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ELEMENT DE STRUCTURE POUR CONSTRUCTION AERONAUTIQUE
PRÉSENTANT UNE VARIATION DES PROPRIETES D'EMPLOI
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne les produits corroyés et les éléments de
structure,
notamment pour construction aéronautique, en alliage d'aluminium à traitement
thermique. Elle concerne notamment les produits dit longs, c'est-à-dire les
produits
présentant une longueur significativement plus grande que les autres
dimensions,
typiquement au moins deux fois plus longues que larges, et d'une longueur
typiquement
d'au moins 5 mètres. Ces produits peuvent être des produits laminés (tels que
des tôles
minces, tôles moyennes, tôles épaisses), des produits filés (tels que des
barres, profilés,
tubes ou fils), et des produits forgés.
État de la technique
Les avions de très grande taille présentent des problèmes de construction tout
à fait
particuliers. A titre d'exemple, l'assemblage des éléments structuraux devient
de plus en
plus critique, d'une part en tant que facteur de coût (le rivetage est un
procédé très
coûteux), d'autre part en tant que générateur de discontinuités dans les
propriétés des
pièces assemblées.
Pour minimiser les assemblages, on peut préparer des éléments de structure par
usinage
intégral dans des tôles épaisses ; ces éléments de structures peuvent alors
intégrer en une
seule pièce (dite monolithique) différentes fonctions telles que la fonction
de peau de
voilure et la fonction de raidisseur. On peut également, et parallèlement,
agrandir la
dimension des éléments de structure monolithiques. Cela pose de nouveaux
problèmes
de fabrication de ces pièces par laminage, filage, forgeage ou m~ulage, car il
est plus
difficile de garantir des propriétés homogènes dans des pièces de très grande
taille.
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Il a été évoqué également de préparer des pièces monolithiques présentant une
variation
contrôlée de propriétés, ce qui permet, en théorie, de mieux adapter les
propriétés des
pièces aux besoins du constructeur. A ce titre, le brevet EP 0 630 986
(Pechiney
Rhenalu) décrit un procédé de fabrication de tôles en alliage d'aluminium à
durcissement structural présentant une variation continue des propriétés
d'emploi, dans
lequel le revenu final est effectué dans un four de structure spécifique
comprenant une
chambre chaude et une chambre froide, reliées par une pompe à chaleur. C e
procédé a
permis d'obtenir des petites pièces d'une longueur d'environ un mètre en
alliage 7010
dont une extrémité se trouve à l'état T651 et l'autre à l'état T7451, par un
traitement de
revenu isochrone. Ce procédé n'a jamais été développé à l'échelle
industrielle, car il est
difficile â contrôler d'une manière compatible avec les exigences de qualité
que pose le
domaine de la construction aéronautique ; ces difficultés augmentent avec la
taille des
pièces, sachant que c'est en particulier pour les très grandes pièces que le
concepteur
souhaiterait pouvoir intégrer deux ou plusieurs fonctionnalités par le biais
d'une
variation continue des propriétés d'emploi. Un autre problème que pose ce
procédé
pour l'exemple décrit dans le brevet cité est que les durées optimales des
traitements
T651 et T7451 sont différentes. Encore un autre problème est qu'un produit en
7010 à
l'état T7451 est obtenu typiquement par un traitement de revenu â deux
paliers, alors
que l'état T651 est obtenu par un traitement de revenu â simple palier.
Le problème auquel répond la présente invention est de développer un procédé
pour la
fabrication d'éléments de structure, notamment pour construction aéronautique,
présentant une variation des propriétés d'emploi, qui permet la réalisation de
pièces de
très grande longueur, et qui est suffisamment contrôlable, stable et
reproductible dans
les conditions strictes d'assurance de la qualité et de maîtrise des procédés
qui sont
couramment exigées par l'industrie aéronautique.
Objet de l'invention
Un premier objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'nne
pièce en
alliage d'aluminium à durcissement structural, comprenant
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a) la mise en solution d'un demi-produit laminé, filé ou forgé, suivie d'une
trempe,
b) éventuellement la traction contrôlée avec un allongement permanent d'au
moins
0,5%,
c) le traitement de revenu,
caractérisé en ce qu'au moins une étape dudit traitement de revenu est
effectuée dans un
four à profil thermique contrôlé dans la longueur, ledit four comportant au
moins deux
zones ou groupes de zones Z1, ZZ avec des températures initiales T1, Ta, dans
lesquelles
la variation de la température autour de la température de consigne de chacune
des
températures Tl et T2 ne dépasse pas ~ 5°C (préférentiellement ~
4°C, et encore plus
préférentiellement ~ 3°C) sur la longueur desdites zones ou groupes de
zones, la
différence entre les températures de consigne des températures initiales T1 et
Ta étant
supérieure ou égale à 5°C (préférentiellement comprise entre
10°C et 80°C, plus
préférentiellement entre 10°C et 50°C, et encore plus
préférentiellement entre 20°C et
40°C), et lesdites zones ou groupes de zones pouvant être séparées par
une zone ou
groupe de zones Z1,2 dit de transition à l'intérieur de laquelle ou duquel la
température
initiale varie de Tl à Tz,
et caractérisé en ce que la longueur parallèle à l'axe du four de chacune
desdites au
moins deux zones ou groupes de zones Z1 et Za est d'au moins un mètre (et
préférentiellement d'au moins deux mètres).
