PT2006403E

PT2006403E - Ligas à base de alumínio

Info

Publication number: PT2006403E
Application number: PT07747842T
Authority: PT
Inventors: Valeriy Ivanovich Popov; Boris Vladimirovic Ovsyannikov; Viktor Mikhailovich Zamyatin
Original assignee: Otkrytoe Akcionernoe Obschestv
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2010-04-26
Also published as: DE07747842T1; DE602007004465D1; ES2319718T3; WO2007111529A1; ES2319718T1; EP2006403A1; RU2310005C1; US20090068056A1; ATE455874T1; EP2006403B1; EP2006403A4

Description

DESCRIÇÃO

LIGAS À BASE DE ALUMÍNIO

Uma invenção assinala o campo da metalurgia de ligas à base de alumínio, em particular à liga do sistema alumínio-cobre-magnésio-lítio aplicado ao fabrico de produtos semi-acabados e suas partes usados como materiais estruturais para a engenharia aeroespacial.

Sabe-se que as ligas de alumínio-lítio possuem uma combinação única de propriedades mecânicas, nomeadamente de baixa densidade, módulo de elasticidade aumentado, e características de força suficientemente fortes. A disponibilidade das propriedades indicadas permite usar as ligas deste sistema como material estrutural para a engenharia aeroespacial, que permite melhorar um número de características de desempenho do avião, de veículos aéreos, em particular, a redução do peso do veículo, a economia do combustível, o aumento da capacidade de carga.

Contudo, as ligas de alumínio-lítio têm uma desvantagem - baixa ductilidade em condições próximas da força máxima (N.I. Fridlyander, K.V. Chuistov, A.L. Berezina, N.I. Kolobnev, ligas de Alumínio-lítio. Estrutura e Propriedades, Kiev: Nauk, Dumka, 1992, página 177).

Estado da técnica

Liga à base de alumínio é conhecida tendo % em peso Lít io 1.7 - 2.0 Cobre 1.6 - 2.0 Magnésio 0.7 - 1.1 Zircónio 0.04 - 0.16 Berílio 0.02 - 0.2 Titânio 0.01 - 0.07 Niquel 0.02 - 0.15 1

Manganês 0.01 0.4

Alumínio

Restante (Certificado do Inventor de USSR N° . 1767916, IPC C 22 C 21/16, data da publicação 1997.08.20)

As desvantagens da referida liga são a sua baixa processibilidade, alta intensividade de fabrico de trabalho, e baixo rendimento ao fabricar produtos semi-acabados e suas partes, impossibilidade de obter folhas finas, secções de paredes finas e fundidos por matriz na mesma.

As razões que causam a ocorrência das desvantagens acima referidas ao usar a conhecida liga incluem o facto, de que o conteúdo relativamente elevado de cobre na conhecida liga influencia negativamente a fissuração a altas temperaturas e a ductibilidade na formação, o que conduz a uma fissura aumentada, altas rejeições nas dobras e não planas nas operações de acabamento, nomeadamente, no alisamento e no estiramento dos produtos semi-acabados. A liga à base de alumínio é conhecida - 8093 (designação da liga está em conformidade com os números de ligas e de acordo com as definições registadas pela Associação de Alumínio, Washington, EUA) tendo % em peso: Lítio 1.9 - 2.6 Cobre 1.0 - 1.6 Magnésio 0.9 - 1.6 Zircónio 0.04 - 0. Titânio até 0.1 Manganês até 0.1 Zinco até 0.25 Alumínio Restante (Designação internacional de ligas e limites da composição química de alumínio fundido e ligas de alumínio, Associação de Alumínio: 2004, páginas 12, 13). 2

As desvantagens da liga indicada são os custos aumentados da liga, a sua baixa processibilidade, alta intensividade de fabrico de trabalho e baixo rendimento no fabrico de produtos semi-acabados e suas partes, impossibilidade em obter folhas finas, secções de paredes finas e fundição por matriz na mesma.

