ES2945730T3 - Método de fabricación de un producto en placa de aleación de aluminio de la serie 2x24 que tiene una resistencia mejorada al fallo por fatiga - Google Patents
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Abstract
Un método para fabricar un producto de placa de aleación de aluminio de la serie AA2xxx que tiene una resistencia mejorada a fallas por fatiga y un número reducido de fallas, el método comprende los siguientes pasos (a) moldear un lingote de una aleación de aluminio de la serie 2xxx, comprendiendo la aleación de aluminio (en %): Cu 1,9 a 7,0, Mg 0,3 a 1,8, Mn hasta 1,2, resto aluminio e impurezas, cada 0,05 máx., total 0,15; (b) homogeneizar y/o precalentar el lingote colado; (c) laminación en caliente del lingote en un producto de placa mediante laminación del lingote con múltiples pasadas de laminación caracterizada porque, cuando a un espesor intermedio de la placa entre 100 y 200 mm, se lleva a cabo al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción con un reducción del espesor de al menos el 15 %;donde el producto en placa tiene un espesor final inferior a 60 mm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método de fabricación de un producto en placa de aleación de aluminio de la serie 2x24 que tiene una resistencia mejorada al fallo por fatiga
Campo de la invención
La invención se refiere a un método de fabricación de un producto en placa de aleación de aluminio la serie 2x24 que tiene resistencia mejorada al fallo por fatiga y menos defectos en la inspección ultrasónica del producto en placa. El producto en placa se puede aplicar idealmente en aplicaciones estructurales aeroespaciales, como paneles de revestimiento de alas y estructuras de fuselaje, y otros usos finales de alta resistencia fuera de las placas.
Antecedentes de la invención
En la técnica se conoce el uso de aleaciones de aluminio tratables térmicamente en una serie de aplicaciones que implican una resistencia relativamente alta, tales como fuselajes de aeronaves, miembros de vehículos y otras aplicaciones. Las aleaciones AA2xxx de la Asociación de Aluminio, como AA2024, AA2324 y AA2524 son aleaciones de aluminio tratables térmicamente muy conocidas que tienen propiedades útiles de resistencia y tenacidad en revenido T3, T39 y T351.
El diseño de una aeronave comercial requiere diversas propiedades para diferentes tipos de estructuras en la aeronave. Especialmente para la estructura del fuselaje, para piezas complejas mecanizadas a partir de placas o revestimientos inferiores de alas, es necesario tener propiedades tales como una buena resistencia a la propagación de grietas, ya sea en forma de tenacidad a la fractura o resistencia a fallos por fatiga. Al mismo tiempo, no se debe reducir la resistencia de la aleación. Un producto de aleación laminada, ya sea utilizado como lámina o placa con una mejor tolerancia a los daños, mejorará la seguridad de los pasajeros, reducirá el peso de la aeronave y, por lo tanto, mejorará la economía de combustible, lo que se traduce en una mayor autonomía de vuelo, menores costes e intervalos de mantenimiento menos frecuentes.
Además, la reducción de defectos internos de un tamaño extremadamente fino (< 2 mm o menos) es importante para un producto en placa laminada ya que demasiados defectos conducirán al rechazo de la placa laminada para material aeroespacial. La prueba de defectos internos en un producto en placa se puede realizar mediante inspección ultrasónica. Típicamente, en las aleaciones de aluminio de la serie AA2xxx, las indicaciones de discontinuidad en una pantalla de prueba ultrasónica reflejan los siguientes tipos de defectos: porosidad de gas aglomerado, inclusiones no metálicas, inclusiones metálicas, partículas de sal o segregación de fase primaria muy grande.
Según la norma AMS-STD-2154, un producto en placa debe rechazarse como material aeroespacial en el caso de una o más indicaciones ultrasónicas que tengan un tamaño de 2,0 mm o más, o si aparecen numerosas indicaciones de 1,2 a 1,9 mm de tamaño (dependiendo del número y la distribución).
Además, la norma ASTM B594 es una práctica estándar para la inspección ultrasónica de productos forjados de aleación de aluminio. Para las demandas utilizadas en las industrias aeronáuticas, los niveles típicamente se establecen en la norma ASTM B594 Clase A.
En la técnica se sabe tener composiciones de aleación AA2x24 con el siguiente amplio intervalo de composición, en porcentaje en peso: Cu 3,7 - 4,9, Mg 1,2 - 1,8, Mn 0,15 - 0,9, Cr hasta 0,15, Si < 0,50, Fe < 0,50, Zn < 0,25, Ti < 0,15, equilibrio de aluminio e impurezas incidentales, Con el tiempo, se han desarrollado ventanas más estrechas dentro de la amplia gama de aleaciones de la serie AA2x24, en particular en lo que respecta a las gamas combinadas más bajas de Si y Fe para mejorar las propiedades de ingeniería específicas.
El documento JP-H-07252574 divulga un método de fabricación de una aleación de Al-Cu-Mg que comprende las etapas de laminación en caliente después de la colada continua y que especifica la velocidad de enfriamiento en el momento de la solidificación. Para beneficiarse de las altas velocidades de enfriamiento en la operación de colada continua, los contenidos de Fe y Si se controlan de manera que la suma de Fe+Si supere al menos el 0,4 % en peso.
El documento US-5,938,867 divulga una aleación de Al-Cu altamente tolerante al daño con una química "2x24" que comprende esencialmente la siguiente composición (en % en peso): 3,8 - 4,9 Cu, 1,2 - 1,8 Mg, 0,3 - 0,9 Mn, no más de 0,30 Si, no más de 0,30 Fe, no más de 0,15 Ti, equilibrio de aluminio e impurezas inevitables, en donde el lingote se recuece intermediamente después del laminado en caliente con una temperatura de recocido entre 385 °C y 468 °C.