Un deuxième objet de la présente invention est un élément de structure
monolithique en
alliage d' aluminium à durcissement structural ayant une longueur L plus
grande que la
largeur B et l'épaisseur E, notamment pour construction aéronautique,
ledit élément de structure monolithique étant caractérisé en ce qu'au moins
deux
segments P1 et Pa situées sur une longueur différente dudit élément de
structure
possèdent des propriétés mécaniques (mesurée à mi-épaisseur) sélectionnées
dans le
groupe formé de
a) P1 ~ K(C(L-T) > 38 MPa~m et P~ : R,n(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa, et encore plus préférentiellement > 600
MPa).
b) PI : KIC(L-T) > 40 MPa~m et P~ : Rm(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa).
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c) PI ~ KIC(L-T) > 41 MPa~m et PZ : R,n(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa).
d) P1 ~ KIC(L-T) > 42 MPa~m et P2 : R",(L) > 590 MPa.
e) P1 ~ KIC(L-T) > 39 MPa~m et P2 : R",(L) > 580 MPa et P2 : Rm(TL) > 550 MPa.
f) P, ~ KIC(L-T) > 39 MPa~m et P2 : Rm(L) > 580 MPa et Pa : RPO,2(L) > 550
MPa,
i) P1 ~ KIC(L-T) > 39 MPa~m et P1 : R",(L) > 530 MPa, et P2 : Rm(L) > 580 MPa.
j) PI ~ ~IC(L-T) > 40 MPa~m et PI : Rm(L) > 540 MPa, et P2 : Rm(L) > 590 MPa.
k) P 1 : Kapp (L-T)(CCT406) > 125 MPa~m et P2 : R",(L) > 590 MPa.
Encore un autre objet de la présente invention est un avion comprenant au
moins une
aile qui intègre au moins un élément de structure selon la présente invention,
caractérisé
en ce que le segment P1 se situe proche du fuselage, et le segment Pa proche
de
l'extrémité géométrique de l'aile, à l'opposé du fuselage.
Description des figures
La figure 1 montre de manière schématique l'évolution des propriétés
mécaniques
statiques (courbe 1), par exemple la résistance à la traction ou à la
compression, et
dynamiques (courbe 2), par exemple la tolérance aux dommages, dans la longueur
d'un
panneau de voilure selon l'invention.
La figure 2 montre la résistance mécanique dans un élément de structure d'une
longueur
de 34 mètres selon l'invention.
Description 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
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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 Rm, la limite
élastique R~,a,
5 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. 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
contrainte Koo, 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.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1
s'appliquent. Le terme « tôle » est utilisé ici pour des produits laminés de
toute
épaisseur.
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, l'usinage chimique.
Le terme « produit filé » comprend également les produits qui ont été étirés
après filage,
par exemple par étirage à froid à travers une filière. Il comprend également
les produits
tréfilés.
Le terme <e élément de structure » se réfère à un élément utilisé en
construction
mécanique pour lequel les caractëristiques 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, de ses usagers
ou d'autrui.
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Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments
qui
composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skip 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 Cribs) 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.
Le terme « élément de structure monolithique » se réfère à un élément de
structure qui a
été obtenu à partir d'une seule pièce de demi-produit laminé, filé, forgé ou
moulé, sans
assemblage, tel que rivetage, soudage, collage, avec une autre pièce.
b) Description détaillée de l'invention
Selon l'invention, le problème est résolu par un procédé dans lequel dans un
four qui a
de préférence une longueur intérieure supérieure à la longueur de la pièce à
traiter, la
température est gardée sensiblement constante sur au moins deux zones de four
d'une
longueur d' au moins un mètre. Un tel profil de température peut être obtenu
en
subdivisant le four selon sa longueur en plusieurs zones thermiques.
L'invention est applicable à tous les produits métalliques longs, c'est-à-dire
présentant
une dimension (appelée longueur) significativement plus grande que les deux
autres
(largeur, épaisseur). La longueur est la plus grande dimension du produit.
