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WO 2013/054013 PCT/FR2012/000414
Procédé de transformation amélioré de tôles en alliage M-Cu-Li
Domaine de l'invention
L'invention concerne les produits en alliages aluminium-cuivre-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,
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.
L'amélioration du
compromis entre la résistance mécanique la tolérance aux dommages est
constamment
recherchée.
Une autre propriété importante des tôles minces en alliage Al-Cu-Li, notamment
celles dont
l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 12 mm, est l'aptitude à la mise en
forme. Ces tôles sont
notamment utilisées pour fabriquer des éléments de fuselage d'avion ou des
éléments de
fusée qui ont une forme générale complexe en 3 dimensions. Pour diminuer le
coût de
fabrication, les constructeurs aéronautiques cherchent à minimiser le nombre
des étapes de
formage des tôles, et à utiliser des tôles pouvant être fabriquées de manière
peu onéreuse à
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l'aide de gammes de transformation courtes, c'est-à-dire comprenant aussi peu
d'étapes
individuelles que possible.
Pour la fabrication des panneaux de fuselage, il y a actuellement plusieurs
successions
possibles des étapes de transformation, qui dépendent notamment de la
déformation requise
pendant la mise en forme. Pour des faibles déformations lors de la mise en
forme,
typiquement inférieures à 4 %, il est possible d'approvisionner des tôles dans
un état
trempé mûri (état " T3 "peu écroui ou "T4 "), et de mettre en forme les tôles
dans cet état.
Cependant, dans la plupart des cas, la déformation recherchée est localement
d'au moins
5% ou 6%. Une pratique actuelle des constructeurs aéronautiques consiste en
général alors
à approvisionner des tôles laminées à chaud ou à froid selon l'épaisseur
requise, à l'état
brut de fabrication (état " F " selon la norme EN 515) à l'état trempé mûri
(état "T3 " ou
"T4 "), voir à l'état recuit (état O ), à les soumettre à un traitement
thermique de mise
en solution suivi d'une trempe, puis à les mettre en forme sur trempe fraîche
(état W ),
avant enfin de les soumettre à un vieillissement naturel ou artificiel, de
manière à obtenir
les caractéristiques mécaniques requises. D'une manière générale, après mise
en solution et
trempe, les tôles se trouvent dans un état caractérisé par une bonne
formabilité, mais cet
état est instable (état "W "), et la mise en forme doit intervenir sur trempe
fraîche, c'est-à-
dire à l'intérieur d'un bref délai après la trempe, de l'ordre de quelques
dizaines de minutes
à quelques heures. Si cela n'est pas possible pour des raisons de gestion de
la production, la
tôle doit être stockée dans une chambre froide à une température suffisamment
basse et
pour une durée suffisamment courte de façon à éviter la maturation naturelle.
Dans certains
cas, il est constaté que pour des durées trop courtes après mise en solution
des lignes de
Lüders apparaissent après mise en forme, ce qui impose une contrainte
supplémentaire avec
un délai d'attente minimum. Pour des pièces volumineuses et fortement formées,
ce
traitement thermique de mise en solution nécessite des fours de grande
dimension, ce qui
rend l'opération incommode, y compris par rapport à la même opération
effectuée sur tôle
plane. Le besoin éventuel d'une chambre froide rajoute aux coûts et
inconvénients de l'état
de la technique. De plus, après trempe la tôle peut être déformée et poser des
problèmes
liés à cette déformation par exemple lorsqu'il s'agit de la positionner dans
les mors de
l'outil d'étirage-formage. Pour des pièces fortement formées, cette opération
doit
éventuellement être répétée, si le matériau ne présente pas, à l'état
métallurgique dans
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lequel il se trouve, une formabilité suffisante permettant d'atteindre la
forme voulue en une
seule opération.
Dans une autre pratique actuelle, on part d'une tôle à l'état 0, voir à l'état
T3, T4 ou à l'état
F, on effectue une première opération de mise en forme à partir de cet état,
et une deuxième
mise en forme après mise en solution et trempe. Cette variante est notamment
utilisée
lorsque la mise en forme visée est trop importante pour pouvoir être effectuée
en une seule
opération à partir d'un état W, mais peut cependant être effectuée en deux
passes à partir de
l'état O. De plus les tôles à l'état 0 étant stables dans le temps sont plus
aisées à
transformer. Toutefois, la fabrication de la tôle à l'état 0 fait intervenir
un recuit final de la
tôle brute de laminage, et donc généralement une étape de fabrication
supplémentaire, et
également une mise en solution et une trempe sur le produit formé ce qui est
contraire au
but de simplification visé par la présente invention.
La mise en forme d'éléments de structure complexes à l'état T8 se limite à des
cas de
formage peu sévères car l'allongement et le rapport Rõ,/Rp0,2 sont trop
faibles dans cet état.
