Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02836531 2013-11-18
WO 2012/160272 PCT/FR2012/000198
Alliage aluminium magnésium lithium à ténacité améliorée
Domaine de l'invention
L'invention concerne les produits en alliages aluminium-magnésium-lithium,
plus
particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et
d'utilisation, destinés en
particulier à la construction aéronautique et aérospatiale.
Etat de la technique
Des produits laminés en alliage d'aluminium sont développés pour produire des
pièces de
haute résistance destinées notamment à l'industrie aéronautique et à
l'industrie aérospatiale.
Les alliages d'aluminium contenant du lithium sont très intéressants à cet
égard, car le
lithium peut réduire la densité de l'aluminium de 3 % et augmenter le module
d'élasticité de
6 % pour chaque pourcent en poids de lithium ajouté. Pour que ces alliages
soient
sélectionnés dans les avions, leur performance par rapport aux autres
propriétés d'usage
doit atteindre celle des alliages couramment utilisés, en particulier en terme
de compromis
entre les propriétés de résistance mécanique statique (limite d'élasticité en
traction et en
compression, résistance à la rupture) et les propriétés de tolérance aux
dommages (ténacité,
résistance à la propagation des fissures en fatigue), ces propriétés étant en
général
antinomiques.
Ces alliages doivent également présenter une résistance à la corrosion
suffisante, pouvoir
être mis en forme selon les procédés habituels et présenter de faibles
contraintes résiduelles
de façon à pouvoir être usinés de façon intégrale.
Les alliages d'aluminium contenant simultanément du magnésium et du lithium
permettent
d'atteindre des densités particulièrement faibles et ont donc été
extensivement étudiés.
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Le brevet GB 1,172,736 enseigne un alliage contenant 4 à 7% en poids Mg, 1,5 -
2,6 % Li,
0,2 - 1% Mn et/ou 0,05 - 0,3 % Zr, reste aluminium utiles pour des
utilisations nécessitant
une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à la corrosion, une
faible densité et
un module d'élasticité élevé.
La demande internationale WO 92/03583 décrit un alliage utile pour les
structures
aéronautiques ayant une faible densité de formule générale MgaLibZncAgdAlbai,
dans lequel
a est compris entre 0,5 et 10%, b est compris entre 0,5 et 3%, c est compris
entre 0,1 et 5%,
d est compris entre 0,1 et 2% et bal indique que le reste est de l'aluminium.
Le brevet US 5,431,876 enseigne un groupe d'alliages ternaire d'aluminium
lithium et
magnésium ou cuivre, incluant au moins un additif tel que le zirconium, le
chrome et/ou le
manganèse.
Le brevet US 6,551,424 décrit un procédé de fabrication de produits en alliage
aluminium-
magnésium-lithium de composition (en % en poids) Mg: 3,0 - 6,0, Li: 0,4 - 3,0,
Zn
jusque 2,0, Mn jusque 1,0, Ag jusque 0,5, Fe jusque 0,3, Si jusque 0,3, Cu
jusque 0,3, 0,02
- 0,5 d'un élément sélectionné dans le groupe consistant en Sc, Hf, Ti, V, Nd,
Zr, Cr, Y,
Be, incluant un laminage à froid dans le sens de la longueur et dans le sens
de la largeur.
Le brevet US 6,461,566 décrit un alliage de composition (en % en poids) Li :
1,5 - 1,9,
Mg: 4,1 -6,0, Zn 0,1 - 1,5, Zr 0,05 - 0,3, Mn 0,01 -0,8 H, 0,9 10-5 -4,5 10-5
et au moins
un élément sélectionné dans le groupe Be 0,001 - 0.2, Y 0,001 - 0.5 et Sc 0,01
-0,3.
Le brevet RU 2171308 décrit un alliage comprenant (en % en poids) Li: 1,5 -
3,0, Mg : 4,5
- 7,0, Fe 0,01 - 0,15, Na: 0,001 - 0,0015, H, 1,7 10-5 - 4.5 10-5 et au moins
un élément
sélectionné dans le groupe Zr 0,05- 0,15, Be 0,005 - 0,1, et Sc 0,05 - 0,4 et
au moins un
élément sélectionné dans le groupe Mn 0,005- 0,3, Cr 0,005 - 0,2, et Ti 0,005 -
0,2, reste
aluminium.
Le brevet RU2163938 décrit un alliage contenant (en % en poids) Mg: 2,0 - 5,8,
Li: 1,3-
2,3, Cu : 0,01 - 0,3, Mn: 0,03- 0,5, Be: 0,0001 - 0,3, au moins un élément
parmi Zr et Sc:
0,02 - 0,25 et au moins un élément parmi Ca et Ba: 0,002 - 0.1, reste
aluminium.
