DE60100724T2

DE60100724T2 - Plattierte Bleche aus Aluminium-Legierung für Flugzeugstrukturelemente

Info

Publication number: DE60100724T2
Application number: DE60100724T
Authority: DE
Inventors: Ronan Dif; Bernhard Bes; Philippe Lassince; Herve Ribes
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: EP1170118A1; US20020031682A1; EP1170118A9; EP1170118B1; DE60100724D1; FR2811337A1; US6528183B2; FR2811337B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Bleche aus Aluminiumlegierung der Serie 6000 nach der Nomenklatur der Aluminium Association, die mit einer anderen Aluminiumlegierung plattiert und für die Herstellung von Luftfahrzeugstrukturelementen und insbesondere Rumpfplatten für Flugzeuge bestimmt sind.
Stand der Technik
Rümpfe von Handelsflugzeugen werden zumeist aus Blechen aus der Legierung 2024 hergestellt, die auf beiden Seiten mit einer schwach angereicherten Aluminiumlegierung, zum Beispiel einer Legierung 1050 oder 1070 plattiert sind. Die Dicke der Plattierung pro Seite kann je nach Dicke des Grund- oder Kernbleches typischerweise 1 bis 15 % der Gesamtdicke ausmachen. Die Plattierungslegierung soll zunächst hinreichend korrosionsbeständig sein. Dabei kann eine leichte allgemeine Korrosion oder Lochfraßkorrosion akzeptiert werden, allerdings mit einer geringen Tiefe, damit die Kernlegierung nicht angegriffen wird. Diese Bewertung muss auf dem wärmebehandelten plattierten Blech im Gebrauchszustand erfolgen, d.h. typischerweise nach erfolgtem Lösungsglühen, Abschrecken und eventuell Warmauslagern, da die Diffusionserscheinungen zwischen Kern und Plattierung beim Lösungsglühen das Korrosionsverhalten der Plattierung verändern können.
Die Plattierung soll auch als kathodischer Schutz gegenüber dem Kern dienen können, d.h. es muss eine ausreichende elektrochemische Potentialdifferenz zwischen den beiden Schichten vorhanden sein. Dieser Schutzeffekt kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn ein Kratzer den Kern erreicht. Die Plattierung kann weitere Funktionen haben, wie zum Beispiel den physischen Schutz der Kernlegierung vor Kratzern und Stößen, die Erzeugung einer leicht zu polierenden Schicht, falls die Luftgesellschaft eher ein metallisches als ein lackiertes Aussehen wünscht, oder eine bessere Eignung für Oberflächenbehandlungen, insbesondere für die chemische Bearbeitung oder die diversen erforderlichen Vorbehandlungen zum Aufbringen von Polymerbeschichtungen.
Seit mehreren Jahren wird vorgeschlagen, für Rumpfplatten anstelle der Legierung 2024 oder ähnlicher Legierungen AlMgSi-Legierungen der Serie 6000 zu verwenden. Diese ebenfalls wärmebehandelten Legierungen haben im behandelten Zustand gute mechanische Eigenschaften, einen hohen Elastizitätsmodul und eine geringere Dichte als die Legierung 2024. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist im Allgemeinen besser als die der Legierung 2024. Die Legierungen der Serie 6000 sind außerdem leicht schweißbar, wodurch sich die Zahl der Nietverbindungen, die eine Korrosionsquelle sein können, reduzieren ließe. Einige dieser Legierungen können in Form von nicht plattierten Blechen eingesetzt werden und insbesondere in metallurgischen Zuständen, die gegen Korngrenzenkorrosion besonders unempfindlich gemacht wurden. Ein solches Wärmebehandlungsverfahren ist im auf den Namen der Anmelderin lautenden Patent EP 0787217 beschrieben, das sich auf eine besondere Warmauslagerungsbehandlung für eine Legierung vom Typ 6056 bezieht, um diese gegen Korngrenzenkorrosion unempfindlich zu machen und somit ihre Verwendung für Flugzeugrümpfe zu ermöglichen. Allerdings kann die Legierung 6056 selbst in diesem Zustand noch eine gewisse Empfindlichkeit gegen Lochfraßkorrosion aufweisen, was dazu führen kann, dass ein plattiertes Blech bevorzugt wird.
Das US-Patent 4589932 (Alcoa) beschreibt für Flugzeugstrukturelemente den Einsatz einer später unter der Bezeichnung 6013 registrierten Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Si: 0,4–1,2 Mg: 0,5–1,3 Cu: 0,6–1,1 Mn: 0,1–1 Fe < 0,6.
Das auf den Namen der Anmelderin lautende Patent EP 0173632 beschreibt eine später unter der Bezeichnung 6056 registrierte Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Si: 0,9–1,2 Mg: 0,7–1,1 Cu: 0,3–1,1 Mn: 0,25–0,75 Zn: 0,1–0,7 Zr: 0,07–0,2 Fe < 0,3.
