KR102260797B1

KR102260797B1 - 알루미늄 구리 리튬 합금으로 제조된 외호면 구조 요소

Info

Publication number: KR102260797B1
Application number: KR1020157036093A
Authority: KR
Inventors: 아멜르 다니엘루; 갸엘 푸제; 크리스토프 시글리
Original assignee: 콩스텔리움 이수와르
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2021-06-07
Also published as: CA2915411C; BR112015031545A2; CN105324501B; US20160144946A1; BR112015031545B1; EP3011068B1; US11472532B2; EP3011068A1; FR3007423A1; CN105324501A; CA2915411A1; KR20160040464A; FR3007423B1; WO2015011346A8; WO2015011346A1

Abstract

본 발명은 알루미늄-구리-리튬 합금으로 제조된 외호면 구조적 요소와, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에서, 4.2~5.2 Cu, 0.9~1.2 Li, 0.1~0.3 Ag, 0.1~0.25 Mg, 0.08~0.18 Zr, 0.01~0.15 Ti, 선택적으로 최대 0.2 Zn, 선택적으로 최대 0.6 Mn, Fe 및 Si 함량을 각각 0.1% 이하, 각각의 함량이 0.05% 이하이며 총 함량이 0.15%인 기타 원소들, 잔부 알루미늄을 포함하는 조성(중량%)으로 된 합금이, 주입되고, 균질화되고, 열간 변형 및 선택적으로 냉간 변형되고, 적어도 515℃의 온도의 용액 내에 배치되고, 0.5~5% 당겨지고, 어닐링된다. 특히 마그네슘, 구리 및 망간의 함량과 용액 내의 온도와의 조합은 압축 한계 하에서 매우 유리한 탄성에 도달할 수 있다. 따라서, 두께가 적어도 12 ㎜인 본 발명에 따른 제품은 적어도 645 ㎫인 길이 방향의 압축 한계 하에서 탄성을 가지며, 적어도 7%인 길이 방향의 연신율을 갖는다.

Description

알루미늄 구리 리튬 합금으로 제조된 외호면 구조 요소{EXTRADOS STRUCTURAL ELEMENT MADE FROM AN ALUMINIUM COPPER LITHIUM ALLOY}

본 발명은 알루미늄-구리-리튬 합금 제품들에 관한 것이고, 더 구체적으로는 항공 및 항공 우주 공학을 위해 특별히 설계된 위와 같은 제품들, 그 제품들의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.

알루미늄 합금으로 제조된 제품은 특히 항공기 및 항공 우주 산업을 위해 설계된 고강도 부품을 생산하기 위해 개발된다.

리튬을 함유하는 알루미늄 합금은 이러한 점에서 큰 관심을 끌고 있는데, 리튬은 첨가된 리튬 중량의 매 퍼센트 당 알루미늄의 밀도를 3% 감소시킬 수 있고 탄성률을 6% 증가시킬 수 있기 때문이다. 항공기용으로 선택되는 이들 합금에 있어서, 다른 일반적인 특성들과 비교되는 그 합금들의 성능은, 특히, 일반적으로 서로 상반된 특성인, 정적 기계적 강도 특성(인장 및 압축 항복 응력, 극한 인장 강도)과 손상 허용 특성(파괴 인성, 피로 균열 전파에 대한 내력) 간의 절충의 관점에서, 보통 사용되고 있는 합금의 성능을 달성해야 한다. 상부 날개 표피와 같은 특정 부품의 경우, 압축 항복 응력은 좌굴 특성에 결정적이기 때문에 필수적인 특성이다. 특정 부품에 있어서, 이 특성은 부품의 크기 결정 및 그에 따른 중량을 위해 필수적이다.

또한, 이들 합금은, 일반적인 방법에 따라 형상을 성형할 수 있게 하고 그리고 일체로 기계 가공할 수 있도록 낮은 잔류 응력을 갖게 하면서도, 충분한 내식성을 가져야 한다.

미국 특허 제5,032,359호는 방대한 알루미늄-구리-리튬 합금 족을 개시하고 있는데, 이는 마그네슘 및 은이 특히 0.3 중량%~0.5 중량%의 범위로 첨가됨으로써 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.

미국 특허 제5,455,003호는, 특히 적절한 가공 경화와 시효에 의해, 극저온 온도에서 개선된 기계적 강도 및 파괴 인성을 갖는 Al-Cu-Li 합금을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 특히, 이 특허는 중량%로, Cu=3.0~4.5, Li=0.7~1.1, Ag=0~0.6, Mg=0.3~0.6, 및 Zn=0~0.75의 조성을 제안하고 있다.

미국 특허 제7,438,772호는, 중량%로, Cu: 3~5, Mg: 0.5~2, Li: 0.01~0.9를 포함하는 합금에 대해 개시하고 있는데, 높은 리튬 함량을 사용하는 것은 파괴 인성과 기계적 강도 간의 균형 저하 때문에 저지하고 있다.