On notera que les propriétés optimales en termes de compromis de propriétés
doivent être
obtenues une fois la pièce mise en forme, notamment en tant qu'élément de
fuselage,
puisque que c'est la pièce mise en forme qui doit en particulier avoir de
bonnes
performances en tolérance aux dommages pour éviter une réparation trop
fréquente
d'éléments de fuselage. Il esf généralement admis que les fortes déformations
après mise en
solution et trempe conduisent à une augmentation de la résistance mécanique
mais à une
forte dégradation de la ténacité.
Le brevet US 5,032,359 décrit une vaste famille d'alliages aluminium-cuivre-
lithium dans
lesquels l'addition de magnésium et d'argent, en particulier entre 0,3 et 0,5
pourcent en
poids, permet d'augmenter la résistance mécanique.
Le brevet US 5,455,003 décrit un procédé de fabrication d'alliages Al-Cu-Li
qui présentent
une résistance mécanique et une ténacité améliorés à température cryogénique,
en
particulier grâce à un écrouissage et un revenu appropriés. Ce brevet
recommande en
particulier la composition, en pourcentage en poids, Cu ---- 3,0 ¨ 4,5, Li =
0,7 ¨ 1,1, Ag = 0 ¨
0,6, Mg = 0,3-0,6 et Zn = 0 ¨ 0,75.
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Le brevet US 7,438,772 décrit des alliages comprenant, en pourcentage en
poids, Cu: 3-5,
Mg: 0,5-2, Li : 0,01-0,9 et décourage l'utilisation de teneur en lithium plus
élevées en
raison d'une dégradation du compromis entre ténacité et résistance mécanique.
Le brevet US 7,229,509 décrit un alliage comprenant (% en poids) : (2,5-5,5)
Cu, (0,1-2,5)
Li, (0,2-1,0) Mg, (0,2-0,8) Ag, (0,2-0,8) Mn, 0,4 max Zr ou d'autres agents
affinant le grain
tels que Cr, Ti, Hf, Sc, V.
La demande de brevet US 2009/142222 Al décrit des alliages comprenant (en % en
poids),
3,4 à 4,2% de Cu, 0,9 à 1,4 % de Li, 0,3 à 0,7 % de Ag, 0,1 à 0,6% de Mg, 0,2
à 0,8 % de
Zn, 0,1 à 0,6 % de Mn et 0,01 à 0,6 % d'au moins un élément pour le contrôle
de la
structure granulaire. Cette demande décrit également un procédé de fabrication
de produits
filés.
Le brevet EP 1,966,402 décrit un alliage ne contenant pas de zirconium destiné
à des tôles
de fuselage de structure essentiellement recristallisée comprenant (en % en
poids) (2,1-
2,8)Cu, (1,1-1,7) Li, (0,2-0,6) Mg, (0,1-0,8) Ag, (0,2-0,6) Mn. Les produits
obtenus à l'état
T8 ne sont pas aptes à la mise en forme, avec notamment un rapport Rn, il R0.2
inférieur à
1,2 dans les directions L et LT.
Le brevet EP 1,891,247 décrit un alliage destiné à des tôles de fuselage
comprenant (en %
en poids) (3,0-3,4)Cu, (0,8-1,2) Li, (0,2-0,6) Mg, (0,2-0,5) Ag et au moins un
élément
parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, dans lequel les teneurs en Cu et en Li
répondent à la
condition Cu + 5/3 Li <5,2. Les produits obtenus à l'état T8 ne sont pas apte
à la mise en
forme, avec notamment un rapport Ri, // R02 inférieur à 1,2 dans les
directions L et LT. Il
a de plus été constaté que l'énergie globale à rupture mesurée par test Kahn
qui est reliée à
la ténacité diminue avec la déformation et de façon plus brutale pour une
déformation de
6%, ce qui pose le problème de l'obtention d'une ténacité élevée quelque soit
le taux de
déformation local lors de la mise en forme.
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Le brevet EP 1045043 décrit le procédé de fabrication de pièces formées en
alliage de type
AA2024, et notamment de pièces fortement déformées, par l'association d'une
composition
chimique optimisée et de procédés de fabrication particuliers, permettant
d'éviter autant
que possible la mise en solution sur tôle formée.
Dans l'article Al--(4.5-6.3)Cu--1.3Li--0.4Ag--0.4Mg--0.14Zr Alloy Weldalite
049 from
Pickens, J R; Heubaum, F H; Langan, T J ; Kramer, L S publié dans Aluminum--
Lithium
Alloys. Vol. III; Williamsburg, Virginia; USA; 27-31 Mar. 1989. (March 27,
1989),
différents traitements thermique sont décrits pour ces alliages à forte teneur
en cuivre.
Il existe un besoin pour des produits laminés en alliage aluminium-cuivre-
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 même après un niveau élevé de déformation
lors de
la mise en forme, tout en ayant une faible densité.
