KR100798567B1

KR100798567B1 - 알루미늄 기초 합금과 이의 반제품 제조방법

Info

Publication number: KR100798567B1
Application number: KR1020037001508A
Authority: KR
Inventors: 토마스 파넨뮬러; 라이너 라우흐; 빈클러페터-유르겐; 로란트 랑; 요지프나우모비치 프리트리안더; 에브게니니콜라비치 카브로프; 블라디미르소로몬노비치 샌들러; 스베트라나니콜라브나 보로브스키크; 발렌틴게오르기에비치 다비도브; 바러리블라디미로비치 자카로브; 마리아블라디미로브나 사마리나; 빅터이그나토비치 에라긴; 레오니드보리소비치 베
Original assignee: 이에이디에스 도이치란트 게엠베하; 올 러시안 인스티튜트 오브 아비에이션 머티리얼즈 비암
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2008-01-28
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: EP1307601A2; US20080115865A1; CA2417567C; AU2001282045B2; EP1307601B1; CN1444665A; AU8204501A; CA2417567A1; US7597770B2; JP5031971B2; KR20030031141A; US20050271543A1; JP2004505176A; CN1234892C; BR0112842B1; WO2002010466A3; RU2180930C1; WO2002010466A2; BR0112842A

Abstract

본 발명은 용접 가능한 저밀도 고강도 알루미늄-구리-리튬 합금에 관계하며 항공 및 우주선 엔지니어링에 사용된다. 본 발명의 합금은 구리, 리튬, 지르코늄, 스칸듐, 철, 실리콘 및 베릴륨과 마그네슘, 망간, 아연, 게르마늄, 이트륨, 세륨, 티타늄에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 또한 압연 전에 주조된 빌렛을 가열, 고온 압연, 용체화처리 및 물담금질, 신장 및 3단계 시효를 포함하는 반제품 제조방법이 발표된다.

Description

알루미늄 기초 합금과 이의 반제품 제조방법{ALUMINIUM-BASED ALLOY AND METHOD OF FABRICATION OF SEMIPRODUCTS THEREOF}

본 발명은 용접 가능한 저밀도 고강도 알루미늄-구리-리튬 합금에 관계하며 항공 및 우주선 엔지니어링에 사용된다.

다음을 포함한(중량%) 알루미늄 기초 합금이 공지된다:

구리 2.6-3.3

리튬 1.8-2.3

지르코늄 0.09-0.14

마그네슘 ≤0.1

망간 ≤0.1

크롬 ≤0.05

니켈 ≤0.003

세륨 ≤0.005

티타늄 ≤0.02-0.06

실리콘 ≤0.1

철 ≤0.15

베릴륨 0.008-0.1

알루미늄 나머지

(OST 1-90048-77)

이 합금의 단점은 저 용접성, 충격 하중에 대한 감소된 내성, 지속된 저온 가열의 경우에 기계적 성질의 저 안정성이다.

다음 조성의 알루미늄 기초 합금이 원형으로 선택된다(중량%):

구리 1.4-6.0

리튬 1.0-4.0

지르코늄 0.02-0.3

티타늄 0.01-0.15

붕소 0.0002-0.07

세륨 0.005-0.15

철 0.03-0.25

다음에서 선택된 적어도 하나의 원소:

네오디뮴 0.0002-0.1

스칸듐 0.01-0.35

바나듐 0.01-0.15

마그네슘 0.6-2.0

망간 0.05-0.6

알루미늄 나머지

(RU특허 1584414, C22C21/12,1988)

이 합금의 단점은 감소된 열안정성, 충분히 높지 않은 내균열성, 성질, 특히 신장성의 고 이방성이다.

470-537℃에서 빌렛의 가열 단계, 고온 압연 단계(압연공정의 말엽에 금속의 온도는 지정되지 않음), 549℃로부터 경화단계, 신장단계(ε=1-8%) 및 149℃에서 8-24시간동안 또는 162℃에서 36-72시간 동안, 또는 190℃에서 18-36시간 동안 인공시효(artificial ageing)단계를 포함한 Al-Cu-Li로부터 반제품 제조방법이 공지된다.(US 4,806,174, C22F 1/04, 1989)

이 방법의 단점은 고체 용액에 잔류하는 과포화와 경화상 미세 입자의 침전으로 분해, 저 신장성 및 내균열성 때문에(서비스 수명 동안 파괴 위험을 증가시키는) 반제품이 낮은 열안정성을 갖는다는 것이다.