Typiquement,
dans le cadre de la présente invention, la longueur est au moins deux fois
plus grande
que les deux autres dimensions. Dans des modes de réalisation particulièrement
avantageuses, elle est cinq ou même dix fois plus grande que les deux autres
dimensions. Elle coïncide habituellement avec le sens long de fabrication
(direction de
laminage ou de filage) ; dans certains cas, elle peut être différente. Les
produits selon
l'invention peuvent être des produits laminés (tels que les tôles ou tôles
fortes), des
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produits filés (tels que les barres, tubes ou profilés), des produits forgés;
ces produits
peuvent être bruts de fabrication ou usinés.
On entend ici par « segments à propriétés extrêmes » d'un produit les deux
segments
montrant la plus forte différence de propriétés. En fonction des modes de
réalisation
choisis, ces segments peuvent se situer proche des deux <e extrémités au sens
géométrique » (ou « extrémités géométriques ») du produit, ou ailleurs : la
présente
invention permet aussi de fabriquer des pièces dans lesquelles au moins un des
deux
segments montrant la plus forte différence de propriétés se situe plus proche
du milieu
géométrique que de l'extrémité géométrique de la pièce.
On entend ici par « zone » d'un four la plus petite unité thermique sur la
longueur du
four caractérisée par une température sensiblement constante, c' est-à-dire
par une
variation de température parallèle à l'axe du four qui est faible comparée à
la différence
de température qui caractérise le profil de température du four sur la
totalité de sa
longueur. Une telle zone de four est caractérisée par des moyens de chauffage
et de
contrôle qui permettent de maintenir la température à une valeur sensiblement
constante
à l'intérieure de ladite zone. A l'intérieur d'une telle zone, la variation de
la température
autour de la température de consigne ne doit pas dépasser ~ 5°C, et
préférentiellement
ne dépasse pas. ~ 4°C. Dans un mode de réalisation préféré, cet écart
ne dépasse pas ~
3°C. Pour certains produits, l'écart ne doit pas dépasser ~ 2°C.
Dans les autres
directions du four, la température doit être aussi constante que possible. En
tout état de
cause, la variation de la température autour de la température de consigne à
l'intérieur
d'une zone doit être plus faible que la différence de température entre la
zone de four la
plus chaude et la zone de four la plus froide.
Plusieurs zones contiguës peuvent former un « groupe de zones », c'est-à-dire
une unité
thermique à l'intérieur de la quelle la température est sensiblement
constante, ou suit un
profil thermique contrôlé. A titre d'exemple, dans un four comprenant 9 zones
de four
(numérotées de 1 à 9), on peut former deux groupes de zones thermiques
comprenant
chacune trois zones de four (ayant les numéros successifs 1, 2, 3, 7, 8 et 9),
séparées par
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un groupe de zones central comportant un profil thermique contrôlé et obtenu
par
l'intermédiaire de trois zones de four (portant les numéros successifs 4, 5 et
6). Tel que
le terme « groupe de zones » est utilisé dans le cadre du présent brevet, un
groupe de
zones peut ne comporter qu'une seule zone de four.
Selon les constations de la demanderesse, la différence de température
minimale qui
conduit à des différences de propriétés industriellement exploitables entre
deux
segments à propriétés extrêmes du produit selon l'invention est de cinq
degrés. Une
différence d'au moins dix degrés est préférée. La différence de température
peut être
beaucoup plus importante, jusqu'à 80°C, voire jusqu'à 100°C, ou
même davantage,
mais cela peut poser des problèmes de contrôle de la température et de son
profil
parallèle à l'axe du four, et ceci notamment dans le cas des pièces
relativement petites.
Si l'on veut obtenir des états revenus, la différence de température ne
dépassera
typiquement pas cinquante degrés. Une différence de température supérieure à
cinquante degrés peut être utilisée avantageusement pour fabriquer une pièce
dont un
des segments à propriétés extrêmes se trouve dans un état voisin d'un ëtat T3
ou T4.
Pour les alliages de type Al-Zn-Cu-Mg (série 7xxx), une différence de
température
relativement faible (par exemple entre dix et environ trente degrés) permet
d'obtenir des
effets exploitables pour des pièces utilisables en construction aéronautique,
alors que
pour les alliages de type Al-Cu (série 2xxx), on utilise avantageusement une
différence
de température plus grande, par exemple comprise entre cinquante et cent
degrés, ou
même plus.
La demanderesse a constaté que ce n'est pas uniquement la différence de
températures
entre deux segments ~à propriétés extrêmes qui compte, mais aussi la maîtrise
de la
température entre les segments à propriétés extrêmes. C'est pourquoi on
utilise dans la
présente invention un four comportant une pluralité de zones de four
contiguës. On
entend par pluralité au moins deux, et préférentiellement au moins trois zones
de four.