As razões que causam a ocorrência das desvantagens acima indicadas ao usar a conhecida liga incluem o facto, de que a conhecida liga tem teor aumentado de litio, para além disso, o teor aumentado de litio conduziu à formação de fases de força aumentando ligeiramente as caracteristicas de força da liga, mas, ao mesmo tempo, reduz consideravelmente a sua ductibilidade à moldagem e formação que conduz a uma fissura aumentada, altas rejeições nas dobras e não planas nas operações de acabamento, nomeadamente, no alisamento e no estiramento dos produtos semiacabados . A liga mais próxima da composição e função químicas à liga à base de alumínio reivindicada é a liga tendo % em peso:

Litio 1.7 - 2.0 Cobre 1.6 - 2.0 Magnésio 0.7 - 1.1 Zircónio 0.04 - 0.2 Berílio 0.02 - 0.2 Titânio 0.01 - 0.1 Níquel 0.01 - 0.15 Manganês 0.001 - 0.05 Gálio 0.001 - 0.05 Zinco 0.01 - 0.3 Sódio 0.0005 - 0.0 Alumínio Restante (Patente da Federaçao Russa No. 2180928, IPC 7 C 22 C 21/00, C 22 C 21/16, data da publicação 2002.03.27; ver também EP-A-1 788 101) . 3

As desvantagens da liga indicada tomadas para um protótipo são as suas relativamente baixa processibilidade, alta intensividade de fabrico de trabalho, e baixo rendimento no fabrico de produtos semi-acabados e suas partes, impossibilidade em obter folhas finas, secções de paredes finas e fundidos por matriz na mesma.

As razões que causam a ocorrência das desvantagens acima referidas ao usar a conhecida liga tomadas para um protótipo referem-se ao facto de que a conhecida liga é caracterizada pelo teor aumentado de cobre, que influencia negativamente a fissuração a altas temperaturas e a ductilidade na formação que conduz a uma fissura aumentada, altas rejeições nas dobras e não planas nas operações de acabamento, nomeadamente, no alisamento e no estiramento dos produtos semi-acabados, e ainda, o teor aumentado de sódio e gálio conduz a um aumento considerável da fissuração a altas temperaturas da liga, a uma muito maior redução das suas características dúcteis (A.V. Kurdvumov, S.V. Inkin, V.S. Chulkov, G.G. Shadrin, Metallurgical Admixtures nas Ligas de Alumínio, M. : Metalurgia, 1988, páginas 90, 99) que complica consideravelmente um objectivo de obter lingotes aceitáveis e para além disso receber produtos semi-acabados de vários tipos de forma, e também de desempenhar o revestimento de qualidade nos produtos semi-acabados laminados, como resultado da formação de áreas substanciais de revestimento não soldado nas suas superfícies.

Divulgação da invenção O objectivo, que a invenção propõe resolver, consiste no desenvolvimento de uma liga à base de alumínio com vista ao fabrico de produtos semi-acabados e suas partes para a engenharia aeroespacial, sem as desvantagens acima listadas e inerente às soluções conhecidas de engenharia. Um resultado técnico obtido por uma concretização de uma invenção compreende a obtenção de uma liga que possua uma ductilidade aumentada, que permita melhorar a sua processibilidade, para aumentar os rendimentos no fabrico de produtos semi-acabados e suas partes, que assegure a possibilidade de produzir folhas finas, secções de paredes finas e fundidos por matriz ao reduzir a produção da intensividade de trabalho, ao conservar a necessária força e as características de operação da liga, e também produtos semiacabados e suas partes exigidas pelos materiais estruturais para a engenharia aeroespacial. 4 0 objectivo colocado com a obtenção do referido resultado técnico pela concretização da invenção é resolvido pelo facto de a conhecida liga à base de alumínio conter lítio, cobre, magnésio, zircónio, berílio, titânio, níquel, manganês, gálio, zinco, sódio, adicionalmente contém cálcio e, pelo menos, um elemento seleccionado de um grupo incluindo vanádio e escândio, com a seguinte proporção de componentes, % em peso: Lítio 1.6 - Oh I—1 Cobre 1.3 - 1.5 Magnésio 0.7 - 1.1 Zircónio 0.04 - 0.2 Berílio 0.02 - 0.2 Titânio 0.01 - 0.1 Níquel 0.1 - 0.15 Manganês 1-1 o o - 0.2 Gálio até 0 .001 Zinco 0.01 - 0.3 Sódio até 0 . 0005 Cálcio 0.005 - 0.

