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WO 2007/080265 PCT/FR2006/002731
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Procédé de fabrication de demi-produits comportant deux alliages à
base d'aluminium
Domaine de l'invention
L'invention concerne un nouveau procédé de fabrication pour des éléments de
structure à base d'aluminium, comportant au moins deux alliages différents,
par
coulée d'une plaque ou billette comportant au moins deux alliages spatialement
séparés, suivi d'une ou plusieurs étapes de transformation à chaud par
laminage,
filage, ou forgeage, et éventuellement d'une ou plusieurs étapes de
transformation à
froid, et de traitements thermiques intermédiaires et/ou finales. L'invention
est
particulièrement utile pour la fabrication d'éléments de structure pour
construction
aéronautique.
Etat de la technique
Les pièces à caractéristiques mécaniques variables dans l'espace sont très
attractives pour la construction mécanique. Traditionnellement, on les obtient
par
assemblage de deux pièces à propriétés différentes, mais essentiellement
homogènes
à l'intérieur de chaque pièce. L'assemblage peut être effectué de manière
mécanique
(par exemple par boulonnage ou rivetage), par collage ou par une technique de
soudage appropriée. On peut ainsi obtenir des pièces ou éléments de structure
bi-
fonctionnels ou rnultifonctionnels. Cette
bifonctionnalisation ou
multifonctionnalisation peut relever de la forme des pièces assemblées (ce qui
n'est
pas la signification que nous utilisons ici pour ces deux termes) ou peut être
liée à
leurs propriétés mécaniques, notamment lorsque l'on assemble deux pièces en
alliages différents. A titre d'exemple, on utilise en construction navale des
joints de
transition (voir C. Vargel, Corrosion de l'aluminium, Paris 1998 (Dunod), page
136),
qui sont des éléments de structure assemblés habituellement par soudage à
explosion
à partir d'une pièce en acier et d'une pièce en aluminium. Le côté acier a la
fonction
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de servir Comme base pour fixer d'autres pièces en acier, alors que le côté
aluminium
sert comme base pour fixer d'autres pièces en aluminium. Ces joints, de
transition
sont donc des éléments de structure bi-fonctionnels qui évitent la corrosion
galvanique qui s'installerait inévitablement en milieu humide entre deux
métaux
dissemblables assemblés de manière traditionnelle.
C'est dans le domaine de la protection contre la corrosion et du soudage qu'on
trouve d'autres exemples pour des pièces multi-fonctionnelles à base
essentiellement
d'aluminium. En effet, on utilise depuis longtemps des tôles plaquées,
comportant
une âme protégée d'au moins un côté par un revêtement en alliage plus
résistant à la
corrosion et / ou plus facilement fusible, qui sert soit à protéger l'âme
contre la
corrosion, soit à permettre son soudage aisé sur une autre pièce. On obtient
des tôles
plaquées en posant sur une plaque de laminage, de préférence scalpée, en
alliage (dit
alliage d'âme) d'une première composition, une deuxième plaque de laminage ou
une tôle, de préférence scalpée, d'épaisseur plus faible, en alliage (dit
alliage de
placage) d'une deuxième composition. Ensuite, on lamine à chaud et obtient une
bande plaquée, le laminage à chaud assurant une liaison métallurgique forte
entre les
deux alliages. Les tôles plaquées sont des pièces monolithiques, au sens de la
définition donnée ci-dessous. Elles peuvent être utilisées en construction
aéronautique, par exemple comme revêtement de fuselage, voir par exemple le
brevet
US 5,213,639 (Aluminum Company of America) ou le brevet EP 1 170 118
(Pechiney Rhenalu). Le procédé de placage permet de fabriquer des pièces de
grande
taille, mais la variation de la composition chimique se fait dans l'épaisseur
et non pas
sur la longueur ou largeur de la pièce. Ainsi, la fonctionnalisation est assez
limitée :
la fonction recherchée pour le placage est soit la protection contre la
corrosion, soit la
soudabilité.
Dans une autre approche à la fabrication d'une pièce bi-fontionnelle
monolithique, on applique à chacune des deux extrémités d'un produit long en
un
seul alliage à base d'aluminium un traitement de revenu différent. 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 selon une direction principale du produit (longueur,
largeur,
épaisseur), dans lequel le revenu final est effectué dans un four de structure
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spécifiqué comprenant une chambre chaude et une chambre froide, reliées par
une
pompe à chaleur. Ce 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 à contrôler d'une
manière
compatible avec les exigences de qualité que pose le domaine de la
construction
aéronautique ; ces difficultés industrielles augmentent avec la taille des
pièces. Par
ailleurs, en se limitant à une pièce en un seul alliage, l'amplitude de la
variation des
propriétés mécaniques sur la longueur de la pièce se trouve être assez
limitée. Une
amélioration significative de ce procédé est décrite dans la demande de brevet
(FR2868084), mais ce procédé ne permet pas non plus de modifier la composition
chimique de l'alliage.
C'est avec deux alliages d'aluminium différents que l'on peut espérer obtenir
une variation importante des propriétés mécaniques.
Dans le domaine du moulage, la fabrication de pièces monolithiques comportant
plusieurs alliages a été décrite. La demande internationale WO 2005/063422
divulgue ainsi un procédé de fabrication dans lequel une masse coulée formée
par
stratification d'alliages ayant un intervalle de solidification suffisamment
différent
pour éviter leur mélange est introduite à l'état semi-solide dans une coquille
de
manière à la remplir et obtenir un produit moulé solidifié.
