 상기 합금을 제조 또는 사용하면서 알게 될 것이다.
도 1a는 파단 인성 시험에 사용하기 위한 시험 시편의 하나의 실시양태를 도시한 개략도이다.
도 1b는 도 1a에 관한 치수 및 허용 오차 표이다.
도 2는 다양한 합금에 대한 전형적인 인장 항복 강도 대 인장 모듈러스 값을 도시한 그래프이다.
도 3은 다양한 합금에 대한 전형적인 비 인장 항복 강도 값을 도시한 그래프이다.
도 4는 노취 S/N 피로 시험에 사용하기 위한 시험 쿠폰의 하나의 실시양태를 도시한 개략도이다.
도 5는 다양한 합금의 갈바닉 부식 내성을 도시한 그래프이다.
이제, 적어도 신규 합금의 다양하고 적절한 실시양태를 예시하는 것을 돕는 첨부된 도면을 자세히 참고할 것이다.
대략적으로, 본 발명은, 특성들의 조합이 개선된 알루미늄-구리-리튬 합금에 관한 것이다. 상기 알루미늄 합금은 일반적으로 구리, 리튬, 아연, 은, 마그네슘 및 망간을 포함하고(일부 경우에는 이들로 본질적으로 이루어지고), 나머지는 알루미늄, 선택적인 그레인 구조 제어 성분, 선택적인 부수적인 성분 및 불순물이다. 본 발명에 따른 유용한 몇몇 합금의 조성 한계를 하기 표 1에 개시한다. 선행 기술의 몇몇 합금의 조성 한계는 하기 표 2에 개시한다. 제시된 모든 값은 단위가 중량%이다.
[표 1]
Figure 112010042934030-pct00001
[표 2]
Figure 112010042934030-pct00002
본 발명의 합금은 일반적으로 상기 언급된 합금 성분을 포함하며, 나머지는 알루미늄, 선택적인 그레인 구조 제어 성분, 선택적인 부수적인 성분 및 불순물이다. 본원에서 "그레인 구조 제어 성분"이란, 열 가공(예컨대, 회수 및 재결정화) 동안의 고체 상태 그레인 구조 변화를 제어하기 위해, 일반적으로 고체 상태로 제 2 상 입자를 형성하려는 목적으로, 의도적으로 합금에 첨가된 성분 또는 화합물을 의미한다. 그레인 구조 제어 성분의 몇몇 예는 Zr, Sc, V, Cr 및 Hf을 포함한다.
합금에 사용되는 그레인 구조 제어 성분의 양은 일반적으로, 그레인 구조 제어에 이용되는 성분의 유형 및 합금 제조 공정에 의존한다. 지르코늄(Zr)이 상기 합금에 포함되는 경우, 이는 약 0.4 중량% 이하, 약 0.3 중량% 이하, 또는 약 0.2 중량% 이하의 양으로 포함될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, Zr은 상기 합금에 0.05 내지 0.15 중량%의 양으로 포함된다. 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 크롬(Cr) 및/또는 하프늄(Hf)이 Zr의 대체물로서(전체로 또는 부분적으로) 상기 합금에 포함될 수 있으며, 따라서 Zr과 동일하거나 유사한 양으로 상기 합금에 포함될 수 있다.
본 출원의 목적을 위해 그레인 구조 제어 성분을 고려하지 않더라도, Zr의 대체물로서(전체로 또는 부분적으로) 또는 Zr에 더하여 상기 합금에 망간(Mn)이 포함될 수 있다. 망간이 상기 합금에 포함되는 경우, 이는 상기 개시된 양으로 포함될 수 있다.
본원에서 "부수적인 성분"이란, 상기 합금의 생성을 돕기 위해 상기 합금에 선택적으로 첨가될 수 있는 성분 또는 물질을 의미한다. 상기 부수적인 성분의 예는 주조 보조제, 예컨대 그레인 미세화제(refiner) 및 산소 제거제(deoxidizer)를 포함한다.
그레인 미세화제는, 상기 합금의 고화 동안 새로운 그레인을 시딩하기 위한 접종제 또는 핵이다. 그레인 미세화제의 예는, 96% 알루미늄, 3% 티탄(Ti) 및 1% 붕소(B)를 포함하는 3/8 in 막대이며, 이때 실질적으로 모든 붕소는 미세하게 분산된 TiB2 입자로서 존재한다. 주조 동안, 그레인 미세화 막대는 용융 합금 내로 인-라인 공급되고, 제어된 속도로 주조 피트 내로 유동한다. 상기 합금에 포함되는 그레인 미세화제의 양은 일반적으로, 그레인 미세화 및 합금 제조 공정에 사용되는 물질의 유형에 의존한다. 그레인 미세화제의 예는 B 또는 탄소와 결합된 Ti(예컨대, TiB2 또는 TiC)를 포함하지만, 다른 그레인 미세화제, 예컨대 Al-Ti 모합금(master alloy)이 사용될 수 있다. 일반적으로, 그레인 미세화제는 목적하는 주조 시(as-cast) 그레인 크기에 따라 0.0003 중량% 내지 0.005 중량% 범위의 양으로 상기 합금에 첨가된다. 또한, 그레인 미세화제의 효과를 증가시키기 위해, Ti을 별도로 0.03 중량% 이하의 양으로 상기 합금에 첨가할 수 있다. Ti이 상기 합금에 포함되는 경우, 이는 일반적으로 약 0.10 또는 0.20 중량% 이하의 양으로 존재한다.
