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CA 02865151 2014-09-25
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Alliage d'aluminium à conductivité électrique élevée
La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant un
élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, ainsi qu'à
un procédé de fabrication dudit alliage et à un procédé de fabrication dudit
câble.
Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de
transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport
d'énergie, bien connus sous l'anglicisme "Overhead Lines (OHL) cable .
Ces câbles se composent classiquement d'un élément central de
renforcement, entouré par au moins une couche électriquement conductrice.
L'élément central de renforcement peut être un élément composite ou
métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins
composites d'aluminium dans une matrice organique.
La couche électriquement conductrice peut quant à elle comprendre
typiquement un assemblage de brins métalliques, de préférence torsadés
autour de l'élément central. Les brins métalliques peuvent être des brins en
aluminium, en cuivre, en alliage d'aluminium ou en alliage de cuivre. Ceci
étant, la couche électriquement conductrice est généralement fabriquée à base
d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, puisque ce matériau présente un
poids assez faible par rapport à d'autres matériaux électriquement
conducteurs.
Du document CN 101418401 est connu un alliage d'aluminium utilisé
en tant que conducteur électrique dont la dureté est améliorée. Ledit alliage
se
compose de 0,01 à 0,40 % en poids d'erbium (Er), le reste de l'alliage étant
uniquement de l'aluminium pur (AI). Cet alliage d'aluminium et d'erbium
(i.e. alliage Al-Er) est obtenu par un procédé comprenant une étape de coulée
de l'alliage Al-Er en fusion, puis une ou plusieurs étapes d'extrusion à
chaud,
puis une ou plusieurs étapes de recuit (étape bien connue sous l'anglicisme
annealing step ) à une température d'environ 420 C pendant 50 heures, et
enfin une étape de tréfilage à froid, afin d'obtenir des fils d'alliage Al-Er
de
4 mm de diamètre.
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Toutefois, cet alliage Al-Er présente l'inconvénient d'avoir une
conductivité électrique diminuée par rapport à de l'aluminium pur. Par
ailleurs,
le procédé de fabrication dudit alliage Al-Er, et notamment les étapes
d'extrusion à chaud et de recuit, ne permettent pas, d'une part de contrôler
la
microstructure des précipités d'erbium (A13Er), et d'autre part de produire
suffisamment de précipités d'erbium dans ledit alliage. De ce fait, ce procédé
induit une diminution de la résistance à la rupture et de la conductivité
électrique dudit alliage.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des
techniques de l'art antérieur en proposant un alliage d'aluminium, notamment
utilisé en tant qu'élément électriquement conducteur allongé dans un câble
électrique, comprenant de l'aluminium et de l'erbium, facile à fabriquer,
présentant des propriétés électriques améliorées, tout en garantissant de
bonnes propriétés mécaniques.
La présente invention a pour objet un câble électrique, notamment de
type OHL, comprenant un élément électriquement conducteur allongé en
alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (AI) et des précipités
d'erbium (A13Er), caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend en
outre un élément choisi parmi le fer (Fe), le cuivre (Cu) et leur mélange ; et
des impuretés inévitables.
Grâce à la présence des précipités d'erbium (A13Er) et d'au moins un
des éléments choisis parmi le cuivre, le fer et un mélange de fer et de
cuivre,
l'alliage d'aluminium du câble électrique de l'invention présente de bonnes
propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance au fluage à chaud
et de résistance à la rupture, et de bonnes propriétés électriques, notamment
en terme de conductivité. En effet, la présence du fer et/ou du cuivre
favorise
la précipitation de l'erbium, et ainsi l'augmentation de la conductivité
électrique.
Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (A13Er)
ont une taille moyenne strictement inférieure à 1 pm environ, et de préférence
strictement inférieure à 0,5 pm environ.
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Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention,
les précipités d'erbium (A13Er) ont une taille moyenne allant de 1 à 100 nm
environ, et de préférence allant de 2 nm à 50 nm environ.
Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (A13Er)
présents dans l'alliage d'aluminium sont sphériques.
Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique peut en
outre comprendre un élément allongé de renforcement.
Dans la présente invention, la présence d'un élément allongé de
renforcement permet notamment de former un câble aérien de transport
d'énergie (i.e. câble OHL).
De préférence, l'élément allongé de renforcement est entouré par ledit
élément électriquement conducteur, l'élément allongé de renforcement étant
notamment un élément central.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'alliage
d'aluminium comprend du fer (Fe), et éventuellement du cuivre (Cu), et
encore plus préférentiellement du fer (Fe) et du cuivre (Cu).