미국 특허 제7,229,509호는, (중량%)로 (2.5~5.5) Cu, (0.1~2.5) Li, (0.2~1.0) Mg, (0.2~0.8) Ag, (0.2~0.8) Mn, 최대 0.4 Zr 또는 Cr, Ti, Hf, Sc, 및 V과 같은 기타 결정립 미세화제(grain-refining agent)를 포함하는 합금을 개시하고 있다.

미국 특허 출원 공개 2009/142222 A1호는, 중량%로, 3.4%~4.2%의 Cu, 0.9%~1.4%의 Li, 0.3%~0.7%의 Ag, 0.1%~0.6%의 Mg, 0.2%~0.8%의 Zn, 0.1%~0.6%의 Mn, 및 과립상 조직을 억제하기 위한 적어도 하나의 원소를 0.01%~0.6% 포함하는 합금에 대해 개시하고 있다. 이 미국 출원은 또한 압출 제품을 제조하는 방법에 대해서도 기술하고 있다.

국제 특허 출원 공개 W02009/036953호는, 중량%로, Cu 3.4~5.0, Li 0.9~1.7, Mg 0.2~0.8, Ag 약 0.1~0.8, Mn 0.1~0.9, Zn 최대 1.5, 그리고 (Zr 약 0.05~0.3, Cr 0.05~0.3, Ti 약 0.03~0.3, Sc 약 0.05~0.4, Hf 약 0.05~0.4)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소, Fe<0.15, Si<0.5, 통상적 및 불가피한 불순물을 포함하는 화학 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 제조된 구조 요소용 제품에 관한 것이다.

국제 특허 출원 공개 W02012/085359A2호는, 4.2~4.6 중량% Cu; 0.8~1.30 중량% Li; 0.3~0.8 중량% Mg; 0.05~0.18 중량% Zr; 0.05~0.4 중량% Ag; 0.0~0.5 중량% Mn; 최대 0.20 중량%의 Fe + Si; 0.20 중량% 미만의 Zn; Cr, Se, Hf 및 Ti로부터 선택된 적어도 하나의 원소로서, 선택된 경우, 그 선택된 원소의 양을 Cr 및 Se는 0.05~0.3 중량%, Hf는 0.05~0.5 중량%, Ti는 0.01~0.15 중량%; 기타 원소들을 총량을 0.15 중량%로 하여 각각 최대 0.05 중량%; 잔부 알루미늄을 포함하는, 알루미늄 함유 합금으로 제조된 압연 제품을 제조하는 방법으로서, 제조 단계, 주조 단계, 균질화 단계, 400℃보다 높은 온도에서 압연하는 단계, 고용화 열처리 단계, 담금질 단계, 2~3.5% 범위에서의 연신 단계, 및 인공 시효 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

미국 특허 출원 공개 US2012/0225271 A1호는, 3.00~3.80 중량% Cu, 0.05~0.35 중량% Mg, 0.975~1.385 중량% Li를 함유하되, -0.3×Mg-0.15Cu+1.65≤Li≤-0.3×Mg-0.15Cu+1.85로 하여 함유하고, 0.05~0.50 중량%의 적어도 1종의 입상 조직 억제 원소를 함유하며, 상기 입상 조직을 억제하는 원소는 Zr, Sc, Cr, V, Hf, 기타 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되고, 또한 최대 1.0 중량% Zn, 최대 1.0 중량% Mn, 최대 0.12 중량% Si, 최대 0.15 중량% Fe, 최대 0.15 중량% Ti, 기타 원소들을 총량이 0.35 중량%를 초과하지 않게 하여 최대 0.10 중량% 함유하며, 두께가 적어도 12.7 ㎜인, 전신 제품(wrought product)에 관한 것이다.

"높은 Cu:Li 체제의 Al-Cu-Li-Ag-Mg 합금의 용접성에 대한 조성의 효과"라는 논문(L. S Krammer, C. E. Cross, J. R. Pickens 공저; 제6차 국제 알루미늄-리튬 회의; 독일, 가미슈-파르텐키르헨; 1991년 10월 7일~11일)은 5~6.3% Cu, 1~1.9% Li, 0~0.4% Mg, 0~0.4% Ag, 및 0~0.1% Ti를 함유하는(단위: 중량%) 합금을 기술하고 있다.

공지된 제품의 특성들에 비해 개선된 특성들을 갖는 알루미늄-구리-리튬 합금으로 제조된 가공 제품에 대한 요구, 특히, 정적 기계적 저항 특성과 특히 매우 높은 압축 항복 응력 및 손상 허용 특성을 갖는 것, 특히 밀도는 낮으면서도 파괴 인성, 열 안정성, 및 충분한 내식성 및 가공성을 갖는 것 간의 절충의 관점에서, 공지된 제품의 특성들에 비해 개선된 특성들을 갖는 알루미늄-구리-리튬 합금으로 제조된 가공 제품에 대한 요구가 있다.

또한, 이들 제품을 신뢰성 있고 경제적으로 제조하는 방법에 대한 요구도 있다.