El documento EP-0473122, así como el documento US-5,213,639, divulga una aleación de base de aluminio que comprende esencialmente la siguiente composición (en % en peso): 4,0 - 4,5 Cu, 1,2 - 1,5 Mg, 0,4 - 0,7
Mn, Fe < 0,12, Si < 0,1, equilibrio de aluminio, elementos incidentales e impurezas, en donde dicha base de aluminio se lamina en caliente, se calienta a más de 487 °C para disolver los constituyentes solubles y se lamina nuevamente en caliente, obteniendo así buenas combinaciones de resistencia junto con una alta tenacidad a la fractura y una baja tasa de crecimiento de grietas por fatiga. Más específicamente, el documento US-5,213,639 divulga un tratamiento de recocido interno requerido después de laminar en caliente el lingote fundido dentro de un intervalo de temperatura de 479 °C a 524 °C y nuevamente laminar en caliente la aleación con recocido intermedio en donde la aleación puede contener opcionalmente uno o más elementos del grupo que consiste en: 0,02 - 0,40 Zr, 0,01 - 0,5 V, 0,01 - 0,40 Hf, 0,01 - 0,20 Cr, 0,01 - 1,00 Ag y 0,01 - 0,50 Sc. Dicha aleación parece mostrar una mejora de al menos un 5 % con respecto a la aleación AA2024 convencional mencionada anteriormente en la tenacidad a la fractura T-L y una resistencia mejorada al crecimiento de grietas por fatiga a ciertos niveles de AK.
Sin embargo, todavía existe la necesidad de una mejora adicional o progreso adicional de la resistencia al fallo por fatiga de las aleaciones de la serie AA2xxx, incluidas las aleaciones de la serie AA2x24, ya que la resistencia al fallo por fatiga es un parámetro importante en ingeniería para los materiales aeroespaciales de aleación de aluminio debido a los esfuerzos cíclicos de una aeronave en servicio.
Por lo tanto, existe una necesidad de aleaciones de tipo Al-Cu-Mg-(Mn) que tengan propiedades deseables de resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión, así como una alta resistencia al fallo por fatiga. También existe la necesidad de partes estructurales de aeronaves que exhiban una alta resistencia al fallo por fatiga y mostrar menos defectos en una inspección ultrasónica.
Objeto de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar un método para fabricar una placa de aleación de aluminio de la serie AA2x24 que tenga una alta resistencia al fallo por fatiga comparada con las aleaciones de la serie AA2-xxx y, en particular, los productos en placa de aleación de aluminio AA2x24 de dimensiones y revenido similares producidos por métodos convencionales.
Otro objeto de la invención es proporcionar un producto en placa de aleación de aluminio que tenga menos defectos en una inspección ultrasónica que las aleaciones de aluminio de la serie AA2xxx convencionales y, en particular, los productos en placa AA2024 convencionales de dimensiones y revenido similares.
Otro objeto es proporcionar miembros estructurales aeroespaciales, tales como revestimientos de alas inferiores a partir de la placa de aleación de aluminio resistente a la fatiga mejorada que tienen menos defectos en la inspección ultrasónica.
Descripción de la invención
Estos y otros objetos y ventajas adicionales se cumplen o superan con la presente invención que proporciona un método para fabricar un producto en placa laminada de aleación de aluminio que tiene un grosor final de menos de 60 mm, preferiblemente menos de 50 mm, idealmente adecuado para su uso como un producto en placa aeroespacial, con resistencia mejorada a fallo por fatiga y menor número de defectos, comprendiendo el método las etapas, en ese orden, de:
(a) colar un lingote de una aleación de aluminio de la serie AA2x24 que tenga un grosor en un intervalo de 300 mm o más;
(b) homogeneizar y/o precalentar el lingote colado;
(c) laminar en caliente el lingote hasta un producto en placa mediante laminado del lingote con múltiples pasadas de laminación, en donde el producto en placa laminado en caliente ha alcanzado un grosor intermedio entre 100 y 200 mm, se lleva a cabo al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción con una reducción de grosor de al menos el 15 % y cada pasada de laminación en caliente antes y después de la pasada de laminación en caliente de alta reducción tiene una reducción de grosor entre el 1 % y el 12 %;
(d) opcionalmente, estirar previamente o aplicar una pasada de revestimiento mediante laminado en frío del producto en placa;
(e) opcionalmente tratamiento térmico en solución y enfriamiento a temperatura ambiente, preferiblemente por medio de temple, del producto en placa;
(f) opcionalmente estirar el producto en placa tratado térmicamente en solución;
(g) envejecimiento natural o envejecimiento artificial del producto en placa.
La aleación de aluminio de la serie 2x puede tener una composición que comprende, en % en peso:
Cu del 1,9 % al 7,0 %, preferiblemente del 3,0 % al 6,8 %, más preferiblemente del 3,8 % al 5,0 %, Mg del 0,30 % al 1,8 %, preferiblemente del 0,35 % al 1,6 %,
Mn hasta 1,2%, preferiblemente 0,2% a 1,2%, más preferiblemente 0,2 a 0,9%,
Si hasta 0,40 %, preferiblemente hasta 0,25 %,
Fe hasta 0,40 %, preferiblemente hasta 0,25 %,
Cr hasta 0,35%, preferiblemente hasta 0,10%,
Zn hasta el 1,0 %,
Ti hasta el 0,15 %, preferiblemente del 0,01 % al 0,10 %,
Zr hasta 0,25, preferiblemente hasta 0,12%,
V hasta el 0,25 %,
Li hasta el 2,0 %
Ag hasta 0,80 %,
Ni hasta el 2,5 %,
habiendo equilibrio de aluminio e impurezas. Típicamente, tales impurezas están presentes cada una <0,05 %, total <0,15 %.
