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TOLE D'ALLIAGE ALUMINIUM-SILICIUM DESTINEE
A LA CONSTRUCTION MECANIQUE, AERONAUTIQUE ET SPATIALE
DOMAINE DE L'lNVh~lON
L'invention concerne le domaine des toles en alliages
d'aluminium à moyenne et haute résistance utilisées dans la
construction mécanique, aéronautique et spatiale et dans
lO l'armement.
ART ANTRRTRIJl~
Depuis de nombreuses années, on utilise dans la construction
15 aéronautique et spatiale des alliages d'aluminium à haute
résistance, essentiellement des alliages Al-Cu de la série
2000 ( selon la désignation de l'Al~ n--m Association aux USA),
par exemple les alliages 2014, 2019 et 2024, et des alliages
Al-Zn-Mg et Al-Zn-Mg-Cu de la série 7000, par exemple les
20 alliages 7020 et 7075.
Le choix d'un alliage et d'une gamme de transformation, en
particulier de traitement thermique, résulte d'un comp~omis
souvent délicat entre diverses propriétés d'emploi telles que
les caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la
25 rupture, limite élastique, module d'élasticité, allongement),
la résistance à la fatigue, importante pour des avions soumis
à des cycles répétés de décollage-atterrissage, la t~nAc~té,
c'est-à-dire la résistance à la propagation de fissures, et la
corrosion sous tension. Il faut en plus tenir compte de
30 1 ' aptitude de l'alliage à etre coulé, laminé et traité
thermiquement dans de bonnes conditions, de sa densité et
éventuellement de sa soudabilité.
Depuis plus de trente ans, des progrès continus ont été
accomplis pour améliorer les propriétés des alliages 2000 et
35 7000 utilisés en toles minces pour le fuselage des avions et
en toles moyennes et épaisses pour les voilures ou les
réservoirs cryogéniques des lanceurs et missiles, dans le but,
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en particulier, d'alléger les structures sans compromettre les
autres propriétés.
Un pas important dans l'allègement a été accompli avec le
développement des alliages aluminium-lithium. Ainsi, un
alliage 8090 à 2,6% de lithium conduit à un module spécifique
(rapport du module d'élasticité à la densité) supérieur
d'environ 20% à celui du 2024 et de 24% à celui du 7075. Les
alliages à plus forte teneur en cuivre et à plus faible teneur
en lithium, comme le 2095, ont été aus'si developpés à cause de
10 leur bon compromis entre la densité, le module d'élasticité et
la soudabilité. Dans ce cas, le gain sur le module spécifique
est d'environ 12% par rapport au 2219. Cependant, ces alliages
restent encore peu utilisés, essentiellement en raison de leur
coût de fabrication élevé.
OBJET DE L'I~v~ lON
La demanderesse, poursuivant ses recherches d'alliages pour
alléger les structures des avions, s'est aperçu qu'une autre
20 catégorie d'alliages utilisés habituellement sous forme
moulée, les alliages Al-Si de la série 4000, permettait non
seulement d'améliorer de manière sensible, entre 3 et 10%, le
module spécifique par rapport aux alliages 2000 et 7000, mais
présentait aussi un faisceau de propriétés en matière de
25 tenacité, résistance à la fatigue et corrosion sous tension
répondant aux exigences sévères de la construction
aéronautique, sans poser de problème difficile à la coulée, au
laminage et au traitement thermique. De plus, ces alliages
présentent une soudabilité bien meilleure que la plupart des
30 2000 et 7000, et au moins équivalente aux alliages de ces
séries spécialement dédiés au soudage, comme les alliages 2219
et 7020. Ils présentent enfin une résistance à la température
bien meilleure que celle de la plupart des alliages 2000 et
7000, et au moins équivalente à celle d'alliages de ces séries
35 spécialement étudiés pour leur tenue en température, tels que
les alliages 2019 et 2618.
Les alliages Al-Si sont utilisés très largement pour la
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fabrication de pièces moulées. Ils présentent cependant, sous
cette forme, des propriétés de résistance mécanique, de
fatigue et de tenacité bien inférieures à celles des alliages
2000 et 7000 corroyés et transformés utilisés en pièces de
structure. Dans de rares cas, ils peuvent être utilisés sous
forme laminée, notamment pour la couverture de tôles plaquées
destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés. On
utilise ainsi, par exemple, les alliages 4343, 4104, 4045 et
4047, les propriétés recherchées dans ce cas étant
10 essentiellement une température de fusion faible et une bonne
mouillabilité.
