Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
1
Procédé de fabrication de produits en alliage d'aluminium à haute
ténacité et haute résistance à la fatigue
Domaine de l'invention
L'invention concerne un nouveau procédé de fabrication pour des produits
laminés, filés ou forgés en alliage d'aluminium à haute ténacité et haute
résistance à
la fatigue, notamment en alliage de type Al-Zn Cu-Mg, ainsi que des produits
obtenus par ce procédé, et notamment des éléments de stracture élaborés à
partir de
tels produits et destinés à la construction d'aéronefs. Il est basé sur
l'introduction de
baryum dans un alliage liquide à base d'aluminium.
Etat de la technique
On sait que lors de la fabrication de demi-produits et éléments structuraux
pour
construction aéronautique, les diverses propriétés recherchées ne peuvent pas
être
optimisées toutes en même temps et les unes indépendamment des autres. Lorsque
l'on modifie la composition chimique de l'alliage ou les paramètres des
procédés
d'élaboration des produits, plusieurs propriétés critiques peuvent même
montrer des
tendances antagonistes. Tel est parfois le cas des propriétés rassemblées sous
le
terme résistance mécanique statique (notamment la résistance à la rupture
R. et
la limite d'élasticité RpO,2) d'une part, et des propriétés rassemblées sous
le terme
tolérance aux dommages (notanunent la ténacité et la résistance à la
propagation
des fissures) d'autre part. Par ailleurs, certaines propriétés d'usage comme
la
résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion, l'aptitude à la mise en
forme et
l'allongement à rupture sont liées d'une façon complexe et souvent
imprévisible aux
propriétés (ou caractéristiques ) mécaniques. L'optimisation de l'ensemble
des
propriétés d'un matériau pour construction mécanique, par exemple dans le
secteur
aéronautique, fait donc très souvent intervenir un compromis entre plusieurs
paramètres-clé.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR20051001572
2
A titre d'exemple, dans les avions civils de grande capacité, on utilise
typiquement pour les éléments de structure de voilure des alliages de type
7xxx. Ces
éléments doivent présenter une haute résistance mécanique, une bonne ténacité
et
une bonne résistance à la fatigue. Toute nouvelle possibilité d'améliorer l'un
des ces
groupes de propriétés sans dégrader les autres serait la bienvenue.
En ce qui concerne la ténacité, il est bien connu que pour améliorer la
ténacité
des alliages d'aluminium à durcissement structural, il faut diminuer la teneur
résiduelle en fer et silicium ; cela est appelé dans la profession la
septième règle
d'or de Staley (J.T. Staley, "Microstructure and Toughness of High-Strength
Aluminum Alloys" Properties Related to Fractare Toughness, ASTM STP 605,
American Society for Testing and Materials, 1976, p. 71 - 103). Cet effet est
observé
dans pratiquement tous les alliages d'aluminium à durcissement structural,
quel que
soit leur niveau de ténacité. Le fer et le silicium sont des impuretés
naturelles de
l'aluminium. Hormis les procédés de purification spécifiques utilisés pour la
production d'aluminium de grande pureté (par exemple le procédé de
ségrégation), il
n'existe pas de procédé industriel permettant de diminuer la teneur en fer et
silicium
dans un bain d'aluminium liquide. Par ailleurs, ces éléments ont tendance à
s'accumuler lors de recyclage de l'aluminium et de ces alliages. Tout ce que
l'on
peut faire pour diminuer leur teneur est de diluer ces impuretés avec du métal
plus
pur, soit avec du métal d'électrolyse (dit aluminium primaire ), dont la
teneur en
fer + silicium se situe habituellement aux environs de 0,2 à 0,3 %, soit avec
du métal
raffiné. Dans les deux cas, et surtout dans le deuxième, l'opération entraîne
un
surcoût significatif.
