NL9400939A - Dikke plaat van een aluminium legering met verbeterde vermoeiingseigenschappen en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

DIKKE PLAAT VAN EEN ALUMINIUM LEGERING MET VERBETERDE VERMOEIINGSEIGENSCHAPPEN EN WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN DAARVAN

De uitvinding heeft betrekking op een plaat van een aluminium legering met een dikte van meer dan 2 inch met een gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur van meer dan 100.000 cycli bij een maximum spanningsamplitude van 35 Ksi, bij een frequentie van 10 Hertz en bij een spanningsverhouding R - 0,1 gemeten bij een proefstaaf met een diameter van b inch en een parallelle meetlengte van 2 inch en overigens zoals hierin gedefinieerd. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze die speciaal is aangepast voor het vervaardigen van zulk een plaat.

Dikke plaat van het bovengenoemde type vindt vooral toepassing in de vliegtuigindustrie. Daarbij worden eisen gesteld aan de vermoeiingseigenschappen. Veelal wordt een gemiddelde logaritmische levensduur van 100.000 cycli en een minimum levensduur van 80.000 cycli geëist bij 35 Ksi (241 MPa), 10 Hertz en R - 0,1 volgens ASTM E 466. In het kader van deze aanvragen dient onder vermoeiingslevensduur te worden verstaan de zogenaamde "constant amplitude smooth axial fatigue" waarbij de proefstaven in de LT-(L°ng Iransfer - breedte)richting zijn gekomen en waarbij voor de bepaling van de gemiddelde logaritmische levensduur tenminste vier proefstaven worden getest. Aan deze eisen is voor plaat met een dikte van meer dan 2 inch soms moeilijk te voldoen. In de praktijk is gebleken dat de levensduur van dikke plaat bij toenemende dikte afneemt. Over de oorzaak van dit verschijnsel is weinig bekend. De oorzaak wordt gezocht in de microstructuur van de plaat en wel in het bijzonder bij niet-metallische insluitsels en bij microporiën. Uit de stand van de techniek zijn echter geen eisen bekend waaraan de microstructuur van een dikke plaat moet voldoen om een hoge levensduur te hebben. Ook zijn er geen maatregelen bekend om een plaat met een hoge levensduur te vervaardigen.

Niettemin is een hoge levensduur bij dikke plaat van groot belang omdat daarmee gewichtsbesparingen kunnen worden bereikt in die gevallen waarin de vermoeiingseigenschappen van de plaat bepalend zijn.

Het doel van de uitvinding is een dikke plaat van een aluminium legering te verschaffen met verbeterde vermoeiingseigenschappen.

Een ander doel van de uitvinding is een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een dikke plaat van een aluminium legering met verbeterde vermoeiingseigenschappen.

Dit wordt volgens de uitvinding bereikt met een plaat waarbij de dichtheid van microporiën met een afmeting groter dan 80 μηι op alle plaatsen op de middenvlak (T/2) positie van de gerede plaat gemeten met Optische Microscopie (OM) in enig vlak loodrecht op het plaatoppervlak minder is dan 0,025 microporiën per cm2. Het is aanvraagster uit onderzoek gebleken dat bij een dikke plaat de microporiën als gevolg van krimp bepalend zijn voor de levensduur. Deze microporiën komen vooral voor in de middenvlak (T/2) positie van de gerede plaat. Niet bepalend zijn vooralsnog bij het onderhavige niveau van de levensduur de niet-metallische insluitsels. Gevonden werd verder dat niet alleen de grootte van de microporiën maar ook de dichtheid daarvan maatgevend is. Uit onderzoek is het aanvraagster gebleken dat de plaat volgens de uitvinding niet alleen veel minder microporiën heeft groter dan 80 μιη maar dat ook het totaal aantal microporiën veel kleiner is dan bij een plaat volgens de stand van de techniek.

Bij voorkeur is de dichtheid van microporiën met een afmeting groter dan 65 μιη minder dan 0,025 microporiën per cm2. Hiermee wordt een bijzonder goede levensduur verkregen.

De plaat volgens de uitvinding wordt voorts gekenmerkt door de dichtheid van clusters van microporiën in de plaat. Hierbij wordt een cluster gedefinieerd als de gehele groep van individuele microporiën waarbij de afstand tussen elke twee naburige microporiën niet groter is dan de maximum grootte van de grootste microporie in de groep. Bij voorkeur is de dichtheid van clusters van microporiën zoals hierboven gedefinieerd met een afmeting groter dan 150 μηι minder dan 0,025 clusters per cm2 en meer bij voorkeur is de dichtheid van clusters groter dan 100 μιη minder dan 0,025 clusters per cm2. Voor de vermoeiingssterkte is niet alleen de dichtheid van de grotere microporiën maar ook de dichtheid van lokale concentraties van microporiën bepalend.

