Improvement of the corrosion and fatigue properties of 7xxx-aluminum alloys by designing of the microstructure
Final Report Abstract
In dem vorangegangenen Projekt konnte die hervorragende Festigkeit der Legierungen 7020 und 7021 mit einer deutlich gesteigerten Duktilität verknüpft werden. Dies ermöglicht einen Einsatz z.B. in Crash-Strukturen. Allerdings sind neben den mechanischen Eigenschaften die Dauerfestigkeitseigenschaften und die Korrosionseigenschaften für den Einsatz im Flugzeug-, Schiff- und Automobilbau von Bedeutung. Daher sollten in dem vorliegenden Projekt, unter Beibehaltung der in den Vorarbeiten erreichten mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die Ermüdungseigenschaften verbessert werden. Dafür wurden zwei neue Ansätze vorgeschlagen, deren Ergebnisse im vorliegenden Bericht vorgestellt wurden. Zunächst lassen sich die Ergebnisse für die Legierung 7020 wie folgt zusammenfassen und beurteilen: Durch die neuen Ansätze 1 und 2 wurden die mechanischen Eigenschaften gegenüber den Vorarbeiten auf dem gleichen hohen Niveau gehalten. Sowohl die Druckversuche als auch die Zugversuche zeigten an ausgewählten Zuständen, dass die Festigkeit und die Duktilität mit den Ergebnissen aus den Vorarbeiten auf einem Niveau liegen, d.h. die hohe Festigkeit bei hervorragender Duktilität bleibt erhalten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Ermüdungseigenschaften, überprüft durch Schwingversuche, für den dreistufigen Wärmebehandlungsansatz 2 mit den Vorarbeiten übereinstimmen. Bzgl. der elektrochemischen Korrosionseigenschaften konnte über die Aufnahme von Stromdichte-Potential-Kurven gezeigt werden, dass der 2. Ansatz über bessere Korrosionseigenschaften verfügt als der PA-Ausgangs-Zustand aus den Vorarbeiten, d.h. die Korrosionsbeständigkeit konnte gesteigert werden. Es konnte weiter gezeigt werden, dass die Korrosionsbeständigkeit gemäß den Stromdichte-Potential-Kurven vergleichbar mit dem OA-Ziel-Standard ist. Dieser Zustand wurde als Standard/Ziel festgelegt, da es sich laut Literatur um den Zustand mit der höchsten Beständigkeit gegenüber Korrosion bei 7xxx Legierungen handelt. Dieser OA-Zustand ist gleichbedeutend dem Standard, den jede korrosionsverbessernde Wärmebehandlung in der Industrie anstrebt. Die Überprüfung der Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit erfolgte über Slow-Strain- Rate-Tests (SSRT). Dabei zeigte sich, dass die Ansätze 1 und 2 die SpRK-Beständigkeit erhöhen. Dabei ist im Detail erkennbar, dass der 2. Ansatz die elektrochemische Korrosionsbeständigkeit besonders und die SpRK-Beständigkeit leicht verbessert. Der 1. Ansatz verbessert hingegen ausschließlich die SpRK-Beständigkeit. Als optimale Wärmebehandlungsparameter sollte daher die dreistufige Wärmebehandlung aus Ansatz 2 genutzt werden. Diese führt zu einer korrosionsbeständigen Korngrenzenbelegung aus großen und weit entfernten η´-/η-Ausscheidungen, sodass schwerer Korrosionskanäle gebildet werden können. Die Berücksichtigung einer niedrigen Temperatur in der dritten Stufe führt zudem zu einer Reduktion der PFZ-Breite, was zudem die elektrochemische Stabilität der Korngrenze erhöht. Daher war die Wärmebehandlung bei 130° C über 40 Minuten und 90° C über 8 h und 115° C über 32 h eine zielführende Kombination. Diese Wärmebehandlung nach Ansatz 2 erhält sowohl die hohe Festigkeit bei hervorragender Duktilität aus den Vorarbeiten als auch steigert sie die Korrosionsbeständigkeit deutlich. Ferner bleiben die Ermüdungseigenschaften unverändert. Damit ist gezeigt, dass für die Legierung 7020 mittels der Wärmebehandlung gemäß Ansatz 2 die Zielsetzung des Projektes erreicht ist. Für die Legierung 7021 lassen sich die Ergebnisse wie folgt zusammenfassen und beurteilen: Auch für die Legierung 7021 wurden durch die neuen Ansätze 1 und 2 die mechanischen Eigenschaften gegenüber den Vorarbeiten auf einem Niveau gehalten. Sowohl die Druckversuche als auch die Zugversuche zeigten an ausgewählten Zuständen, dass die Festigkeit und die Duktilität mit den Ergebnissen aus den Vorarbeiten auf einem Niveau liegen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Ermüdungseigenschaften, überprüft durch Schwingversuche, für Ansatz 2 mit den Vorarbeiten übereinstimmen. Bezüglich der elektrochemischen Korrosionseigenschaften konnte über die Aufnahme vom Stromdichte- Potential-Kurven gezeigt werden, dass die Ansatz 1 und 2 zu keiner Verbesserung der elektrochemischen Korrosionseigenschaften führten. Die Überprüfung der Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SpRK) erfolgt auch bei der Legierung 7021 über SSRT-Versuche. Auch bei der Legierung 7021 führt der 2. Ansatz zu einer deutlichen Verbesserung der SpRK-Beständigkeit. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus den Vorarbeiten wurden ebenfalls erreicht. Damit wurden sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Korrosionseigenschaften, bei gleichbleibenden Ermüdungseigenschaften, optimiert. Die Zielsetzung ist damit, wie bei der Legierung 7020, erfüllt und auch bei der Legierung 7021 bietet sich Ansatz 2 als neue Wärmebehandlungsroute an.