En ce qui concerne la résistance à la fatigue, l'effet des impuretés fer et
silicium
est également néfaste. Une baisse de la teneur résiduelle en fer et silicium
conduira
normalement à une amélioration de la résistance à la fatigue, si par ailleurs
les
précautions habituelles sont prises lors de l'élaboration du métal liquide et
lors de la
coulée pour éviter la formation d'inclusions et l'incorporation d'hydrogène
dans le
métal.
II est bien connu quo les éléments fer et silicium forment avec l'aiuminium
des
phases intermétalliques quasiment insolubles, tel que A17Cu2Fe, Al6(FeXMni_,)
(avec
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
3
0< x < 1), A112Fe3Si, Al9Fe2Si2, Mg2Si. Lorsqu'elles sont de grande taille,
ces phases
sont plus nocives que lorsqu'elles sont petites. Les possibilités d'agir sur
leur taille
lors de la coulée par l'intermédiaire des paramètres physiques (notamment la
vitesse
de solidification) sont malheureusement assez limitées.
Face à la difficulté de réduire les phases intermétalliques au fer et au
silicium et
de modifier leur taille et morphologie par l'intermédiaire de traitements
physiques, il
a été imaginé de modifier leur taille et morphologie par l'ajout de certains
éléments
chimiques. Un tel effet, s'il est constaté, ne sera industriellement
exploitable qu'à
condition de ne pas induire des effets négatifs sur d'autres propriétés du
produit fini.
Ainsi, dans certains alliages de moulage de type Al-Si, on ajoute du Na et /
ou Sr
pour obtenir des phases de Si de forme finement fibreuse au lieu de
prismatique
grossière. Le brevet FR 1 507 664 (Metallgesellschaft Aktiengesellschaft)
constate
que dans les alliages de moulage type Al-Si avec une teneur en Si entre 5 et
14%,
l'ajout de strontium et / ou de baryum (Ba) à raison de 0,001 à 2% conduit à
l'obtention d'une structure eutectique fine ; cet effet est renforcé par
l'ajout
simultané de béryllium (Be). Le brevet EP 1 230 409 B i(RUAG Components)
enseigne que l'ajout de baryum (entre 0,1 et 0,8%) à des alliages d'aluminium
avec
une teneur en silicium d'au moins 5% améliore leur d'aptitude au formage
thixotropique. Pour les alliages de corroyage à durcissement structural, le
brevet US
4,711,762 (Aluminum Company of America) propose l'ajout de strontium (Sr),
antimoine (Sb) et/ou calcium (Ca) à un alliage de type AI-Zn-Cu-Mg pour
réduire la
taille des phases A17Cu2Fe, Al2CuMg et Mg2Si.
Des alliages à base d'aluminium contenant du baryum ont été décrits dans
d'autres documents de l'état de la technique. Dans la plupart des cas, sa
fonction est
de rendre fluide les crasses de fonderie (en anglais flux and dross ) ; en
revanche,
son influence sur les propriétés du produit n'est pas décrite. Ainsi, le
brevet GB 505
728 (L'Eléctrique) mentionne un alliage à base d'aluminium destiné à la
fabrication
de fil étiré et contenant Zn 5 - 6,5%, Mg 2 - 3,5%, Si 0,15 - 0,5%, Mn 0,25 -
1%,
Mo 0,20 - 0,60%, Co 0,20 - 0,60%, K 0- 0,12%, Ba 0- 0,25%, Sb 0- 0,1%, W 0-
0,50%, Ni 0- 1%, Ti 0- 0,40%, dans lequel le baryum est introduit sous forme
de
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
4
chlonre afin de fluidifier les crasses ; cette teneur en baryum dans le
produit
métallique obtenu aurait également un effet durcissant.
Le brevet GB 596,178 (Tennyson Fraser Bradbury) décrit l'ajout des éléments
Na, K, Ba et / ou P à raison d'une teneur totale maximale de 0,15% à un
alliage à
base d'aluminium contenant Cu 5,00 - 9,50%, Zr, Ni, Ce 0,05 - 1,00 au total,
Si 0,02
- 0,40%, Fe 0,02 - 0,50%, Zn 0,00 - 0,25%.11 s'agit d'un alliage de moulage
pour
pistons. Ni la fonction ni le mode d'introduction du baryum ne sont spécifiés.