El Cu es el principal elemento de aleación en las aleaciones de aluminio de la serie 2xxx, y puede estar en un intervalo de 1,9 % a 7,0 %. Un límite inferior preferido para el contenido de Cu es aproximadamente 3,0 %, más preferiblemente aproximadamente 3,8 % y más preferiblemente aproximadamente 4,2 %. Un límite superior preferido para el contenido de Cu es aproximadamente 6,8 %. El límite superior para el contenido de Cu puede ser de aproximadamente 5,0 %.
El Mg es otro elemento de aleación importante y debe estar presente en un intervalo del 0,3 % al 1,8 %. Un límite inferior preferido para el contenido de Mg es aproximadamente el 0,35 %. Un límite inferior preferido para el contenido para el Mg es aproximadamente el 1,0 %. Un límite superior preferido para el contenido de Mg es aproximadamente el 1,6 %.
El Mg es otro elemento de aleación importante para muchas aleaciones de aluminio de la serie 2xxx y debería estar presente en un intervalo hasta el 1,2 %. El contenido de Mn puede estar en un intervalo del 0,2 % a aproximadamente el 1,2 %, y preferiblemente del 0,2 % a aproximadamente el 0,9 %,
Zr puede estar presente en un intervalo hasta el 0,25 %, y preferiblemente está presente en un intervalo hasta el 0,12 %.
El Cr puede estar presente en un intervalo hasta el 0,35 %, preferiblemente en un intervalo hasta el 0,15 %. Tampoco puede haber una adición intencionada de Cr y puede estar presente hasta un 0,05 %, y preferiblemente se mantiene por debajo del 0,02 %.
Se puede añadir intencionalmente plata (Ag) en un intervalo hasta aproximadamente el 0,8 % para mejorar aún más la resistencia durante el envejecimiento. Un límite inferior preferido para la adición de Ag intencionada sería de aproximadamente el 0,05 % y, más preferiblemente de aproximadamente el 0,1 %. Un límite superior preferido sería de aproximadamente el 0,7 %.
Ag también puede ser un elemento de impureza y puede estar presente hasta el 0,05 %, y preferiblemente hasta el 0,03 %.
Se puede añadir intencionalmente cinc (Zn) en un intervalo hasta el 1,'0 % para mejorar aún más la resistencia durante el envejecimiento. Un límite inferior preferido para la adición de Zn intencionada sería de aproximadamente el 0,25 % y, más preferiblemente de aproximadamente el 0,3 %. Un límite superior preferido sería de aproximadamente el 0,8%.
En una realización, el Zn es un elemento de impureza y puede estar presente hasta el 0,25 %, y preferiblemente hasta el 0,10 %.
Se puede añadir intencionalmente litio (Li) en un intervalo hasta aproximadamente el 2 % para mejorar aún más las propiedades de tolerancia al daño y para reducir la densidad específica del producto de aleación. Un
límite inferior preferido para la adición de Li intencionada sería de aproximadamente el 0,6 % y, más preferiblemente de aproximadamente el 0,8 %. Un límite superior preferido sería de aproximadamente el 1,8 %.
El Li también puede ser un elemento de impureza y puede estar presente hasta el 0,1 %, y preferiblemente hasta el 0,05 %.
Se puede añadir níquel (Ni) hasta aproximadamente un 2,5 % para mejorar las propiedades a temperatura elevada. Cuando se añade intencionalmente, un límite inferior preferido es de aproximadamente el 0,75 %. Un límite superior preferido es aproximadamente el 1,5 %. Cuando se añade intencionalmente Ni, se requiere que también se aumente el contenido de Fe en la aleación de aluminio a un intervalo de aproximadamente el 0,7 % al 1,4 %.
El Ni también puede ser un elemento de impureza y puede estar presente hasta el 0,10 %, y preferiblemente hasta el 0,05 %.
Se puede añadir intencionalmente vanadio (V) en un intervalo hasta el 0,25 %, y preferiblemente hasta aproximadamente el 0,15 %. Un límite inferior preferido para la adición de V intencionada sería aproximadamente el 0,05 %.
V también puede ser un elemento de impureza y puede estar presente hasta aproximadamente un 0,05 %, y preferiblemente se mantiene por debajo de aproximadamente un 0,02 %.
El Ti puede añadirse hasta un 0,15 % en peso para servir como refinador de granos. El Ti se añade comúnmente a las aleaciones de aluminio junto con el boro debido a su efecto de refinación de grano sinérgico. Un límite inferior preferido para la adición de Ti intencionada sería aproximadamente el 0,01 %. Un límite superior preferido sería de aproximadamente el 0,10 %, preferiblemente aproximadamente el 0,08 %.
El Fe es una impureza habitual en las aleaciones de aluminio y se puede tolerar hasta un 0,4 %. Preferiblemente, se mantiene a un nivel hasta aproximadamente el 0,25 %, y más preferiblemente hasta aproximadamente el 0,15 %, y lo más preferiblemente hasta aproximadamente el 0,10 %. Sin embargo, no hay necesidad de reducir el contenido de Fe por debajo del 0,05 % en peso.
El Si es una impureza habitual en las aleaciones de aluminio y se puede tolerar hasta aproximadamente un 0,4 %. Preferiblemente, se mantiene a un nivel hasta aproximadamente el 0,25 %, y más preferiblemente hasta aproximadamente el 0,15 %, y lo más preferiblemente hasta aproximadamente el 0,10 %. Sin embargo, no hay necesidad de reducir el contenido de Si por debajo del 0,05 % en peso.