Mais les présents inventeurs n'ont pas connaissance de pièces monolithiques
corroyées comportant deux alliages spatialement séparés qui soient fabriquées
de
manière industrielle par un procédé autre que le placage impliquant un
laminage à
chaud. L'idée de partir de formes brutes (i.e. de pièces coulées, par exemple
de
billettes de filage, plaques de laminage) comportant deux alliages
spatialement
séparés n'est pas nouvelle. On distingue plusieurs approches.
Une première approche utilise une ou plusieurs cloisons fixes ou mobiles. Le
brevet US 3,353,934 (Reynolds) décrit la coulée verticale de plaques de
laminage ou
d'une billette avec une cloison fixe disposée verticalement (c'est-à-dire dans
le sens
de la longueur de la plaque). Cette cloison fixe est en marmite, acier
inoxydable ou
graphite. Le brevet décrit la coulée des couples d'alliages suivants :
7075/6063,
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7075/5052, 7075/5083. Le brevet JP 485 411 70 (Sumitomo) décrit un autre mode
de
cloisonnage vertical appliqué à une coulée de plaques. Un autre mode de
réalisation
d'une coulée avec cloison verticale est décrit dans la demande de brevet DE 44
20
697 (Institut für Verformungskunde und Hüttenmaschinen). Le brevet US
6,705,384
(Alcoa, Inc.) propose d'utiliser une ou plusieurs cloisons sous forme d'une
tôle
mince ou épaisse en aluminium qui reste incorporée dans la plaque ou billette
coulée.
La coulée avec cloison a également été adaptée à la coulée continue entre
bandes. Les brevets GB 1 174 764 et FR 1 505 826 (Glacier) décrivent
l'utilisation
d'une cloison mobile appliquée à une coulée entre bandes pour la coulée des
couples
d'alliages Al + 6%Sn / AS 5G.
Une deuxième approche utilise le concept de la lingotière interne : un premier
alliage est solidifié par une lingotière interne, et la coque solide ainsi
formée sert
comme un moule pour le second alliage. Ce concept est décrit dans le brevet DE
844
806 (Wieland Werke). On peut aussi utiliser simplement un tube métallique ou
une
billette creuse comme coque externe, dans lequel on coule un alliage liquide,
comme
décrit dans le brevet FR 1 516 456 (Kennecott Cooper Corporation). Ce principe
a
été adapté à la coulée continue verticale de plaques plaquées dans le brevet
US
4,567,936 (Kaiser). La demande de brevet WO 2004/112992 (Alcan) décrit
plusieurs
méthodes pour former des plaques de laminage comportant deux alliages par
coulée
semi-continue verticale en utilisant des séparateurs verticaux. Ce procédé est
particulièrement approprié pour fabriquer des plaques de laminage plaquées.
Tous ces procédés selon l'état de la technique conduisent à des produits
coulés
longs qui comportent deux alliages différents séparés par des cloisons ou
interfaces
parallèles à la direction de coulée.
Le problème que la présente invention cherche à résoudre est de proposer une
nouvelle approche à la fabrication d'éléments de structure monolithiques
corroyés
présentant des propriétés d'usage variables dans au moins une direction autre
que
celle de l'épaisseur, et notamment d'éléments de structure bi-fonctionnels ou
multifonctionnels corroyés permettant d'assumer au moins deux fonctions qui
sont
traditionnellement assurées par deux pièces différentes.
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Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de coulée verticale d'un produit
intermédiaire de
hauteur finale dans la direction de coulée HF, comprenant les étapes de
(a) préparation d'au moins deux alliages à base d'aluminium notamment un
premier alliage de composition P et un second alliage de composition T,
(b) coulée dudit premier alliage de composition P jusqu'à une hauteur Hp
voulue,
(c) coulée d'une hauteur supplémentaire HT voulue dudit second alliage de
façon
à atteindre une hauteur coulée Hp + HT qui soit inférieure ou égale à HF.
Les préparations d'alliages lors de l'étape (a) ne sont pas nécessairement
concomitantes. Les étapes de préparation (a) et de coulée (b et c) ne sont pas
nécessairement successives, en particulier la préparation du second alliage ou
de tout
alliage supplémentaire de l'étape (a) peut être concomitante de l'une ou
l'autre des
étapes de coulée. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les étapes
(b) et
(c) sont réalisées sans interruption du flux de métal liquide. Dans ce
procédé, la
préparation des alliages peut être effectuée de différentes manières. Par
exemple, (i)
la préparation des alliages à base d'aluminium peut être effectuée de manière
indépendante, ou (ii) la préparation des alliages de composition différente de
P peut
être effectuée à partir du premier alliage pendant la coulée en ajoutant audit
premier
alliage les quantités nécessaires d'éléments pour atteindre la composition des
alliages
de composition différente de P, ou encore (iii) la préparation des au moins
deux
alliages à base d'aluminium peut-être effectuée au cours de la coulée à partir
d'un
alliage à base d'aluminium de composition B, en ajoutant audit alliage de
composition B les quantités nécessaires d'éléments pour atteindre la
composition
desdits au moins deux alliages à base d'aluminium P et T.
L'invention a également pour objet un premier produit intermédiaire solide,
destiné à
être laminé, filé ou forgé, susceptible d'être obtenu selon le procédé de
coulée
verticale défini ci-dessus. Ce produit montre pour au moins un élément
d'alliage au
moins un gradient de concentration dans la direction de coulée qui est le plus
souvent
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le sens dé sa hauteur (i.e. de sa plus grande dimension) Ce produit
intermédiaire peut
être par exemple une plaque ou une billette.
Un autre objet de l'invention est un procédé d'élaboration d'une tôle, d'un
profilé ou
d'une pièce forgée à partir d'une plaque ou d'une billette élaborée selon le
procédé
de coulée verticale défini ci-dessus.
