型材的热处理方法、用于型材热处理的装置及型材.pdf

本发明首先涉及用于型材(1，26)特别是航空器用挤出型材的热处理的方法。再者，本发明涉及用于该型材(1，26)的热处理的装置。此外，本发明涉及通过根据本发明的方法进行热处理的该型材(1，26)。在此，型材(1，26)可以由一种或更多种不同的特别是可硬化的铝合金形成。根据本发明的方法提出使型材(1，26)的至少两个区域(2，3，37，38)经历不同的热处理。用于实施根据本发明的方法的装置的特征在于第一室(17)包围型材(1，26)的第一区域(2，37)并且第二室(18)包围型材(1，26)的第二区域(3，38)，其中可以在所述第一和第二室(17，18)中设定不同的温度。通过根据本发明的方法或者利用根据本发明的装置生产的型材(1，26)包括分别具有不同的材料特性的通过不同的热处理形成的至少两个区域(2，3，37，38)。

1.  一种用于型材(1，26)特别是航空器用挤出型材的热处理的方法，其特征在于，所述型材(1，26)的至少两个区域经历不同的热处理。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一区域(2，37)经历根据第一温度进程(8)的热处理，并且第二区域(3，38)经历根据第二温度进程(9)的热处理。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在经过第一预处理阶段(10)之后，所述型材(1，26)的第一区域(2，37)经历第一温度(14)持续第一暴露时间(13)，以特别是影响所述型材(1，26)的抗腐蚀性和/或断裂韧性。

4.  根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在经过所述型材(1)的第二预处理阶段(11)之后，所述第二区域(3，38)经历第二温度(16)持续第二暴露时间(15)，以特别是影响所述型材(1，26)的机械强度。

5.  根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一温度(14)高于所述第二温度(16)，和/或所述第一暴露时间(13)长于所述第二暴露时间(15)。

6.  根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一和第二预处理阶段(10，11)期间，预处理温度(12)作用在所述第一和第二区域(2，3，37，38)二者上，其中所述第一预处理阶段(10)短于所述第二预处理阶段(11)。

7.  根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述型材(1，26)由铝合金特别是可硬化的AlZnMgCu合金制成。

8.  根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述型材(1，26)至少局部由至少两种不同的特别是可硬化的铝合金制成。

9.  根据权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，利用热可接合铝合金特别是AlZnMg合金形成所述第二区域(3，38)，并且利用非热可接合铝合金特别是AlCuMg合金形成所述第一区域(2，37)。

10.  一种用于型材(1，26)特别是航空器用挤出型材的热处理的装置，其特征在于，第一室(17)包封所述型材(1，26)的第一区域(2，37)，并且第二室(18)包封所述型材(1，26)的第二区域(3，38)，其中可以在所述第一和第二室(17，18)中建立不同的温度(24，25)。

11.  根据权利要求10所述的装置，其特征在于，利用气体和/或液体介质特别是空气来加热所述第一和第二室(17，18)。

12.  根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述第一和第二室(17，18)特别通过纵向开槽软管(19，20)形成，所述软管可沿所述型材(1，26)的纵轴(5，30)和/或平行于所述型材(1，26)的横轴(21)施加在所述型材上，以产生自封闭的所述第一和第二室(17，18)。

13.  根据权利要求10～12中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和第二室(17，18)的纵向边缘(23)大致在所述第一和第二区域(2，3)之间的边界区(4，22)中相互邻接，从而在所述第一和第二区域(2，3，37，38)中实现差别热处理。

14.  一种型材(1，26)，特别是航空器用挤出型材，其特征在于，所述型材(1，26)包括通过差别热处理形成的具有各自不同的材料特性的至少两个区域(2，3，37，38)。

15.  根据权利要求14所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1)包括具有提高的抗腐蚀性和/或断裂韧性的第一区域(2，37)。

16.  根据权利要求14或15所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1，26)包括具有提高的静态强度的第二区域(3，38)。