La aleación de aluminio de la serie 2xxx puede tener una composición que consiste en, en % en peso, Cu 1,9 % a 7,0 %, Mn hasta 1,2 %, Mg 0,3 % a 1,8 %, Zr hasta 0,25 %, Ag hasta 0,8 %, Zn hasta 1,0 %, Li hasta 2 %, Ni hasta 2,5 %, V hasta 0,25 %, Ti hasta 0,15 %, Cr hasta 0,35 %, Fe hasta 0,4 %, Si hasta 0,4 %, equilibrio de aluminio e impurezas cada uno <0,05 % y un total <0,15 % y con intervalos de composición más estrechos preferidos como se describe en esta memoria.
En una realización, la aleación de aluminio tiene una composición química dentro de los intervalos de AA2024, AA2324 y AA2524, y modificaciones de los mismos.
En una realización particular, la aleación de aluminio tiene una composición química dentro de los intervalos de AA2024.
Como se apreciará a continuación en esta memoria, salvo que se indique lo contrario, las designaciones de aleación de aluminio y las designaciones de revenido se refieren a las designaciones de la Aluminium Association en Aluminium Standards and Data and the Registration Records, según lo publicado por la Aluminium Association en 2018, y son bien conocidos para los expertos en la técnica.
Para cualquier descripción de composiciones de aleación o composiciones de aleación preferidas, todas las referencias a porcentajes son porcentaje en peso a menos que se indique lo contrario.
Como se emplea en esta memoria, los términos "<" y "hasta" y "hasta aproximadamente" incluyen explícitamente, pero sin limitación, la posibilidad de porcentaje en peso cero del componente de aleación particular al que se refiere. Por ejemplo, hasta el 0,10 % de Cr puede incluir una aleación que no tenga Cr.
En una realización del método de la presente invención, se puede llevar a cabo una etapa de laminación en frío muy suave (laminado de revestimiento o pasada de revestimiento) después de la etapa de tratamiento térmico de solución con una reducción de menos del 1 %, preferiblemente menos del 0,5 %, para mejorar la planitud del producto final. Preferiblemente no se lleva a cabo una etapa de laminación en frío con una reducción de más del 1 % cuando se lamina la placa hasta el grosor final para evitar al menos una
recristalización parcial durante una etapa de tratamiento térmico en solución posterior que afecta negativamente al equilibrio de las propiedades de ingeniería en el producto en placa final.
En una realización alternativa del método de la presente invención, las placas se pueden estirar previamente antes de la etapa de tratamiento térmico de la solución. Esta etapa de estiramiento previo se puede realizar con una reducción de hasta un 3 %, preferiblemente entre un 0,5 % y un 1 %, para mejorar la planitud del producto final.
El grosor final del producto en placa laminada es inferior a 60 mm, preferiblemente inferior a 50 mm, preferiblemente inferior a 45 mm, más preferiblemente inferior a 40 mm y lo más preferiblemente inferior a 35 mm. En realizaciones útiles, el grosor final del producto en placa es superior a 10 mm, preferiblemente superior a 12 mm, más preferiblemente superior a 15 mm y lo más preferiblemente superior a 19 mm.
La aleación de aluminio como se describe en esta memoria se puede proporcionar en una etapa de proceso (a) como un lingote o planchón o palanquilla para fabricación hasta un producto forjado adecuado por técnicas de colada habituales en la técnica para productos forjados, p. ej., colada DC, colada EMC, colada EMS, y que tenga un grosor en un intervalo de aproximadamente 300 mm o más, por ejemplo, 400 mm, 500 mm o 600 mm. En una base menos preferida, también se pueden usar planchones resultantes de la colada continua, por ejemplo, coladas de cinta o de rodillos, lo que en particular puede ser ventajoso cuando se producen productos finales de calibre más delgado. Se pueden usar refinadores de grano tales como los que contienen titanio y boro, o titanio y carbono, como es bien conocido en la técnica. Después de colar la materia prima de aleación para laminado, el lingote normalmente se raspa para eliminar las zonas de segregación cerca de la superficie moldeada del lingote.
A continuación, el lingote se homogeneiza y/o precalienta. En la técnica se conoce que el propósito del tratamiento térmico de homogeneización tiene al menos los siguientes objetivos: (i) disolver en la mayor medida posible las fases solubles gruesas formadas durante la solidificación, y (ii) reducir los gradientes de concentración para facilitar la etapa de disolución. Un tratamiento de precalentamiento logra también algunos de estos objetivos. Un tratamiento de precalentamiento típico para aleaciones de la serie AA2xxx sería una temperatura de 420 °C a 505 °C con un tiempo de remojo en el intervalo de 3 a 50 horas, más típicamente de 3 a 20 horas.
