DE60007882T3

DE60007882T3 - Aluminium-magnesium-scandium-legierungen mit zink und kupfer

Info

Publication number: DE60007882T3
Application number: DE60007882T
Authority: DE
Inventors: Micky FERNANDES; Ralph Dorward
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: ATE258235T1; EP1212473B1; EP1212473B2; DE60007882T2; EP1212473A1; CA2381332C; TW501796U; CA2381332A1; EP1212473A4; DE60007882D1; AU6352400A; WO2001012869A1; US6139653A

Description

1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Legierungszusammensetzungen, die für eine Anwendung in der Luftfahrt und dergleichen bestimmt sind, wobei diesen Legierungen Zink, Kupfer und andere Elemente hinzugefügt werden, um ihre Festigkeitseigenschaften zu verbessern.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Aluminiumlegierungen, die Magnesium als Hauptlegierungselement enthalten, haben für Luftfahrzeugkonstruktionen zwei mögliche Vorteile: sie sind leichter als die Serienlegierungen der Standards 2000 und 7000; abweichend von den letztgenannten Materialien sind sie durch herkömmliche Schmelztechniken schweißbar, wodurch die Herstellungskosten gemindert werden könnten, indem die 2 bis 3 Millionen Nieten vermindert werden, die üblicherweise zur Montage eines kommerziellen Luftfahrtzeugs benutzt werden.
Es sind eine Reihe von Aluminiumlegierungen entwickelt worden, denen Magnesium zugegeben wird, um die Festigkeit zu verbessern. Diese Legierungen sind jedoch nicht besonders geeignet für Anwendungen in der Luftfahrt, da ihr Festigkeitsniveau nicht hoch genug ist. Um dieses Problem anzugehen, sind verbesserte Legierungen auf der Basis von Aluminium und Magnesium entwickelt worden, bei denen der Legierung ein, ein Dispersoid erzeugendes Element wie z. B. Scandium beigegeben wird. Die Hinzufügung von Scandium zu den Legierungen führt zur Ausbildung von Al₃Sc-Dispersoiden, welche während einer thermomechanischen Behandlung Rekristallisationsvorgänge verhindern sollen, so dass den aus diesen Legierungen hergestellten Produkten eine beträchtlich größere Festigkeit gegeben wird. Die Festigkeitseigenschaften von Legierungen auf der Basis von Aluminium, Magnesium und Scandium verschlechtern sich jedoch rasch bei thermomechanischen Verfahren und durch hohe Temperaturen gekennzeichneten Behandlungen wie zum Beispiel Warmwalzen, welche zur Herstellung von Rumpfblechen von Luftfahrzeugen und anderen Komponenten notwendig sind. Es kommt zu einer Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften, weil die Scandium-Dispersoide in der Größe klein und in der Anzahl groß sein müssen, um der Legierung eine verbesserte Festigkeit zu verleihen; vermutlich kommt es infolge der durch hohe Temperaturen gekennzeichneten Bearbeitungsschritte zu einem zu starken Wachstum der Dispersoide als das diese noch als wirksame Rekristallisations-Inhibitoren wirksam sein könnten.
Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, den Al-Mg-Sc-Legierungen Zirkonium beizufügen ( US-A-5624632 ). Zirkonium wirkt dahingehend, dass Dispersoide stabilisiert werden, so dass diese ihre festigkeitserhöhenden Eigenschaften beibehalten können und dies sogar dann, wenn die Legierungen Behandlungsschritten unterzogen werden, die durch hohe Temperaturen gekennzeichnet sind. Obwohl Legierungen auf der Basis von Al-Mg-Sc-Zr auf diese Weise für Anwendungen in der Luftfahrt geeignet sind, bleibt immer noch ein Bedürfnis nach Aluminiumlegierungen, die noch fester als die gegenwärtig verfügbaren Legierungen sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Das vorstehend geschilderte Bedürfnis wird durch die vorliegende Erfindung dadurch erfüllt, dass Legierungen auf der Basis von Al-Mg-Sc bereitgestellt werden, denen als Stabilisierungselement im Sinne eines Dispersoids insbesondere Zirkonium oder Hafnium und ein oder mehrere Zusatzelemente beigefügt werden, um deren Festigkeitseigenschaften weiter zu verbessern. Es ist festgestellt worden, dass insbesondere die Hinzufügung unterschiedlicher Kombinationen von Mangan, Kupfer und Zink zu diesen Legierungen deren Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu solchen Legierungen wesentlich verbessert, die lediglich ein einzelnes stabilisierendes Element im Sinne eines Dispersoids enthalten. Zusätzlich ist festgestellt worden, dass ein unterschiedliches, ein Dispersoid bildendes Element wie Hafnium verwendet werden kann, um die durch das Scandium erzeugten Dispersoide zu stabilisieren. Insbesondere umfasst die Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 Legierungen und aus diesen hergestellte Produkte, deren Zusammensetzung in Gew.