Le brevet US 4,631,172 (Nadagawa Corrosion Protection Co.) décrit un alliage à
base d'aluminium utilisé en tant qu'anode sacrificielle contenant 3,2% de Zn,
1,5%
de magnésium, 0,02% d'indium, 0,01% d'étain et/ou du calcium et du baryum, ce
dernier en une teneur comprise entre 0,002% et 1,0%. Une autre composition
contient Zn 2,5%, Mg 2,5%, In 0,02%, Ca et / ou Ba 0,005 - 1,0%, Si 0,004 -
1,0%.
L'ajout de calcium et /ou baryum augmente la densité de courant et assure une
usure
uniforme de l'anode sacrificielle. La demande de brevet JP 61 096052 A décrit
une
anode sacrificielle en alliage à base d'aluminium de composition Zn 1- 10%, Mg
0,1 - 6%, In 0,01 - 0,04%, Sn 0,005 - 0,15%, Si 0,09 - 1%, Ca et / ou Ba 0,005
-
0,45%.
Le brevet CH 328 148 (Wilhelm Neu) décrit l'introduction d'un hydrure de
baryum dans un alliage de type zinc-aluminium avec au moins 40% de zinc.
Le brevet US 3,310,389 (High Duty Alloys Ltd) mentionne la présence de
baryum, calcium et/ou strontium dans une teneur totale jusqu'à 0,2% dans un
alliage
à base d'aluminium contenant Cu 2,2 - 2,7%, Mg 1,3 - 1,7%, Si 0,12 - 0,25%, Fe
0,9-1,2%,Ni 0,9-1,4%,Ti0,02-0,15%.
Le brevet RU 2 184 167 (inventeur : I.N. Fridljander et al) décrit un alliage
à
base d'aluminium pour application structurale en construction aéronautique de
composition Cu 3,0 - 3,8%, Li 1,4 - 1,7%, Zr 0,0001 - 0,04%, Sc 0,16 - 0,35%,
Fe
0,01 - 0,5%, Mg 0,01 - 0,7, Mn 0,05 - 0,5%, Ba 0,001 - 0,2%, Ga 0,001 - 0,08%,
Sb 0,00001- 0,001%.
Le brevet RU 1 678 080 (Institut khimii im.V.I. Nikitina) décrit un alliage à
base
d'aluminium de composition Cu 5,0 - 5,5%, Cr 0,1- 0,4%, Mn 0,2 - 0,6%, Zr 0,1-
0,4%, Ti 0,1- 0,4%, Cd 0,05 - 0,25%, Sr ou Ba 0,01 - 0,1%.
On constate que la plupart de ces alliages contiennent des éléments
inhabituels,
tels que l'indium, le nickel, le lithium, le cadmium, le molybdène ou le
tungstène, et
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
sont donc, par rapport aux alliages utilisés habituellement en construction
aéronautique, des alliages exotiques, et cela sans tenir compte du possible
ajout de
baryum.
5
La présente invention a pour but de proposer un nouveau procédé pour modifier
la morphologie des phases insolubles au fer et au silicium dans les alliages
d'aluminium de corroyage à durcissement structural de type AI-Cu-Mg ou Al-Zn
Cu Mg, et d'obtenir ainsi de nouveaux produits à haute résistance mécanique
qui
montrent également une excellente ténacité et résistance à la fatigue.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un prockdé de fabrication de produits corroyés en
alliage d'aluminium de type Al-Cu, Al-Cu Mg ou AI-Zn-Cu-Mg à haute ténacité et
résistance à la fatigue, comprenant la coulée d'une forme brute (tel qu'une
billette de
filage, billette de forge ou une plaque de laminage) et la déformation à chaud
de
ladite forme brute, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit
dans ledit
alliage entre 0,005 et 0,1 % de baryum.