Encore un autre objet de l'invention est un second produit intermédiaire
solide tel
qu'une tôle, un profilé ou une pièce forgée susceptible d'être élaboré par le
procédé
d'élaboration décrit ci-dessus.
Encore un autre objet de la présente invention est un élément de structure
susceptible
d'être fabriqué à partir d'un second produit intermédiaire tel que défini ci-
dessus.
Cet élément de structure peut être bi-fontionnel ou multi-fonctionnel.
Description des figures
La figure 1 montre de manière schématique un longeron selon l'invention.
La figure 2 montre de manière schématique une tôle, selon l'invention, à
partir de
laquelle le longeron selon l'invention peut être élaboré.
La figure 3 montre de manière schématique une plaque de laminage selon
l'invention, à partir de la quelle la tôle forte selon l'invention peut être
élaborée.
La figure 4 schématise une passe de laminage dans le sens perpendiculaire à la
longueur de la plaque.
La figure 5 montre de manière schématique un panneau de fuselage selon
l'invention
obtenu par laminage perpendiculairement au sens de coulée.
La figure 6 montre l'évolution dans le sens de la hauteur de la teneur en Zn
pendant
une coulée selon l'invention.
La figure 7 montre des mesures de conductivité à mi-épaisseur et à différentes
positions dans le sens de la largeur pour une tôle selon l'invention laminée
perpendiculairement au sens de coulée.
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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 Rõõ la
limite élastique Rp0,2, et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par
un essai
de traction selon la nonne EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des
éprouvettes étant définis dans les normes EN 485-1 (produits laminés) ou EN
755-1
(produits filés). La ténacité Kic est mesurée selon la norme ASTM E 399.
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.
On appelle ici installation de coulée l'ensemble des dispositifs permettant
de
transformer des métaux sous forme quelconque en demi-produit de forme brute en
passant par la phase liquide. Une installation de coulée peut comprendre un ou
plusieurs fours nécessaires à la fusion des métaux ou à leur maintien en
température, un ou plusieurs fours destinés à effectuer des opérations de
préparation
du métal liquide et d'ajustement de la composition, une ou plusieurs cuves (ou
poches ) destinées à effectuer un traitement d'élimination des impuretés
dissoutes
ou en suspension dans le métal liquide, ce traitement pouvant consister à
filtrer le
métal liquide sur un média filtrant et / ou à introduire dans le bain un gaz
dit de
traitement pouvant être inerte ou réactif, un dispositif permettant la
solidification
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du métal- liquide (ou métier de coulée ) comprenant au moins les dispositifs
suivants : un moule (ou lingotière ), au moins un dispositif
d'approyisi9nnement
du métal liquide (ou busette ), ces différents dispositifs étant reliés
entre eux par
des chenaux appelés goulottes dans lesquels le métal liquide peut être
transporté
et un système de refroidissement
On appelle ici élément de structure ou élément structural d'une
construction mécanique 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.
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.
Le terme élément de structure monolithique ou (< pièce monolithique se
réfère ici à un élément de structure ou une pièce qui a été obtenu, le plus
souvent par
usinage, 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.
Le terme élément de structure bi-fonctionnel ou multi-fonctionnel se réfère
ici principalement aux fonctions conférées par les caractéristiques
métallurgiques et /
ou mécaniques du produit et non pas par sa forme géométrique.
b) Description détaillée de l'invention
Selon l'invention, le problème est résolu par laminage, filage ou forgeage
d'une plaque de laminage ou une billette dont la composition est variable dans
la
direction de coulée et avantageusement dont le pied a une composition
différente de
celle de la tête. Les termes pied et tête se réfèrent respectivement à
la partie
coulée en premier et en dernier, c'est-à-dire à la partie qui se trouve
respectivement,
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lors d'une coulée verticale, en bas et en haut. Le procédé de coulée verticale
d'une
pièce de hauteur finale HF selon l'invention comporte la préparation et
la,coulée d'un
alliage à base d'aluminium de première composition P jusqu'à une hauteur Hp
voulue, la coulée d'une hauteur supplémentaire HT voulue du second alliage de
façon
à atteindre une hauteur coulée Hp + HT inférieure ou égale à HF, et
optionnellement
la coulée d'autres alliages à base d'aluminium ou de l'alliage P jusqu'à la
hauteur
finale HF. Dans un mode de réalisation préféré, on n'interrompt pas le flux de
métal
liquide lorsque l'on passe de la coulée de l'alliage de première composition P
à celle
de l'alliage de seconde composition T, et avantageusement lorsque l'on passe
de la
coulée de l'alliage de composition T à celle d'autres alliages.
Ce procédé de coulée verticale génère des produits intermédiaires solides
destinés à être laminés, filés ou forgés, présentant au moins deux alliages
spatialement séparés dans la direction de coulée. Les produits intermédiaires
solides
selon l'invention présentent pour au moins un élément d'alliage un gradient de
concentration dans la direction de coulée.
Ce procédé de coulée verticale génère le plus souvent entre deux alliages
coulés
successivement une zone de transition Z de composition intermédiaire. Le
contrôle de cette zone de transition entre les alliages est important. Dans
une variante
préférée, on réalise une zone de transition aussi courte que possible, c'est-à-
dire une
transition aussi abrupte que possible. Mais pour certaines applications, on
peut
également envisager une zone plus large, en contrôlant les gradients de
concentration
de manière à pouvoir garantir leur répétabilité d'une coulée à l'autre. Afin
d'obtenir
une transition abrupte entre alliages, il est préférable d'effectuer la
transition de
manière à ce que le mélange entre les alliages successifs se fasse dans une
partie de
l'installation de coulée présentant un faible volume et proche du métier de
coulée.