본 발명의 첫 번째 목적은 알루미늄 함유 합금으로 압출, 압연, 및/또는 단조 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 이 방법은,

a) 4.2~5.2 중량% Cu, 0.9~1.2 중량% Li, 0.1~0.3 중량% Ag, 0.1~0.25 중량% Mg, 0.08~0.18 중량% Zr, 0.01~0.15 중량% Ti, 선택적으로 최대 0.2 중량% Zn, 선택적으로 최대 0.6 중량% Mn, Fe 및 Si 함량을 각각 0.1 중량% 이하, 각각의 함량이 0.05 중량% 이하이며 총 함량이 0.15 중량%인 기타 원소들, 및 잔부 알루미늄을 포함하는 용탕욕을 준비하고,

b) 상기 용탕욕으로부터 초벌 형상을 주조하고;

c) 상기 초벌 형상을, 그 초벌 형상의 중간 두께의 온도가 적어도 10시간 동안 적어도 510℃에 도달하게 되는 열처리에 의해 균질화시키고;

d) 상기 초벌 형상을 열간 가공하고, 선택적으로 냉간 가공하고, 그 다음 압출, 압연, 및/또는 단조 제품으로 균질화시키고;

e) 상기 제품을 적어도 515℃의 온도에서 고용화 열처리하여 담금질하고;

f) 상기 제품이 0.5~5%의 영구 변형으로 제어된 연신을 받게 하고;

g) 상기 제품을 5~70시간 동안 140~170℃의 온도까지 가열하여 시효시키는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어질 수 있는 것이며, 두께가 적어도 12 ㎜이고, 길이 방향의 압축 항복 응력이 적어도 645 ㎫이고, 길이 방향의 연신율이 적어도 7%인, 알루미늄 합금으로 제조된 압출, 압연, 및/또는 단조 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 적어도 하나의 제품이 통합되어 있거나 또는 그 제품으로부터 제조된, 상부 날개 표피 구조적 요소를 제공하는 것이다.

도 1은 실시예 1의 판에 있어서의 압축 항복 응력과 파괴 인성 간의 특성 절충을 보이고 있는 도면이다.
도 2는 개방 구멍 피로 시험에 사용되는 시험편의 도해 도면이다. 치수는 ㎜ 단위로 주어짐.
도 3은 합금 2, 합금 4, 합금 5를 가지고 L-T 방향에서 얻은 뵐러(Woehler) 곡선이다.

달리 명시되지 않는 한, 합금의 화학 조성에 관한 모든 표시는 합금의 총 중량을 기준으로 하여 중량%로 표현된다. 1.4 Cu라는 표현은 중량%로 표현된 구리 함량에 1.4 곱한 것을 의미한다. 합금의 명칭은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 알루미늄 협회(The Aluminium Association)의 규칙을 준수한다. 밀도는 조성에 따라 좌우되며, 중량 측정 방법에 의해 결정되기 보다는 계산에 의해 결정된다. 값은 "알루미늄 표준 및 데이터"의 2-12 및 2-13 페이지에 설명되어 있는 알루미늄 협회의 규칙을 준수하여 계산된다. 금속적 성질의 정의는 유럽 표준 EN 515에 표시되어 있다.

연신 하에서의 정적 기계적 특성, 다른 용어로는, 극한 인장 강도 R_m, 0.2%의 연신율에서의 통상의 항복 응력 R_p0 _.2, 및 파열 시의 연신율 A%는 NF EN ISO 6892-1에 따른 인장 시험에 의해 결정되며, 시험의 샘플 채취 및 방향은 EN 485-1 표준에 의해 정의된다. 압축 항복 응력은 표준 ASTM E9에 따라 0.2%의 압축에서 측정하였다.

응력 확대 계수(K_Q)는 표준 ASTM E 399에 따라 결정된다. 표준 ASTM E 399는 K_Q가 K_1C의 유효한 값인지 결정할 수 있게 하는 기준을 제공한다. 주어진 시험편의 형상에 있어서, 다양한 재료에 대해 얻어진 K_Q의 값은 재료의 항복 응력이 동일한 수준의 크기인 한은 서로 비교될 수 있다.

개방 구멍 시험편의 피로 특성은 L-T 방향에서 판의 중심 및 중간 두께에서 취한 Kt=2.3인 도 2에 도시된 시험편에 대해, 대기 중에서 응력 수준을 변화시키면서, 50 ㎐의 주파수 및 R=0.1의 응력비에서 측정된다. 100,000 사이클에서 50%의 비파열을 나타내는 최대 응력 값을 결정하는 데 워커 방정식이 사용되었다. 이렇게 하기 위해, 뵐러 곡선의 각 점에 대한 피로 품질 지수(IQF)가 다음 식을 가지고 계산된다.

여기서 σ_max는 주어진 샘플에 적용된 최대 응력이고, N은 파열까지의 사이클 수이며, N₀는 100,000, n=-4.5이다. 100,000 사이클 동안의 중간, 또는 50%의 파열에 해당하는 IQF가 보고된다.

본 발명의 체제 내에서, 인장 하에서의 정적 기계적 특성, 압축 항복 응력, 그리고 응력 확대 계수는 제품의 중간 두께에서 측정된다.