Une cloison entre deux zones contiguës, telle que proposée dans le brevet EP 0
630 986,
n'est ni nécessaire ni utile. Elle ne permet pas d'exercer une maîtrise
suffisante sur la
température entre deux zones. De même, l'usage d'une pompe à chaleur qui relie
la
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chambre froide à la chambre chaude, comme proposé dans EP 0 630 986, rend le
profil
thermique à l'intérieur du four trop instable. Dans le cadre de la présente
invention, une
bonne maîtrise du profil thermique à l'intérieur du four est indispensable
pour pouvoir
fabriquer des éléments de structure d'une manière compatible avec les
exigences
d'assurance qualité des produits aéronautiques.
Dans ce but, il est nécessaire de pouvoir contrôler, et préfërable de pouvoir
régler, la
température dans chaque zone de four. Dans une réalisation avantageuse de la
présente
invention, le four comporte au moins trois zones de four d'une longueur
unitaire d'au
moins un mètre. A titre d'exemple, pour fabriquer des éléments de structure
d'une
longueur d'environ trente-quatre mètres, les inventeurs utilisent un four
d'une longueur
totale de trente-six mètres avec trente zones de four de longueur sensiblement
identique,
réglables indépendamment les unes des autres. Avantageusement, ces trente
zones de
four sont groupées de manière à former un nombre réduit de groupes de zones
thermiques, par exemple trois à cinq.
Le procédé selon l'invention comprend l'élaboration d'une pièce corroyée en
alliage
d'aluminium à durcissement structural, une mise en solution, trempe,
éventuellement
traction avec un allongement permanent d'au moins 0,5°10, un traitement
de revenu dans
un four à profil thermique contrôlé. Ledit traitement de revenu dans un four à
profil
thermique peut comporter, pour au moins un des groupes de zones thermiques qui
composent le profil thermique contrôlé, un ou plusieurs, typiquement deux ou
trois,
paliers de température, ou une rampe plus ou moins continue de température
sans palier
net. Optionnellement, le traitement de revenu dans le four à profil thermique
contrôlé
est précédé ou suivi d'une autre étape de traitement de revenu dans un four
homogène
(qui peut être le même four, réglé de manière à obtenir une température
homogène dans
toutes ses zones, ou un autre four). Un tel revenu final en four homogène est
particulièrement utile lorsque l'on vise à obtenir un état apte à une
opération de formage
au revenu ; le revenu final homogène permet dans ce cas le formage au revenu.
Par
ailleurs, une pièce peut subir un revenu dans le four à gradient thermique
contrôlé, puis
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au moins une opération de mise en forme ou d'usinage, et ensuite une étape de
traitement de revenu dans un four homogène.
L'invention permet de réaliser un élément de structure monolithique en alliage
5 d'aluminium à durcissement structural ayant une longueur L plus grande que
la largeur
B et l'épaisseur E, notamment pour construction aéronautique, ledit élément de
structure
monolithique étant caractérisé en ce qu'au moins deux segments P1 et PZ
situées sur une
longueur différente dudit élément de structure possèdent des propriétés
physiques
(mesurées à mi-épaisseur) sélectionnées dans le groupe formé de
10 a) Pt ~ KIC(L-T) > 38 MPa~m et PZ : Rm(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa, et encore plus préférentiellement > 600
MPa).
b) Pt ~ KIC(L-T) > 40 MPa~m et P~ : Rm(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa).
c) Pt ~ KIC(L-T) > 41 MPa~m et P2 : Rm(L) > 580 MPa
(et préférentiellement > 590 MPa).
d) Pt : KtC(L-T) > 42 MPa~m et PZ : Rm(L) > 590 MPa.
e) Pt ~ KIC(L-T) > 39 MPa~m et P~ : Rm(L) > 580 MPa et P2 : Rm(TL) > 550 MPa.
~ Pt ~ KIC(L-T) > 39 MPa~m et Pa : Rm(L) > 580 MPa et PZ : Rpo,2(L) > 550 MPa,
i) Pt ~ I~IC(L-T) > 39 MPal~m et Pt : Rm(L) > 530 MPa, et PZ : Rm(L) > 580
MPa.
j) Pt : KIC(L-T) > 40 MPa~m et Pt : Rm(L) > 540 MPa, et Pa : Rm(L) > 590 MPa.
k) P1 : I~app(L-T)(CCT406) > 125 MPa~m et P2 : Rm(L) > 590 MPa.