La quantité d'erbium dans l'alliage d'aluminium de l'invention peut être
avantageusement d'au moins 100 ppm en poids. Lorsque la quantité d'erbium
est inférieure à 100 ppm en poids, l'alliage d'aluminium peut ne pas
comprendre assez de précipités d'erbium pour conserver une bonne
conductivité électrique. Par ailleurs, la faible quantité d'erbium (i.e.
inférieure
à 100 ppm) peut être piégée par le fer, lorsque ce dernier est présent,
induisant une dégradation des propriétés mécaniques et électriques dudit
alliage.
La quantité d'erbium dans l'alliage d'aluminium de l'invention peut être
avantageusement d'au plus 10000 ppm en poids. Au-delà de 10000 ppm en
poids d'erbium, la conductivité électrique de l'alliage peut chuter de façon
significative, notamment du fait de l'agglomération trop importante des
précipités d'erbium dans ledit alliage.
De façon particulièrement avantageuse, l'alliage d'aluminium de
l'invention peut comprendre de 250 ppm à 5000 ppm en poids d'erbium, et de
préférence de 800 à 4000 ppm en poids d'erbium.
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Dans la présente invention, l'abréviation ppm signifie parties par
million massiques . En d'autres termes, la teneur en ppm d'un élément est
exprimée par rapport au poids total de l'alliage.
La présence de fer dans l'alliage d'aluminium de l'invention permet
d'améliorer les propriétés mécaniques par rapport à la résistance à la
rupture,
tout en maintenant une bonne conductivité électrique.
L'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre au moins
1000 ppm en poids de fer, de préférence de 1500 ppm à 4000 ppm en poids
de fer, et de préférence encore de 2500 ppm à 3500 ppm en poids de fer.
La présence du cuivre dans l'alliage d'aluminium de l'invention permet
d'améliorer les propriétés mécaniques par rapport à la résistance au fluage à
chaud, tout en maintenant une bonne conductivité électrique. Un alliage
possédant une bonne résistance au fluage à chaud résiste à la déformation
sous des contraintes mécaniques de long terme à des températures élevées.
L'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre de 500 ppm à
3500 ppm en poids de cuivre, de préférence de 1200 ppm à 2200 ppm en
poids de cuivre.
Selon un mode de réalisation préféré, l'alliage d'aluminium de
l'invention peut comprendre de 1500 ppm à 4000 ppm en poids de fer et de
500 ppm à 3500 ppm en poids de cuivre, et de préférence de 2500 ppm à
3500 ppm en poids de fer et de 1200 ppm à 2200 ppm en poids de cuivre.
Grâce à la présente invention, l'alliage d'aluminium du câble électrique,
présente à la fois de bonnes propriétés électriques et de bonnes propriétés
mécaniques.
En effet, l'erbium présent dans l'alliage d'aluminium de l'invention se
combine notamment au fer et/ou au cuivre et/ou aux impuretés inévitables,
pour purifier l'alliage d'aluminium et ainsi, augmenter sa conductivité
électrique jusqu'à 5% IACS, voire plus.
La conductivité électrique de l'alliage d'aluminium de l'invention peut
être d'au moins 59% IACS (International Annealed Copper Standard), de
préférence d'au moins 61% IACS, et de préférence d'au moins 62% IACS.
Il est préférable que l'alliage d'aluminium de l'invention ne comprenne
uniquement que de l'aluminium ; de l'erbium ; un élément choisi parmi le fer,
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le cuivre et leur mélange ; et des impuretés inévitables. En effet, si on
rajoute
d'autres éléments dans l'alliage, la conductivité électrique peut fortement
baisser. Pour les applications électriques, il est important de conserver
l'alliage
d'aluminium le plus pur possible.
5 La teneur en aluminium de l'alliage de l'invention peut être d'au
moins
95,00% en poids, de préférence d'au moins 98,00% en poids, de préférence
d'au moins 99,00% en poids, de préférence d'au moins 99,50% en poids, et
de préférence d'au moins 99,70% en poids.
La teneur en impuretés inévitables dans l'alliage d'aluminium selon
l'invention peut être d'au plus 1,50% en poids, de préférence d'au plus 1,10%
en poids, de préférence d'au plus 0,60% en poids, de préférence d'au plus
0,30% en poids, et de préférence d'au plus 0,10% en poids.