La demande de brevet DE 1 558 491 décrit notamment un alliage contenant (en %
en poids)
Mg : 4 - 7, Li : 1,5 - 2,6, Mn : 0,2- 1,0, Zr 0,05 - 0,3 et/ou Ti 0,05 -
0,15ou Cr 0,05 - 0,3.
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Ces alliages n'ont pas résolu certains problèmes et en particulier leur
performance en
termes de tolérance aux dommages n'a pas permis leur utilisation significative
dans
l'aviation commerciale. Il est à noter également que la fabrication de
produits corroyés à
partir de ces alliages est restée difficile et que le taux de rebut est trop
élevé.
Il existe un besoin pour des produits corroyés en alliage aluminium-magnésium-
lithium
présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus,
en particulier
en termes de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique
et les
propriétés de tolérance aux dommages, en particulier la ténacité, de
résistance à la
corrosion tout en ayant une faible densité.
De plus il existe un besoin pour un procédé de fabrication de ces produits
fiable et
économique.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un produit corroyé en alliage d'aluminium
de
composition, en % en poids,
Mg: 4,0 ¨ 5,0
Li: 1,0¨ 1,6
Zr: 0,05 ¨ 0,15
Ti : 0,01 ¨ 0,15
Fe : 0,02 - 0,2
Si : 0,02 - 0,2
Mn : < 0,5
Cr < 0,5
Ag : 0,5
Cu < 0,5
Zn < 0,5
Sc < 0,01
autres éléments < 0,05
reste aluminium.
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Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un produit
corroyé selon
l'invention comprenant successivement
- l'élaboration d'un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage
d'aluminium
- de composition selon l'invention,
- la coulée dudit alliage sous forme brute,
- optionnellement l'homogénéisation du produit ainsi coule,
- la déformation à chaud et optionnellement à froid,
- optionnellement un traitement thermique a une température comprise entre
300 et
420 C en un ou plusieurs paliers,
- la mise en solution du produit ainsi déformé, et la trempe,
- optionnellement la déformation a froid du produit ainsi mis en solution et
trempe,
- le revenu a une température inférieure à 150 C.
Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un produit
l'invention pour réaliser des
éléments de structure d'aéronef.
Un autre objet de l'invention est un produit corroyé en alliage d'aluminium de
composition,
en % en poids,
Mg: 4,0-5,0
Li: 1,0- 1,6
Zr: 0,05-0,15
Ti: 0,01-0,15
Fe : 0,02 - 0,2
Si : 0,02 - 0,2
Mn : <0,5
Cr < 0,5
Ag: 0,5
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Cu < 0,5
Zn < 0,5
Sc <0,01
autres éléments <0,05
reste aluminium,
le corroyage dudit produit corroyé étant effectué par laminage,
ledit produit corroyé ayant une épaisseur comprise entre 0.5 et 15 mm, à mi-
épaisseur au
moins une propriété de résistance mécanique statique parmi les propriétés (i)
à (iii) et au
moins une propriété de tolérance aux dommages parmi les propriétés (iv) à (vi)
(i) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) > 280 MPa,
(ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (TL) > 260 MPa,
(iii) une limite d'élasticité en traction Rp0.2 (45 )? 200 MPa,
(iv) une ténacité pour des éprouvettes de largeur W = 760 mm Kapp (L-T) >
90
MPa-Vm pour une épaisseur inférieure à 3 mm,
(y) une ténacité pour des éprouvettes de largeur W =
760 mm Kapp (T-L)
>100 MF'a-\im pour une épaisseur inférieure à 3 mm,
une extension de fissure du dernier point valide de la courbe R pour des
éprouvettes de largeur
W = 760 mm Aaeff(max)(T-L) > 80 mm pour une épaisseur inférieure à 3 mm.
Description des figures
Figure 1 : Courbe R dans le sens L-T (éprouvette CCT760).
Figure 2 : Courbe R dans le sens T-L (éprouvette CCT760).
Figure 3 : Tenacite Kapp (L-T) en fonction de la limite d'élasticité R0,2(L)
pour les alliages A, C et
D.
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Description de l'invention
Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition
chimique des alliages
sont exprimées comme un pourcentage en poids base sur le poids total de
l'alliage.
L'expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids
est multipliée
par 1,4. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements
de The
Aluminium Association, connus de l'homme du métier. La densité dépend de la
composition
et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de mesure de poids.