Il est préfëré que le procédë soit conduit de manière à ce que l' allongement
à rupture
A(L~ soit supérieur à 9%, et préférentiellement > 10%, dans les segments P t
et P2. Cela
est avantageux notamment lorsque les pièces doivent subir des opérations de
mise en
forme après revenu. De même, il est préférable que A(L) soit supérieur à 9% en
dehors
de ces segments Pt et P2. On peut obtenir des demi-produits caractérisés en ce
qu'ils
possèdent deux segments Pt et Pa dans lesquels (mesuré à mi-épaisseur)
a) Rp0.2~ mesuré dans le sens L ou dans le sens LT, présente un écart
Rpo.2(pa> -
3O Rp0.2(Pl) d'au moins 50 MPa et préférentiellement au moins > 75 MPa, et /
ou
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b) RPO,Z, mesuré dans le sens TC, présente un écart Rpo,2(P2~ - RP0.2(P1) d'au
moins 30
MPa et préférentiellement d'au moins 50 MPa, et / ou
c) K,~, mesuré dans le sens L-T, présente un écart K,~~Py - KIC(P2) d'au moins
5
MPa~m et préférentiellement d'au moins 7 MPa~m, et / ou
d) Kapp, mesuré dans le sens L-T, présente un écart Kapp~pl~- Kapp~p2~ d'au
moins 10
MPa~m et préférentiellement d'au moins 15 MPa~m.
Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour élaborer des demi-produits
en tout
alliage à durcissement structural, tel que les alliages d'aluminium des séries
2xxx, 4xxx,
6xxx et 7xxx, ainsi que les alliages à durcissement structural de la série
8xxx contenant
du lithium.
Le procédé selon l'invention peut, dans le cas des alliages de type Al-Zn-Cu-
Mg (série
7xxx), être utilisé pour avoir un des segments à propriétés extrêmes dans un
état proche
de T6, et un autre segment à propriétés extrêmes proche de l'état T74 ou T73.
Dans les alliages de la série 2xxx, de la série 6xxx ainsi que dans les
alliages de la série
8xxx qui contiennent du lithium, le procédé selon l'invention peut être
utilisé pour
obtenir sur un des segments à propriétés extrêmes un état proche de T3 ou T4,
et sur
l'autre segment à propriétés extrêmes un état proche de T6 ou T8.
Dans une réalisation avantageuse de l'invention, l'alliage comprend entre 6 et
15 % de
zinc, entre 1 et 3% de cuivre et entre 1,5 et 3,5 % de magnésium. Dans
d'autres
réalisations avantageuses, la teneur en zinc est d' au moins 7%, et se situe
préférentiellement entre 8 et 13%, et encore plus préférentiellement entre 8,5
et 11%. La
teneur en cuivre se situe avantageusement entre 1,3 et 2,1%, et la teneur en
magnésium
entre 1,8 et 2,7%. Ces alliages, dont le 7449, le 7349 et le 7056, permettent
d'obtenir à
la fois une très haute résistance mécanique (par exemple à l'état T651 ou
T7951) et une
très forte ténacité (par exemple à l'état T76, T7651 ou T74, ou à l'état
T7451, T73 ou
T7351), tout en conservant dans les deux états correspondants aux deux
segments à
propriétés extrêmes du produit, ainsi que dans les zones intermédiaires, un
compromis
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entre résistance mécanique et ténacité acceptables et une résistance à la
corrosion
exfoliante (essai EXCO) maintenue à un bon niveau (EA).
Dans une réalisation avantageuse de la présente invention, on effectue sur une
tôle, un
profilé ou une pièce forgée mise en solution, trempée et tractionnée, un
revenu en deux
étapes
Une première étape homogène à une température comprise entre 115°C et
125°C pour
une durée comprise entre 2 et 12 heures,
une deuxiéme étape pendant laquelle un segment ou une extrémité géométrique
est
traité à une température comprise entre 115°C et 125°C, alors
qu'un autre segment ou
l'autre extrémité est traité à une température comprise entre 150°C et
160°C, les deux
pour une durée comprise entre 8 et 24 heures.
Ce revenu convient notamment aux produits en alliage 7xxx, et notamment en
alliage
7349, 7449 ou 7056.
Dans une autre réalisation avantageuse de la présente invention, on effectue
sur un
produit en alliage 2xxx (tel que le 2024 ou le 2023) sur un segment ou une
extrémité
géométrique (P1) un revenu à environ 120°C, et sur un autre segment ou
l'autre
extrémité géométrique (P2) un revenu au pic de résistance mécanique (état T851
) à
environ 190°C. Dans une variante de ce mode de réalisation, le segment
ou l'extrémité
géométrique qui n'est pas porté au pic de résistance mécanique (i.e. P1) subit
un revenu
à environ 100°C (ou 80°C) ; c'est un état sous-revenu.
