NO168900B - Fremgangsmaate for oekning av styrken og duktiliteten av aluminiumbaserte legeringer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for økning av styrken og duktiliteten av aluminiumbaserte legeringer av lav tetthet, hvori en høy tetthet av skjærbelastnings-resistente dispergerte partikler er i det vesentlige uniformt fordelt. Mikrostrukturen utvikles ved en varmebehandlingsfremgangsmåte bestående av innledende oppløseliggjørelsesbehandling etterfulgt av flere eldingsbehandlinger.

Det finnes et voksende behov for strukturelle legeringer med forbedret spesifikk styrke for å oppnå betydelige vekt-reduksjoner innenfor luftfartsanvendelser. Aluminium-litium-legeringer gjør det mulig å oppnå de ønskede vektreduksjonene på grunn av de uttalte virkningene av litium på de mekaniske og fysikalske egenskapene for aluminiumlegeringer. Tilsats av 1 vekt-# litium (ca. 3,5 atom-#) reduserer tettheten med ca. 3# og øker elastisitetsmodulen med ca. b%, og gir følgelig en betydelig økning i den spesifikke modusen (E/p). Videre resulterer varmebehandling av legeringene i utfelling av en koherent, metastabil fase, å' (AI3H) som gir betydelig forøket styrke. Imidlertid har utviklingen og den utbredte anvendelsen av Al-Li-legeringssystemet vært forhindret hovedsakelig på grunn av deres naturlige sprøhet.

Det er vist at dårlig seighet for legeringer i Al-Li-systemet skyldes sprøtt brudd langs korn- eller underkorngrensene. De to viktigste mikrostrukturene trekkene som er ansvarlige for sprøheten, synes å være utfellingen av intermetalliske faser langs korn- og/eller underkorngrensene, og den markerte planglidningen i legeringene, som skaper spenningskonsentra-sjoner ved korngrensene. De intergranulære utfellingene vil gjøre grensen sprø og samtidig trekke Li fra grenseområdet slik at det dannes utfellingsfrie soner som virker som seter for spenningslokalisering. Planglidningen skyldes i stor grad 5'-utfellingers påvirkbarhet av skjærspenninger som resulterer i redusert motstand mot dislokasjonsglidning på plan inneholdende skjærbelastede S'-utfellinger.

Flere metallurgiske forsøk har vært foretatt for å unngå disse problemene. Det er funnet at PFZ (den utfellingsfrie sonen - precipitate free zone) og utfellings-indusert intergranulært brudd kan reduseres ved å kontrollere bearbeidelsen slik at intergranulær utfelling av stabile Al-Li-, Al-Cu-Li-, Al-Mg-Li-faser unngås. Problemet med planglidning kan delvis unngås ved å fremme glidningsdisper-sjon ved tilsats av elementer som danner dispergerte partikler og kontrollert ko-utfelling av Al-Cu-Li-, Al-Cu-Mg-og/eller Al-Li-Mg-intermetalliske forbindelser. Elementer som danner dispergerte partikler innbefatter Mn, Fe, Co. osv. Ko-utfellingen av Cu- og/eller Mg-holdige intermetalliske forbindelser synes å være relativt effektiv for dispersjon av dislokasjonsbevegelsen. Imidlertid krever den langsomme dannelsen av disse intermetalliske forbindelsene termomekaniske behandlinger innbefattende strekkingsoperasjoner og flere eldingsbehandlinger (P.J. Gregson og M.M. Flower, Acta Metallurgica, bind 33, s. 527-537, 1985), eller et høyt Cu-innhold som påvirker tettheten av legeringene i negativ retning (B. van der Brandt, P.J. von den Brink, H.F. de Jong, L. Katgerman og H. Kleinjan, i "Aluminium-Lithium Alloy II", Metallurgical Society of AIME, s. 433-446, 1984). Videre var egenskapene for legeringer fremstilt på denne måten ikke tilfredsstillende.