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Les valeurs sont calculées en conformité avec la procédure de The Aluminium
Association,
qui est décrite pages 2-12 et 2-13 de Aluminum Standards and Data . Les
définitions des
états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la
résistance à la
rupture Rffi, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement
Rp0,2, et
l'allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon
la norme NF
EN ISO 6892-1, le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme
EN 485-1.
Une courbe donnant le facteur d'intensité de contrainte effectif en fonction
de l'extension
de fissure effective, connue comme la courbe R, est déterminée selôn la norme
ASTM E
561. Le facteur d'intensité de contrainte critique Kc, en d'autres termes le
facteur
d'intensité qui rend la fissure instable, est calculé à partir de la courbe R.
Le facteur
d'intensité de contrainte Kco est également calculé en attribuant la longueur
de fissure
initiale au commencement de la charge monotone, à la charge critique. Ces deux
valeurs
sont calculées pour une éprouvette de la forme requise. Kapp représente le
facteur Kco
correspondant à l'éprouvette qui a été utilisée pour effectuer l'essai de
courbe R. Kceff
représente le facteur Kc correspondant à l'éprouvette qui a été utilisée pour
effectuer l'essai
de courbe R. Aaeffirnax) représente l'extension de fissure du dernier point
valide de la courbe
R. La longueur de la courbe R ¨ à savoir l'extension de fissure maximale de la
courbe ¨ est
un paramètre en lui-même important, notamment pour la conception de fuselage.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent.
On appelle ici élément de structure ou élément structural d'une
construction
mécanique une pièce mécanique pour laquelle les propriétés mécaniques
statiques et/ou
dynamiques sont particulièrement importantes pour la performance de la
structure, et pour
laquelle un calcul de structure est habituellement prescrit ou réalisé. Il
s'agit typiquement
d'éléments dont la défaillance est susceptible de mettre en danger la sécurité
de ladite
construction, de ses utilisateurs, des ses usagers ou d'autrui. Pour un avion,
ces éléments de
structure comprennent notamment les éléments qui composent le fuselage (tels
que la peau
de fuselage, fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage
(stringers), les
cloisons étanches (bulkheads), les cadres de fuselage (circumferential
frames), les ailes (tels
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que la peau de voilure extrados ou intrados (upper or lower 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.
Selon la présente invention, une classe sélectionnée d'alliages d'aluminium
qui contiennent
des quantités spécifiques et critiques de magnésium, de lithium, de zirconium,
de titane, de
fer et de silicium permet de fabriquer des produits corroyés ayant un
compromis de
propriétés amélioré, en particulier entre la résistance mécanique et la
tolérance aux
dommages, tout en présentant une bonne performance en corrosion.
La teneur en magnésium des produits selon l'invention est comprise entre 4,0
et 5,0 % en
poids. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la teneur en magnésium
est au
moins de 4,3 % en poids ou préférentiellement 4,4 % en poids. Une teneur
maximale de
4,7% en poids ou avantageusement de 4,6 % en poids de magnésium est préférée.
La teneur en lithium des produits selon l'invention est comprise entre 1,0 et
1,6 % en poids.
Les présents inventeurs ont constaté qu'une teneur en lithium limitée, en
présence de
certains éléments d'addition, permet d'améliorer très significativement la
ténacité et la
vitesse de propagation des fissures en fatigue, ce qui compense largement la
légère
augmentation de densité et la diminution des propriétés mécaniques statiques.
Dans un mode de réalisation avantageux, la teneur maximale en lithium est 1,5%
en poids
et de préférence 1,45 % en poids ou préférentiellement 1,4 % en poids. Une
teneur
minimale en lithium de 1,1 % en poids et de préférence de 1,2 % en poids est
avantageuse,
notamment pour améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire.
La teneur en zirconium des produits selon l'invention est comprise entre 0,05
et 0,15 % en
poids et la teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,15 % en poids. La
présence de ces
éléments associée aux conditions de transformation utilisées permet
avantageusement de
maintenir une structure granulaire substantiellement non recristallisée.
