DE3486352T2

DE3486352T2 - Aluminium-Lithium-Legierung.

Info

Publication number: DE3486352T2
Application number: DE19843486352
Authority: DE
Inventors: Sven E Axter; Eugene R Curtis; Michael V Hyatt; Hari G Narayanan; William E Quist
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Alcoa Corp
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1984-12-20
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2004-12-21
Also published as: EP0156995B1; EP0156995A1; JPS60211035A; DE3486352D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einer Aluminiumlegierung, die Lithium gemeinsam mit Kupfer als Hauptlegierungselemente enthält. Insbesondere sollen Erzeugnisse hoher Bruchzähigkeit und hoher Festigkeit geschaffen werden, die in der Flugzeugindustrie verwendet werden können.
Bisher wurden Aluminium-Lithiumlegierungen in der Flugzeugkonstruktion nur spärlich eingesetzt. Ihre relativ geringe Anwendung geht auf Gießschwierigkeiten im Zusammenhang mit Aluminium-Lithiumlegierungen und ihrer relativ geringen Bruchzähigkeit im Vergleich zu anderen konventionelleren Aluminiumlegierungen zurück. Aluminium-Lithiumlegierungen ermöglichen jedoch eine erhebliche Verringerung der Dichte von Aluminiumlegierungen (sowie auch ein relativ hohes Festigkeit-Masse-Verhältnis), was sich zur Verminderung der Gesamtmasse von in einem Flugzeug verwendeten Konstruktionsmaterialien als sehr entscheidend erwiesen hat. Während wesentliche Fortschritte in der Verbesserung der Aluminium-Lithium-Verarbeitungstechnologie erzielt wurden, besteht eine wichtige Herausforderung immer noch darin, eine gute Kombination von Bruchzähigkeit und hoher Festigkeit in einer Aluminium-Lithiumlegierung zu erhalten.
Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß eine hervorragende Kombination von Bruchzähigkeit und Festigkeit erzielt werden kann, wenn eine Aluminium-Lithium-Magnesium- Kupferlegierung von bestimmten Zusammensetzungsbeschränkungen verwendet wird und wenn eine solche Legierung nach der Verformung zu Gegenständen einer Unteralterung bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von 93 ºC bis 149 ºC unterzogen wurden. Es können tatsächlich Erzeugnisse hoher Festigkeit, guter Bruchzähigkeit und relativ niedriger Dichte hergestellt werden, die eine potentielle Verwendung zum Ersatz konventioneller Aluminiumlegierungserzeugnisse der 7XXX-Serien haben.
Die Erfindung gewährt damit ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus Aluminiumlegierung, die Lithium zusammen mit Kupfer und dem Kornverfeinerungsmittel Zirconium als obligatorische Legierungselemente aufweist, welches Verfahren die Schritte aufweist:
- Herstellen einer Legierung der folgenden Zusammensetzung:
Element Menge (Gew.%)
Li 2,0 bis 2,4
Mg 0 bis 0,9
Cu 2,3 bis 2,7
Zr 0,12 max.
Fe plus Si 0,30 max.
weitere Spurenelemente 0,25 max.
Al Rest
- Gießen der Legierung zu einem Block,
- Homogenisieren des Blocks,
- Formen von Gegenständen aus der genannten Legierung,
- den Gegenstand einem Lösungsglühen und einem Schritt des Abschreckhärtens unterziehen und
- Altern der Legierung in solchen Erzeugnissen.
Vorzugsweise weist die Legierung eine Nennzusammensetzung von 2,2% Li, 0,5% Mg, 2,5% Cu und 0,12% Zr, Rest Al und Spurenelemente auf.
Es wird darauf verwiesen, daß ein früherer Vorschlag zur Herstellung von Al-Li-Mg-Cu-Legierungserzeugnissen zur Verwendung in Flugzeugen von R.J. Kar, J.W. Bohlen und G.R. Chanani, S. 257 und S. 266, offenbart wurde, in welchem Vorschlag kein begrenzter Gehalt von Zr wie in der vorliegenden Erfindung offenbart wurde. Noble und Thompson, Metal Science Journal (1972) S. 167-74, offenbaren ein Verfahren zur Behandlung von Al-Li-Cu-Legierungen, wobei jedoch diese Legierungen kein Zr enthalten.