Dans une autre réalisation avantageuse, on effectue sur un produit en alliage
7xxx (tel
que le 7349, le 7449 ou le 7056) sur un segment ou une extrémitë géométrique
un
revenu au pic de résistance mécanique (état T651) à environ 120°C, et
sur un autre
segment ou l'autre extrémité géométrique un sur-revenu (état T7651, T7451 ou
T7351)
en deux paliers à 120°C et 150°C - 165°C.
Dans encore une autre réalisation avantageuse, on effectue sur un produit en
alliage
6xxx (tel que le 6056 ou le 6156) sur un segment ou une extrémité géométrique
un
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revenu au pic de résistance mécanique (état T651) à environ 190°C, et
sur un autre
segment ou l'autre extrémité géométrique un sur-revenu (état T7851) en deux
paliers.
Les pièces métalliques obtenues par le procédé selon l'invention peuvent être
utilisées
comme élément de structure dans la construction aéronautique. Ces éléments de
structure peuvent être bi-fonctionnels ou multi-fonctionnels, c'est-à-dire
réunir en une
seule pièce monolithique des fonctionnalités différentes que les procédés
selon l'art
antérieur ne pouvaient réunir que par l'assemblage de pièces différentes. Ces
éléments
de structure peuvent aussi permettre une construction et une fabrication plus
simple et
allégée d'avions, notamment d'avions de très grande capacitë de fret ou de
passagers.
Un avantage spécifique du procédé selon l'invention est que dans chaque
segment à
propriétés extrêmes, on obtient les propriétés optimales visées dans une
longueur bien
contrôlée du produit. Le concepteur de l'avion sait donc exactement sur quelle
longueur
le produit aura les propriétés optimales préconisées et garanties. Dans un
mode de
réalisation particulièrement préféré, le procédé selon l'invention est utilisé
pour
fabriquer des éléments de structure qui n'ont pas une variation continue de
propriétés
sur toute leur longueur, mais qui ont au moins deux zones dans lesquelles les
propriétés
mécaniques (ou certaines d'entre elles) sont constantes sur une certaine
longueur du
produit. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, cette zone a une
longueur d'au
moins un mètre, et préférentiellement d'au moins deux mètres. Un tel produit,
ainsi que
son utilisation comme élément de structure dans une aile d'avion, est montré
schématiquement sur la figure 1.
Un autre avantage spécifique du procédé selon l'invention est le contrôle
précis des
propriétés dans le segment de transition Pt,~ entre deux groupes de segments
P, et P2 (il
peut y en avoir deux ou plus, en fonction du nombre de groupes de zones
thermiques),
P 1 et Pa pouvant être des segments à propriétés extrêmes. En effet, le
concepteur de
l'avion n'a pas besoin, dans le segment de transition, de propriétés maximales
pour
l'une ou l'autre des propriétés (ou groupes de propriétés) à optimiser, par
exemple la
résistance à la rupture au sens long R",~~~ et la ténacité I~,C(L-T). Mais il
exige néanmoins
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un certain compromis entre ces propriétés ou groupes de propriétés, car dans
ce segment
de transition, l'élément de structure joue bien un rôle structural et doit
répondre à des
spécifications précises.
Les éléments de structure selon l'invention sont notamment
- des panneaux de voilure (en anglais : upper (top) or lower (bottom) wing
(skin)
panels) ;
- des raidisseurs de voilure (en anglais : upper or lower wing stringers)
- des longerons de voilure (en anglais : wing spars) ;
- des lissesde fuselage (en anglais : fuselage stiffeners) ;
- des panneaux de jonction (en anglais : butt straps), notamment pour des
panneaux de voilure (upper and lower wing butt straps) ;
- des panneaux de fuselage (en anglais : fuselage panels).
Le procédé selon l'invention permet de traiter thermiquement des pièces ou
éléments de
structure longs. Le plus souvent, leur section perpendiculaire à la longueur
est
sensiblement constante sur leur longueur, mais cela peut en être autrement. De
même,
les pièces peuvent être droites ou non ; on peut par exemple traiter des
éléments de
structure forgés légèrement galbés. Le procédé pourrait être utilisé également
pour
traiter des pièces moulées, mais des pièces moulées longues sont très rares et
difficiles à
fabriquer. Dans une réalisation préférée, la longueur de la pièce est d'au
moins 5 mètres
ou mieux d'au moins 7 mètres, mais on préfère une longueur d'au moins 15
mètres,
voire d' au moins 25 mètres, pour profiter pleinement des possibilités de
créer plusieurs
segments fonctionnalisés répartis sur la longueur de la pièce. On a ainsi
réalisé des
éléments de structure avec au moins deux segments P 1 et Pa dans lesquels la
longueur
FP1 et FP2 (exprimée en pourcents de la longueur totale de la pièce L)
desdites au moins
deux segments P1 et P2 est telle que FP1 > 25% et FP2 > 25% et
préférentiellement FPl >
30% et FPZ > 30%. Dans d'autres réalisations, FPl > 35% et FP2 > 30%, ou FP1 >
40% et
FP~ > 30%.
