NO176187B

NO176187B - Sveisbare aluminium-litium-legeringer med ultrahöy styrke

Info

Publication number: NO176187B
Application number: NO900587A
Authority: NO
Inventors: Joseph Robert Pickens; Frank Herbert Heubaum; Lawrence Stevenson Kramer; Kumarchandran Sharvan Kumar
Original assignee: Martin Marietta Corp
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1990-02-07
Publication date: 1994-11-07
Also published as: WO1989001531A1; EP0377640B1; DE3884957D1; DE3884957T2; AU615946B2; KR890701789A; NO900587D0; EP0377640A1; JP2892666B2; NO900587L; BR8807653A; NZ225563A; NO176187C; IL87229A0; JPH02504531A; IL87229A; KR960007429B1; AU2314988A; CA1335697C

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører litium-holdige legeringer av aluminium som er kjennetegnet ved en unik kombinasjon av mekaniske og fysikalske egenskaper. Spesielt har foreliggende aluminium-kobber-magnesium-sølv-1 itium-legeringer eksepsjonelt høy styrke, duktilitet, lav densitet, utmerket sveisbarhet og en eksepsjonell naturlig eldingsrespons.

Aluminium og dets legeringer har lenge vært kjent for å ha ønskede egenskaper slik som lav pris, relativt lav densitet, korrosjonsbestandighet og evne til å bli fabrikert på relativt lett måte til en rekke forskjellige former og konfigurasjoner for forskjellige anvendelser. Aluminium er som et basismetall for legeringsformål generelt omkring 99$ rent, idet jern og silisium utgjør hovedurenhetene.

Det har blitt funnet en rekke aluminiumlegeringer som har god sveisbarhet og egenskaper slik som middels til høy styrke. Flere av disse aluminiumlegeringssammensetningene er basert på aluminium-kobber-systemer hvori betydelig forsterking induseres ved utfelling av CuA^. I et senere arbeid har Polmear beskrevet en aluminium-kobber-magnesium-sølv-legeringssammensetning konstruert for bruk ved forhøyet temperatur og som har høy romtemperaturstyrke. Det har ikke blitt rapportert noen sveisbarhetsdata for legeringen. Polmear rapporterte at tilstedeværelsen av små mengder magnesium og sølv gir opphav til en tidligere ikke rapportert ny utfelling (dvs. omega-fase) som ytterligere styrker legeringen, hvor slike utfellinger er koherente lameller av meget minimal tykkelse og høy stabilitet ved litt forhøyede temperaturer. Styrkingen i slike legeringer synes å være en funksjon av tilstedeværelsen av både magnesium og sølv. Se "Development of an Experimental Wrought Aluminium Alloy for Use at Elevated Temperatures," Polmear, Aluminium alloys: their physical and mechanical properties, E. A. Starke, Jr. and T. H. Sanders, Jr., utgivere, volum I i Conference Proceedings of International Conference, universitetet i Virginia, Charlottesville, VA, 15.-20. juni 1986, sidene 661-674, Chameleon Press, London.

Litiumtilsetninger til aluminiumlegeringer er kjent for å frembringe en rekke forskjellige legeringer av lav densitet som kan herdes ved elding, slik som legeringer av aluminium-magnesium-litium og aluminium-kobber-litium. Slike legeringer har hatt begrenset anvendelse på grunn av vanskelighet med smelting og støping og relativt lav duktilitet og seighet i smidde produkter. Blant konvensjonelle kommersielt tilgjenge-lige aluminium-litium-legeringer er den eneste generelt aksepterte sveisbare sluminium-litium-legeringen Sovjet-legeringen 01420 som beskrvet i GB patent 1 172 736 til Fridlyander et al., omfattende Al-5Mg-2Li. Denne legeringen er rapportert å ha middels til høy styrke, lav densitet og en elastisitetsmodul som er høyere enn for standard aluminiumlegeringer. I US patent 2 381 219 til I. m. LeBaron, (overdratt til Alcoa), er det beskrevet aluminiumbasis-legeringer inneholdende Cu og Li med små Cd- og Ag-tilsetninger. Disse legeringene var alle magnesiumfrie og sveisbarhet var ikke omtalt. Den overraskende økning i styrke som observeres i Al-Li-legeringene ifølge forliggende oppfinnelse, inneholdende både Ag og Mg, var videre ikke observert.

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe aluminiumlegeringer av lav densitet og høy styrke.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe lettvek-tige aluminiumlegeringer som har høy styrke og god sveisbarhet.