L'invention a également pour objet un élément de structure pour construction
aéronautique, fabriqué à partir d'un produit laminé, filé ou forgé en alliage
de type
Al-Cu, AI-Cu-Mg ou AI-Zn-Cu-Mg qui contient entre 0,005 et 0,1% de baryum. Un
tel produit ou élément de struchue, susceptible d'être obtenu par le procédé
selon la
présente invention, peut être utilisé avantageusement dans les applications
qui
exigent une haute ténacité et / ou une haute résistance à la fatigue, comme
par
exemple des éléments de voilure extrados ou intrados (peau de voilure), des
raidisseurs, longerons, ou nervures, ou des éléments pour cloisons étanches
(bulkheads).
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
6
Description des figures
La figure 1 montre la morphologie des phases de type AI-Fe-Cu à l'état brut de
coulée après dissolution sélective de la matrice dans un alliage 7449
(micrographies
obtenues par microscopie électronique à balayage avec un canon à effet de
champ
(FEG-SEM) :
Alliage 7449 selon l'état de la technique (grandissement : voir la barre
correspondant à 3 m en bas à gauche de la légende). Echantillon P4068#66.
La figure 2 montre la morphologie des phases de type AI-Fe-Cu :
Alliage 7449 avec ajout de baryum selon l'invention (grandissement : voir la
barre correspondant à 10 m en base à gauche de la légende). Echantillon P4078-
1#37.
La figure 3 montre la morphologie des phases de type AI-Fe-Cu dans un
échantillon
qui montre les deux morphologies à la fois :
Alliage 7449 (avec baryum ajouté) avec coexistence au sein de la même
structure
d'une forme non modifiée ( sans Ba , à gauche) et d'une forme modifiée
(a avec Ba , à droite) de la phase AlFeCu (Si) (grandissement : voir la barre
correspondant à 10 m en base à gauche de la légende).
Les figares 4 et 5 montrent la morphologie des phases de type AI-Fe-Cu dans un
alliage de type 7449 avec baryum ajouté. On remarque la morphologie "en forme
d'oursins" (figure 4) et "en forme de brocolis" (figure 5) des composés
eutectiques.
Alliage 7449 (avec baryum ajouté) selon l'invention (grandissement : voir la
barre en bas à gauche de la figure 4 qui représente 1 m). Echantillon P4078-
1#37.
La figure 6 montre la morphologie des phases de type AI-Fe-Cu sous forme de
plaquettes dans un alliage 7449 selon l'état de la technique. Echantillon
P4013-1-
#66.
La figure 7 donne une comparaison de la ténacité Kapp mesurée sur une
éprouvette de
type CCT de largeur 406 mm et d'épaisseur 6,35 mm (prélevée à quart
d'épaisseur)
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
7
en fonction de Ro.up, Alliage 7449. On remarque que les produits selon
l'invention
( Ba ) ont une meilleare ténacité que les produits selon l'état de la
technique
( ref ).
Description de l'invention
a) Définitions
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 Rm, la
limite élastique RpO,Z, 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 résistance à la fatigue
est
déterminée par un essai selon ASTM E 466, la vitesse de propagation de
fissures en
fatigue (essai dit da/dn) selon ASTM E 647, et le facteur d'intensité de
contrainte
critique Kc, Kco ou ICepp selon ASTM E 561. Le terme produit fxlé inclut
les
produits dits étirés , c'est-à-dire des produits qui sont élaborés par
filage suivi
d'un étirage.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1
s'appliquent.
On appelle ici produit corroyé un produit ayant subi une opération de
déformation après sa solidification, cette opération de déformation pouvant
être, sans
que cette liste soit limitative, le laminage, le forgeage, le filage,
l'étirage et
l'emboutissage.