Dans la présente invention, on entend par impuretés inévitables la
somme des éléments métalliques ou non métalliques compris dans l'alliage,
hors aluminium, erbium, fer, cuivre, et éventuellement oxygène, lors de la
fabrication dudit alliage.
Ces impuretés inévitables peuvent être par exemple un ou plusieurs
des éléments suivants : Ag, Cd, Cr, Mg, Mn, Pb, Si, Ti, V, Ni, S, et/ou Zn.
Ces impuretés inévitables peuvent également être Y (yttrium) ou
Zr (zirconium).
Dans le cadre de l'invention, l'élément électriquement conducteur
allongé peut être un ou plusieurs brin(s) métallique(s) en alliage d'aluminium
de l'invention.
De façon particulièrement préférée, l'élément électriquement
conducteur allongé peut comprendre un assemblage de brins métalliques en
alliage d'aluminium. Cet assemblage peut notamment former au moins une
couche du type enveloppe continue, par exemple de section transversale
circulaire ou ovale ou encore carrée.
Lorsque le câble électrique de l'invention comprend un élément allongé
de renforcement, ledit assemblage peut être positionné autour de l'élément
allongé de renforcement.
Les brins métalliques peuvent être de section transversale ronde,
trapézoïdale ou en forme de Z.
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Lorsque les brins sont de section transversale ronde, ils peuvent avoir
un diamètre pouvant aller de 2,25 mm à 4,75 mm. Lorsque les brins sont de
section transversale non ronde, leur diamètre équivalent en section ronde peut
également aller de 2,25 mm à 4,75 mm.
Bien entendu, il est préférable que tous les brins constitutifs d'un
assemblage aient la même forme et les mêmes dimensions.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément allongé
de renforcement est entouré par au moins une couche d'un assemblage de
brins métalliques en alliage d'aluminium de l'invention.
De préférence, les brins métalliques constitutifs d'au moins une couche
d'un assemblage de brins métalliques en alliage d'aluminium de l'invention,
sont aptes à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière,
chaque brin constitutif de la couche pouvant notamment présenter une section
transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont
adjacent(s).
Selon l'invention, par brins métalliques apte à conférer à ladite
couche une surface sensiblement régulière, chaque brin constitutif de la
couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme
complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s) , on entend que : la
juxtaposition ou l'emboîtement de l'ensemble des brins constitutifs de la
couche, forme une enveloppe continue (sans irrégularités), par exemple de
section circulaire ou ovale ou encore carrée.
Ainsi, les brins de section transversale en forme de Z ou en forme de
trapèze permettent d'obtenir une enveloppe régulière contrairement aux brins
de section transversale ronde. En particulier, des brins de section
transversale
en forme de Z sont préférés.
De manière encore plus préférée, ladite couche formée par
l'assemblage des brins métalliques présente une section transversale en forme
d'anneau.
L'élément allongé de renforcement peut être typiquement un élément
composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou
des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
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L'élément électriquement conducteur allongé de l'invention peut être
torsadé autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque ledit
élément électriquement conducteur allongé est un assemblage de brins
métalliques.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un alliage
d'aluminium comprenant de l'aluminium et des précipités d'erbium (A13Er),
notamment pour son utilisation en tant qu'élément électriquement conducteur
allongé pour un câble électrique, ledit procédé comprenant les étapes
suivantes :
i. former un alliage d'aluminium en fusion, comprenant de l'aluminium
(AI) ; de l'erbium (Er) (l'erbium n'étant pas sous forme de précipités) ; des
impuretés inévitables ; et optionnellement un élément choisi parmi le fer, le
cuivre et leur mélange ;
ii. couler l'alliage en fusion de l'étape i, pour obtenir un alliage brut de
coulée ;
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes
suivantes :
iii. laminer l'alliage brut de coulée de l'étape ii, pour obtenir un alliage
laminé ; et
iv. chauffer l'alliage laminé de l'étape iii, pour former des précipités
d'erbium (A13Er).
