18Al-Zn-Mg-Cu Legeringen (7XXX reeks)
Deze legeringen ontvingen speciale aandacht omdat er al lang werd ingezien dat ze van alle aluminium legeringen de grootste respons gaven op verouderingsharding. Al in 1917 werden sterktewaarden gemeten van 580 MPa voor een samenstelling van Al-20Zn-2,5Cu-0,5Mg-0,5Mn, terwijl die van het als sterk bekend staande Duraluminium 420 MPa bedroeg. Deze legering en anderen die gedurende de daaropvolgende twintig jaar werden geproduceerd bleken ongeschikt voor constructiedoeleinden wegens hoge gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie. Wegens het kritische belang van Al-Zn-Mg-Cu legeringen voor vliegtuigconstructies, werd dit probleem onderwerp van niet aflatend onderzoek en ontwikkeling en zal nu in enig detail worden behandeld.
Inleiding
Militaire eisen gedurende de jaren 30 en 40 van de vorige eeuw voor vliegtuig legeringen met hogere sterkte/gewicht verhoudingen leidde uiteindelijk tot de introductie van verscheidene Al-Zn-Mg-Cu legeringen waarvan 7075 wellicht de bekendste is. Later werd deze legering in Engeland ook geaccepteerd voor de constructie van het merendeel van de civiele vliegtuigen. Sterkere legeringen, zoals 7178-T6 met treksterkte 600 MPa, werden geïntroduceerd voor onder drukspanning belaste onderdelen en een andere legering 7079-T6 werd speciaal ontworpen voor grote smeedstukken waarvoor de lagere afschrikgevoeligheid een voordeel was.
Scheurvormende spanningscorrosie
Voortdurende problemen met scheurvormende spanningscorrosie, met name bij 7079-T6, alsmede gebrekkige andere eigenschappen stimuleerden de noodzaak voor verdere verbeteringen. Sommige vliegtuigfabrikanten keerden juist terug tot het gebruik van legeringen met lagere sterkte die waren gebaseerd op Al-Cu-Mg legeringen, zelfs als dit gepaard ging met het nadeel van een hoger gewicht.
Tot dan was het een gebruikelijk praktijk om onderdelen af te schrikken in koud water na oplosgloeien hetgeen hoge restspanningen introduceerde. Een voorbeeld is te zien op afbeelding 1, waar het verspanen van een oog aan een in koud water afgeschrikt smeedstuk de onderliggende resterende trekspanning laat zien die bijdraagt aan scheurvormende spanningscorrosie. Het is interessant om op te merken dat, hoewel scheuring aan de binnenkant van het oog optrad toen het smeedstuk in bedrijf was, de scheuren in de zijkanten van het oog zich voortplanten nadat het smeedstuk uit gebruik was genomen en blootgesteld op separate momenten met tussenpozen van vele jaren aan corrosieve atmosferen. Wegens het probleem van afschrikspanningen zijn er pogingen gedaan om chroomvrije legeringen te gebruiken voor smeedstukken en andere onderdelen die geen behandeling kunnen ondergaan ter verlaging van het spanningsniveau. Zulke legeringen kunnen toe met een minder sterke afschrikbehandeling, bijvoorbeeld in kokend water, zonder dat dit ten koste gaat van een verlaagde respons op verouderingsharding.
Afbeelding 1. Spanningscorrosiescheuren in een in koud water afgeschrikt Al-Zn-Mg-Cu smeedstuk.
Verouderen
Een andere vroege praktijk was het geven van een enkelvoudige verouderingsbehandeling bij temperaturen lopend van 120 tot 135°C waarbij aanzienlijke verouderingsharding optreedt (afbeelding 2) als gevolg van uitscheiding van GP (Guinier-Preston) zones. Het was bekend dat verouderen bij hogere temperaturen tussen 160 en 170°C, waarbij de faze η wordt gevormd, resulteerde in een aanzienlijke toename van de weerstand tegen scheuring als gevolg van spanningscorrosie maar woordoor de treksterkte sterk afnamen (zie curve op afbeelding 2). Vervolgens werd er een dubbele verouderingsbehandeling aangeduid als T73 toestand geïntroduceerd waarbij er een fijnere uitscheiding van het η precipitaat kon worden verkregen via kiemvorming vanuit reeds bestaande GP zones. Zoals is te zien op afbeelding 2 (curve b) liggen de treksterkte eigenschappen van 7075-T73 ongeveer 15% onder die voor de T6 toestand maar nu is de weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie sterk verbeterd. Vertrouwen in de T73 toestand werd getoond door 7075-T73 te gebruiken voor kritische vliegtuigonderdelen zoals het smeedstuk met grote diameter dat is te zien op afbeelding 3.
Afbeelding 2. Vergelijking van rekgrenswaarden (0,2% rekgrens) van 7075 plaat verkregen met isotherme (171°C) (curve a) en twee-traps (121/171°C) (curve b) precipitatiebehandelingen. De verbeterde rekgrens voor 7050 dat een tweevoudige behandeling heeft ondergaan wordt weergegeven door curve c
Afbeelding 3. 7075-T73 matrijssmeedstuk: integraal middenmotorsteun en verticale stabilisatorligger voor DC-10.