Pelo menos um elemento seleccionado de um grupo incluindo:

Vanádio Escândio Alumínio 0.005 - 0.01 0.005 - 0.01 Restante A liga à base de alumínio usada para o fabrico de produtos e partes semi-acabados difere da arte anterior quer quantitativa (reduzido teor de cobre, gálio, e sódio) quer qualitativamente (para além disso contém cálcio, e, pelo menos, um elemento seleccionado de um grupo incluindo vanádio e escândio). 5

Determinámos que o teor aumentado de cobre resulta na formação de compostos de poros intermetálicos de forma irregular, sendo fases contendo cobre formadas pela cristalização da liga nas áreas com teor de cobre aumentado dentro dos grãos e nos seus limites. Estas fases estão representadas não por partículas separadas, mas por extensas acumulações impedindo deformações no corte no processo de formação, que resulta numa redução considerável da ductilidade da liga. A redução do teor de cobre na liga até aos limites de 1.3 - 1.5 % em peso permite praticamente a transferência total para a solução sólida que resulta numa redução considerável da inclusão da proporção de volume dos compostos intermetálicos de fases contendo poros como determinados pela análise electrão-microscopal da liga, e, consequentemente, possibilitar a ductilidade da liga. A redução do teor de cobre inferior a 1.3% em peso não terá uma influência de permissibilidade nas características de ductilidade da liga, mas reduzirá consideravelmente as suas características de força.

Adicionalmente, determinámos que o gálio e o sódio não formam fases com o alumínio e acumulam nos limites do grão resultando numa fractura frágil ao longo do limite do grão nos processos de cristalização da liga e da sua forma.

Determinámos que com os teores de gálio e de sódio inferiores a 0.001 e 0.0005 % em peso respectivamente, eles pratica e totalmente se dissolvem na solução sólida resultante da permissibilidade da ductilidade da liga. O cálcio em quantidade de 0.005 - 0.02 % em peso é um aditivo que liga o excesso de sódio e outros elementos residuais da liga resultando na formação de compostos de forma arredondada de intermetálicos isolados e a sua coagulação resultando em condições mais favoráveis de deformação do corte, e, consequentemente, na permissibilidade da ductilidade do processo da liga. A introdução de um ou mais elementos de um grupo de vanádio, escândio nas quantidades indicadas facilita a formação de uma estrutura homogénea de grãos finos que promovem a intensificação do papel de zircónio como um agente modificador que assegura a força estrutural dos produtos semi-acabados e partes da liga, que permite obter o necessário nível de propriedades de força da liga. 6

Da liga à base de alumínio proposta é possível fabricar vários produtos semi-acabados: folhas e pratos, fundidos por matriz, extrudidos. Dos produtos semi-acabados da liga proposta é possível obter várias partes, por exemplo, painéis para revestimento de estruturas de fuselagem de aviões, elementos de estrutura de protecção, tanques de combustível soldados, e outros elementos de engenharia aeroespacial.

Exemplos de concretizações da invenção

Sob condições industriais um lingote plano com corte transversal de 300 x 1,100 mm e lingotes redondos com diâmetros de 190 mm e 350 mm foram moldados em cada uma das ligas, cuja composição química é dada no Quadro 1. A liga n°l corresponde à liga tomada como um protótipo, as ligas n°s. 2, 3, 4 correspondem aos propostos. A fusão de desgasificação e moldagem em lingote do material de carga foi feita à temperatura de 170-730°C.