Typiquement cette transition peut être effectuée dans une goulotte à l'aide
d'un
barrage. Afin d'obtenir une transition abrupte, on peut également élaborer le
métal
de composition T à partir du métal de composition P en ajoutant les éléments
nécessaires dans une poche de traitement du métal liquide. Si la transition
est
effectuée dans une partie de l'installation présentant un volume élevé, telle
qu'une
poche de traitement du métal liquide pour le dégazage ou la filtration, ou en
amont
d'une telle partie de l'installation, la transition obtenue sera plus large
car les deux
alliages successifs peuvent se mélanger dans des proportions plus importantes.
Dans
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une réalisation préférée de l'invention visant à obtenir une zone de
transition courte, la
transition entre alliages est effectuée dans une goulotte ou une poche de
traitement de
faible volume.
Selon un aspect de la présente demande, il est prévu un procédé de coulée
verticale d'un
produit intermédiaire d'une hauteur de descente finale HF dans la direction de
coulée H,
comprenant les étapes de :
(a) préparation d'au moins deux alliages à base d'aluminium, un premier
alliage de composition P et un second alliage de composition T,
(b) coulée dudit premier alliage de composition P jusqu'à une hauteur
voulue Hp dans la direction de coulée H, et
(c) ensuite, coulée dudit second alliage de composition T à partir d'une
surface supérieure du premier alliage coulé à la hauteur Hp à une hauteur
HT supplémentaire voulue I1T dans la direction de coulée, de manière à
obtenir une hauteur de coulée dans la direction de coulée de Hp + HT qui
est égale ou inférieure à HF,
en produisant ainsi un produit intermédiaire coulé ayant une zone de
transition Z entre
les premier et second alliages, la zone de transition Z ayant une composition
intermédiaire entre les premier et second alliages.
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Le procédé de coulée selon l'invention peut être mis en oeuvre selon plusieurs
modes de réalisation différents, qui se distinguent par la manière dont sont
préparés
les alliages et par la manière d'effectuer la(les) transition(s) entre
alliages. La figure
3 montre un exemple de plaque coulée selon l'invention. La direction de coulée
définit la direction de la hauteur H de la plaque. La plaque a une hauteur
totale HF. Il
est habituel de scier ( ébouter ) les extrémités de la plaque après la
coulée sur une
hauteur HEP en pied et HET en tête de façon à éliminer les parties
correspondant au
début et à la fm de la forme coulée qui n'ont pas la qualité requise pour être
transformées. La longueur utile Hu de la forme coulée, typiquement une plaque
ou
billette, est donc égale à HF ¨ (HEp HET). Dans les modes de réalisation les
plus
avantageux, la hauteur Hp est supérieure à la hauteur de plaque ou de billette
éboutée
en pied HEP. La hauteur Hp dépend de l'application visée, cependant dans le
cadre de
l'invention, la hauteur Hp est en général supérieure à HEP + Hu /4 et parfois
supérieure HEP -3- Hu /2. La zone de transition a une hauteur Hz. Dans
l'exemple de la
Figure 3 deux alliages ont été coulés et on a donc la relation HF HP + HT.
Dans un premier mode de réalisation, on élabore au moins deux alliages
(appelés
ici : alliage de pied ou alliage P et alliage de tête ou alliage T )
indépendamment, par exemple dans au moins deux fours séparés. On coule d'abord
l'alliage de pied, en versant le métal liquide provenant du premier four dans
la
goulotte. Lorsque la hauteur de métal Hp voulue dans le métier de coulée est
atteinte,
on interrompt le flux de métal provenant du premier four, et on le remplace
par un
flux provenant du second four. Ce basculement d'un four à l'autre se fait de
manière
préférée sans interrompre le flux de métal liquide dans la goulotte qui se
vide dans le
métier de coulée. Ainsi, on coule une hauteur supplémentaire HT de l'alliage
de
composition T de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + HT inférieure ou
égale à
HF. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la somme Hp + HT est
égale à
HF. Optionnellement la coulée d'autres alliages à base d'aluminium T', T" à
partir
d'un troisième ou d'un quatrième four ou de l'alliage P à partir du premier
four
jusqu'à la hauteur finale HF permet de réaliser des plaques ou des billettes
plus
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complexés avec par exemple des séquences de composition telles que P/T/P,
P/T/T'
ou P/T/T'/T". Ce mode de réalisation convient pour toutes les combinaisons
d'alliages, que les alliages appartiennent à la même famille, par exemple des
alliages
de la famille 7XXX, ou à des familles différentes comme par exemple un alliage
2XXX et un alliage 7XXX.
Dans un deuxième mode de réalisation on coule l'alliage de pied jusqu'à la
hauteur Hp voulue, et on ajoute au moment voulu le ou les éléments d'alliages
dont la
teneur dans l'alliage T est supérieure par rapport à celle de l'alliage P sous
forme de
fil ou toute autre forme appropriée. Ainsi, on coule une hauteur
supplémentaire HT
de l'alliage de composition T de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + HT
inférieure ou égale à HF. A titre d'exemple, si l'alliage P est un alliage de
type Al- Zn
5,0¨ Cu 1,5 - Mg 1,5 et l'alliage T un alliage de type Al ¨ Zn 5,0¨ Cu 1,5 -
Mg 2,5,
on élabore un alliage liquide dont la composition correspond à celle de
l'alliage P, et
au moment voulu lors de la coulée, on ajoute du fil de magnésium dans le métal
liquide dans une partie appropriée de l'installation de coulée comme le four
de
coulée, une goulotte ou une poche de traitement.