Ved tilstning av litium til legeringer lik de som er foreslått av Polmear så har man oppnådd overraskende høy styrke, en grad av duktilitet som er uventet i 1 itiumholdige aluminiumlegeringer, god sveisbarhet og en naturlig eldingsrespons som er overlegen i forhold til enhver slik respons som tidligere er rapportert for en aluminiumlegering.

Fig. 1: Isokronale eldingskurver for Al-Cu-Mg-Ag-Li- legering 049. Fig. 2: Isokronale eldingskurver for Al-Cu-Mg-Ag-Li- legering 051. Fig. 3: Isokronale eldingskurver for Al-Mg-Ag-Li-legering 050.

Fig. 4: Isoterm elding ved 160"C for legering 049.

Fig. 5: Isoterm elding ved 160°C for legering 050.

Fig. 6: Naturlig eldingsrespons for legering 049

ekstrudering med og uten 3$ strekk.

Fig. 7: Naturlig eldingsrespons for legering 051

ekstrudering med og uten 3% strekk.

Fig. 8: Naturlig eldingsrespons for legering 050

ekstrudering med og uten 3% strekk.

Fig. 9: Romtemperatur-strekkegenskaper for legering 049

for forskjellige eldingstider ved 160°C.

Fig. 10: Flytegrense ved kompresjon for legering 051 for

forskjellige deformasjonstemperaturer.

Fig. 11: Flytegrense ved strekk mot temperatur for

legering 049.

Fig. 12: Strekkfasthet mot temperatur for legering 049. Fig. 13: Strekkfasthet mot vekt-& litium i Al-Cu-baserte

legeringer i SUA-tilstanden.

Fig. 14: Flytegrense mot vekt-# litium i Al-Cu-baserte

legeringer i SUA-tilstanden.

Fig. 15: Naturlig eldet styrke for 3$ strukkede Al-Cu-baserte legeringer som en funksjon av litium-innhold. Fig. 16: Naturlig eldet styrke for ustrukkede Al-Cu-baserte legeringer som en funksjon av litium-innhold. Fig. 17: Naturlig eldingsrespons for ustrukket 049

legering etter bråkjøling fra 504°C i forskjellige media.

Fig. 18: Styrke mot forlengelse for legering 049.

De primære elementene i forliggende legeringer er aluminium, kobber, magnesium, sølv og litium, med kornforfinende additive elementer slik som zirkonium. Selv om det her skal legges vekt på bruk av zirkonium for korforfining, så kan konvensjonelle kornforfinende tilsatser slik som krom, mangan, titan, bor, vanadium, hafnium, titandiborid og blandinger derav, anvendes.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en aluminiumlegering som er kjennetegnet ved at den består av 2,0-9,8 vekt-$ av et legerende element valgt fra magnesium og blandinger av magnesium og kobber, hvor magnesiumet omfatter minst 0,05 vekt-$; 0,01-2,0 vekt-$ sølv, 0,05-4,1 vekt-$ litium, og 0,05-1,0 vekt-$ av et kornforfinende additiv valgt fra zirkonium, krom, mangan, titan, bor, hafnium, vanadium, titandiborid og blandinger derav, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

Fortrinnsvis innbefatter foreliggende legeringer 2,5-8,5 vekt-$ for det totale av kobber pluss magnesium, og mer foretrukket 3,1-7,5 vekt-$. Sølv omfatter fortrinnsvis 0,05 til 1,2 vekt-$, og mer foretrukket 0,10-1,0 vekt-$. Litium omfatter fortrinnsvis 0,20-3,1 vekt-$, og mest foretrukket 0,50-2,7 vekt-$. Likeledes er den totale mengde av kornforfinende additiv som er tilstede fortrinnsvis 0,05-0,6 vekt-$, og mest foretrukket 0,05-0,5 vekt-$.

Legeringene kan generelt karakteriseres som enten aluminium-kobber-baserte eller aluminium-magnesium-baserte, med sammensetninger varierende som angitt i tabell I. I de legeringer som er klassifisert som aluminium-kobber-baserte kan kobberet omfatte 2,0-6,8 vekt-$, fortrinnsvis 3,0-6,5$, og mest foretrukket 4,0-6,5$. I slike legeringer kan magnesiumet omfatte 0,01-3,0 vekt-$, fortrinnsvis 0,05-2,0$, og mest foretrukket 0,10-1,0$.

