DE112008001659B4 - A method of making a tearstopper and using a metal laminate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Rißstoppers in der Form eines Metalllaminats für eine Anwendung in einem strukturellen Teil eines Luftfahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:(a) Bereitstellen von einem oder mehreren Aluminiumlegierungsblech(en);(b) Bereitstellen eines oder mehrerer Titan- oder Titanlegierungsblechs(e);(c) Verbinden mindestens eines Aluminiumlegierungsblechs und mindestens eines Titan- oder Titanlegierungsblechs, um ein Metalllaminat zu bilden, und wobei das Verfahren des Verbindens des Metalllaminats aus der Gruppe umfassend Löten, einer Kombination von Löten und Walzen oder einer Kombination von Löten und Kaltwalzen gewählt wird, wobei das mindestens eine Titan- oder Titanlegierungsblech an einer oder beiden Seite(n) mit mindestens einem Aluminiumlegierungsblech mittels einer zwischenliegenden Schicht verbunden wird, welche zwischen das Titan- oder Titanlegierungsblech und das Aluminiumlegierungsblech gelegt wird, um ein zwischenstufliches Sandwichprodukt zu bilden, welches mittels Löten verbunden wird, um das Metalllaminat zu bilden, wobei die zwischenliegende Schicht eine Aluminiumlötlegierung ist, wobei das Metalllaminat eine Dicke in einem Bereich von 0,4 bis 15 mm aufweist, und wobei 60 % oder mehr der Dicke durch das (die) Titan- oder Titanlegierungsblech(e) gebildet wird.A method of producing a crack stopper in the form of a metal laminate for use in a structural part of an aircraft, the method comprising the steps of: (a) providing one or more aluminum alloy sheets; (b) providing one or more titanium or titanium alloys (C) bonding at least one aluminum alloy sheet and at least one titanium or titanium alloy sheet to form a metal laminate, and wherein the method of bonding the metal laminate is selected from the group consisting of brazing, a combination of brazing and rolling, or a combination of Soldering and cold rolling is selected, wherein the at least one titanium or titanium alloy sheet is connected on one or both sides (n) with at least one aluminum alloy sheet by means of an intermediate layer which is placed between the titanium or titanium alloy sheet and the aluminum alloy sheet to a Zwischenstuflicher Sandwichpro to form the solder-bonded to form the metal laminate, wherein the intermediate layer is an aluminum brazing alloy, wherein the metal laminate has a thickness in a range of 0.4 to 15 mm, and wherein 60% or more of the thickness the titanium or titanium alloy sheet (s) is formed.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf metallische Rißstoppermaterialien für eine Anwendung in einem strukturellen Teil bzw. Konstruktionsteil eines Luftfahrzeugs und auf ein Verfahren zum Herstellen derartiger Rißstoppermaterialien. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung derartiger Rißstoppermaterialien unter anderem in einem strukturellen Teil eines Luftfahrzeugs.The invention relates to metal crack stopper materials for use in a structural part of an aircraft and to a method of making such crack stopper materials. The invention further relates to the use of such crack stopper materials in, among other things, a structural part of an aircraft.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Im Folgenden beziehen sich, außer es ist anders angegeben, Aluminiumlegierungsbezeichnungen und Temper- bzw. Vergütungsbezeichnungen auf die Bezeichnungen der Aluminium Association in Aluminium Standards and Data and the Registration Records, wie sie durch die Aluminium Association 2006 veröffentlicht wurden.Hereinafter, unless otherwise stated, aluminum alloy designations and temper designations refer to the Aluminum Association designations in Aluminum Standards and Data and Registration Records as published by the Aluminum Association in 2006.
Für jegliche Beschreibung von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugten Legierungszusammensetzungen sind alle Bezugnahmen auf Prozentsätze Gewichtsprozent, außer es ist anders angegeben.For any description of alloy compositions or preferred alloy compositions, all references to percentages are by weight unless otherwise specified.