Exemplo 1

Mais tarde, as folhas compósitas foram fabricadas dos lingotes planos em cada uma das ligas. As folhas foram fabricadas com base num processo de fluxo por meio de laminagem à temperatura de 430°C até 6.5 mm de espessura com enrolamento de bobinas, e posteriormente, após a temperatura de 400°C, por meio de laminagem a frio.

Deverá mencionar-se que se conseguiu laminar uma folha na liga n°. 1 apenas até 0.9 mm de espessura e a continuação da laminagem foi parada devido à presença de fissuras de 30 mm de profundidade nos bordos das folhas e à presença de 2 rupturas na bobina.

As folhas nas ligas n°. 2, 3, 4 foram laminadas sem rupturas até 0.5 mm de espessura.

As operações de acabamento seguintes, as folhas de alisamento e estiramento nas ligas N°s.2,3,4 em comparação com a liga N°1 e apesar da sua espessura baixa, foram feitas com mais sucesso e com menos rejeições na fase de inspecção de deficiências, dobras, não planas e fissuras. 7

AI Restante CD ON Sc o o I o 1 o o o r-~ > 1 o o o 1 o o Ca , .005 .02 το* o o o r— PO 1-1 CNJ O o o o Γϋ O o o o s O o o o ο co o o o o LO LO CD d <—1 <—1 i—1 i—1 Οπ K) o o o o e o o o o CD CnJ CNJ r—1 o\° o o o o o o V o o o o CD o • • • -P o o o d co CD o- CD C o o o o d o §* s o o o o 'sr LO vT o *H o o o o o s • • • • o o o o o CNJ CNJ CM CM Ή o o o o EH • • • • O CD o o o o H co CNJ Γ0 CD o o o o CQ o o o o o 1—[ I-1 o P t—1 \—E (—1 i—1 Kl . • • • o o o o CU ON o ON co s o 1—I o o d LO PO o i—1 r—1 r—1 <S\ CTi co co «—1 r—1 i—1 i—1 O omposiçã da liga 0 G . *—1 CM ΓΟ CJ u 0 Çu o T5 Cd d -r-\ u -P H Ό c 1—-1 -P o •H > u 0) Oa P 8 0 rendimento por folhas de fabrico nas ligas n°. 2, 3, 4 foram superiores a 30% do que na liga n° 1.

Mais tarde, as amostras das folhas nas ligas 1, 2, 3, 4 foram testadas em tensão estática com determinação da força de tracção (oB) força de rendimento (o0.2) alongamento (õ,%).

As espécies foram cortadas nas direcções longitudinal e transversal, e a um ângulo de 45° relativos à direcção de laminar.

Os resultados dos testes mecânicos estão apresentados no Quadro 2. 0 Quadro 2 mostra que a liga proposta substitui a conhecida liga (o protótipo) nas caracteristicas de ductilidade com conservação das caracteristicas de força solicitadas.

Exemplo 2

As secções (ângulos com espessura da flange superior a 5 mm) foram fabricadas a partir de lingotes redondos com um diâmetro de 190 mm em cada liga.

As secções das diferentes ligas foram fabricadas com base num processo de fluxo por meio de extrusão a uma temperatura de 400°C, com outra secção de água de têmpera, e envelhecimento à temperatura de 150°C em 24 horas. O rendimento pelas folhas de fabrico nas ligas nos. 2, 3, 4 foi superior a 15% quando comparado à liga n°. 1.

Exemplo 3

Os fundidos por matriz com espessura de parede de 40 mm foram fabricados a partir de lingotes redondos com um diâmetro de 350 mm em cada liga. 9

Quadro 2

Liga Composição da Liga N° . Direcção de amostra Propriedades mecânicas <Ob, ΜΠα ^0.2, ΜΠα σ, % Protótipo 1 longitudinal 432 347.5 13.5 transversal 440 343 10.7 a um ângulo de 45° 419 323 13.9 Reivindicado 2 longitudinal 430 349 14.6 transversal 438 352 13.8 a um ângulo de 45° 424 328 14.5 3 longitudinal 431 351 14.8 transversal 438 345 13.9 a um ângulo de 45° 425 329 14.9 4 longitudinal 432 345 14.9 transversal 439 339 14.1 a um ângulo de 45° 423 328 15.1