-% 4,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Mg, 0,05 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Sc, 0,1 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Cu und/oder 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Zn und 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Hf und/oder 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zr umfasst, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht. Bei Versuchen an Musterlegierungen, die entsprechend diesen Kriterien hergestellt worden sind und die Walzverfahren und Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wurden, wurden wesentliche Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften, einschließlich der Reissfestigkeit, der Streckgrenze und der Dehnung festgestellt, und zwar im Vergleich zu Al-Mg-Sc Legierungen, die lediglich Zirkonium als Dispersoid-Stabilisierungselement enthielten.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen Legierungen auf der Basis von Al, Mg, Sc und aus diesen hergestellte Produkte, wobei den Legierungen Zusatzelemente beigegeben worden sind, um deren Festigkeit zu erhöhen. Es ist vorab festgestellt worden, dass die Hinzufügung von Zirkonium zu einer Legierung auf der Basis von Al, Mg und Sc dahingehend wirkt, dass die Al₃Sc Dispersoide während thermomechanischer Behandlungsverfahren z. B. einem Warmfalzen stabilisiert werden. Im Ergebnis sind die Festigkeitseigenschaften der Legierung nach der Behandlung wesentlich verbessert. Es ist festgestellt worden, dass eine Hinzufügung von Mangan zu der Al-Mg-Sc-Zr-Legierung die Festigkeit sogar weiter verbessert.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr entdeckt, dass Legierungen auf der Basis von Al, Mg, Sc und Zr dadurch sogar weiter verfestigt werden, dass der Legierung Zink und/oder Kupfer beigegeben wird. Zusätzlich ist festgestellt worden, dass Zirkonium in diesen Legierungen durch Hafnium ersetzt werden kann oder dass diesen Hafnium hinzufügt werden kann. Die am meisten bevorzugten Bereiche der zitierten Elemente sind 4,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Mg, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Sc, 0,3 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Mn, 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Hf oder Zr, 0,6 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Cu und/oder Zn, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht. Es wird angenommen, dass innerhalb dieser Bereiche Legierungszusammensetzungen mit 5,0 Gew.-% Mg, 0,25 Gew.-% Sc, 0,6 Gew.-% Mn, 0,12 Gew.-% Hf und/oder 0,12 Gew.-% Zr, 1,0 Gew.-% Cu und/oder 1,0 Gew.-% Zn, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht, zu den besten Ergebnissen führen.
Die Bedeutung eines jeden Elements in den vorstehenden Legierungen besteht in Folgendem: Magnesium in diesen Legierungen nach Maßgabe der zitierten Mengen erhöht die Festigkeit und mindert die Dichte in einem wesentlichen Ausmaß. Falls jedoch Magnesium in Mengen von 8 Gew.-% beigefügt wird, gestaltet sich die Behandlung der sich einstellenden Legierung schwierig. Scandium und Zirkonium werden in Kombination beigegeben, um stabile Al₃Sc(Zr)-Dispersoide zu erzeugen, die, wie vorstehend bereits dargelegt, die Festigkeit der Legierungen wesentlich erhöhen.
Hafnium ähnlich Scandium ist ein anderes, ein Dispersoid bildendes Element, das anstelle von Scandium zur Verbesserung der Festigkeit benutzt werden kann. Es ist jedoch auch festgestellt worden, dass dann, wenn Hafnium in Kombination mit Scandium benutzt wird, dass Hafnium in gleicher Weise wie Zirkonium wirkt, nämlich dahingehend, dass die Al₃Sc Dispersoide während eines Warmwalzens und einer Wärmebehandlung stabilisiert werden. Hafnium kann somit entweder anstelle von oder zusammen mit Zirkonium benutzt werden. Es wird auch angenommen, dass die Stabilisierungswirkung von Zirkonium und Scandium auf die Dispersoide durch Mangan verbessert wird. Die Gehalte an Zirkonium, Hafnium und Mangan, die diesen Legierungen hinzugegeben werden, dürfen jedoch nicht oberhalb der zitierten Bereiche liegen, um die Ausbildung von Primärkristallen in den Legierungen zu verhindern, die wiederum ihre Festigkeits- und andere Eigenschaften vermindern würden.
Wie anhand der folgenden Beispiele gezeigt werden wird, ist festgestellt worden, dass eine Hinzufügung von Kupfer und/oder Zink in den spezifizierten Mengen die Festigkeitseigenschaften der Legierungen wesentlich erhöht und zwar im Vergleich zu Al-Mg-Sc-Legierungen, die entweder Zirkonium oder Zirkonium und Mangan enthalten.
Beispiele 1 bis 3
Zur Überprüfung der Festigkeitseigenschaften von Legierungen, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, wurden eine Anzahl gewalzter Blechproben hergestellt und einer Untersuchung unterzogen. Zunächst einmal wurde aus jeder Legierung ein 3'' × 9'' Gussstück hergestellt. Die Gusstücke wurden anschließend ohne Homogenisierung herkömmlichen Warm- und Kaltwalztechniken unterzogen, und zwar mit der Maßgabe, dass diese zu Blechen mit einer Dicke von 0,063'' oder 0,125'' umgeformt wurden. Die Bleche wurden anschließend bei 550°F während acht Stunden vergütet. Herkömmliche Untersuchungsmethoden wurden anschließend bei jedem Blech angewandt, um die Reissfestigkeit (UTS), die Streckgrenze (YS) und die Dehnung (EL) zu ermitteln.