Contrairement à
certains enseignements de l'art antérieur, les présents inventeurs ont
constaté qu'il n'est pas
nécessaire d'ajouter du scandium dans ces alliages pour obtenir la structure
granulaire
substantiellement non-recristallisée désirée et que l'addition de scandium
pouvait même
s'avérer néfaste en rendant l'alliage particulièrement fragile et difficile à
laminer à froid
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jusqu'à des épaisseurs inférieures à 3 mm. La teneur en scandium est donc
inférieure à 0,01
% en poids. Dans un mode de réalisation ,de l'invention la teneur en titane
est comprise
entre 0,01 et 0,05 % en poids. Le manganèse et/ou le chrome peuvent également
être
ajoutés pour contribuer notamment au contrôle de la structure granulaire, leur
teneur restant
au maximum de 0,5 % en poids. Dans un mode de réalisation avantageux de
l'invention,
présentant notamment une ductilité à chaud améliorée, l'alliage contient au
moins un
élément parmi Mn et Cr avec pour teneur, en % en poids Mn: 0,05 ¨ 0,5 ou 0,05
¨ 0,3 et
Cr: 0,05 ¨ 0,3 , un élément non choisi parmi Mn et Cr ayant une teneur
inférieure à 0,05 %
en poids. L'amélioration de la ductilité à chaud facilite notamment la
déformation à chaud
.. ce qui permet de diminuer le taux de rebut lors de la transformation.
Le cuivre et/ou l'argent peuvent également être ajoutés pour améliorer les
performances des
produits corroyés selon l'invention leur teneur restant au maximum de 0,5 % en
poids.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'alliage contient au
moins un
élément parmi Ag et Cu avec pour teneur s'il est choisi, en % en poids Cu:
0,05 ¨ 0,3 et
Ag: 0,05 ¨0,3 , un élément non choisi parmi Ag et Cu ayant une teneur
inférieure à 0,05 %
en poids. Ces éléments peuvent contribuer notamment aux propriétés mécaniques
statiques.
Cependant dans un mode de réalisation avantageux pour améliorer la résistance
à la
corrosion intergranulaire la teneur en Ag et/ou la teneur en Cu sont
inférieures à 0,05 % en
poids.
Les produits corroyés selon l'invention contiennent une faible quantité de fer
et de silicium,
la teneur de ces éléments étant comprise entre 0,02 et 0,2 % en poids. Les
présents
inventeurs pensent que la présence de ces éléments peut contribuer, en formant
des phases
intermétalliques et/ou en contribuant à la formation des dispersoïdes
notamment en
présence de manganèse, à améliorer les propriétés de tolérance aux dommages en
évitant la
localisation de la déformation. Dans un mode de réalisation de l'invention la
teneur en Fe
et/ou la teneur en Si sont en % en poids Fe : 0,04 ¨ 0,15; Si : 0,04 ¨ 0,15..
Dans un mode
de réalisation de l'invention la teneur en Fe et/ou la teneur en Si est
inférieure à 0,15% en
poids et de préférence inférieure à 0,1 % en poids.
La teneur en Zn est au maximum de 0,5 % en poids. Dans un mode de réalisation
avantageux de l'invention la teneur en Zn est inférieure à 0,2 % en poids et
de préférence
inférieure à 0,05 % en poids. L'addition délibérée de Zn n'est typiquement pas
souhaitable
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car cet élément peut contribuer à dégrader la ductilité à chaud tout en
n'apportant pas
d'avantage pour la résistance à la corrosion intergranulaire. De plus
l'addition de Zn
contribue à augmenter la densité de l'alliage ce qui n'est le plus souvent pas
souhaitable.
Les autres éléments ont une teneur inférieure à 0,05% en poids, chacun.
Certains éléments peuvent être néfaste pour les alliages selon l'invention, en
particulier
pour des raisons de transformation de l'alliage telles que la toxicité et/ou
les casses lors de
la déformation et il est préférables de les limiter à un niveau très faible,
i.e. inférieure à 0,05
% en poids ou même moins. Dans un mode de réalisation avantageux les produits
selon
l'invention ont une teneur maximale de 5 ppm de Be et de préférence de 2 ppm
de Be et/ou
une teneur maximale de 10 ppm de Na et/ou une teneur maximale de 20 ppm de Ca.
Les produits corroyés selon l'invention sont préférentiellement des produits
filés tels que
des profilés, des produits laminés tels que des tôles ou des tôles épaisses
et/ou des produits
forgés.
Le procédé de fabrication des produits selon l'invention comprend les étapes
successives
d'élaboration d'un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage
d'aluminium de
composition selon l'invention, la coulée dudit alliage sous forme brute,
optionnellement
l'homogénéisation du produit ainsi coulé, la déformation à chaud et
optionnellement à
froid, la mise en solution du produit ainsi déformé, et la trempe,
optionnellement la
déformation à froid du produit ainsi mis en solution et trempé et le revenu à
une
température inférieure à 150 C.