On appelle ici élément de structure ou élément structural d'une
construction mécanique une pièce mécanique dont la défaillance est susceptible
de
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCTIFR2005/001572
8
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
slcin 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.
On appelle ici structure intégrale la structure d'une partie d'un avion
qui a été
conçue de manière à assurer autant que possible la continuité de la matière
sur une
dimension aussi grande que possible afin de réduire le nombre de points
d'assemblage mécaniques. Une structure intégrale peut être fabriquée soit par
usinage dans la masse, soit par utilisation de pi8ces de forme obtenues par
exemple
par filage, forgeage ou moulage, soit encore par soudage d'éléments de
structure
réalisés en alliages soudables. On obtient ainsi des éléments de structure de
taille
plus importante et en une seule pièce, sans assemblage ou avec un nombre de
points
d'assemblage réduit comparé à une strucWue assemblée dans laquelle des tôles,
minces ou fortes selon la destination de l'élément de stracture (par exemple :
élément
de fuselage ou élément de voilure), sont fixées, le plus souvent par rivetage,
sur des
raidisseurs et / ou cadres (qui peuvent être fabriqués par usinage à partir de
produits
filés ou laminés).
b) Description détaillée de l'invention
La présente invention peut s'appliquer à tous les alliages à base d'aluminium
de
corroyage à durcissement structural de type Al-Cu, AI-Cu-Mg ou AI-Zn-Cu Mg.
Plus particulièrement, les alliages de type AI-Cu auxquels la présente
invention peut
être appliquée sont les alliages comprenant entre 1 et 7% de Cu, et plus
particulièrement entre 3 et 5,5% de Cu. L'invention peut être appliquée aux
alliages
de type AI-Cu-Mg comprenant entre 1 et 7% de Cu et entre 0,2 et 2% de Mg, et
plus
particulièrement entre 3,5 et 5,5% de Cu et entre 1 et 2% de Mg, étant entendu
que la
teneur en fer et en silicium ne doit pas dépasser 0,30% pour chacun de ces
éléments.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
9
Ces alliages peuvent contenir d'autres éléments d'alliage et d'impuretés
jusqu'à
environ 3% au total. Parmi ces éléments se trouvent le manganèse, le lithium,
le zinc.
Par ailleurs, et toujours à titre d'exemple, l'alliage peut également contenir
les
additions habituelles de zirconium, titane ou chrome. Le procédé selon
l'invention
peut être appliqué avantageusement aux alliages de type A1-Mg-Cu ou aux
alliages
de la série 2xxx, notamment à ceux classiquement utilisés en construction
aéronautique : 2024, 2024A, 2056, 2022, 2023, 2139, 2124, 2224, 2324, 2424,
2524
et leurs variantes. En revanche, on exclut ici les alliages dits de
décolletage qui
comprennent des ajouts de Pb, Bi ou Sb afin d'obtenir des copeaux à
fractionnement
aisé, tels que le 2004, le 2005 et le 2030.
Les alliages de type AI-Zn-Cu Mg auxquels la présente invention peut être
appliquée sont les alliages comprenant entre 4 et 14% de zinc, et plus
particulièrement entre 7 et 10,5% de zinc, entre 1 et 3% de Cu, et plus
particulièrement entre 1,4 et 2,5% de Cu, et entre 1 et 3% de Mg, et plus
particulièrement entre 1,7 et 2,8% de Mg, étant entendu que la teneur en fer
et en
silicium ne doit pas dépasser 0,30% pour chacun de ces éléments. Ces alliages
peuvent contenir d'autres éléments d'alliage et d'impuretés jusqu'à 2% au
total.
Parmi ces éléments se trouve le manganèse. Par ailleurs, et toujours à titre
d'exemple, l'alliage peut également contenir les additions habituelles de
zirconium,
titane ou chrome. Le procédé selon l'invention peut être appliqué
avantageusement
aux alliages de la série 7xxx, notamment à ceux classiquement utilisés en
construction aéronautique :: 7010, 7050, 7055, 7056, 7150, 7040, 7075, 7175,
7475,
7049, 7149, 7249, 7349, 7449 et leurs variantes.