Das Design bzw. die Konstruktion eines kommerziellen bzw. Handelsflugzeugs erfordert unterschiedliche Sätze von Eigenschaften für unterschiedliche Arten von Strukturen an dem Flugzeug. In vielen Teilen ist eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Propagation bzw. Ausweitung eines Risses entweder in Form von Bruchzähigkeit oder von Ermüdungsbruchwachstum wesentlich. Daher können viele beträchtliche Vorteile durch ein Verbessern der Bruchzähigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Ermüdungsrißpropagation bzw. -ausbreitung des Aluminiums realisiert werden, welches in strukturellen bzw. Konstruktionsteilen eines Luftfahrzeugs verwendet wird. Es ist jedoch bei einer Konstruktion eines Flugzeugs üblich, daß für gewisse kritische Bereiche bzw. Flächen der eine Last aufnehmenden Struktur diese lokal durch ein Anwenden bzw. Aufbringen eines Rißstoppers bzw. einer Rißstoppeinrichtung verstärkt werden, welche manchmal auch als ein Reißgurt bzw. -riemen bekannt ist, um das Wachstum irgendeines vorhandenen Ermüdungsrisses zu stoppen oder zu reduzieren. Diese lokale Verstärkung ist ein zusätzliches Blech bzw. Blatt oder eine dünne Platte mit dem Zweck, den lokalen Querschnitt zu erhöhen, um lokal das Nennbeanspruchungsniveau zu reduzieren. Beispielsweise wird in einigen Rümpfen eines kommerziellen Flugzeugs dies durch Flecken bzw. Bereiche durchgeführt, welche aus kommerziell erhältlichem Ti-6-4 Blech hergestellt sind.The design of a commercial aircraft requires different sets of properties for different types of structures on the aircraft. In many instances, resistance to propagation or propagation of a crack, whether in the form of fracture toughness or fatigue fracture growth, is essential. Therefore, many significant advantages can be realized by improving the fracture toughness and resistance to fatigue crack propagation of the aluminum used in structural parts of an aircraft. However, it is common in a construction of an aircraft that for certain critical areas of the load-bearing structure, these are locally reinforced by the application of a crack stopper, sometimes also referred to as a tear belt is known to stop or reduce the growth of any existing fatigue crack. This local reinforcement is an additional sheet or plate for the purpose of increasing local cross-section to locally reduce the nominal stress level. For example, in some hulls of a commercial aircraft, this is done by patches made from commercially available Ti-6-4 sheet metal.
Der Rißstopper kann an der Struktur mittels sämtlichen, in dem Stand der Technik bekannten Mitteln festgelegt werden, wie beispielsweise mittels Schrauben, Nieten, Adhäsion bzw. Anhaftung oder Verschweißen oder Kombinationen davon.The tear stopper may be secured to the structure by any means known in the art, such as by means of screws, rivets, adhesion or welding, or combinations thereof.
Ein Rißstopper, wie er hier verwendet wird, ist ein allgemeinerer Ausdruck dafür, was in dem Stand der Technik auch als ein „Verdoppler“ oder ein „Gurt“ bekannt ist.A crack stopper as used herein is a more general term for what is also known in the art as a "doubler" or "belt."
Es besteht jedoch eine Notwendigkeit bzw. Nachfrage nach Rißstoppermaterialien, welche eine hohe Steifigkeit mit geringer spezifischer Dichte kombinieren.However, there is a need for crack stopper materials that combine high stiffness with low specific gravity.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Es ist ein Ziel bzw. Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Rißstoppermaterialien für eine Aufbringung bzw. Anwendung in einem strukturellen bzw. Konstruktionsteil eines Luftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen.It is an object of the invention to provide a method of making crack stopper materials for application in a structural part of an aircraft.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine neue Verwendung der Rißstoppermaterialien zur Verfügung zu stellen, welche mit dem vorliegenden Verfahren hergestellt werden.It is a further object of the invention to provide a novel use of the crack stopper materials made by the present process.
Diese und andere Ziele bzw. Gegenstände und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt oder übertroffen, welche sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Rißstoppers in der Form eines Metalllaminats für eine Aufbringung bzw. Anwendung in einem strukturellen Teil eines Luftfahrzeugs bezieht, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
- (a) Bereitstellen von einem oder mehreren Aluminiumlegierungsblech(en) oder -streifen;
- (b) Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungsblechs oder -streifens;
- (c) Bonden bzw. Verbinden des Aluminiumblechs und des Titanblechs, um ein Metalllaminat zu bilden, und wobei das Verfahren eines Verbindens aus der Gruppe eines Lötens bzw. Hartlötens, Walzens, Kaltwalzens oder einer Kombination davon gewählt wird.
