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La présente invention est relative a des alliages
à base d'Al, contenant du Li, du Mg et du Cu et possédant
des caractéristiques mécaniquès équivalentes à celles des
alliages d'aluminium a durcissement structural conventionnels
a moyenne résistance avec une densité diminuée d'au moins
9 % par rapport à ces alliages conventionnels.
Il est connu des métallurgistes que l'addition de
lithium diminue la densité et augmente le module d'élasticité
et la résistance mécanique des alliages d'aluminium. Ceci
explique l'intérêt des concepteurs pour ces alliages en w e
d~applications dans l'industrie aéronautique, et plus parti-
culierement, pour les alliages d'aluminium au lithium conte-
nant d'autres éléments d'addition tels que le magnésium ou le
cuivre. Toutefois, de tels alliages au lithium devront impe-
rativement posséder une ductilité et une ténacité au moinséquivalentes, a résistance mécanique égale, a celle des
alliages aéronautiques conventionnels tels que les alliages
2024-T4 ou T351, 2214-T6(51), 7175-T73 (51) ou T7652 et
7150-T651 (selon la nomenclature de l'Aluminium Association),
ce qui n'est pas le cas des alliages au lithium connus.
Dans le systeme Aluminium-Lithium-Magnésium, le
seul alliage industriel connu est l'alliage soviétique 01420,
de composition nominale (en poids %) : Li = 2,0 à 2,2; Mg =
5,0 ~ 5,4; Mn = 0 a 0,6; Zr = 0 a 0,15. Cet alliage confere
aux tôles minces et produits filés traités a l'état T6 (16 h
a 170C) des caractéristiques mécaniques de traction moyenne-
ment élevées (FRIDLYANDER et coll. Met. Science and Heat
Treatment n 3-4, Avril 1968, page 212 - Traduct. de Metalov.
i. Term. Obrab. Metallov n~ 3, page 5052, mars 1968) et
inférieures a celles des ailiages aéronautiques convention-
nels. Par ailleurs, l'étude des lois statistiques de modi-
fication de caractéristiques des alliages du systeme
Al-Li-Mg-Zr en fonction de leurs teneurs en Li et Mg (I.N.
FRIDLYANDER et coll. Zavod. Lab., juillet 1974, T7, page
- 1 - ~S
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847) montre qu'il n'est pas possible d'augmenter le com-
promis entre résistance mecanique et allongement de cet
alliage jusqu'au niveau des alliages aeronautiques classi-
ques, par diminution des teneurs en Lithium et en Magnésium.
Ces tendances sont confirmées par les résultats de SANDES
(rapport final NADC Contract n~ N 622 69-74-C-0438, juin
1976) montrant que le compromis entre limite élastique et
tenacité des produitc filés en alliages Al-Li-Mg est d'autant
plus éleve que la teneur en lithium et, dans une moindre
mesure, la teneur en magnésium sont faibles. En particulier,
les auteurs montrent que les alliages a teneurs globales en
lithium + magnesium elevees po.ssèdent a l'etat trempe-revenu
un compromis entre resistance mécanique, ductilité et ténacité
tres inférieur a celui des alliages conventionnels des séries
200.0 et 7000.
Plus récemment, les métallurgistes ont propose de
nouvelles compositions d'alliages aluminium-lithium au
cuivre (Cu = 1,5 ~ 3 %) et au magnesium (Mg = 0,5 a 1,4 %) a
faible densité et haute résistance mecanique. Il s'agit, en
particulier, de l'alliage expérimental F92 (specification
britannique DXXXA) de composition nominale (en poids %) :
Li = 2,5; Cu = 1,2; Mg = 0,7; Zr = 0,12, dont les compromis
de caracteristiques mecaniques types annoncees en 1983 par
British ALCAN sur tôles minces a l'état T8 (Rm = 500 MPa;
Rp 0,2 = 420 MPa; A = 6 %) et sur tôles epaisses a l'etat
T651 (Rm = 520 MPa; Rp 0,2 = 460 MPa; A = 7 ~) montrent que
cet alliage possede un compromis entre resistance mecanique
et ductilité encore inférieur a celui des alliages aeronauti-
ques des séries 2000 et 7000, comme tous les autres alliages
des svstemes AlLiCu et AlLiCuMg a teneur en lithium supérieure
a 2 % connus a ce jour.
Au cours d'essais métallurgiques, nous avons trouvé
et experimente de nouvelles compositions d'alliages indus-
triels du systeme Al-Li-Mg-Cu (+ Cr, Mn, Zr, Ti) plus perfor-
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mants que les alliages des systèmes AlCuMg (2024?, AlLiCu et
AlLiMg, et que les alliages connus du système AlLiCuMg, du
point de vue du compromis entre la résistance mécanique, la
densité et la résistance a la corrosion intergranulaire ou
feuilletante.
