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WO 2004/056501 PCT/FR2003/003753
PROCEDE DE FABRICATION D'ELEMENTS DE STRUCTURE
PAR USINAGE DE TOLES EPAISSES
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne la fabrication d'éléments de structure en
alliage à
traitement thermique, notamment en alliage d'aluminium, par usinage de tôles
épaisses.
Ces éléments de structure peuvent être utilisés en construction aéronautique.
Etat de la technique
Afin d'obtenir des éléments de structure d'avions caractérisés par une
excellente tenue
mécanique, on utilise actuellement principalement deux approches différentes :
Selon une première approche, on utilise des tôles d'épaisseur typiquement
comprise
entre 10 mm et 40 mm (appelée ici tôle moyenne ), qui se trouvent dans
l'état
métallurgique correspondant à l'utilisation finale de l'élément structural, et
les raidit en
fixant, par exemple par rivetage, des raidisseurs constitués par des profilés
filés, par
exemple des profilés de section " T ".
Selon une seconde approche, on usine les raidisseurs directement dans une tôle
d'une
épaisseur plus importante, typiquement entre 30 mm et 200 mm, qui se trouve
également dans un état métallurgique correspondant à l'utilisation finale de
l'élément
structural.
La réalisation d'un élément de structure par assemblage de tôles moyennes et
de profilés
nécessite un très grand nombre d'opérations de rivetage qui, effectuées dans
les
conditions de fiabilité nécessaires pour un élément structural aéronautique,
représentent
un coût important. La réalisation d'un élément structural intégré par usinage
d'une tôle
épaisse consomme certes beaucoup plus de métal, car une fraction importante de
la tôle
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épaisse est réduite en copeaux, mais en contrepartie elle permet de réduire au
minimum
les opérations de rivetage qui coûtent cher.
La disponibilité de techniques d'usinage à grande vitesse (high speed
machining), de
l'ordre de 5 000 à 15 000 tours par minute, modifie sensiblement les données
économiques du choix du mode de conception, car la durée de l'opération
d'usinage se
trouve fortement réduite, permettant en même temps d'envisager l'usinage de
formes de
plus en plus complexes dans des conditions économiquement accessibles. Ceci
est vrai à
la fois pour des pièces de taille de l'ordre du mètre, et pour des pièces de
très grande
taille, pouvant atteindre plus de 20 m de longueur et plus de 3 m de largeur.
La seconde approche souffre toutefois d'autres inconvénients. La tôle épaisse
se trouve
avant usinage dans l'état métallurgique correspondant à son utilisation
finale, car selon
l'état de la technique, on n'effectue pas de traitement thermomécanique après
usinage.
Plus particulièrement, cet état métallurgique final a été obtenu par mise en
solution et
trempe. Or, deux mécanismes physiques limitent la vitesse de trempe dans une
tôle
épaisse : la conductivité thermique du matériau qui constitue ladite tôle
épaisse, et
l'échange thermique entre la surface et de la tôle et le milieu trempant. Il
en résulte que
les propriétés mécaniques de la tôle épaisse trempée varient en fonction de
l'épaisseur.
De ce fait, certaines caractéristiques mécaniques deviennent moins bonnes
lorsque l'on
s'éloigne de la surface de la tôle. Selon l'état de la technique, l'usinage
enlève donc les
zones dans lesquelles la tôle trempée montre les meilleures caractéristiques
mécaniques,
et la sollicitation de l'élément structural dans les conditions de service
fait intervenir des
zones de métal dont les propriétés mécaniques peuvent être assez variables en
fonction
de la profondeur par rapport à la zone proche de la surface initiale de la
tôle. Le calcul
des structures est, par précaution, effectué sur la base de modèles assez
conservateurs
des performances réelles de la pièce, lesdits modèles étant typiquement basés
sur les
caractéristiques mécaniques des zones de la tôle qui sont éloignées de la
surface et
présentent donc les caractéristiques mécaniques les plus faibles. Cela
empêche, lors du
dimensionnement des pièces, de tirer le meilleur parti des propriétés réelles
du matériau.
Un autre inconvénient de ce procédé selon l'état de la technique réside dans
le fait que
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les tôles fortes trempées peuvent, même après traction contrôlée, enfermer des
contraintes résiduelles qui entraînent une déformation des pièces lors de
l'usinage.
Selon une troisième approche, on fabrique des éléments structuraux avec
raidisseurs
intégrés directement par filage. Cette approche souffre de plusieurs
inconvénients, et
n'est guère utilisée. Afin d'obtenir des profilés de largeur suffisamment
importante, il
faut utiliser des presses à filer très puissantes dont le coût d'exploitation
est très élevé.
