DE69117066T2

DE69117066T2 - Verbessertes al-li-legierungssystem

Info

Publication number: DE69117066T2
Application number: DE69117066T
Authority: DE
Inventors: Alex Richmond Va 23233 Cho
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Constellium Rolled Products Ravenswood LLC
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPH06500602A; WO1992003583A1; EP0546103B1; CA2089171C; EP0546103A4; US5133931A; CA2089171A1; JP3194742B2; EP0546103A1; DE69117066D1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Aluminium-Lithium- Legierungssystem, und insbesondere eine Lithium-Aluminium- Legierung, die Magnesium und Zink enthält und als für Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignete Legierung geringer Dichte mit verbesserter Zugfestigkeit charakterisiert ist.

Hintergrund

In der Luftfahrtindustrie ist allgemein anerkannt, daß eine der effektivsten Möglichkeiten, das Gewicht eines Luftfahrzeugs zu reduzieren darin besteht, die Dichte von bei der Luftfahrzeugkonstruktion verwendeten Aluminiumlegierungen zu reduzieren. Um die Legierungsdichte zu reduzieren, sind Lithiumzusätze vorgesehen worden. Der Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen ist jedoch nicht problemlos. Beispielsweise führt der Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen häufig zu einer Verminderung der Duktilität bzw. Verformbarkeit und der Bruchzähigkeit. Bei der Verwendung in Flugzeugteilen ist es unerläßlich, daß die Lithium-enthaltende Legierung sowohl eine verbesserte Verformbarkeit wie Bruchzähigkeit und Festigkeitseigenschaften haben.
In Bezug auf herkömmliche Legierungen scheinen sowohl eine hohe Festigkeit wie eine hohe Bruchzähigkeit im Licht herkömmlicher Legierungen, wie beispielsweise AA (Aluminum Association) 2024- T3X und 7050-TX, äußerst schwierig erzielbar zu sein, die bei Luftfahrzeuganwendungen normalerweise verwendet werden. Beispielsweise zeigt eine Veröffentlichung von J.T. Staley mit dem Titel "Microstructure and Toughness of High-Strength Aluminum Albys", Properties Related to Fracture Toughness, ASTM STP605, American Society for Testing and Materials, 1976, Seiten 71- 103, allgemein, daß für ein AA2024-Blech die Zähigkeit abnimmt, wenn die Festigkeit zunimmt. In derselben Veröffentlichung ist außerdem ausgeführt, daß dasselbe auf eine AA7050-Platte zutrifft. Wünschenswertere Legierungen würden eine erhöhte Festigkeit bei lediglich minimaler oder keiner Abnahme der Zähigkeit oder Verfahrensschritte erlauben, bei denen die Zähigkeit gesteuert wird, wenn die Festigkeit erhöht wird, um eine wünschenswertere Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Bei wünschenswerteren Legierungen wäre außerdem die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit in einer Aluminium-Lithium-Legierung erzielbar, die Dichteverminderungen in der Größenordnung von 5 bis 15% aufweist. Derartige Legierungen finden eine weit verbreitete Verwendung in der Raumfahrtindustrie, wo ein niedriges Gewicht und eine hohe Festigkeit und Zähigkeit zu einer hohen Treibstoffeinsparung führen. Deshalb ist ersichtlich, daß die Erzielung von Qualitäten, wie beispielsweise hohe Festigkeit bei geringem oder keinem Verlust an Zähigkeit oder eine Steuerbarkeit der Zähigkeit bei erhöhter Festigkeit, zu einem äußerst außergewöhnlichen Aluminium- Lithium-Legierungsprodukt führen würde.
Es ist bekannt, daß der Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen deren Dichte reduziert und deren Elastizitätsmodule erhöht, wodurch signifikante Verbesserungen der spezifischen Steifheit erzeugt werden. Die schnelle Zunahme der Löslichkeit in festem Zustand von Lithium in Aluminium über den Temperaturbereich von 0º bis 500ºC führt zu einem Legierungssystem, das einer Ausscheidungs- bzw. Dispersionshärtung zugänglich ist, um Festigkeitsniveaus zu erreichen, die vergleichbar mit einigen der existierenden, kommerziell hergestellten Aluminiumlegierungen sind. Die aufzeigbaren Vorteile von Lithium-enthaltenden Legierungen sind jedoch von anderen Nachteilen ausgeglichen worden, wie beispielsweise eine begrenzte Bruchzähigkeit und Verformbarkeit, Entlaminierungsprobleme oder eine schlechte Spannungskorrosionsreißfestigkeit usw.