17.  根据权利要求14～16中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述第一和第二区域(2，3，37，38)基本平行于所述型材(1，26)的纵轴(5，30)而相互邻接。

18.  根据权利要求14～17中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1，26)由铝合金特别是可硬化的AlZnCu合金制成。

19.  根据权利要求14～18中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1，26)由至少两种不同的特别是可硬化的铝合金制成。

20.  根据权利要求14～19中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述第二区域(3，38)由热可接合铝合金特别是AlZnMg合金制成，并且所述第一区域(2，37)由非热可接合铝合金特别是AlCuMg合金制成。

21.  根据权利要求14～20中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1，26)是直线型的和/或弯曲型的。

22.  根据权利要求14～21中任一项所述的型材(1，26)，其特征在于，所述型材(1，26)具有开放的截面几何形状。

型材的热处理方法、用于型材热处理的装置及型材
本发明首先涉及型材特别是航空器用挤出型材的热处理方法。此外，本发明涉及用于型材特别是航空器用挤出型材的热处理的装置。最后，本发明涉及型材，特别是航空器用挤出型材。
挤出型材，特别是由可硬化铝合金形成的挤出型材，由于具有所需的高机械负载能力而被广泛应用于航空器结构中。持续的减重需求正在对铝合金制型材的静负载能力和其它机械参数提出日益提高的要求。
例如，已知的处理方法可以特别优化由可硬化铝合金制成的型材的最大静态强度或抗腐蚀性。所述处理方法实现了所用铝型材的可实现的最大断裂韧性。然而，基本上不可能使静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性同时最大化，这是因为这些材料特性中的每一项只能在牺牲至少一项其它材料特性的情况下被优化至理论最大值。例如，这意味着由可硬化铝合金制成的挤出型材或者表现出非常高的静态强度，或者表现出关于抗腐蚀性和/或断裂韧性的非常有利的特性。一般不能够使用已知的处理方法通过使静态强度和抗腐蚀性二者以及断裂韧性实现在单独优化型材的单一参数期间所能实现的有利值的方式而针对型材的材料特性来优化型材。
这是因为已知方法涉及使由可硬化铝合金制成的挤出型材经历基本相同的处理步骤，因此它们整体上表现出与区域无关的大致相同的材料特性。因此，铝型材不能利用已知方法自动进行针对静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性的有针对性的区域优化。
本发明的一个目的是提供用于局部优化型材特别是航空器用挤出型材的几个机械参数的方法和装置。本发明的另一目的是提供一种型材，特别是挤出型材，其表现出在至少两个区域中各自得到优化的不同机械特性。这些机械特性尤其涉及静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性。
通过具有权利要求1中特征的方法、具有权利要求10中特征的装置和根据权利要求14的型材来实现上述目的。
因为根据权利要求1，型材的至少两个区域经历不同的热处理，因此在这些区域中可以产生并优化不同的材料特性，尤其是静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性。