Bij voorkeur is de dikte van de gerede plaat 4 inch of meer, meer bij voorkeur 5 inch of meer en het meest bij voorkeur 6 inch of meer. Bij deze plaatdikten is het effect op de levensduur zeer belangrijk.

Bij een plaat volgens de uitvinding is de gemiddelde logaritmische levensduur bij voorkeur ten minste 250.000 cycli en meer bij voorkeur 350.000 cycli.

In een voorkeursuitvoeringsvorm is de dikte van de plaat 7 inch of meer en is de gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur tenminste 150.000 cycli.

Bij een plaat volgens de uitvinding behoort de aluminium legering bij voorkeur tot de groep van de AA 7xxx legeringen en is meer bij voorkeur de aluminium legering AA 7050 T 7451 of AA 7150 T 7451.

Met het bovenstaande wordt een dikke plaat met een uitzonderlijk hoge levensduur verschaft waarmee belangrijke gewichtsbesparingen bereikt kunnen worden.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze speciaal aangepast voor het vervaardigen van de plaat volgens conclusie 1*13 omvattende de stappen het bereiden van een smelt het gieten van de smelt in een ingot het warmwalsen van de ingot tot de plaat door de ingot in een aantal steken te walsen

Daarbij worden volgens de uitvinding de dichtheid en de afmeting van de microporiën in de gerede plaat verminderd door ontgassen van de smelt, door het warmwalsen of door een combinatie van ontgassen en het warmwalsen.

Bij voorkeur wordt de smelt vóór het gieten ontgast in een zodanige mate dat de ingot geen of nagenoeg geen microporiën heeft met een afmeting groter dan een kritische afmeting van 80 μπι gemeten met Qptische Microscopie (OM) aan monsters genomen uit de middenvlak (T/2) positie van de ingot vóór het warmwalsen. De microporiën groter dan 80 pm zijn kritisch voor de levensduur van de gerede plaat omdat zij naar aanvraagster is gebleken moeilijk kunnen worden weggewerkt bij het warmwalsen. Het aantal van deze microporiën dient zo klein mogelijk en zo mogelijk nul te zijn. Bij voorkeur is derhalve de dichtheid van de microporiën met een afmeting groter dan 80 pm minder dan 0,1 microporiën per cm2 en meer bij voorkeur minder dan 0,07 microporiën per cm2. Een dergelijke lage dichtheid betekent dat minder dan 1 op de honderd microporiën groter is dan 80 urn.

Bij voorkeur wordt de smelt ontgast met een argonhoudend gas.

Opgemerkt wordt dat het ontgassen van een aluminium smelt op zichzelf bekend is uit EP 0 500 052 voor het verwijderen van vaste deeltjes en gassen uit de aluminium smelt. Het gunstige effect hiervan op de levensduur van een gerede dikke plaat is echter niet bekend.

Gebleken is dat bij de gestelde grenzen van de microporositeit in de ingot een dikke plaat met een bijzonder hoge levensduur kan worden verkregen.

Een (verdere) verbetering van de vermoeiingseigenschappen kan (tevens) worden verkregen bij een plaat met een dikte van tenminste 4 inch waarbij bij tenminste een steek van het warmwalsen de ingot L . L <* wordt gewalst met een grote reductie verhouding γ- in welke uitdrukking ho de intreedikte van de in die steek te walsen ingot is en hl de uittreedikte van de in die steek gewalste ingot is waarbij bij het toepassen van de grote reductie verhouding y aan de volgende voorwaarde wordt voldaan:

in welke uitdrukking R de radius van de werkwalsen van het warmwalstuig is, om in aanzienlijke mate de microporositeit in de middenvlak (T/2) positie van de gerede plaat te verminderen.

Bij voorkeur is hierbij

Bij reductie van de bovenaangegeven grootte wordt een deel van de in het walsgoed aanwezige microporiën, in het bijzonder in de middenvlak (T/2) positie van het walsgoed, onder invloed van diffusie geëlimineerd.

Het warmwalsen van de ingot tot dikke plaat vindt plaats in een aantal steken. Bij de eerste steken laat het walstuig niet toe om een grote reductieverhouding toe te passen. Bij laatste steken wordt doorgaans ten behoeve van de vlakheid en de oppervlakte ruwheid van het walsgoed een kleine reductie toegepast. Daarom wordt bij voorkeur de grote reductieverhouding y bij een van de laatste steken van het warmwalsen toegepast.

Gebleken is dat bij de gestelde grootte van de reductieverhouding eén dikke plaat met een bijzonder hoge levensduur kan worden verkregen.