달리 명시하지 않는 한, 표준 EN 12258의 정의가 적용된다.

본 발명에 따르면, 마그네슘 함량을 공지의 함량에 비해 적어도 0.3 중량%만큼 줄이고 이와 동시에 고용화 열처리 온도를 증가시킴으로써, 구리 함량이 4.2~5.2 중량%의 범위이고 리튬 함량이 0.9~1.2 중량%의 범위인 알루미늄-구리-리튬-마그네슘 합금의 압축 항복 강도를 향상시킬 수 있다. 정적 기계적 특성의 감소 결과가 예상되는 마그네슘 함량의 감소는, 놀랍게도, 본 발명의 합금에 있어서는 그 정적 기계적 특성이 증가되게 한다.

본 발명에 따른 합금은 4.2~5.2 중량%의 Cu를 함유한다. 최소 구리 함량인 4.3 중량%, 바람직하게 4.4 중량%는 높은 정적 기계적 특성을 얻는 데 유리하다. 최대 구리 함량인 5.0 중량%, 바람직하게는 4.8 중량%는 충분한 연신율 및 파괴 인성을 얻는 데 유리하다.

본 발명에 따른 합금은 0.9~1.2 중량%의 Li를 함유한다. 최소 리튬 함량인 1.0 중량%, 바람직하게는 1.03 중량%는 높은 정적 기계적 특성을 얻는 데 유리하다. 최대 리튬 함량인 1.15 중량%, 바람직하게는 1.10 중량%는 충분한 연신율 및 파괴 인성을 얻는 데 유리하다.

본 발명에 따른 합금은 0.1~0.25 중량%의 Mg를 함유한다. 최소 마그네슘 함량인 0.15 중량%, 바람직하게는 0.20 중량%는 높은 정적 기계적 특성을 얻는 데 유리하다. 최대 마그네슘 함량인 0.24 중량%는 고용화 열처리 온도를 더 증가시키는 데 유리하다. 본 발명자들에 의하면, 본 발명에 따른 마그네슘 함량은 고상선 온도를 증가시키는 결과를 낳고, 이에 따라 고용화 열처리 온도가 증가하게 하고, 그래서 구리의 고용화 열처리 온도 및 시효 후에 경화되는 상의 분율이 향상되게 하는 것이 가능하다고 한다. 본 발명에 따른 합금에 의해서 성형성과 적어도 7%의 잔류 연신율을 유지하면서 얻어지는 매우 높은 인장 및 압축 항복 응력은, (때로는 압출 제품의 경우에는 700 ㎫을 초과함,) 구리의 우수한 고용화 열처리와 아마도 현저하게 연관된다.

본 발명에 따른 합금은 0.1~0.3 중량%의 Ag를 함유한다. 최소 은 함량은 0.15 중량%, 바람직하게는 0.20 중량%가 유리하다. 최대 은 함량은 0.25 중량%가 유리하다. 본 발명자들이 생각하기로는, 예상되는 것과는 달리, 비교적 낮은 은 함량은 고용화 열처리 온도가 증가되게 하면서 정적 기계적 강도를 더 증가시킨다.

본 발명에 따른 합금은 0.08~0.18 중량%의 Zr을 함유한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 합금은 0.11~0.18 중량%의 Zr을 함유한다. 최소 지르코늄 함량은 0.13 중량%가 유리하다. 최대 지르코늄 함량은 0.17 중량%가 유리하다. 본 발명에 따른 합금은 0.01~0.15 중량%의 Ti를 함유한다. 최소 티타늄 함량은 0.02 중량%가 유리하다. 최대 티타늄 함량은 0.1 중량%, 바람직하게는 0.05 중량%가 유리하다.

지르코늄 및 티타늄의 첨가는 본질적으로 재결정되지 않은 조직-유리한 것임-을 얻는 데 기여한다. 또한, 티타늄의 첨가는 주조 중 과립상 조직을 제어하는 데 도움을 준다.

선택적으로, 본 발명에 따른 합금은 최대 0.2 중량%의 아연을 함유한다. 본 발명의 일 실시예에서, 아연 함량은 0.05 중량% 미만이다.

선택적으로, 본 발명에 따른 합금은 최대 0.6 중량%의 망간을 함유한다. 다른 바람직한 실시예에서, 망간 함량은 0.2 중량%~0.5 중량%의 범위, 바람직하게는 0.3 또는 딱 0.35~0.45 중량%의 범위에 있다. 판 제조에 있어서, 망간 첨가는 압축 항복 응력과 파괴 인성을 향상시키는데, 그 중에서도 특히, 유리한 L-T 방향에서의 압축 항복 응력과 파괴 인성을 향상시킨다. 압출에 의해 섹션들을 제조함에 있어서, 망간 첨가는 또한 T-L 방향의 파괴 인성을 현저하게 향상시킨다. 다른 실시예에서, 망간 함량은 압출에 의한 특정 섹션의 제조에 있어서는 0.05 중량% 미만인 것이 유리할 수 있다.

