JP2012500330A - Tempering method of aluminum alloy - Google Patents
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Abstract
大きなアルミニウムリチウム合金製の構成部品に焼き戻しを施し、合金製構成部品に冷間加工を施す先行技術のステップを必要とすることなく、高い強度性能および応力腐食割れに対する耐性を達成する工程。工程は、2つの新規のソーキング期間の使用、および2つの個々のソーキング時間における新規の制御された温度選択の使用の他に、一方のソーキング時間から他方への温度低下を慎重に制御することにより、所望される材料特性を達成する。 A process that achieves high strength performance and resistance to stress corrosion cracking without the need for prior art steps of tempering large aluminum lithium alloy components and cold working alloy components. In addition to the use of two new soaking periods and the use of a new controlled temperature selection at two individual soaking times, the process carefully controls the temperature drop from one soaking time to the other. To achieve the desired material properties.
Description
本発明は、打ち上げロケットに用いられる金属製ドームおよび円錐型構成部品の製造に関し、特に、2195として知られるアルミニウムリチウム合金を用いて生産される構成部品の製造に関する。 The present invention relates to the manufacture of metal domes and conical components used in launch vehicles, and more particularly to the manufacture of components produced using an aluminum lithium alloy known as 2195.
2195というアルミニウムリチウム合金は、その低い密度、高い弾性率および同程度の強度、並びに望ましい極低温特性(cryogenic service properties)といった点において魅力的であることから、打ち上げロケットの用途に用いられる。この材料の工業ガイドラインに沿って構成部品が製造されると、2195アルミニウムリチウム合金は応力腐食割れ(stress corrosion cracking)に対する耐性をも備える。打ち上げロケットのペイロードのための質量が増大し続けるにつれて、この合金の燃料タンクや機体構造への使用がNASA(米航空宇宙局)およびその他の打ち上げロケット事業者から要求されるようになった。この要求に応じる際、2195合金を、その強度が最も高い状態で、且つ応力腐食割れに対する耐性を備えている状態で供給することが必要となる。 The 2195 aluminum lithium alloy is attractive for its low density, high modulus and comparable strength, and desirable cryogenic service properties, so it is used in launch vehicle applications. If the component is manufactured in accordance with the industry guidelines for this material, the 2195 aluminum lithium alloy is also resistant to stress corrosion cracking. As the mass for launch vehicle payloads continues to increase, the use of this alloy in fuel tanks and airframe structures has come to be required by NASA and other launch vehicle operators. In responding to this requirement, it is necessary to supply 2195 alloy in a state where its strength is highest and resistance to stress corrosion cracking.
この材料における高い強度性能および応力腐食割れに対する耐性を達成するため、製造業者は材料に対し、水中またはグリコール水溶液中での急冷がその後に続く溶体化処理を施す(solution heat treat)。急冷の後、材料は一様に冷間加工される。冷間加工工程は、典型的には1〜3%に制御された延伸作業である。冷間加工作業が完了すると、次いで、構成部品には人工時効(artificially aged)が施され、それにより、高い強度および応力腐食割れに対する高い耐性が達成される。熱処理および冷間加工のパラメータは既知であり、2195アルミニウムリチウム合金の理想状態を達成するための工業規格として規定されている。打ち上げロケットのタンクおよび構造的構成部品の幾つかにおいては、部品のサイズおよび幾何学的形状に起因して、2195アルミニウムリチウム合金において所望される特徴を達成するために必要となる冷間加工を一様に適用することが不可能である。金属へら絞り工程(metal spinning process)を用いて2195アルミニウムリチウムプレート/ブランクから生産される一体成形タンクのドームおよびコーンが、この分野に含まれる。これらの構成部品の製造において、現在の製造方法は不十分である。 To achieve high strength performance and resistance to stress corrosion cracking in this material, manufacturers apply a solution heat treat to the material followed by quenching in water or an aqueous glycol solution. After quenching, the material is uniformly cold worked. The cold working process is typically a stretching operation controlled to 1 to 3%. Once the cold work operation is complete, the component is then artificially aged, thereby achieving high strength and high resistance to stress corrosion cracking. The parameters of heat treatment and cold work are known and are defined as industry standards for achieving the ideal state of 2195 aluminum lithium alloy. In some of the launch vehicle tanks and structural components, due to the size and geometry of the parts, the cold work required to achieve the desired characteristics in the 2195 aluminum lithium alloy has been eliminated. Is impossible to apply. Included in this field are monolithic tank domes and cones produced from 2195 aluminum lithium plates / blanks using a metal spinning process. In manufacturing these components, current manufacturing methods are inadequate.