Das ebenfalls auf den Namen der Anmelderin lautende Patent FR 2704557 betrifft plattierte Bleche für Flugzeugrümpfe mit einem Kern aus einer Legierung 2000 oder einer kupferhaltigen Legierung 6000 und einer Plattierung, die in Bzug auf den Kern eine Potentialdifferenz von 90 bis 130 mV aufweist. Bei der Plattierungslegierung handelt es sich vorzugsweise um eine Legierung 6000 mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Si: 0,15–0,6 Mg: 0,3–0,8 Cu < 0,1 Mn < 0,4 Fe < 0,4.
Das von der American Society for Metals unter der Leitung von J.E. Hatch (1984) veröffentlichte Handbuch "Aluminium – Properties and Physical Metallurgy", S. 301, 372 und 373 gibt als plattierte Produkte ("Alclad") Produkte an, die als Plattierung die Legierungen vom Typ 1000 oder die Legierung 7072 (AlZn-Legierung mit etwa. 1 % Zn) für Kerne aus Legierung 2000 verwenden; die Legierung 7072 wird auch für Kerne aus den Legierungen 3003, 3004, 6061, 7075 und 7178 eingesetzt. Der Norm ASTM B209 zufolge verwendet man als Plattierungslegierungen auch Legierungen der Familie 6000 (2014 plattiert mit 6003) und andere Legierungen vom Typ 7000 (wie z. B. 7008 und 7011).
Das vorgenannte Handbuch von Hatch empfiehlt generell eine Potentialdifferenz zwischen Plattierung und Kern von mindestens 100 mV. Es gibt jedoch auch Produkte mit einer geringeren Potentialdifferenz als 100 mV, wie zum Beispiel das Produkt Alclad 2014 (2014 T8 plattiert mit 6003) und das Produkt 2014 T8 plattiert mit 1050. Zudem zeigt die Erfahrung des Fachmanns, dass die Potentialdifferenz auf einen Wert von etwa 130 mV bis 150 mV begrenzt werden sollte, um eine zu große Korrosionsgefahr bei der Verbindung zwischen den beiden Metallschichten zu verhindern. Man geht daher davon aus, dass eine Potentialdifferenz von etwa 60 mV bis 130 mV dem plattierten Produkt eine ausreichende kathodische Schutzwirkung verleiht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rumpfblech aus einer Legierung der Familie 6000, mit der sich ähnliche Gebrauchseigenschaften wie die der Legierung 2024 erzielen lassen, mit einer Plattierung anzugeben, die eine hinreichende Korrosionsbeständigkeit im behandelten Zustand und einen hinreichenden kathodischen Schutz gewährleistet, ohne dass sie jedoch zu einem schnellen Verschwinden der Plattierungsschicht führt, was im Gegensatz zum gewünschten Schutz stehen würde. Zudem sollte die Plattierungslegierung so gewählt werden, dass ihr Aufbringen auf die Kernlegierung durch Aufwalzen nicht mit allzu großen Schwierigkeiten verbunden ist, dass sie keine störenden Elemente für die stoffliche Verwertung der Herstellungsabfälle enthält und dass sie eine akzeptable mechanische Festigkeit aufweist, damit die des plattierten Bleches nicht verschlechtert wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für ein Flugzeugstrukturelement mit dem eingearbeiteten plattierten Blech vorzuschlagen, mit dem die metallurgischen Eigenschaften dieses plattierten Bleches optimal genutzt werden können.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung hat ein- oder beidseitig plattiertes Blech zum Gegenstand, bestehend aus einem Grund- oder Kernblech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Si: 0,7–1,3 Mg: 0,6–1,2 (und vorzugsweise 0,7–1,1)
Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0 (und vorzugsweise 0,3–0,7)
Zn < 0,5 Fe < 0,5 (und vorzugsweise < 0,3)
Zr < 0,2 Cr < 0,25
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite des Bleches in einer Dicke je Seite zwischen 1 und 15 % (und vorzugsweise 1,5 und 12 %) der Gesamtdicke, wobei diese Plattierungslegierung eine Legierung vom Typ AlZn ist mit 0,25–0,7 % (und vorzugsweise 0,3–0,6 %) Zink, weniger als 0,40 % Eisen, weniger als 0,40 % (und vorzugsweise weniger als 0,25 %) Silizium, weniger als 0,10 % Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan oder Vanadium und weniger als jeweils 0,05 % und insgesamt 0,15 % weitere Elemente, Rest Aluminium.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Luftfahrzeugstrukturelement, wie zum Beispiel eine Rumpfbeplankung, mit einem ein- oder zweiseitig plattierten Blech bestehend aus einem Kernblech und einer Plattierung, wobei das Kernblech und die Plattierung die vorgenannten Zusammensetzungen haben.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Luftfahrzeugstrukturelementes, umfassend:

a) die Herstellung eines plattierten Bleches durch Warmwalzen, bestehend aus einem Kernblech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew. %): Si: 0,7–1,3 Mg: 0,6–1,2 (und vorzugsweise 0,7–1,1) Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0 (und vorzugsweise 0,3–0,7) Zn < 0,5 Fe < 0,5 (und vorzugsweise < 0,3) Zr < 0,2 Cr < 0,25 weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite in einer Dicke je Seite zwischen 1 und 15 % (und vorzugsweise 1,5 und 12 %) der Gesamtdicke, wobei diese Plattierung auf mindestens einer Seite aus einer AlZn-Legierung besteht, die 0,25 bis 0,7 % (und vorzugsweise 0,3 bis 0,6 %) Zink, weniger als 0,40 % Eisen, weniger als 0,40 % (und vorzugsweise weniger als 0,25 %) Silizium, weniger als 0,10 % Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan oder Vanadium enthält, weitere Elemente jeweils < 0,05 % und insgesamt < 0,15 %, Rest Aluminium, und die andere Seite gegebenenfalls mit einer zweiten Plattierungslegierung plattiert werden kann, vorzugsweise mit einer Legierung vom Typ 4000;
b) optional einen oder mehrere Kaltwalzstiche;
c) ein Lösungsglühen und anschließendes Abschrecken;
d) optional einen oder mehrere Zurichtungsvorgänge, wie z. B. Entknittern, Richten oder kontrolliertes Recken;
e) optional ein Formen des Bleches;
f) den Zusammenbau des Strukturelementes durch Vernieten mehrerer Bleche und Aufschweißen oder Aufnieten auf Aussteifungen oder Rahmen,
g) optional die Warmauslagerung des Strukturelementes.