La largeur maximale que l'on peut ainsi atteindre reste bien inférieure à la
largeur d'une
tôle laminée habituelle. Par ailleurs, certains alliages se prêtent mal au
filage. Et
finalement, la microstructure d'une pièce filée, et plus particulièrement d'un
profilé filé,
n'est pas homogène, ni sur la section du profilé ni sur la longueur du
profilé.
Divers moyens ont été proposés pour contrôler les distorsions du produit ou
ses
propriétés mécaniques.
Plusieurs brevets cherchent à optimiser le procédé de trempe afin de minimiser
les
déformations des produits métallurgiques lors de leur trempe. Ces procédés
cherchent
en général à compenser la déformation par un refroidissant inhomogène lors de
la
trempe.
Le brevet allemand DE 955 042 (Friedrichshütte Aktiengesellschaft) décrit un
procédé
de trempe horizontale dans lequel les bords de la tôle sont refroidis plus
fortement que
le centre, et la face inférieure plus fortement que la face supérieure.
Le brevet EP 578 607 cherche à optimiser le procédé de trempe de profilés
filés par un
pilotage individuel ou groupé des buses de pulvérisation d'eau ; un tel
dispositif, piloté
par ordinateur, permet en principe d'adapter les positions des buses à chaque
profilé,
mais la mise au point reste empirique. Le brevet EP 695 590 développe une idée
analogue pour la trempe de tôles.
La demande de brevet WO 98/42885 (Aluminum Company of America) décrit un
procédé combiné de trempe à l'eau et de trempe à l'air pour diminuer la
déformation
des tôles minces à la trempe, et pour améliorer leurs caractéristiques
mécaniques
statiques.
Le brevet français 1,503835 (Commissariat à l'Energie Atomique) propose
d'augmenter
la vitesse de trempe lors de l'immersion de la pièce dans un liquide froid par
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l'application d'une couche mince à faible conductivité thermique qui limite la
vaporisation du milieu de trempe.
Le brevet français 2 524 001 (Pechiney Rhenalu) propose d'appliquer sur
certaines
faces du produit un revêtement qui conduit la chaleur moins bien que le métal
sous-
jacent. Par ce contrôle amélioré de la vitesse de refroidissement, on serait
capable
d'éviter d'altérer les propriétés d'emploi du produit. Ce procédé assez lourd
a plusieurs
inconvénients. Il est limité aux tôles ou profilés d'épaisseur sensiblement
constante ;
dans le cas des alliages d'aluminium, cette épaisseur ne devrait pas dépasser
environ 15
mm. Les revêtements proposés dans ce brevet risquent de polluer le réservoir
de liquide
de trempe.
D'autres approches cherchent à diminuer la sensibilité des alliages
d'aluminium à la
trempe.
Aucun de ces procédés ne résout le problème de la variation des propriétés
mécaniques
en fonction de l'épaisseur qui est liée aux gradients thermiques présentes
lors de la
trempe.
Objet de l'invention
L'invention a pour but de présenter un nouveau procédé de fabrication de
pièces
métalliques usinées aptes à servir comme éléments de structure, ou d'ébauches
pour de
telles pièces, qui permet d'améliorer le compromis entre les caractéristiques
mécaniques
statiques (limite d'élasticité, résistance à la traction, allongement à la
rupture) et la
tolérance aux dommages (notamment la ténacité) dans le volume de la pièce et
de
minimiser les distorsions induites lors de la trempe, et qui peut être mis en
oeuvre avec
un coût d'exploitation particulièrement avantageux.
Au lieu de chercher à améliorer des étapes isolées des procédés de
fabrication, la
demanderesse a inventé un nouveau procédé intégré qui permet de fabriquer à
partir de
tôles épaisses des éléments de structure usinés de grande dimension, avec
d'excellentes
tolérances dimensionnelles, et présentant des caractéristiques mécaniques
améliorées.
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La présente invention propose un procédé de fabrication nouveau qui permet
d'obtenir
des pièces usinées présentant un meilleur compromis entre les valeurs
minimales des
caractéristiques mécaniques statiques (limite conventionnelle d'élasticité,
allongement à
rupture, résistance à la traction) et la tolérance aux dommages, comparé à des
pièces de
5 forme analogues produites par un procédé selon l'état de la technique. Dans
une
variante du procédé selon l'invention, la variation des caractéristiques
mécaniques au
sein de la pièce est plus faible, par rapport à une pièce usinée de forme
analogue
élaborée par un procédé selon l'état de la technique.
Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce
métallique
usinée, comportant
a) la fabrication d'une tôle métallique par un procédé comportant
al) la coulée d'une plaque de laminage, suivie éventuellement d'une
homogénéisation,
a2) une ou plusieurs opérations de laminage à chaud ou à froid, éventuellement
séparées d'une ou plusieurs opérations de réchauffage, pour obtenir une tôle,
a3) éventuellement une ou plusieurs opérations de découpe ou finition de la
tôle,
b) le préusinage de ladite tôle sur l'une ou les deux faces pour obtenir une
ébauche
préusinée,
c) un traitement de mise en solution de ladite ébauche préusinée,
d) un traitement de trempe.
Ce procédé peut être éventuellement suivi d'une ou plusieurs des étapes
suivantes
e) traction contrôlée,
f) revenu,
g) découpe.
Un deuxième objet est l'utilisation d'une pièce métallique obtenue par ledit
procédé
comme élément de structure dans la construction aéronautique.
Un troisième objet est un élément de structure en alliage d'aluminium pour
construction
aéronautique obtenu par ledit procédé.
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Description des figures
La figure 1 montre les dimensions et le plan d'échantillonnage de tôles
épaisses
préusinées selon l'invention, comme expliqué dans l'exemple 1.
La figure 2 montre l'éprouvette utilisée pour la caractérisation des
propriétés
mécaniques du produit.
Les figures 3 et 4 montrent schématiquement une ébauche préusinée selon
l'invention.
La figure 5 montre schématiquement la forme d'une tôle épaisse préusinée et le
plan
d'échantillonnage de tôles épaisses préusinées (fig. 5a) ou non (fig. 5b),
comme
expliqué dans l'exemple 2.
La figure 6 montre schématiquement la forme d'une tôle épaisse préusinée et le
plan
d'échantillonnage de tôles épaisses préusinées (figure 6a) ou non (fig. 6b),
comme
expliqué dans l'exemple 3.
Description détaillée de l'invention
a) Terminologie
Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition
chimique des
alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une
expression
mathématique, 0,4 Zn signifie : 0,4 fois la teneur en zinc, exprimée en
pourcent
massique ; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La
désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues
de
l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme
européenne EN
515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par
exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques
mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture R,,,, la limite
élastique Rp0,2,
et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction
selon la norme
EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant définis
dans la
norme EN 485-1. La ténacité KIc a été mesurée selon la norme ASTM E 399. La
courbe
R est déterminée selon la norme ASTM 561-98. A partir de la courbe R, on
calcule le
facteur d'intensité de contrainte critique Kc , c'est à dire le facteur
d'intensité qui
provoque l'instabilité de la fissure. On calcule également le facteur
d'intensité de
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contrainte Kco, en affectant à la charge critique la longueur initiale de la
fissure, au
début du chargement monotone. Ces deux valeurs sont calculées pour une
éprouvette de
forme voulue. Kapp désigne le Kco correspondant à l'éprouvette ayant servi à
faire le test
de courbe R. La résistance à la corrosion exfoliante a été déterminée selon
l'essai
EXCO décrit dans la norme ASTM G34-72.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1
s'appliquent. Contrairement à la terminologie de cette norme EN 12258-1, on
appelle ici
tôle mince une tôle d'une épaisseur de dépassant pas 6 mm, tôle moyenne
une
tôle d'une épaisseur comprise entre 6 mm et environ 20 à 30 mm, et tôle
épaisse une
tôle d'une épaisseur typiquement supérieure à 30 mm.
Le terme usinage comprend tout procédé d'enlèvement de matière tel que le
tournage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, l'électroérosion,
la
rectification, le polissage.
Le terme élément de structure se réfère à un élément utilisé en
construction
mécanique pour lequel les caractéristiques mécaniques statiques et / ou
dynamiques ont
une importance particulière pour la performance et l'intégrité de la
structure, et pour
lequel un calcul de la structure est généralement prescrit ou effectué. Il
s'agit
typiquement d'une pièce mécanique dont la défaillance est susceptible de
mettre en
danger la sécurité de ladite construction, de ses utilisateurs, des ses
usagers ou d'autrui.
Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments
qui
composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skin en
anglais), les
raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons étanches
(bulkheads), les cadres
de fuselage (circumferential frames), les ailes (tels que la peau de voilure
(wing skin),
les raidisseurs (stringers ou stiffeners), les nervures (ribs) et longerons
(spars)) et
l'empennage composé notamment de stabilisateurs horizontaux et verticaux
(horizontal
or vertical stabilisers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams),
les rails de sièges
(seat tracks) et les portes.
b) Description de l'invention et de quelques modes de réalisations
particuliers
Selon l'invention, le problème est résolu en trempant non pas la tôle épaisse
dans
laquelle sera ensuite usiné la pièce métallique , visée, mais une ébauche déjà
préusinée.
Le préusinage peut conduire à une forme plus ou moins proche de la forme
finale visée.
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Dans une réalisation préférée de l'invention, cette ébauche préusinée présente
un profil
constitué par un ou plusieurs canaux. Ces canaux peuvent être parallèles au
sens de
laminage, mais d'autres orientations sont possibles, par exemple une
orientation en
diagonale. Si on envisage d'effectuer une traction après la trempe, ce profil
est
avantageusement parallèle au sens de laminage et sensiblement constant sur sa
longueur, mais d'autres types de profils sont possibles.
Lors de la trempe, l'ébauche peut se trouver en position horizontale, en
position
verticale, ou en toute autre position. La trempe peut être réalisé par
immersion dans un
milieu trempant, par aspersion, ou par tout autre moyen approprié. Ledit
milieu
trempant peut être de l'eau ou un autre milieu tel que le glycol ; sa
température peut être
choisie entre son point de solidification et son point d'ébullition, sachant
que la
température ambiante (environ 20 C) peut convenir.
Le procédé selon l'invention comporte
a) la fabrication d'une tôle métallique par un procédé comportant
al) la coulée d'une plaque de laminage, suivie éventuellement d'une
homogénéisation,
a2) une ou plusieurs opérations de laminage à chaud ou à froid, éventuellement
séparées d'une ou plusieurs opérations de réchauffage, pour obtenir une tôle,
a3) éventuellement une ou plusieurs opérations de découpe ou finition de la
tôle,
b) le préusinage de ladite tôle sur l'une ou les deux faces pour obtenir une
ébauche
préusinée,
c) un traitement de mise en solution de ladite ébauche préusinée,
d) un traitement de trempe.
L'ébauche ainsi obtenue peut être soumise à une ou plusieurs des étapes
suivantes :
e) traction contrôlée,
f) revenu,
g) découpe.
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A l'issue de ce procédé représenté par les étapes a) à d), c'est-à-dire après
la trempe, et
avantageusement après la traction contrôlée (s'il y en a une) et apès le
revenu (s'il y en
a un), l'ébauche préusinée peut être soumise à d'autres opérations d'usinage
pour
obtenir une pièce métallique usinée, étant entendu que la forme de l'ébauche
doit être
compatible avec celle de la pièce usinée visée. Par ailleurs, la forme desdits
canaux de
l'ébauche doit être choisie de façon à minimiser la déformation à la trempe de
l'ébauche, et à optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce usinée
finale. Il est
préféré qu'une des deux faces de l'ébauche soit plate. Dans ce cas, il est
préféré que lors
de la trempe horizontale, les canaux usinées de la tôle soient orientés vers
le bas.
Dans la plupart des cas, il sera nécessaire de soumettre l'ébauche préusinée à
une
traction contrôlée. Pour ce faire, il est avantageux de prévoir lors du
préusinage de
l'ébauche qu'une longueur comprise entre 50 mm et 1000 mm, et
préférentiellement
comprise entre 50 mm et 500 mm en début et à la fin de la tôle ne comporte pas
de
canaux usinés et a une épaisseur sensiblement constante (cette partie
dépourvue de
canaux usinés étant appelée talon ), afin de permettre une prise correcte
des mors de
traction. Ladite traction est avantageusement effectuée de façon à conduire à
un
allongement permanent compris entre 0,5 % et 5 %. On préfère une valeur
minimale
supérieure à 1,0 ou même supérieure à 1,5% pour cet allongement permanent. On
peut
maintenir, pendant au moins une partie de la durée de la traction, un appui
transversal
sur l'une au moins des faces de la tôle, par exemple par application d'un ou
plusieurs
rouleaux sur la tôle, lesdits rouleaux pouvant éventuellement être mobiles
longitudinalement sur la face de la tôle. Cela est décrit, pour une tôle non
usinée, dans le
brevet US 6,216,521 de la demanderesse.