본 발명에 따른 합금의 Fe 및 Si 함량은 각각 0.1 중량% 이하이고, 바람직하게는 철 함량은 0.06 중량% 미만이고, 규소 함량은 0.04 중량% 미만이다. 기타 원소들은 각각 0.05 중량% 이하이고 그 총량은 0.15 중량% 이하이며 잔부는 알루미늄이다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 본 발명에 따른 조성으로 용탕욕이 준비되고, 그 다음 상기 용탕욕으로부터 압연 슬래브, 압출 빌렛, 또는 단조 블랭크와 같은 초벌 형태가 주조된다.

본 발명에 따른 방법은 주조 슬래브의 스캘핑(scalping) 또는 응력 제거 열처리와 같은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 단계들을 포함한다. 상기 초벌 형상은, 그 초벌 형상의 중간 두께의 온도가 적어도 10시간 동안 적어도 510℃에 도달하게 되는 열처리에 의해 균질화된다. 낮은 함량의 마그네슘 및 은에 현저하게 기인하는 본 발명에 따른 합금은 초기 용융(incipient melting)이라고도 알려져 있는 부분적인 국부 용융을 유발함이 없이 균질화가 고온에서 수행될 수 있게 한다. 초벌 형상의 중간 두께의 온도는 적어도 10시간 동안 적어도 515℃에 도달하는 것이 유리하다. 바람직하게는, 상기 균질화는 적어도 두 단계, 즉 전형적으로 적어도 10시간 동안 495℃~505℃의 범위의 온도에서 행하는 적어도 제1 단계와 적어도 10시간 동안 적어도 515℃의 온도에서 행하는 적어도 제2 단계로 수행하거나, 혹은 느린 승온 속도, 즉 전형적으로 490℃에서 시작하여 10℃/시간 미만, 바람직하게는 6℃/시간의 승온 속도로 수행한다.

상기 균질화 후에, 상기 초벌 형상을 압출, 압연, 및/또는 단조 제품으로 열간 가공하고, 선택적으로 냉간 가공한다. 상기 열간 가공 온도는 전형적으로는 적어도 350℃, 바람직하게는 적어도 400℃이다.

그 다음 상기 제품을 적어도 515℃, 바람직하게는 520℃, 특정 경우에서는 적어도 522℃의 온도에서 고용화 열처리한다. 상기 고용화 열처리의 지속 시간은 제품의 중간 두께에서 고용화 열처리 온도가 도달되도록 제품의 두께에 맞추어지는데, 바람직하게는 1시간 동안이다. Cu, Li, Zr, Ti, Zn 및 Mn과 관련하여 본 발명에 따른 합금의 조성과 유사한 조성을 가지지만 높은 Mg 및 Ag 함량을 갖는 합금에 의하면 이와 같은 높은 온도에서 고용화 열처리를 수행하는 것이 기술적으로 가능하지만, 이는 초기 용융으로 인해 기계적 특성의 저하로 이어지고, 연신 및 파괴 인성이 현저하게 감소된다. 고용화 열처리의 최대 온도는 열간 가공 단계에서 제조된 제품에 대해서 시차 주사 열량계(DSC: differential scanning calorimetry)에 의해 산정될 수 있다. 본 발명에 따른 합금의 장점은 초기 용융의 위험 없이 고용화 열처리를 위해 사용될 수 있는 최대 온도에 도달되는 것인데, 그 승온 속도는 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 그의 지식에 따라 제품의 형상에 맞추게 된다. 바람직하기로는, 고용화 열처리가 단일 단계로 수행되는 경우에는 그 열처리 온도는 530℃ 미만이다. 그러나, 본 발명자들은, 본 발명에 따른 합금에 의하면, 515℃~520℃의 범위의 제1 단계와 적어도 530℃, 바람직하게는 적어도 535℃의 제2 단계로 고용화 열처리를 수행할 수 있고, 또한 연신과 항복 응력 간의 절충을 현저하게 얻을 수 있다는 것을 관찰했다.

고용화 열처리 후 제품을 담금질하는데, 전형적으로는 상온에서 물에 침지시키거나 물을 분무시켜서 담금질한다. 고용화 열처리되고 담금질된 제품은, 그 다음, 제어된 연신에 의해 0.5~5%의 영구 변형으로 응력 제거된다. 압축 항복 강도와 파괴 인성 간의 절충의 향상을 촉진하는 일 실시예에서, 제어된 연신에 의한 응력제거풀림(stress relieving)은 2% 미만의 영구 변형, 유리하기로는 0.5~1.5%의 영구 변형으로 수행된다. 영구 변형을 적당하게 한 이 실시예는 긴 시효 기간이 필요한 단점이 있을 수 있고, 상기 방법의 생산성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 상기 방법의 생산성을 촉진하는 다른 실시예에서, 제어된 연신에 의한 응력제거풀림은 2%~4%의 영구 변형으로 수행된다. 상기 연신된 제품을 그 다음 5~70시간 동안 140~170℃의 온도에서 가열함으로써 시효시킨다. 시효는 하나 이상의 단계에서 수행될 수 있다. 제어된 연신에 의한 응력제거풀림이 2% 미만의 영구 변형으로 수행되는 실시예에서, 시효는 150~160℃에서 40~60 시간 동안 수행된다. 제어된 연신에 의한 응력제거풀림이 2%보다 큰 영구 변형으로 수행되는 실시예에서, 시효는 150~160℃에서 10~40 시간 동안 수행된다.