I de legeringene som er klassifisert som aluminium-magnesium-baserte kan magnesiumet omfatte 2,5-9,8 vekt-$, fortrinnsvis 2,5-7,0$, og mest foretrukket 3,0-5,5$. I slike legeringer kan kobberet omfatte 0-1,5 vekt-$, fortrinnsvis 0,01-1,0$, og mest foretrukket 0,10-1,0$.

Legeringene er langt sterkere enn konvensjonelle legeringer av de nærmest kjente sammensetninger, og sterkere enn det som ville kunne forutsies basert på den vitenskapelige lit-teratur. Videre har de større spesifikke egenskaper enn konvensjonelle sveisbare Al-legeringer. De har også en overraskende sterk naturlig eldingsrespons som er meget nyttig for sveising. Deres sveisbarhet, som er definert som motstandsevnen overfor varmsprekking som kan inntreffe under sveising, er utmerket. Dette er overraskende i betraktning av den skuffende sveisbarheten til nylige kommersialiserte Al-Li-legeringer.

Tre legeringssmelter som har de sammensetninger som er angitt i nedenstående tabell II ble fremstilt. Ever legering ble støpt, homogenisert, ekstrudert, oppløseliggjort, bråkjølt og strukket, ved bruk av de parametere som er angitt i tabell

III.

Eldingsrespons

Isokronale eldingskurver ble utviklet for de tre legeringene for å identifisere fordelaktige eldingstemperaturer, dvs. de som ville gi høy hardhet i en praktisk tidsperiode (fig. 1-3). Deretter ble kunstige eldingskurver utviklet ved valgte temperaturer og studier av naturlig elding ble foretatt med forskjellige grader av strekk (se fig. 4 til 8). De kobber-holdige legeringene, f.eks. legering 049, viser en hurtig og ekstremt sterk eldingsrespons ved 160°C (fig. 4), en temperatur hvor Al-Cu-legeringer normalt reagerer tregt, skjønt en minsking i hardhet noteres under de tidlige eldingstrinn (dvs. "reversjon").

Al-Cu-Mg-Ag-Li-legeringene viser en naturlig eldingsrespons som er usedvanlig, og spesielt signifikant hva angår anvendbarhet (fig. 6, 7). Responsen er så hurtig for legering 049 at i løpet av 10 timer etter bråkjøling så øker hardheten fra 48 til 72 Rg, både med en 3$ kaldstrekking før elding, og også uten forutgående kaldbearbeidelse. Dette er ekstremt viktig fordi alle eksisterende kommersielle Al-Li-pilot-legeringer har utilstrekkelig styrke til å erstatte eksisterende høyteknologi-legeringer med mindre de er kaldbear-beidet før elding. Dette er spesielt problematisk for smiing av legeringer hvorved det oftest ikke er praktisk å indusere kaldbearbeidelse før elding. Det er signifikant at den naturlige eldingsrespons uten kaldbearbeidelse til sist er større enn den med kaldbearbeidelse, hvilket er en ekstremt nyttig og vesentlig egenskap for smiing. Denne naturlige eldingsrespons observeres for både tappinger 049 og 051. Legering 050 viste en svak naturlig eldingsrespons uten noe strekk, og en mer hurtig respons med strekk (fig. 8).

I motsetning til dette har kjente 2xxx legeringer en meget svak, ubetydelig naturlig eldingsrespons uten forutgående kaldbearbeidelse. Strekkfastheter slik som de som ble oppnådd med foreliggende legeringer var fullstendig uventet på basis av 2xxx legeringer.

Strekkegenskaper

Legeringene ble festet i strekk under forskjellige eldings-betingelser i både lengde (L)- og den lange tverr (LT)-retningen. I tabell IV fremgår det at egenskapene er tydelig eksepsjonelle og vesentlig sterkere enn de for noen konvensjonell sveisbar aluminiumlegering, og også sterkere enn Sovjet-legering 01420, den eneste kommersielle Al-Li-legeringen som er planlagt til å være sveisbar.

De høyeste styrkene som er rapportert er generelt i den "lett undereldede" (SUA )-tilstanden hvor seighet er forventet å være høyere enn i den toppeldede tilstanden. Man kan se på de kunstige eldingskurvene (fig. 4 og 5) for å bestemme graden av underelding i den rapporterte 160°C (24 timer)-tilstanden.