En primer lugar, las fases eutécticas solubles, como la fase S en la materia prima de aleación, se disuelven utilizando la práctica habitual de la industria. Típicamente, esto se lleva a cabo calentando la materia prima a una temperatura inferior a 500°C, ya que la fase eutéctica de la fase S (fase Al2MgCu) tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 507 °C en las aleaciones de la serie AA2xxx. En las aleaciones de la serie AA2x24 también hay una fase 0 (fase Al2Cu) que tiene un punto de fusión de aproximadamente 510 °C. Como se sabe en la técnica, esto puede lograrse mediante un tratamiento de homogeneización y/o precalentamiento en dicho intervalo de temperatura y dejando que se enfríe hasta la temperatura de trabajo, o después de la homogeneización, la materia prima se enfría y recalienta posteriormente antes del laminado en caliente. El proceso de homogeneización y/o precalentamiento regular también se puede realizar si se desea en dos o más etapas, y típicamente se lleva a cabo en un intervalo de temperatura de 400 °C a 505 °C. Por ejemplo, en un proceso de dos etapas hay una primera etapa entre 480 °C y 500 °C, y una segunda etapa entre 470 °C y 490 °C, para optimizar el proceso de solución de las diversas fases dependiendo de la composición exacta de la aleación. En cualquier caso, se reduce la segregación de elementos de la aleación en el material como colada y se disuelven los elementos solubles. Si el tratamiento se lleva a cabo por debajo de 400 °C, el efecto de homogeneización resultante es inadecuado. Si la temperatura está por encima de 505 °C, puede producirse una fusión eutéctica que dé como resultado una formación de poros indeseable.
El tiempo de remojo a la temperatura de homogeneización según la práctica de la industria depende de la aleación, como es bien conocido por el experto en la técnica, y normalmente está en el intervalo de 1 a 50 horas. El tiempo preferido del tratamiento térmico anterior está entre 2 y 30 horas. Los tiempos más largos normalmente no son perjudiciales. La homogeneización se realiza normalmente a una temperatura superior a 485 °C y una temperatura de homogeneización típica es de 493 °C. Una temperatura típica de precalentamiento está en el intervalo de 440 °C a 460 °C con un tiempo de remojo en un intervalo de 3 a 15 horas. Las velocidades de calentamiento que se pueden aplicar son aquellas habituales en la técnica.
Después de la práctica de homogeneización y/o precalentamiento, el lingote se lamina en caliente. El laminado en caliente del lingote se lleva a cabo con múltiples pasadas de laminación en caliente, normalmente en un laminador en caliente. El número de pasadas de laminación en caliente típicamente está entre 15 y 35, preferiblemente entre 20 y 29. Cuando el producto en placa laminado en caliente ha alcanzado un grosor intermedio de entre 100 mm y 200 mm, preferiblemente entre 120 mm y 180 mm, el método aplica al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción con una reducción de grosor de al menos aproximadamente el 15 %, preferiblemente de al menos aproximadamente el 20 % y lo más preferiblemente de al menos aproximadamente el 25 %. En realizaciones útiles, la reducción de grosor en esta pasada de alta reducción es menos del 70 %, preferiblemente menos del 55 %, más preferido menos del 40 %. La "reducción
de grosor" de una pasada de laminación, también denominada relación de reducción, es preferiblemente el porcentaje en el que se reduce el grosor de la placa en la pasada de laminación individual.
Dicha al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción no se lleva a cabo en las prácticas industriales convencionales de laminación en caliente cuando se producen productos en placa de la serie AA2xxx. Por lo tanto, las pasadas de laminación en caliente entre 100 mm y 200 mm según un ejemplo no limitativo de la invención podrían describirse como sigue (mirando el grosor intermedio de la placa): 199 mm -192 mm - 183 mm - 171 mm - 127 mm - 125 mm - 123 mm. La pasada de laminación en caliente de alta reducción de 171 mm a 127 mm corresponde a una reducción de grosor de aproximadamente el 26 %. Para las placas de aleación de aluminio producidas mediante un proceso de laminación en caliente convencional, la reducción de grosor de cada pasada de laminación en caliente está típicamente entre el 1 % y el 12 % cuando en el grosor intermedio entre 100 mm y 200 mm. En consecuencia, las pasadas de laminación en caliente entre 100 mm y 200 mm según un ejemplo del método convencional podrían describirse de la siguiente manera (mirando el grosor intermedio de la placa): 200 mm - 188 mm - 177 mm - 165 mm - 154 mm - 142 mm - 131 mm. En consecuencia, el método según la invención define una etapa de laminación en caliente en donde se lleva a cabo al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción. Esta pasada de alta reducción se define por una reducción de grosor de al menos aproximadamente el 15 %, preferiblemente de al menos aproximadamente el 20 % y más preferiblemente de al menos aproximadamente el 25 %.
Las pasadas de laminación en caliente del método de esta invención antes y después de la pasada de alta reducción tienen una relación de reducción que es comparable con la relación de reducción de las pasadas de laminación en caliente del método de laminación en caliente convencional. En consecuencia, cada pasada de laminación en caliente antes y después de la pasada de laminación en caliente de alta reducción podría tener una reducción de grosor entre el 1 % y el 12 %. Dado que la reducción de grosor varía según el grosor de la placa, por ejemplo, placas gruesas que tienen más de 300 mm o placas delgadas que tienen menos de 60 mm, es una característica del método reivindicado que la etapa de alta reducción se lleva a cabo cuando el grosor intermedio del producto en placa ha alcanzado entre 200 mm y 100 mm, preferiblemente de 180 mm a 120 mm, lo más preferiblemente entre 150 mm y 170 mm. Este grosor se elige para garantizar que la alta deformación/cizalla es congruente en todo el grosor del producto en placa. Para productos en placa con un grosor superior a 200 mm, es más difícil garantizar una deformación consistente a través de toda la placa. Típicamente, en los productos en placa más gruesos habría menos deformación en el centro (grosor medio) del producto en placa que en la posición de un cuarto de grosor o en el área subsuperficial.
Preferiblemente, se realiza una pasada de laminación en caliente de alta reducción. En una realización alternativa, se realizan dos o más, p. ej. tres, pasadas de laminación en caliente de alta reducción.