Deshalb haben lediglich vier Lithium-enthaltende Legierungen eine bedeutende Verwendung auf dem Raumfahrtgebiet erlangt. Dabei handelt es sich um die beiden amerikanischen Legierungen X2020 und 2090, um eine britische Legierung 8090 und eine russische Legierung 01420.
Eine amerikanische Legierung, die X2020, mit einer Zusammensetzung Al-4,5Cu-1,1Li-0,5Mn-0,2Cd (sämtliche Zahlen beziehen sich dabei so wie nachfolgend auf eine Gew.-%-Zusammensetzung) wurde 1957 registriert. Die Dichtereduktion, die mit dem 1,1% -Lithiumzusatz zu X2020 verbunden ist, betrug 3%, und obwohl die Legierung mit sehr hohen Festigkeiten entwickelt wurde, besaß sie außerdem sehr niedrige Bruchzähigkeitsniveaus, was ihre effiziente Verwendung unter hohen Spannungen nicht ratsam machte. Außerdem wurden während Formgebungsvorgängen die Verformbarkeit betreffende Probleme aufgedeckt. Diese Legierung ist schließlich seit 1974 formal zurückgezogen worden.
Eine andere amerikanische Legierung, die 2090, die eine Zusammensetzung Al-2,4 bis 3,0 Cu-1,9 bis 2,6 Li - 0,08 bis 0,15 Zr aufweist, wurde 1984 bei der Aluminum Association registriert. Obwohl diese Legierung hohe Festigkeiten entwickelte, besaß sie ebenfalls eine geringe Bruchzähigkeit und eine geringe Querkurzverformbarkeit verbunden mit Entlaminierungsproblemen, weshalb die Legierung 2090 keinen breiten kommerziellen Einsatz erfahren hat.
Eine britische Legierung, die 8090, mit einer Zusammensetzung Al-1,0 bis 1,6 Cu - 0,6 bis 1,3 Mg - 2,2 bis 2,7 Li - 0,04 bis 0,16 Zr, wurde 1988 in der Aluminum Association registriert. Die mit 2,2 bis 2,7 Gew.-% verbundene Dichtereduktion war signifikant. Ihre begrenzte Festigkeit bei niedriger Bruchzähigkeit und niedriger Spannungskorrosionsrißbeständigkeit verhinderte jedoch, daß die Legierung 8090 für Raumfahrt- und Luftfahrtanwendungen weit verbreitet akzeptiert wurde.
Eine russische Legierung, die 01420, die Al-4 bis 7 Mg-1,5 bis 2,6 Li - 0,2 bis 1,0 Mn - 0,05 bis 0,3 Zr (wobei Mn und/oder Zr vorhanden sind) enthält, wurde im GB-Patent Nr. 1 172 736 durch Fridlyander et al. beschrieben. Die russische Legierung 01420 besitzt spezifische Module, die besser sind als diejenigen herkömmlicher Legierungen; ihre spezifischen Festigkeitsniveaus sind jedoch vergleichbar mit den herkömmlich verwendeten Aluminiumlegierungen der 2000-Serie, so daß lediglich in steifheitskritischen Anwendungen Gewichtsersparnisse erreicht werden konnten.
Es ist außerdem bekannt, daß der Einschluß von Magnesium mit Lithium in einer Aluminiumlegierung der Legierung eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte vermitteln kann; diese Elemente sind jedoch selbst nicht ausreichend, um eine hohe Festigkeit ohne weitere Sekundärelemente zu erzeugen. Sekundärelemente, wie beispielsweise Kupfer und Zink, erzeugen ein verbessertes Ausscheidungshärtungsansprechen; Zirkon erbringt eine Korngrößensteuerung, und Elemente, wie beispielsweise Silicium und Übergangsmetallelemente erbringen eine thermische Stabilität bei Zwischentemperaturen bis hin zu 200ºC. Das Kombinieren dieser Elemente in Aluminiumlegierungen ist jedoch aufgrund der reaktiven Natur in flüssigem Aluminium schwierig gewesen, die die Bildung grober komplexer Zwischenphasen während des herkömmlichen Gießens fördert.