De nye legeringene demonstrerer også uventet gode egenskaper i den naturlige eldede tilstand (tabell V). Faktisk er Al-Cu-Mg-Ag-Li-legering 049 sterkere i den naturlige eldede tilstand enn noen konvensjonell sveisbar aluminiumlegering er i sin toppstyrke-tilstand. Dette har viktige implikasjoner for sveising hvor en sterk naturlig eldingsrespons gir muligheten for å gjenopprette styrke i sveiser. Dessuten er det meget signifikant at denne eksepsjonelle naturlige eldingsrespons eksisterer uten forutgående kaldbearbeidelse. Følgelig foreligger det et nyttig middel for å øke styrken til sveiser og smigods hvori indusering av kaldbearbeidelse ofte ikke er praktisk. Enda bedre naturlige eldede egenskaper ble oppnådd i senere fremstilte legeringer, som beskrevet i det følgende (tabell XIV). Legering 050, en Al-Mg-Ag-Li-legering, i den strukkede og naturlig eldede tilstand (T3-tilstand) er vesentlig så sterk som legering 01420 i den kunstig eldede tilstanden. Legeringene ifølge forliggende oppfinnelse har også glimrende spesifikke egenskaper, idet den spesifikke styrken til 049 er nesten to ganger den til 2219 T81 (tabell VI).

Med kunstig elding "blir de eksperimentelle legeringene 041 og 051 faktisk så sterke som, eller sterkere enn, noen blokk-metallurgisk aluminiumbasislegering, både sveisbar og ikke-sveisbar, slik det fremgår ved sammenligning i tabellene V og VII, og fig. 9.

I motsetning til dette så viste den Ag-holdige, Mg-frie Al-Li-legeringen utviklet av LeBaron ikke de overraskende styrkeøkninger som resulterer gjennom foreliggende oppfinnelse. Tilstedeværelsen av Ag nedsatte faktisk styrken noe (tabell VIII).

Foreliggende Al-Cu-Mg-Ag-Li-legeringer (049 og 051) viser en signifikant styrkeøkning i forhold til den eksperimentelle Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr-Ti-Fe-Si-legeringen utviklet av Polmear. Som det fremgår ble det observert forbedringer på 34$ og 23$ for flytegrense og strekkfasthet, respektivt, for legering 049 sammenlignet med Polmear-legeringen (Tabell VIII).

De benyttede betegnelser YS og UTS i de nedenstående tabeller betyr henholdsvis flytegrense og strekkfasthet.

Sveisbarhet

Smelte- sveisbarhet

Wolfram- inertgass

Legering 049 ble manuelt TIG (wolfram-inertgass)-sveiset med både konvensjonell 2319 fyllstoff og basismetallfyllstoff. Legering 050 ble manuelt TIG-sveiset med både konvensjonelt 5356-fyllstoff og basismetallfyllstoff. V-kjerv-buttsveiser med en anselig grad av begrensethet ble tilveiebrakt. TIG (wolfram-inertgass)-sveising. V-buttsveising gir ikke sveiser av spesielt høy sammenføyningseffektivitet (dvs. styrke sveis/styrke basismetall). Begrensede eller hemmede V-kjerv-buttsveiser er imidlertid instruktive for demonstrasjon av sveisbarhet når sveiseparametre ikke er kjent for et nytt materiale. I tillegg ble det fremstilt firkantbuttsveiser ved automatisk TIG på legeringer 049, 050 og 051 under anvendelse av konvensjonelle fyllstoffer.

Mens sveisbarhet er definert som motstanden overfor varme-sprekking så utviste ingen av sveisene noen varmsprekkingsmottakelighet til tross for den påtvungne begrensning. De benyttede sveiseparametrene (tabell IX), som ble valgt basert på analogi med konvensjonelle legeringer, ledet videre til god metallflyt under sveising og forårsaket at sveiserne påstod at legeringene lot seg sveise like lett som konvensjonelle legeringer 2219 og 5083.

Legeringene hadde lavt hydrogeninnhold (tabell II) og likevel utviste sveisene gassdannede porer ved grenseflaten mellom sveisestrengen og basislegeringen. Porøsiteten antas å ha resultert fra uriktig håndtering under sveising. Denne porøsiteten forårsaket at sveisene sviktet i strekk ved nevnte grenseflate. Ikke desto mindre er styrkene til flere sveiser temmelig gode (se tabell X) og dette antyder at meget gode sveisestyrker er mulig. Det ble utøvet korrigerende håndtering ved sveiseforbehandling i etterfølgende sveise-tester og ingen signifikant porøsitet ble detektert ved hjelp av radiografiske teknikker. Faktum er at TIG-sveiser for en legering av 049-typen (059, beskrevet i det nedenstående) ved bruk av basismetallfyllstoff, bestod den meget strenge kvalitetskontrollproduksjonstesten for porøsitet som anvendes på titan-raketten.