이렇게 얻어진 제품은 바람직하게는 근본적으로 재결정되지 않은 과립상 조직을 갖는다. 본 발명의 범위 내에서, 근본적으로 재결정되지 않은 과립상 조직이라 함은, 1/4~1/2 두께 범위의 재결정 비율이 30% 미만, 바람직하기로는 20% 미만이 되도록 한 과립상 조직을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명에 따른 제품은 바람직하게는 적어도 12 ㎜의 두께를 갖는다. 압출 제품의 두께는 표준 EN 2066:2001에 따라 결정되는데, 단면은 치수 A와 B의 기본적인 직사각형으로 분할되고, 여기서 A는 항상 기본 직사각형의 최대 치수이고, B는 기본 직사각형의 두께로 간주된다. 기부는 최대 치수 A를 갖는 기본 직사각형이다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 제품의 두께는 최소 15 ㎜이고, 50 ㎜ 미만이다.

본 발명에 따른 방법, 그 중에서도 특히 본 발명에 따른 조성과 본 발명에 따른 균질화 및 고용화 열처리가 조합된 본 발명에 따른 방법은, 두께가 적어도 12 ㎜이고, 길이 방향의 압축 항복 응력이 적어도 645 ㎫, 바람직하기로는 650 ㎫이고, 길이 방향의 연신율이 적어도 7%, 바람직하기로는 적어도 8%인, 압출, 압연, 및/또는 단조 알루미늄 합금 제품이 얻어질 수 있게 한다. 본 발명에 따른 압출 제품은 유리하기로는 적어도 680 ㎫의 L 방향의 압축 항복 응력, 적어도 680 ㎫의 L 방향의 인장 항복 응력, 및 적어도 17 ㎫√m의 파괴 인성 K_Q(T-L)을 갖는다. 망간의 함량이 0.2~0.5 중량%인 본 발명에 따른 압출 제품은 유리하기로는 적어도 720 ㎫의 L 방향의 압축 항복 응력, 적어도 710 ㎫의 L 방향의 인장 항복 응력, 및 적어도 18 ㎫√m의 파괴 인성 K_Q(T-L)을 갖는다.

두께가 적어도 20 ㎜인 본 발명에 따른 압연 제품은 유리하기로는 적어도 650 ㎫의 L 방향의 압축 항복 응력과, 적어도 18 ㎫√m의 파괴 인성 K_Q(L-T)를 갖는다. 망간의 함량이 0.2~0.5 중량%인 유리한 실시예에서, 두께가 적어도 20 ㎜인 본 발명에 따른 압연 제품은 적어도 653 ㎫, 바람직하기로는 적어도 655 ㎫의 L 방향의 압축 항복 응력과, 적어도 20 ㎫√m의 파괴 인성 K_Q(L-T)를 갖는다. 유리하기로는, 두께가 적어도 20 ㎜인 본 발명에 따른 압연 제품은 또한, 개방 구멍 시험편에서 유리한 피로 특성을 가지는데, Kt=2.3인 도 2에 따른 개방 구멍 시험편에 대해 값 R=0.1로 하여 대기 중에서 50 ㎐의 주파수에서 얻어진 피로 품질 지수 IQF는 T-L 방향에서 적어도 200 ㎫, 바람직하게는 적어도 210 ㎫이다.

본 발명에 따른 적어도 하나의 제품이 통합되어 있거나 또는 그 제품으로부터 제조된, 상부 날개 표피 구조적 요소들은 유리하다. 여기서, 기계적 구성의 "구조적 요소"라 함은 정적 및/또는 동적 기계적 특성들이 그 구조체의 성능에 특히 중요하며 또한 일반적으로 구조 해석이 지시되거나 또는 수행되는 기계 부품을 가리킨다. 전형적으로, 이들은 고장으로 인해 상기 기계적 구성, 그의 사용자, 또는 그 밖의 다른 것들의 안전을 위협할 가능성이 있는 요소들이다. 상기 상부 날개 표피 구조적 요소들은 상부 날개 표피와, 상부 날개 스트링거(stringer) 또는 보강재(stiffener)를 포함한다.

실시예

실시예 1

이 실시예에서, 치수가 406×1,520 ㎜이고 조성이 표 1에 제시되어 있는 판을 다섯 장 주조하였다. 합금 1, 합금 2, 합금 3은 본 발명에 따른 조성을 갖는다. 합금 4 및 합금 5는 참조 조성(reference composition)을 갖는다.

[표 1]: 조성(중량%)

슬래브들을 균질화하였다. 초기 용융없이 최대 균질화에 도달할 수 있도록 하기 위해, 예비 시차 열량계(differential calorimetry) 시험 후, 여러 가지 슬래브에 대해 다양한 조건을 사용하였다. 합금 1, 합금 2, 합금 3으로 만들어진 슬래브들을 500℃에서 15시간 균질화하였고, 그 다음 516℃에서 16시간 균질화하였다. 슬래브 4 및 슬래브 5는 492℃에서 15시간 균질화하였다.