Deshalb sind beträchtliche Bemühungen auf die Erzeugung von Legierungen auf der Basis von Aluminium geringer Dichte gerichtet worden, die dazu in der Lage sind, in strukturelle Komponenten bzw. Bauteilen für die Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie gebildet zu werden. Von den durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellten Legierungen wird angenommen, daß sie diesen Bedarf beim Stand der Technik befriedigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine auf Aluminium basierende Legierung geringer Dichte und hoher Festigkeit zu schaffen, die Lithium und Magnesium enthält.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine auf Aluminium basierende Legierung geringer Dichte und hoher Festigkeit zu schaffen, die kritische Mengen an Lithium, Magnesium, Silber und Zink enthält.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Legierungen zu schaffen, sowie in ihrer Verwendung in Luftfahrt- und Raumfahrtbauteilen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus ihrer nachfolgenden Beschreibung.
Unter Lösung bzw. Erzielung der vorstehend genannten Aufgaben und Vorteile wird durch die vorliegende Erfindung eine auf Aluminium basierende Legierung geschaffen, die Bestandteile in Gew.-% gemäß der Formel umfaßt:
MgaLibZncAgdAlbal
wobei a von 0,5 bis 10% reicht, b von 0,5 bis 3,0% reicht, c von 0,1 bis 5,0% reicht, d von 0,1 bis 2,0% reicht, und bal bdeutet, daß der Rest der Zusammensetzung Aluminium ist, unter der Voraussetzung, daß der Gesamtgehalt an legierungsbildenden Elementen 12,0 Gew.-% nicht übersteigen darf, und unter der weiteren Voraussetzung, daß dann, wenn a von 7,0 bis 10,0% reicht, b 2,5% nicht übersteigen kann, und c 2,0% nicht übersteigen kann, und wobei zusätzlich wahlfreie Kornsteuerungselemente vorhanden sind, wie in Anspruch 1 angeführt.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur Zubereitung dieser Legierungszusammensetzung, umfassend:
a) Gießen eines Blocks aus der Legierung,
b) Entspannen des Blocks durch Erwärmen,
c) Homogenisieren der Kornstruktur durch Erwärmen des Blocks und Abkühlen,
d) Heißwalzen auf ein End-Normalmaß,
e) Lösungswärmebehandeln durch Durchwärmen bei erhöhter Temperatur,
f) Abschrecken,
g) Strecken um 5 bis 8% und
h) Altern durch Erwärmen.
Außerdem wird durch die vorliegende Erfindung die Verwendung dieser Legierungszusammensetzung in Luftfahrzeugen und Bauteilen geschaffen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung schafft eine auf Aluminium basierende Legierung geringer Dichte, die Magnesium, Lithium, Zink und Silber als wesentliche Bestandteile und wahlfrei Zusätze zur Korngrößensteuerung und zur Kornwachstumssteuerung bei Rekristallisierung enthält. Die erfindungsgemäß auf Aluminium basierende Legierung geringer Dichte umfaßt in Gew.-% gemäß der Formel
MgaLibZncAgdAlbal
wobei a von 0,5 bis 10% reicht, b von 0,5 bis 3,0% reicht, c von 0,1 bis 5,0% reicht, d von 0,1 bis 2,0% reicht, und bal bdeutet, daß der Rest der Zusammensetzung Aluminium ist, unter der Voraussetzung, daß der Gesamtgehalt an legierungsbildenden Elementen 12,0 Gew.-% nicht übersteigen darf, und unter der weiteren Voraussetzung, daß dann, wenn a von 7,0 bis 10,0% reicht, b 2,5% nicht übersteigen kann, und c 2,0% nicht übersteigen kann, und wobei zusätzlich wahlfreie Kornsteuerungselemente vorhanden sind, wie in Anspruch 1 angeführt.
Eine bevorzugte Legierungszusammensetzung gemäß dieser Erfindung ist eine Legierung, bei der a von 4,0 bis 6,5 reicht, b von 1,5 bis 2,2 reicht, c von 0,3 bis 1,5 reicht und d von 0,3 bis 1,0% reicht, wobei Aluminium den Rest bildet.
Eine bevorzugte Legierung mit niedrigem Lithiumgehalt gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Zusammensetzung, bei der a 7, - 10,0 ist, b 1,0 - 1,5 ist, c 0,3 - 1,0 ist und d 0,3 bis 1, ist, wobei der Rest Aluminium ist. Eine bevorzugte Legierung mit hohem Lithiumgehalt gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Zusammensetzung, bei der a 3,0 bis 5,5 ist, b 2,2 bis 3, ist, c 0,3 bis 1,0 ist und d 0,3 bis 1,0 ist, wobei der Rest Aluminium ist.