일반적으로 본원에서 산소 제거제로서 지칭되는 몇몇 합금 요소가, 예를 들어 산화물 주름, 피트 및 산화물 패취로부터 유래되는 잉곳(ingot)의 균열을 감소시키거나 제한(및, 몇몇 경우, 제거)하기 위해, 주조 동안 상기 합금에 첨가될 수 있다. 산소 제거제의 예는 Ca, Sr 및 Be이다. 칼슘(Ca)이 상기 합금에 포함되는 경우, 이는 일반적으로 약 0.05 중량% 이하 또는 약 0.03 중량% 이하의 양으로 존재한다. 몇몇 실시양태에서, Ca은 0.001 내지 0.03 중량% 또는 0.05 중량%, 예컨대 0.001 내지 0.008 중량%(또는 10 내지 80 ppm)의 양으로 상기 합금에 포함된다. 스트론튬(Sr)이 Ca의 대체물로서(전체로 또는 부분적으로) 상기 합금에 포함될 수 있으며, 따라서 이는 Ca과 동일하거나 유사한 양으로 상기 합금에 포함될 수 있다. 통상적으로, 베릴륨(Be) 첨가가 잉곳 균열 경향을 감소시키는 데 도움을 주지만, 환경, 건강 및 안전성 이유에서, 상기 합금의 몇몇 실시양태는 실질적으로 Be이 없다. Be이 상기 합금에 포함되는 경우, 이는 일반적으로 약 20 ppm 이하의 양으로 존재한다.
상기 부수적인 성분은, 상기 합금이 본원에 기술된 바람직한 특성을 유지하는 한, 소량으로 존재하거나 상당량으로 존재하여, 단독으로, 본원에 기술된 합금에서 벗어나지 않으면서 바람직하거나 기타 특성을 부여할 수 있다. 그러나, 이 범위는, 본 발명에서 목적하고 달성되는 특성들의 조합에 영향을 미치지 않는 양으로 요소 또는 요소들의 단순 첨가하는 것을 피하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
본원에서 "불순물"이란, 예를 들어 알루미늄의 본질적인 특성으로 인해 및/또는 제조 장비와의 접촉으로부터의 침출로 인해 상기 합금에 소량으로 존재할 수 있는 물질이다. 철(Fe) 및 규소(Si)가 알루미늄 합금 중에 일반적으로 존재하는 불순물의 예이다. 상기 합급의 Fe 함량은 일반적으로 약 0.25 중량%를 초과하지 않아야 한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 합금의 Fe 함량은 약 0.15 중량% 이하, 약 0.10 중량% 이하, 약 0.08 중량% 이하, 또는 약 0.05 또는 0.04 중량% 이하이다. 마찬가지로, 상기 합금의 Si 함량은 약 0.25 중량%를 초과하지 않아야 하며, 일반적으로 Fe 함량보더 더 적다. 몇몇 실시양태에서, 상기 합금의 Si 함량은 약 0.12 중량% 이하, 약 0.10 중량% 이하, 약 0.06 중량% 이하, 또는 약 0.03 또는 0.02 중량% 이하이다.
달리 언급되지 않는 한, 성분의 양을 언급하는 경우의 "~이하"라는 표현은, 성분의 조성이 선택적이며 특정 조성 성분의 양이 0(zero)을 포함함을 의미한다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 조성%는 중량% 단위이다.
상기 합금은, 용융 및 잉곳 형태로의 직접 냉각(direct chill) 주조를 포함하는 통상적인 관행에 의해 제조될 수 있다. 또한, 예를 들어 티탄 및 붕소 또는 티탄 및 탄소를 함유하는 통상적인 그레인 미세화기가 당분야에 널리 공지된 바와 같이 사용될 수 있다. 통상적인 스칼핑(scalping), 레이딩(lathing) 또는 필링(peeling)(필요 시) 및 균질화 후, 상기 잉곳은 추가로, 예를 들어 시트(0.249 in 이하) 또는 플레이트(0.250 in 이상)로의 열간 압연 또는 특수 성형된 부품으로의 압출 또는 단련에 의해 단조 제품으로 성형된다. 압출의 경우, 상기 제품은 용체화 열처리(SHT)되고, 시간되고, 이어서 예를 들어 약 4% 이하, 예컨대 1 내지 3% 또는 1 내지 4%의 영구 변형으로 연신 및/또는 압축됨으로써 기계적으로 응력이 이완될 수 있다. 유사한 SHT, 시간, 응력 이완 및 인공 에이징 작업이 또한, 압연된 제품(예컨대, 시트/플레이트) 및/또는 단련 제품의 제조를 완성할 수 있다.
본원에 개시된 신규 합금은 7xxx 및 기타 2xxx 계열 합금에 비해 특성들의 조합의 개선을 달성한다. 예를 들어, 상기 신규 합금은, 몇몇 예로서 극한 인장 강도(UTS), 인장 항복 강도(TYS), 압축 항복 강도(CYS), 신율(El), 파단 인성(FT), 비 강도, 모듈러스(인장 및/또는 압축), 비 모듈러스, 내식성, 및 피로 특성 중 2개 이상의 조합의 개선을 달성할 수 있다. 몇몇 경우, 선행기술의 Al-Li 제품(예컨대, 2090-T86 압출물)에 사용되는 것과 같은 과량의 누적 냉간 작업량 없이, 상기 특성들 중 적어도 일부를 달성하는 것이 가능하다. 소량의 누적 냉간 작업량으로 이러한 특성을 달성하는 것이 압출 제품에 유리하다. 압출 제품은 일반적으로 압축 작업될 수 없으며, 과량의 연신은 상기 제품이 ANSI H35.2 규격에 기술된 바와 같은 치수 허용 오차(dimensional tolerance)(예를 들면, 단면 치수) 및 속성(attribute) 허용 오차(예를 들면, 모난 모양 및 선형)를 유지하기 매우 어렵게 한다.