Beschreibung der Erfindung
Alle chemischen Zusammensetzungen sind, wenn nicht anders angegeben, in Gewichtsprozent ausgedrückt, wobei die Abrundungsregeln der europäischen Norm EN 573-3 angewandt werden. Die metallurgischen Zustände sind in der europäischen Norm EN 515 definiert.
Bleche aus Legierungen vom Typ 6000 erwecken zunehmendes Interesse für den Flugzeugbau. Genauer gesagt ermöglicht der Zusammensetzungsbereich
Si: 0,7–1,3 Mg: 0,6–1,2 Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0
Zn < 0,5 Fe < 0,5 Zr < 0,2 Cr < 0,25
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, der insbesondere die Legierung 6056 einschließt, die Herstellung von Blechen, die besonders günstige Eigenschaften ergeben.
Aus den oben aufgeführten Gründen müssen diese Bleche plattiert werden, wobei die Dicke der Plattierung zwischen 1 und 15 % der Gesamtdicke des Bleches liegt. Die Anmelderin stellte fest, dass keine der in der Literatur beschriebenen Plattierungslegierungen den Anforderungen für diese Anwendung genügt. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dieser Plattierungslegierung um eine Legierung vom Typ AlZn mit 0,25 bis 0,7 % Zn, bis zu 0,40 % Eisen, bis zu 0,40 % Silizium und bis zu 0,10 % Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan oder Vanadium, weitere Elemente jeweils < 0,05 % und insgesamt < 0,15 %, Rest Aluminium.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht der Kern aus einem Blech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%):
Si: 0,7–1,3 Mg: 0,7–1,1 Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,3–0,7
Zn < 0,5 Fe < 0,3 Zr < 0,2 Cr < 0,25
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite des Bleches in einer Dicke je Seite zwischen 1,5 und 12 % der Gesamtdicke, wobei es sich bei dieser Plattierungslegierung um eine Legierung vom Typ AlZn handelt mit 0,3 bis 0,6 % Zn, bis zu 0,40 % Eisen, bis zu 0,25 % Silizium, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15. Es ist günstig, wenn die Korngröße in halber Dicke im Kern kleiner als 250 μm und vorzugsweise kleiner als 180 μm ist. Die Gesamtdicke des Bleches liegt vorteilhaft zwischen 1 mm und 10 mm. Um für das Blech, das den Kern darstellt, besonders hohe statische Festigkeitseigenschaften zu erzielen, sollte die Kernzusammensetzung so gewählt werden, dass die Summe (Si + Mg + 3 Cu) > 3,50 Gew.-% und noch bevorzugter > 3,65 Gew.-% ist.
Dieses plattierte, lösungsgeglühte, abgeschreckte und warmausgelagerte Blech weist in diesem Endzustand zwischen Kern und Plattierungslegierung eine elektrochemische Potentialdifferenz auf, die zwischen 40 mV und 130 mV, vorzugsweise zwischen 50 mV und 110 mV und noch bevorzugter zwischen 60 mV und 100 mV liegt.
Erfindungsgemäß kann das Blech aus Legierung 6000 auf einer oder zwei Seiten mit einem Plattierungsblech aus einer Legierung vom Typ AlZn plattiert sein. Ist das Blech aus Legierung 6000 nur auf einer Seite mit dem Plattierungsblech aus der Legierung vom Typ AlZn plattiert, kann die andere Seite entweder nackt bleiben oder mit einem Blech aus einer zweiten Plattierungslegierung plattiert werden, insbesondere einer Legierung vom Typ 4000 und ganz besonders einer Legierung 4043, 4045 oder 4047. Dieses zweite Plattierungsblech aus Legierung 4000 gewährleistet dann eine andere Funktion als das Blech aus AlZn-Legierung: da es einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Blech, das den Kern bildet, erleichtert es das Schweißen des Bleches. Die Dicke dieser zweiten Plattierung liegt vorteilhaft zwischen 1,5 und 12 % der Gesamtdicke des plattierten Bleches.