- (a) providing one or more aluminum alloy sheets or strips;
- (b) providing a titanium or titanium alloy sheet or strip;
- (c) bonding the aluminum sheet and the titanium sheet to form a metal laminate, and wherein the method of joining is selected from the group of brazing, rolling, cold rolling, or a combination thereof.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung resultiert in einem insgesamt metallischen Laminatprodukt, wobei das Titan- oder Titanlegierungsblech bzw. - blatt fest mit einem Aluminiumslegierungsblech bzw. -blatt gebondet bzw. verbunden ist bzw. wird. Das Metalllaminat dient für eine Verwendung als Rißstopper und wird idealerweise für eine Anwendung bzw. Aufbringung in einem Luftfahrzeug verwendet. Die kombinierte Verwendung von Titan und Aluminium stellt ein Metalllaminat zur Verfügung, welches eine hohe Stärke bzw. Festigkeit und Steifheit aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls des Titan aufweist, während es eine geringere spezifische Dichte im Vergleich zu einem vollständigen Titanprodukt ähnlicher Abmessung bzw. Dicke als das metallische Laminat aufweist. Auf diese Weise wird beträchtliches Gewicht eingespart, während das metallische Laminat unverändert eine ausreichende Rißstoppereigenschaft bietet.The process according to this invention results in an overall metallic laminate product wherein the titanium or titanium alloy sheet is firmly bonded to an aluminum alloy sheet. The metal laminate is for use as a crack stopper and is ideally used for application in an aircraft. The combined use of titanium and aluminum provides a metal laminate that has high strength and stiffness due to the high modulus of elasticity of the titanium, while having a lower specific gravity compared to a full titanium product of similar dimension or thickness to the metallic one Laminate has. In this way, considerable weight is saved, while the metallic laminate still provides a sufficient Rißstoppereigenschaft.
Gemäß dem Verfahren kann das Titan mit dem Aluminiumlegierungsblech mittels eines Walzvorgangs verbunden bzw. gebondet werden. Das Walzen wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 150 °C oder weniger durchgeführt, da höhere Walztemperaturen nachteilig die Oberflächenqualität des Titanblechs beeinflussen. Idealerweise wird der Walzvorgang als ein Kaltwalzvorgang durchgeführt, wobei dies bei einer Temperatur von weniger als 50 °C und vorzugweise bei Umgebungstemperatur bedeutet. Das Aluminiumblech und die Titanbleche sind bzw. werden vor einem Walzbonden unter Verwendung von allgemein üblichen Techniken gemäß dem Stand der Technik vorbehandelt, welche ein Entfetten, Reinigen, und sofern erforderlich, auch ein Schleifen bzw. Schmirgeln beinhalten würden. In Übereinstimmung mit der Erfindung wurde gefunden, daß Titan mit dem Aluminiumblech mittels eines Lötens bzw. Hartlötens gebondet bzw. verbunden werden kann. Ein Löten bzw. Hartlöten verwendet definitionsgemäß ein Füllmaterial, welches auch als eine Lötlegierung bezeichnet wird, welche einen Liquidus über 450 °C und unter dem Solidus des Basismetalls aufweist.According to the method, the titanium may be bonded to the aluminum alloy sheet by means of a rolling process. The rolling is preferably carried out at a temperature of 150 ° C or less, because higher rolling temperatures adversely affect the surface quality of the titanium sheet. Ideally, the rolling process is performed as a cold rolling operation, which means at a temperature of less than 50 ° C and preferably at ambient temperature. The aluminum sheet and the titanium sheets are pretreated prior to roll bonding using common prior art techniques which would include degreasing, cleaning, and if necessary, sanding as well. In accordance with the invention, it has been found that titanium can be bonded to the aluminum sheet by means of brazing. By definition, brazing uses a filler material, also referred to as a braze alloy, which has a liquidus above 450 ° C and below the solidus of the base metal.