강도 및 신율과 관련하여, 상기 합금은 약 92 ksi 이상, 또는 심지어 약 100 ksi 이상의 종방향(L) 극한 인장 강도를 달성할 수 있다. 상기 합금은 약 84 ksi 이상, 약 86 ksi 이상, 약 88 ksi 이상, 약 90 ksi 이상, 또는 심지어 약 97 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 달성할 수 있다. 상기 합금은 약 88 ksi 이상, 약 90 ksi 이상, 약 94 ksi 이상, 또는 심지어 약 98 ksi 이상의 종방향 압축 항복 강도를 달성할 수 있다. 상기 합금은 약 7% 이상, 또는 심지어 약 10% 이상의 신율을 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 극한 인장 강도 및/또는 인장 항복 강도 및/또는 신율은 제품의 1/4 평면(quarter-plane)에서 ASTM E8 및/또는 B557에 따라 측정된다. 하나의 실시양태에서, 상기 제품(예컨대, 압출물)은 0.500 내지 2.000 in 범위의 두께를 갖는다. 하나의 실시양태에서, 상기 압축 항복 강도는 제품의 1/4 평면에서 ASTM E9 및/또는 E111에 따라 측정된다. 두께에 따라 어느 정도 강도가 다를 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 얇거나(예컨대, 0.500 in 미만) 또는 두꺼운(예컨대, 3.0 in 초과) 제품은 전술된 것보다 어느 정도 더 낮은 강도를 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 얇거나 두꺼운 제품은 여전히, 이미 시판되는 합금 제품에 비해 뚜렷한 이점을 제공한다.
파단 인성과 관련하여, 상기 합금은 약 20 ksi√in 이상, 약 23 ksi√in 이상, 약 27 ksi√in 이상, 또는 심지어 약 31 ksi√in 이상의 종-횡(L-T) 평면 변형 파단 인성을 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 파단 인성은 1/4 평면에서 ASTM E399에 따라 측정되며, 이때 시편 배치는 도 1a에 도시한다. 파단 인성은 두께 및 시험 조건에 따라 어느 정도 다를 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 제품(예컨대, 3.0 in 초과)은 전술된 것에 비해 어느 정도 더 낮은 파단 인성을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 두꺼운 제품은 여전히, 이미 시판되는 제품에 비해 뚜렷한 이점을 제공한다.
도 1a에 있어서, 치수 및 허용 오차 표를 도 1b에 제시한다. 도 1a의 주 1은, L-T 및 L-S 시편에 대한 이 방향에서의 그레인을 말한다. 도 1a의 주 2는, T-L 및 T-S 시편에 대한 이 방향에서의 그레인을 말한다. 도 1a의 주 3은, 도시된 S 노취 치수가 최대이며, 필요한 경우 더 좁을 수 있음을 말한다. 도 1a의 주 4는, 노취의 기계가공 전후 모두에서, 표시된 위치에서 시편의 잔류 응력을 점검하고, 높이(2H)를 측정 및 기록하는 것을 말한다. 모든 허용 오차는 다음과 같다(달리 언급되지 않는 한): 0.0 = ±0.1; 0.00 = ±0.01; 0.000 = ±0.005.
비 인장 강도와 관련하여, 상기 합금은 약 0.097 lb/in3 이하, 예컨대 0.096 내지 0.097 lb/in3 범위의 밀도를 달성할 수 있다. 따라서, 상기 합금은 약 8.66 × 105 in [(84 ksi × 1000 = 84,000 lb/in2)/(0.097 lb/in3) = 약 866,000 in] 이상, 약 8.87 × 105 in 이상, 약 9.07 × 105 in 이상, 약 9.28 × 105 in 이상, 또는 심지어 약 10.0 × 105 in 이상의 비 인장 항복 강도를 달성할 수 있다.
모듈러스와 관련하여, 상기 합금은 약 11.3 또는 11.4 × 103 ksi 이상의 전형적인 인장 모듈러스를 달성할 수 있다. 상기 합금은 약 11.6 또는 11.7 × 103 ksi 이상의 전형적인 압축 모듈러스를 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 모듈러스(인장 또는 압축)는 시편의 1/4 평면에서 ASTM E111 및/또는 B557에 따라 측정될 수 있다. 상기 합금은 약 1.16 × 108 in[(11.3 × 103 ksi × 1000 = 11.3 × 106 lb/in2)/(0.097 lb/in3) = 약 1.16 × 108 in] 이상의 비 인장 모듈러스를 달성할 수 있다. 상기 합금은 약 1.19 × 108 in 이상의 비 압축 모듈러스를 달성할 수 있다.
내부식성과 관련하여, 상기 합금은 응력 부식 균열 내성을 나타낼 수 있다. 본원에서 "응력 부식 균열 내성"이란, 상기 합금이, (i) LT 방향에서 약 55 ksi 이상, 및/또는 (ii) ST 방향에서 약 25 ksi 이상으로 응력을 받으면서, 교대 침지 부식 시험(3.5 중량% NaCl)에 합격함을 의미한다. 하나의 실시양태에서, 상기 응력 부식 균열 시험은 ASTM G47에 따라 수행된다.
박리 부식 내성과 관련하여, 상기 합금은, 제품의 T/2 또는 T/10 평면 중 하나 또는 모두, 또는 다른 관련 시험 평면 또는 위치에 대한 MASTMAASIS 시험 방법에서, "EA" 등급 이상, "N" 등급 이상, 또는 심지어 "P" 등급 이상을 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 MASTMAASIS 시험은 ASTM G85-부속조항(Annex) 2 및/또는 ASTM G34에 따라 수행된다.
상기 합금은 개선된 갈바닉 부식 내성을 나타내어, 캐소드(알루미늄 합금의 부식을 가속화시키는 것으로 공지됨)에 연결 시 낮은 부식 속도를 달성할 수 있다. 갈바닉 부식은, 또다른 전기 전도성 물질에 연결됨으로써 주어진 물질(일반적으로 금속)의 부식이 가속화되는 공정을 지칭한다. 이러한 유형의 가속된 부식의 형상은 물질 및 환경에 따라 다를 수 있지만, 공식(pitting corrosion), 입계(intergranular) 부식, 박리 부식 및 기타 공지된 형태의 부식을 포함할 수 있다. 종종, 이러한 가속화는 극적이며, 상기 가속화가 없을 경우 고도로 내부식성인 물질이 급격히 열화되게 함으로써, 구조체의 수명을 단축시킨다. 갈바닉 부식 내성은 현대 항공기 설계에서의 고려사항이다. 몇몇 현대 항공기는 많은 다양한 물질(예컨대, 탄소 섬유 강화된 플라스틱 복합체(CFRP) 및/또는 티탄 부품과 알루미늄)을 조합할 수 있다. 이러한 부품들 중 몇몇은 알루미늄에 대해 매우 환원성(cathodic)이며, 이는, 상기 물질과 전기적 연통(예컨대, 직접 접촉)될 때, 알루미늄 합금으로부터 생성된 부품 또는 구조체가 가속된 부식 속도를 겪을 수 있음을 의미한다.