Elektronstrålesveising

Autogene elektronstråle (EB)-sveisearbeider ble foretatt på en legering lik legering 049, legering 061 beskrevet i det nedenstående. En I-sveis ble utført langs lengdeaksen på to 100 mm brede plater av legering 061. Sveisingen ble foretatt ved 140 kv spenning og 80 mA strømstyrke ved en sveise-hastighet på 500 mm/min. i en enkelt passasje.

Legeringen viste seg å være lett sveisbar ved denne teknikken og de to 18 mm tykke platene ble lett sammenføyet i den fullstendige innsmeltningspassasjen.

Sveisearbeidene ble radiofotograferte og viste ubetydelig porøsitet og lang-tverrstrekkegenskaper ble beskrevet. Strekkfasthetene var eksepsjonelt høye og er fra materialet i tilstanden som ubearbeidet sveis med bare 12 dagers naturlig elding (se tabell XI). Selv om den tilsynelatende forlengelse over 10,2 cm lengden er 0,3$ så var deformasjonen lokalisert til den smale (ca. 5 mm) sveisesonen, slik at det virkelige strekk-til-feil-forholdet i dette lokaliserte området er mye høyere. Dette understøttes av den mye høyere 9$ reduksjonen i areal.

Fr iks. jons sveisbarhet

Flere prøvestykker av 049-type legering 061 ble strukket til 5,1 cm sylindriske staver med en diameter på 1,3 cm og ble friksjonssveiset ved bruk av parametrene i tabell XII. Selv om et detaljert studium ikke ble foretatt for å utvikle optimaliserte friksjonssveiseparametre ble gode styrker oppnådd (tabell XII). For eksempel var strekkfastheten til sammenføyninger så høye som 8,97 kg/cm<2> uten noen ettersveis-ingsvarmebehandling hvilket viser at denne legeringen passer til friksjonssveising.

Data ved forhøyet temperatur

Egenskaper ved forhøyet temperatur ble bestemt ved bruk av varmkompresjonstester på legering 051 og konvensjonell sveisbar legering 2219, den ledende konvensjonelle legering for bruk ved 120"C. (Tabell XIII, fig. 10).

Kompresjonstestene ble utført ved en spenningsgrad på

8 x IO-<3> s"<1> etter holding ved temperatur i 30 minutter. Den nye legeringen viste eksepsjonell varmtemperaturstyrke, godt over den til 2219 (se fig. 10), gjennom hele det undersøkte temperaturområdet hvilket anses for å være utenfor det brukbare temperaturområdet for 2219. Legering 051 har faktisk betydelig høyere flytegrense ved 200°C enn 2219 har ved romtemperatur, og meget nær den samme flytegrensen ved 250°C som 2219 har ved romtemperatur.

Flere strekkforsøk ble foretatt ved forhøyede temperaturer (tabell XIII, fig. 11 og 12) og styrkeverdier ble funnet å være eksepsjonelle. Både strekkfasthet og flytegrense er overlegne i forhold til legering 2014.

Ytterligere legeringer

Etter å ha oppnådd de eksepsjonelle egenskapene som er demonstrert for legeringer 049-051 så ble ti ytterligere 22,7 kg tapping tilveiebrakt i overensstemmelse med de sammensetninger som er angitt i tabell XIV. Flere tester var nær-duplikater av 049 og 050 for å demonstrere reproduserbarhet, og andre var forsøk på å forbedre spesifikke egenskaper. F.eks. ble Al-Cu-baserte legeringer lik 049 fremstilt med høyere Li-nivåer for å nedsette densitet og øke elastisitetsmodul. Andre Al-Cu-baserte legeringer ble fremstilt med lavere Cu-innhold for å nedsette densitet og for å bestemme om varmsprekkingsmottakelighet øker ved det undersøkte Cu-nivået, som forutsagt gjennom data fra Al-Cu-binaere legeringer. (Meister og Martin, "Veiding of Aluminium and Aluminium Alloys", Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, Columbus, Ohio, 1967.)

To Al-Mg-baserte legeringer lik 050 ble fremstilt, en med den samme nominelle sammensetning (062), og en fremstilt med 0,2$ Cu for å bestemme effekten av Cu på styrke. Legeringene ble støpt og homogenisert ved bruk av parametre lik de i tabell II. Ekstruderings- og bearbeidelsesparametre er i tabell XIV, og sammenlignende strekkegenskaper er vist i tabell XV.