De plus il existe un besoin pour un procédé de fabrication simplifié
permettant la mise en
forme de ces produits pour obtenir notamment des éléments de fuselage de façon
économique, tout en obtenant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un produit
laminé à base
d'alliage d'aluminium notamment pour l'industrie aéronautique dans lequel:
successivement,
a) on élabore un bain de métal liquide à base d'aluminium comprenant 2,1 à 3,9
%
en poids de Cu, 0,7 à 2.0 % en poids de Li, 0,1 à 1,0 % en poids de Mg, 0 à
0,6 % en poids d'Ag, 0 à 1% % en poids de Zn, au plus 0,20 % en poids de Fe +
Si, au moins un élément choisi parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité
dudit
élément, s'il est choisi, étant 0,05 à 0,18 % en poids pour Zr, 0,1 à 0,6% en
poids pour Mn, 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr, 0,02 à 0,2 % en poids pour Sc,
0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, les autres
5
éléments au plus 0,05% en poids chacun et 0,15% en poids au total, le reste
aluminium ;
b) on coule une plaque de laminage à partir dudit bain de métal liquide ;
c) optionnellement, on homogénéise ladite plaque de laminage ;
d) on lamine à chaud et optionnellement à froid ladite plaque de laminage en
une
tôle,
e) on met en solution ladite tôle et on la trempe;
f) on réalise un planage et/ou on tractionne de façon contrôlée ladite tôle
avec une
déformation cumulée d'au moins 0,5% et inférieure à 3%,
g) on réalise un traitement thermique court dans lequel ladite tôle atteint
une
température comprise entre 130 et 170 C et de préférence entre 150 et 160 C
pendant 0,1 à 13 heures et de préférence de 1 à 5 h,
ledit traitement thermique court induisant une diminution de la limite
d'élasticité
Rp0,2 d'au moins 20 MPa et une augmentation de l'allongement A% tel que A% est
multiplié par un facteur d'au moins 1,1 par rapport à l'état obtenu sans
traitement
thermique court.
Un deuxième objet de l'invention est un produit laminé susceptible d'être
obtenu par un
procédé selon l'invention, présentant entre 0 et 50 jours après traitement
thermique court,
une combinaison d'au moins une propriété choisie parmi R0,2(L) d'au moins 220
MPa et
de préférence d'au moins 250 MPa, Rp0,2(LT) d'au moins 200 MPa et de
préférence d'au
moins 230 MPa, Rfp(L) d'au moins 340 MPa et de préférence d'au moins 380 MPa,
R,,,(LT)
d'au moins 320 MPa et de préférence d'au moins 360 MPa avec une propriété
choisie
parmi A /0(L) au moins 14% et de préférence au moins 15%, A%(LT) au moins 24%
et de
préférence au moins 26%, Rõ, /Rp0,2 (L) au moins 1,40 et de préférence au
moins 1,45, Rrp
/Rp0,2(LT) au moins 1,45 et de préférence au moins 1,50.
Un autre objet de l'invention est un produit susceptible d'être obtenu par un
procédé selon
l'invention, présentant une limite d'élasticité en traction R02(L) au moins
sensiblement
égale et une ténacité KR supérieure, de préférence d'au moins 5%, à celles
obtenue par un
procédé semblable ne comprenant pas de traitement thermique court.
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Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un produit
susceptible d'être obtenu
par un procédé selon l'invention pour la fabrication d'une peau de fuselage
d'avion.
Description des figures
6a
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Figure 1 Courbes R dans la direction T-L obtenue sur les échantillons de
l'exemple 1
Figure 2 Rapport Rn, / Rp0,2 dans la direction LT à l'issue du traitement
thermique court en
fonction du temps équivalent à 150 C pour des températures de traitement de
145 C, 150
C et 155 C, tel que décrit dans l'exemple 3.
Description de l'invention
Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition
chimique des
alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé 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. 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 12,õ 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.
La ténacité sous contrainte plane est déterminée grâce à une courbe du facteur
d'intensité
de contrainte en fonction de l'extension de fissure, connue comme la courbe R,
selon 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 à la charge critique, au commencement de la charge monotone. 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. Keff
représente le facteur Kc correspondant à l'éprouvette qui a été utilisée pour
effectuer l'essai
de courbe R. Aaeff(nax) représente l'extension de fissure du dernier point
valide de la courbe
R.