Dans une première étape, on élabore un bain de métal liquide de façon à
obtenir un alliage
d'aluminium de composition selon l'invention.
Le bain de métal liquide est ensuite coulé sous forme brute, typiquement une
plaque de
laminage, une billette de filage ou une ébauche de forge.
La forme brute est ensuite optionnellement homogénéisée de façon à atteindre
une
température comprise entre 450 C et 550 et de préférence entre 480 C et 520
C pendant
une durée comprise entre 5 et 60 heures. Le traitement d'homogénéisation peut
être réalisé
en un ou plusieurs paliers. Cependant les présents inventeurs n'ont pas
constaté d'avantage
significatif apporté par l'homogénéisation et dans une réalisation préférée de
l'invention, on
procède directement à la déformation à chaud à la suite d'un simple
réchauffage sans
effectuer d'homogénéisation.
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La déformation à chaud, typiquement par filage, laminage et/ou forgeage, est
effectuée de
préférence avec une température d'entrée supérieure à 400 C et de manière
avantageuse
supérieure à 430 C ou même 450 C.
Dans le cas de la fabrication de tôles par laminage, il est nécessaire de
réaliser une étape de
laminage à froid pour les produits dont l'épaisseur est inférieure à 3 mm. Il
peut s'avérer
utile de réaliser un ou plusieurs traitement thermiques intermédiaires avant
ou au cours du
laminage à froid. Ces traitements thermiques intermédiaires sont typiquement
réalisés à une
température comprise entre 300 et 420 C en un ou plusieurs paliers.
Les présents inventeurs ont constaté que même en réalisant ces traitements
thermiques
intermédiaires, il ne leur avait pas été possible de laminer à froid de façon
industrielle des
tôles en alliages de référence jusqu'à une épaisseur de 2 mm alors que cette
étape s'est
avérée réalisable avec des tôles en alliage selon l'invention. Les tôles selon
l'invention ont
une épaisseur préférée d'au moins 0,5 mm et de préférence d'au moins 0,8 mm ou
1 mm.
Après déformation à chaud et optionnellement à froid le produit est mis en
solution et
trempé. Avant mise en solution, il est avantageux de réaliser un traitement
thermique à une
température comprise entre 300 et 420 C en un ou plusieurs paliers, de façon
à améliorer
le contrôle de la structure granulaire substantiellement non recristallisée.
La mise en
solution est effectuée, selon la composition du produit, à une température
comprise entre
370 et 500 C. La trempe est effectuée à l'eau et/ou à l'air. Il est
avantageux de réaliser la
trempe à l'air car les propriétés de corrosion intergranulaire sont
améliorées.
Le produit ainsi mis en solution et trempé peut optionnellement être à nouveau
déformé à
froid. Des étapes de planage ou redressage sont typiquement effectuées à ce
stade mais il
est également envisageable d'effectuer une déformation plus poussée de manière
à
améliorer encore les propriétés mécaniques.
L'état métallurgique obtenu pour les produits laminés est avantageusement un
état T6 ou
T6X ou T8 ou T8X et pour les produits filés avantageusement un état T5 ou T5X
dans le
cas de la trempe sur presse ou un état T6 ou T6X ou T8 ou T8X.
Le produit subit enfin un revenu à une température inférieure à 150 C. De
manière
avantageuse le revenu est effectué en trois paliers, un premier palier à une
température
comprise entre 70 à 100 C, un second palier à une température comprise entre
100 à 140
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C et un troisième palier à une température comprise entre 90 à 110 C, la
durée de ces
paliers étant typiquement de 5 à 50 h.
La combinaison de la composition choisie, en particulier de la teneur en
zirconium et de
titane, et des paramètres de transformation, en particulier la température de
déformation à
chaud et le cas échéant du traitement thermique avant mise en solution, permet
avantageusement d'obtenir des produits corroyés ayant une structure granulaire
substantiellement non-recristallisée. Par structure granulaire
substantiellement non-
recristallisée, on entend un taux de structure granulaire non-recristallisée à
mi-épaisseur
supérieur à 70 % et de préférence supérieur à 85%.
Les produits laminés selon l'invention présentent des caractéristiques
particulièrement
avantageuses. Les produits laminés ont de préférence une épaisseur comprise
entre 0,5 mm
et 15 mm, mais des produits d'épaisseur supérieure à 15 mm, jusque 50 mm ou
même 100
mm ou plus peuvent avoir des propriétés avantageuses.