在此，根据本发明的方法可用于局部优化整体由铝合金制成的型材特别是航空器用挤出型材的不同材料特性。作为替代方案，该方法也可以用于优化由两种或更多种不同的铝合金制成的型材。例如，这种型材可利用由两种不同铝合金构成的模制品通过共挤出方法制造。
根据权利要求10，第一室包围型材的第一区域，而第二室包围型材的第二区域，其中在第一和第二室可以设定不同的温度，因而可以在所述区域中产生和优化不同的材料特性。
根据权利要求14，型材具有通过差别热处理形成并且表现出不同的材料特性的至少两个区域，因此可以将根据本发明的型材应用于型材必须同时满足不同需求(例如静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性)的应用。在此，所述型材优选至少局部表现出不同的分别优化的材料特性。
在本发明的另一有利的实施方案中，型材由铝合金制成，特别是可硬化的AlZnCu合金。即使使用整体仅由一种铝合金构成的型材特别是航空器用挤出型材时，也可以产生具有不同材料特性例如静态强度、断裂韧性和抗腐蚀性的区域。同时，所述型材表现出局部优化的材料特性。
在本发明的又一有利的实施方案中，型材由至少两种不同的特别是可硬化的铝合金制成。通过额外使用至少两种具有不同组成的铝合金来制造型材，可以与差别热处理协同而产生或优化型材内的各区域，所述区域的材料特性例如静态强度、断裂韧性或抗腐蚀性甚至彼此更强地不同。
根据本发明的方法能够对具有可硬化铝合金的铝型材进行有利的处理，所述铝型材用作例如在航空器的机身单元中用于增强的框架。在朝向机身单元的外表面(外环(Auβengurt))取向的由型材形成的框架的第一区域中，型材经历基于根据本发明的方法的热处理，这种热处理适合于在该区域中产生所期望的高静态强度，但损失断裂韧性和/或抗腐蚀性。
相反，根据本发明的方法可用于朝向机身单元内部(内环(inner belt))取向的型材的第二区域中，以使该型材经历另一合适的热处理，该热处理能够实现高抗腐蚀性和/或断裂韧性，但同时产生降低的静态强度。结果，可以有针对性地设定和优化框架的内环区域中所期望的铝型材特性，至少在所述合金所规定的限度内。
因此，根据本发明的方法能够实现简单且成本有效的铝型材制造，所述铝型材在不同区域具有不同的且通常至少部分相互排斥的材料特性。根据本发明的方法使得可以将特别是由铝合金制成的挤出型材用于具有最不同的材料需求的应用中，其中所述型材可整体仅由单一合金制成。
根据本发明的方法的有利用途的另一例子涉及具有铝合金的挤出型材，其例如用于航空器中以固定座椅或座椅列(座椅固定导轨(Sitzschienen))。这种铝型材的下部区域用于形成机舱地板，因此必须表现出高静态强度，因为它们是整个机身单元静力学的组成部分并且必须吸收显著的力。相反，其上固定座椅或座椅列的铝型材的上部必须特别表现出高抗腐蚀性和断裂韧性。现在，根据本发明的方法可以处理由可硬化铝合金制成的挤出型材，使得所述座椅固定导轨的不同区域中对材料的这些不同需求可以用一种相同的挤出型材来满足。这产生显著成本节约和重量减轻。
在此，根据本发明的方法不限于使用整体由铝合金构成的型材。
作为替代方案，例如也可以在型材挤出工艺中使用两种不同的铝合金来制造用于座椅固定导轨的挤出型材。这可以例如通过所谓的共挤出工艺来完成，其中将由两种不同的铝合金构成的模制品挤压通过口模，所述口模的几何形状大致对应于相应型材截面的几何形状。例如，这使得可以将具有高抗腐蚀性和断裂韧性的可硬化铝合金用于座椅固定导轨的上部区域。可将具有另一组成和高静态强度的可硬化铝合金用于下部区域。因此，根据本发明的差别热处理方法可以针对所期望的材料特性甚至进一步优化这些不同的合金区域。
其它权利要求描述了本发明的其它有利的实施方案。
在附图中：
图1示出型材的截面图，所述型材由可硬化铝合金构成并且经历利用根据本发明的方法的差别热处理。
图2示出涉及示例性的时间/温度进程的根据本发明的方法的基本过程。
图3示出用于实施根据本发明的方法的装置的示例性实施方案。