Naar-duplikattestene for legering 049 (dvs. legeringer 059, 060, 061) reproduserte de uventet høye egenskapene til legering 049 på glimrende måte (se tabell XVI). Den økede tilsetning av Li til Al-Cu-basert legering (064, 065, 066, 067) nedsatte således virkelig densiteten (tabell XIV), men hadde en uventet effekt på styrken. Både strekkfasthet og flytegrense minsket, i lett undereldet tilstand, med økende Li-innhold i det studerte området (se figurer 13, 14). Den samme tendens ble observert for data i den naturlig eldede tilstand både med og uten kaldstrekk (se figurer 15, 16). Denne styrkenedgang er den motsatte effekt for faktisk talt alle praktiske Al-Cu-Li-legeringssammensetninger. Nylig japansk arbeid (Yo Kojima et al., "Effect of Lithium Addition on the Elevated Temperature Properties of 2219 Alloy", Journal of Japan Institute of Light Metals, vol. 36, nr. 11, nov. 1986, sidene 737-743) som angår Li-modifiserte 2219-legeringer (Al - 6 vekt-$ Cu), viser faktisk en direkte relatert økning i flytegrense med økende Li-innhold fra 0 til 2 vekt-$ (se tabell XVII).

Strekkdataene ved naturlig elding for legeringer lik legringer av 049-typen er høyere enn noen som er rapportert i litteraturen for aluminiumlegeringer. Strekkfasthetene uten kaldbearbeidelse, 13,05-13,35 kg/cm<2>, er faktisk betydelig høyere enn egenskapene for 2219 i den fullstendig kunstig eldede tilstand (se tabell XVIII).

Til tross for det faktum at styrken avtar med Li-innhold fra ca. 1,2$ til ca. 1,5 vekt-$. så er styrkene for legeringene med høyere litiumnivå fremdeles konkurransedyktige med andre høystyrke-legeringer samt konvensjonelle legeringer. Det er således flere teknologisk nyttige familier av legeringer som omfattes av foreliggende oppfinnelse; f.eks. en legering med ultrahøy styrke (049) med en fire prosent nedgang i densitet med hensyn til 2219, og en høystyrke-legering (065 ) med en seks prosent eller høyere densitetsnedgang.

Forsøk på å nedsette densitet ved å senke kobberinnholdet var vellykket ved at styrken ikke endret seg med en minsking i kobberinnhold fra 6,3 til 5,4 vekt-$ ved både 1,4 vekt-$- og 1,7 vekt-$-litiumnivåene.

Smibarhet

Et støpegods av legering 058 ble ekstrudert til en 5,1 cm diameter stav ved 358°C. Seksjoner av denne staven ble benyttet som utgangsmateriale for smiing for å bestemme smibarheten av Al-Cu-baserte legeringer. Ti seksjoner av en lengde på 10,2 cm ble skåret fra staven og ble smidd ved bruk av en lukket matrise for torsjonsakselen benyttet i et jagerfly. Legeringen viste utmerket smibarhet i denne komplekse smiing ved at alle ti smigodsene viste fullstendig matrisefylling og ingen tilbøyelighet til sprekking over et område av smitemperaturer fra 275 til 410°C. Et smigods ble senere oppløsningsvarmebehandlet ved 504°C i 90 minutter og bråkjølt med vann ved 20°C. Etter 24 timer med naturlig elding hadde smigodsene en hardhet på 77 Rg, lik den til den ekstruderte staven. Videre, etter elding ved 160°C i 20 timer varierte hardhetsavlesningene for smigodsene fra 98 til 104 Rg (strekkf asthet i kg/in<2> og hardhet i Rg er omtrent 1:1). Dette forsøket viser det eksepsjonelle potensialet til denne legeringen for oppnåelse av høy styrke i smigods uten hjelp av kaldbearbeidelse for å stimulere utfelling under kunstig elding. Andre Al-Li-legeringer tilfredsstiller ikke ønsket styrke i komplekse smigods på grunn av at mange smigods-materialer ikke er mottakelige for kaldbearbeidelse, og disse andre legeringene trenger kaldbearbeidelse for oppnåelse av høyere styrke.

Bråk. iøl ingssensitivitet

Bråkjølingssensitivitet refererer til et materiales manglende evne til å oppnå dets maksimum styrkeegenskaper fra utfel-lingsprosesser når dets avkjølingshastighet etter oppløs-ningsvarmebehandling nedsettes under bråkjøling, dvs. bevirket med forskjellige flytende media eller fra varme-overføringsbegrensninger gjennom massen av det bråkjølte stykket. Det er fordelaktig å ha et materiale med lav bråkjølingssensitivitet hvor avkjølingshastigheter ikke er kritisk. Bråkjølings-"insensitivitet" er verdifullt for sveisearbeider hvor det kan være at det ikke er mulig å behandle legeringen ved gjenoppvarming eller hvor sveisestrengen og varmepåvirkede soner avkjøles relativt langsomt etter sveising.