Les produits laminés obtenus par le procédé selon l'invention ont, pour une
épaisseur
comprise entre 0.5 et 15 mm, à mi-épaisseur au moins une propriété de
résistance
mécanique statique parmi les propriétés (i) à (iii) et au moins une propriété
de tolérance aux
dommages parmi les propriétés (iv) à (vi)
(i) une limite d'élasticité en traction R0,2(L) > 280 MPa et de préférence
R02(L) >
310 MPa,
(ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2(TL) > 260 MPa et de
préférence
Rp0,2(TL) 290 MPa,
(iii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2(45 ) > 200 MPa et de
préférence
Rp0,2(45 ) > 240 MPa,
(iv) une ténacité pour des éprouvettes de largeur W = 760 mm Kapp (L-T) >
90
MPa \irn pour une épaisseur inférieure à 3 mm et Kapp (L-T) > 110 MPaJm pour
une épaisseur d'au moins 3 mm,
(v) une ténacité pour des éprouvettes de largeur W = 760 mm Kapp (T-L) >
100
MPa-\lin pour une épaisseur inférieure à 3 mm et Kapp (T-L) > 120 MPeirn pour
une épaisseur d'au moins 3 mm,
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(vi) une extension de fissure du dernier point valide de la courbe R
pour des
éprouvettes de largeur W = 760 mm Aaeft(max) (T-L) > 80 mm pour une épaisseur
inférieure à 3 mm et Aaeff(max) (T-L) > 110 mm pour une épaisseur d'au moins 3
mm.
Les produits laminés selon l'invention présentent une amélioration de
l'isotropie des
propriétés mécaniques, en particulier de la ténacité. Ainsi les produits
laminés selon
l'invention présentent de façon avantageuse pour des éprouvettes de largeur W
= 760 mm
un écart entre Kapp (L-T) et Kapp (T-L) inférieur à 20% etiou un écart entre
Aaett(max) (T-L) et
Aaeff(nax) (L-T) inférieur à 20% et de préférence inférieur à 15%.
De plus les produits laminés selon l'invention ayant été trempés à l'air
présentent une perte
de poids inférieure à 20 mg/cm2 et de préférence inférieure à 15 mg/cm2 après
le test de
corrosion intergranulaire NAMLT ( Nitric Acid Mass Loss Test ASTM-G67).
Les produits corroyés selon l'invention sont avantageusement utilisés pour
réaliser des
éléments de structure d'aéronef, notamment d'avions. Des éléments de structure
d'aéronef
préférés sont notamment une peau de fuselage obtenue avantageusement avec des
tôles
d'épaisseur 0,5 à 12 mm selon l'invention, un cadre de fuselage, un raidisseur
ou lisse de
fuselage obtenu avantageusement avec des profilés selon l'invention ou une
nervure.
Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détail à
l'aide des
exemples illustratifs et non limitatifs suivants.
Exemples
Exemple 1
Dans cet exemple, plusieurs plaques en alliage Al-Mg-Li dont la composition
est
donnée dans le tableau 1 ont été coulées. L'alliage D a une composition selon
l'invention,
les alliages A à C sont des alliages de référence.
Tableau 1. Composition en % en poids et densité des alliages Al-Mg-Li utilisés
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CA 02836531 2013-11-18
WO 2012/160272
PCT/FR2012/000198
Alliage Ag Li Si Fe Cu Ti Mn Mg Zn Zr NaSc
(PPR')
A 0,1 1,8 0,04 0,04 0,17 0,02 0,13 4,6 0,46 0,07 9 0,08
= 0,1 1,7 0,04
0,04 0,07 0,02 0,13 4,9 0,48 0,13 8
= 0,1 1,7 0,04 0,04 0,17 0,02 0,15 4,8 0,44 0,12 11
D 0,1 1,4 0,05 0,04 0,18 0,02 0,15 4,5 0,12 4
Les plaques ont été réchauffées et laminées à chaud jusqu'à une épaisseur
d'environ 4 mm.
Des essais de laminage à froid jusqu'à l'épaisseur 2 mm ont été effectués
après un
traitement thermique constitué de deux paliers successifs d'une heure à 340 C
suivi de 1
heure à 400 C. Seule les tôles en alliage selon l'invention ont pu être
laminées à froid avec
succès jusqu'à l'épaisseur finale, les tôles en alliage de référence s'étant
cassées à
l'épaisseur 2,6 mm. Après laminage à chaud et éventuellement à froid, les
tôles ont été
mises en solution à 480 C pendant 20 mn, ce traitement étant précédé d'un
traitement
thermique constitué de deux paliers successifs d'une heure à 340 C suivi de 1
heure à 400
C. Après mise en solution, les tôles ont été trempées à l'air et planées. Le
revenu a été
effectué pendant 10h à 85 C suivi de 16h à 120 C suivi de 10h à 100 C.