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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, 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 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 l'invention, on réalise après laminage sous forme de tôle, mise en
solution, trempe et
planage et/ou traction au moins un traitement thermique court avec une durée
et une
température telles que la tôle atteint une température comprise entre 130 et
170 C et de
préférence entre 150 et 160 C pendant 0,1 à 13 heures de préférence de 0,5 à
9h et de
manière préférée de 1 à 5 h. Typiquement, suite à ce traitement thermique
court, la limite
d'élasticité Rp0,2 diminue significativement, c'est-à-dire d'au moins 20 MPa
ou même plus,
tandis que l'allongement A% est augmenté c'est à dire qu'il est multiplié par
un facteur
d'au moins 1,1, ou même d'au moins 1,2 voir d'au moins 1,3 par rapport à
l'état obtenu
sans traitement thermique court, typiquement T3 ou T4. Le traitement thermique
court n'est
donc pas un revenu avec lequel on obtiendrait un état T8 mais un traitement
thermique
particulier qui permet d'obtenir un état non standardisé particulièrement apte
à la mise en
forme. En effet, une tôle à l'état T8 présente une limite d'élasticité
supérieure à celle d'un
état T3 ou T4 alors qu'après le traitement thermique court selon l'invention
la limite
d'élasticité est au contraire plus faible que celle d'un état T3 ou T4.
Avantageusement, le
traitement thermique court est réalisé de façon à obtenir un temps équivalent
à 150 C de
0,5 h à 6 h et de préférence de 1h à 4h et de manière préférée de lh à 3h, le
temps
équivalent t, à 150 C est défini par la formule :
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lexp(-16400 / T) dt
t, = ________________________________________
exp (-16400 / Tref)
où T (en Kelvin) est la température instantanée de traitement du métal, qui
évolue
avec le temps t (en heures), et Tõf est une température de référence fixée à
423
K. t, est exprimé en heures, la constante Q/R -= 16400 K est dérivée de
l'énergie
d'activation pour la diffusion du Cu, pour laquelle la valeur Q = 136100 J/mol
a
été utilisée.
De manière surprenante, les présents inventeurs ont constaté que les
propriétés mécaniques
obtenues à l'issue du traitement thermique court sont stables dans le temps,
ce qui permet
d'utiliser les tôles dans l'état obtenu à l'issue du traitement thermique
court à la place de
tôle à l'état 0 ou l'état W pour la mise en forme.
Les présents inventeurs ont constaté que de manière surprenante, non seulement
le
traitement thermique court permet de simplifier le procédé de fabrication des
produits en
supprimant la mise en forme sur état 0 ou W, mais de plus que le compromis
entre
résistance mécanique statique et tolérance aux dommages est au moins identique
ou même
amélioré grâce au procédé de l'invention, à l'état revenu par rapport à un
procédé ne
comprenant pas de traitement thermique court. En particulier pour une
déformation
supplémentaire à froid d'au moins 5% après traitement thermique court, le
compromis
obtenu entre résistance mécanique statique et ténacité est amélioré par
rapport à l'état de la
technique.
L'avantage du procédé selon l'invention est obtenu pour des produits ayant
teneur en cuivre
comprise entre 2,1 et 3,9 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de
l'invention, la
teneur en cuivre est au moins de 2,8 % ou 3% en poids. Une teneur en cuivre
maximale de
3,7 ou 3,5 % en poids est préférée.
La teneur en lithium est comprise entre 0,7% ou 0,8% et 2,0 % en poids.
Avantageusement,
la teneur en lithium est au moins 0,85 % en poids. Une teneur en lithium
maximale de 1,6
ou même 1,2% en poids est préférée.
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La teneur en magnésium est comprise entre 0,1% et 1,0% en poids.
Préférentiellement, la
teneur en magnésium est au moins de 0,2 % ou même 0,25 % en poids. Dans un
mode de
réalisation de l'invention la teneur maximale en magnésium est de 0,6 % en
poids.
La teneur en argent est comprise entre 0 % et 0,6 % en poids. Dans une
réalisation
avantageuse de l'invention, la teneur en argent est comprise entre 0,1 et 0,5
% en poids et
de manière préférée entre 0,15 et 0,4 % en poids. L'addition d'argent
contribue à améliorer
le compromis de propriétés mécaniques des produits obtenus par le procédé
selon
l'invention.
La teneur en zinc est comprise entre 0 % et 1 % en poids. Le zinc est
généralement une
impureté indésirable, notamment en raison de sa contribution à la densité de
l'alliage,
cependant dans certains cas le zinc peut être utilisé seul ou en combinaison
avec l'argent.
De manière préférée, la teneur en zinc est inférieure à 0,40 % en poids, de
préférence
inférieure à 0,2% en poids Dans un mode de réalisation de l'invention la
teneur en zinc est
inférieure à 0,04 % en poids.