Le procédé selon l'invention comprend la coulée d'une forme brute, tel qu'une
plaque de laminage, une billette de filage ou une billette de forge, par tout
procédé
connu. Cette forme brute est ensuite déformée à chaud, par exemple par
laniinage,
filage ou forgeage. L'invention n'est pas applicable à des produits élaborés
par
solidification rapide, i.e. avec une vitesse de solidification typiquement
supérieure à
600 C/min, qui conduisent à une microstructure significativement différente.
Le
procédé peut comprendre d'autres étapes de traitement therniique ou mécanique,
le
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
plus souvent l'homogénéisation, la déformation à froid, la mise en solution,
le
vieillissement artificiel ou naturel, le recuit intermédiaire ou final.
La demanderesse a constaté de manière surprenante que la présence d'une très
5 faible quantité de baryum neutralise en partie l'effet néfaste du fer et du
silicium
pour certaines propriétés, comme il sera expliqué ci-dessous. Cela se traduit
par une
modification morphologique des phases intermétalliques, et notamment de celle
des
phases intermétalliques au fer (de type Al-Cu-Fe). Les phases intermétalliques
eutectiques se trouvent fragmentées (morphologie d'oursins ou de
brocolis ,
10 voir figure 2) alors que sans baryum, elles ont une forme plus étendue
(morphologie
de pétales , de plaquettes ou de feuilles de chou , voir figure 1).
Ces phases
eutectiques peuvent être de type Al-Fe-Cu (dans les alliages avec ajout de
baryum)
ou Al-Fe-Si-Cu (dans les alliages sans ajout de baryum). On observe qu'en
présence
de baryurn, le silicium semble disparaître des précipités.
Les propriétés du produit qui se trouvent améliorées par le procédé selon
l'invention sont notamment la ténacité, la résistance à la fatigue, et la
résistance à la
propagation de fissures da/dn à haut facteur d'intensité de contrainte àK. Cet
effet
est particulièrement marqué dans une structure non recristallisée.
Dans un premier mode de réalisation, on ajoute un alliage de baryum avec le
silicium. Un alliage de type Si (70%) - Ba (30%) convient ; ce produit est
disponible
dans le commerce. La teneur en silicium de l'alliage peut être comprise entre
50% et
90%. D'autres alliages du même type contenant en plus du fer jusqu'à une
teneur de
20% sont également applicables à l'invention, la teneur en silicium pouvant
alors
varier entre 30% et 90% et la teneur en baryum pouvant alors varier entre 10
et 40%.
Dans un deuxième mode de réalisation, on ajoute du baryum sous forme
métallique ou, de manière préférée sous forme d'un composé intermétallique ou
d'alliage avec un ou plusieurs des constituants de l'alliage d'aluminium visé.
A titre
d'exemple, un alliage de type Al-Ba ou Zn-Ba convient. Ces composés
intermétalliques ou alliages peuvent être obtenus directement par réduction de
l'oxyde de baryum BaO avec de l'aluminium ou du zinc selon des procédés
connus.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FI22005/001572
11
Dans les deux modes de réalisation, les quantités de baryum utilisés sont très
faibles, préférentiellement inférieures à 0,1% et encore plus
préférentiellement
inférieures à 0,05%. Une valeur comprise entre 0,005% et 0,03% peut convenir.
Lorsque l'on introduit un alliage Ba - Si, il faut tenir compte de la
solubilité
relativement faible de cet alliage dans l'aluminium liquide. Le deuxième mode
de
réalisation est particulièrement intéressant lorsque l'on l'applique à un
alliage
d'aluminium qui présente une teneur en silicium assez élevée, par exemple de
l'ordre
de 0,10%. En revanche, le baryum métallique est cher. Le premier mode de
réalisation utilise un alliage de baryum moins cher, mais conduit à
l'augmentation de
la teneur en silicium et éventuellement de fer dans l'alliage d'aluminium.