Eine bevorzugte Legierung mit niedrigem Magnesium- und Lithiumgehalt gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung, bei der a 2,0 bis 3,0 ist, b 1,0 bis 2,0 ist, c 4,0 bis 5,0 ist, d 0,3 bis 1,0 ist, wobei der Rest Aluminium ist.
Besonders bevorzugt ist eine Legierung gemäß der folgenden Formel:
wobei a 4,4 ist, b 1,8 ist, c 0,5 ist, d 0,3 ist und e 0,14 ist, und wobei bal der Rest der Legierung ist. Diese Legierung hat eine Dichte von 2,52 g/cm³ (0,091 lbs/in³).
Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können auch zusätzliche Elemente zur Steuerung der Korngröße zur Rekristallisation während einer Wärmebehandlung, die auf eine mechanische Behandlung folgt, enthalten, wie beispielsweise Zirkon, Mangan, Chrom, Hafnium, Scandium, Titan usw.
Es ist gefunden worden, daß das Zusetzen von Zirkon ein effektives und wirtschaftlich reizvolles Verfahren zur Steuerung der Korngröße und zur Verhinderung der Rekristallisation ist. Verbesserungen der Festigkeit und der Verformbarkeit in Zirkon enthaltenden Legierungen hängen direkt von der nicht rekristallisierten Kornstruktur ab, die durch die Verwendung von 0,1 bis 1,0 Gew.-% Zirkon gewonnen wird. Ein bevorzugtes Niveau des Zirkon-Zusatzes liegt bei 0,10 bis 0,2 Gew.-%. Bis zu 1,0 Gew.- % können weitere Raffinationselemente gemäß Anspruch 1 zugesetzt werden. Mangan kann mit 0,1 bis 1,0 Gew.-% zugesetzt werden. Hafnium kann mit 0,1 bis 0,5 Gew.-% zugesetzt werden. Scandium kann mit 0,1 bis 0,8 Gew.-% zugesetzt werden. Titan kann mit 0,01 bis 0,2 Gew.-% zugesetzt werden. Chrom kann mit einem Gehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-% zugesetzt werden. (Diese Elemente können als alleiniges Element oder zusammen in verschiedenen Kombinationen zugesetzt werden.)
Während das Legierungsprodukt mit kontrollierten Mengen an legierungsbildenden Elementen versehen wird, wie vorstehend erläutert, ist es bevorzugt, daß die Legierung gemäß speziellen Verfahrensschritten zubereitet wird, um die wünschenswertesten Charakteristiken von sowohl der Festigkeit wie der Bruchzähigkeit zu erzeugen. Deshalb kann die vorliegend beschriebene Legierung als Block oder Barren zur Herstellung in ein geeignetes Halbzeug durch Gießen und darauffolgende Entspannungstechniken zur Verfügung gestellt werden, die zur Zeit auf dem Gebiet von Gießprodukten verwendet werden, wobei ein kontinuierliches Gießen bevorzugt ist. Es sollte bemerkt werden, daß die Legierung auch in Barrenform zur Verfügung gestellt werden kann, die aus einer feinen partikelförmigen, beispielsweise pulverförmigen Aluminiumlegierung verfestigt wird, welche die vorstehend genannten Zusammensetzungsbereiche hat. Das pulveroder partikelförmige Material kann durch Verfahren, wie beispielsweise Zerstäubung, mechanisches Legieren und Schmelzspinnen, gewonnen werden. Der Block oder der Barren kann vorbereitend bearbeitet oder geformt werden, um für die darauffolgenden Bearbeitungsvorgänge einen geeigneten Vorrat zu schaffen. Vor dem Hauptbearbeitungsvorgang wird der Legierungsvorrat einer Homogenisierung unterworfen, um die Innenstruktur des Metalls zu homogenisieren. Die Homogenisierungstemperatur kann von 343 bis 499ºC (650 bis 930ºF) reichen. Eine bevorzugte Zeitdauer beträgt etwa 20 Stunden oder mehr im Homogenisierungstemperaturbereich. Normalerweise muß sich die Aufwärm- und Homogenisierungsbehandlung auf nicht mehr als 40 Stunden erstrecken; längere Zeiten sind jedoch normalerweise nicht schädlich. Eine Zeit von 20 bis 40 Stunden bei der Homogenisierungstemperatur ist als durchaus geeignet gefunden worden. Zusätzlich zum Auflösen der Bestandteile zur Förderung der Bearbeitbarkeit ist diese Homogenisierungsbehandlung deshalb wichtig, weil von ihr angenommen wird, daß sie Dispersoide ausfällt, welche die Steuerung der endgültigen Kornstruktur fördern.
Nach der Homogenisierungsbehandlung kann das Metall gewalzt oder extrudiert oder anderweitig Bearbeitungsvorgängen unterworfen werden, um Vorräte, wie beispielsweise Bleche, Platten oder Strangpreßteile oder andere Vorratsformen, zu gewinnen, die zur Formgebung in ein Endprodukt geeignet sind.