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Titan- oder Titanlegierungsblech an einer oder beiden Seite(n) mit dem Aluminiumlegierungsblech mittels einer zwischenliegenden Schicht verbunden, welche zwischen dem Titan- oder Titanlegierungsblech und dem Aluminiumlegierungsblech zwischengelagert wird, um ein zwischenliegendes Sandwichprodukt zu bilden, welches mittels eines Lötens verbunden wird, um das Metalllaminat zu bilden, und wobei die zwischenliegende Schicht eine Aluminiumlötlegierung ist. Es ist möglich, das Titan- oder Titanlegierungsblech direkt mit dem Aluminiumlegierungsblech in einem Hartlöt- bzw. Lötvorgang zu verbinden. In einer alternativen Ausführungsform wird das Titan oder Titanblech mit der Aluminiumlegierungsschicht über die zwischenliegende Schicht einer Aluminiumlötlegierung verbunden, welche ein zwischenliegendes Sandwichprodukt bildet, und dann wird in einem nachfolgenden Walzvorgang eine erste metallische Verbindung zwischen den verschiedenen Metallschichten in dem zwischenliegenden bzw. vorübergehenden Sandwichprodukt hergestellt, wonach das Sandwichprodukt einem Lötvorgang unterworfen wird, um den Rißstopper in der Form des Metalllaminats zu bilden. Auf diese Weise wird eine starke Verbindung zwischen den Metalllagen erhalten.In one embodiment of the method, the titanium or titanium alloy sheet is bonded on one or both sides to the aluminum alloy sheet by means of an intermediate layer which is interposed between the titanium or titanium alloy sheet and the aluminum alloy sheet to form an intermediate sandwich product, which by means of soldering to form the metal laminate, and wherein the intermediate layer is an aluminum brazing alloy. It is possible to bond the titanium or titanium alloy sheet directly to the aluminum alloy sheet in a brazing or soldering operation. In an alternative embodiment, the titanium or titanium sheet is bonded to the aluminum alloy layer via the intervening layer of an aluminum braze alloy forming an intermediate sandwich product, and then in a subsequent rolling operation, a first metallic bond is made between the various metal layers in the intermediate sandwich product. after which the sandwich product is subjected to a soldering operation to form the crack stopper in the form of the metal laminate. In this way a strong bond between the metal layers is obtained.
Die Aluminiumlötlegierung ist vorzugsweise eine AISi-Lötlegierung, beispielsweise eine AA4xxx-Serie Aluminiumlegierung, umfassend etwa 5 bis 18 % Si und vorzugsweise etwa 6 bis 14 %. Die Menge an Fe hängt primär von dem Ursprung des Legierungsmaterials ab und kann bis zu etwa 0,8 % betragen, und ist vorzugsweise nicht mehr als etwa 0,6 %. Als Korn-Refiner-Element kann Ti in einem Bereich von bis zu etwa 0,2 %, vorzugsweise bis etwa 0,15 % vorhanden sein. Der Rest besteht aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Aluminium.The aluminum solder alloy is preferably an AISi solder alloy, for example, an AA4xxx series aluminum alloy comprising about 5 to 18% Si, and preferably about 6 to 14%. The amount of Fe depends primarily on the origin of the alloy material and may be up to about 0.8%, and is preferably not more than about 0.6%. As a grain refining element, Ti may be present in a range of up to about 0.2%, preferably to about 0.15%. The rest consists of unavoidable impurities and aluminum.
In einer Ausführungsform kann das AISi Lötmaterial darüber hinaus Mg in einem Bereich von etwa 0,02 bis 4 %, und vorzugsweise etwa 0,02 bis 1,5 % enthalten. Der Zusatz von Mg dient dazu, um weiter die Lötbarkeit in einem Vakuumlötvorgang oder in einem Lötvorgang in kontrollierter bzw. gesteuerter Atmosphäre in der Abwesenheit eines Flußmaterials zu verbessern bzw. zu erhöhen.In one embodiment, the AISi solder material may further contain Mg in a range of about 0.02 to 4%, and preferably about 0.02 to 1.5%. The addition of Mg serves to further enhance the solderability in a vacuum brazing process or in a controlled atmosphere brazing operation in the absence of a flux material.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die AlSi Lötlegierung darüber hinaus ein benetzendes Element, vorzugsweise ein oder mehrere benetzende(s) Element(e), gewählt aus der Gruppe, umfassend Bi, Pb, Li, Sb und Th, wobei die Gesamtmenge der benetzenden Elemente in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,5 % ist bzw. liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Element Bi aus der Gruppe von benetzenden Elementen gewählt und liegt in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,5 %, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,1 %, da es das effizienteste benetzende Element für diesen Zweck in diesem Legierungssystem während eines Lötvorgangs ist.In a further embodiment, the AlSi braze alloy further includes a wetting element, preferably one or more wetting elements selected from the group comprising Bi, Pb, Li, Sb and Th, wherein the total amount of wetting elements in a range of about 0.01 to 0.5% is or is. In a preferred embodiment, the element Bi is selected from the group of wetting elements and is in a range of about 0.01 to 0.5%, and preferably in a range of about 0.01 to 0.1% since it is the most efficient wetting element for this purpose in this alloy system during a soldering operation.