Cependant,
il est surprenant de constater que cette augmentation de la teneur en silicium
et
éventuellement de fer ne dégrade pas la ténacité ou la résistance à la
fatigue. Cela est
lié au fait que le silicium et éventuellement le fer ne sont pas incorporés de
la même
manière : la morphologie des phases est modifiée de manière significative.
Le procédé selon l'invention permet de fabriquer un demi-produit ou un élément
de struchzre en alliage de type AI-Zn-Mg-Cu qui comprend entre 7 et 10,5% de
zinc,
entre 1,4 et 2,5% de cuivre, et entre 1,7 et 2,8 % de magnésium, tel qu'un
alliage
7049, 7149, 7249, 7349 ou 7449, avéc une ténacité K,,pgUM, mesurée selon la
norme
ASTM E 561 sur une éprouvette de type CCT avec W=406 mm et B = 6,35 mm
prélevée à mi-épaisseur, supérieure à 86 MPa~m. Un tel demi-produit ou élément
de
structure a une limite d'élasticité Rpo.Z(L) supérieure à 600 MPa.
La demanderesse a également observé que le produit selon l'invention résiste
mieux à la corrosion exfoliante (essai EXCO), déterminée sur des éprouvettes
prélevées à mi-épaisseur, qu'un produit correspondant sans baryum. La
résistance à
la corrosion sous contrainte est également légèrement améliorée.
Du fait de ses propriétés mécaniques remarquables, le produit selon
l'invention peut
avoir de nombreuses utilisations possibles, et il est particulièrement
avantageux
d'utiliser ledit produit comme élément de structure en construction
aéronautique, et
notamment comme élément de voilure extrados, comme élément de voilure
intrados,
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
12
comme élément de peau de voilure, comme raidisseur, comme longeron, comme
nervure ou comme élément pour cloisons étanches.
Le procédé selon l'invention présente plusieurs avantages. Le mode
d'introduction du baryum selon l'invention évite l'utilisation d'hydrures, qui
augmenteraient la teneur résiduelle en hydrogène, susceptible de provoquer des
pores
dans le métal solidifié. Le baryum neutralise l'effet néfaste du silicium
résiduel dans
les alliages à durcissement structural à base d'aluminium, ce qui se traduit
par une
meilleure ténacité, notamment Kic et K. Le baryum améliore également la
résistance à la corrosion, et notamment à la corrosion exfoliante.
Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de
réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère
limitatif.
Exempte 1 :
Dans cet essai, on a exploré la possibilité d'introduire du baryum dans un
alliage
liquide à base d'aluminium par l'ajout d'un alliage de type Si-Ba, et de
couler un
alliage de type Al-Zn-Cu-Mg contenant du bacyum sous forme de plaques de
laminage de taille industrielle. Deux plaques de laminage en d'aluminium de
type
AI-Zn-Cu-Mg ont été coulées dans des conditions similaires, une avec ajout de
baryum sous forme d'un alliage-mère contenant environ 28%Ba et 72% Si (ajouté
à
une température de métal liquide d'environ 750 C), une sans ajout de baryum.
Le
métal liquide a été traité avec un mélange Ar + C12. La température de coulée
était de
665 C, la vitesse de coulée d'environ 65 mm/min. Le métal a été affiné avec
0,8 kg
de AT5B. La section des plaques était de l'ordre de 2150 x 450 mm. La
composition
chimique, déterminée sur un pion solide obtenu à partir de métal liquide
prélevé dans
le chenal de coulée, est indiquée au tableau 1.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
13
Tableau 1 : composition chinzique
Echantillon Fe Si Cu Mg Zn Zr Ti Ba
P4068#66 0,03 0,05 1,76 1,90 7,48 0,11 0,0230 -
P4069-2#66 0,11 0,12 1,86 2,03 8,40 0,10 0,0200 0,0100
Une partie du baryum introduit (quelques dizaines de pourcents par rapport à
la
quantité mise en oeuvre) a été retrouvée dans les crasses.