Das bedeutet, daß nachdem der Block homogenisiert worden ist, er heißbearbeitet oder heißgewalzt werden kann. Das Heißwalzen kann bei einer Temperatur im Bereich von 3710 bis 510ºC (700º bis 950ºF) durchgeführt werden, wobei eine typische Temperatur im Bereich von 371º bis 510º (700º bis 950ºF) liegt. Das Heißwalzen kann die Dicke des Blocks abhängig vom Leistungsvermögen der Walzanlage auf ein Viertel seiner ursprünglichen Dicke oder auf das End-Normalmaß reduzieren. Das Kaltwalzen kann verwendet werden, um eine weitere Normalmaß-Reduzierung zu erhalten. Das Heiß- oder Kaltwalzen kann verwendet werden, um die End-Normalmaßdicke zu gewinnen.
Das gewalzte Material in Blechform wird bevorzugt lösungswärmebehandelt, typischerweise bei einer Temperatur im Bereich von 516º bis 560ºC (960º bis 1040ºF) für eine Zeitdauer im Bereich von 0,25 bis 5 Stunden. Um die gewünschte Festigkeit und Bruchzähigkeit zu erzeugen, die für das Endprodukt und für die Vorgänge beim Bilden dieses Produkts notwendig sind, sollte das Produkt schnell abgeschreckt werden, um ein unkontrolliertes Niederschlagen von Festigungsphasen zu verhindern oder zu mmimieren. Beim Ausüben der vorliegenden Erfindung ist es deshalb bevorzugt, daß die Abschreckphase zumindest 38ºC (100ºF) pro Sekunde von der Lösungstemperatur zu einer Temperatur von etwa 93ºC (200ºF) oder darunter liegt. Eine bevorzugte Abschreckrate beträgt zumindest 93ºC (200ºF) pro Sekunde im Temperaturbereich von 482ºC (900ºF) oder mehr bis 93ºC (200ºF) oder weniger. Nachdem das Metall eine Temperatur von etwa 93ºC (200ºF) erreicht hat, kann es daraufhin luftgekühlt werden. Wenn die Legierung gemäß der Erfindung beispielsweise in Platten gegossen oder walzgegossen wird, können einige oder sämtliche der vorstehend genannten Schritte weggelassen werden.
Nach der genannten Lösungswärmebehandlung und dem Abschrecken werden das verbesserte Blech, die Platte oder das Strangpreßprodukt oder die anderen Halbzeuge künstlich gealtert, um die Festigkeit zu verbessern, und in diesem Fall kann die Bruchzähigkeit beträchtlich sinken. Um den Verlust an Bruchzähigkeit zu minimieren, der mit einer Verbesserung der Festigkeit verbunden ist, kann das lösungswärmebehandelte und abgeschreckte Legierungsprodukt, insbesondere das Blech, die Platte oder das Strangpreßprodukt, vorzugsweise bei Raumtemperatur gestreckt werden.
Nachdem das Legierungsprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitet worden ist, kann es künstlich gealtert werden, um die Kombination der Bruchzähigkeit und Festigkeit, die bei Luftfahrzeugelementen so stark erwünscht sind, zu erhalten. Dies kann dadurch durchgeführt werden, daß das Blech oder die Platte oder das geformte Produkt auf einer Temperatur im Bereich von 66ºC (150ºF) bis 204ºC (400ºF) für eine ausreichende Zeitdauer ausgesetzt wird, um die Ziehfestigkeit weiter zu erhöhen. Bevorzugt wird die künstliche Alterung dadurch durchgeführt, daß das Legierungsprodukt einer Temperatur im Bereich von 135º bis 191ºC (275º bis 375ºF) für eine Zeitdauer von zumindest 30 Minuten ausgesetzt wird. Ein geeeigneter Alterungsvorgang sieht eine Behandlung von etwa 8 bis 24 Stunden bei einer Temperatur von etwa 171ºC (340ºF) vor. Ferner ist zu bemerken, daß das Legierungsprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung einer beliebigen auf diesem Gebiet der Technik bekannten typischen unter Alterungsbehandlungen, einschließlich dem natürlichen Altern unterworfen werden kann. Während ein einzelner Alterungsschritt beschrieben worden ist, können mehrfache Alterungsschritte, wie beispielsweise zwei oder drei Alterungsschritte, in Betracht gezogen werden, und das Strecken oder eine dazu äquivalente Bearbeitung kann vor oder selbst nach einem Teil dieser mehrfachen Alterungsschritte verwendet werden.