변형하기 이전에 430-480℃에서 주조된 빌렛(as-cast billet)의 가열 단계, 375℃이상의 압연 마무리 온도에서의 변형 단계, 525±5℃로부터 경화단계, 신장단계(ε=1.5-3.0%) 그리고 150±5℃에서 20-30시간 동안의 인공시효단계를 포함한 Al-Cu-Li로부터 반제품 제조방법이 공지된다.(1440 및 1450 합금으로부터 판을 제조하는 기술, TR 456-2/31-88, VILS, Moscow,1988)

이 방법의 단점은 넓은 변형온도 간격으로 인한 넓은 범위의 기계적 성질과 시효 후 고체 용액의 잔류 과포화로 인한 낮은 열안정성이다.

다음을 포함한 알루미늄 기초 합금이 제시된다(중량%):

구리 3.0-3.5

리튬 1.5-1.8

지르코늄 0.05-0.12

스칸듐 0.06-0.12

실리콘 0.02-0.15

철 0.02-0.2

베릴륨 0.0001-0.07

다음에서 선택된 적어도 하나의 원소:

마그네슘 0.1-0.6

아연 0.01-1.0

망간 0.05-0.5

게르마늄 0.02-0.2

세륨 0.05-0.2

이트륨 0.001-0.02

티타늄 0.005-0.05

알루미늄 나머지

Cu/Li 비율은 1.9-2.3이다.

또한 460-500℃까지 주조된 빌렛(as-cast billet)의 가열단계, 400℃이상의 온도에서 변형단계, 525℃으로부터 물담금질(water quenching)단계, 신장단계(ε=1.5-3.0%) 및 다음을 포함한 3단계 인공시효단계, 로에서 90-100℃까지 2-5℃/시간의 냉각속도로 냉각하고 실온으로 공기 냉각하는 단계를 포함한 반제품 제조방법이 발표된다:

I.155-165℃에서 10-12시간 동안 시효,

II.180-190℃에서 2-5시간 동안 시효,

III.155-160℃에서 8-10시간 동안 시효,

본 발명의 방법은 변형공정에 앞서서 빌렛이 460-500℃까지 가열되고 변형온도가 400℃이상이고 인공시효가 3단계:첫째 155-165℃에서 10-12시간 동안 , 그 다음으로 180-190℃에서 2-5시간 동안, 마지막으로 155-160℃에서 8-10시간 동안 수행되고, 90-100℃까지 2-5℃/시간의 냉각속도로 냉각하고 실온으로 공기 냉각하는 점에서 공지 방법과 구별된다.

본 발명은 우주선 구조의 중량을 감소시키고 신뢰성 및 서비스 수명을 증가시킨다.
본 발명의 기술적 결과는 충격 하중 내성을 포함하여 가소성, 내균열성의 증가와 연장된 저온 가열의 경우에 있어서 기계적 성질의 안정성 증가이다.

제시된 합금 조성물과 상기 합금으로부터 반제품 제조방법은 고체 용액의 충분한 포화를 보장하고 Li 함유 고체 용액의 잔류 과포화 없이 주로 미세한 T₁-상(Al₂CuLi) 침전물을 희생시켜 고 경화효과를 달성하고 그 결과 지속된 저온 가열의 경우에 합금의 열안정성을 가져온다.

또한 그레인 경계와 내에서 경화하는 침전물 입자의 부피 비율 및 형상은 높은 소성, 내균열성 및 충격 하중 내성뿐만 아니라 높은 강도 및 유동성을 가져온다.

Al₃(Zr,Sc)상 입자의 침전 때문에 제시된 합금 조성물은 잉곳과 재결정화가 없는 용접된 시임(인접 시임 지대를 포함한)에서 균일한 미세 그레인 구조를 형성시켜 용접 균열 내성이 양호하다.

따라서 제시된 합금 조성물과 상기 합금으로부터 반제품 제조방법은 고체 용액의 최소한의 잔류 과포화로 T₁-상 경화 침전물의 선호적인 형상 때문에 양호한 충격 양태를 포함한 손상 내성 및 고 기계적 성질을 달성하고 그 결과 합금의 열안정성이 높다. 이 합금은 저밀도 및 고 탄성 모듈러스를 갖는다. 이러한 성질의 조합은 중량을 15% 감소시키고 제품의 신뢰성 및 서비스 수명을 25% 증가시킨다.

평평한 잉곳(90×220mm 단면)이 반-연속 방법에 의해 4개의 합금으로부터 주조된다. 합금의 조성은 표1에 제시된다.