Voorbeeld

Er werden enige smelts aangemaakt van de aluminium legering AA 7050. De smelts werden in een SNÏF-Boxinrichtlng (Union Carbide) met en zonder een verhoogde argongas volumestroom ontgast en vervolgens gegoten tot ingots met een dikte van 440 mm.

De porositeit van de ingots werd bepaald met Optische Microscopie. Hiervoor werden monsters met afmetingen van ca. 50 x 80 mm en ca h inch dik genomen loodrecht op de lengterichting van de ingots. De monsters werden geprepareerd door slijpen en polijsten. Het op het oppervlak van de monsters bij het slijpen en polijsten uitgesmeerde materiaal werd verwijderd door beitsen zonder de microporiën noemenswaard te vergroten. De monsters werden onderzocht met ultraviolet penetratie onderzoek. De ultraviolet reflexen werden gemerkt en de monsters werden onder een lichtmicroscoop onderzocht om uit te maken of een reflex te wijten was aan een microporie of aan een artefact. Daarna werd de poriegrootteverdeling bepaald met een lichtmicroscoop en een beeldanalysesysteem.

De monsters werden uit de middenvlak (T/2) positie van de ingots genomen (T is de dikte van de ingot). Er werden in monsters van de ingots met een verhoogde argongas volumestroom bij de Optische Microscopie geen microporiën met een lengte afmeting groter dan 80 pm gevonden. Bij de ingots zonder een verhoogde argongas volumestroom werden microporiën tot 120 μη met een dichtheid van microporiën groter dan 80 μη van circa 0,15 microporiën per cm2 gevonden.

De ingots werden vervolgens in een aantal steken warmgewalst tot platen met een dikte van 6 inch. Hierbij werd bij de vierlaatste steek van sommige ingots een grote reductieverhouding zoals bedoeld in deze aanvrage toegepast. Bij andere ingots werd geen grote reductieverhouding toegepast. De platen werden vervolgens door warmtebehandeling gebracht in de toestand T 7451.

De porositeit van sommige platen werd bepaald door Optische Microscopie zoals hiervoor beschreven van monsters met afmetingen van circa 40 x 80 mm genomen uit de middenvlak (T/2) positie (T is de dikte van de plaat) met het meetvlak evenwijdig aan de L-ST richting dat wil zeggen loodrecht op de breedterichting. Hierbij strekte de afmeting van 80 mm zich uit in de walsrichting en de afmeting van 40 mm in de ST-richting (- dikterichting) en wel symmetrisch ten opzichte van het middenvlak.

De resultaten zijn samengevat in tabel 1 en tabel 2.

Tabel 1. Cumulatieve dichtheid van microporiën boven de aangegeven grootte.

Tabel 2. Cumulatieve dichtheid van clusters boven de aangegeven grootte.

De poriegrootte is de maximum afmeting van een porie.

De dichtheid is het aantal microporiën of het aantal clusters boven de aangegeven grootte gedeeld door het totale onderzochte oppervlak van het monster.

Een cluster is gedefinieerd als de gehele groep van individuele microporiën waarbij de afstand tussen elke twee naburige microporiën niet groter is dan de maximum grootte van de grootste microporie in de groep.

A-l en A-2 zijn monsters genomen uit platen van verschillende smelts waarbij de platen volgens de uitvinding onder toepassing van zowel een verhoogde argongas volumes troom als een grote reductieverhouding werden vervaardigd.

C zijn monsters genomen uit platen die zowel zonder verhoogde argongas volumestroom als zonder grote reductieverhouding werden vervaardigd. Deze monsters zijn representatief voor de stand van de techniek.

De vermoeiingseigenschappen van de platen werden bepaald volgens ASTM E 466 in lucht bij kamertemperatuur op proefstaven met een meetlengte van 2 inch en een diameter van h inch genomen uit de middenvlak (T/2) positie van de platen. De testcondities waren: een maximum spanningsamplitude van 35 Ksi (241 MPa), een frequentie van 10 Hertz en een spanningsverhouding R - 0,1. Bepaald werd de zogenaamde "constant amplitude smooth axial fatigue” waarbij de proefstaven in de LT-(l;Ong transfer - breedte) richting werden genomen en waarbij voor de bepaling van de gemiddelde logaritmische levensduur tenminste vier proefstaven werden getest. De resultaten zijn samengevat in tabel 3.

Tabel 3. Vermoeiingslevensduur.

B-l - proefstaven uit platen met alleen een verhoogde argongas volumestroom.

B-2 - proefstaven uit platen met alleen een grote reductie verhouding.

Voor de betekenis van A en C zie tabel 1 en tabel 2.

De levensduurproeven werden afgebroken bij 500.000 cycli. Hierdoor zijn de werkelijke waarden van de gemiddelde logaritmische levensduur in de gevallen B-l, B-2 en B aanzienlijk hoger.