in dem Verfahren gemäß dieser Erfindung ist ein auf AISi basierendes Lötmaterial bevorzugt. Jedoch können andere Aluminiumlötlegierungen auf einer weniger bevorzugten Basis, wie beispielsweise AlCuSn und AlAgCu Füllstoffe verwendet werden. Es wurde jedoch gefunden, daß diese Füllstoffe einen unerwünschten Bruch an der Zwischenfläche des Lötmaterials und den Titanbasis-Metallen bilden können.In the method according to this invention, an AISi-based brazing material is preferable. However, other aluminum brazing alloys may be used on a less preferred basis, such as AlCuSn and AlAgCu fillers. However, it has been found that these fillers can form an undesirable break at the interface of the solder material and the titanium-based metals.
In einer weiteren Ausführungsform ist bzw. wird die Aluminiumlötlegierung zwischen dem Aluminiumlegierungsblech und dem Titan- oder Titanlegierungsblech in der Form eines Lötblechprodukts zwischengeschaltet. Ein derartiges Lötblech- bzw. -blattprodukt umfaßt einen Kern, typischerweise aus einer Aluminiumlegierung an einer oder beiden Seite(n), welche an die Aluminiumlötlegierung gebondet ist. Die Aluminiumlötlegierung kann an die Kernlegierung in verschiedenen Weisen, beispielsweise mittels eines Walzbondens, Plattierungs-Sprühformens oder halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Gießprozessen gebondet werden.In another embodiment, the aluminum brazing alloy is interposed between the aluminum alloy sheet and the titanium or titanium alloy sheet in the form of a brazing sheet product. Such a brazing sheet product comprises a core, typically of an aluminum alloy on one or both sides, which is bonded to the aluminum braze alloy. The aluminum braze alloy may be bonded to the core alloy in a variety of ways, such as by roll bonding, plating spray forming, or semi-continuous or continuous casting processes.
Der Lötvorgang in dem Verfahren dieser Erfindung wird vorzugsweise in einem Vakuumlötvorgang oder in einem Lötvorgang in gesteuerter bzw. kontrollierter Atmosphäre frei von der Verwendung eines Lötflußmaterials durchgeführt. Ein Löten in kontrollierter bzw. gesteuerter bzw. geregelter Atmosphäre wird typischerweise in einer trockenen Umgebung und vorzugsweise unter Verwendung einer Argon- oder Heliumatmosphäre durchgeführt. Typische Löttemperaturen für das Verfahren gemäß dieser Erfindung liegen in dem Bereich von etwa 540 °C bis 620 °C. Während des Lötvorgangs ist es bevorzugt, daß die Metallbleche bzw. -blätter flach unter Verwendung geeigneter Mittel, beispielsweise durch Anwenden einer Druckkraft oder durch ein Klemmen des Laminatprodukts zwischen beispielsweise zwei dünnen Platten gehalten werden.The soldering process in the process of this invention is preferably carried out in a vacuum brazing process or in a controlled atmosphere brazing process free from the use of a brazing flux material. Controlled atmosphere soldering is typically performed in a dry environment, and preferably using an argon or helium atmosphere. Typical brazing temperatures for the process according to this invention are in the range of about 540 ° C to 620 ° C. During the soldering operation, it is preferred that the metal sheets be held flat using suitable means, for example by applying a compressive force or by clamping the laminate product between, for example, two thin plates.
Nachfolgend auf den Lötvorgang kann das Bonden bzw. Verbinden des Metalllaminats weiter mittels eines Verformungs- bzw. Deformationsvorgangs verbessert werden, welcher typischerweise als ein Walzvorgang durchgeführt wird, wobei die gesamte Walzreduktion weniger als etwa 30 %, vorzugsweise weniger als etwa 20 % sein sollte.Following the soldering operation, the bonding of the metal laminate may be further enhanced by means of a deformation operation, which is typically performed as a rolling operation, wherein the total rolling reduction should be less than about 30%, preferably less than about 20%.