Dans un troisième mode de réalisation, on coule un alliage de base de
composition B auquel on ajoute, typiquement sous forme de fils, les éléments
d'alliage en quantité nécessaire pour obtenir la composition P puis la
composition T,
puis les éventuelles autres compositions. On modifie la quantité d'éléments
d'alliage
ajoutés par unité de masse de métal coulée lorsque la hauteur voulue Hp est
atteinte,
et on arrête la coulée lorsque la hauteur finale HF voulue est atteinte. A
titre
d'exemple, on peut utiliser du fil de zinc, du fil de magnésium et du fil de
cuivre que
l'on ajoute à un aluminium pur ou à un aluminium qui contient, le cas échéant,
d'autres éléments dont la concentration visée est approximativement la même
pour
l'alliage P, l'alliage T et les éventuels autres alliages. On peut également
utiliser du
fil en alliage mère, par exemple à base d'aluminium. Ce fil est typiquement
approvisionné sous forme de bobines, et introduit dans le métal liquide par
l'intermédiaire d'un dérouleur dans une partie appropriée de l'installation.
Dans une
réalisation avantageuse de l'invention, ce fil est approvisionné dans une
goulotte, en
aval des poches de traitement, de façon à obtenir lors du changement de
quantité de
fil approvisionnée par unité de temps une transition abrupte entre alliages.
Dans un
autre exemple de ce troisième mode de réalisation, l'alliage de composition P
est
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obtenu par ajout des éléments d'alliage en quantité nécessaire à l'alliage de
composition B dans une poche de traitement et l'alliage de compositior.IT a la
même
composition que l'alliage de composition B.
Le premier mode de réalisation a l'inconvénient de nécessiter au moins deux
fours de coulée. Afin de faciliter une transition abrupte entre les alliages,
il peut être
avantageux de disposer d'au moins deux lignes indépendantes de traitement du
métal
liquide (poches de filtration et de dégazage).
Les modes de réalisation basés sur l'ajout de fil ont l'inconvénient de
nécessiter
un contrôle du procédé très strict. Un paramètre critique est le contrôle de
la
température, car la fusion d'un fil métallique consomme de l'énergie, ce qui
entraîne
le refroidissement du métal liquide. On trouve par exemple que l'ajout de fil
en zinc
non préchauffé à un bain d'aluminium liquide d'une température de 720 C
conduit à
une baisse de température du métal liquide d'environ 15 C pour un débit
massique
d'environ 2,8 kg/s. Selon les constatations des inventeurs, cette baisse de
température
peut néanmoins être compensée par une augmentation rapide de la température du
four de maintien lorsque la température de liquidus de l'alliage T est plus
basse que
celle de l'alliage P.
Un autre inconvénient des modes de réalisation basés sur l'introduction de fil
est
que l'amplitude de variation de la composition chimique entre l'alliage P,
l'alliage T
et les éventuels autres alliages est limitée par la vitesse de dissolution du
fil dans le
métal liquide. Ce problème peut être résolu au moins partiellement en
préchauffant le
fil avant son introduction dans le métal liquide. Ce préchauffage peut être
réalisé à
l'aide d'un tube chauffé inerté immergé dans le métal liquide qui assure à la
fois le
déroulage du fil et sa dispersion dans le métal liquide. Un tel dispositif a
été décrit
dans la demande de brevet EP 819 772 Al (Alusuisse). Les présents inventeurs
ont
trouvé que l'on peut utiliser ce dispositif de manière à ce que le fil entre
dans le
métal liquide pratiquement à l'état liquide. Un autre inconvénient des modes
de
réalisation basés sur l'introduction de fil se fait sentir lorsque la
composition de
'alliage de base est éloignée de celle des alliages de composition P, T ou
autres : il
7aut dérouler une longueur importante de fil avec une vitesse de déroulement
assez
mportante ou installer plusieurs dispositifs de déroulement de fil ce qui
n'est pas
ouj ours aisé.
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Un avantage des modes de réalisation basés sur l'introduction de fil est de
permettre une grande souplesse quant à la transition entre les deux alliages.
: on peut
obtenir une transition brusque, mais surtout on peut étaler cette transition
plus
facilement sur la longueur de la plaque ou billette pour obtenir une
transition
graduelle. Cela suppose de pouvoir varier la vitesse de défilement du fil (ou
des fils,
si l'on en utilise plusieurs, de même composition ou de compositions
différentes)
et/ou le nombre de fils introduits.
Dans tous ces trois modes de réalisation, on peut avantageusement utiliser une
poche de traitement du métal liquide (par exemple avec un mélange Ar ¨ C12) de
type
connu et/ou une poche de filtration de type filtre à gravier, filtre à dalle
ou tout autre
mode de filtration approprié, afin de minimiser la teneur en hydrogène du
métal
liquide et d'obtenir une qualité inclusiormaire satisfaisante. De façon
avantageuse
dans le cas où l'on chercherait à obtenir une transition abrupte, la
transition entre
alliages est effectuée en aval des poches de traitement.
Dans un quatrième mode de réalisation, on utilise une poche de traitement du
métal liquide de grande taille, qui agit comme réservoir d'alliage P pour
élaborer
l'alliage T. Ce mode de réalisation a l'avantage de ne pas nécessiter un four
additionnel par rapport aux modes de coulée habituellement utilisés. En
revanche, la
quantité de métal disponible pour la coulée de l'alliage T est limitée au
volume de
poche.