25 ㎜ 두께의 판을 얻기 위해, 슬래브를 420℃ 이상의 온도에서 열간 압연하였다. 열간 압연 후, 고용화 열처리 온도를 결정하기 위해 시차 열량계 시험을 다시 수행하였다.

본 발명에 따른 판들은 적어도 515℃의 고용화 열처리 온도를 견딜 수 있었고, 반면에 참조 판들은 그 온도에서 초기 용융의 위험이 있고 515℃ 아래의 고용화 열처리 온도가 필요했다는 것으로 나타났다. 판들은 516℃(합금 1~합금 3), 512℃(합금 4), 509℃(합금 5)에서 약 5시간 동안 고용화 열처리되었고, 그 다음 20℃물로 담금질되었다. 그 다음, 합금 1 및 합금 2로 제조된 판을 약 3% 분획하였다. 합금 4 및 합금 5로 제조된 판을 약 4% 분획하였다.

155℃에서 다양한 시효 조건들을 거친 후 얻어진, 중간 두께에서 측정된 정적 기계적 특성이, 표 2에 제시되고 도 1에 표시된다. 파괴 인성 측정에 사용되는 시험편은 폭 W=40 ㎜, 두께 B=20 ㎜였다.

[표 2]: 중간 두께에서 측정된 기계적 특성

실시예 2

이 실시예에서는, 열간 압연 후에 샘플 채취된, 합금 2로 제조된 판에 대해 고용화 열처리 조건들을 다양하게 하였다. 물에 의한 담금질이 후속되는 고용화 열처리를 표 3에 나타낸 시간 및 온도 조건으로 수행하였다. 담금질 후, 얻어진 판들을 3%의 영구 연신율로 연신하여 응력풀림처리를 하고, 155℃에서 25시간 동안 시효시켰다.

중간 두께에서 L 방향의 연신을 통해 얻어진 기계적 특성이 표 3에 제공된다.

[표 3]: 다양한 고용화 열처리 조건들에 대한, 중간 두께에서 L 방향의 연신 하에서의 기계적 특성

본 발명에 따른 판으로는, 고용화 열처리 온도를 상당히 증가시킬 수 있고, 증가된 경화 잠재성으로부터 이익을 얻을 수 있다.

실시예 3

이 실시예에서는, 직경이 139 ㎜인 빌렛을 합금 1 및 합금 2로 제조된 슬라브에서 샘플 채취하였다. 빌렛을 515℃에서 균질화시키고, 460℃에서 치수가 54.6×16 ㎜인 바의 형태로 압출하였고, 그 다음 520℃에서 4시간 고용화 열처리하고, 물로 담금질했다. 이렇게 얻어진 바를 3%의 영구 연신율로 연신하고, 그 다음 155℃에서 15시간 또는 25시간 시효시켰다.

중간 두께에서 L 방향으로 측정된 기계적 특성이 표 4에 제공된다. 파괴 인성 측정에 사용되는 시험편은 폭 W=25 ㎜, 두께 B=12.5 ㎜였다.

[표 4]: 합금 1 및 합금 2로 제조된 섹션들에서 얻어진 기계적 특성

실시예 4

이 실시예에서, 합금 2로 만들어진 두께 25 ㎜의 판에 대해 제어된 연신 조건들을 다양하게 하였고, 516℃에서 5시간 동안 고용화 열처리하였고, 20℃의 물로 담금질하였다. 판은 1%, 2.1%, 3.5% 또는 4.5%의 영구 연신율로 제어된 연신을 거쳤다. 각 영구 연신율에 대한 압축 항복 강도와 파괴 인성 사이의 최적의 절충을 찾기 위해, 시효를 155℃에서 각기 다른 시효 지속 시간 동안 수행했다.

얻어진 결과를 표 5에 제공했다. 파괴 인성 측정에 사용되는 시험편은 폭 W=40 ㎜, 두께 B=20 ㎜였다.

[표 5]: 각종의 제어된 연신 및 담금질 조건들을 위한 중간 두께에서의 L 방향의 기계적 특성

* 155℃에서 35 시간의 시효에 있어서의 측정치 645 ㎫와 155℃에서 50시간의 시효에 있어서의 측정치 657 ㎫와의 사이에서 선형 보간법에 의해 얻은 값임.

영구 연신율이 1%인 제어된 연신에 의하면, 상기 방법의 생산성에는 바람직하지 않은 155℃에서의 45시간의 시효 지속 시간에서는, 압축 항복 응력과 파괴 인성 간의 특히 바람직한 절충이 얻어진다.

실시예 5

이 실시예에서는, 실시예 1의 합금 2, 합금 4, 합금 5에 있어서의 개방 구멍 시험편에 대해 피로 특성을 평가하였다. 두께 25 ㎜의 판을 실시예 1에 기재된 바와 같이 압연하고, 고용화 열처리하고, 연신하였다. 합금 2로 제조된 판을 155℃에서 25시간 시효시켰고, 합금 4 및 합금 5의 판을 155℃에서 22시간 시효시켰다.