Os fundidos por matriz nas diferentes ligas foram fabricados num processo de fluxo por meio de fundição por supressão a uma temperatura de 410°C, fundição preliminar a uma temperatura de 410°C e após gravação por meio da fundição final a uma temperatura de 400°C, com têmpera a uma temperatura de 500 °C durante 2 horas e envelhecimento à temperatura de 150°C durante 24 horas. O rendimento do fabrico de fundidos por matriz na liga n°.2, 3, 4 foi superior à liga n°.l em 10%. 10

Assim, a liga sugerida assegura a obtenção do objectivo colocado - melhoramento das características da ductilidade da liga, e consequentemente, melhoramento da sua processibilidade, aumento de rendimentos pelo fabrico de produtos semi-acabados e suas partes, segurança da possibilidade de produzir folhas finas, secções de parede finas e fundidos por matriz ao reduzir a produção da intensividade de trabalho, conservação da força requerida e características de operação da liga e suas partes exigidas aos materiais estruturais para a engenharia aeroespacial.

Lisboa, 20 de Abril de 2010. 11

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. A liga à base de alumínio contendo lítio, cobre, magnésio, zircónio, berílio, titânio, níquel, manganês, gálio, zinco, sódio, que difere pelo facto de que contém adicionalmente cálcio, e pelo menos, um elemento seleccionado de um grupo incluindo vanádio e escândio, com a seguinte proporção de componentes, % em peso: Lít io 1.6 - 1.9 Cobre 1.3 - 1.5 Magnésio 0.7 - 1.1 Zircónio 0.04 - 0.2 Berílio 0.02 - 0.2 Titânio 0.01 - 0.1 Níquel 0.01 - 0.15 Manganês 0.01 - 0.2 Gálio até 0 . 001 Zinco 0.01 - 0.3 Sódio até 0 . 0005 Cálcio 0.005 - 0.02 e pelo menos um elemento seleccionado de um grupo incluindo: Vanádio Escândio Alumínio 0.005 - 0.01 0.005 - 0.01 Restante 2. 0 produto semi-acabado, tal como folha, placa, prato, fundido por matriz ou extrudido manufacturado a partir da liga à base de alumínio de acordo com a reivindicação 1.
3. Peça fabricada a partir de um produto semi-acabado de acordo com a reivindicação 2, tal como um painel de revestimento de uma estrutura de fuselagem de um avião, um elemento de uma estrutura de protecção, um tanque de combustível soldado ou qualquer outro elemento de engenharia aeroespacial.
4. Método de fabrico de uma liga à base de alumínio de acordo com a reivindicação 1, incluindo fusão da desgaseificação e moldagem em lingote do material de carga realizada a uma temperatura de 710-730°C. 1
5. Método de acordo com a reivindicação 4, compreendendo o fabrico de uma folha de lingotes planos, sendo as folhas fabricadas com base num processo de fluxo por meio de laminagem a quente à temperatura de 430°C, até 6.5 mm de espessura com enrolamento de bobinas, e posteriormente, após recozimento à temperatura de 400°C, por meio de laminagem a frio.
6. Método de acordo com a reivindicação 5 incluindo o fabrico de fundidos por matriz com espessura de parede de 40 mm a partir de lingotes redondos com um diâmetro de 350 mm.
7. Método de acordo com a reivindicação 5, compreendendo o fabrico de fundidos por matriz num processo de fluxo por meio de fundição por supressão à temperatura de 410°C, fundição preliminar à temperatura de 410°C, e após repuxamento por meio de fundição final à temperatura de 400°C, e com têmpera adicional à temperatura de 500°C durante duas horas e envelhecimento à temperatura de 150°C durante 24 horas. Lisboa, 20 de Abril de 2010. 2