하나의 실시양태에서, 본원에 개시된 신규 합금은 갈바닉 부식 내성을 나타낸다. 본원에서 "갈바닉 부식 내성"이란, 상기 신규 합금이, 유사한 크기 및 형태의 7xxx 합금에 비해, 약 -0.7 내지 약 -0.6의 전위(전압 대 포화된 칼로멜(calomel) 전극(SCE))에서 무활동(quiescent) 3.5% NaCl 용액 중에서 50% 이상 더 낮은 전류 밀도(μA/cm2)를 달성할 수 있음을 의미하며, 7xxx 합금은 상기 신규 합금과 유사한 강도 및 인성을 갖는다. 이러한 비교 목적에 적합한 몇몇 7xxx 합금은 7055 및 7150을 포함한다. 상기 갈바닉 부식 내성 시험은, 상기 합금 샘플을 상기 무활동 용액에 침지시키고, 이어서 제시된 전기화학 전위(전압 대 포화된 칼로멜 전극에서 측정됨)에서 전류 밀도를 모니터링하여 부식 속도를 측정함으로써 수행된다. 이러한 시험은 캐소드 물질(예컨대, 전술된 바와 같은 것)을 사용하여 모의시험된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 신규 합금은, 유사한 크기 및 형태의 7xxx 합금에 비해, 약 -0.7 내지 약 -0.6의 전위(전압 대 SCE)에서 무활동 3.5% NaCl 용액 중에서 75% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 심지어 98% 또는 99% 이상 더 낮은 전류 밀도(μA/cm2)를 달성하며, 7xxx 합금은 상기 신규 합금과 유사한 강도 및 인성을 갖는다.
상기 신규 합금은 7xxx 합금과 유사한 강도 및 인성을 유지하면서 7xxx 합금에 비해 더 우수한 갈바닉 부식 내성 및 더 낮은 밀도를 달성하기 때문에, 상기 신규 합금은 7xxx 합금의 대체물로서 매우 적합하다. 상기 신규 합금은 심지어, 부식 문제로 인해 7xxx 합금이 거절되는 용도에도 사용될 수 있다.
피로에 있어서, 상기 합금은 0.95 in 두께의 압출물에 대해 35 ksi의 최대 응력에서 평균 약 90,000 사이클 이상의 노취 S/N 피로 수명을 달성할 수 있다. 상기 합금은 3.625 in 두께의 압출물에 대해 35 ksi의 최대 응력에서 평균 약 75,000 사이클 이상의 노취 S/N 피로 수명을 달성할 수 있다. 다른 주조 제품에서도 유사한 값을 달성할 수 있다.
하기 표 3은, 상기 신규 합금 및 선행 기술의 몇몇 압출 합금의 몇몇 압출 특성을 열거한다.
[표 3]
Figure 112014050481029-pct00015
상기 예시된 바와 같이, 상기 신규 합금은 선행 기술의 합금에 비해 기계적 특성들의 조합의 개선을 달성한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 신규 합금은 선행 기술의 합금에 비해 강도 및 모듈러스의 조합의 개선을 달성한다. 다른 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 신규 합금은 선행 기술의 합금에 비해 개선된 비 인장 항복 강도를 달성한다.
설계자는, 특정 설계 목적(예컨대, 경량, 우수한 내구성, 낮은 유지 비용 및 우수한 내부식성)을 달성하기 위한 다양한 구조를 생성하기 위해 알루미늄 합금을 선택한다. 상기 신규 알루미늄 합금은, 특성들의 조합의 개선으로 인해, 많은 구조체[몇가지만 예를 들자면, 운송 수단(항공기, 자전거, 자동차, 기차), 레크레이션 장비 및 배관]에 사용될 수 있다. 항공기 구조체에 대해, 압출된 형태의 상기 신규 합금의 몇몇 전형적인 용도는, 몇몇 예로서 스트링거(예컨대, 날개 또는 동체), 스파(일체식 또는 비-일체식), 립, 일체식 패널, 프레임, 킬빔(keel beam), 바닥 빔, 시트 트랙, 폴스 레일(false rail), 일반 바닥 구조체, 파일론 및 엔진 주변물을 포함한다.
상기 합금은, 일련의 통상적인 알루미늄 합금 공정 단계(예컨대, 주조, 균질화, 용체화 열처리, 시간, 연신 및/또는 에이징)에 의해 제조될 수 있다. 하나의 접근에서, 상기 합금은, 잉곳 유도된 제품과 같이 압출에 적합한 제품으로 제조된다. 예를 들어, 큰 잉곳은, 전술된 조성을 갖고 반-연속적으로 주조될 수 있다. 이어서, 상기 잉곳은 가열되어 균질화되고 이의 내부 구조가 가용화될 수 있다. 적합한 예열 처리 단계는 상기 잉곳을 비교적 고온(예컨대, 약 955℉)으로 가열한다. 이렇게 하는 경우, 상기 잉곳을 더 낮은 제 1 온도 수준(예를 들면, 900℉ 초과, 예컨대 약 925 내지 940℉)으로 가열하고, 이어서 이 온도에서 몇 시간(예컨대, 7 또는 8시간) 동안 유지하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 잉곳을 최종 온도(예컨대, 940 내지 955℉)로 가열하고, 이 온도에서 몇 시간(예컨대, 2 내지 4시간) 동안 유지한다.