Les alliages Al-Si peuvent également être filés sous forme de
barres ou profilés qui, en raison de leur bonne résistance à
l'usure et la température, sont utilisés dans des pièces
15 mécaniques telles que bielles, maîtres-cylindres de freins,
arbres de transmission, paliers et divers composants de
moteurs et de compresseurs. Un des alliages utilisé à cette
fin est le 4032.
Le brevet français FR 2291284 décrit la fabrication de tôles
20 en alliage AlSi contenant de 4 à 15% de Si par coulée continue
entre deux cylindres refroidis. Ce mode de coulée est destiné
à accroître l'allongement à la rupture, et donc la
formabilité.Il ne s'agit pas de tôles à haute résistance
utilisables dans des applications structurales, puisque les
25 tôles sont simplement recuites et les limites élastiques
exemplifiées ne dépassent pas 220 MPa.
Mais jamais personne jusqu'à présent n'a eu l'idée d'elAhorer,
grâce à un choix judicieux de la composition et une gamme de
traitement thermique appropriée, des tôles en alliages Al-Si à
30 haute résistance mécanique utilisables pour des applications
structurales, notamment en construction mécanique, navale ou
aéronautique, par assemblages mécaniques ou soudés.
L'invention a ainsi pour objet des tôles traitées
thermiquement par mise en solution, trempe et éventuellement
35 revenu de manière à obtenir une limite élastique Ro 2
supérieure à 320 MPa, dest~néec à la construction mécanique,
navale, aéronautique ou spatiale en alliage de composition
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suivante (en poids):
Si: 6,5 à 11~
Mg: 0,5 à 1,0%
Cu: < 0,8%
Fe: < 0,3%
Mn: < 0,5% et/ou Cr < 0,5%
Sr: < 0,008 à 0,025%
Ti: < 0,02%
le total des autres éléments étant inférieur à 0,2%, le reste
10 étant l'aluminium.
La teneur en silicium est, de préférence, comprise entre 6,5
et 8%, correspondant à celle de l'alliage AS7G.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation de tôles
moyennes ou épaisses de cet alliage pour les intrados d'ailes
15 d'avions, de tales minces pour le revetement de fuselages
d'avions, de toles pour la fabrication de réservoirs
cryogéniques de fusées, de planchers et bennes de véhicules
industriels et de coques ou supersructures de bateaux.
20 n~CRTPTION DE L'lNV~-lON
Les toles selon l'invention ont des teneurs en silicium
correspondant globalement aux domaines des alliages AS7G et
AS9G selon la norme française NF A 57-702 ou les désignations
25 A 357 et A 359 de l'Aluminum Association.
Le magnésium ne doit pas dépasser 1% pour éviter la formation
de composé intermétallique Mg2Si insoluble. Le cuivre doit
etre limité à 0,8% pour éviter la formation de phases
insolubles Mg2Si et Q (AlMgSiCu). Cette teneur permet
30 également de limiter la sensibilité à la corrosion
intercristalline.
Le fer est également limité à 0,3%, et de préférence à 0,08%,
comme il l'est dans les alliages 7000 pour toles fortes,
lorsqu'on a besoin d'une bonne tenacité et/ou d'un bon
35 allongement. La présence de titane est liée à l'affinage des
plaques au titane, identique à celui qui est pratiqué pour les
alliages actuels à moyenne et haute résistance.
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Comme cela se fait habituellement pour les alliages de moulage
de qualité, il est nécessaire de modifier l'alliage pour
éviter la formation de silicium primaire et obtenir une
structure eutectique fibrée finement dispersée. Pour cette
opération, le strontium est préférable au sodium qui pourrait
engendrer une fragilité à chaud à la transformation.
Les tôles selon l'invention peuvent etre obtenues par coulée
verticale de plaques, un lAm;nAge à chaud jusqu'à 6 mm,
éventuellement un laminage à froid dans le cas de tales
10 minces, une mise en solution entre 545 et 555C, une LL~- ~ E à
l'eau froide, une maturation à température ambiante et/ou un
revenu entre 6 et 24 h à une température comprise entre 150 et
195C.