Nylig har en ny fremgangsmåte vært foreslått for å modifisere deformasjonsoppførselen av Al-Li-legeringssystemet ved utvikling av Zr-modifisert 5'-utfelling. Denne fremgangsmåten er basert på den observasjonen at den metastabile A^Zr-fasen i Al-Zr-legeringssystemet er meget resistent mot disloka-sjonsskjærspenning og er av den samme krystallstrukturen (LI2) som S<*>. På denne bakgrunn har det vært gjort forsøk på å fremstille en ternær ordnet kompositt Al3(Li, Zr)-fase i aluminiummatriksen med en legering av Al-2,34 Li-1.07Zr (F.W. Gayle og J.B. Vånder Sande, Scripta Metallurgica, bind 18, s. 473-478, 1984). Imidlertid har fremgangsmåten for utvikling av en homogen fordeling av en slik fase krevet nøyaktig kontroll av bearbeidelsesparametre under den termomekaniske bearbeidelsen, så vel som langvarige oppløseliggjørings-og/eller eldingsbehandlinger. Fra praktisk synspunkt er denne prosessen lite ønskelig, og kan også resultere i uønskede mikrostrukturene trekk såsom rekrystallisasjon og store utfellingsfrie soner. Videre kan prosessen ikke effektivt anvendes på legeringer med lavt Zr-innhold (f.eks. 0,2 vekt-# Zr), som gir en liten volumfraksjon av hetero<g>ent fordelte utfellinger av grov kompositt (P.L. Makin og B. Ralph, Journal of Materials Science, bind 19, s. 3835-3843, 1984; P.J. Gregson og H.M. Flower, Journal of Materials Science Letters, bind 3, s. 829-834, 1984; P.L. Makin, D.J. Lloyd og W.M. Stobbs, Philosophical Magazine A, bind 51, s. L41-L47, 1985).

På tross av betydelig innsats for å utvikle aluminiumlegeringer av lav tetthet har man ved konvensjonelle tek-nikker, såsom de ovenfor omtalte, ikke vært i stand til å tilveiebringe aluminiumlegeringer av lav tetthet som har den ønskede kombinasjonen av høy styrke, høy duktilitet og lav tetthet. Som et resultat har konvensjonelle aluminium-litium-legeringssystemer ikke vært fullstendig tilfredsstillende for anvendelser såsom strukturelle komponenter for luftfart, for hvilke høy styrke, høy duktilitet og lav tetthet er påkrevet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for økning av styrken og duktiliteten av aluminum-baserte legeringer av lav tetthet, hvori en høy tetthet av skjærbelastnings-resistente dispergerte partikler er i det vesentlige uniformt fordelt. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at en Al-Zr-Li-legering underkastes flere eldingsbehandlinger slik at det dannes en mikrostruktur deri, omfattende

- oppvarming av en aluminiumlegering, bestående hovedsakelig av formelen Al^ jZraLit,Xc, hvori X er minst et element som velges fra gruppen bestående Cu, Mg, V, Si, Sc, Ti, U, Hf, Be, Cr, Mn, Fe, Co og Ni, "a" varierer fra 0,15 til 2 vekt-#, "b" varierer fra 2,5 til 5 vekt-*, "c" varierer fra 0 til 5

vekt-* og resten utgjøres av aluminium, til en temperatur, Ti, i et tidsrom som er tilstrekkelig til i det vesentlige å oppløse de fleste av de intermetalliske partiklene deri; — avkjøling av legeringen til romtemperatur ved hastigheter som er tilstrekkelige til å bevare dens elementer i over-mettet fast oppløsning; — oppvarming av legeringen til en temperatur, T£, i et tidsrom som er tilstrekkelig til å aktivere kimdannelse av kompositt AI3 (Li, Zr)-utfellinger; — avkjølingen av legeringen til romtemperatur; — oppvarming av legeringen til en temperatur, T3, i et tidsrom som er tilstrekkelig til å bevirke ytterligere vekst av kompositt Al3(Li, Zr)-utfellinger, og oppløsning av 5'-utfellinger hvis kimdannelse ikke understøttes av Zr; og — avkjøling av legeringen til romtemperatur slik at det deri dannes en kontrollert utfelling av kompositt AI3 (Li, Zr)-fase i aluminiummatriksen.

Den aluminium-baserte legeringen av høy styrke, høy duktilitet og lav tetthet fremstilt ifølge foreliggende oppfinnelse har en kontrollert kompositt Al3(Li, Zr)-utfelling som på fordelaktig måte muliggjør et vidt område av kombina-sjoner av styrke og duktilitet.