상기 균질화 단계는 일반적으로 4 내지 20시간 정도 또는 그 이상의 누적 유지 시간에서 수행된다. 균질화 온도는 일반적으로 최종 예열 온도(예컨대, 940 내지 955℉)와 동일하다. 940℉ 초과의 온도에서의 총 누적 유지 시간은, 예를 들어 잉곳 크기에 따라 4시간 이상, 예컨대 8 내지 20 또는 24시간, 또는 그 이상이어야 한다. 예열 및 균질화는 불용성 및 가용성 성분의 합쳐진 총 부피%를 낮게 유지하는 것을 돕지만, 부분 용융을 방지하기 위해 고온에 주의한다. 이러한 주의는 주의깊은 가열, 예컨대 느린 가열, 단계적 가열, 또는 이들 모두를 포함한다.
이어서, 상기 잉곳은, 필요한 경우, 표면 결함을 제거하기 위해 또는 압출 방법에 따라 우수한 압출물 표면을 제공하기 위해 스칼핑 및/또는 기계가공될 수 있다. 이어서, 상기 잉곳은 개별적인 강편(billet)으로 절단되고 재가열된다. 재가열 온도는 일반적으로 700 내지 800℉이며, 재가열 기간은 강편의 크기 및 가공에 사용되는 로의 용량에 따라 수 분 내지 수 시간으로 다르다.
이어서, 상기 잉곳은 가열된 장비(예컨대, 고온(예컨대, 650 내지 900℉)으로 설정된 다이 또는 기타 툴)를 통해 압출될 수 있으며, 이는 약 7:1 이상의 단면적(압출 비)의 감소를 포함할 수 있다. 압출 속도는 일반적으로, 재가열 및 툴 및/또는 다이 온도에 따라 3 내지 12 ft/분 범위이다. 결과적으로, 압출된 알루미늄 합금 제품은 예를 들어 830 내지 880 ℉ 범위의 온도에서 툴로부터 배출된다.
이어서, 상기 압출물을 고온(일반적으로, 940 내지 955℉)에서 가열함으로써 용체화 열처리(SHT)하여, SHT 온도에서 합금 성분의 전부 또는 거의 전부를 용체로 만들 수 있다. 고온으로 가열하고, 압출 구역에 적합한 시간 동안 유지하여 로에서 가공한 후, 당분야에 공지된 바와 같은 침지 또는 분무에 의해 제품을 급냉시킬 수 있다. 급냉 후, 특정 제품은, 내부 응력을 완화시키거나 제품을 바로잡고 몇몇 경우 제품을 더 강화하기 위해, 예를 들면 연신 또는 압축에 의해 냉간 작업될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 압출물은 최소한 1% 또는 2%, 몇몇 경우 2.5%, 3% 또는 3.5% 이하, 또는 몇몇 경우 4% 이하의 누적 연신량, 또는 유사량의 누적 냉간 작업량을 가질 수 있다. 본원에서 "누적 냉간 작업량(accumulated cold work)"이란, 연신에 의해 또는 다른 것에 의해, 용체화 열처리 후 제품에 누적된 냉간 작업량을 의미한다. 냉간 작업을 하거나 하지 않든, 용체화 열처리되고 급냉된 제품은 이어서, 침전-경화성 조건에 놓이거나, 후술되는 바와 같은 인공 에이징을 위해 준비된다. 본원에서 "용체화 열처리"란, 달리 언급되지 않는 한, 급냉을 포함한다. 다른 주조 제품 형태는, 에이징 전에 다른 유형의 냉간 변형으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 제품은 4 내지 6% 연신되고, 연신 전에 선택적으로 8 내지 16% 냉간 압연될 수 있다.
용체화 열처리 및 냉간 작업(필요한 경우) 후, 강도 및/또는 다른 특성을 개선하기 위해 상기 제품을 적절한 온도로 가열함으로써 인공 에이징시킬 수 있다. 하나의 접근에서, 열 에이징 처리는 2개의 주요 에이징 단계를 포함한다. 일반적으로, 제시된 처리 온도 또는 목적 처리 온도로 경사 상승시키고/시키거나 그로부터 경사 하강시키는 것 자체가, 상기 경사 조건 및 이의 침전 경화 효과를 전체 에이징 처리에 통합시킴으로써 고려될 수 있는(종종, 고려될 필요가 있는) 침전(에이징) 효과를 제공할 수 있음은 공지되어 있다. 하나의 실시양태에서, 제 1 에이징 단계는 200 내지 275℉ 범위의 온도에서 약 12 내지 17시간의 기간 동안 일어난다. 하나의 실시양태에서, 제 2 에이징 단계는 290 내지 325℉ 범위의 온도에서 약 16 내지 22시간의 기간 동안 일어난다.
상기 절차는 압출물 제조 방법과 관련된 것이지만, 당업자는 상기 합금의 시트/플레이트 및/또는 단련 제품을 제조하기 위해 과도한 실험 없이도 이러한 절차가 적합하게 변형될 수 있음을 인지할 것이다.
[실시예]
실시예 1
23 in 직경 × 125 in 길이의 2개의 잉곳을 주조하였다. 상기 잉곳의 대략적인 조성을 하기 표 4에 제시한다(모든 값은 중량%임). 이 합금의 밀도는 0.097 lb/in3이다.
[표 4]
Figure 112010042934030-pct00004
상기 2개의 잉곳을 응력 완화시키고, 각각 105 in 길이로 잘라내고, 초음파로 검사하였다. 강편을 다음과 같이 균질화시켰다:
930℉로 18시간 경사 상승;
930℉에서 8시간 유지;
946℉로 16시간 경사 상승;
946℉에서 48시간 유지
(-5℉, +10℉의 로(furnace) 요건).
이어서, 상기 강편을 다음 길이로 절단하였다:
43 in - 1개;
31 in - 1개;
30 in - 1개;
44 in - 1개.