La structure granulaire de l'ensemble des échantillons était substantiellement
non
recristallisée, le taux de recristallisation à mi-épaisseur étant inférieur à
10%.
Des échantillons ont été testés pour déterminer leurs propriétés mécaniques
statiques (limite
d'élasticité Rp0.2, la résistance à la rupture R.,õ, et l'allongement à la
rupture (A).
Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2. Propriétés mécaniques des tôles obtenues.
Alliage Ep. Sens L Sens TL Sens 45
Rm R0.2 Rm R0.2 Rm R0.2
(mm) A% A% A%
(MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa)
A 4,5 507
399 4,9 502 355 12,5 436 293 21,8
= 4,5 488
370 6,0 513 354 12,4 423 274 24,7
= 4,2 487 374 5,6 506 349 11,7 444 286 21,0
D 4,2 436
328 8,5 443 304 16,1 394 256 23,1
D 2,1 439
344 5.4 455 327 15.2 379 256 25.8
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WO 2012/160272 PCT/FR2012/000198
La ténacité des tôles a été caractérisée par l'essai de courbes R suivant la
norme ASTM
E561. Les essais ont été effectués avec une éprouvette CCT (W=760 mm, 2a0=253
mm)
pleine épaisseur. L'ensemble de résultats est reporté dans le tableau 3 et le
tableau 14 et
illustré par les graphes de la figure 1 et de la figure 2.
Tableau 3 - Données de résumé de la courbe R
Alliage Ep. Sens Kr (MPa-Vm) à daeff
(mm)
(mm) 10 20 30 40 50 60 70 80
A 4,5 63 79 91 101 105 107 111
70 91 105 115 122 129 135 142
C 4õ2 L-T
D 4,2 86 113 131 145 157 166 175 183
D 2,1 79 101 113 120 128 - 132 137
141
A 4,5 62 86 95 110 123 135 143
B 4,5 68 87 110 129 147 157 164 174
C 4,2 T-L 70 94 110 122 131 134
D 4,2 86 110 128 141 153 164 175 183
D 2,1 84 106 122 133 142 150 157 161
Tableau 4 ¨ Résultats des essais de ténacité
Alliage Ep. (mm) Sens mKpaa7 mKpc"\fff Aaemffmmax
A 4,5 82 102 76
4,2 L-T 96 132 116
D 4,2 125 177 121
D 2,1 99 122 113
A 4,5 102 142 72
4,5 119 179 102
4,2 T-L 102 131 63
D 4,2 125 177 134
D 2,1 112 147 103
La figure 3 montre l'amélioration du compromis entre la limite d'élasticité et
la ténacité.
En particulier, l'amélioration de Kapp (L-T) est supérieure à 25 % alors que
la diminution de
limite d'élasticité est inférieure à 15% par rapport à la tôle en alliage C.
La longueur de la
courbe R est également significativement améliorée, ainsi Aaeff(max) (T-L) est
amélioré de
plus de 30%.
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La vitesse de propagation de fissure a été déterminée selon la norme E647 sur
des
éprouvettes CCT de largeur 160 mm.
Tableau 5 ¨ Vitesse de propagation des fissures (amax = 80 MPa ou csõ,aõ = 120
MPa (**), R
= 0,1 ¨ pleine épaisseur)
Alliage Ep. Sens da/dN (mm/cycles) à AK (MPa-Vm)
(mm) 10 15 20 25 30 35 40
D 4,2 1,24.10' 1.17.10- 4 2,27.10' 3,85.10'4 0,63.10'3
0,95.10' 1,48.10'
D 2,1 L-T1,20.10-" 1,59.104'4 2,82.104)4 4,95.1044 0,90.104)3
A 4,5 1,30.10-04 2,58.104 7,81.104 35,3.104 14,4.103
4,5** 1,37.10'4 1,89.104)4 2,73.104 5,63.1044 0,98.103
2,20.1043 5,30.104)3
4,2** T-L 2,84.104 5,10.10404 9,61.104 1,99.103 9,60.1043
D 4,2 1,35.10" 2,00.104 3,52,104 5,14.104 0,92,10. 1,95.10-
D 2,1 1,01.10-" 1,53.10-04 2,96.104'4 5,56.104 , 0,90.103
Les résultats du test de corrosion intergranulaire NAMLT ( Nitric Acid Mass
Loss Test
ASTM-G67) pour les diverses tôles sont synthétisés dans le Tableau 6.