Dans un mode de réalisation préféré impliquant une traction contrôlée de
l'ébauche,
ladite ébauche comporte avantageusement entre les talons et la zone centrale
possédant
des canaux usinés une zone de transition dont l'épaisseur décroît du talon
vers la zone
centrale possédant des canaux usinés. Il est avantageux que ce talon ainsi que
la zone de
transition soient éboutés après la traction contrôlée, soit mécaniquement, par
exemple
par sciage ou cisaillage, soit par d'autres moyens connus tels que le faisceau
laser ou le
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jet liquide. Mais on peut aussi conserver au moins partiellement ce talon, par
exemple
pour faciliter l'assemblage des éléments de structure.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué avantageusement aux tôles en
alliages
5 métalliques à durcissement structural, notamment aux alliages d'aluminium à
durcissement structural, et plus particulièrement aux alliages des séries
2xxx, 6xxx et
7xxx. Dans un mode de réalisation particulier, les tôles comprennent les
éléments
d'alliage suivants (en % massiques) : Zn 5,5 -11 Mg 1,5 - 3 Cu 1,0 - 3,0.
Dans une variante de ce mode de réalisation particulier, la teneur en zinc est
comprise
10 entre 8 et 11%. Dans d'autres variantes, l'alliage comprend en plus des
éléments
pouvant former des dispersoïdes, c'est-à-dire un ou plusieurs éléments
sélectionnés dans
le groupe composé de Zr, Sc, Hf, La, Ti, Ce, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y,
Yb, la
teneur de chacun desdits éléments, s'il est sélectionné, étant comprise entre
0,02 et 0,7
%, et la teneur totale de ces éléments ne dépassant pas, de manière préférée,
2 %. Parmi
les alliages de la série 7xxx, les alliages 7449, 7349, 7049, 7050, 7055, 7040
et 7150
sont particulièrement préférés.
Les tôles sont avantageusement de grande taille, c'est-à-dire d'une longueur
supérieure
à 2000 mm et préférentiellement supérieure à 5000 mm, d'une largeur supérieure
à 600
mm et préférentiellement supérieure à 1200 mm. Elles ont avantageusement,
avant
usinage, une épaisseur supérieure à 15 mm, préférentiellement supérieure à 30
mm et
encore plus préférentiellement supérieure à 50 mm.
Dans un mode de réalisation avantageux, on utilise pour la fabrication d'un
élément de
structure à raidisseurs intégrés pour la voilure d'un avion civil de grande
capacité une
tôle épaisse en alliage d'aluminium 7449 d'une épaisseur de l'ordre de 100 à
110 mm,
conduisant à une ébauche préusinée d'une épaisseur maximale de l'ordre de 90 à
100
mm.
Dans un autre mode de réalisation avantageux, on utilise pour la fabrication
d'un
élément de structure pour peau de voilure à raidisseur intégrés une tôle
épaisse d'une
épaisseur de l'ordre de 30 à 60 mm, conduisant à une ébauche préusinée d'une
épaisseur
maximale de l'ordre de 25 à 55 mm.
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Dans les alliages d'aluminium à traitement thermique, pour des épaisseurs
faibles, le
problème lié aux gradients des propriétés mécaniques ne se pose guère en
dessous d'une
épaisseur de quinze à vingt millimètres environ. Les avantages que procure la
présente
invention sont donc importants pour des épaisseurs supérieures à environ 30 à
40 mm,
c'est-à-dire notamment pour la fabrication d'éléments structuraux de voilure.
Les opérations d'usinage pour former l'ébauche à partir de la tôle épaisse et
pour
fabriquer la pièce finie à partir de l'ébauche peuvent être effectuées à
grande vitesse,
c'est-à-dire avec une vitesse d'au moins 5000 tours par minute, et
préférentiellement
supérieur à 10 000 tours par minute. Le procédé selon l'invention permet de
valoriser au
mieux les copeaux et chutes générés lors de l'usinage. A cette fin, il
convient d'éviter
leur mélange avec d'autres matériaux métalliques ou non-métalliques, y compris
avec
d'autres alliages du même type. A titre d'exemple, dans le cas des alliages
d'aluminium,
il n'est pas souhaitable de mélanger les alliages du groupe 2xxx avec ceux du
groupe
7xxx (désignation selon EN 573-1), et à l'intérieur du groupe 7xxx par
exemple, il est
préférable de séparer les alliages tels que le 7449 et le 7010 ; ceci
nécessite une gestion
rigoureuse des copeaux que le fabricant de la tôle forte est mieux à même
d'assurer
qu'un atelier d'usinage multi-matériaux. Le procédé selon l'invention, pour
pouvoir être
exploité avec un coût aussi bas que possible, encourage à ce que l'usinage
soit effectué
dans l'usine du fabricant de la tôle ou sous son contrôle industriel, et la
disponibilité de
chutes et copeaux, notamment en alliages 2xxx et 7xxx, parfaitement identifiés
et issus
d'un procédé connu, conduit à la possibilité de pouvoir recycler des fractions
plus
importantes des copeaux dans la fabrication de tôles fortes en alliages 2xxx
et 7xxx
pour application aéronautique. Pour certains alliages et produits, la
demanderesse a pu
ainsi incorporer jusqu'à 40 % de copeaux d'usinage dans le procédé selon
l'invention,
en utilisant des méthodes de traitement des copeaux collectés et du métal
liquide qui
sont connus de l'homme du métier. L'incorporation d'au moins 5 % de copeaux
sélectivement collectés s'est avérée possible dans pratiquement tous les cas,
et un taux
d'au moins 15 % est préféré.