Die erfindungsgemäßen Bleche können vorteilhaft einen oder mehrere Zurichtungsvorgänge durchmachen, wie zum Beispiel Entknittern, Richten oder kontrolliertes Recken. Die erfindungsgemäßen plattierten Bleche können für die Herstellung eines Luftfahrzeugstrukturelementes verwendet werden. Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für dieses Strukturelement weist folgende Schritte auf

a) die Herstellung eines plattierten Bleches durch Warmwalzen, bestehend aus einem Kernblech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%): Si: 0,7–1,3 Mg: 0,6–1,2 (vorzugsweise 0,7–1,1) Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0 (vorzugsweise 0,3 – 0,7) Zn < 0,5 Fe < 0,3 Zr < 0,20 Cr < 0,25, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite in einer Dicke je Seite zwischen 1 und 15 % (vorzugsweise 1,5 und 12 %) der Gesamtdicke, wobei diese Plattierung aus einer AlZn-Legierung besteht, die 0,25 bis 0,7 % Zink, bis zu 0,40 % Eisen, bis zu 0,40 % Silizium, bis zu 0,10 % von jedem der Elemente Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan oder Vanadium enthält, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, die andere Seite gegebenenfalls mit einer anderen Legierung plattiert werden kann, insbesondere einer Legierung der Serie 4000,
b) optional einen oder mehrere Kaltwalzstiche, wodurch geringere Dicken erreicht werden können,
c) ein Lösungsglühen und anschließendes Abschrecken,
d) optional einen oder mehrere Zurichtungsvorgänge, wie z. B. Entknittern, Richten oder kontrolliertes Recken,
e) optional ein Formen des Bleches,
f) den Zusammenbau des Strukturelementes, insbesondere durch Vernieten mehrerer Bleche und Schweißen oder Aufnieten auf Aussteifungen;
g) eventuell die Warmauslagerung des so gebildeten Strukturelementes.

Vor dem Aufbringen der Plattierung bzw. der Plattierungen kann die Gussplatte, die dem Kernmaterial entspricht, vorzugsweise in zwei Temperaturstufen homogenisiert werden, wobei die erste Stufe zwischen 530 und 550°C für eine Dauer zwischen 1 und 8 h und die zweite Stufe zwischen 555 und 575°C für eine Dauer zwischen 18 und 36 h liegt.
Das Formen des Bleches kann vorteilhaft durch Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen oder Falten erfolgen, wobei diese Techniken dem Fachmann bekannt sind. Für den Zusammenbau des Strukturelementes kommen alle bekannten und für Aluminiumlegierungen geeigneten Niet- und Schweißtechniken in Frage. Die Bleche können auf Aufsteifungen oder Rahmen aufgenietet oder aufgeschweißt werden. Wird Schweißen gewählt, stellte die Anmelderin fest, dass Schweißtechniken mit geringer Wärmezufuhr eingesetzt werden sollten; sie stellen sicher, dass die wärmebeeinflusste Zone so klein wie möglich ist. Besonders zufriedenstellende Ergebnisse werden dabei mit dem Laserschweißen und dem Reibschweißen erzielt. Der Einsatz einer Plattierungslegierung der Serie 4000 und insbesondere einer der Legierungen 4043, 4045 oder 4047 auf der anderen Seite des Bleches erleichtert die Schweißarbeiten, indem beispielsweise die Verwendung einer zusätzlichen Lotlegierung vermieden wird.
Die erfindungsgemäßen Bleche können vor oder nach dem Formen vorteilhaft einer Warmauslagerungsbehandlung unterworfen werden, um ihnen bessere statische Festigkeitseigenschaften zu verleihen. Eine besonders geeignete Behandlung kann bei einer Temperatur zwischen 170°C und 200°C während einer Dauer von 1 h bis 10 h durchgeführt werden. Diese Warmauslagerungsbehandlung kann vorteilhaft auch an einem zusammengebauten Strukturelement durchgeführt werden. In bestimmten Fällen kann eine Behandlung vom Typ T78, wie zum Beispiel die, die im Patent EP 0787217 beschrieben ist und die Legierung gegen Korngrenzenkorrosion unempfindlich machen soll, vorteilhaft sein.
Ein erfindungsgemäßes Strukturelement aus Blechen und Aussteifungen oder Rahmen, wobei diese Aussteifungen oder Rahmen bevorzugt aus Strangpressprofilen bestehen, kann insbesondere für den Bau des Rumpfwerkes eines Flugzeugs verwendet werden.