Nach dem Lötvorgang oder nach einem jeglichen Walzvorgang kann das Metalllaminat beispielsweise bis zu etwa 2 % gedehnt bzw. gestreckt werden, um die Flachheit des Metalllaminats zu verbessern.After the soldering operation or after any rolling operation, for example, the metal laminate may be stretched up to about 2% to improve the flatness of the metal laminate.
Nachfolgend auf den Lötvorgang und einen möglichen nachfolgenden Walzvorgang und/oder einen Dehn- bzw. Streckvorgang ist es möglich, das metallische Laminat einer künstlichen Alterungsbehandlung zu unterwerfen, um die technischen bzw. Konstruktionseigenschaften der verwendeten Aluminiumlegierung zu optimieren.Subsequent to the soldering process and a possible subsequent rolling process and / or a stretching or stretching operation, it is possible to subject the metallic laminate of an artificial aging treatment in order to optimize the technical or construction properties of the aluminum alloy used.
Das Aluminiumlegierungsblech, welches mit dem Titan- oder Titanlegierungsblech verbunden wird, ist vorzugsweise eines, welches aus der Gruppe bestehend aus AA2xxx-, AA33xxx-, AA5xxx-, AA6xxx- und AA7xxx-Serien Legierungen gewählt wird. Die AA5xxx-Serien Legierungen würden Al-Mg-Sc Legierungen beinhalten. Es können auch auf Al-Li oder AlCuLi basierende Legierungen für ein Herstellen des Rißstoppers gemäß dieser Erfindung verwendet werden.The aluminum alloy sheet which is bonded to the titanium or titanium alloy sheet is preferably one selected from the group consisting of AA2xxx, AA33xxx, AA5xxx, AA6xxx and AA7xxx series alloys. The AA5xxx series alloys would include Al-Mg-Sc alloys. Al-Li or AlCuLi based alloys may also be used to make the crack stopper of this invention.
Wenn mehr als ein Aluminiumblech bzw. -blatt in dem Rißstopper gemäß dieser Erfindung verwendet wird, dann ist es auch möglich, unterschiedliche Aluminiumlegierungen zu verwenden, und welche auch von unterschiedlicher Dicke sein können.If more than one aluminum sheet is used in the crack stopper according to this invention, then it is also possible to use different aluminum alloys, and which may also be of different thicknesses.
Die Titanlegierung, welche für das Bonden bzw. Verbinden mit dem Aluminiumlegierungsblech verwendet wird, kann jegliche Titanlegierung sein, welche für eine Verwendung in einer Flugzeugstruktur qualifiziert ist und die erforderliche Stärke bzw. Festigkeit und Steifigkeit und andere technische bzw. Konstruktionseigenschaften für die spezifische Anwendung aufweist. Auf einer bevorzugteren Basis weist das Titanblech eine Zusammensetzung in Gew.-% auf:
Dieser Zusammensetzungsbereich würde Produkte von TiAl6V4 oder Ti-6-4-Qualität bzw. -Niveau beinhalten, welche die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit zur Verfügung stellen und für verschiedene, eine Last aufnehmende Konstruktionen von Flugzeuganwendungen qualifiziert sind.This composition range would include TiAl6V4 or Ti-6-4 grade products that provide the desired strength and rigidity and qualify for various load-bearing aircraft application designs.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Titanlegierung, welche für das Verbinden mit dem Aluminiumlegierungsblech verwendet wird, ein nicht-legiertes Titanblech, insbesondere solche, welche eine chemische Zusammensetzung innerhalb der Bereiche in Gew.-% aufweisen:
Das Metalllaminat gemäß der Erfindung kann durch zwei oder mehrere Metallschichten aufgebaut sein, beispielsweise ein Titan- oder Titanlegierungsblech, welches nur an einer Seite an ein Aluminiumlegierungsblech gebondet ist, oder eine Titanplatte, welche an beiden Seiten an ein Aluminiumlegierungsblech gebondet ist, oder selbst ein mehrschichtiges Produkt von beispielsweise einer Anordnung von Aluminium-Titan-Aluminium-Titan-Schichten. Die Verwendung von mehr als einer Schicht wird bevorzugt, da sie mehr Barrieren, welche durch eine fortschreitende Rißausbreitung überwunden werden müssen, und dadurch ein erhöhtes Funktionieren als Rißstopper bildet. Um eine ausreichende Steifigkeit in dem Rißstopper beizubehalten, ist es gewünscht, daß die gesamte Dicke von allen Titanblechen bzw. -blättern wenigstens etwa 50 % der gesamten Dicke des Metalllaminats beträgt. Auf einer bevorzugteren Basis beträgt sie wenigstens 60 % der Gesamtdicke des Metalllaminats.The metal laminate according to the invention may be constituted by two or more metal layers, for example, a titanium or titanium alloy sheet bonded to an aluminum alloy sheet only on one side or a titanium plate bonded to an aluminum alloy sheet on both sides, or even a multilayer metal sheet Product of, for example, an assembly of aluminum-titanium-aluminum-titanium layers. The use of more than one layer is preferred because it forms more barriers which must be overcome by progressive crack propagation and thereby increased function as a crack stopper. In order to maintain sufficient rigidity in the crack stopper, it is desired that the total thickness of all titanium sheets be at least about 50% of the total thickness of the metal laminate. On a more preferred basis, it is at least 60% of the total thickness of the metal laminate.