Ces quatre modes de réalisation, qui peuvent être aisément combinés entre eux,
permettent d'élaborer un premier produit intermédiaire solide destiné à être
laminé,
filé ou forgé, et notamment une plaque ou une billette à composition variable
dans la
direction de coulée. Ce premier produit intermédiaire solide a de préférence
une
section constante sur au moins 95% de sa longueur.
Ensuite, le premier produit intermédiaire, par exemple la plaque ou billette,
ainsi
obtenu est transformé par corroyage, typiquement à chaud, en une ou plusieurs
étapes, suivi possiblement d'une ou plusieurs étapes de transformation par
corroyage
à froid pour obtenir un second produit intermédiaire, tel qu'une tôle, un
profilé, une
barre filée ou une pièce forgée.
Les billettes peuvent être utilisées pour filer des profilés ou des barres
ayant sur
.eur longueur une composition variable, ou con-mie ébauche de forge. Les
plaques
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peuvent être utilisées comme ébauches de forge ou comme plaques de laminage.
Le
problème de fabriquer des produits laminés qui montrent des caractéristiques
mécaniques variables dans l'espace peut être résolu en utilisant une plaque de
laminage selon l'invention et en la laminant pour obtenir une tôle. Le
laminage dans
le sens de la longueur (c'est à dire dans la direction de coulée H) conduit à
allonger
la zone de transition Z ce qui peut être avantageux pour certaines
applications. Dans
un mode de réalisation de l'invention on soumet la plaque à au moins une passe
de
laminage dans la direction de coulée. On préfère cependant généralement le
laminage
dans le sens de la largeur (c'est à dire perpendiculairement à la direction de
coulée
II), car cela permet de ne pas allonger la zone de transition. Cela induit des
contraintes dans le choix de la dimension des plaques pour atteindre la
dimension de
tôle souhaitée. La figure 4 illustre le laminage d'une plaque selon
l'invention dans le
sens de la largeur. La direction de laminage L est perpendiculaire à la
direction de
coulée H.
On peut élaborer ainsi des tôles épaisses utilisables pour la fabrication de
longerons de composition variable, dont un coté est compatible avec la
fonction d'un
extrados, orientée vers la partie supérieure de l'aile et particulièrement
dimensionnée
en compression, alors que l'autre coté est compatible avec la fonction
d'intrados,
orientée vers la partie inférieure de l'aile et particulièrement dimensionnée
en
ténacité. Pour cette application, il est préférable d'avoir une transition
aussi courte
que possible entre les deux alliages dans la plaque de laminage coulée.
Un tel produit est susceptible d'être utilisé comme élément de structure en
construction aéronautique. Plus particulièrement, on peut l'utiliser comme
longeron,
nervure ou peau de voilure.
Il peut également être avantageux d'utiliser l'invention pour réaliser des
tôles de
fuselage de propriétés variables, adaptées aux contraintes de la partie
supérieure et de
la partie inférieure du fuselage. Pour cette application on peut
avantageusement
choisir de laminer en partie ou totalement perpendiculairement à la direction
de
coulée c'est à dire dans le sens de la largeur de la plaque initiale (Figure
5).
L'invention peut s'appliquer à tous les alliages d'aluminium et
avantageusement, on utilise des alliages à durcissement structural provenant
des
familles DOCX, 6XXX, 7XXX ou 8XXX. Dans un mode de réalisation préféré, les
alliages utilisés sont tous issus de la famille 7300C. Dans un autre mode de
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réalisation avantageux, les alliages utilisés sont tous issus de la famille
2XXX et/ou
sont tous des alliages de type aluminium-lithium (c'est-à-dire les alliages
contenant
au moins 0,1 % en poids de lithium et de préférence au moins 0,5% en poids de
lithium). A titre d'exemple, les couples d'alliages P et T (ou inversement)
sont 7040
et 7449 ou 2024A et 2027 ou 2050 et 2195. Dans le cas d'une séquence de
composition P/T/T' on utilise avantageusement l'alliage 7475 pour P, l'alliage
7040
pour T et l'alliage 7449 pour T'.
Un alliage 7XXX comprenant 4,1 à 5,1% de Zn, 1,5 à 2,5 % en poids de Cu et
1,2 à 1,8 % en poids de Mg s'est avéré particulièrement avantageux dans le
cadre de
l'invention. Cet alliage permet d'atteindre des ténacités très élevées en
minimisant la
perte de caractéristiques mécaniques statiques par rapport à un alliage comme
le
7040. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, l'alliage P est ainsi
un alliage
comprenant 4,1 à 5,1% de Zn, 1,5 à 2,5 % en poids de Cu et 1,2 à 1,8 % en
poids de
Mg et l'alliage T est un alliage comprenant 7 à 10% de Zn, 1,0 à 3,0 % en
poids de
Cu et 1,0 à 3,0 % en poids de Mg. La combinaison entre les alliages 7040 et
7449
est particulièrement favorable pour les applications de type longeron tandis
que la
combinaison entre les alliages 7475 et 7449 est particulièrement favorable
pour les
applications de type peau de voilure.
Les procédés selon la présente invention permettent la fabrication d'éléments
de
structure monolithiques bi-fonctionnels ou multi-fonctionnels.