Die Proben umfassten vier bekannte Legierungen, nämlich Al-Mg-Sc-Zr, Al-Mg-Sc-Zr-Mn, Al-Mg-Sc-Zr, Zn und Al-Mg-Sc-ZR, Cu und eine unterschiedliche Legierung, welche den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprach. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die Zusammensetzungen einer jeden der untersuchten Legierungen sind nachstehend in Tabelle 1 wiedergegeben.

	TABELLE 1 FESTIGKEITSEIGENSCHAFTEN VON Al-Mg-Sc-Legierungen (keine Homogenisierung, 0,063'', 550°F/8h Vergütung)
Legierung	Al-Mg-Sc-Zr	Al-Mg-Sc-Zr-Mn	5X-1	5X-2	5X-3
Zusammensetzung der Basislegierung (Al + 5,0% Mg + 0,25% Sc + 0,11% Zr) Plus	-	0,5% Mn	1,0% Zn	1,0% Cu	1,0% Zn + 0,6% Mn
Reissfestigkeit, ksi	56,5	59,8	58,6	59,7	63
Streckgrenze, ksi	42,0	46,6	46,5	48,1	51,1
Dehnung, %	11,7	11,6	12,0	11,4	9,9

Die Untersuchungsergebnisse der 5X-1 und 5X-2 Musterlegierungen zeigen an, dass wesentliche Verbesserungen bezüglich der Reissfestigkeit und der Streckgrenze erreicht werden, sobald 1,0% Zink oder Kupfer der Al-Mg-Sc-Zr-Basislegierung beigefügt werden. Insbesondere bei dem zinkhaltigen 5X-1 Muster erhöhten sich jeweils die Reissfestigkeit und die Streckgrenze um 4,0% beziehungsweise 7,0%. Die Zunahme der Reissfestigkeit sowie der Streckgrenze war bei den kupferhaltigen Legierungen 5X-2 jeweils mit 6,0% beziehungsweise 15% sogar noch besser.
Die dritte Musterlegierung 5X-3, bei welcher 1,0% Zink einer Al-Mg-Sc-Legierung, die sowohl Zirkonium als auch Mangan enthielt, beigefügt wurde, hatte noch bessere Festigkeitseigenschaften, insbesondere im Vergleich zu der zirkoniumhaltigen Al-Mg-Sc-Legierung. Im Vergleich zu der Al-Mg-Sc-Zr-Mn Legierung betrugen die Verbesserungen der Reissfestigkeit sowie der Streckgrenze jeweils ungefähr 5% und 10%. Noch bedeutender waren die Verbesserungen der Reissfestigkeit und der Streckgrenze im Vergleich zu der Al-Mg-Sc-Zr-Basislegierung, welche jeweils 11% und 22% betrugen.
Anhand der Untersuchungsergebnisse wird angenommen, dass noch weitere Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften verwirklicht werden können, falls sowohl Zink als auch Kupfer den Legierungen jeweils nach Maßgabe der bevorzugten Bereiche von ungefähr 0,5% bis 2% beigefügt werden.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Messungen betreffend die Festigkeitseigenschaften wurden die 0,125'' Bleche WIG-Schweissversuchen (Wolfram-Inert-Gas) unterzogen, und zwar unter Verwendung eines Legierungs-Schweißdrahtes aus Al-4,8% Mg-5,183. Die Zugproben wurden anschließend aus den Blechen entnommen, wobei die Schweißregion sich in einem mittleren Bereich quer zu den reduzierten Abschnitt erstreckte. Die Festigkeitsdaten dieser Untersuchungen sind in Tabelle 2 aufgelistet.