Som en innledende bestemmelse av bråkjølingssensitivitet i den Al-Cu-baserte legeringen ble det målt en hardhetsprofil over en bråkjølt stav med en diametr på 2,5 cm (1,2 m lengde av ekstrudering 058). Etter oppløsningsvarmebehandling ved 487,8°C i 1,5 timer, bråkjøling med vann av 20°C, ble materialet naturlig eldet i 1400 timer og Rockwell B-målinger ble foretatt i inkrementer på 3,2 mm fra periferien mot sentrum av ekstruderingen som vist i tabell XIX. Det maksimale avviket i hardhet er mindre enn 4 Rg hvilket viser lav bråkjølingssensitivitet. Lignende hardhetsprofiler over 2,5 cm x 1,9 cm ekstruderingen 061 viste et avvike på mindre enn 2 Rg punkter gjennom tykkelsen.

Som en ytterligere beregning av bråkjølingssensitivitet ble snitt av legering 049 bråkjølt i enten vann ved romtemperatur, isvann (0°C) eller kokende vann (100°C) etter opp-løsningsvarmebehandling ved 504° C. Fig. 17 viser den naturlige eldningsrespons for legeringen som resulterte etter bråkjøling fra disse tre forskjellige bråkjølingsgradene. En sterk naturlig eldningsrespons noteres for alle tre brå-kjølingsgrader. Ved de lengst registrerte eldningstidene så er det ikke mer enn seks Rockwell-punkter som skiller den langsomste (kokende) og hurtigste (isvann) bråkjølingsgraden mens det er liten forskjell mellom bråkjøling ved standard romtemperatur og bråkjøling med vann. Al-Cu-Mg-Ag-Li-legeringen viser seg således å være tilstrekkelig brå-kjølingsinsensitiv til å ha et potensiale for gjenopprettelse av styrke i sveisearbeider og smigods.

Dette resultatet indikerer også at den eksepsjonelle styrken til Al-Cu-baserte legeringer i den naturlige eldede tilstand, f.eks. flytegrense (YS) 9,64 kg/cm<2> og strekkfasthet (UTS) 13,35 kg/cm<2> for legering 061, kan økes ytterligere ved bråkjøling i isvann. Således viser de naturlige eldnings-kurvene på fig. 17 at strekkfastheter på over 13,18 kg/cm<2 >kan oppnås etter en bråkjøling med isvann i løpet av ca. 1000 timer. Dette er teknologisk av betydning fordi bråkjøling ved 0°C er en praktisk driftsoperasjon.

Gitt de uventet høye egenskapene til foreliggende legeringer ble det bestemt å foreta tilsetninger av sølv eller sølv pluss magnesium til nylig kommersialiserte aluminium-litium-legeringer 2090, 8090 og 8091. Sammensetningene for disse legeringene er angitt i tabell XX. Det ble foretatt tilsetninger av 0,4 vekt-$ sølv til 8090 og 8091, og 0,4 vekt-$ sølv pluss 0,4 vekt-$ magnesium til 2090. Disse legeringene ble støpt på vellykket måte og funnet å ha forbedrede egenskaper. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en familie av legeringssammensetninger som, når de bearbeides på hen-siktsmessig måte, gir eksepsjonell styrke — langt større enn den til eksisterende blokk-metallurgilegeringer av lignende aluminiumbaserte materialer. Grunnene til denne ultrahøye styrken er ikke helt ut forstått. Omfattende forsøk med transmisjonselektronmikroskopi og utvalte arealdiffraksjonseksperimenter falt ikke vellykket ut når det gjaldt å detektere en omega-fase i legering 049, hvilket kunne være forventet ut fra arbeidet til Polmear. Det ble observert at T^-fasen (A^CuLi) er eksepsjonelt raffinert i legering 049 hvilket kan være en hjelp med hensyn til å forklare den ultrahøye styrken. Legeringene har lavere densitet enn lignende legeringer som et resultat av tilset-ningen av litium. Legeringene viser overraskende god duktilitet (i de naturlig eldede og undereldede tilstander) hvilket er uventet for en legering som inneholder litium. Videre har legeringene overraskende og uventet høy styrke i den naturlig eldede tilstand hvilket gjør dem meget lovende for sveise- og smianvendelser. Legeringene har bedre kombinasjoner av styrke og duktilitet enn nylig kommersialiserte Al-Li-legeringer slik som 2090, 2091 og 8090 (se fig. 18). Sveiseforsøk viser at foreliggende legeringer er ekstremt sveisbare ved bruk av både konvensjonelle fyllstoffer og basismetallfyllstoffer.