Les procédés selon la présente invention permettent notamment d'élaborer des
éléments de structure appropriés pour une utilisation dans la construction
aéronautique comprenant des longerons ou nervures de voilure d'avions de
grande
capacité. La figure 1 montre de manière schématique un longeron bi-fonctionnel
selon l'invention. Sa hauteur HL peut atteindre 1 000 mm ou plus, sa longueur
L peut
atteindre dix mètres ou plus, son épaisseur E est typiquement de l'ordre de
100 mm,
mais peut être plus grande. Les longerons sont fabriqués par usinage à partir
de tôles
fortés. Ils peuvent comporter une semelle inférieure (4), une semelle
supérieure (1),
une'âme (2) et des raidisseurs usinés dans la masse (3). La zone de transition
Z peut
être positionnée à égale distance des semelles ou plus proche de l'une ou de
l'autre,
en fonction des besoins de dimensionnement. La figure 2 montre de manière
schématique la tôle forte dans laquelle ces longerons ont été usinés. Dans une
réalisation avantageuse de l'invention, la tôle forte a été obtenue par
laminage dans
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le sens de la largeur de la plaque selon l'invention de façon à ce que la
hauteur HL
soit légèrement inférieure à Hu. Le laminage en sens travers est illustré sur.
la Figure
4.
Les procédés selon la présente invention permettent également d'élaborer des
éléments de structure appropriés pour une utilisation dans la construction
aéronautique comprenant des éléments de fuselage. La Figure 5 illustre
schématiquement l'utilisation d'une tôle selon l'invention pour réaliser un
panneau
de fuselage (6), renforcée par des raidisseurs rivetés, collés ou soudés (5).
Dans
chacune des figures, on a indiqué de manière schématique les deux alliages
utilisés.
On peut également réaliser d'autres éléments de structure appropriés pour une
utilisation dans la construction aéronautique, susceptibles d'être obtenus à
partir de
produits intermédiaires selon l'invention, comprenant par exemple un
raidisseur de
voilure ou un panneau de voilure, appropriés pour une utilisation dans la
construction
aéronautique.
La gamme de transformation réalisée qui peut comporter dans le cas d'une
plaque les étapes d'homogénéisation, de laminage à chaud, de laminage à froid,
de
mise en solution, trempe, déformation à froid (par exemple traction) et revenu
doit
être compatible avec les alliages contenus dans la plaque selon l'invention.
Cette
condition peut être limitante quant au choix des alliages car les températures
optimales sont parfois très différentes entre les alliages et un compromis de
température peut conduire à ne pas obtenir les propriétés souhaitées. L'homme
du
métier tente d'adapter au mieux la gamine de transformation aux alliages en
présence.Des problèmes similaires se posent à l'homme du métier mutatis
mutandis
dans le cas du procédé de transformation d'une billette de filage, ou d'une
ébauche
de forge.
Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, on lamine la
plaque de laminage principalement ou exclusivement dans le sens de sa
longueur,
c'est-à-dire dans la direction de coulée. On obtient ainsi des tôles de grande
longueur
dont l'une des extrémités géométriques est en alliage de composition P, et
l'autre
extrémité géométrique est en alliage de composition T. Ces tôles montrent un
gradient dans leurs propriétés mécaniques dans le sens de leur longueur. Ce
mode de
réalisation s'applique en particuler à la réalisation de tôles de voilure.
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D'autres modes de réalisation de la présente invention sont décrits dans la
description.
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.
Exemples
Exemple 1
Dans cet exemple, on a coulé une plaque (repère A) de laminage dont le pied
(repère
P) était en alliage Al- Zn 5% - Cu 1,8% - Mg 1,5% et la tête (repère T) en
alliage Al-
Zn 8% - Cu 1,8% - Mg 1,9%. On a élaboré les deux alliages dans deux fours
séparés.
Le tableau 1 indique la composition des deux alliages mesurée sur des pions
obtenus
par solidification de métal liquide prélevés dans chacun des deux fours.
Tableau I. Compositions mesurées (% en poids)
Référence Zn Cu Mg Si Fe Ti Zr
A(P) 4,93 1,83 1,48 0,033 0,053
0,0175 0,11
A(T) 8,05 1,85 1,89 0,030 0,044
0,0202 0,12
Les deux alliages liquides ont été traités pendant 90 minutes avec un mélange
Ar ¨
C12 dans une poche de traitement de type IRMA V. La transition entre alliages
a été
effectuée dans une goulotte. On a prélevé dans la goulotte du métal liquide
pour la
fabrication de pions spectrométriques avant, pendant et après la transition de
composition, environ tous les 50 mm de descente. On a ainsi constaté que la
transition de la composition s'opère sur une hauteur de descente d'environ 200
mm.
La hauteur flp était de 2100 mm, la hauteur HT était d'environ 1600 mm et la
hauteur
totale de la plaque Hp était d'environ 3700 mm. On a ébouté une longueur de
pied
HEp de 750 mm et une longueur de tête HET de 300 mm, ce qui donne une longueur
utilisable Hu d'environ 2600 mm.
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Exemple 2
On a coulé une plaque comme indiqué dans l'exemple 1. Les compositions des
alliages sont indiquées dans le tableau 2.
Tableau 2 Compositions mesurées (% en poids)
Référence Zn Cu Mg Si Fe Ti Zr
B(P) 4,81 1,80 1,47 0,035
0,043 0,0184 0,11
B(T) 8,11 1,87 1,92 0,031
0,044 0,0190 0,11
Les deux alliages liquides ont été traités avec un mélange Ar ¨ C12 dans une
poche de
traitement de type ALPUR . De façon à obtenir une transition abrupte, le
métal de
composition T a été élaboré à partir du métal de composition P dans la poche
ALPUR 0, puis la poche a été alimentée par le métal liquide provenant du
second
four. On a prélevé dans la goulotte du métal liquide pour la fabrication de
pions
spectrométriques avant, pendant et après la transition de composition, environ
tous
les 50 mm de descente. La figure 6 illustre les résultats obtenus. La
transition de la
composition s'opère sur une hauteur de descente de moins de 100 mm. La hauteur
Hp
était de 2100 mm. La hauteur finale HF de la plaque était d'environ 3850 mm.