Oppfinnelsen vil lettere kunne forstås og ytterligere fordeler vil fremgå ved hjelp av den følgende detaljerte beskrivelsen og de vedlagte tegningene, hvori: Fig. 1 er et mørkfelts-tranmisjonselektronmikrobilde av en legering som har sammensetningen Al-3,lLi-2Cu-lMg-0,5Zr, legeringen er underkastet to doble eldingsbehandlinger (170'C i 4 timer etterfulgt av 190°C i 16 timer) for å utvikle en komposittutfelling i alumlnummatriksen; Fig. 2 er et mørkfelts-mikrobilde ved svak stråle av en legering som har sammensetningen Al-3,7Li-0,5Zr, som viser komposittutfellingensmotstand mot disloka-sjonsskjærspenning under deformasjon; Fig. 3(a) viser planglidningen observert i en legering med sammensetningen Ål-3,7Li-0,5Zr, legeringen har vært underkastet en konvensjonell eldingsbehandling (180'C i 16 timer); Fig. 3(b) viser den fordelaktige virkningen av å underkaste legeringen ifølge fig. 3(a) behandling ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen (160°C i 4 timer etterfulgt av 180°C i 16 timer), derved fremmes den homogene deformasjonen derav; Fig. 4 viser de skjærbelastede S'-utfellingene observert i en legering med sammensetningen Al-3,lLi-2Cu-lMg-0,5Zr, legeringen har vært underkastet en konvensjonell eldingsbehandling (190°C i 16 timer); og Fig. 5 viser utviklingen av komposittutfell inger i en legering med sammensetningen Al-3,2Li-3Cu-l,5Mg-0,2Zr, legeringen har vært underkastet behandling i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen (170°C i 4 timer etterfulgt av 190°C i 16 timer).

Generelt vedrører foreliggende oppfinnelse fremgangsmåten for fremstilling av Al-Li-Zr-X-legeringer av høy styrke, høy duktilitet og lav tetthet. Fremgangsmåten innbefatter anvendelsen av flere eldingstrinn under varmebehandling av legeringen. Legeringen er kjennetegnet ved en unik mikrostruktur bestående hovedsakelig av "kompositt" Al3(Li,Zr)-utfelling i en aluminiummatriks (fig. 1) på grunn av varme-behandlingen som beskrevet nedenfor. Legeringen kan også inneholde andre Li-, Cu- og/eller Mg-holdige utfellinger, forutsatt at slike utfellinger ikke i betydelig grad påvirker de mekaniske og fysikalske egenskapene for legeringen i negativ retning.

Faktorene som styrer egenskapene for Al-Li-Zr-X-legeringene er hovedsakelig Li-innholdet og mikrostrukturen og for det andre de gjenværende legeringselementene. Mikrostrukturen bestemmes i stor grad av sammensetningen og de endelige termomekaniske behandlingene såsom ekstrudering, smiing og/eller varmebehandlingsparametre. Normalt har en legering i fremstilt tilstand (støpt, ekstrudert eller smidd) store intermetalliske partikler. Ytterligere bearbeidelse er påkrevet for å utvikle visse mikrostrukturene trekk for visse karakteristiske egenskaper.

Legeringen gis en innledende oppløseliggjøringsbehandling, dvs. oppvarming til en temperatur (T^) i et tidsrom som er tilstrekkelig til i det vesentlige å oppløse de fleste av de intermetalliske partiklene som er tilstede under smiings-eller ekstruderingsprosessen, etterfulgt av avkjøling til romtemperatur med en tilstrekkelig høy hastighet til å bevare legeringselementene i oppløsning. Generelt vil tiden ved temperatur være avhengig av sammensetningen av legeringen og fremgangsmåten for fremstillingen (f.eks. blokkstøping, pulvermetallurgisk bearbeidelse) og vil typisk variere fra 0,1 til 10 timer. Legeringen gjenoppvarmes deretter til en eldingstemperatur, T£, i et tidsrom som er tilstrekkelig til å aktivere kimdannelsen av kompositt Al3(Li,Zr)-utfellinger, og avkjøles til romtemperatur, etterfulgt av en andre eldingsbehandl ing ved temperatur T3 i et tidsrom som er tilstrekkelig for vekst av kompositt Al3(Li,Zr)-utfellingen og en oppløsning av S'-utfelling hvis kimdannelse ikke understøttes av Zr. Legeringen er ved dette tidspunktet kjennetegnet ved en unik mikrostruktur som i det vesentlige består av kompositt Al3(Li, Zr)-utfelling. Denne kompositt Al3(Li, Zr)-utfellingen er resistent mot dislokasjonsskjær-påvlrkning og meget effektiv ved dispersjon av dislokasjons-bevegelse (se fig. 2). Resultatet er at legeringen inneholdende en optimal mengde av kompositt Al3(Li, Zr)-utfelling deformerer ved en homogen deformasjonsmodus som resulterer i forbedredede mekaniske egenskaper. Fig. 3(b) viser klart den homogene deformasjonsmodusen i en legering underkastet fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, mens fig. 3(a) viser den alvorlige planglidningen observert i en konvensjonell fremstilt legering på grunn av skjærbelastning av S'-utfellinger ved dislokasjoner (se fig. 4). Kombinasjonen av duktilitet og høy styrke oppnås best ifølge foreliggende oppfinnelse når tettheten av skjær-resistente dispergerte partikler varierer fra 10 til 60 volum-*, og fortrinnsvis fra 20 til 40 volum-*.