Für die Anwendung als Rißstopper weist das Metalllaminat, welches gemäß dieser Erfindung hergestellt wird, vorzugsweise eine Dicke bzw. Abmessung in einem Bereich von etwa 0,4 bis 15 mm auf. Eine bevorzugtere obere Grenze ist etwa 12 mm und eine bevorzugtere untere Grenze ist etwa 1 mm. Die Breite des Rißstoppers wird in Abhängigkeit von ihren funktionellen Erfordernissen gewählt und würde typischerweise bis zu etwa 20 cm betragen.For use as a crack stopper, the metal laminate made in accordance with this invention preferably has a thickness in a range of about 0.4 to 15 mm. A more preferred upper limit is about 12 mm and a more preferred lower limit is about 1 mm. The width of the tearstopper is chosen depending on its functional requirements and would typically be up to about 20 cm.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sie sich auf einen Flügelabschnitt und auf einen Rumpfabschnitt eines Luftfahrzeugs, welcher lokal mit wenigstens einem Rißstopper verstärkt ist, welcher aus dem Al-Ti-Laminat gebildet ist, welches durch das Verfahren gemäß dieser Erfindung hergestellt wird. Der Rißstopper kann in der Form eines Verdopplerblechs oder einer dünnen Platte oder eines Gurts bzw. Streifens bzw. Riemens sein.In a further aspect of the invention, it relates to a wing section and to a fuselage section of an aircraft which is locally reinforced with at least one crack stopper formed of the Al-Ti laminate produced by the method according to this invention. The tear stopper may be in the form of a doubler plate or a thin plate or a belt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sie sich auf die Verwendung oder auf ein Verfahren einer Verwendung eines Metalllaminats aus einem Titanblech, welches an wenigstens ein Aluminiumblech gebondet ist, als einen Rißstopper in einem strukturellen bzw. Konstruktionsteil eines Luftfahrzeugs, wie beispielsweise einem Rumpfabschnitt oder einem Flügelabschnitt.In a further aspect of the invention, it relates to the use or to a method of using a metal laminate of a titanium sheet bonded to at least one aluminum sheet as a crack stopper in a structural part of an aircraft such as a fuselage section or a fuselage wing section.
Das Verfahren eines Bondens bzw. Verbindens des Metalllaminats wird gewählt aus der Gruppe, umfassend ein Löten bzw. Hartlöten, ein Walzen, ein Kaltwalzen oder jegliche Kombination davon.The method of bonding the metal laminate is selected from the group consisting of brazing, rolling, cold rolling or any combination thereof.
Obwohl der Rißstopper gemäß dieser Erfindung in idealer Weise für eine Anwendung in Luftfahrzeugen, wie beispielsweise kommerziellen und Militärluftfahrzeugen geeignet hergestellt bzw. ausgebildet ist, kann er für einen ähnlichen Zweck in einem Behälter, einem Druckbehälter, einem Straßentanker, einem Speichersilo oder in Rohren bzw. Leitungen verwendet werden.Although the crack stopper according to this invention is ideally made for use in aircraft such as commercial and military aircraft, it may for a similar purpose in a container, a pressure vessel, a road tanker, a storage silo or in tubes or Lines are used.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf nicht beschränkende Ausführungsformen gemäß der Erfindung illustriert.The invention will now be illustrated with reference to non-limiting embodiments according to the invention.
Beispiel 1.Example 1.