Die Anmelderin stellte fest, dass das erfindungsgemäße plattierte Blech besonders günstige statische Festigkeitseigenschaften hat. Bei den bekannten plattierten Produkten besitzt das Plattierungsblech nämlich geringe Dehngrenz- und Bruchfestigkeitswerte verglichen mit denen des Kerns. Ein plattiertes Blech besitzt demnach weniger gute statische Festigkeitseigenschaften als ein nicht plattiertes Blech (auch "nacktes" Blech genannt) gleicher Gesamtdicke, gleicher Legierung und gleichen metallurgischen Zustandes. Bei den erfindungsgemäßen plattierten Blechen ist diese Verminderung der mechanischen Eigenschaften sehr gering, was ihre industrielle Anwendung als Flugzeugstrukturelement begünstigt, da Dehngrenze und Bruchfestigkeit der Bleche Merkmale sind, die direkt in die Dimensionsberechnungen der Strukturen eingehen.
Die erfindungsgemäße Plattierung aus AlZn-Legierung stellt bei späteren Oberflächenbehandlungsarbeiten, insbesondere beim Polieren, bei der chemischen Bearbeitung oder bei Behandlungen zur Verbesserung des Haftvermögens der Polymerbeschichtungen kein besonderes Problem dar.
Beispiel 1
Es wurde ein nicht plattiertes Blech aus der Legierung 6056 hergestellt, und zwar durch Gießen einer Platte aus einer Legierung mit 0,91 % Si, 0,76 % Mg, 0,64 % Cu, 0,59 % Mn, 0,13 % Fe und 0,17 % Zn, Abfräsen, Erwärmen auf 530°C, Warmwalzen in der Reversier- und anschließend in der Tandemwalzanlage auf eine Dicke von 4 mm, Aufwickeln und Zuschneiden des Bandes zu Blechen. Die Bleche wurden lösungsgeglüht (40 Minuten bei 550°C) und dann abgeschreckt. Ein Teil der Bleche wurde einer Glühbehandlung T6 unterworfen (4 h bei 190°C). Die erzielten statischen Festigkeitseigenschaften sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dn wurde gemäß der Norm ASTM E647 für R = 0,1 an einer CTT-Probe mit der Breite W = 400 mm und einer Rissausgangslänge 2a_o = 400 bei einer Frequenz f = 3 Hz gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2
Die Risszähigkeit bei ebener Spannung wurde gemäß der Norm ASTM E561 an einer CTT-Probe mit der Breite W = 760 mm und einer Rissausgangslänge 2a_o = 253 mm gemessen. Mit dem Versuch kann die R-Kurve des Materials gemessen werden, welche den Risswiderstand K_R in Abhängigkeit von der Risserweiterung Δa angibt Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
Tabelle 3
Man kann dann aus dieser Kurve und nach dem von L. Schwarmann in Aluminium 1991, Bd. 67, Nr. 5, S. 479 angegebenen Verfahren die scheinbare K_C0 und die effektive Risszähigkeit K_C berechnen, die dem Bruch einer virtuellen CTT-Probe mit der Breite W = 400 mm und der Rissausgangslänge 2a_o = 133 mm entsprechen. Dabei ergibt sich:
in Quer-Längsrichtung: K_C0 = 93,2 MPa√m, K_C = 126,1 MPa√m
in Längs-Querrichtung: K_C0 = 114,1 MPa√m, K_C = 165 MPa√m.
Beispiel 2
Es wurde ein auf beiden Seiten plattiertes Blech aus der Legierung 6056 hergestellt, und zwar durch Gießen einer Platte aus einer Legierung mit 0,85 % Si, 0,71 % Mg, 0,67 % Cu, 0,59 % Mn, 0,12 % Fe und 0,15 % Zn, Abfräsen, Positionieren von Deckblechen auf beide Seiten der abgefrästen Platte, welche Deckbleche 0,11 % Si, 100 μg/g Mg, 28 μg/g Cu, 145 μg/g Mn, 0,22 % Fe und 0,50 % Zn enthalten. Nach Erwärmen auf 530°C wurde diese Platte in der Reversier- und anschließend in der Tandemwalzanlage bis auf eine Dicke von 4,5 mm warmgewalzt. Nach Aufwickeln wurde das Band zu Blechen zugeschnitten. Die Bleche wurden lösungsgeglüht (40 Minuten bei 550°C) und dann abgeschreckt. Ein Teil der Bleche wurde einer Glühbehandlung T6 unterworfen (4 h bei 190°C). Die Plattierung hatte je Seite eine Dicke von 110 μm. Die Korngröße in Längsrichtung im Kern in halber Dicke lag in der Größenordnung von 335 μm bis 375 μm.
Die erzielten statischen Festigkeitseigenschaften sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4
Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dn wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt (zwei Messungen).
Tabelle 5
Die Risszähigkeit bei ebener Spannung wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengestellt.
Tabelle 6
Auf der Basis der gleichen Berechnung wie in Beispiel 1 findet man für die scheinbare und die effektive Risszähigkeit:
in Quer-Längsrichtung: K_C0 = 87,6 MPa√m, K_C = 118,9 MPa√m
in Längs-Querrichtung: K_C0 = 111,3 MPa√m, K_C = 157,1 MPa√m.
