Weldability of high-strength aluminium alloys for aerospace applications

Abstract

Hoch-feste Al-Zn-Mg-Cu Legierungen sind für Luftfahrtwendungen interessant, um strukturelle und wirtschaftliche Vorteile für integrale, geschweißte Flugzeugrumpfstrukturen zu realisieren, sofern eine ausreichende Schweißbarkeit nachgewiesen werden kann. Die Zugabe von Scandium (Sc) ist ein vielversprechender metallurgischer Ansatz, um eine Reihe von Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit, Korrosion und Schweißbarkeit in verschiedenen Aluminium-Legierungssystemen zu verbessern. Die Anwendbarkeit dieser potentiellen Vorteile auf hoch-feste Luftfahrtlegierungen der 7XXX Aluminiumserie steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit und zielt hauptsächlich auf die Untersuchung der technologischen und metallurgischen Einflüsse einer Sc-Zugabe zum Grundwerkstoff und/oder Schweißzusatzwerkstoff und dessen Auswirkungen hinsichtlich Schweißbarkeit. Sieben experimentelle Al-Zn-Mg-Cu-(Cr)-(Mn)-Zr-(Sc) Legierungen wurden erfolgreich in industriellem Maßstab zu stranggepressten Profilen verarbeitet.<br />Lichtmikroskopie, TEM, SEM, EPMA, (Mikro-) Härte, elektrische Leitfähigkeit, Zug- und Kahn-tear Versuch, sowie Untersuchungen hinsichtlich Heißrissverhalten, Schichtkorrosion und Spannungsrisskorrosion wurden durchgeführt, um Mikrostruktur und wesentliche technologische Eigenschaften der Halbzeuge und laserstrahlgeschweißten Verbindungen in verschiedenen Zuständen zu untersuchen. Die hohe Empfindlichkeit von Schweißverbindungen aus 7XXX Aluminiumlegierungen hinsichtlich SCC und Mangel an technologisch vertretbaren Ansätzen, diese Einschränkung aufzulösen führt zur abschließenden Empfehlung, hoch-feste Al-Zn-Mg-Cu Legierungen für laserstrahlgeschweißte Flugzeugrumpfstrukturen nicht vorzusehen.<br />

High-strength Al-Zn-Mg-Cu type alloys are of interest to aerospace industry as a means of adding structural and economical benefits to integral, fusion welded fuselage structures, if weldability is successfully demonstrated. The addition of Scandium (Sc) is considered as a promising metallurgical approach to improve a range of material properties such as strength, ductility, corrosion and weldability in various aluminum alloy systems. The applicability of these potential benefits to high-strength, aerospace type 7XXX series aluminum alloys has been in focus of present investigation and aimed primarily at investigating the technological and metallurgical influence of a Sc-addition to base and/or filler metal on laser beam weldability.<br />Seven experimental Al-Zn-Mg-Cu-(Cr)-(Mn)-Zr-(Sc) type alloys have been successfully produced into extruded shapes of commercial meaningful scale. Optical microscopy, TEM, SEM, EPMA, (micro-) hardness, electrical conductivity, tensile and Kahn-tear testing, hot cracking assessment as well as investigation of exfoliation corrosion and stress corrosion cracking have been performed to characterize the microstructures and main technological properties of the semi-products and laser beam welded joints in various conditions. The high sensitivity of weldments comprising 7XXX series alloys towards SCC and lack of technologically viable solutions to resolve this problem leads to the final conclusion that laser beam welded joints made of high strength Al-Zn-Mg-Cu type alloys are not recommended for aircraft fuselage structures.