Den nøyaktige temperaturen, T±, hvortil legeringen oppvarmes i oppløseliggjøringstrinnet er ikke kritisk så lenge som det finner sted en oppløsning av intermetalliske partikler ved denne temperaturen. Den nøyaktige temperaturen, T2, i det første eldingstrinnet hvor kimdannelsen av kompositt Al3(Ll, Zr)-utfellingen fremmes, avhenger av legeringselementene som er tilstede og av det endelige eldingstrinnet. Det optimale temperaturområdet for T2 er fra 100" C til 180'C. Den nøyaktige temperaturen, T3, hvis område er fra 120°C til 200°C, avhenger av legeringselementene som er tilstede og de mekaniske egenskapene som ønskes. Generelt er holdetidene ved temperaturene T2 og T3 forskjellige avhengige av sammensetningen av legeringen og den termomekaniske bearbeidelses-historien og vil typisk variere fra 0,1 til 100 timer.

EKSEMPEL 1

Evnen av kompositt Al3(Li, Zr )-utfellinger til å modifisere deformasjonsoppførselen av Al-Li-Zr-legeringer kan illu-streres som følger: Fig. 2 er et mørkfelts-transmisjonselektronmikrobilde med svak stråle som viser mikrostrukturen av en deformert legering (Al-3,7Li-0,5Zr ) som er oppløseliggjort ved 540"C og deretter eldet ved 160°C i 4 timer etterfulgt av endelig elding ved 180°C i 16 timer. Slik varmebehandling fremmer utfellingen av kompositt Al3(Li, Zr) som er meget resistent mot dislokasjons-skjærpåvirkning og er meget effektiv for dispergering av dislokasjonsbevegelsen.

Fig. 3(a) viser et lysf elts-elektronmikrobilde som viser mikrostrukturen av en deformert legering (Al-3,7Li-0,5Zr) som ikke er underkastet fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Legeringen har vært eldet i 16 timer ved 180°C etter oppløse-liggjøring ved 540°C i 4 timer. Denne legeringen viste den uttalte planglidningen som er den felles deformasjons-egenskapen for sprøe legeringer.

Derimot viser fig. 3(b) den fordelaktige virkningen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på deformasjonsoppførselen av en legering som har sammensetningen Al-3,7Li-0,5Zr. Etter oppløseliggjørelse ved 540°C i 4 timer, har legeringen vært underkastet den doble eldingsbehandlingen bestående av 160° C i 4 timer og 180°C i 16 timer. Deformasjonsmodusen for denne legeringen er relativt homogen, hvilket indikerer høy duktilitet.

EKSEMPEL 2

En legering med en sammensetning på Al-3,lLi-2Cu-lMg-0,5Zr ble utviklet for anvendelser som krever middels styrke som vist i tabell I. Legeringen ble oppløseliggjort ved 540°C i 2,5 timer, bråkjølt i vann ved ca. 20°C og gitt konvensjonell enkel elding og den doble eldingsbehandlingen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Konvensjonell eldingsbehandling (190°C i 16 timer) ga dårlig duktilitet (3,6*) på grunn av skjærbelastningen av S'-utfelling (fig. 4), mens komposittutfellingen utviklet ved dobbelt elding (fig. 1) forbedrer både styrke og duktilitet (6,1* forlengelse).

EKSEMPEL 3

En Al-Li-legering med høy styrke ble fremstilt for å til-fredsstille kravene for strukturelle anvendelser innen luftfart. En legering med en sammensetning på Al-3,2Li-2Cu-2Mg-0,5Zr ble oppløseliggjort ved 542°C i 4 timer. Som vist i tabell II viste konvensjonell eldingsbehandlIng (190'C i 16 timer) lavere styrke (flytgrense på 521 MPa) og duktilitet (3,6*). Imidlertid ga dobbel elding av legeringen (160°C i 4 timer etterfulgt av 180°C I 16 timer) betydelig høyere styrke (flytgrense på 554 MPa) og duktilitet (5,5*), hvilket oppfyller egenskapskravene for legeringer av høy styrke som er påkrevet for strukturelle anvendelser innen luftfart.