Die Mg-Li-Ag-Zn-haltigen Aluminiumlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung erbringen hervorragende Eigenschaften für eine Legierung geringer Dichte und hoher Festigkeit. Insbesondere zeigen die Legierungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine spezifische Zugfestigkeit von immerhin 479 x 10&sup6; Nm&supmin;² (72 ksi) mit einer spezifischen Zugfestigkeit (UTS), die von 476 bis 497 x 10&sup6; Nm&supmin;² (69 bis 72 ksi) in Abhängigkeit von der Konditionierung reicht, einer technischen Streckgrenze (TYS) in Höhe von immerhin 455 x 10&sup6; Nm&supmin;² (66 ksi) sowie reichend von 435 bis 455 x 106 Nm&supmin;² (63-66 ksi) und eine Längung bzw. Dehnung von bis zu 9%. Dabei handelt es sich um hervorragende Ergebnisse für eine Legierungszusammensetzung geringer Dichte, und die Legierung kann dadurch in Bauteile für eine Verwendung bei Luftfahrt- und Raumfahrtanwendungen gebildet werden. Es ist insbesondere gefunden worden, daß die Kombination sowie die kritische Steuerung der Gehalte an legierungsbildenden Lithium-, Magnesium-, Zink- und Silberbestandteilen es ermöglichen, eine Legierung geringer Dichte zu erhalten, die eine hervorragende Zugfestigkeit und Dehnbarkeit aufweist. Die Dichte der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist 2,52 g/cm³ (0,091 lbs/in³) niedrig und reicht von 2,46 g/cm³ (0,089 lbs/in³) bis 2,63 g/cm³ (0,095 lbs/in³).
Gemäß dem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Legierungen in geschmolzener Form formuliert und daraufhin in einen Block bzw. einen Barren gegossen. Daraufhin wird die Spannung in dem Block durch Erwärmen bei 316º bis 343ºC (600º bis 650ºF) für 6 bis 10 Stunden entspannt. Der Block wird daraufhin bei Temperaturen homogenisiert, die von 343º bis 538ºC (650º bis 1000ºF) bei 10ºC (50ºF)/h reichen, daraufhin bei 482º bis 524ºC (900º bis 975ºF) für 20 bis 50 Stunden durchwärmt und luftgekühlt. Daraufhin wird die Legierung in einen benutzbaren Artikel durch herkömmliche mechanische Verformungstechniken, wie beispielsweise Walzen, Strangpressen oder dergleichen, überführt. Die Legierung wird einem Heißwalzen unterworfen und bevorzugt erwärmt, um bei 482ºC (900ºF) auf ein End-Normalmaß zwischen 462º und 371ºC (900º bis 700ºF) gewalzt zu werden. Eine Wärmebehandlung kann ein Durchwärmen bei 538ºC (1000ºF) für 1 Stunde, gefolgt von einem Abschrecken in kaltem Wasser einschließen. Da die Legierung gewalzt worden ist, wird sie üblicherweise dadurch abgeschreckt, daß sie einer sofortigen Streckung von 5 bis 6% ausgesetzt wird. Die Aluminiumlegierung kann daraufhin durch Altern unter verschiedenen Bedingungen, jedoch bevorzugt bei 171ºC (340ºF) für 8 Stunden für eine Spitzenfestigkeit oder 171ºC (340ºF) für 16 bis 24 Stunden für einen überalterten Zustand gealtert werden.
Das Altern wird durchgeführt, um die Festigkeit des Materials zu erhöhen, während seine Bruchzähigkeit sowie andere Bearbeitungseigenschaften auf relativ hohen Niveaus gehalten werden. Da gemäß dieser Erfindung eine hohe Festigkeit bevorzugt ist, wird die Legierung bei 171ºC (340ºF) für 4 bis 12 Stunden gealtert, um die Spitzenfestigkeit zu erzielen. Bei höheren Temperaturen ist weniger Zeit erforderlich, um die gewünschten Festigkeitsniveaus zu erzielen als bei niedrigeren Alterungstemperaturen.
Wenn die vorstehenden Behandlungen an der Legierung durchgeführt werden, führt die Behandlung zu einer Al-Li-Legierung mit einer technischen Streckgrenze in der Größenordnung von 435 bis 455 x 106 Nm&supmin;² (63 bis 66 ksi) und einer spezifischen Streckgrenze von 476 bis 497 x 106 Nm&supmin;² (69 bis 72 ksi).
Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung, ohne daß diese darauf beschränkt wäre. Bei diesem Beispiel sowie in der gesamten Beschreibung sind Teile Gewichtsteile, sofern nicht anderweitig ausgewiesen.

