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~26~L3
~ 1 --
La presente inventlon est relative à des alliages à base d'Al, contenant
essentiellement du Li, du Cu et du Mg et possedant de hautes caracteristi-
ques spécifiques et une ductilite elevee.
S Il est connu des métallurgistes que l'addition de lithillm diminue la den-
site et augmente le module d'élasticite et la resistance mécanique des al-
lia~es d'aluminium. Ceci explique l'intérêt des concepteurs pour ces al-
- liages en vue d'applicatihns dans l'industrie aéronautique, et plus parti-
culièrement, pour les alliages d'aluminium au lithium contenant d'autres
éléments d'addition tels que le magnesium ou le cuivre. Toutefois, de tels
alliages au lithium devront imperativement posseder une ductilite et une
ténacité au moins equivalentes, à resistance mecanique égale, à celle des
alliages aeronautiques conventionnels tels que les alliages 2024-T4 ou
T351, 2214T6(51), 7175-T73 t51) ou T7652 et 7150-T651 tselon la nomencla-
ture de l'Aluminium Association), ce qui n'est pas le cas des alliages aulithium connus.
Recemment, les metallurgistes o~t propose de nouvelles compositions d'al-
liages aluminium-lithium au cuivre et au magnesium à faible densite et
haute resistance mecanique specifique; il s'agit9 en particulier, des al-
- liages experimentaux faisant l'objet de la demande publiee de brevet europeen
; n 88511 qui revend~que les alliages de composition nQminale (en poids %):
~; Li = 2,0 à 2,8; Cu = 1,0 à 1,5; Mg = 0,4 à 1; Zr ~0,2; Mn~ 0,5; Ni~ 0,5;
~ Cr ~ 0,5. Les niveaux de resistance et d'allongement obtenus sur tôles minces
- à l'etat T8 et sur tôles epaisses à l'etat T651 sont toutefois encore infe-
rieurs a ceux des alliages aeronautiques des series 2000 à 7000, comme pour
les autres alliages des systemes AlLiCu e$ AlLiCuMg à teneur en lithium supe-
rieure à 1,7 ~ connus à ce jour, qu'il s'agisse de produits obtenus par me-
tallurgie du lingot (par exemple, en coulee semi-continue~ou par metallurgie
des poudres.
Au cours d'essais metallurgiques, nous avons trouve et experimente de nou-
velles compositions d~alliages industriels du systeme Al-Li-Mg-Cu (~ Cr,
Mn, Zr, Ti) plus performants que les alliages des systèmes AlLiCu et
~12~36~
-- 2
AlLiMg et que les alliages connus du système AlLiCuMg du
point de vue du compromis entre la résistance mécanique et
la ductilité.
Ces nouveaux alliages selon l'invention ont les
compositions pondérales suivantes:
Li 1,7 à 2,5%
Cu 1,5 à 3,4% ~ avec 0,5 ~ - ~ 0,8
Mg 1,2 à 2,7% u
Fe S 0,20%
Si S 0,12%
Cr 0 à 0,3%
~ Mn 0 à 1,0%
:~ Zr 0 à 0,2%
: Ti 0 à 0,1%
Be 0 à 0,02%
autres éléments (impuretés~
chacun S 0,05%
total $ 0,15%
reste: aluminium
La teneur en éléments principaux est de préfarence
tenue indivuduellement ou en combinaison, entre 1,2 et 2,2%
~- pour Mg et 1,7 et 3,0% pour Cu. La valeur en Cu peut être
limitée entre 2 et 2,7%. La teneur en Zr est de préférence
comprise entre 0,10 et 0,18%. Le fer et le silicium sont
: 25 tenus de préférence au-dessous de 0,10 et 0,06%
respectivement.
Pour obtenir le meilleur compromis, résistance
mécanique-ductilité, on doit de préférence observer la
relation suivante:
~ % Li (% Cu + 2) ~ % Mg = k
.~
avec 8,5 ~ k ~ 11,5 de préférence 9 S k S 11
~: k représente un paramètre numérique calculé en fonc-
:~
~L2~ 6~3
- 2a -
tion des teneurs (en ~) d'élements d'alliages et dont la valeur
peut varier de 8,5 à 11,5.
Selon la présente invention, il est également
prévu un procédé de traitement thermique des alliages
définis plus haut, comprenant au moins une homogénéisation,
une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé
en ce que l'alliage est homogénéisé et mis en solution à une
température (en C~ de l'ordre de ~ = 535 - 5 (% Mg).
De préférence, la durée de l'homogénéisation et de
~ lO la mise en solution est suffisamment longue pour qu'après la ..
: trempe, les phases intermétalliques de type ~l-Cu-(Li, Mg)
` aient une taille comprise entre 0 et 5 ium, limites incluses.