Certaines tôles ont
été mises en solution et trempées à l'eau en laboratoire.
Tableau 6 ¨ Corrosion intergranulaire au test NAMLT
Perte de poids (mg/cm2)
Alliage Ep. Trempe eau Trempe air
(mm) Surface t/10e Surface t/10
A 4,5 24 13
4,5 26 16
4,2 26 18
D 4,2 26,5 24 16 17
D 2,1 12
Les tôles en alliage selon l'invention trempées à l'air présentent une faible
sensibilité à la
corrosion intergranulaire pour une épaisseur de 4 mm et ne sont pas sensibles
à la corrosion
intergranulaire pour une épaisseur de 2 mm.
Exemple 2
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Dans cet exemple des lingotins ont été coulés pour évaluer la ductilité à
chaud et les
propriétés en corrosion intergranulaire de différents alliages. La dimension
des lingotins
après scalpage était en mm de 255 x 180 x 28.
La composition des alliages testés est donnée dans le Tableau 7.
Tableau 7 - Composition en % en poids et densité des alliages Al-Mg-Li
utilisés
Alliage Ag Li Si Fe Cu Ti Mn Mg Zn Zr Cr Sc
1,4 0,03 0,03 - 0,02 0,40 4,5 - 0,11 0,18 -
F - 1,4 0,03 0,03 - 0,02 0,16 4,4 - 0,12 0,19 -
G 1,4 0,03 0,03 - 0,02 0,17 4,4 - 0,11 -
H 1,1 0,03 0,03 - 0,02 0,16 4,5 - 0,12 -
1 1,4 0,03 0,03 - 0,02 0,17 4,5 0,6 0,12 -
La ductilité à chaud a été évaluée sur des éprouvettes usinées dans les
lingotins après une
homogénéisation de 12 h à 505 C. Le test de ductilité à chaud a été effectué
à l'aide d'une
machine servo hydraulique fournie par Servotest Testing Systems Ltd sur des
éprouvettes
spécifiques d'épaisseur 20 mm à une vitesse de déformation de 1 s-1. Le test
consiste à
déformer en compression un échantillon contenant deux trous. En raison de la
compression,
le matériau situé entre les trous subit une expansion à une vitesse de
déformation contrôlée.
Les conditions d'essai sont décrites dans l'article d'A. Deschamps et al.
publié dans la
revue Materials Science and Engineering A319-321 (2001) 583 - 586. La mesure
normalisée de réduction de surface de la zone de rupture (AA/Ao) par analyse
d'image
permet d'évaluer la ductilité à la température considérée. Les résultats
obtenus à 450 C et
475 C sont présentés dans le Tableau 8.
Tableau 8 - Ductilité à chaud (AA/Ao) (%)
Température
déformation ( C)
Ductilité à chaud (AA/Ao) (%)
Alliage 450 475 Moyenne
17 19 18
13 19 16
CA 02836531 2013-11-18
WO 2012/160272 PCT/FR2012/000198
G 12 13 12
H 11 20 15
8 12 10
Les alliages E et F qui contiennent du Mn et du Cr présentent une ductilité à
chaud
avantageuse tandis que la ductilité à chaud de l'alliage de référence I
contenant 0,6% en
poids de Zn est la plus faible des alliages testés.
Les lingotins ont été laminés à chaud jusqu'à l'épaisseur 4 mm. Les tôles
ainsi obtenues ont
été mises en solution à 480 C, ce traitement étant précédé d'un traitement
thermique
constitué de deux paliers successifs d'une heure à 345 C suivi de 1 heure à
400 C. Après
mise en solution, les tôles ont été trempées à l'air et planées par une
traction contrôlée avec
un allongement permanent de 2%. Le revenu a été effectué pendant 10h à 85 C
suivi de
16h à 120 C suivi de 10h à 100 C.
Les résultats du test de corrosion intergranulaire NAMLT ( Nitric Acid Mass
Loss Test
ASTM-G67 sont présentés dans le tableau 9.
Tableau 9 ¨ Corrosion intergranulaire au test NAMLT mesurées en surface
Alliage Perte de poids (mg/cm2)
11
11
G 8
H 16
8
L'alliage G, qui se distingue notamment de l'alliage D par une plus faible
teneur en cuivre,
présente une perte de poids particulièrement faible. L'alliage I qui contient
du Zn ne se
distingue pas de l'alliage G en terme de résistance à la corrosion
intergranulaire. L'alliage
H qui présente une teneur en lithium plus faible que les autres alliages
testés, présente une
perte de poids plus élevée.
16