Exemple 2:
Un alliage d'aluminium de type 7449 avec ajout d'un alliage contenant environ
52% de silicium et 30% de baryum et 18% de fer a été élaboré (référence P4078-
1#37). Sa composition chimique, déterminée sur un pion solide obtenu à partir
de
métal liquide prélevé dans le chenal de coulée, est indiquée dans le tableau
2.
L'alliage a été affiné avec 0,8 kg/t AT5B et coulé à 685 C avec une vitesse de
65
mm/min en plaques de laminage. Après refroidissement et scalpage, les plaques
ont
été homogénéisées à 463 C et laminées à chaud à une température comprise entre
420 et 410 C. Les tôles obtenues ont été mises en solution pendant 6 heures à
120 C
et ensuite pendant 17 heures à 150 C. Le produit final était de ce fait à
l'état
métallurgique T351.
Du fait de l'ajout de l'alliage Si-Ba, la teneur en silicium de l'alliage
d'aluminium de type 7449 augmente de 0,04% à 0,09% et celle en Fe augmente de
0,03% à 0,06%
On a également élaboré de manière similaire un alliage 7449 standard, sans
baryum (P4013-1-#66). Sa composition chimique, déterminée sur un pion solide
obtenu à partir de métal liquide prélevé dans le chenal de coulée, est
indiquée dans le
tableau 2.
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
14
Tableau 2 : composition chimique
Echantillon Fe Si Cu Mg Zn Zr Ti Ba
P4078-1437 0,06 0,09 1,84 1,94 8,72 0,12 0,019 0,023
E02-029 888887
P4013-1-#66 0,03 0,04 1,83 2,20 8,29 0,12 -
E02-028 888885
La microstructure de l'échantillon avec baryum ajouté fait apparaître des
composés eutectiques "en forme d'oursins" (figure 4) ou "en forme de brocolis"
(voir
figure 5). La microstructure de l'échantillon sans baryum ajouté fait
apparaître des
composés eutectiques sous forme de plaquettes (figure 6).
Les caractéristiques mécaniques statiques ont été mesurées à l'état T79 sur
une tôle d'épaissear 40 mm. La ténacité K.pp(L_T) a été mesurée sur une
éprouvette de
type CCT avec W 406 et B=6,35 mm
CA 02570618 2006-12-07
WO 2006/010817 PCT/FR2005/001572
Tableau 3 : Caractéristiques mécaniques
P4013-1-#66 P4078-1#37
(avec baryum) (sans baryum)
1/4 ép '/2 ép '/ ep '/2 ep Unité
Rpo,i (L) 595 622 609 622 MPa
Rpo,z (Ur) 590 601 611 608 1VIPa
Rõp 610 643 628 647 MPa
Rõ(L-D 609 617 636 631 IVIPa
Rpoj (M 573 575 MPa
R,o (TC) 622 626 MPa
A% (L) 11,6 10,4 10,3 9,7 %
A% (TL) 10,7 9,9 8,7 8,6 %
A% (TC) 4,4 5,7 %
KiC (T L) 22,3 20,9 MPa m
Klo (UT) 23,3 23 MPa m
KaPP (L.'D 69,3 91,6 54,3 83,9 MPa m
KOff (4T) 73,6 98,8 58,6 90,3 MPa m
5
Les résultats de la résistance à la corrosion exfoliante (EXCO) déterminée sur
des
éprouvettes prélevées à mi-épaisseur montrent que l'alliage 7449 avec baryunn
(performance EXCO : EA) résiste mieux à la corrosion exfoliante que le produit
de
référence sans baryum (perfornaance EXCO : EB). La résistance à la corrosion
sous
10 contrainte est également légèrement améliorée.