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Des éléments de structure selon l'invention peuvent être utilisés
avantageusement en
construction aéronautique. A titre d'exemple, on peut construire un avion de
grande
capacité comprenant au moins une aile comprenant au moins un élément de
structure
selon l'invention, caractérisé en ce que le segment P1 se situe proche du
fuselage, et le
5 segment P2 proche de l' extrémité géométrique de l' aile (voir figure 1 ).
Dans une
réalisation avantageuse, lesdits panneaux de voilure ont une longueur d'au
moins 15
mètres, et préférentiellement d'au moins 25 mètres. Comme décrit dans
l'exemple ci-
dessous, les inventeurs ont réalisé des panneaux de voilure de plus que 30
mètres de
long.
Lesdites pièces et éléments de structure peuvent être monolithiques. Le
procédé selon
l'invention permet également de traiter thermiquement des pièces ou éléments
de
structure qui ne sont pas monolithiques mais assemblées à partir d' au moins
deux pièces
ou demi-produits laminés, filés ou forgés (préférentiellement en alliage
d'aluminium à
durcissement structural), par exemple par soudage, rivetage ou collage. Il est
également
envisageable que dans un tel assemblage, une ou plusieurs des pièces soient
fabriquées à
partir d'un matériau de base qui n'est pas un alliage d' aluminium.
Dans ce mode de réalisation, on peut par exemple fabriquer d' abord un
assemblage
entre au moins une tôle en alliage d'aluminium à durcissement structural et au
moins un
profilé en alliage d'aluminium à durcissement structural par rivetage, soudage
ou
collage, ledit assemblage étant ensuite traité par le procédé selon
l'invention. Dans une
réalisation avantageuse de cette variante du procédé selon l'invention, les
tôles et
profilés sont à l'état T351, et l'assemblage est réalisé par soudage laser
(Laser Beam
Welding, LBW), soudage par friction (Friction Stir Welding, FSW) ou soudage
par
faisceau d'électrons (Electron Beam Welding, EBW). La demanderesse a constaté
qu'il
peut s'avérer préférable de traiter un tel assemblage soudé après soudage par
le procédé
selon l'invention, au lieu de traiter les demi-produits (tôles et profilés)
destinés à
constituer ledit assemblage avant soudage, car on obtient une amélioration de
la
résistance mécanique et de la résistance à la corrosion du joint soudé. Cet
effet est
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significatif lorsque le joint soudé s'étale sur une grande longueur de
l'élément structural
(par exemple sensiblement parallèle au sens long du produit).
L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple suivant, qui n'a
toutefois pas de
caractère limitatif.
Exemple
On a fabriqué une tôle d'une longueur de 36 mètres, d'une largeur de 2,5
mètres et
d'une épaisseur de 30 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage.
La composition de l'alliage était
Zn 9,1%, Mg 1,89%, Cu 1,57%, Fe 0,06%, Si 0,03%, Ti 0,03%, Zr 0,11%,
autres elements < 0,01 chacun.
La plaque de laminage a ëté homogénéisée pendant 14 heures à 475°C. La
température
d'entrée au laminoir à chaud était de 428°C, la température de sortie
de la tôle laminée à
chaud était de 401°C. La tôle a été mise en solution, trempée et
tractionnée dans les
conditions suivantes : maintien pendant 6 heures à 471°C, trempe dans
de l'eau à une
température comprise entre environ 15 et 16 °C, puis traction contrôlée
avec un
allongement permanent d'environ 2,5% La tôle a été éboutée pour donner une
tôle
d'une longueur de 34 mètres. Elle a été positionnée en longueur dans un four
constitué
de 30 zones d'une longueur unitaire de 1200 mm. Pour toutes les températures
de
revenu, la variation autour de la valeur de consigne ne dépassait pas ~
3°C .
Le traitement de revenu consistait en une première étape de traitement
homogène à
120°C pendant 6 heures (« premier palier »), immédiatement suivie d'une
deuxième
étape au cours de laquelle une extrémité géométrique de 18 mètres (appelée Z,,
correspondant à 15 zones de four) a été traitée pendant 15 heures à
155°C (« deuxième
palier », précédé d'un période d'ajustement d'environ 1 heure), alors que
l'autre
extrémité géométrique de 10,8 mètres (appelée ZZ, correspondant à 9 zones de
four) a
été maintenue pendant 16 heures à 120°C. La zone de transition entre
ces deux
extrémités correspondait à 7,2 mètres (appelée Z1,2, correspondant à 6 zones
de four).