Ces nouveaux alliages selon l'invention ont les
compositions pondérales suivantes:
Li de 1,8 a 3,5 %
Mg de 1,4 a 6,0 % ~ avec Mg/Cu > 1,5
Cu de 0,2 a 1,6 % J
Fe < 0,20 %
Si < 0,12 %
Cr de 0 ~ 0,3 %
Mn de 0 ~ 1,0 %
Zr de 0 a 0,2 ~
Zn de 0 a 0,35 %
Ti de 0 a 0,1 ~
Be de 0 a 0,02 %
autres éléments (impuretés)
chacun < 0,05
total < 0,15 %
reste : aluminium.
La teneur en éléments principaux est de préférence
tenue individuellement ou en combinaison entre 2,3 a 3,3 pour
Li, 1,4 et 5 ~ pour Mg et 0,25 et 1,2 ~ pour Cu. La teneur
en Zr est de préférence comprise entre 0,08 et 0,18 %.
Pour obtenir un meilleur compromis, resistance
mécanique-densité, on doit de plus observer la relation sui-
vante:
% Li (~ Cu ~ 2) + % Mg = K
avec 8,5 ~ K ~ 11,5 et de préférence 9 < K < 11.
Les alliages selon l'invention possedent leur
niveau optimal de résistance et de ductilité apres des trai-
tements d'homogénéisation des produits coulés et de mise en
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solution des produits transformes comportant au moins un
palier à une temperature ~ (en C) de l'ordre de ~ = 535-5
(% Mg) pendant une durée suffisante pour qu'apres trempe, les
composes intermetalliques des phases quaternaires (AlLiCuMg)
detectables lors d'examen micrographique ou par microanalyse
electronique ou ionique (SIMS) aient une taille inferieure a
5 ~m. L'homogeneisation peut se faire dans un domaine de
temperature compris entre ~ + 10 (C) et ~ - 20 (C); la
mise en solution est de preference effectuee entre ~ ' 10C.
Les durees optimales de traitement thermique
d'homogéneisation à la temperature ~ sont de 0,5 à 8 heures
pour les alliages elabores par solidification rapide (atomi-
sation - splat cooling - ou tout autre moyen) et de 12 à 72
heures pour les produits moules ou elabores en coulee semi-
continue.
Ces alliages possedent leurs proprietes mecaniques
optimales après revenus de durees de 8 à 48 heures à des
temperatures comprises entre 170 et 220C et il est prefe-
rable de faire subir aux produits de forme adequate ~toles,
barres, largets) un écrouissage donnant lieu à une deformation
plastique de 1 à 5 % ~préférentiellement 2 à 4 %) entre trempe
et revenu, ce qui permet d'améliorer encore la résistance
mécanique des produits.
Dans ces conditions, les alliages selon l'invention
possedent une résistance mecanique supérieure à celle de
l'alliage AlLiMgMn 01420, ce qui ne permettait pas de prévoir
les resultats des etudes disponibles sur le systeme. Nous
avons constate que les alliages selon l'invention ont un
comprQmis entre caractéristiques mécaniques et densité supé-
rieur à celui des alliages AlLiCuMg connus (à faibles teneursen magnéslum). Ils possèdent aussi une résistance à la
corrosion intergranulaire ou feuilletante satisfaisante très
superieure à celle des alliages AlCuMg, AlLiCu et AlLiCuMg
connus.
-- 4 --
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Ces alliages sont donc particulierement interes-
sants pour la fabrication de demi-produits moulés ou corroyés
(élaborés par couIée semi-continue, atomisation ou solidifi-
cation rapide, etc...) qu'il s'agisse par exemple de produits
files, lamines, forgés ou matricés utilisés en particulier
dans les industries aéronautique ou spatiale.
En particuIier, il a été constaté de façon surpre-
nante que les alliages selon l'invention, tres chargés en Li
et Mg, etaient coulables sans difficulte majeure en coulee
semi-continue sous forme de billettes ou de plateaux de
format industriel ~absence de criques et de porosités).
L'invention sera mieux comprise et illustrée a
l'aide des exemples suivants:
EXEMPLES
Nous avons elaboré par coulee semi-continue des
billettes de diamètre 200 mm constituees d'alliages d'alumi-
nium aeronautiques de compositions connues et de différents
alliages au lithium selon l'invention. Ces billettes ont
subi des homogeneisations de longue duree à temperature
suffisante pour dissoudre la quasi-totalite des phases eutec-
tiques et transformées, apres écroûtage, en largets de
largeur 100 mm et d'epaisseur 13 mm.