Der Vergleich dieser Werte mit denen, die typischerweise für ein plattiertes Blech aus der Legierung 2024-T351 erzielt werden, wie zum Beispiel das in der Patentanmeldung FR 99-04685, Tabelle 7, Beispiel 3u erwähnte Blech, d.h.
in Quer-Längsrichtung: K_C0: etwa 78 MPa√m, K_C: etwa 122 MPa√m
in Längs-Querrichtung: K_C0: etwa 93 MPa√m, K_C: etwa 140 MPa√m
unterstreicht die gute Eignung der erfindungsgemäßen Bleche für die Herstellung von Rumpfelementen für Luftfahrzeuge.
Das Korrosionspotential der erfindungsgemäßen Bleche wurde in der Plattierung und im Kern nach der Norm ASTM G69 in Bezug auf eine gesättigte Kalomelelektrode bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt. Sie entsprechen drei in einem nahen Bereich angeordneten Messstellen auf derselben Probe.
Tabelle 7
Beispiel 3
Ein auf beiden Seiten plattiertes Blech aus der Legierung 6056 wurde wie in Beispiel 2 hergestellt. Die chemische Zusammensetzung des Kerns war die folgende: 1,01 % Si, 0,71 % Mg, 0,67 % Cu, 0,55 % Mn, 0,14 % Fe und 0,15 % Zn. Im Unterschied zu Beispiel 2 wurde eine Homogenisierung (4 Stunden bei 540°C und 24 Stunden bei 565°C) vor dem Positionieren der Deckbleche durchgeführt. Die Pfattierung war die gleiche wie in Beispiel 2 und hatte die gleiche Dicke. Die Korngröße in Längsrichtung im Kern in halber Dicke betrug 145 μm. Deshalb weist dieses plattierte Blech nach chemischer Bearbeitung eine geringere Rauheit als das Blech gemäß Beispiel 2 auf. Die statischen Festigkeitseigenschaften im Zustand T4 und T6 sind in Tabelle 8 aufgeführt.
Tabelle 8
Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dn wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 zusammengestellt.
Tabelle 9
Die Risszähigkeit bei ebener Spannung wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengestellt.
Tabelle 10
Auf der Basis der gleichen Berechnung wie in Beispiel 1 findet man für die scheinbare und effektive Risszähigkeit:
in Quer-Längsrichtung: K_C0= 104,6 MPa√m, K_C = 151,7 MPa√m
in Längs-Querrichtung: K_C0 = 91,8 MPa√m, K_C = 119,7 MPa√m.
Beispiel 4
Es wurden Querschliffe von plattierten Blechen angefertigt:

(a) 2024 plattiert mit 1050, Zustand T3
(b) 6056 plattiert nach Beispiel 2 im Zustand T4
(c) 6056 plattiert nach Beispiel 2 im Zustand T6.

Die Vickers-Mikrohärte wurde in der Plattierung und im Kern auf einem Anschliff in Kurz-Quer- und Längs-Querrichtung mittels eines Mikrohärtemessers LECO M-400-G2 mit einer Last von 5 g, einer Applikationszeit von 10 s und einer Applikationsgeschwindigkeit von 60 μm/s gemessen. So wurden für jede Probe zwei Kurven aufgezeichnet, welche die Vickers-Mikrohärte in Abhängigkeit vom Abstand zur Grenzfläche zwischen Kern und Plattierung darstellen. Diese Kurven sind in der einzigen Figur gezeigt.
Bei der plattierten Legierung 2024 wird beim Übergang vom Kern zur Plattierung ein sehr plötzlicher Härteabfall festgestellt. Das mit AlZn plattierte Blech 6056 nach Beispiel 2 im Zustand T4 zeigt einen weniger abrupten Übergang an der Grenzfläche. Dies scheint auf das Vorhandensein einer Diffusion von Atomen vom Kern zur Plattierung hinzudeuten.
Im Zustand T4 liegt die Härte der AlZn-Plattierung auf dem Blech 6056 in der gleichen Größenordnung wie bei der 1050 auf dem Blech 2024, wohingegen eine deutliche Härtung der AlZn-Plaitierung auf dem Blech 6056 im Zustand T6 festgestellt wird. Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen im übrigen härtenden Niederschlag gleicher Art wie im Kern.