L'alliage contient également au moins un élément pouvant contribuer au
contrôle de la
taille de grain choisi parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité de
l'élément, s'il est choisi,
étant de 0,05 à 0,18 % en poids pour Zr, 0,1 à 0,6% en poids pour Mn, 0,05 à
0,3 % en
poids pour Cr, 0,02 à 0,2 % en poids pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et
de 0,01 à
0,15 % en poids pour Ti. De manière préférée on choisit d'ajouter entre 0,08
et 0,15 % en
poids de zirconium et entre 0,01 et 0,10 % en poids de titane et on limite la
teneur en Mn,
Cr, Sc et Hf à au maximum 0,05 % en poids, ces éléments pouvant avoir un effet
défavorable, notamment sur la densité et n'étant ajoutés que pour favoriser
encore
l'obtention d'une structure essentiellement non-recristallisée si nécessaire.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la teneur en zirconium
est au moins
égale à 0,11 % en poids.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la teneur en manganèse est
comprise
entre 0,2 et 0,4 % en poids et la teneur en zirconium est inférieure à 0,04 %
en poids.
La somme de la teneur en fer et de la teneur en silicium est au plus de 0,20 %
en poids. De
préférence, les teneurs en fer et en silicium sont chacune au plus de 0,08 %
en poids. Dans
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une réalisation avantageuse de l'invention les teneurs en fer et en silicium
sont au plus de
0,06 % et 0,04 % en poids, respectivement. Une teneur en fer et en silicium
contrôlée et
limitée contribue à l'amélioration du compromis entre résistance mécanique et
tolérance
aux dommages.
Les autres éléments on une teneur au plus 0,05% en poids chacun et 0,15% en
poids au
total, il s'agit d'impuretés inévitables, le reste est de l'aluminium.
Le procédé de fabrication selon l'invention comprend les étapes d'élaboration,
coulée,
laminage, mise en solution, trempe, planage et/ou traction et traitement
thermique court.
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 de plaque de laminage.
La plaque de laminage peut ensuite optionnellement être homogénéisée de façon
à atteindre
une température comprise entre 450 C et 550 et de préférence entre 480 oc et
530 C
pendant une durée comprise entre 5 et 60 heures. Le traitement
d'homogénéisation peut être
réalisé en un ou plusieurs paliers.
La plaque de laminage est ensuite laminée à chaud et optionnellement à froid
en une tôle.
Avantageusement l'épaisseur de ladite tôle est comprise entre 0,5 et 15 mm et
de
préférence entre 1 et 8 mm.
Le produit ainsi obtenu est ensuite mis en solution typiquement par un
traitement thermique
permettant d'atteindre une température comprise entre 490 et 530 C pendant 15
min à 8 h,
puis trempé typiquement avec de l'eau à température ambiante ou
préférentiellement de
l'eau froide.
On réalise ensuite un planage et/ou on tractionne de façon contrôlée ladite
tôle avec une
déformation cumulée d'au moins 0,5% et inférieure à 3%. Lorsque qu'un planage
est
réalisé, la déformation effectuée lors du planage n'est pas toujours connue
précisément
mais elle est estimée à environ 0,5 %. Quand elle est réalisée, la traction
contrôlée est mise
en oeuvre avec une déformation permanente comprise entre 0,5 à 2,5 % et de
préférence
entre comprise entre 0,5 à 1,5 %. La combinaison entre une traction contrôlée
avec une
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déformation permanente préférée et un traitement thermique court permet
d'atteindre des
résultats optimaux en termes de formabilité et de propriétés mécaniques,
notamment quand
une mise en forme supplémentaire et un revenu sont réalisés.
Le produit subit ensuite un traitement thermique court déjà décrit.
A l'issue du traitement thermique court, la tôle obtenue par le procédé selon
l'invention
présente de préférence, entre 0 et 50 jours et de manière préférée entre 0 et
200 jours après
traitement thermique court, une combinaison d'au moins une propriété choisie
parmi
R0,2(L) d'au moins 220 MPa et de préférence d'au moins 250 MPa, Rp0,2(LT) d'au
moins
200 MPa et de préférence d'au moins 230 MPa, R,n(L) d'au moins 340 MPa et de
préférence d'au moins 380 MPa, R.(LT) d'au moins 320 MPa et de préférence d'au
moins
360 MPa avec une propriété choisie parmi A%(L) au moins 14% et de préférence
au moins
15%, A%(LT) au moins 24% et de préférence au moins 26%, R. /R0.2 (L) au moins
1,40 et
de préférence au moins 1,45, Rip /Rp0,2(LT) au moins 1,45 et de préférence au
moins 1,50.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention à l'issue du traitement
thermique
court, la tôle obtenue par le procédé selon l'invention présente un rapport
Ri, /Rp0,2 dans la
direction LT d'au moins 1,52 ou 1,53.
Avantageusement, entre 0 et 50 jours et manière préférée entre 0 et 200 jours
après le
traitement thermique court, la tôle obtenue par le procédé selon l'invention
présente une
limite d'élasticité R0,2(L) inférieure à 290 MPa et = de préférence inférieure
à 280 MPa et
Rp0,2(LT) inférieure à 270 MPa et de préférence inférieure à 260 MPa.