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Après cette deuxième étape, la conductivité électrique de la tôle a été
mesurée à
différents endroits
Segment P1 : comprise entre 18,2 et 19,5 MS/m.
Segment P2 : comprise entre 22,5 et 23,5 MS/m
Segment P1,~, . comprise entre 18,2 et 23,6 MS/m
Ensuite, la tôle a été soumise à une troisième étape de revenu, à savoir un
revenu
homogène consistant en une montée en température à 148°C pendant 1h30,
suivie d'un
maintient à 150°C pendant 15h heures. Cette troisième étape était
destinée à simuler une
opération de formage au revenu ou un revenu après mise en forme de l' élément
de
structure.
La tôle a été découpée et caractérisée. Le tableau 1 résume les
caractéristiques
mécaniques statiques obtenues par un essai de traction. Ce sont des moyennes
obtenues
à partir de mesures effectuées à mi-épaisseur et à différents endroits
répartis sur la
largeur de la tôle. On n'a pas constaté de variation significative de
propriétés dans la
largeur de la tôle. A noter que pour Rpo.~ dans les sens L et TL, on a mesuré
également
les valeurs par un essai en compression ; elles sont indiquées dans le tableau
1 entre
parenthèses.
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Tableau 1
Position [mm]Sens Sens Sens
L TL TC
(long)
dans la longueur (travers-long) (travers-court)
d'un panneau Rm Rpo,~ A Rm RPO,2 A R", Rpp,2 A
de 34 m [MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%]
0 (P1) 561 517 550 506 12,5 550 495 8,5
5
13
509 , 519
13600 (P1) 565 522 13 553 511 12,5 548 502 8,5
5
'
513 528
16000 (P1) 556 509 13 547 501 12,5 540 500 8,5
5
500 ' 514
18400 (P1,2) 566 523 559 519 12,5 546 498 7,5
13'5
527 538
20800 (P1,~) 612 587 12 598 575 11,5 590 545 7,0
0
'
573 593
25600 (P2) 621 598 12 607 585 11,5 595 554 6,5
5
590) ' (605
34000 (P~) 624 602 12,1 608 586 11,5 599 558 6,1
594 607
Les résultats de ténacité KID et de Kapp (ce dernier obtenu avec une
éprouvette de type
CT127 et avec une éprouvette de type CCT406) sont indiqués au tableau 2.
Tableau 2
Position [mm] dansKiC (L-T) KID (T-L) Kapp(L-T)KapP(L-T)
la [MPa.~m] [MPa~m] (CT127) (CCT406)
longueur d'un panneau [MPa~m] [MPa~m]
de 34 m
0 (Pi) 43,8 36,1 106 132
13600 (P1) 45,8 38,1 108 -
16000 (P1) 46,7 37,3 99 -
18400 (P1,2) 43 ,0 34,2 102 -
20800 (P~,~) 39,4 32,9 88 -
25600 (P2) 36,1 34,9 89
34000 (P~) 34,9 29,1 94 110
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Une telle tôle d'une longueur de 34 mètres peut être utilisée comme panneau de
voilure
pour des avions cargo ou passagers de très grande capacité. Pour cette
utilisation,
l'extrémité géométrique X de la tôle (correspond à ténacité KID élevée, la
résistance
mécanique statique étant plus faible) est positionnée côté fuselage, et
l'extrémité
géométrique Z de la tôle (correspond à une résistance mécanique statique
élevée, la
ténacité KID étant plus faible) correspond à l'extrémité géométrique de
l'aile.
Les températures de consigne, de la tôle et de l'air dans les zones du four
pour la
deuxième étape de revenu sont montrées sur le tableau 3. On a représenté le
profil de
température pendant l'étape de revenu à 120°C et 155°C à l'état
thermique stationnaire.
La température de la tôle a été mesurée à l'aide d'une quarantaine de
thermocouples ;
les valeurs données dans le tableau 3 ont été mesurées à mi-largeur.
Tableau 3
Zone de Temprature Temprature Temprature
four de de de
consi e C la tle C l'air C
1 120
3 120 120,5
6 120 120,8 120,8
9 120 124,4 124,3
10 123 125,9 126,7
11 129 129,9 129,7
14 147 147,7 148,3
16 155 157,2 156,6
17 155 156,5 156,6
18 155 155,3 154,9
22 155 155,1 154,8
- _
30 ~ 155 I