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Les pièces métalliques obtenues par le procédé selon l'invention peuvent être
utilisées
comme élément de structure dans la construction aéronautique. A titre
d'exemple ,
l'invention permet de réaliser des panneaux de voilure, éléments de fuselage,
longerons,
nervures ou caissons centraux d'ailes.
Le procédé selon l'invention a de nombreux avantages par rapport aux procédés
connus.
Notamment, il permet la fabrication de pièces présentant un compromis amélioré
entre
la tolérance aux dommages et les caractéristiques mécaniques statiques.
L'homme du
métier peut adapter l'état métallurgique de l'ébauche préusinée aux propriétés
visées de
la pièce finie, pour privilégier un gain en caractéristiques mécaniques
statiques ou en
tolérance aux dommages, ou pour améliorer les deux types de caractéristiques à
la fois.
A titre d'exemple, la demanderesse a pu obtenir avec l'alliage 7449 des pièces
finies
présentant une amélioration de 20 à 25 % de la ténacité Klc, sans aucune
dégradation
des caractéristiques mécaniques statiques. De même, par rapport au Kapp(L_T)
mesuré sur
une tôle pleine à 1/8 d'épaisseur, on trouve sur une ébauche selon
l'invention, mesuré
entre au fond d'un canal à une profondeur d'environ 1/8 d'épaisseur, une
amélioration
d'environ 20 à 25%. Sur une tôle en alliage 7449, on a ainsi pu atteindre une
valeur de
Kapp(L-T) d'au moins 90 MPa'Im, et même d'au moins 95 MPa'm (éprouvette de
type CT
avec W = 75 mm selon ASTM E561-98), avec des valeurs de R,,,(L) mesurées en
traction
dépassant 550 MPa.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples, qui n'ont toutefois pas
de
caractère limitatif. Dans chacun de ces trois exemples, le repérage des
échantillons est
indépendant des autres, c'est-à-dire il n'y a pas de relation entre
l'échantillon A de
l'exemple 1, l'échantillon A de l'exemple 2, et l'échantillon A de l'exemple
3.
Exemple 1
Dans une tôle en alliage 7449 (composition : Zn 8,52 %, Cu 1,97 % , Mg 2,17 %,
Zr
0,11 %, Si 0,05 %, Fe 0,09 %, Mn 0,03 %, Ti 0,03 %) d'une épaisseur de 101,6
mm
brute de laminage à chaud, mais rivée et éboutée, on a découpé dans la pleine
épaisseur
trois blocs de dimension 600 mm (sens L) x 700 mm (sens TL). On a effectué un
surfaçage symétrique de 10,5 mm pour obtenir des blocs d'une épaisseur de 80,5
mm.
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Après détourage des faces latérales, on a préusiné dans les blocs 1 et 2 des
nervures
selon la figure 1, avec les dimensions suivantes (voir Tableau 1) :
Tableau 1
Repère Dimension Bloc 1 [mm] Dimension Bloc 2 [mm]
(voir figure 1)
(1) 692 672
(2) 80,5 80,5
(3) 164. 184
(4) 50 30
(5) 20 30
Le bloc 3 n'a pas été préusiné.
Les trois blocs ont été mis en solution pendant 4 heures à 472 C avec une
montée en
température de 4 heures, et trempés par immersion verticale dans de l'eau
froide agitée,
les nervures étant orientées perpendiculairement à la surface de l'eau.
On a ensuite découpé les blocs selon le plan de découpe montré sur la figure
2.