图4示出制造由两种不同铝合金构成的型材的示意图。
图1示出经历利用根据本发明的方法的差别热处理的型材1的截面图。型材1是整体由可硬化铝合金制成的尤其是航空器用挤出型材。所述铝合金例如可以由已知的铝-锌-铜系统构成。在本发明的尤其优选的实施方案中，型材1利用AlMgSiCu、AlCuMg或AlZnMgCu合金制成。也可以由其它合金系统制成，尤其是可通过热处理硬化的那些合金系统。此外，型材1也可以由上述合金系统的至少局部组合制成。
型材1具有第一区域2和第二区域3。第一区域2和第二区域3通过大致平行于所示型材1的示例性实施方案中的纵轴5延伸的边界区4而分离。边界区4大致穿过型材1的中部。边界区4是过渡区，其中由于差别热处理所导致的区域2、3的不同材料特性至少部分相互融合。区域2、3之间在材料特性方面的确切区分在技术上和物理上是不可能的。与示例性实施方案中所示的第一区域2和第二区域3的图像不同，区域2、3的任意几何构型以及边界区4的任意行进都是可能的。此外，区域2、3不必基本关于型材1的纵轴5对称排列。此外，具有任意的偏离的截面几何形状的型材可以具有表现不同材料特性的区域2、3。
例如，图1所示的型材1被用作用于增强航空器机身单元结构的航空器构造中的圆框架。型材1具有用于连接机身单元的形成所谓“外环”的腿6。腿6用于建立与机身单元的纵向加固体(Langsversteifungen)的力传递连接。型材1的反侧具有邻接表面()7以形成所谓“内环”。其中，邻接表面7用于在机身单元内部将其它部件固定至航空器结构。
在外环区域中，即在型材1的第二区域3中期望的是表现出相对于第一区域2提高的静态强度。然而，静态强度只能通过断裂韧性和/或抗腐蚀性的劣化而得到提高，但这在外环区域中是可接受的。
相反，在型材1的内环区域中，即在第一区域2中，期望的是实现高断裂韧性和/或抗腐蚀性。然而，这种致力获得的材料特性组合只能以较低静态强度为代价获得。
为了在整体由可硬化铝合金制成的型材1中实现上述特性组合，使第一区域2和第二区域3根据本发明分别经历不同的热处理。因此，第一区域2中的型材1尤其表现出高抗腐蚀性和/或断裂韧性，而第二区域3优选表现出高静态强度。
如基于使用型材1作为航空器构造的圆框架的例子所示，根据本发明的型材1表现出局部变化的材料特性，例如静态强度、断裂韧性和/或抗腐蚀性。这可以产生显著重量减轻和成本节约的效果，因为具有局部变化的材料特性的型材的产生使得不再绝对需要由不同材料的组合构成，尤其是由组成不同的可硬化铝合金的组合构成。同样，该方法也可以用于由不同铝合金构成的型材。在这种情况下，由于不同的铝合金导致的复合型材的机械参数的差异可以甚至进一步通过根据本发明的差别温度处理而得到优化。
与图1所示的直线形状的实施方案不同，型材1至少截面也可表现出弯曲或曲折的几何形状。例如，在型材1将被用作圆框架等的情况下，需要这种几何形状。相反，例如在型材1用作座椅固定导轨等的情况下，需要基本直线形状的型材1。此外，型材1优选具有开放的截面几何形状。在此，开放的截面几何形状是指具有不是在所有侧边被包封的截面表面的型材1。
图2示出示意性描绘根据本发明的方法的进程的时间-温度图，所述方法基于示例性实施方案用于对型材1的第一和第二区域2、3进行不同的或差别的热处理。在该示例性实施方案中还假定型材1整体由可硬化铝合金构成。
图的y轴表示在型材的各个区域2、3中使用的温度，而x轴表示时间。第一温度-时间进程8表示在第一区域2中根据本发明的差别热处理过程中温度作用的示例性进程。以虚线显示的第二温度进程9表示在第二区域3中的温度作用的相应时间进程。不同的热处理在图2所示的示例性实施方案中同时进行，但也可以在时间上交错地进行。原则上必须注意到，在较高温度下暴露较长时间通常改善相应区域的抗腐蚀性和/或断裂韧性，同时这种增加通常伴随着静态强度的劣化。