On peut faire prPcP~er le laminage à chaud d'une
15 homogénéisation entre 530 et 550C d'une durée inférieure à 20
h, suffisamment courte pour éviter une globulisation de
l'eutectique fibreux et une coalescence marquée des
dispersoïdes au manganèse et/ou au chrome, lorsque l'alliage
en contient. En l'absence d'homogénéisation, on obtient à
20 l'état final une microstructure eutectique très fine et non
globulisée, qui a un effet favorable sur la tenacité.
On peut ainsi obtenir à l'état T6 une limite élastique
supérieure à 320 et meme 340 MPa, un allongement supérieur à 6
~ dans le sens TL et 9% dans le sens L, et une tPnAcité,
25 mesurée par le facteur critique d'intensité de contraintes
Klc, supérieure à 20 MPaVm.
Dans ces conditions, l'alliage est soudable par des pro~é~é~
conventionnels TIG ou MIG, continus ou pulsés, selon qu'il
s'agit d'une toale mince ou épaisse, et sa densité est toujours
30 inférieure à celle des alliages 2000 et 7000 traditionnels
ainsi qu'aux alliages Al-Li à teneur en lithium inférieure à
196
~'.k;. .~-.F~;
Exemple 1: t~le homo~n~i ~P
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On a élaboré par coulée verticale des plaques de section 380 x
120 mm d'alliage de composition suivante (en poids):
Si: 6,77%
Mg: 0,59%
Cu: 0,24~
Fe: 0,06%
Mn: 0,31%
Sr: 0,016%
Ti: 0,01%
10 le total des autres éléments étant inférieur à 0,2% et le
reste étant de l'aluminium.
L'alliage a été homogénéisé à 550C pendant 8h, après une
montée en température de 4h, réchauffé pendant 2 h à 500C,
puis laminé à chaud jusqu'à 20 mm d'épaisseur sur un laminoir
15 réversible. Des tôles découpées ont été mises en solution 2 h
à 550C, trempées à l'eau et soumises à un revenu de 8h à
175C, soit un état T651 selon les désignations de l'Aluminum
Association.
L'alliage a une densité de 2,678 et on a mesuré sur la tôle
20 par la méthode de la boucle d'hystérésis en traction, un
module d'élasticité E de 74100 MPa, soit un module spécifigue
de 27670 MPa, à comparer avec les valeurs respectives de
2,770, 72500 MPa e'; 26175 MPa pour une tôle de même épaisseur
en alliage 2024 à l'état T351, soit une augmentation de 5,7%
25 du module spécifique. Cette augmentation est supérieure de
plus de 9% par rapport à l'alliage 2219 pour construction
soudée.
Les caractéristiques mécaniques, comparées à celles d'une tôle
en 2024 T351, sont les suivantes:
alliage sens Ro~2 Rm A sens Klc
MPa MPa % MPavm
invention L 358 386 9,4 L-T 20
" TL 350 386 6,6 T-L 19
352024 L 350 485 18,0 L-T 35
" TL 345 489 17,1 T-L 32
21fi894~
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Exemple 2: tôle non homQ~n~ic~ç
Avec le meme alliage que dans l'exemple 1, on réalise les
memes opérations, sauf que la plaque ne subit pas
d'homogénéisation avant le réchauffage précé~nt le laminage à
chaud. On mesure sur la tôle de 20 mm d'épaisseur un module
d'élasticité de 74170 MPa, soit une augmentation de 5,7~ du
module spécifique par rapport au 2024 T351.
Les caractéristiques mécaniques mesurées sur la tôle de 20 mm
10 sont les suivantes:
sens Ro~2 Rm A sens Klc
MPa MPa ~ MPavm
L 359 38410,0 L-T 22,1
TL 346 3836,9 T-L 19,1
On constate gue l'absence d'homogénéisation a un effet
favorable sur l'allongement et sur la t~n~.;té. Un examen
micrographique comparé montre que la taille moyenne des
20 particules au silicium, qui était de l'ordre de 7 microns pour
la tôle homogénéisée, devient inférieure à 4 microns pour la
tôle non homogénéisée.