Certaines des spécimens ainsi obtenus ont été soumis à un traitement de revenu
de 48 h
à 120 C pour les mettre à l'état T6. D'autres spécimens ont été soumis à une
traction
contrôlée avec un allongement permanent de 2 %, et ensuite au même traitement
de
revenu que les autres spécimens, pour les mettre à l'état T65 1.
Ensuite, on a déterminé les caractéristiques mécaniques. Les résultats sont
rassemblés
dans le tableau 2.
Tableau 2
Echantillon Etat R. [MPa] Rpo.2 [MPa] A [%] KIc (T-L) KID (L-T)
[MPa~m] [MPa~m]
Al T6 622 570 10,7 32,1 (*) 31,8 (*)
A2 T6 641 595 11,7 31,8 37,6 (*)
A3 T6 599 548 12,0
B1 T651 614 593 12,4 25,6 29,8
B2 T651 647 617 12,4 29,1 37,3
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Cl T6 585 535 15,0 36,7 (*) 34,9 (*)
C2 T651 618 594 12,9 28,9 35,4 (*)
H1 T6 593 538 7,7
H2 T6 633 584 7,3
H3 T6 597 542 8,3
H4 T6 580 527 11,0
Di T6 621 570 11,3 28,9 (*) 36,2 (*)
D2 T6 644 598 13,0 32,1 (*) 43,8 (*)
D3 T6 600 548 13,0 26,4 32,8
El T651 614 594 11,9 27,3 35,2 (*)
E2 T651 650 621 13,1 29,8 41,4 (*)
F1 T6 592 539 14,3 29,0 (*) 36,8 (*)
F2 T651 604 584 13,6 26,5 33,1
il T6 593 538 7,7
J2 T6 633 584 7,3
J3 T6 597 542 8,3
J4 T6 580 527 11,0
Gi T6 580 527 11,0 19,7 (*) 26,6 (*)
G2 T6 597 542 8,3 19,2 (*) 25,1 (*)
G3 T6 633 584 7,3 21,0 29,7 (*)
G4 T6 593 538 7,7 19,8 (*) 22,8 (*)
(*) valeurs de Kq au lieu de Klc.
On constate que la ténacité dans l'ébauche préusinée selon l'invention
augmente
d'environ 10 MPa"Im par rapport à une pièce selon l'art antérieur, ce qui
correspond à
un gain d'environ 20 à 25 %, sans aucune dégradation sur les caractéristiques
mécaniques statiques.
Exemple 2
Dans une tôle en alliage 7050 (composition : Zn 6,2 %, Cu 2,1 % , Mg 2,2 %, Zr
0,09
%, Si 0,04 %, Fe 0,09 %, Mn 0,01 %, Ti 0,03 %) d'une épaisseur de 95 mm brute
de
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laminage à chaud, mais rivée et éboutée, on a découpé dans la pleine épaisseur
une tôle
de dimensions 8945 mm (sens L) x 1870 mm (sens TL). On a effectué un surfaçage
symétrique de 2,5 mm pour obtenir une tôle d'une épaisseur de 90 mm. On a
alors usiné
des nervures dans le sens L sur une longueur de 7705 mm (repère 15) centrée
dans la
5 tôle laissant une zone pleine (repères 16 et 17) à chaque extrémité (voir
Figure 3). La
géométrie de la section pré-usinée est décrite dans la figure 4, avec les
dimensions
indiquées dans le Tableau 3.
Tableau 3
Repère Dimension [mm]
(voir figure 4)
(1) 1870
(2) 90
(3) 140
(4) 50
(5) 25
La tôle a été mise en solution et puis trempée par immersion verticale dans de
l'eau
froide agitée, les nervures étant orientées parallèlement à la surface de
l'eau. La tôle a
alors été soumise à une traction contrôlée avec un allongement permanent de 2
%
observé dans la zone pré-usiné et un allongement nul dans les zones pleines.
On a
ensuite prélevé un bloc dans la zone pré-usinée ainsi qu'un bloc dans la zone
non-usinée
pour caractérisation. Des ébauches ont été prélevées dans le bloc non-usiné et
soumises
à une traction contrôlée avec un allongement permanent de 2 à 2.5%. Une
cinétique de
revenu par mesure de dureté Vickers a permis de déterminer les revenus au pic
qui ont
été pratiqués sur la partie pré-usinée et la partie pleine (respectivement 36h
à 130 C et
24h à 130 C). Des prélèvements ont été pris selon le plan de découpe de la
Figure 5.