Les alliages selon l'invention possèdent leur
- niveau optimal de résistance et de ductilité s'ils sont
~: 15 obtenus par le procédé décrit plus haut, c'est-à-dire après
~ des traitements d'homogénéisation des produits coulés et de
: mise en solution des produits transformés comportant au
moins un palier à une température ~ (en C) de l'ordre de
0 = 535 - 5 (~ Mg). De préférence, la durée doit être
suffisante pour qu'après trempe, les composés
intermétalliques des phases Al-Cu (Li, Mg) détectables lors
d'examen micrographique ou par microanalyse électronique ou
ionique (SIMS) soient de préférence complètement dissous
dans l'Al ou aient une taille inférieure à 5 ym.
~: 25 L'homogénéisation peut se faire dans un domaine de
; ~ température compris entre ~ ~ 10 (C) et ~ - 20 (C);
~:
,' ~ .
/
-
i.r~ ~, /
~o
~ .
~$~tj43
~ 3 ~la mise e~ solution ect de préférence effectuee entre ~ + 10C.
Il a ete constate que les alliages, pour lesquels K > 11,5, possedaient
une ductilite insuffisante, et que ceux,pour lesquel~ K< 8,5, avaient
5 une resistance mécanlque insuffisacte
Les durées optimales de trai~emen~ thermique d'homogeneisation ~ la tempe-
rature ~sont de 0,5 à 8 heures pour les alliages ~laborés par solidifica-
tion rapide (atomisation - splat cooling - ou tout autre moyen) et de
12 à 72 heures pour les produits moules ou elaborés en coulee semi-
continue.
Ces alliages possedent leurs propriétés mécaniques optimales apres reve-
nus de durees de 8 a 48 heures a des températures comprises entre 170 et
220 C (de preference entre 180 et 200 C) et il est preférable de faire
subir aux produits de forme adequa~e (tôles, barres, largets) un ecrouis-
sage donnant lieu a une deformation plastique de 1 a 5 % (préferentielle-
ment 2 a 4 %) entre trempe et revenu,ce qui permet d'améliorer encore
la resistance mecanique des produits sans degrader leur ductilite.
Dans ces conditions, les alliages selon l'invention possèdent une resis-
tance mecanique et une ductilite superieures a celles de l'alliage bien
connu AlLiMgMn 01420 (Al - 5 % Mg - 2 % Li - 0,6 % Mn) et ont un compromis
; entre resistance mecanique et ductilite superieur à celui des alliages
~lLiCuMg connus (a faibles teneurs en magnesium). Ils ont, par ailleurs,
~ une excellente resistance à la corrosion feuilletante.
` ~
Ces alliages sont donc particulièrement interessants pour la fabrication
de demi-produits moules ou corro3es (elabores par coulee semi-continue,
~; 30 atomisation ou splat cooling, etc... ) qu'il s'agisse par exemple de pro-
; duits files, lamines, forges ou matrices.
.~ .
L'invention sera mieux comprise et illustree a l'aide des figures et exem-
ples suivants.
La figure 1 represente, en perspective, une piece matricee relative a
l'exemple 2 donne ci-après.
`~ 2~ 3
-- 4 --
EXF.MPLE 1
~ Des billettes ~ 200 mm ont été coulées en semi-continu et possèdent les
~ analyses reportées au Tableau I (a). Sauf indications contraires, les
teneurs en Fe et Si des coulées utilisées sont inférieures respectivement
5à 0,04 ~ et 0,03 ~. Celles-ci correspondent soit à des alliages clâssiques
(C,D), soit à un alliage au lithium connu (E), soit ~ des alliages selon
l'inventi~n (A, F) ou hors de l'invention (B). Ces billettes ont
été ho généisées et filées en largets ~ 100 x 13 mm. Ceux-ci ont
ensuite été mis en solution, trempés ~ 1'eau et revenus dans les conditions
10reportées au Tableau I (b). Les résultats des caractéristiq~es mécaniques
; de traction obtenues dans le sens long et travers long sont reportés au
Tableau I (c) avec des mesures de téna¢ité~.(facteur Kic) aans le sens
(L.T.).
: Tableau I
1 5
Ia - Compositions chimiques
_. . _
; 20 I Coulée _ Teneurs ponderales
: repere Alliage % Li % cul % Mg % Mn % Zr % Ti Autres
: Selon l'in-
A vention 1,90 2,38 1,30 0,01 0,12 0,01
~:~ 25 .. _ K H_9 6_ _
: : B invention 2,45 2,22 1,01 0,01 0,11 0,01
.... _
C 2024 0 4,38 1,33 0,75 0,11 0,02 _
; D Fe-0,05 0 1,32 2,36 0,02 0 0,02 CZn-5'721
~ E (DTDXXXA) 2,28 1,32 0,75 < 0,01 0,14 0,04 _ .