在两个预处理阶段10、11的过程中，第一区域2和第二区域3均首先暴露于预处理温度12下。预处理阶段10、11在持续时间上不同。在图2所示的示例性实施方案中第二预处理阶段11的持续时间长于第一预处理阶段10的持续时间。在图2中绘制的预处理阶段10、11的区域中的温度进程8、9在温度轴方向上相对于彼此略微移动仅是为了改善图形清晰度。对于每一区域2、3，预处理温度10基本相同。
无论区域2、3，预处理阶段10、11特别用于首先使整个型材1的强度在合金所规定的限度内最大化。与图2所示的示例性实施方案不同，可以为第一和第二区域2、3选择不同的相应预处理温度12，其持续时间与预处理阶段10、11的持续时间相同或不同。例如，在型材由两种组成不同的铝合金构成的情况下，这种方法是有利的。在对于整体由一种铝合金构成的型材特别有利的方式中，在预处理阶段10、11或所谓的初步储存阶段，将第一和第二区域2、3在测量为约120℃或393K的预处理温度12下暴露。由至少两种不同的铝合金构成的型材可能需要取决于所用合金系统而偏离上述值的值，该值并且在一定条件下甚至是局部变化的。
在涉及第一和第二区域2、3的实际差别热处理的阶段中，区域2、3分别经历不同的温度进程8、9。在第一暴露时间13期间，第一区域经历第一温度14。第二区域3相应地在第二暴露时间15期间暴露于第二温度16。根据本发明，第一温度14高于第二温度16，并且第一暴露时间13长于第二暴露时间15。
在一个特别优选的根据本发明的方法的示例性实施方案中，对于第一暴露时间13选择约8～12小时的值。对于第二暴露时间15选择约5～8小时的值。在此，第一温度14测量为约170℃或443K，而对于第二温度16选择约150℃或423K的值。
这种差别热处理在型材1的第一区域2中特别得到提高的抗腐蚀性和/或断裂韧性。相反，这种热处理在型材1的第二区域3中特别产生提高的静态强度。时间-温度进程8、9可偏离图中所示的梯形，并且产生几乎任意所需的恒定曲线，只要具有足够的温度差即可。
因此，根据本发明的方法可以在型材1的第一和第二区域2、3中产生各自不同的材料特性，即使型材1整体由基本均质的铝合金构成也是如此。特别地，这些材料特性涉及静态强度、断裂韧性和/或抗腐蚀性。
作为替代方案，根据本发明的方法也可以用于差别热处理由两种或更多种不同铝合金构成的型材。在此，由相同的铝合金构成的区域优选也经历相同的温度处理和相同的温度进程。然而，这些由相同铝合金构成的型材区域也可以经历差别热处理。上述温度范围和暴露持续时间可能得依赖于所用不同合金系统而变化。
使用组成不同的铝合金生产型材1能够实现在型材的各自不同区域中甚至更大差别地形成不同的材料特性，尤其是关于静态强度、断裂韧性和腐蚀速率。
最后，图3示出对于具有第一区域2和第二区域3的型材1实施根据本发明的方法的装置实施例。第一区域2被所有侧封闭的第一室17包封，第二区域3被所有侧封闭的第二室18包封，使得第一区域2和第二区域3可以分别经历不同的即差别的温度处理。例如，室17、18可由伸长的纵向开槽的软管状结构构成，尤其是采取耐热管19、20等的形式。在已经引入相应的纵向槽之后，将整个软管19、20沿纵轴5和/或沿横轴21方向推到或压到型材1的相应区域2、3上。软管19、20的纵向边缘23在边界区22中大致相互邻接或与型材1邻接，由此在室17、18之间形成几乎完全密封。
可以在第一室17内建立和维持第一温度24，可以在第二室18内建立和维持第二温度25。优选设定温度24、25不同。对于主要的温度差，通常可以忽略由于边界区22中的泄漏和/或在型材1的区域2、3之间可能的传热过程而在第一区域2和第二区域3之间出现的可能的热补偿过程。
主要是液体和/或气体介质，例如热空气，适合用于尽可能精确地加热室17、18。在此，热空气由未具体示出的装置产生，例如可电加热的热空气风箱等。室17、18还引入了未具体示出的温度传感器，从而可以利用控制和调节装置(也未示出)来维持室17、18内的温度24、25尽可能接近由温度进程8、9所规定的值。在此，控制和调节装置可设计为例如已知的计算机单元。