	TABELLE 2 FESTIGKEITSEIGENSCHAFTEN VON WIG-GESCHWEISSTEN Al-Mg-Sc-Legierungen (keine Homogenisierung, 0,125'', 550°F/8h Vergütung)
Legierung	Al-Mg-Sc-Zr	Al-Mg-Sc-Zr-Mn	5X-1	5X-2	5X-3
Zusammensetzung der Basislegierung (Al + 5,0% Mg + 0,25% Sc + 0,11% Zr) Plus	-	0,5% Mn	1,0% Zn	1,0% Cu	1,0% Zn + 0,6% Mn
Reissfestigkeit, ksi	45,5	43,1	47,7	52,8	54,7
Streckgrenze, ksi	25,9	25,3	30,3	33,2	34,8
Dehnung, %	7,9	8,1	4,3	5,5	5,3

Die Daten zeigen beträchtlich höhere Festigkeiten der mit Zn/Cu modifizierten Legierungen, und zwar mit oder ohne einem Manganzusatz.
Beispiele 4 bis 6
Wie vorstehend bereits dargelegt ist auch festgestellt worden, dass Hafnium anstelle von oder zusammen mit Zirkonium benutzt werden kann, um die Al₃Sc-Dispersoide zu stabilisieren. Es kann somit bei jedem der in Tabelle 1 gezeigten Beispiele Hafnium Zirkonium ersetzen oder nach Maßgabe der gleichen Menge hinzugefügt werden und es wird angenommen, dass relativ ähnliche Ergebnisse erzielt werden. Die Hinzufügung von Zink und/oder Kupfer zu Al-Mg-Sc-Hf-Mn-Legierungen sollte somit die Festigkeitseigenschaften dieser Legierungen ebenfalls verbessern.
Die Werte, die für die Festigkeitseigenschaften der Legierungen der Beispiele 1 bis 6 erreicht worden sind, zeigen an, die Legierungen in der Form gewalzter Bleche für zahlreiche Anwendungen in der Luftfahrt in Frage kommen, beispielsweise für die Außenhaut des Rumpfes von Luftfahrzeugen. Wie vorstehend festgestellt, sind diese Anwendungen für die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Legierungen besonders vorteilhaft unter Berücksichtigung des überlegenen Korrosionswiderstandes und der Schweißbarkeit von Al-Mg-Sc-Legierungen.

Claims

Aluminiumlegierung bestehend aus 4,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Mg, 0,05 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Sc, 0,1 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Cu und/oder Zn, 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Hf und/oder Zr, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die genannte Legierung sowohl 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Cu als auch 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Zn aufweist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die genannte Legierung sowohl 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Hf und 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zr aufweist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die genannte Legierung 4,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Mg, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Sc, 0,3 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Mn, 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Hf und/oder Zr, 0,6 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Cu und/oder Zn aufweist, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 4, wobei die genannte Legierung sowohl 0,6 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Cu und 0,6 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Zn aufweist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die genannte Legierung sowohl 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Hf und 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Zr aufweist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 4, wobei die genannte Legierung 5,0 Gew.-% Mg, 0,25 Gew.-% Sc, 0,6 Gew.-% Mn, 0,12 Gew.-% Hf und/oder Zr, 1,0 Gew.-% Cu und/oder Zn aufweist, wobei der Rest aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 7, wobei die genannte Legierung sowohl 1,0 Gew.-% Cu als auch 1,0 Gew.-% Zn aufweist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die genannte Legierung sowohl 0,12 Gew.-% Hf als auch 0,12 Gew.-% Zr aufweist.
Gewalztes, aus einer Legierung bestehendes Blechprodukt, welches aus einer Aluminiumlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche besteht.