:: 35 Selon l'in-
F vention 2,05 2,13 1,57 < o,ol 0,12 0,02 _
.~ . (K=10,0)
,:
.~
~:
. ~ ,
~2~ 6fl~3
Ib - Traitements thermiques
Coulée ~o généisationMise en¦ Traction ReveAu
repère solution contrôlée
A 526C - 24h530C - 2h 2 ~ 190C - 48h
B 535C - 24h 535C - 2h 2 % 190C - 48h
C 490~C - 8h 495~C- 2h 2,1 ~ T351
T7351
D 470C - 16h 475~C - 2h 2,0 ~ 6h 107~C
+24h 160C
E 538C - 24h 538C - 2h 3,5 % 190C - 12h
_ 527C - 24h 526C - 1,5h 2,0 S ~190C - 48h
Ic - Caractéristiques mécaniques de traction et ~énacit~;
~ _ _
15 Coulée l Sens long !I Sens travers 1 ong L.T*
repère Rp 0,2 Rm ¦ A Rp 0,2~ Rm A Klc
(Mpa) (Mpa) ~ (Mpa) ~ (Mpa) % Mpa ~
_ I . .
; A 455 49511,6 419 461 8,5 40
B 460 5206,5 427 475 5,8 34
C ~01 53012,3 342 49119,0 39
460 53011,6 4~6 51713,1 41
E 462 5234,6 399 487 7,0 35
P 492 4889,7 41~ 452 7,7 41 _
25 * Traction sens long, propagation de fissure sur travers.
Les alliages selon l'invention (A et F) présentent des allongements et une
ténacité : supérieurs à ceux de l'alliage au ~i connu (E) à limites élasti-
ques équivalentes. Les caractéristiques mecaniques de traction obtenues
sur les alliages A et F sont, par ailleurs, voisines de celles des alliages
30 conventionnels.
EXEMPLE 2
Des billettes ~ 200 mm, dont la composition chimique est reportée au
Tableau II (a), ont été coulées en semi-continu, homogénéisées, puis trans-
; formées par filage et matriçage en matricés de précision dont la forme
35 est reportée a la fig. 1. Ces derniers sont constitués d'un fond plat
.
~;864;~
rectangulaire (1) de dimensiQns 489 ~ 70 x 3 mm, bordé, sur ses deux rl-
ves longi~udinales et une rive transversale, de trois nervures ~2) per-
pendiculaires au fond, hautes de 40 à 60 mm et épaisses de 3 à 5 mm, les
rives longitudinales étant séparées par trois petites entretoises (3)
5 d'epaisseur 1,5 mm. LQS traitements thermiques effectues sont reportes
au Tableau II (b) et les résultats des caracteristiques mecaniques obtenus
dans les sens long et travess long sont reportés au Tableau II (c).
Tableau II
IIa - Compositions chimiques
1 0
Coulee Teneurs ponderales
Alli e .
repèreag % Li % Cu % Mg % Mn % Zr % Ti Autres
I
Selon l'in-
AK - 9 6 1 90 2,38 1 30 0,01 0,12 0,01 _
Binvention 2,45 2,22 1,01 0,01 0,11 0,01 _
_
~ G Hors 2,68 1,36 0,92 <0,01 0,10 0,01 _
_
Selon l'in-
Fvention 2,05 2,13 1,57 <0,01 0,12 0,02
~ r r 2n~5,85
H 7175 0 1,43 2,47 0,02 _ 0,02 8Fei_0~l8 -
IIb - Traitements thermiques
_ ~ Traction _
:~ 25 repère Homogénéisation Mise en I contrôlee . Rev~nu
. ~
: : A 526 C ~ 24 h. 530 C - 2 h. non 190 C - 24 h.
B 535 C - 24 h. 535 C - 2 h. non190 C - 24 h.
G 533 C 24 h. 533 C - 1,5 h. non210~ C - 18 h.
F 526 C - 24 h. 526 C - 1,5 h. non190 C - 12 h.
H 470 C - 10 h. 475 C - 2 h. non107 C - 6 h.
. _ + 175 C- 8 h.
12~8~i~3
IIc - Caractéristiques mécaniques de traction
. Coulée Sens long Sens ~ ong
: repère Rp 0,2 Rm Rp 0,2Rm A
(MPa) (MPa) % ¦(MPa)(MPa)
: A 488 590 10,2 450 561 10,8
B 495 S98 6,5 462 553 7,2
: G 507 582 5,0 446 528 7,2
. 484 583 9,8 492 555 10,2
H 4B5 555 1(),8 471 490 10,7
Cet exemple montre que les alliages selon l'invention (A ~t F)conduisent
: sur des matricés de précision (non écrouis entre tr~mpe et revenu) à des
15 niveaux de résistance mécanique et de ductilité au ins égaux à ceux
~ de l'alliage 7175 (H) normalemen$ utilisé pour ce type de produit, mais
:~. . plus dense.
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: ~,
~ '