On a
ébouté une longueur de pied HEp de 800 mm et une longueur de tête HET de 300
min,
ce qui donne une longueur utilisable Hu d'environ 2750 mm.
Exemple 3
Dans cet exemple, on fabrique une tôle forte susceptible d'être utilisée pour
la
fabrication d'un longeron d' aile d'avion.
On utilise la plaque issue de l'exemple 2. Cette plaque a une hauteur Hu
d'environ
2750 mm ce qui est suffisant pour un longeron d'une hauteur d'environ 2000 mm.
La
plaque est homogénéisée pendant 48 heures à 470 C. Elle est laminée à chaud
dans
le sens travers (i.e. perpendiculairement à la direction de coulée H de la
plaque)
jusqu'à une épaisseur finale de 80 mm. La température de laminage à chaud est
comprise entre 400 C et 460 C. La tôle ainsi obtenue est mise en solution à
473 C
pendant 12 heures. Après trempe, la tôle est soumise à une traction contrôlée
avec
une déformation permanente d'environ 2%.
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-
Une caractérisation de la tôle obtenue par mesure de conductivité est alors
effectuée.
La figure 7 illustre le profil de conductivité obtenu à mi-épaisseur dans la
direction
de coulée H. La zone de transition entre alliage s'étend sur une hauteur
d'environ
400 mm. Cette hauteur est supérieure à la hauteur de transition de 100 min
mesurée
par prélèvement de pions en cours de coulée car elle intègre la forme de
l'interface
entre solide et liquide ( le marais ) qui n'est pas un plan perpendiculaire
à la
direction de coulée mais une surface dont la forme dépend des conditions de
refroidissement lors de la solidification. Ensuite, la tôle est soumise à un
traitement
de revenu en deux paliers : 6 heures à 120 C suivi de 20 heures à 155 C. Le
tableau
3 ci-dessous illustre les caractéristiques mécaniques statiques, la ténacité
et la tenue à
la corrosion obtenues pour des prélèvements effectués à mi-épaisseur et à
quart
d'épaisseur.
Tableau 3
Quart d'épaisseur sens L Mi épaisseur sens L Kic L-T Exco
MPa
Rm Rp0,2 A% Rm R02 A% CT30 CT40
(MPa) (MPa) (MPa) (MPa) t/4 t/2
453 418 15,6 493 437 12,3 56,7 66,6 EA
T 537 515 12,4 575 536 10,2 34,0 42,4 EA/B
On obtient ainsi une tôle présentant à l'extrémité T une valeur de Rpo.2
supérieure à
510 MPa et une valeur de 1(1c supérieure à 32 MPa'\/ni, et à l'extrémité P une
valeur
de R0.2 supérieure à 410 MPa et une valeur de 1(1c supérieure à 54 MPeim. Dans
cette tôle, on peut usiner un élément de structure bi-fontionnel pour
construction
aéronautique, à savoir un longeron, de manière à avoir le côté extrados en
alliage de
composition T, et le côté intrados en alliage de composition P. Ce longeron
est
schématiquement représenté sur la figure 1.
Exemple 4
Dans cet exemple, on coule une plaque de laminage en alliage à base
d'aluminium
dont la composition de tête T (alliage de type AA 7449) comprend 8% de zinc,
1,9%
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de magnésium et 1,8% de cuivre, et dont la composition de pied P (alliage de
type
AA7040) comprend 5% de zinc, 1,5% de magnésium et 1,8% de cuivre. La teneur en
zirconium est de 0,11%. Pour couler cette plaque, on prépare un alliage de
composition P, on traite le métal par un gaz (Ar + C12) dans une poche de
traitement,
on coule avec l'alliage de composition P la plaque jusqu'à la hauteur Hp
voulue, qui
est la mi-hauteur finale HF de la plaque visée, et ensuite on continue la
coulée jusqu'à
la hauteur finale HF en ajoutant à l'alliage en cours de coulée, après la
poche de
traitement, la quantité nécessaire de métal solide riche en zinc et magnésium
pour
amener l'alliage de composition P à la composition T. Cet apport de métal
solide est
fait en déroulant, par l'intermédiaire d'un dérouleur, deux fils avec des
teneurs en
zinc et magnésium appropriées, qui sont fournis en bobines.
Exemple 5
Dans cet exemple, on coule une plaque de laminage en alliage à base
d'aluminium
dont la composition de pied P comprend 1,8% de magnésium, 7,8% de zinc et 1,8%
de cuivre et dont la composition de tête T comprend 1,3% de magnésium, 7,8% de
zinc et 1,8% de cuivre. La teneur en zirconium est de 0,10 %. Pour couler
cette
plaque, on prépare un alliage de la composition T, on ajoute dans une poche de
traitement la quantité de Mg nécessaire pour atteindre la composition P visée
puis on
coule. La transition entre les deux compostions est progressive, la
composition T
étant atteinte pour une hauteur coulée de 800 mm. La plaque est ensuite
transformée
par homogénéisation, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 100 mm, mise en
solution, trempe et revenu.
Les résultats obtenus en pied et en tête sont présentés dans le Tableau 4 pour
4
conditions différentes de revenu.
Tableau 4
Conditions de Position Quart d'épaisseur sens L Kic L-T
MPa
revenu
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Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A% ' CT40 t/4
15h 155'C P ' 518 504 10,4 , 38,9
15h 155C T 490 469 12,2 44,6
, , ,