BEISPIEL

Duplikate von drei getrennten Legierungen wurden gemäß dem folgenden Verfahren zubereitet. Eine Aluminiumlegierung, enthaltend 4,4% Magnesium, 1,8% Lithium, 0,5% Zink, 0,3% Silber und 0,14% Zirkon, wobei der Rest Aluminium ist, wurde formuliert. Die Legierung wurde als Block in eine 13,6 kg (30-Pfund) Permanentgußform gegossen. Der Block wurde daraufhin durch Erwärmen bei 343ºC (650ºF) für 8 Stunden einer Entspannung unterworfen. Daraufhin wurde der Block durch Erwärmen bei 10ºC (50ºF) bis hin zu 343ºC (650ºF) auf 499ºC (930ºF) erwärmt und daraufhin für 36 Stunden bei 499ºC (930ºF) durchwärmt. Der Block wurde daraufhin luftgekühlt und heißgewalzt bei 482ºC (900ºF) auf ein End-Normalmaß von 0,95 cm (0,375 Inch) bei der Temperatur von 371º bis 482ºC (700º bis 900ºF). Der heißgewalzte Block wurde daraufhin durch Durchwärmen bei 538ºC (1000ºF) für eine Stunde wärmebehandelt, dann einem Abschrecken durch kaltes Wasser unterworfen und daraufhin sofort um 5,6% gestreckt. Der Block wurde daraufhin einem Altern unter den folgenden Bedingungen für 3 getrennte Sätze von Blöcken ausgesetzt, die gemäß diesem Beispiel zubereitet wurden:
1. 171ºC (340ºF)/8 Stunden für die Spitzenfestigkeit;
2. 171ºC (340ºF)/16 Stunden für den überalterten Zustand;
3. 171ºC (340ºF)/24 Stunden für den überalterten Zustand.
Während des Alterns betrug die Aufwärmrate für sämtliche Anwendungen 10ºC (50ºF) pro Stunde.
Die gemäß diesem Beispiel hergestellten Blöcke wurden daraufhin Messungen hinsichtlich der spezifischen Zugfestigkeit (UTS), der technischen 0,2%-Offset-Streckgrenze (TYS) und der Dehnbarkeit unterworfen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, wobei UTS die spezifische Zugfestigkeit, TYS die technische Streckgrenze und E1 die Dehnbarkeit ist. Die Zugtests wurden mit runden Zugprobestücken mit einem Durchmesser von 0,635 cm (0,25 Inch) durchgeführt. Die Zugdehnungswerte wurden ausgehend von einer Normalmaßlänge von 2,54 cm (1 Inch) gemessen. TABELLE Ergebnisse der mechanischen Eigenschaft (Mittelwerte der Duplikate) Im Spitzenalterungszustand: Im überalterten Zustand: Zustand:
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß die Bestandteilekombination in dem Aluminiumlegierungssystem dieser Erfindung die technische Streckgrenze und die Dehnbarkeit deutlich erhöht.
Die technische Streckgrenze der Blöcke vom Beispiel 1 wurde mit einer bekannten Legierung der folgenden Zusammensetzung verglichen:
4,5 Mg, 1,8 Li, 0,3 Ag, 0,14 Zr, Rest Aluminium, jedoch 0,0% Zn.
Diese Legierung nach dem Stand der Technik wurde bei 171ºC (340ºF) für 24 Stunden gealtert, zeigt eine spezifische Zugfestigkeit (UTS) von 479,5 x 10&sup6; Nm&supmin;² (69,5 ksi), jedoch eine technische Streckgrenze (TYS) von lediglich 367,8 Nm&supmin;² (53,3 ksi) und eine Dehnbarkeit von 7%.