개방 구멍 시험편의 피로 특성이, L-T 방향에서 판의 중심 및 중간 두께에서 취한 Kt=2.3인 도 2에 도시된 시험편에 대해, 대기 중에서 응력 수준을 변화시키면서, 50 ㎐의 주파수 및 R=0.1의 응력비에서 측정되었다.

대응하는 뵐러 곡선이 도 3에 도시되어 있다. 피로 품질 지수 IQF를 계산하였고, 그 결과는 표 6에 제공된다.

[표 6]: 피로 시험 결과

합금 2로 제조된 본 발명에 따른 제품은 합금 4 및 합금 5로 제조되는 참조 제품에 비해 상당히 향상된 IQF를 갖는다.

Claims

알루미늄 합금으로 제조된 압출, 압연, 또는 단조 제품 또는 압연 및 단조 제품으로서,
a) 4.2~5.2 중량% Cu, 0.9~1.2 중량% Li, 0.1~0.3 중량% Ag, 0.1~0.25 중량% Mg, 0.08~0.18 중량% Zr, 0.01~0.15 중량% Ti, 각각의 함량이 0.1 중량% 이하인 Fe 및 Si, 각각의 함량이 0.05 중량% 이하이며 총 함량이 0.15 중량% 이하인 기타 원소들, 및 잔부 알루미늄을 포함하는 용탕욕을 준비하고;
b) 상기 용탕욕으로부터 초벌 형상을 주조하고;
c) 상기 초벌 형상을, 적어도 10시간 동안 그 초벌 형상의 중간 두께의 온도가 적어도 510℃에 도달하게 되는 열처리에 의해 균질화시키고;
d) 균질화된 초벌 형상을 열간 가공 및 냉간 가공하여 압출, 압연, 또는 단조 제품으로 하고;
e) 상기 제품을 적어도 515℃의 온도에서 고용화 열처리하여 담금질하고;
f) 상기 제품이 0.5~5%의 영구 변형으로 제어된 연신을 받게 하고;
g) 상기 제품을 5~70시간 동안 140~170℃의 온도까지 가열하여 시효시키는 것을 포함하는 방법에 의해 제조되며,
두께가 적어도 12 ㎜이고, 길이 방향의 압축 항복 응력이 적어도 645 ㎫이고, 길이 방향의 연신율이 적어도 7%인 것인 제품.
제1항에 있어서, 상기 용탕욕은 4.2~5.2 중량% Cu, 0.9~1.2 중량% Li, 0.1~0.3 중량% Ag, 0.1~0.25 중량% Mg, 0.08~0.18 중량% Zr, 0.01~0.15 중량% Ti, 최대 0.2 중량% Zn, 최대 0.6 중량% Mn, 각각 0.1 중량% 이하인 Fe 및 Si, 각각의 함량이 0.05 중량% 이하이며 총 함량이 0.15 중량% 이하인 기타 원소들, 및 잔부 알루미늄을 포함하는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 구리 함량이 4.3~5.0 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 리튬 함량이 1.0~1.15 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 마그네슘 함량이 0.15~0.24 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 망간 함량이 0.2~0.5 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 은 함량이 0.15~0.25 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용탕욕의 지르코늄 함량이 0.11~0.18 중량%의 범위에 있는 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고용화 열처리 온도가 적어도 520℃인 것인 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제어된 연신에 의한 응력제거풀림(stress relieving)이 2% 미만의 영구 변형으로 수행되는 것인 제품.
삭제
제1항에 따른 압출 제품으로서, L 방향의 압축 항복 응력이 적어도 680 ㎫이고, L 방향의 인장 항복 응력이 적어도 680 ㎫이며, 파괴 인성 K_Q(T-L)이 적어도 17 ㎫√m인 것인 압출 제품.
제12항에 따른 압출 제품으로서, 망간의 함량이 0.2~0.5 중량%이고, L 방향의 압축 항복 응력이 적어도 720 ㎫이고, L 방향의 인장 항복 응력이 적어도 710 ㎫이며, 파괴 인성 K_Q(T-L)이 적어도 18 ㎫√m인 것인 압출 제품.
제1항에 따른 압연 제품으로서, 그 두께가 적어도 20 ㎜이고, L 방향의 압축 항복 응력이 적어도 650 ㎫이고, 파괴 인성 K_Q(L-T)이 적어도 18 ㎫√m인 것을 특징으로 하는 압연 제품.
제14항에 따른 압연 제품으로서, 망간의 함량이 0.2~0.5 중량%이고, L 방향의 압축 항복 응력이 적어도 653 ㎫이고, 파괴 인성 K_Q(L-T)이 적어도 20 ㎫√m인 것인 압연 제품.
제1항에 따른 적어도 하나의 제품이 통합되어 있거나 또는 그 제품으로부터 제조된, 상부 날개 표피 구조적 요소.