균질화된 잉곳이 압연에 앞서서 전기로에서 가열된다. 이후 7mm 두께의 쉬이트가 압연된다. 압연 절차는 표2에 제시된다. 525℃에서 쉬이트를 물담금질하고 2.5-3% 영구 세트로 신장한다. 다음과 같이 시효(ageing)가 수행된다:

I.160℃에서 10-12시간 동안 시효

II.180℃에서 3-4시간 동안 시효

III.160℃에서 8-10시간 동안 시효

공지 합금으로 제조된 쉬이트가 제시된 절차 및 공지 방법(150℃에서 24시간)에 따라 시효된다.

일부 쉬이트(시효 후)는 구조 변화 정도와 성질 변화 정도로 판단할 때 4000시간 90℃에서 가열과 동일한 115℃에서 254시간 추가로 가열된다.

기계적 성질 테스트 결과는 표3-4에 제시된다. 표의 데이터는 공지된 것에 비해서 본 발명의 합금과 반제품 제조방법이 열간 압연된 쉬이트 성질에서 탁월하다. 즉 최종 강도 및 유동성은 거의 동일하게 유지하면서 신장률은 10%, 파괴 인성은 15%, 비 충격에너지는 10% 향상된다.

지속된 저온 가열 이후에 열안정성에서 가장 탁월한 결과가 관찰된다.

따라서 본 발명의 방법으로 제조된 본 발명의 합금으로 제조된 쉬이트의 성질은 사실상 변하지 않는다. 가열 후에 모든 성질은 2-5% 이상 변하지 않는다.

이에 반하여 공지 합금은 최종 강도 및 유동성에서 6%증가, 신장률 30%감소, 파괴 인성 7%감소, 피로 균열 성장 속도 10% 증가, 내충격성 5%감소를 보인다.

성질의 비교는 본 발명의 합금 및 반제품 제조방법이 15%이상 구조의 중량을 감소시키고(고강도 및 내균열성 때문에) 20%이상 제품의 서비스 수명 및 신뢰성을 증가시킴을 보여준다.

Claims

마그네슘, 망간, 아연, 게르마늄, 이트륨, 세륨, 티타늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소, 및 구리, 리튬, 지르코늄, 스칸듐, 실리콘, 철, 베릴륨을 포함하는 알루미늄 기초 합금에 있어서, 다음 범위의 조성(중량%)을 포함하며, Cu/Li 비율은 1.9-2.3임을 특징으로 하는 알루미늄 기초 합금:

구리 3.0-3.5

리튬 1.5-1.8

지르코늄 0.05-0.12

스칸듐 0.06-0.12

실리콘 0.02-0.15

철 0.02-0.2

베릴륨 0.0001-0.07

다음에서 선택된 적어도 하나의 원소:

마그네슘 0.1-0.6

아연 0.02-1.0

망간 0.05-0.5

게르마늄 0.02-0.2

세륨 0.05-0.2

이트륨 0.001-0.02

티타늄 0.005-0.05

알루미늄 나머지.
제 1항에 있어서, 다음 범위의 조성(중량%)을 포함함을 특징으로 하는 알루미늄 기초 합금:

구리 3.4

리튬 1.5

지르코늄 0.08

스칸듐 0.09

실리콘 0.04

철 0.02

베릴륨 0.07

마그네슘 0.3

망간 0.15

이트륨 0.001

알루미늄 나머지.
제 1항에 있어서, 다음 범위의 조성(중량%)을 포함함을 특징으로 하는 알루미늄 기초 합금:

구리 3.48

리튬 1.76

지르코늄 0.11

스칸듐 0.069

실리콘 0.05

철 0.02

베릴륨 0.06

마그네슘 0.28

아연 0.02

망간 0.31

이트륨 0.001

티타늄 0.02

알루미늄 나머지.
주조된 빌렛(as-cast billet)의 가열단계, 고온 변형단계(hot deformaton), 용체화처리단계(solid solution treatment) 및 물담금질단계(water quenching), 신장단계(stretching), 인공시효단계(artificial ageing) 및 최종 냉각단계를 포함하는 제1항 합금으로부터 반제품 제조방법에 있어서,

변형공정에 앞서서 빌렛이 460-500℃까지 가열되고,

변형온도가 400℃이상이고,

인공시효가 3단계:

155-165℃에서 10-12동안,

180-190℃에서 2-5시간 동안,

그리고 마지막으로 155-160℃에서 8-10시간 동안 수행되고;

90-100℃까지 2-5℃/시간의 냉각속도로 냉각하고 실온으로 공기 냉각하는 것을 특징으로 하는 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 합금으로부터 반제품 제조방법