Claims

1. Auf Aluminium basierende Legierung geringer Dichte, umfassend in Gew.-% gemäß der Formel

MgaLibZncAgdAlbal

wobei a von 0,5 bis 10% reicht, b von 0,5 bis 3,0% reicht, c von 0,1 bis 5,0% reicht, d von 0,1 bis 2,0% reicht, und bal bdeutet, daß der Rest der Zusammensetzung Aluminium ist, unter der Voraussetzung, daß der Gesamtgehalt an legierungsbildenden Elementen 12,0 Gew.-% nicht übersteigen darf, und unter der weiteren Voraussetzung, daß dann, wenn a von 7,0 bis 10,0% reicht, b 2,5% nicht übersteigen kann, und c 2,0% nicht übersteigen kann, und zusätzliche wahlfrei enthaltend bis zu 1,0 Gew.-% zumindest ein Kornsteuerungselement, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus 0,1 bis 1,0 Gew.-% Zirkon, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Hafnium, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Scandium, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Chrom.

2. Auf Aluminium basierende Legierung nach Anspruch 1, die Zirkon mit einem Gehalt von 0,1 bis 0,2 Gew.-% als Kornsteuerungselement enthält.

3. Auf Aluminium basierende Legierung nach Anspruch 1, die eine Dichte von etwa 2,52 g/cm³ (0,091 lbs/in³) hat.

4. Auf Aluminium basierende Legierung nach Anspruch 1, wobei a 7,0 bis 10,0% ist, b 1,0 bis 1,5% ist, c 0,3 bis 1,0% ist und d 0,3 bis 1,0% ist.

5. Auf Aluminium basierende Legierung nach Anspruch 1, wobei a 3,0 bis 5,5% ist, b 2,2 bis 3,0% ist, c 0,3 bis 1,0% ist, und d 0,3 bis 1,0% ist.

6. Auf Aluminium basierende Legierung nach Anspruch 1, wobei a 2,0 bis 3,0% ist, b 1,0 bis 2,0% ist, c 4,0 bis 5,0% ist, und d 0,3 bis 1,0% ist, wobei der Rest Aluminium ist.

7. Aluminiumlegierung geringer Dichte, umfassend in Gew.-% gemäß der Formel:

MgaLibZncAgdZreAlbal

wobei a 4,4 ist, b 1,8 ist, c 0,5 ist, d 0,3 ist, e 0,14 ist und bal bedeutet, daß der Rest Aluminium ist.

8. Verfahren zur Zubereitung einer Legierung, umfassend die folgenden Schritte:

a) Gießen einer Legierung der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%:

wobei a von 0,5 bis 10% reicht, b von 0,5 bis 3,0% reicht, c von 0,1 bis 5,0% reicht, d von 0,1 bis 2,0% reicht, und bal bdeutet, daß der Rest der Zusammensetzung Aluminium ist, unter der Voraussetzung, daß der Gesamtgehalt an legierungsbildenden Elementen 12, Gew.-% nicht übersteigen darf, und unter der weiteren Voraussetzung, daß dann, wenn a von 7,0 bis 10,0% reicht, b 2,5% nicht übersteigen kann, und c 2,0% nicht übersteigen kann, und zusätzliche wahlfrei enthaltend bis zu 1,0 Gew.-% zumindest ein Kornsteuerungselement, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus 0,1 bis 1,0 Gew.-% Zirkon, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Hafnium, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Scandium, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Chrom,

b) Bilden eines Blocks aus der Legierung,

c) Entspannen des Blocks durch Erwärmen,

d) Homogenisieren durch Erwärmen, Durchwärmen bei einer erhöhten Temperatur und Abkühlen,

e) Heißwalzen auf ein End-Normalmaß,

f) Lösungswärmebehandeln durch Durchwärmen und daraufhin Abschrecken,

g) Strecken um 5 bis 8%,

h) Altern durch Erwärmen.

9. Raumfahrt-Flugwerkstruktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1.

10. Raumfahrt-Flugwerkstruktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 7.

11. Luftfahrt-Flugwerkstruktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1.

12. Luftfahrt-Flugwerkstruktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 7.