Claims

1. Aluminiumlegering, karakterisert ved at den i består av 2,0-9,8 vekt-# av et legerende element valgt fra magnesium og blandinger av magnesium og kobber, hvor magnesiumet omfatter minst 0,05 vekt-$; 0,01-2,0 vekt-# sølv, fra 0,05-4,1 vekt-$ litium, og 0,05-1,0 vekt-$ av et kornforfinende additiv valgt fra zirkonium, krom, mangan, titan, bor, hafnium, vanadium, titandiborid og blandinger derav, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

2. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at mengden av det legerende elementet er 2,5-8,5 vekt-$, sølv 0,05-1,2 vekt-#, litium 0,2-3,1 vekt-$, og mengden av det kornforfinende additivet 0,05-0,6 vekt-$.

3. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at mengden av det legerende elementet er 3,1-7,5 vekt-$, sølv 0,1-1,0 vekt-$, litium 0,5-2,7 vekt-$, og mengden av det kornforfinende additivet 0,05-0,5 vekt-$

4. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 6,3 vekt-# kobber, 0,4 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 1,2 vekt-$ litium og 0,15 vekt-$ zirkonium, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

5. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 5,0 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 2,0 vekt-# litium og 0,15 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

6. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 6,3 vekt-$ kobber, 0,4 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 1,4 vekt-$ litium og 0,15 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

7. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 0,2 vekt-$ kobber, 5,0 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 2,0 vekt-$ litium og 0,15 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium, og tilfeldige urenheter.

8. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 6,3 vekt-$ kobber, 0,4 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-# sølv, 1,7 vekt-$ litium, 0,15 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

9. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den i det vesentlige består av 6,3 vekt-$ kobber, 0,4 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 2,0 vekt-$ litium og 0,15 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

10. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den i det vesentlige består av 5,4 vekt-$ kobber, 0,4 vekt-5é magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 1,4 vekt-$ litium og 0,15 vekt$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

11. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved. at den i det vesentlige består av 5,4 vekt-$ kobber, 0,4 vekt-$ magnesium, 0,4 vekt-$ sølv, 1,7 vekt-$ litium og 0,15 vekt-# kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

12. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 2,0-6,8 vekt-$ kobber, 0,05-3,0 vekt-$ magnesium, 0,01-2,0 vekt-$ sølv, 0,05-4,1 vekt-$ litium og 0,05-1,0 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

13. Aluminiumlegering ifølge krav 12, karakterisert ved at det kornforfinende additivet omfatter zirkonium.

14. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 3,0-6,5 vekt-$ kobber, 0,05-2,0 vekt-$ magnesium, 0,05-1,2 vekt-$ sølv, 0,2-3,1 vekt-$ litium og 0,05-0,6 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

15. Aluminiumlegering ifølge krav 14, karakterisert ved at det kornforfinende additivet omfatter zirkonium.

16. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 4,0-6,5 vekt-$ kobber, 0,1-1,0 vekt-$ magnesium, 0,1-1,0 vekt-$ sølv, 0,5-2,7 vekt-$ litium og 0,05-0,5 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

17. Aluminiumlegering ifølge krav 16, karakterisert ved at det kornforfinende additivet omfatter zirkonium.

18. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 0-1,5 vekt-$ kobber, 2,0-9,8 vekt-$ magnesium, 0,01-2,0 vekt-$ sølv, 0,05-4,1 vekt-$ litium og 0,05-1,0 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

19. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 0,01-1,0 vekt-$ kobber, 2,5-7,0 vekt-$ magnesium, 0,05-1,2 vekt-$ sølv, 0,2-3,1 vekt-$ litium, og 0,05-0,6 vekt-$ kornforfinende additiv, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.

20. Aluminiumlegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den i det vesentlige består av 0,1-1,0 vekt-$ kobber, 3,0-5,5 vekt-$ magnesium, 0,1-1,0 vekt-$ sølv, 0,5-2,7 vekt-$ litium og 0,05 - 0,5 vekt-$ kornforfinende additivk, og resten aluminium og tilfeldige urenheter.