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzte Aluminium-Lithiumlegierung enthält 2,0 bis 2,4% Lithium, 0 bis 0,9% Magnesium, 2,3 bis 2,7% Kupfer und maximal 0,12% Zirconium als ein Kornverfeinerungsmittel. Vorzugsweise werden von 0,10 bis 0,12% Zirconium eingearbeitet. Sofern nicht anders angegeben, sind hierin alle prozentualen Angaben auf das Gesamtgewicht der Legierung bezogen. Obgleich Magnesium in der Legierung nicht eingesetzt werden muß, wird zur Erhöhung der Festigkeit ohne Erhöhen der Dichte bevorzugt, daß Magnesium einbezogen wird. Bevorzugte Mengen von Magnesium liegen im Bereich von 0,5 bis 0,9%, wobei 0,7% am meisten bevorzugt werden. Das Kupfer verleiht der Legierung Festigkeit.
Eisen und Silicium dürfen lediglich in Spuren vorhanden sein, wobei das Eisen auf ein Maximum von ,0,15% und das Silicium auf ein Maximum von 0,12% begrenzt werden und diese vorzugsweise auf ein Maximum von 0,10 bzw. 0,10% begrenzt sind. Gewisse Spurenelemente, wie beispielsweise Zink, können in Mengen bis zu 0,25% der Gesamtmenge vorhanden sein, ohne diese jedoch zu überschreiten. Weitere Elemente, wie beispielsweise Chrom und Mangan, müssen auf Konzentrationen von 0,05% oder darunter gehalten werden. Wenn diese Maxima überschritten werden, können sich die angestrebten Eigenschaften der Aluminium-Lithiumlegierung verschlechtern. Die Spurenelemente Natrium und Wasserstoff werden ebenfalls als schädlich für die Eigenschaften (insbesondere Bruchzähigkeit) von Aluminium-Lithiumlegierungen angesehen und sollten auf die niedrigsten, praktisch erreichbaren Konzentrationen beschränkt werden, beispielsweise in der Größenordnung von 15 . . . 30 ppm (0,0015 . . . 0,0030 Gew.%) für das Natrium und weniger als 15 ppm (0,0015 Gew.%) und vorzugsweise weniger als 1,0 ppm (0,0001 Gew.%) für den Wasserstoff. Der Rest der Legierung besteht selbstverständlich aus Aluminium.
Eine Aluminium-Lithium-Legierung, die entsprechend den in dem vorangegangenen Abschnitt genannten Anteilen zusammengesetzt ist, wird unter Einsatz bekannter Verfahren zu einem Gegenstand verarbeitet. Die Legierung wird in geschmolzener Form angesetzt und zu einem Block gegossen. Der Block wird sodann bei Temperaturen im Bereich von 496ºC bis 538ºC homogenisiert. Danach wird die Legierung nach den konventionellen mechanischen Umformverfahren, wie beispielsweise Walzen, Strangziehen o. dgl., zu einem verwendbaren Gegenstand weiterverarbeitet. Nachdem der Gegenstand umgeformt ist, wird die Legierung normalerweise einem Lösungsglühen bei Temperaturen im Bereich von 510ºC bis 538ºC unterzogen und in einem Abschreckmittel, wie beispielsweise Wasser, das auf einer Temperatur in der Größenordnung von 21ºC bis 66ºC gehalten wird, einer Abschreckhärtung unterzogen. Wenn die Legierung gewalzt oder stranggezogen wurde, wird sie normalerweise in der Größenordnung von 1 bis 3% ihrer Ausgangslänge zum Freisetzen der inneren Spannungen gestreckt.
Die Aluminiumlegierung kann sodann weiterverarbeitet und zu verschiedenen Formen für ihre Endanwendung umgeformt werden. Auf Wunsch können zusätzliche Wärmebehandlungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Lösungsglühen. Beispielsweise kann ein stranggezogenes Erzeugnis nach dem Schneiden auf die gewünschte Länge normalerweise einem Lösungsglühen bei Temperaturen in der Größenordnung von 524ºC für 1 bis 4 Stunden unterzogen werden. Das Erzeugnis wird sodann in einem auf Temperaturen im Bereich von etwa 21ºC bis 66ºC gehaltene gehaltenen Abschreckmittel einer Abschreckhärtung unterzogen.
Danach wird der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung einer Alterungsbehandlung bei relativ niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 93 ºC bis 149 ºC unterzogen. Da diese Legierung konventionelle Legierungen vom Typ der 7XXX-Serien ersetzen soll, wird bevorzugt, daß die Legierung für eine Zeitdauer gealtert wird, bei der sie mindestens etwa 95% ihrer größten Festigkeit erreichen kann. Es wird bevorzugt, daß die Legierung für eine Zeitdauer gealtert wird, bei der sie 95% bis 97% ihrer größten Festigkeit erzielt. Bevorzugte Alterungstemperaturen liegen im Bereich von 121 ºC bis 135 ºC. innerhalb dieser Temperaturbereiche kann durch Alterung von etwa 4 bis 120 Stunden 95% bis 97% der Höchstfestigkeit erzielt werden.