Im optimalen Gebrauchszustand (d.h. T6 bei einem Kern aus 6056 und T3 oder T4 bei einem Kern aus 2024) ist die Härte der Plattierung beim erfindungsgemäßen Produkt (6056 plattiert mit AlZn) größer als beim Standardprodukt älterer Technik (2024 plattiert mit 1050). Diese Verbesserung der Härte äußert sich in einem besseren physischen Schuh des Kerns und einer geringeren Abnahme der Dehngrenze R_p0,2. Dieser letzte Aspekt geht auch unmittelbar aus dem Vergleich der R_p0,2-Werte der Beispiele 1 (ältere Technik: 6056 T6 nicht plattiert) und 2 (6056 plattiert mit AlZn nach der Erfindung) hervor: es ergibt sich in Längsrichtung ein R_p0,2-Wert von 355 MPa für das nicht plattierte Blech und ein Wert von 353 MPa für das plattierte Blech; diese Abnahme in der Größenordnung von 1 % ist unbedeutend. Dagegen wird bei dem Referenzprodukt älterer Technik – 2024 T351 plattiert mit 1050 – regelmäßig eine 5 bis 10 %ige Abnahme beobachtet; dies geht zum Beispiel aus dem Artikel von R.J.H. Wanhill et al. "Modem Aluminium Sheet Alloys for Aerospace Applications" hervor, veröffentlicht in den Proceedings von "The 3rd International Conference on Aluminium Alloys – Their Physical and Mechanical Properties", (ICAA 3) Atlanta, 1992, S. 357–362.
Beispiel 5
Auf einer experimentellen Warmwalzanlage wurden einseitig plattierte Proben mit einer Gesamtdicke von 2 mm angefertigt, wobei die Dicke der Plattierung 100 um betrug. Diese Proben wurden im Zustand T6 wärmebehandelt, wobei diese Behandlung ein einstündiges Lösungsglühen bei 550°C und eine vierstündige Warmauslagerung bei 190°C umfasste.
Dabei wurden die Korrosionspotentiale im Kern und in der Plattierung nach dem in der Norm ASTM G69 beschriebenen Verfahren gemessen.
So ergibt sich für ein Blech 6056 plattiert mit 1050 (nicht erfindungsgemäß) eine Potentialdifferenz von 20 mV, für ein Blech 6056 plattiert mit einer Legierung 7072 (nicht erfindungsgemäß, Zinkgehalt etwa 1 %) eine Potentialdifferenz von 120 mV und für ein Blech 6056 plattiert mit einer Legierung 1050 unter Zugabe von 0,5 % Zink (erfindungsgemäß) eine Potentialdifferenz von 90 bis 100 mV.
Das mit 1050 plattierte Blech 6056 führt somit zu einem zu geringen kathodischen Schutz und die beiden anderen Bleche gewährleisten einen korrekten kathodischen Schutz; der Wert von 90 bis 100 mV wird gewöhnlich als günstiger betrachtet.
Beispiel 6
Ein auf beiden Seiten plattiertes Blech aus der Legierung 6056 (Zustand T6) mit einer Gesamtdicke von 5 mm wurde durch Warmwalzen nach einem ähnlichen Verfahren wie in Beispiel 3 hergestellt. Die chemische Zusammensetzung des Kerns war die folgende: 0,88 % Si, 0,75 % Mg, 0,4 % Cu, 0,61 % Mn, 0,11 % Fe und 0,15 % Zn. Eine der Seiten war mit einer Legierung 4045 mit etwa 10 % Si plattiert; die Dicke dieser Plattierung betrug 130 um. Die andere Seite war mit einer Legierung vom Typ AlZn mit 0,14 % Si, 0,35 % Zn und 0,25 % Fe plattiert; die Dicke dieser Plattierung betrug 90 um. Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 11 angegeben.
Tabelle 11
Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dn wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 zusammengestellt.
Tabelle 12
Das Korrosionspotential wurde wie in Beispiel 2 gemessen (im Durchschnitt 3 Messungen):
Plattierung aus AlZn-Legierung: –842 mV/ECS
Plattierung aus Legierung 4045: –792 mV/ECS
Kern (im Innern): –733 mV/ECS
Kern (200 μm von der Oberfläche): –735 mV/ECS.
Dabei wird festgestellt, dass eine Potentialdifferenz zwischen Kern und Opferschicht (AlZn-Legierung) von etwa 110 mV vorliegt.
Beispiel 7
Bleche unterschiedlicher Zusammensetzungen und Dicken wurden im Zustand T6 nach den in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Bleche (mit Ausnahme des Bleches aus Beispiel 1) sind auf einer oder beiden Seiten mit einer Legierung plattiert, die 0,3 bis 0,7 % Zink, bis zu 0,4 % Eisen, bis zu 0,25 % Silizium und bis zu 0,10 % von jedem der Elemente Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan und Vanadium enthält Die chemische Zusammensetzung der Kernlegierungen ist in Tabelle 13 angegeben. Die statischen Festigkeitseigenschaften der Bleche wurden im Zustand T6 gemessen. Um einen sinnvolleren Vergleich dieser Ergebnisse zu gestatten, wurden die mechanischen Eigenschaften des Kerns mittels derer des plattierten Bleches und der Plattierungsdicke geschätzt, wobei davon ausgegangen wird, dass die Plattierung nicht zur mechanischen Festigkeit des plattierten Produktes beiträgt; diese hier zur Erläuterung angegebene Schätzung berücksichtigt demnach nicht den in Beispiel 4 nachgewiesenen Härteeffekt der Plattierung. Die Ergebnisse sind in Tabelle 14 aufgeführt.