En una realización alternativa, el producto recibe dos etapas de laminación en caliente. En esta realización, el lingote se lamina en caliente a un grosor intermedio en un intervalo de 100 a 140 mm recibiendo una pasada de alta reducción. Luego, el producto en placa se recalienta a la temperatura de la etapa de homogeneización y/o precalentamiento, es decir, entre 400 °C y 505 °C. En una realización preferida, la etapa de recalentamiento se puede realizar en dos o más etapas si se desea. Esta etapa de recalentamiento minimiza o evita el componente soluble o las partículas de la fase secundaria que pueden resultar de la primera parte de la laminación en caliente. Esta etapa de recalentamiento tiene el efecto de poner la mayor parte del Cu y Mg en una solución sólida. A continuación, se lleva a cabo una segunda serie de etapas de laminación en caliente para lograr el grosor final del producto en placa. Estas segundas etapas de laminación en caliente no incluyen un pasada de alta reducción.
En ambas realizaciones, es decir, homogeneización y/o precalentamiento u homogeneización y/o precalentamiento con una etapa de recalentamiento después de la primera laminación en caliente a un grosor intermedio, es posible mantener una temperatura de salida del laminador en caliente de más de 385 °C, preferiblemente más de 400 °C, más preferiblemente más de 410 °C.
Se ha encontrado que, en el caso de fabricar un producto en placa con un grosor final de menos de 60 mm, también la velocidad de deformación durante el proceso de laminación en caliente influye en las propiedades finales del producto en placa. Por lo tanto, la velocidad de deformación durante al menos una pasada de alta reducción en una realización útil del método es preferiblemente menor que <0,77 s-1, preferiblemente <0,6 s-1. Se cree que este cizallamiento intenso provoca una ruptura de las partículas constituyentes, por ejemplo, intermetálicos ricos en Fe.
La velocidad de deformación durante la laminado en caliente por pasada de laminación puede describirse mediante la siguiente fórmula:
en donde
p v e l o c i d a d de deformación (en s-1)
ho grosor de entrada de la placa (en mm)
h1 grosor de salida de la placa (en mm)
v1 velocidad de laminación de los rodillos de trabajo (en mm/s)
R radio de los rodillos de trabajo (en mm).
La velocidad de deformación es el cambio de deformación (deformación) de un material con respecto al tiempo. A veces también se denomina "velocidad de deformación". La fórmula muestra que no solo el grosor de entrada y el grosor de salida de la placa de aleación de aluminio, sino también la velocidad de laminación de los rodillos de trabajo influye en la velocidad de deformación.
Para las prácticas convencionales de laminación en caliente a escala industrial, la velocidad de deformación de cada pasada de laminación es típicamente igual o superior a 0,77 s-1. Como ya se ha esbozado anteriormente, según una realización del método según esta invención durante la pasada de alta reducción, la velocidad de deformación se reduce a <0,77 s-1, preferiblemente a < 0,6 s-1. Al usar una velocidad de deformación baja, es posible lograr un cizallamiento más intenso dentro del material en placa.
Además, el producto en placa de aleación de aluminio fabricado por la presente invención puede ser, si se desea, laminación en frío o estiramiento previo para mejorar la planitud, tratado térmicamente en solución (SHT), enfriado, preferiblemente por medio de temple, estirado y laminado en frío, y envejecido después de la laminación hasta el calibre final. El estiramiento previo se puede aplicar en un intervalo del 0,5 al 1 % de la longitud original de la placa, si se desea, para hacer que el producto en placa sea lo suficientemente plano como para permitir la prueba ultrasónica posterior por razones de control de calidad. Si se lleva a cabo un tratamiento térmico de solución (SHT), el producto en placa debe calentarse a una temperatura en el intervalo de 460 °C a 505 °C, durante un tiempo suficiente para que los efectos de la solución se acerquen al equilibrio, con tiempos de remojo típicos en el intervalo de 5 a 120 minutos. El tratamiento térmico de solución se lleva a cabo típicamente en un horno discontinuo. Los tiempos de remojo típicos a la temperatura indicada están en el intervalo de 5 a 30 minutos. Después del tiempo de remojo a la temperatura elevada, el producto en placa debe enfriarse a una temperatura de 175 °C o menos, preferiblemente a temperatura ambiente, para evitar o minimizar la precipitación incontrolada de fases secundarias, por ejemplo, Al2CuMg and Al2Cu. Por otro lado, las velocidades de enfriamiento no deben ser demasiado altas para permitir una planitud suficiente y un bajo nivel de tensiones residuales en el producto en placa. Se pueden conseguir velocidades de enfriamiento adecuadas con el uso de agua, por ejemplo, inmersión en agua o chorros de agua.
Después de enfriar a temperatura ambiente, los productos en placa pueden trabajarse adicionalmente en frío, por ejemplo, al estirar en el intervalo del 0,5 % al 8 % de su longitud original para aliviar tensiones residuales en el mismo y mejorar la planitud del producto. Preferiblemente, el estiramiento es en el intervalo del 0,5 % al 4 %, más preferiblemente del 0,5 % al 5 % y lo más preferiblemente del 0,5 % al 3 %.
Después del enfriamiento, el producto en placa se envejece de forma natural, típicamente a temperatura ambiente, y/o como alternativa el producto en placa también se puede envejecer artificialmente. El envejecimiento artificial puede ser de particular utilidad para productos de mayor calibre. Todas las prácticas de envejecimiento conocidas en la técnica y las que pueden desarrollarse posteriormente pueden aplicarse a los productos de aleación de la serie AA2xxx, en particular a los productos de aleación de aluminio de la serie AA2x24 obtenidos por el método según esta invención para desarrollar la resistencia requerida y otras propiedades de ingeniería. Los revenidos típicos serían, por ejemplo, T4, T3, T351, T39, T6, t 651 , T8, T851 y T89.