Beispiel

Es wurde eine Legierung mit 2,2% Lithium, 0,5% Magnesium, 2,5% Kupfer, 0,1% Zirconium und Rest Aluminium angesetzt. Die im Ansatz vorhandenen Spurenelemente betrugen weniger als 0,25% der Gesamtmenge. Das in dem Ansatz vorhandene Eisen und Silicium betrugen weniger als 0,07% des Ansatzes. Die Legierung wurde gegossen und bei etwa 524 ºC homogenisiert. Danach wurde die Legierung zu einer Dicke von 0,5 cm gewalzt. Das resultierende Blech wurde sodann bei etwa 524 ºC für etwa eine Stunde einem Lösungsglühen unterzogen. Sodann wurde es in Wasser, das auf etwa 21 ºC gehalten wurde, einer Abschreckhärtung unterzogen. Danach wurde das Blech einer Streckung von 1,5% seiner Ausgangslänge unterzogen. Das Material wurde sodann zu Proben geschnitten. Die Proben wurden zu einer Größen von 1,27 cm · 6,35 cm · 0,5 cm für den bruchmechanischen Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy geschnitten, bei welchem die Bruchzähigkeit gemessen wird. Die für die Zugfestigkeitsprüfungen vorbereiteten Proben hatten eine Abmessung von 2, 54 cm · 10,2 cm · 0,5 cm. Sodann wurde eine Vielzahl von Proben für 120 Stunden bei 135ºC gealtert. Jede der Proben, die bei jeder der Temperaturen und Zeiten gealtert wurde, wurde sodann entsprechend dem Standard-Prüfverfahren nach ASTM, den Zugfestigkeitsprüfungen und bruchmechanischen Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy unterzogen.
Die bei 135 ºC "unteralterten" Proben zeigten eine Bruchfestigkeit im Bereich von etwa 586 MPa bis etwa 655 MPa mit einer Zähigkeit in der Größenordnung von 0,039 j/mm² bis 0,049 j/mm².

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einer Aluminiumlegierung, die gemeinsam mit Lithium, Kupfer und das Kornverfeinerungsmittel Zirconium als obligatorische Legierungselemente aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt

a) Herstellen einer Legierung der folgenden Zusammensetzung:

Element Menge (Gew.%)

Li 2,0 bis 2,4

Mg 0 bis 0,9

Cu 2,3 bis 2,7

Zr vorliegend bis zu einem Maximum von 0,12

Fe plus Si maximal 0,30

weitere Spurenelemente maximal 0,25

Al Rest;

b) Gießen der Legierung zu einem Block;

c) Homogenisieren des Blocks;

d) Umformen zu einem Gegenstand;

e) den Gegenstand einem Lösungsglühen unterziehen;

f) Abschreckhärten des Gegenstands in einem Abschreckmittel;

g) Altern des Gegenstands.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Magnesium in einer Menge im Bereich von 0,5% bis 0,9 Gew.% vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem Magnesium in einer Menge von 0,7 Gew.% vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei welchem Eisen in Mengen bis zu 0,15 Gew.% vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei welchem Eisen in Mengen bis zu 0,10 Gew.% vorliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei welchem Silicium in Mengen bis zu 0,12 Gew.% vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei welchem Silicium in Mengen bis zu 0,10 Gew.% vorliegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei welchem die Legierung eine Nennzusammensetzung 2,2 Gew.% Li, 0,5 Gew.% Mg, 2,5 Gew.% Cu und 0,12 Gew.% Zr, Rest Al und Spurenelemente aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, ,bei welchem die Legierung für eine zum Erreichen von mindestens 95% ihrer Höchstfestigkeit ausreichenden Zeitdauer gealtert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, bei welchem die Legierung für eine zum Erreichen von 95% bis 97% ihrer Höchstfestigkeit ausreichenden Zeitdauer gealtert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, bei welchem der Gegenstand bei einer Temperatur im Bereich von 93ºC (200ºF) bis 149ºC (300ºF) gealtert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 121ºC (250ºF) bis 135ºC (275ºF) gealtert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, bei welchem die Legierung für eine Zeitdauer im Bereich von 4 bis 120 Stunden gealtert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Zirconium in einer Menge von 0,10 bis 0,12 Gew.%. vorliegt.