압출 시험을 위한 최종 강편 제조(목적 직경으로 만듦)를 완료하였다. 압출 시험 방법은 4개의 대형 프레스 성형물 및 3개의 소형 프레스 성형물의 평가를 포함한다. 3개의 대형 프레스 성형물을 압출하여, 간접 압출 방법에 대한 압출 설정 및 물질 특성을 분석하고, 하나의 대형 프레스 성형물을 압출하여 직접 압출 방법에 대한 압출 설정 및 물질 특성을 분석하였다. 상기 평가를 위해 압출된 4개의 대형 프레스 성형물 중 3개의 두께는 0.472 in 내지 1.35 in 범위였다. 4번째 대형 프레스 성형물은 6.5 in 직경의 막대였다. 3개의 소형 프레스 성형물을 압출하여 간접 압출 방법에 대한 압출 설정 및 물질 특성을 분석하였다. 상기 소형 프레스 성형물의 두께는 0.040 in 내지 0.200 in 범위였다. 대형 프레스 압출은 4 내지 11 ft/분 범위의 속도였고, 소형 프레스 압출은 4 내지 6 ft/분 범위의 속도였다.
압출 공정에 이어서, 각각의 모 성형물을 개별적으로 열처리하고, 급냉시키고, 연신하였다. 열처리는 약 945 내지 955℉에서의 1시간 침지와 함께 수행되었다. 2.5%의 연신량을 목표로 하였다.
각각의 성형물에 대한 대표적인 에칭 조각(slice)을 조사하였으며, 0.001 내지 0.010 in 범위의 재결정 층을 발견하였다. 그러나, 더 얇은 소형 프레스 성형물 중 몇몇은 혼합된 그레인(재결정화된 것과 재결정화되지 않은 것) 미세구조를 나타냈다.
270 및 290℉에서 대형 프레스 성형물에 대한 단일 단계 에이징 곡선을 생성하였다. 결과는, 상기 합금이 높은 인성을 갖고 동시에 비교용 7xxx 제품(예컨대, 7150-T77511)의 정적 인장 강도에 육박함을 보여준다.
상기 합금의 강도를 더 개선하기 위하여, 다단계 에이징 실시를 개발하였다. 강도-인성 관계를 개선하기 위해 다단계 에이징 조합을 평가하고, 또한 공지된 고 강도 7xxx 합금의 정적 특성 목표를 달성하고자 노력하였다. 최종적으로 개발된 다단계 에이징 실시는 270℉에서 약 15시간 동안의 제 1 에이징 단계 및 약 320℉에서 약 18시간 동안의 제 2 에이징 단계를 포함한다.
템퍼(temper) 개발 동안 부식 시험을 수행하였다. 샘플 합금에 대해 ASTM G47 및 G49에 따라 LT/55 ksi 및 ST/25 ksi의 방향과 응력의 조합으로 응력 부식 균열(SCC) 시험을 수행하였다. 상기 합금은 심지어 155일 후에도 SCC 시험에 합격하였다.
또한, MASTMAASIS 시험(간헐적 염 분무 시험)을 수행하였으며, 단일 단계 및 다단계 에이징 실시용 T/10 및 T/2 평면에서 단지 약간의 박리를 발견하였다. MASTMAASIS 결과는, T/2 및 T/10 평면 모두에서 상기 합금이 "P" 등급을 가짐을 보여준다.
상기 합금을 다양한 두께에서 다양한 기계적 시험으로 처리하였다. 이 결과를 하기 표 5에 제시한다.
[표 5]
Figure 112014050481029-pct00016
상기 표 3에 제시한 바와 같이, 및 이러한 결과를 통해, 상기 합금은 통상적으로 압출된 합금 2099 및 2196에 비해 강도 및 인성의 조합의 개선을 달성하였다. 상기 합금은 또한, 통상적인 7xxx 합금(7055 및 7150)과 유사한 강도 및 인성을 달성하였지만, 훨씬 더 경량이었으며, 7xxx 합금에 비해 더 높은 비 강도를 제공하였다. 상기 신규 합금은 또한, 7xxx 합금에 비해 더 우수한 인장 모듈러스 및 압축 모듈러스를 달성하였다. 이러한 특성의 조합은 유일무이한 것이며, 기대하지 못한 것이다.
실시예 2
10개의 23 in 직경의 잉곳을 주조하였다. 상기 잉곳의 대략적인 조성을 하기 표 6에 제시한다(모든 값은 중량%임). 상기 합금의 밀도는 0.097 lb/in3이다.
[표 6]
Figure 112010042934030-pct00006
상기 잉곳을 응력 완화시키고, 주조물 1-A의 3개의 잉곳 및 주조물 1-B의 3개의 잉곳을 다음과 같이 균질화시켰다:
940℉에서 로(furnace) 설정 및 6개의 잉곳 모두를 상기 로에 충전;
925 내지 940℉에서 8시간 침지;
8시간 유지 후, 상기 로를 948℉로 재설정;
4시간 후, 상기 로를 955℉로 재설정;
940 내지 955℉에서 24시간 유지.
이 강편을 일정 길이로 절단하고, 목적 직경으로 만들었다. 상기 강편을 7개의 대형 성형물로 압출하였다. 이 성형물의 두께는 0.75 in 내지 7 in 두께 범위였다. 압출 속도 및 프레스 열 설정은, 3 내지 12 ft/분의 범위 및 약 690 내지 710℉ 내지 약 750 내지 810℉였다. 압출 공정 후, 각각의 모 성형물을 개별적으로 용체화 열처리하고, 급냉시키고, 연신하였다. 용체화 열처리는 압출 두께에 따라 30분 내지 75분 범위의 침지 시간 설정과 함께 945 내지 955℉를 목표로 하였다. 3%의 연신량을 목표로 하였다.
각각의 성형물에 대한 대표적인 에칭 조각을 검사하였으며, 재결정 층이 0.001 내지 0.010 in 범위임이 밝혀졌다. 다단계 에이징 사이클을 완료하여 강도 및 인성의 조합을 증가시켰다. 특히, 제 1 에이징 단계는 약 270℉에서 약 15시간 동안이었으며, 제 2 에이징 단계는 약 320℉에서 약 18시간 동안이었다.