En una realización particular preferida, el producto en placa se envejece de manera natural a un revenido T3, preferiblemente a un revenido T39 o T351.
Una ventaja de la presente invención es que el producto en placa de aleación de aluminio muestra una resistencia mejorada al fallo por fatiga al utilizar al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción en un calibre intermedio durante la operación de laminación en caliente. Este comportamiento superior a la fatiga se logra sin limitar el contenido de Fe y Si a niveles de impurezas extremadamente bajos (es decir, a menos del 0,05 % en peso).
Además, el producto en placa de aleación de aluminio producido por el método reivindicado muestra menos defectos en una detección ultrasónica. Esto se consigue utilizando el método de la presente invención, es decir, una etapa de laminación en caliente de alta reducción.
El producto en placa de aleación de la serie AA2x24, cuando se fabrica según esta invención, es adecuado para aplicaciones de aeronaves tales como revestimientos de alas o paneles de fuselaje de aeronaves.
En una realización particular el producto en placa de aleación de aluminio se puede utilizar como panel o miembro de ala, más en particular como un panel o miembro de ala superior.
Por consiguiente, el producto en placa fabricado según la invención proporciona propiedades mejoradas en comparación con un producto en placa fabricado según métodos estándar convencionales para este tipo de aleaciones de aluminio que tienen por lo demás las mismas dimensiones y se procesan con el mismo revenido.
Breve descripción de las figuras
A continuación se describirán realizaciones de la invención a modo de ejemplos no limitativos, y también se darán ejemplos comparativos representativos del estado de la técnica.
La Fig. 1 es un gráfico de la tensión neta máxima frente a los ciclos hasta el fallo para placas preparadas según el método de esta invención y placas preparadas mediante métodos convencionales.
La Fig. 2 es un gráfico que muestra el número de indicaciones ultrasónicas frente al grosor de placa de las placas preparadas según el método de esta invención y placas preparadas mediante métodos convencionales.
EJEMPLOS
Ejemplo 1
Los lingotes para laminado se han sometido a colada DC de la aleación de aluminio AA2024, con una composición (en % en peso, equilibrio de aluminio e impurezas) como la que se da en la Tabla 1.
Tabla 1
Los lingotes de laminación tienen un grosor de aproximadamente 330 mm. La homogeneización y precalentamiento de los lingotes se llevó a cabo en un procedimiento de dos etapas, la primera etapa a 495 °C durante 18-24 horas y la segunda etapa a 485 °C durante 1 a 16 horas (precalentamiento). A continuación, los lingotes se laminaron en caliente hasta un grosor intermedio de 100-140 mm (primera laminación en caliente), en donde el lingote A se procesó según la invención, es decir, este lingote recibió una pasada de alta reducción durante la primera laminación en caliente. Un lingote A de aproximadamente 170 mm se redujo en grosor con una reducción de aproximadamente el 26 % (de 171 mm a 127 mm). La velocidad de laminación durante esta pasada de alta reducción fue de aproximadamente 25 m/min dando una velocidad de deformación de 0,52 s-1.
El lingote B se procesó según un método convencional de laminación en caliente (una reducción de grosor entre el 3 % y el 8 % por cada pasada de laminación en caliente entre 300 mm y 120 mm). La velocidad de laminación durante las pasadas estándar de laminación en caliente fue de aproximadamente 60 m/min (grosor de entrada 177 mm) y 100 m/min (grosor de entrada 131 mm) dando una velocidad de deformación entre 0,77 s-1 y 1,56 s-1. La temperatura de salida después de la primera serie de laminación en caliente es superior a 400 °C. Con un grosor intermedio de 120 mm (lote A y lote B), ambas placas se calentaron a 490 °C durante 24 a 30 horas y luego se ajustaron a 485 °C durante 1 a 12 horas. Después de este recalentamiento, las placas se laminaron en caliente hasta el grosor final de 23 mm (segunda serie de laminación en caliente). La temperatura de salida después de la segunda laminación en caliente es superior a 400 °C.
La placa A recibió 24 pasadas de laminación en caliente, en donde la pasada de alta reducción fue la pasada número 12. La placa B recibió 26 pasadas de laminación en caliente sin una pasada de alta reducción. Como ya se ha señalado anteriormente, ambas placas se laminaron primero en caliente a un grosor intermedio entre 100 y 140 mm. La placa A se sometió al segundo precalentamiento después de la pasada N.° 15 y la placa B se sometió al segundo precalentamiento después de la pasada N.° 17. Ambas placas tienen un grosor final de 23 mm después del proceso de laminación en caliente. Después de las etapas de laminación en caliente, ambas placas se trataron térmicamente en solución a una temperatura de aproximadamente 495 °C y se templaron. Luego, recibieron una pasada de revestimiento de laminación para mejorar la planitud y se estiraron aproximadamente un 2-3 %. Se aplicó una etapa de envejecimiento natural durante al menos 5 días, llevando los productos en placa a una condición T351.
El ensayo de fatiga se realizó según la norma DIN-EN-6072 utilizando un cupón de ensayo de un solo orificio abierto que tenía un factor de concentración de tensión neta Kt de 2,3. Los cupones de ensayo tenían 150 mm de largo por 30 mm de ancho, por 3 mm de grosor con un solo orificio de 10 mm de diámetro. El orificio se avellanó a una profundidad de 0,3 mm en cada lado. Los cupones de ensayo se tensaron axialmente con una relación de tensión (carga mín/carga máx) de R=0,1. La frecuencia de ensayo fue de 30 Hz y los ensayos se realizaron en aire con alta humedad (HR > 90 %). Los resultados individuales de estas pruebas se muestran en la Tabla 2 y la Fig. 1.