Les largets ont subi une mise en solution dans les
conditions jugées optimales du point de vue de la dissolution
des phases riches en elements d'addition principaux (Li, Cu,
Mg, Zn), puis trempes a l'eau froide (20~C), avant de subir
une traction controlee a 2 % de déformation rémanente et
differentes températures de revenu en four ventilé pendant
une durée de 24 heures. Certains largets filés n'ont pas été
tractionnés entre trempe et revenu, de façon a mettre en
évidence l'influence de l'écrouissage entre trempe et revenu
sur les propriétés mécaniques.
Tous les largets ainsi fabriqués ont été caracté-
rises par essais de traction et mesure de densité. Des tests
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de sensibilité à la corrosion intergranuIaire selon la norme
AIR 9048 (immersion continue ~ heures en solution NaCl-H2O2)
et à la corrosion feuilletante selon le test EXCO (immersion
continue 96 heures selon la norme ASTM G 34-79) ont également
été effectues.
Le tableau I donne les compositions chimiques des
alliages mesurees par absorption atomique et spectrométrie
d'émission à etincelles, et leurs caractéristiques (coeffi-
cient K) par rapport aux domaines selon l'invention.
Le tableau II donne les caracteristiques mecaniques
de traction et la densité en fonction de la composition chi-
mique des largets, pour les differents traitements thermiques
effectués et le taux d'écrouissage entre trempe et revenu.
On donne la limite élastique (Rp 0,2), la charge de rupture
(Rm) et l'allongement à rupture (A %).
Le tableau III donne les resultats obtenus lors
des essais de corrosion.
Les resultats des tests de sensibilite à la corro-
sion intergranulaire et à la corrosion feuilletante effec-
tués, pour certains états de revenu à l'etat T651, montrent
que les alliages selon l'invention possèdent une resistance
améliorée a la corrosion par rapport aux alliages conven-
tionnels de la série 2000 et aux alliages au lithium connus,
qui sont moins charges en Mg.
L'ensemble des resultats obtenus montre donc que
les alliages selon l'invention possèdent des resistances
mécaniques de niveaux comparables à celles des alliages des
séries 2000 sans lithium actuellement utilisés dans l'aéro-
nautique, et supérieurs à ceux des alliages Al-Li-Mg connus
(par ex. alliage 01420) avec l'avantage d'une densité
nettement plus faible que celle des alliages conventionnels
et inférieure à celle des alliages au lithium connus des
systemes Al-Li-Cu, Al-Li-Cu-Mg. Ils montrent également
l'intérêt d'un écrouissage entre trempe et revenu sur les
propriétés mécaniques.
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TABLEAU I
Compositi.ons chimiques de m~plats filés en alliages conventionnels
et en alliages au Li connus et selon l'invention
.
. _ _
Référence Alliige . Composition chimique (teneurs ~onderales)
S Désignation Tgpe ..K. ' Li .Mg. Cu Zn Cr Mn Zr Ti Fe Si ,
2024 convent _ 0 1,33 4,38 _ _ 0,75 _ 0.02 0,18 0,09
7474 co~ve~t _ 0 2,36. 1,32 5,7 0,2.1 0,02 _ 0,02 0,09 0,06
01420 référ. _ 2,15 5,40 0 _ _ 0,20 _ 0,02 0,03 0,03
DTDXXXA référ... _ 2,28 0,75 1,32. _ _ 0,01 0,14 0,04 0,04 0,03
_ _ _ _
1 invent. ID,2 2,7 3,8 0,36 _ _ _ 0,10 0,03 0,02 0,02
2 invent. 9,9 3,1 1,9 0,58 _ _ _ 0,10 0,02 0,02 0,02
invent.. 10,5 3,2. 1,5 0,80 _ _ _ 0,10 0,02 0,02 0,02
4 hors ._ 3,0 4,5 0,02 ._ _ _ 0,f2 0,02 0,02 0,02 invent. _ _ _ _ _
: ~ - 7 -
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.
In ~ ~0 ~ 0~~DO00 00 00 00 00 .
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O~q~ ~CD r~ S ,C .~ S .C ,C .C 0
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TABLEAU III
Essais de corrosion
Tsux de Corrosion Corrosion
S A1Iiage traction Revenu intergranulaire~ feuilletante~
2024 2,.1 % T351 ~ I EB
DTDXXXA 3.5 %12 h - 190C I + P EB
_
l 2 %24 h - 170C P P
2 2 %24 h - 190C P P
2 ~24 h - 210C P (+ I)
* I corrosion intergranulaire marquée
(I) corrosion intergranulaire locale
p piqûreS
. EB corrosion feuilletante marquee
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