在图3中没有具体示出的密封装置也可以设置在软管19、20的纵向边缘23上，从而进一步改善第一室17和第二室18之间以及与型材1之间的密封效果。该密封装置可以采取密封唇形式，例如，其可以通过在纵向边缘23区域软管19、20上的压平(Abflachungen)来引入。作为替代方案，单独的密封装置可以置于纵向边缘23的区域中。
为了处理型材1或对型材1实施根据本发明的方法，根据预定的时间温度进程8、9使型材1在装置内保持总共至多12小时，包括预处理阶段10、11的持续时间。
在装置的替代实施方案中，软管19、20可以在型材1上方或下方沿纵向边缘23相连。在该实施方案中，软管19、20可以在外纵向边缘区域中分开和重新连接，以确保它们可以连接至型材1。
图4示出由第一和第二合金区域27、28构成的型材26的示例性实施方案，其中合金区域27、28分别由组成不同的可硬化铝合金构成。合金区域27、28在边界区29中相互邻接。两种合金在边界区29中至少部分互混，使得材料特性在该区域中至少部分混合。边界区29大致平行于纵轴30延伸。
例如，在所示的示例性实施方案中，通过将圆柱型模制品31在高压下沿箭头32、33的方向挤压通过口模34来制造型材26。口模34的开放几何形状大致对应于待压制的型材26的截面几何形状。模制品31由相互叠置的半圆柱体35、36构成。在口模34内的高压使得在产生的型材26的边界区29中的合金区域27、28之间产生牢固连接。在此，半圆柱体35、36分别由组成不同的铝合金构成，因而合金区域27、28分别表现出相应不同的材料特性。上述材料特性尤其是指型材26的机械强度、断裂韧性、抗腐蚀性和热接合能力。用于产生半圆柱体35、36的材料尤其为可硬化铝合金，例如AlMgSiCu、AlCuMg和AlZnMgCu系统。
作为替代方案，型材26也可以利用已知的接合方法例如焊接、磨擦/搅拌焊接等通过接合由不同的铝合金构成的已挤出型材来形成。
型材26接着经历符合上述方法的差别热处理或经历在上述装置中的处理。在此，由相同铝合金构成的区域优选也经历相同的温度处理。在图4所示的示例性实施方案中，这意味着合金区域27、28同时形成对应于如上所述已经经历基于温度进程8、9利用根据本发明的方法的差别热处理的区域2、3(具体参见图1和2)的第一和第二区域37、38。
然而，作为替代方案，由相同的各铝合金构成的区域也可以经历不同的或差别的热处理。在这种情况下，区域27、37或28、38不(再)完全重合。
其本身或与根据本发明的方法组合，使用由至少两种组成不同的铝合金构成的型材1、26能够实现甚至比在使用仅由单一铝合金构成的型材的情况下更大程度上形成局部不同的材料特性。最后，也可以使用多于两种的不同铝合金来生产型材26。
1      型材
2      第一区域
3      第二区域
4      边界区
5      纵轴
6      腿
7      邻接表面
8      第一温度进程
9      第二温度进程
10     第一预处理阶段
11     第二预处理阶段
12     预处理温度
13     第一暴露时间
14     第一温度
15     第二暴露时间
16     第二温度
17     第一室
18     第二室
19    软管
20    软管
21    横轴
22    边界区
23    纵轴
24    第一温度
25    第二温度
26    型材
27    第一合金区域
28    第二合金区域
29    边界区
30    纵轴
31    模制品
32    箭头
33    箭头
34    口模
35    半圆柱体
36    半圆柱体
37    第一区域
38    第二区域