.. A l'issue du traitement thermique court, la tôle est donc prête pour une
déformation
supplémentaire à froid, notamment une opération de mise en forme en 3
dimensions. Un
avantage de l'invention est que cette déformation supplémentaire peut
atteindre localement
ou de façon généralisée des valeurs de 6 à 8% ou même jusque 10%. Pour
atteindre des
propriétés mécaniques suffisantes à l'issue du revenu à l'état T8, une
déformation minimale
cumulée de 2% entre ladite déformation supplémentaire et la déformation
cumulée par
planage et/ou on traction contrôlée réalisée avant le traitement thermique
court est
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avantageuse. De manière préférée, la déformation supplémentaire à froid est
localement ou
de façon généralisée d'au moins 1% de préférence au moins 4% et de manière
préférée d'au
moins 6%.
On réalise enfin un revenu dans lequel ladite tôle atteint une température
comprise entre
130 et 170 C et de préférence entre 150 et 160 C pendant 5 à 100 heures et de
préférence
de 10 à 70h. Le revenu peut-être réalisé en un ou plusieurs paliers.
Avantageusement la déformation à froid est effectuée par un ou plusieurs
procédés de mise
en forme tels que l'étirage, l'étirage-formage, l'emboutissage, le
fluotournage ou le pliage.
Dans une réalisation avantageuse, il s'agit d'une mise en forme dans les trois
dimensions de
l'espace pour obtenir une pièce de forme complexe, de préférence par étirage-
formage.
Ainsi le produit obtenu à l'issue du traitement thermique court peut être mis
en forme
comme un produit à l'état 0 ou un produit à l'état W. Cependant, par rapport à
un produit à
l'état 0 il a l'avantage de ne plus nécessiter de mise en solution et trempe
pour atteindre les
propriétés mécaniques finales, un simple traitement de revenu étant suffisant.
Par rapport à
un produit à l'état W, il a l'avantage d'être stable et de ne pas nécessiter
de chambre froide
et de ne pas poser de problèmes liés à la déformation de cet état. Le produit
présente
également l'avantage en général de ne pas générer de lignes de Lüders
rédhibitoires lors de
la mise en forme. Ainsi on peut par exemple effectuer le traitement thermique
court chez le
fabriquant de tôle et la mise en forme chez le fabricant de structure
aéronautique,
directement sur le produit livré. Le procédé selon l'invention permet
d'effectuer la mise en
forme en 3 dimensions d'une tôle à l'issue du traitement thermique court sans
que la tôle ne
soit dans un état T8, un état 0 ou un état W avant cette mise en forme en 3
dimensions.
De manière surprenante, le compromis entre les propriétés mécaniques statiques
et
les propriétés de tolérance aux dommages obtenues à l'issue du revenu est
avantageux par
rapport à celui obtenue pour un traitement semblable ne comprenant pas de
traitement
thermique court. En particulier, les inventeurs ont constaté que la résistance
mécanique, en
particulier la limite d'élasticité en traction R0,2(L) est élevée et augmente
avec la
déformation supplémentaire mais que contrairement à leur attente la ténacité
mesurée par la
.. courbe R (valeurs de KR) ne diminue pas significativement, notamment
jusqu'à une valeur
d'extension de fissure de 60 mm quand on augmente la déformation
supplémentaire, même
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jusque une déformation généralisée de 8%. Avantageusement le produit
susceptible d'être
obtenu par le procédé comprenant les étapes de déformation supplémentaire et
de revenu
présente une limite d'élasticité en traction R0,2(L) au moins sensiblement
égale et une
ténacité KR supérieure, de préférence d'au moins 5%, à celle obtenue par un
procédé
semblable ne comprenant pas de traitement thermique court. Typiquement, la
limite
d'élasticité en traction R0,2(L) est au moins égale à 90% ou de préférence 95%
de celle
obtenue par un procédé semblable ne comprenant pas de traitement thermique
court. Le
procédé selon l'invention permet d'obtenir notamment une tôle en alliage
AA2198 dont
l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 15 mm et de préférence entre 1 et 8 mm
ayant après
traitement thermique de revenu à l'état T8, une combinaison d'au moins une
propriété de
résistance mécanique statique choisie parmi R0,2(L) d'au moins 500 MPa et de
préférence
d'au moins 510 MPa et/ou Rp0,2(LT) d'au moins 480 MPa et de préférence d'au
moins 490
MPa, et d'au moins une propriété de ténacité mesurée sur des éprouvettes de
type CCT760
(avec 2ao = 253 mm) choisie parmi Kapp dans le sens T-L d'au moins 160 MPa-Fa
et de
préférence d'au moins 170 MPaNrr-ri et/ou Keff dans le sens T-L d'au moins 200
MPa,Fn et
de préférence d'au moins 220 MPaNrrîi et/ou Aaeff(i,õ) dans le sens T-L d'au
moins 40 mm
et de préférence d'au moins 50 mm.