Claims (21)

1. Een plaat van een aluminium legering met een dikte van meer dan 2 inch met een gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur van meer dan 100.000 cycli bij een maximum spanningsamplitude van 35 Ksi, bij een frequentie van 10 Hertz en bij een spanningsverhouding R - 0,1 gemeten bij een proefstaaf met een diameter van 4 inch en een parallelle meetlengte van 2 inch en overigens zoals hierin gedefinieerd waarbij de dichtheid van microporiën met een afmeting groter dan 80 μα op alle plaatsen op de middenvlak (T/2) positie van de gerede plaat gemeten met Optische üicroscopie (OM) in enig vlak loodrecht op het plaatoppervlak minder is dan 0,025 microporiën per cm2.

2. Plaat volgens conclusie 1 waarbij de dichtheid van microporiën met een afmeting groter dan 65 μπ» minder is dan 0,025 microporiën per cm2.

3. Plaat volgens conclusie 1-2 waarbij de dichtheid van clusters van microporiën zoals hierin gedefinieerd met een afmeting groter dan 150 μηι minder is dan 0,025 clusters per cm2.

4. Plaat volgens conclusie 1-3 waarbij de dichtheid van clusters van microporiën met een afmeting groter dan 100 μιη minder is dan 0,025 clusters per cm2.

5. Plaat volgens conclusie 1-4 waarbij de dikte van de gerede plaat 4 inch of meer is.

6. Plaat volgens conclusie 1-5 waarbij de dikte van de gerede plaat 5 inch of meer is.

7. Plaat volgens conclusie 1-6 waarbij de dikte van de gerede plaat 6 inch of meer is.

8. Plaat volgens conclusie 1-7 waarbij de gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur tenminste 250.000 cycli is.

9. Plaat volgens conclusie 1-8 waarbij de gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur tenminste 350.000 cycli is.

10. Plaat volgens conclusie 1-7 waarbij de dikte van de gerede plaat 7 inch of meer en de gemiddelde logaritmische vermoeiingslevensduur tenminste 150.000 cycli is.

11. Plaat volgens conclusie 1-10 waarbij de aluminium legering behoort tot de groep van de AA 7xxx legeringen.

12. Plaat volgens conclusie 1-11 waarbij de aluminium legering AA 7050 T 7451 of AA 7150 T 7451 is.

13. Gebruik van de plaat volgens conclusie 1-12 voor luchtvaart toepassingen.

14. Werkwijze speciaal aangepast voor het vervaardigen van de plaat volgens conclusie 1-13 omvattende de stappen het bereiden van een smelt het gieten van de smelt in een ingot het warmwalsen van de ingot tot de plaat door de ingot in een aantal steken te walsen waarbij de dichtheid en de afmeting van de microporiën in de gerede plaat worden verminderd door ontgassen van de smelt, door het warmwalsen of door een combinatie van ontgassen en het warmwalsen.

15. Werkwijze volgens conclusie 14 waarbij de smelt voor het gieten wordt ontgast in een zodanige mate dat de ingot geen of nagenoeg geen microporiën heeft met een afmeting groter dan een kritische afmeting van 80 μια gemeten met Optische Microscopie (OM) aan monsters genomen uit de middenvlak (T/2) positie van de ingot vóór het warmwalsen.

16. Werkwijze volgens conclusie 15 waarbij de dichtheid van de microporiën met een afmeting groter dan 80 μιη minder is dan 0,1 microporiën per cm2.

17. Werkwijze volgens conclusie 16 waarbij de dichtheid van de microporiën met een afmeting groter dan 80 μια minder is dan 0,07 microporiën per cm2.

18. Werkwijze volgens conclusie 14-17 waarbij de smelt wordt ontgast net een argonhoudend gas.

19. Werkwijze volgens conclusie 14-18 waarbij de dikte van de gerede plaat tenminste 4 inch is, waarbij bij tenninste een steek van het warawalsen de ingot wordt gewalst met een grote reductie verhouding

in welke uitdrukking ho de intreedikte van de in die steek te walsen ingot is en hl de uittreedikte van de in die steek gewalste ingot is waarbij bij het toepassen van de grote reductie verhouding y aan de volgende voorwaarde wordt voldaan:

in welke uitdrukking R de radius van de werkwalsen van het warmwalstuig is, om in aanzienlijke mate de microporositeit in de middenvlak (T/2) positie van de gerede plaat te verminderen.

20. Werkwijze volgens conclusie 19 waarbij

21. Werkwijze volgens conclusie 19-20 waarbij de grote reductieverhouding y bij een van de laatste steken van het warmwalsen wordt toegepast.