可能な解決方法の1つは、2195アルミニウムリチウム合金の高い強度および応力腐食割れに対する耐性を達成するために必要となる冷間加工を一様に適用することが可能な、金属へら絞り装置を製造することである。しかしながら、部品が比較的少量であることを考慮すると、金属へら絞りの製造業者がこの装置に投資することは考えにくい。また、工業データが引張り力を用いた冷間加工に基づいていることを考慮すると、金属へら絞りから発展した、圧縮力を用いた冷間加工が、所望される状態をもたらすかどうかについての疑問もある。この解決方法における、投資に対する好ましくない利益および疑わしい成功は、この方法を魅力のない選択肢としている。 One possible solution is to produce a metal spatula drawing device that can uniformly apply the cold work required to achieve the high strength and resistance to stress corrosion cracking of 2195 aluminum lithium alloy. It is to be. However, considering that the parts are relatively small, it is unlikely that a metal spatula manufacturer will invest in this device. Also, considering that industrial data is based on cold working using tensile force, the question of whether cold working using compressive force, developed from metal spatula, yields the desired state. There is also. The unfavorable return on investment and suspicious success of this solution make it an unattractive option.
これらの構成部品を製造し、高い強度および応力腐食割れに対する耐性を溶体化処理および急冷の後における冷間加工の追加を伴わずに達成する方法は、当該技術分野ではまだ知られていない。 It is not yet known in the art how to produce these components and achieve high strength and resistance to stress corrosion cracking without the addition of cold working after solution treatment and quenching.
本発明は、金属へら絞り工程および代替的な熱処理パラメータを用いてドームおよびコーンを製造する方法であり、部品が冷間加工された場合に達成されるのと同様の特性を、このステップが除かれた場合においても達成する。本方法の好適な実施形態は、2195アルミニウムリチウム合金製のドームおよびコーンを成形するステップおよび熱処理するステップを含む。 The present invention is a method of manufacturing domes and cones using a metal spatula drawing process and alternative heat treatment parameters, which removes similar characteristics to those achieved when parts are cold worked. To achieve even if A preferred embodiment of the method includes forming and heat treating a dome and cone made of 2195 aluminum lithium alloy.
本発明の1つの態様は、生産される部品の冷間加工を必要とする従来技術の方法を用いて得られるのと同様の有益な特性を達成するため、2195アルミニウムリチウム合金の処理方法を提供することである。 One aspect of the present invention provides a method for treating 2195 aluminum lithium alloys to achieve beneficial properties similar to those obtained using prior art methods that require cold working of the parts produced. It is to be.
本発明の別の態様は、製造するためにへら絞り技術を必要とする、極めて大きな部品に用いることが可能な、2195アルミニウムリチウム合金の処理方法を提供することである。 Another aspect of the present invention is to provide a method for treating 2195 aluminum lithium alloys that can be used on very large parts that require spatula drawing techniques to produce.
本発明のさらなる別の態様は、高い引張り強さおよび降伏強さを備える2195アルミニウムリチウム合金の処理方法を提供することである。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for treating 2195 aluminum lithium alloy with high tensile strength and yield strength.
本発明の別の態様は、応力腐食割れに対する高い耐性を有する2195アルミニウムリチウム合金の処理方法を提供することである。 Another aspect of the present invention is to provide a method for treating 2195 aluminum lithium alloy having high resistance to stress corrosion cracking.
最終的に、本発明の1つの態様は、既存の製造装置を用いて実現される性能パラメータを満たす打ち上げロケット用部品を提供する、2195アルミニウムリチウム合金の処理方法を提供することである。 Ultimately, one aspect of the present invention is to provide a 2195 aluminum lithium alloy processing method that provides a launch vehicle component that meets performance parameters achieved using existing manufacturing equipment.
本発明のこれらの態様が排他的であることは意図されておらず、以下の詳細な説明および図面と組み合わせて読めば、本発明の他の特徴、態様および利点が当業者には明らかになるであろう。 These aspects of the invention are not intended to be exclusive, and other features, aspects and advantages of the invention will become apparent to those skilled in the art when read in conjunction with the following detailed description and drawings. Will.