EKSEMPEL 4

Dette eksemplet illustrerer den fordelaktige virkningen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på de mekaniske egenskapene for en enkel ternær legering Al-3,7Li-0,5Zr. Legeringen ble oppløseliggjort ved 540°C i 4 timer, og deretter eldet som vist i tabell III. De resulterende strekkfasthets-egenskapene viser at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gir forbedret styrke og duktilitet sammenlignet med den konvensjonelle fremgangsmåten.

EKSEMPEL 5

Et vidt område av mekaniske egenskaper kan oppnås ved å anvende multippel-eldingsbetingelser. F.eks. ga en trippel-eldingsbehandling (120°C, 4 timer + 140°C, 16 timer + 160°C, 4 timer) flytgrense på 446 MPa og strekkfasthet på 464 MPa med 4,6* forlengelse. Følgelig kan en rekke varmebehandlinger av legeringene ifølge de etterfølgende kravene anvendes for å fremstille legeringer som har en rekke mekaniske egenskaper.

EKSEMPEL 6

Dette eksemplet illustrerer potensialet av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for utvikling av kompositt-utfelling i Ål-Li-legeringer med lave Zr-innhold. Fig. 5 viser mørkfelts-elektronmikrobilde av en typisk legering Al-3,2Li-3Cu-l,5Mg-0,2Zr som er oppløseliggjort ved 540°C i 4 timer, gjenopp-varmet til 170°C i 4 timer etterfulgt av endelig elding ved 190°C i 16 timer. Den store volumfraksjonen av kompositt AI3 (LI, Zr)-utfelling observert i en slik legering indikerer at fremgangsmåten Ifølge oppfinnelsen også er meget effektiv i Al-Li-legeringer som har et lavt sett R-innhold på 0,2*.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for økning av styrken og duktiliteten av aluminum-baserte legeringer av lav tetthet, hvori en høy tetthet av skjærbelastnings-resistente dispergerte partikler er i det vesentlige uniformt fordelt, karakterisert ved at en Al-Zr-Li-legering underkastes flere eldingsbehandlinger slik at det dannes en mikrostruktur deri, omfattende — oppvarming av en aluminiumlegering, bestående hovedsakelig av formelen Alt)alZraLi]3Xc, hvori X er minst et element som velges fra gruppen bestående Cu, Mg, V, SI, Sc, Ti, U, Hf, Be, Cr, Mn, Fe, Co og Ni, "a" varierer fra 0,15 til 2 vekt-*, "b" varierer fra 2,5 til 5 vekt-*, "c" varierer fra 0 til 5 vekt-* og resten utgjøres av aluminium, til en temperatur, Ti, i et tidsrom som er tilstrekkelig til i det vesentlige å oppløse de fleste av de intermetalliske partiklene deri; — avkjøling av legeringen til romtemperatur ved hastigheter som er tilstrekkelige til å bevare dens elementer i over-mettet fast oppløsning; — oppvarming av legeringen til en temperatur, T2, i et tidsrom som er tilstrekkelig til å aktivere kimdannelse av kompositt AI3 (Li, Zr)-utfellinger; — avkjølingen av legeringen til romtemperatur; — oppvarming av legeringen til en temperatur, T3, i et tidsrom som er tilstrekkelig til å bevirke ytterligere vekst av kompositt Al3(Li, Zr )-utfellinger, og oppløsning av S'-utfellinger hvis kimdannelse ikke understøttes av Zr; og — avkjøling av legeringen til romtemperatur slik at det deri dannes en kontrollert utfelling av kompositt AI3 (Li, Zr)-fase 1 aluminiummatriksen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen som fremstilles er kjennetegnet ved utfelling av kompositt Al3(Li, Zr)-fase i en aluminiummatriks.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet eldingsbehandlinger som utføres varierer fra 2 til 10.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet eldingsbehandlinger som utføres varierer fra 2 til 5.

5. Fremgangsmåte Ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre innbefatter strekking av den nevnte legeringen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjennomføres ved følgende temperaturer: varierer fra 500°C til 555°C, T2 varierer fra 100°C til 180°C og T3 varierer fra 120"C til 200°C.