샘플 합금에 대해 ASTM G47 및 G49에 따라 LT/55 ksi 및 ST/25 ksi(둘 모두 T/2 평면에 위치)의 방향 및 응력 조합으로 응력 부식 균열(SCC) 시험을 수행하였다. 상기 합금은 응력 부식 균열 시험을 통과하였다.
또한, ASTM G85-부속조항 2 및/또는 ASTM G34에 따라 MASTMAASIS 시험(간헐적 염 분무 시험)을 수행하였다. 상기 합금은 "P"의 MASTMAASIS 등급을 달성하였다.
응력-수명(S-N 또는 S/N) 피로 곡선을 수득하기 위해, T/2 평면에서 ASTM E466에 따라 노취 S/N 피로 시험을 수행하였다. 응력-수명 피로 시험은, 피로 개시 및 작은 균열 성장(이는 총 피로 수명의 주요 부분을 포함함)에 저항성인 물질의 특성을 분석한다. 따라서, S-N 피로 특성에서의 개선은, 부품이 설계 수명에 걸쳐 더 높은 응력에서도 조작될 수 있게 하거나, 동일한 응력에서 증가된 수명으로 조작될 수 있게 할 수 있다. 전자는, 소형화에 의한 상당한 중량 절감으로 해석될 수 있으며, 후자는 더 적은 점검 및 더 적은 지원 비용으로 해석될 수 있다.
이러한 S-N 피로 결과를 하기 표 7에 제시한다. 이 결과는, 노취 시험 쿠폰을 사용하여 3.0의 순 최대 응력 농도 인자(Kt)에 대해 수득되었다. 상기 시험 쿠폰은 도 4에 도시된 바와 같이 제조하였다. 상기 시험 쿠폰은 R = 0.1의 응력 비(최소 부하량/최대 부하량)에서 축방향으로 응력을 받았다. 상기 시험 주파수는 25 Hz였고, 상기 시험은 주위 실험시 공기 중에서 수행되었다.
도 4에 있어서, 잔류 응력을 최소화하기 위해, 노취는 다음과 같이 기계가공되어야 한다:
(i) 시편이 0.280 in가 될 때까지, 0.0005 in/회전으로 툴을 공급하고;
(ii) 툴을 밖으로 당겨, 칩을 파단시키고;
(iii) 최종 노취 직경을 위해 툴을 0.0005 in/회전으로 공급한다.
또한, 모든 시편은 탈지되고, 초음파로 세척되어야 하며, 유압식 그립이 사용되어야 한다.
상기 시험에 있어서, 상기 신규 합금은 산업 표준 7150-T77511 제품에 대해 피로 수명에서 상당한 개선을 나타내었다. 예를 들어, 표준 7150-T77511 합금의 전형적인 11,250 사이클에 비해, 상기 신규 합금은 35 ksi의 적용된 순 면적 응력에서 93,771 사이클의 수명(상기 응력에서 시험된 모든 시편의 log 평균을 기준으로)을 달성하였다. 7150-T77511 합금의 25 ksi의 순 응력에서 전형적인 45,500 사이클에 비해, 상기 합금은 27.5 ksi의 최대 순 응력으로서 3,844,742 사이클의 평균 수명을 달성하였다. 당업자는 피로 수명이 응력 농도 인자(Kt)뿐만 아니라 다른 인자, 예컨대 비제한적으로, 시편 유형 및 치수, 두께, 표면 제조 방법, 시험 주파수 및 시험 환경에 의존할 것임을 알 것이다. 따라서, 상기 신규 합금의 관찰된 피로 개선은 언급된 특정 시험 쿠폰 유형 및 치수에 대응하며, 수명 및 개선의 크기는 다를 수 있지만, 피로 시편의 다른 유형 및 크기에서도 이러한 개선이 관찰될 것으로 예상된다.
[표 7]
Figure 112014050481029-pct00017
상기 합금을 다양한 두께에서 다양한 기계적 시험으로 처리하였다. 이 결과를 하기 표 8에 제시한다.
[표 8]
Figure 112014050481029-pct00018
무활동 3.5% NaCl 용액 중에서 갈바닉 부식 시험을 수행하였다. 도 5는 상기 신규 합금의 갈바닉 부식 내성을 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 상기 신규 합금은, 합금 7150에 비해 50% 이상 더 낮은 전류 밀도를 달성하며, 개선의 정도는 전위에 따라 다소 다르다. 특히, 약 -0.7V 대 SCE의 전위에서, 상기 신규 합금은, 합금 7150에 비해 99% 이상 더 낮은 전류 밀도를 달성하며, 상기 신규 합금은 약 11 μA/cm2의 전류 밀도를 갖고, 합금 7150은 약 1220 μA/cm2의 전류 밀도를 갖는다[(1220-11)/1220 = 99.1% 더 낮음].
본 발명의 합금의 다양한 실시양태에가 자세히 기술되었지만, 당업자가 이러한 실시양태의 변형 및 적용을 생각해 낼 수 있음은 자명하다. 그러나, 상기 변형 및 적용이 본 발명의 진의 및 범주 내에 든다는 것을 분명히 이해해야 한다.