Ein Metalllaminatprodukt wurde aus einem etwa 0,4 mm Löt- bzw. Hartlötblechprodukt hergestellt, bestehend aus einer AA3xxx-Serie Kernlegierung, welche auf beiden Seiten mit einer AA4104 Lötlegierung plattiert ist (wobei jede Plattierung eine Dicke von 8 % der Lötblechdicke aufweist) und wobei das Lötblech zwischen kommerziell erhältlichen Ti Qualität 5 Blechen einer Dicke von 0,55 mm sandwichartig eingeschlossen war. Alle Bleche bzw. Blätter hatten Abmessungen von 100 bis 300 mm. Die Ti Bleche wurden durch ein Schleifen und Reinigen vorbehandelt. Das gesamte Metalllaminatprodukt wurde zwischen zwei Stahlplatten geklemmt und bei 595 °C für etwa 3 Minuten vakuumgelötet. Das resultierende Produkt ist ein Metalllaminatprodukt, welches aus zwei Ti Blechen besteht, welche fest miteinander über Aluminiumlegierungen gebondet bzw. verbunden sind, welche durch das Lötblattprodukt gebildet werden. Das Metalllaminatprodukt, welches eine Dicke von etwa 1,5 mm aufweist, kann als ein Rißstopper verwendet werden.A metal laminate product was made from an approximately 0.4 mm braze sheet product consisting of an AA3xxx series core alloy clad on both sides with an AA4104 braze alloy (each clad having a thickness of 8% of the brazing sheet thickness) and the brazing sheet was sandwiched between commercially available Ti grade 5 sheets of 0.55 mm thickness. All sheets or sheets had dimensions of 100 to 300 mm. The Ti sheets were pretreated by grinding and cleaning. The entire metal laminate product was clamped between two steel plates and vacuum brazed at 595 ° C for about 3 minutes. The resulting product is a metal laminate product consisting of two Ti sheets firmly bonded together over aluminum alloys formed by the solder blade product. The metal laminate product, which has a thickness of about 1.5 mm, can be used as a crack stopper.
Beispiel 2.Example 2.
Ein Metalllaminatprodukt wurde aus einem kommerziell erhältlichem TiAI6V4 Blech von 1,5 mm hergestellt, welches zwischen zwei Aluminiumlötblechprodukten sandwichartig eingeschlossen wurde. Jedes Aluminiumlötblechprodukt bestand aus einer AA3xxx-Serie Kernlegierung, welche an einer Seite mit einer AA4045 Legierung plattiert war, welche eine Plattierlagendicke von 12 % aufwies. Die Plattierlagen bzw. -schichten, welche zu dem Ti Blech gerichtet waren, wurden durch ein Schleifen und Reinigen vorbehandelt. Das Metalllaminatprodukt wurde zwischen zwei Stahlplatten geklemmt und miteinander durch ein Löten unter einer Argonatmosphäre bei 615 °C für etwa 3 Minuten gelötet. Nachfolgend auf den Lötvorgang wurde das Laminatprodukt unter Verwendung einer Reduktion von etwa 8 % kaltgewalzt, um weiter das Bonden bzw. die Verbindung zwischen den Metallblechen bzw. -blättern zu verbessern. Das Metalllaminatprodukt, welches eine Dicke von etwa 2 mm aufweist, kann als ein Rißstopper verwendet werden.A metal laminate product was made from a commercially available 1.5 mm TiAl6V4 sheet which was sandwiched between two aluminum brazing sheet products. Each aluminum brazing sheet product consisted of an AA3xxx series core alloy clad on one side with an AA4045 alloy having a clad layer thickness of 12%. The clad layers directed to the Ti sheet were pretreated by grinding and cleaning. The metal laminate product was clamped between two steel plates and brazed together by brazing under an argon atmosphere at 615 ° C for about 3 minutes. Following the soldering operation, the laminate product was cold rolled using a reduction of about 8% to further enhance the bonding between the metal sheets. The metal laminate product having a thickness of about 2 mm may be used as a crack stopper.
Es wird unmittelbar dem Fachmann ersichtlich sein, daß anstelle einer AA3000-Serie Kernlegierung auch Aluminiumlegierungen von unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden können, wie beispielsweise Al-Mg-Sc Legierungen oder AA7000-Serie Legierungen.It will be readily apparent to those skilled in the art that instead of an AA3000 series core alloy, aluminum alloys of varying composition may also be used, such as Al-Mg-Sc alloys or AA7000 series alloys.
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