Tabelle 13
Tabelle 14
Es wird festgestellt, das die mechanische Festigkeit des Kerns mit der Summe ([Si]+[Mg]+3×Cu]) zunimmt. Eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit wird mit einer Summe ([Si]+[Mg]+3×[Cu]) größer als 3,50 erzielt.

Claims

Plattiertes Blech auf einer oder zwei Seiten, bestehend aus einem Grundblech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%): Si: 0,7–1,3 Mg: 0,6–1,2 (und vorzugsweise 0,7–1,1) Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0 (und vorzugsweise 0,3–0,7) Zn < 0,5 Fe < 0,5 (und vorzugsweise < 0,3) Zr < 0,2 Cr < 0,25 weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite des Bleches in einer Dicke zwischen 1 und 15 % (und vorzugsweise 1,5 und 12 %) der Gesamtdicke, dadurch gekennzeichnet, dass diese Plattierung aus AlZn-Legierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%) besteht: Zn: 0,25 – 0,7 (und vorzugsweise 0,3 – 0,6), Fe < 0,40, Si < 0,40 (und vorzugsweise < 0,25), Cu, Mn, Mg, V oder Ti < 0,10, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium.
Plattiertes Blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Plattierung aus AlZn-Legierung auf einer Seite und auf der anderen Seite eine zweite Plattierungslegierung aufweist, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Legierung des Grundbleches hat.
Blech nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plattierungslegierung eine Legierung vom Typ 4xxx und vorzugsweise eine Legierung 4043, 4045 oder 4047 ist.
Plattiertes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Grundblech und der Plattierung aus AlZn-Legierung zwischen 40 mV und 130 mV, bevorzugt zwischen 50 mV und 110 mV und noch bevorzugter zwischen 60 mV und 100 mV liegt.
Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass seine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm liegt.
Plattiertes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße in Längsrichtung in halber Dicke im Grundblech kleiner als 250 um und vorzugsweise kleiner als 180 um ist.
Plattiertes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (Si + Mg + 3Cu), bei der die Konzentrationen der Elemente in Gew.-% ausgedrückt sind, größer als 3,50 ist.
Flugzeugstrukturelement aus plattierten Blechen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7.
Strukturelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der plattierten Bleche chemisch bearbeitet wurde.
Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugstrukturelementes,umfassend: a) die Herstellung eines plattierten Bleches durch Warmwalzen, bestehend aus einem Grundblech aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (Gew.-%): Si: 0,7–1,3 Mg: 0,7–1,1 Cu: 0,5–1,1 Mn: 0,15–1,0 und vorzugsweise 0,3 – 0,7 Zn < 0,5 Fe < 0,30 Zr < 0,20 Cr < 0,25 weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, und einer Plattierung aus Aluminiumlegierung auf mindestens einer Seite in einer Dicke je Seite zwischen 1 und 15 % und vorzugsweise 1,5 und 12 % der Gesamtdicke, wobei diese Plattierung auf mindestens einer Seite aus einer AlZn-Legierung besteht, die 0,3 bis 0,7 % Zink, bis zu 0,40 % Eisen, bis zu 0,25 % Silizium, bis zu 0,10 % von jedem der Elemente Kupfer, Mangan, Magnesium, Titan und Vanadium enthält, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Aluminium, die andere Seite gegebenenfalls mit einer zweiten Plattierungslegierung plattiert werden kann, vorzugsweise mit einer Legierung vom Typ 4000; b) optional einen oder mehrere Kaltwalzstiche; c) ein Lösungsglühen und anschließendes Abschrecken; d) optional einen oder mehrere Zurichtungsvorgänge, wie z. B. Entknittern, Richten oder kontrolliertes Recken; e) optional ein Formen des Bleches; f) den Zusammenbau des Strukturelementes durch Vernieten mehrerer Bleche und Aufschweißen oder Aufnieten auf Aussteifungen oder Rahmen, g) optional die Warmauslagerung des Strukturelementes.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es vor dem Aufbringen der Plattierung bzw. Plattierungen eine Homogenisierung des Walzbarrens aus dem Grundwerkstoff umfasst.
Verfahren nach Ansprach 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Homogenisierung in zwei Stufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe zwischen 530°C und 550°C liegt, für eine Dauer zwischen 1 h und 8 h.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe zwischen 555°C und 575°C liegt, für eine Dauer zwischen 18 h und 36 h.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Warmauslagerungsbehandlung umfasst, die nach dem Abschrecken vor oder nach dem Formen an dem zusammengebauten Strukturelement durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung bei einer Temperatur zwischen 170°C und 200°C durchgeführt wird, für eine Dauer zwischen 1 h und 10 h.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenbau durch Laserstrahlschweißen oder Reibschweißen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plattierungslegierung eine Legierung 4043, 4045 oder 4047 ist.
Flugzeugrumpfplatte, hergestellt aus plattierten Blechen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche zumindest partiell miteinander verschweißt sind.
Rumpfplatte nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenbau durch Laserstrahlschweißen oder Reibschweißen erfolgt.