図1に示されるように、多段ロケット10の図は、本明細書において教示される方法を用いて作成されうる部品を有する典型的な構造である。ペイロード15は、ペイロードフェアリング構造(payload fairing structure)の内部に配置される。二段目のロケットエンジン17は、航行の最後の行程の間ペイロード15に動力を供給し、それにより、良好な軌道が達成される。ロケット10の一段目において、主タンク12および補助タンク14がドーム型の上部および底部16、18をそれぞれ有していることに留意されたい。これらのタンクは極めて大きい直径11を有しており、本発明を用いて製造されるのに特に適している。スラストコーン17(通常は複合材料である)もまた、本明細書に開示されている方法を用いて作成されるのに好適な構成部品である。
As shown in FIG. 1, the illustration of a
次に、図2を参照すると、2195アルミニウムリチウム合金に焼き戻しを施すための工程54を示すフローチャートが記載されている。出発原料形態(starting material form)20は、F状態として知られるミルテンパ(mill temper)にある。ステップ22において、材料プレート20には、2195アルミニウムリチウム合金の工業規格に従った焼き鈍しが施される。ステップ24において、ドームまたはコーンの成形がへら絞り工程によって行われる。ドームまたはコーンの成形は、ステップ26、28において、金属へら絞り工程および/または、米国特許6,199,419号明細書に開示されているように開発された引張り成形工程を用いて、華氏725度±25度という制御された温度で行われる。成形作業が完了すると、構成部品は、ステップ30に示されるように、2195アルミニウムリチウム合金の工業規格に再び従って溶体化処理され、水中またはグリコール水溶液中で急冷される。必要であれば、構成部品は、急冷によって生じる小さい歪みを除去するため、溶体化処理の後のステップ32で矯正(straighten)される。次いで、構成部品には、ステップ34で人工時効が施される。ステップ36では、構成部品の温度が華氏340度±5度に上昇される。次いで、構成部品には、32時間±5分の間、「ソーキング」(構成部品をその温度に保つことを意味する技術用語である)が施される。次いで、ステップ38では、構成部品の温度が、一時間あたり華氏45度の減少率で華氏250度±5度まで下げられる。次いで、構成部品には、ステップ40において、72時間±5分の間、「ソーキング」が再び施される。最終的に、ステップ42において構成部品は室温まで空冷される。上述したステップの完了後、構成部品の特性がステップ44以降で検査される。検査される種々のパラメータは、ステップ46における硬度、ステップ48における電気伝導性、本発明を実施する際における最低限であるステップ50、および最終的に、規定されるSCC検査であるステップ52である。
Referring now to FIG. 2, a flowchart is shown illustrating step 54 for tempering the 2195 aluminum lithium alloy. The starting
本発明を幾つかの好適な実施形態に関連して説明してきたが、その他の変形例は、本明細書に含まれる好適な実施形態に関する技術を有する当業者には明らかである。 Although the present invention has been described in connection with some preferred embodiments, other variations will be apparent to those skilled in the art with respect to the preferred embodiments contained herein.
Claims (15)
用いられる特定の合金における工業規格に従って、前記合金ブランクに焼き鈍しを施すステップと、
焼き鈍しが施された前記合金ブランクに対し、第1の制御された温度で熱間へら絞りを施して所望形状にするステップと、
用いられる特定の合金における工業規格に従って、前記所望形状を溶体化処理するステップと、
前記所望形状を液体中で急冷するステップと、
前記所望形状に対し、第2の制御された温度で第1のエージングを施すステップと、
前記所望形状に対し、第1の所定長さの時間で第1のソーキングを施すステップと、
前記所望形状の第2の制御された温度を、所定の減少率で第3の制御された温度まで下げるステップと、
前記所望形状に対し、第2の所定長さの時間で第2のソーキングを施すステップと、
前記所望形状を、室温に達するまで空冷するステップと
を含む、アルミニウム合金ブランクの焼き戻し工程。 A process for tempering an aluminum alloy blank to achieve high strength performance and resistance to stress corrosion cracking,
Annealing the alloy blank according to industry standards for the particular alloy used;
Applying a hot spatula to a desired shape at a first controlled temperature for the annealed alloy blank; and
Solution treating the desired shape according to industry standards for the particular alloy used;
Quenching the desired shape in a liquid;
Subjecting the desired shape to a first aging at a second controlled temperature;
Applying a first soak to the desired shape for a first predetermined length of time;
Lowering the second controlled temperature of the desired shape to a third controlled temperature at a predetermined reduction rate;
Applying a second soak to the desired shape for a second predetermined length of time;
Tempering the aluminum alloy blank, including air cooling the desired shape until it reaches room temperature.
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