Ainsi les produits susceptibles d'être obtenu par le procédé selon l'invention
sont
particulièrement avantageux.
L'utilisation d'un produit susceptible d'être obtenu par le procédé selon
l'invention
comprenant les étapes de traitement thermique court, déformation à froid et
revenu pour la
fabrication d'un élément de structure pour avion, notamment d'une peau de
fuselage est
particulièrement avantageux..
Exemple
Exemple 1
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Une plaque de laminage en alliage AA2198 a été homogénéisée puis laminée à
chaud
jusqu'à l'épaisseur 4 mm. Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution
30 mn à 505 C
puis trempées à l'eau.
Les tôles ont ensuite été tractionnées de façon contrôlée. La traction
contrôlée a été réalisée
.. avec un allongement permanent de 2.2 %.
Les tôles ont ensuite subi un traitement thermique court de 2h à 150 C.
Les propriétés mécaniques ont été mesurées avant le traitement thermique court
et entre
deux et soixante cinq jours après le traitement. Les résultats sont présentés
dans le Tableau
1. On constate que l'état obtenu après le traitement thermique court est
remarquablement
stable dans le temps.
Tableau 1
Rm(L) Rp0,2 (L) A%(L)
Rm(LT) Rp0,2 (LT) Ack(LT)
Avant traitement
438 323 13 404 287 23
thermique court
Durée après traitement
thermique court (jours)
2 396 270 16,8 370 244 27,1
8 = 396 269 15,3 372 247 28,0
398 273 14,5 374 248 27,2
43 397 270 14,9 375 248 27,5
65 398 271 15,0 373 250 27,2
104 398 273 14,3 373 250 26,9
203 401 277 16,1 375 253 26,9
239 402 278 16,7 376 255 27,7
Exemple 2
Une plaque de laminage en alliage AA2198 a été homogénéisée puis laminée à
chaud
jusqu'à l'épaisseur 4 mm. Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution
30 mn à 505 C
puis trempées à l'eau.
Les tôles ont ensuite été planées et tractionnées de façon contrôlée. La
traction contrôlée a
été réalisée avec un allongement permanent de 1%.
Les tôles ont ensuite subi un traitement thermique court de 2h à 150 C.
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Les tôles ainsi obtenues ont ensuite subi une déformation supplémentaire à
froid par une
traction contrôlée avec un allongement permanent compris de 2,5 %, 4% ou 8%.
Les tôles
n'ont pas présenté après déformation de lignes de Lüders rédhibitoires.
Les tôles ont enfin subi un revenu de 12h à 155 C pour obtenir un état T8.
A titre de référence une tôle a subit directement après la trempe une traction
contrôlée de
2% suivi d'un revenu de 14h à 155 C à l'état T8, sans traitement thermique
court
intermédiaire.
Les propriétés mécaniques statiques ont été caractérisées à l'issue du revenu
et sont
présentées dans le tableau 2 ci-dessous : échantillons #1, #2 et #3 : selon
l'invention et
échantillon #4 : référence.
Tableau 2 ¨ Propriétés mécaniques statiques (MPa)
N Déformation
Echantillon supplémentaire à froid
après traitement Rpo,2 Rp0,2
thermique court Rm(L) (L) A%(L) Rm(LT) (LT) Ago(LT)
# 1 2,5% 511 474 11,0 499 464 11,0
#2 4% 526 499
10,4 513 485 10,4
#3 8% 541 518
9,7 516 491 9,7
# 4 Pas de traitement
thermique court 497 454 10.2 486 440 12.7
Les courbes R ont été mesurées dans la direction T-L selon la norme E561-05
sur des
échantillons d'essai CCT760, qui avaient une largeur de 760 mm. La longueur de
fissure
initiale était 2ao = 253 mm. Les courbes R obtenues sont présentées sur la
figure 1.
Les résultats de ténacité sous contrainte plane obtenus sont présentés dans le
Tableau 3. On
constate en particulier que même pour une déformation supplémentaire de 8%,
les valeurs
de Kapp et Kef sont élevées. Ainsi la diminution de Kapp dans la direction T-L
est faible,
inférieure à 5%, entre une traction contrôlée de 2,5% et une traction
contrôlée de 8%.
Tableau 3
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N Echantillon Déformation Kapp (MPvim) T-L Kerr (MPeim) T-L Aa,,,,,õ
(rnm)
supplémentaire
à froid après
traitement
thermique court
# 1 2,5% 182 262 79
#2 4% 177 265 97
#3 8% 174 238 68
# 4 Pas de 190 274 60
traitement
thermique court
=
On constate que même après une déformation supplémentaire de 8%, la courbe R
est tout à
fait satisfaisante : la courbe est suffisamment longue, supérieure à 60 mm, et
les valeurs de
KR sont voisins de ceux obtenus avec une déformation plus faible (Figure 1).