Les caractéristiques mécaniques obtenues dans le voile du pré-usiné et dans la
tôle
pleine sont répertoriées dans le tableau 4. Le Kapp a été mesuré sur des
éprouvettes de
type CT avec un W égal à 75 mm (selon ASTM E561-98).
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Tableau 4
Echantillon Rpo.2(L) Rpo.2(L) Rm(L) A [%] Kapp (L-T) Kapp(T-L)
[MPa] [MPa] [MPa] (L) [MPa'im] [MPaVm]
(*) (**) (**) (**)
A 514 551 17.4
B 82.9 64.2
C 82.5 65
D 506 514 553 17.6
E 524 547 591 13.8
F 493 545 592 12.5
G 67.9 58.7
(*) valeur déterminée en compression
(* *) valeur déterminée en traction
On constate que la ténacité en contrainte plane Kapp (L-T) dans l'ébauche
préusinée selon
l'invention augmente d'environ 14 MW m par rapport à une pièce selon l'art
antérieur,
ce qui correspond à un gain d'environ 20 à 25 %, sans aucune dégradation sur
les
caractéristiques mécaniques statiques.
Exemple 3
Dans une tôle en alliage 7449 (composition : Zn 8,8 %, Cu 1,8 %, Mg 1,8 %, Zr
0,12
%, Si 0,04 %, Fe 0,06 %, Mn 0,01 %, Ti 0,03 %) d'une épaisseur de 90 mm brute
de
laminage à chaud, mais rivée et éboutée, on a découpé dans la pleine épaisseur
une tôle
de dimensions 9950 mm (sens L) x 2000 mm (sens TL). Cette tôle a été découpée
dans
la longueur (sens L) de façon à obtenir une première tôle de dimensions 9950
mm (sens
L) x 775 mm (sens TL) et une seconde tôle de dimensions 9950 mm (sens L) x
1225
mm (sens TL). Pour cette seconde tôle, on a alors usiné des nervures dans le
sens L sur
une longueur de 8400 mm centré dans la tôle laissant une zone pleine à chaque
extrémité (voir Figure 3). La géométrie de la section pré-usinée est décrite
dans la
Figure 4, avec les dimensions indiquées dans le Tableau 3.
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Tableau 5
Repère Dimension [mm]
(voir figure 4)
(1) 1275
(2) 90
(3) 122
(4) 32
(5) 16
La tôle de pleine épaisseur et la tôle pré-usinée ont été mises en solution
puis trempées
par immersion verticale dans de l'eau froide agitée, les nervures étant
orientées
parallèlement à la surface de l'eau. Les deux tôles ont alors été soumises à
une traction
contrôlée avec un allongement permanent de 2 à 2.5 % (observé dans la zone pré-
usiné
pour la tôle pré-usinée). On a ensuite prélevé un bloc dans la tôle pré-usinée
ainsi qu'un
bloc dans la tôle de pleine épaisseur pour caractérisation. Des prélèvements
ont été pris
selon le plan de découpe de la Figure 6. Plusieurs revenus ont été appliqués
afin
d'évaluer les gains liés au pré-usinage. Les caractérisations effectuées dans
le voile du
pré-usiné et à 1/8 d'épaisseur sous la surface de la tôle pleine sont
répertoriées dans le
tableau 6.
Tableau 6
Echantillon Etat Rpo.2(L) Rpo.2(L) Rm(L) A Kapp (L.T) EXCO
[MPa] [MPa] [MPa] (L) [MPa"m]
(*) (**), (**) [%] (**)
Al T651 551 564 598 18.0 93.7 EA
A2 T7951 566 564 580 14.8 91.5 EA
A3 T7651 528 534 558 16.5 95.0 EA
Bl T651 545 552 581 16.7 77.7 EB
B2 T7951 553 561 571 13.7 83.9 EA
B3 T7651 524 535 556 15.0 77.6 EA
(*) valeur déterminée en compression
(**) valeur déterminée en traction
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La même éprouvette que celle décrite dans l'exemple 2 a été utilisée pour les
mesures
de ténacité.
On constate que la ténacité en contrainte plane selon l'orientation L-T ( pp
(L_T)) dans
l'ébauche préusinée selon l'invention augmente entre 8 et 18 MPa'Im selon le
revenu
pratiqué par rapport à une pièce selon l'art antérieur, ce qui correspond à un
gain
d'environ 10 à 25 %, sans aucune dégradation sur les caractéristiques
mécaniques
statiques et la corrosion exfoliante.