Claims (36)

  1. 3.4 내지 4.2 중량%의 Cu;
    0.9 내지 1.4 중량%의 Li;
    0.3 내지 0.7 중량%의 Ag;
    0.1 내지 0.6 중량%의 Mg;
    0.2 내지 0.8 중량%의 Zn;
    0.1 내지 0.6 중량%의 Mn;
    0.05 내지 0.15 중량%의 Zr;
    선택적으로, 0.20 중량% 이하의 Ti, 및 선택적으로 붕소, 탄소, 또는 탄소 및 붕소 둘다; 0.05 중량% 이하의 Ca; 0.05 중량% 이하의 Sr; 및 20 ppm 이하의 Be로부터 선택되는 1종 이상; 및
    잔부 알루미늄 및 불가피한 불순물
    로 이루어지고,
    86 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품(wrought aluminum alloy product).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이
    3.6 내지 4.1 중량%의 Cu;
    1.0 내지 1.3 중량%의 Li;
    0.3 내지 0.7 중량%의 Zn;
    0.4 내지 0.6 중량%의 Ag;
    0.2 내지 0.5 중량%의 Mg;
    0.1 내지 0.4 중량%의 Mn;
    0.05 내지 0.15 중량%의 Zr; 및
    잔부 알루미늄 및 불가피한 불순물
    로 이루어진, 단조 알루미늄 합금 제품.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이
    3.7 내지 4.0 중량%의 Cu;
    1.1 내지 1.2 중량%의 Li;
    0.4 내지 0.6 중량%의 Zn;
    0.4 내지 0.6 중량%의 Ag;
    0.25 내지 0.45 중량%의 Mg;
    0.2 내지 0.4 중량%의 Mn;
    0.05 내지 0.15 중량%의 Zr; 및
    잔부 알루미늄 및 불가피한 불순물
    로 이루어진, 단조 알루미늄 합금 제품.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 압출 제품이고 4% 연신량 이하의 누적 냉간 작업량(accumulated cold work)을 갖는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물이 Fe 및 Si를 포함하고, 상기 단조 알루미늄 합금 제품이 0.06 중량% 이하의 Si 및 0.08 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 갈바닉(galvanic) 부식 내성을 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  7. 제 4 항에 따른 단조 알루미늄 합금 제품을 포함하는 항공기 스파(spar).
  8. 제 4 항에 따른 단조 알루미늄 합금 제품을 포함하는 항공기 스트링거(stringer).
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 88 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 90 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 91 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 96 ksi 이상의 종방향 인장 항복 강도를 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 20 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성(strain fracture toughness)을 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 23 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성을 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 27 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성을 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 31 ksi√in 이상의 L-T 평면 변형 파단 인성을 나타내는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  17. (a) 3.4 내지 4.2 중량%의 Cu;
    0.9 내지 1.4 중량%의 Li;
    0.3 내지 0.7 중량%의 Ag;
    0.1 내지 0.6 중량%의 Mg;
    0.2 내지 0.8 중량%의 Zn;
    0.1 내지 0.6 중량%의 Mn;
    0.05 내지 0.15 중량%의 Zr;
    선택적으로, 0.20 중량% 이하의 Ti, 및 선택적으로 붕소, 탄소, 또는 탄소 및 붕소 둘다; 0.05 중량% 이하의 Ca; 0.05 중량% 이하의 Sr; 및 20 ppm 이하의 Be로부터 선택되는 1종 이상; 및
    잔부 알루미늄 및 불가피한 불순물
    을 포함하는 알루미늄 합금을 주조(casting)하는 단계;
    (b) (I) 알루미늄 합금 잉곳을 제 1 기간 동안 제 1 온도까지 가열하는 제 1 가열 단계로서, 상기 제 1 온도가 900℉ 이상이고 상기 알루미늄 합금 잉곳의 용융점보다 낮은 제 1 가열 단계; 및 (II) 알루미늄 합금 잉곳을 제 2 기간 동안 제 2 온도까지 가열하는 제 2 가열 단계로서, 상기 제 2 온도가 상기 제 1 온도보다 높고 상기 알루미늄 합금 잉곳의 용융점보다 낮은 제 2 가열 단계를 포함하는, 상기 알루미늄 합금을 균질화시키는 단계;
    (c) 상기 알루미늄 합금을 압출된 제품으로 압출시키는 단계;
    (d) 상기 압출된 제품을 용체화 열처리(solution heat treatment)하는 단계;
    (e) 상기 압출된 제품을 1 내지 4%만큼 냉간 작업하는 단계; 및
    (f) 상기 압출된 제품을 인공 에이징(artificial aging)시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제 5 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 3.7 내지 4.2 중량%의 Cu를 함유하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  19. 제 5 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 3.8 내지 4.2 중량%의 Cu를 함유하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 0.45 내지 0.8 중량%의 Zn을 함유하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 0.45 내지 0.55 중량%의 Zn을 함유하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 단조 알루미늄 합금 제품이 0.45 내지 0.7 중량%의 Ag을 함유하는, 단조 알루미늄 합금 제품.
  23. 삭제
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 가열 단계가 900 내지 940℉의 온도에서 수행되는, 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 가열 단계가 940 내지 955℉의 온도에서 수행되는, 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 기간이 2 내지 8시간인, 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 용체화 열처리하고 급냉시키는 단계 (d)가 상기 압출된 제품을 940 내지 955℉의 온도에서 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉간 작업하는 단계 (e)가 상기 압출된 제품을 냉간 작업하여 1.0 내지 3.0%의 누적 냉간 작업량을 달성하는, 방법.
  29. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉간 작업하는 단계 (e)가 상기 압출된 제품을 냉간 작업하여 1.0 내지 2.5%의 누적 냉간 작업량을 달성하는, 방법.
  30. 제 17 항에 있어서,
    상기 인공 에이징시키는 단계 (f)가
    상기 압출된 제품을 제 1 인공 에이징 온도에서 제 1 인공 에이징 기간 동안 에이징시키는 제 1 에이징 단계; 및
    상기 압출된 제품을 제 2 인공 에이징 온도에서 제 2 인공 에이징 기간 동안 에이징시키는 제 2 에이징 단계
    를 포함하되,
    상기 제 2 인공 에이징 온도가 상기 제 1 인공 에이징 온도와 상이한, 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 2 인공 에이징 온도가 상기 제 1 인공 에이징 온도보다 높은, 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 제 1 인공 에이징 온도가 200 내지 275℉인, 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 인공 에이징 온도가 290 내지 325℉인, 방법.
  34. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 인공 에이징 기간이 12 내지 17시간인, 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 2 인공 에이징 기간이 16 내지 22시간인, 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 1 인공 에이징 기간이 12 내지 17시간이고, 상기 제 2 인공 에이징 기간이 16 내지 22시간인, 방법.
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