Toevoegen legeringselementen
Het gebruik van legeringen in de T73 toestand vereiste dat sommige vliegtuigonderdelen opnieuw werden ontworpen en dat er gewichtstoenames moesten worden geaccepteerd als ze legeringen vervingen die de T6 behandeling hadden ondergaan. Om deze reden is er veel werk verricht om legeringen te ontwikkelen die een hoge weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie paarden aan maximale treksterkte eigenschappen.
Er werden wat successen geboekt door 0,25 - 0,4% zilver toe te voegen, omdat dit element het uitscheidingsproces modificeert in legeringen die berusten op het Al-Zn-Mg-Cu systeem waardoor er een sterkere respons kwam op verouderingsharding met een verouderingsbehandeling bij 160 - 170°C. Een Duitse commerciële hoog-sterke legering, AZ74 (7009) bevat dit element. Van recenter datum stamt een legering 7050 die is ontwikkeld in de VS, waarbij het kopergehalte, dat gewoonlijk al aanwezig is in legeringen zoals 7075, werd verhoogd om de versteviging te verhogen die samengaat met het tweede stadium van de T73 behandeling (curve c op afbeelding 2). Hoewel deze legering enige moeilijkheden bood bij het gieten, wordt hij gebruikt voor constructiedelen van vliegtuigen.
RRA behandeling
Er is nog een andere warmtebehandeling ontwikkeld waarmee legeringen zoals 7075 een hoger niveau van de treksterkte eigenschappen zoals mag worden verwacht van de T6 toestand wordt gecombineerd met de weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie van de T73 toestand. Deze staat bekend als retrogressie en herveroudering (Engels: retrogression and re-ageing of RRA) die volgende stadia omvat voor 7075:
- T6 behandeling toepassen, dat wil zeggen behandelen bij 465°C, afschrikken in koud water, verouderen bij 120°C gedurende 24 uur.
- Verwarmen gedurende korte tijd (bijvoorbeeld 5 minuten) op een temperatuur tussen 200 en 280°C en afschrikken in koud water.
- Herverouderen gedurende 24 uur bij 120°C.
Veranderingen in de treksterkte eigenschappen zijn schematisch weergegeven op afbeelding 4. De verbetering van de weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie werd toegeschreven aan de vergroving van de uitscheidingen op de korrelgrenzen die hun onderlinge afstand vergroot. Wegens de noodzaak van een kort tijdsinterval tijdens stadium 2, is de RRA behandeling moeilijk toe te passen op dikwandige werkstukken.
Afbeelding 4. Schematische weergave van de effecten van retrogressie en her-veroudering op de treksterkte van een legering zoals 7075.
Afbeelding 5. 7xxx legeringen - DCB (Double Cantilever Beam)q monsters, korte-dwarsrichting van matrijssmeedstukken en plaat, wisselende dompeltesten.
Andere wijzigingen samenstelling
Er zijn andere wijzigingen aangebracht in de samenstelling. Een voorbeeld daarvan is reductie van de niveaus onzuiverheden ijzer en silicium in legeringen zoals 7075 (Fe + maximaal 0,90% Si) tot een gecombineerd maximum van 0,22% in de hoog-zuivere legering 7475. Legering 7475 heeft ook een mangaangehalte dat is gereduceerd van maximaal 0,30% tot maximaal 0,06%, terwijl het gehalte aan andere legeringselementen in essentie hetzelfde is als die van 7075. Afmetingen en aantal intermetallische verbindingen die scheuruitbreiding bevorderen zijn in 7475 sterk gereduceerd en voor overeenkomstige T375 warmtebehandeling en treksterkte eigenschappen kunnen de breuksterkte (K1c) waarden meer dan 50 MPa.m1/2 bedragen waar een typische waarde voor 7075 30 MPa.m1/2 bedraagt. Legering 7475 valt ongeveer 10% duurder uit maar wordt desondanks veel gebruikt in vliegtuigen.
Een andere modificatie bestond uit het gebruik van 0,08 - 0,25% zirconium als rekristallisatie inhibitor in plaats van chroom of mangaan, of in combinatie met kleinere hoeveelheden van genoemde elementen, teneinde de afschrikgevoeligheid te verlagen zodat lagere afschriksnelheden kunnen worden gebruikt. Een voorbeeld van een legering waarbij dat is gedaan is 7050.
De resultaten die zijn behaald bij het bestrijden van scheurvormende spanningscorrosie in legeringen uit de 7xxx reeks middels legeringsontwikkeling en wijzigingen in de warmtebehandeling kunnen worden bezien aan de hand van de resultaten zoals die zijn weergegeven op afbeelding 5. In tegenstelling tot de legeringen uit de 2xxx reeks, zijn de verbeteringen eerder afkomstig van grote veranderingen in de plateauwaarden voor scheurgroeisnelheid dan van verhoging van de drempelwaarde van de spanningsintensiteit die nodig is voor de initiatie van scheuren.
Voor zover andere eigenschappen betreft,verhoogt een tweevoudige verouderingsbehandeling ook de weerstand van 7xxx legeringen tegen exfoliatie corrosie (T76 toestand) hoewel de vermoeiingseigenschappen weinig veranderen. Toepassing van een thermo-mechanische behandeling van 7xxx legeringen kan leiden tot een verbetering van 20% van hetzij de sterkte zonder verlies aan taaiheid, of van de taaiheid bij een gegeven spanningsniveau.