Exemple 3
Dans cet exemple on a étudié les conditions de durée et de température du
traitement
thermique court. Une plaque de laminage en alliage AA2198 a été homogénéisée
puis
laminée à chaud jusqu'à l'épaisseur 4 mm. Les tôles ainsi obtenues ont été
mises en
solution 30 mn à 505 C puis trempées à l'eau.
Les tôles ont ensuite été planées et tractionnées de façon contrôlée. La
traction contrôlée a
été réalisée avec un allongement permanent de 1%. Les tôles ont été vieillies
suffisamment
pour atteindre un état T3 stabilisé.
Les tôles ont ensuite subi un traitement thermique court à 145 C, 150 C ou
155 C. Le
temps équivalent à 150 oc a été calculé en tenant compte d'une vitesse de
montée en
température de 20 C/h. Les caractéristiques mécaniques statiques des tôles
ont été
caractérisées après le traitement thermique court dans le sens TL.
Les résultats sont présentés dans le tableau 4 ci-dessous et représentés
graphiquement sur la
figure 2. On constate que le rapport Rfn/Rpo,2 le plus élevé dans le sens TL
est obtenu pour
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une température comprise entre 150 et 160 C et pour un temps équivalent à 150
C
compris entre une et trois heures.
Tableau 4
Durée Température
traitement traitement Temps RP0,2TL Rm TL A TL (%)
RillIRP"
thermique court thermique équivalent (MPa) (MPa) (TL)
(h) court ( C) ti à 150 C
0 0 0 288,0 407,3 22,6 1,41
2,5 145 1,90 245,7 371,7 29,1 1,51
145 3,47 251,3 373,7 27,6 1,49
7 145 4,73 264,3 378,7 27,7 1,43
145 6,62 283,3 386,3 25,9 1,36 '
0,5 150 1,02 240,3 369,3 25,9 1,54
1 150 1,52 237,3 366,0 26,1 1,54
2 150 2,52 240,3 369,3 27,6 1,54
3 150 3,52 246,7 369,3 28,1 1,50
4 150 4,52 253,0 373,3 26,3 1,48
5 150 5,52 259,3 376,7 27,9 1,45
6 150 6,52 264,7 375,7 26,5 1,42
0,5 155 1,63 235,0 364,0 28,1 1,55
1 155 2,41 238,3 367,7 26,4 1,54
2 155 3,98 246,7 369,3 __ 29,2 1,50
3 155 5,55 262,0 380,7 24,8 1,45
4 155 7,12 275,3 382,3 25,5 1,39
5 155 8,70 295,3 392,0 25,1 1,33
5
Exemple 4
Dans cet exemple comparatif, on a étudié l'effet du taux de traction sur la
ténacité dans un
10 procédé ne comportant pas de traitement thermique court. Une plaque de
laminage en
alliage AA2198 a été homogénéisée puis laminée à chaud jusqu'à l'épaisseur 3.2
mm. Les
tôles ainsi obtenues ont été mises en solution 30 mn à 505 C puis trempées à
l'eau.
Les tôles ont ensuite été planées et tractionnées de façon contrôlée. La
traction contrôlée a
été réalisée aveC un allongement permanent de 3% ou de 5%.
Les tôles ont ensuite subi un revenu de 14h à 155 C jusqu'à l'état T8.
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Les propriétés mécaniques statiques ont été caractérisées à l'issue du revenu
et sont
présentées dans le tableau 5 ci-dessous.
Tableau 5
Echantillon Traction Rp0,2 Rp0,2
contrôlée Rm(L) (L) A%(L) Rm(LT) (LT) Ago(LT)
#5 ¨ 3% 3% 525 ' 486 11.1 499 459 14.1
#6 ¨ 5% 5% 545 519 10.4 - 518 487 ..
14.0
Les courbes R ont été mesurées selon la norme E561-05 sur des échantillons
d'essai
CCT760, qui avaient une largeur de 760 mm dans la direction T-L et dans la
direction L-T.
La longueur de fissure initiale était 2ao -,-- 253 mm.
Les résultats de ténacité obtenus sont présentés dans le Tableau 6. On
constate en
particulier que la diminution de Kapp dans la direction T-L est significative,
de l'ordre de
9%, entre une traction contrôlée de 3% et une traction contrôlée de 5%.
Tableau 6
T-L L-T
Echantillon Epaisseur Kep Keff Aaeff ma>. Kõp
Kef( Aacff, max
[mm] (MPa\im) (MPaNirn) (mm) (MPa=Vm) (MPaNim) (mm)
#5 ¨ 3% 3.2 mm 151 178 61 124 152 115
#6-5% 3.2 mm 138 174 67 119 142 55
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