Tabla 2
La Fig. 1 ilustra que al usar el método de esta invención, es posible mejorar significativamente la vida de fatiga y por lo tanto la resistencia al fallo por fatiga con respecto a las placas de aleación AA2xxx preparadas por métodos convencionales. Por ejemplo, con una tensión de sección neta aplicada de 200 MPa, la placa A tiene una vida útil de 252.233 ciclos, lo que representa una mejora de 2,3 veces en la vida útil en comparación con una aleación B que tiene una vida útil de 109.719 ciclos.
Ejemplo 2
Se ha llevado a cabo una inspección ultrasónica de las placas de aleación proporcionadas en la Tabla 3 según AMS-STD-2154. Se utilizaron placas de ensayo con un grosor de 16 mm o 23 mm. La composición (en % en peso y equilibrio de aluminio e impurezas) se proporciona a continuación en la Tabla 3.
Tabla 3
Los lingotes de laminación tenían un grosor de aproximadamente 330 mm. Las placas A y B se produjeron como se describe anteriormente en el Ejemplo 1, es decir, la placa B recibió 26 pasadas de laminación en caliente sin una pasada de alta reducción y la placa A recibió 24 pasadas de laminación en caliente incluyendo una pasada de alta reducción de aproximadamente 170 mm.
Con respecto a los lotes C, D, E y F, los lingotes de laminación tienen un grosor inicial de aproximadamente 330 mm. La homogeneización y el precalentamiento, la primera laminación en caliente, el segundo precalentamiento y la segunda laminación en caliente de los lingotes se llevaron a cabo como se describe en el Ejemplo 1, es decir, a aproximadamente 170 mm, los lotes E y F se redujeron en grosor con una reducción de aproximadamente el 26 %. (171 mm a 127 mm) y los lotes C y D se procesaron según un método convencional de laminación en caliente. Todas las placas tienen un grosor final de 16 mm después del proceso
de laminación en caliente. Después de las etapas de laminación en caliente, las placas se estiraron previamente en un intervalo del 0,5 % al 1 % para mejorar la planitud de las placas. Luego estas se trataron térmicamente en solución a una temperatura de 495 °C, se templaron y se estiraron de nuevo aproximadamente un 2-3 %. Se aplicó una etapa de envejecimiento natural, poniendo los productos en placa en una condición T351.
La siguiente Tabla 4 muestra el número de indicaciones ultrasónicas (US) que muestran las placas. Las placas que tienen un grosor final de 16 mm tienen una dimensión de 16 mm x 1000 mm x 12000 mm y las placas que tienen un grosor final de 23 mm tienen una dimensión de 23 mm x 1500 mm x 17000 mm.
Tabla 4
A partir de esta tabla es evidente que los productos en placa de los lotes A, E y F preparados por el método de la presente invención, es decir, que reciben la pasada de alta reducción, muestran un número reducido de defectos (consúltese la suma de las indicaciones de US) detectados con inspección ultrasónica según AMS-STD-2154.
La invención no está limitada a las realizaciones descritas anteriormente, sino que puede variar dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (9)
1. Un método para fabricar un producto en placa de aleación de aluminio de la serie AA2x24 que tiene una resistencia al fallo por fatiga mejorada y un número reducido de defectos, comprendiendo el método las siguientes etapas:
(a) colar un lingote de una aleación de aluminio de la serie AA2x24 que tenga un grosor en un intervalo de 300 mm o más;
(b) homogeneizar y/o precalentar el lingote colado;
(c) laminar en caliente el lingote hasta un producto en placa mediante laminación del lingote con múltiples pasadas de laminación, en donde el producto en placa laminado en caliente ha alcanzado un grosor intermedio entre 100 y 200 mm, se lleva a cabo al menos una pasada de laminación en caliente de alta reducción con una reducción de grosor de al menos el 15 % y cada pasada de laminación en caliente antes y después de la pasada de laminación en caliente de alta reducción tiene una reducción de grosor entre el 1 % y el 12 %; y en donde el producto en placa tiene un grosor final de menos de 60 mm.
2. Método según la reivindicación 1, en donde el método comprende además las etapas de
(d) opcionalmente, estirar previamente o aplicar una pasada de revestimiento mediante laminación en frío del producto en placa después de la laminación en caliente;
(e) tratar térmicamente en solución el producto en placa;
(f) enfriar, preferiblemente por medio de temple, el producto en placa tratado térmicamente en solución; (g) opcionalmente estirar el producto en placa tratado térmicamente en solución, y
(h) envejecer de manera natural y envejecer artificialmente el producto en placa tratado térmicamente en solución y enfriado.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, en donde la pasada de laminación en caliente de alta reducción se realiza con una reducción de al menos el 20 %, preferiblemente al menos el 25 %.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una velocidad de deformación durante la pasada de laminación en caliente de alta reducción es <0,77 s-1, preferiblemente < 0,6 s-1.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el grosor intermedio de la placa antes de la pasada de alta reducción se lleva a cabo entre 120 mm y 180 mm, preferiblemente entre 150 mm y 170 mm.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la aleación de aluminio tiene una composición según AA2024.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el grosor final del producto en placa es inferior a 50 mm, preferiblemente inferior a 40 mm, y/o en donde el grosor final del producto en placa es superior a 10 mm, preferiblemente superior a 12 mm, más preferiblemente superior a 15 mm.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde en la etapa de método (c), la temperatura de entrada del tren laminador en caliente es superior a 385 °C, preferiblemente superior a 400 °C.
9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el producto en placa se envejece de manera natural hasta un revenido T3, preferiblemente un revenido T39 o T351.
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