Les inventeurs de la présente demande ont découvert de façon
surprenante que la conductivité électrique de l'alliage obtenu à l'issue de
l'étape de chauffage iv est augmentée. Ainsi, grâce au procédé de l'invention,
et notamment grâce à l'étape de chauffage iv, il se forme suffisamment de
précipités d'erbium pour permettre l'augmentation de la conductivité
électrique par rapport à un alliage qui ne contiendrait pas d'erbium. En
outre,
l'ajout du fer et/ou du cuivre dans l'alliage, associé aux étapes de laminage
iii
et de chauffage iv du procédé de l'invention, conduisent à un alliage
présentant à la fois des propriétés mécaniques améliorées, notamment en
termes de résistance au fluage à chaud et de résistance à la rupture, et une
meilleure conductivité électrique.
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Les précipités d'erbium (A13Er) formés au cours de l'étape iv du
procédé de l'invention sont des précipités dits secondaires qui doivent
être
différenciés des précipités d'erbium dits primaires pouvant éventuellement
se former après une étape de coulée. Ces précipités primaires sont très
grossiers (i.e. ils présentent une taille moyenne allant de 0,5 à 10 pm) et ne
sont pas sphériques contrairement aux précipités secondaires. Les précipités
primaires ne permettent pas de former un alliage présentant une bonne
conductivité. Seule l'étape iv permet de former des précipités d'erbium
secondaires, ces derniers ayant une taille et une forme adéquates pour
pouvoir améliorer les propriétés électriques de l'alliage de l'invention.
L'étape i peut être classiquement réalisée en incorporant un
alliage mère (i.e. master alloy en anglais) comprenant de l'aluminium ; de
l'erbium ; du fer et/ou du cuivre ; dans un bain d'aluminium fondu,
sensiblement pur.
L'étape ii permet notamment de former, par refroidissement du brut
de coulée (i.e. solidification), un alliage d'aluminium brut de coulée,
notamment sous forme de barreau. La section transversale du barreau peut
aller par exemple de 500 mm2 à 2500 mm2, voire plus.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape ii de coulée est réalisée
à une température allant de 670 C à 850 C environ, et de préférence de
710 C à 780 C environ.
A titre d'exemple, l'étape de coulée peut être effectuée en continue,
notamment à l'aide d'une roue en rotation, dite de coulée .
Le refroidissement (i.e. solidification du brut de coulée) est de
préférence effectué de façon brutale, notamment en passant d'une
température de 670 C-850 C environ à une température de 150 C environ en
quelques minutes, soit en 1 à 15 min environ, et de préférence en 1 à 5 min
environ.
Grâce à ce refroidissement très rapide, la formation de précipités
primaires est évitée ou limitée. Ainsi, suite à l'étape ii, on obtient une
phase
aluminium avec de l'erbium sur les sites de l'aluminium sans formation ou
avec une formation limitée de précipités d'erbium primaires.
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L'étape iii permet de laminer ledit alliage d'aluminium brut de coulée
pour obtenir un alliage laminé.
Les étapes de coulée ii et de laminage iii permettent de contrôler la
microstructure des précipités d'erbium dans ledit alliage en évitant la
formation de gros précipités d'erbium (i.e. précipités primaires), et ainsi
garantissent l'obtention d'un alliage d'aluminium présentant de bonnes
propriétés mécaniques, notamment en terme de résistance à la rupture.
Ledit alliage laminé a une section transversale de préférence, ronde.
Le diamètre de la section transversale peut aller par exemple, de 7 mm à
26 mm environ.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape iii de laminage peut
être réalisée à chaud, notamment à une température allant de 300 à 450 C
environ.
L'étape iv de chauffage de l'alliage laminé permet quant à elle, de
contrôler la microstructure des précipités d'erbium dans ledit alliage
(i.e. formation de précipités secondaires) et également de former
suffisamment de précipités d'erbium.
Par ailleurs, au cours de ladite étape iv, l'erbium peut se combiner
notamment au fer et/ou au cuivre et/ou aux impuretés inévitables, pour
purifier l'alliage d'aluminium de l'invention et ainsi, augmenter sa
conductivité électrique jusqu'à 5% IACS, voire plus.
Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (A13Er)
obtenus à l'issue de l'étape iv ont une taille moyenne strictement inférieure
à
1 pm environ, et de préférence strictement inférieure à 0,5 pm environ.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention,
les précipités d'erbium (A13Er) obtenus à l'issue de l'étape iv ont une taille
moyenne allant de 1 à 100 nm environ, et de préférence allant de 2 nm à
50 nm environ.
Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (A13Er)
présents dans l'alliage d'aluminium sont sphériques.
Dans un mode de réalisation particulier, cette étape iv permet
d'obtenir au moins 80 parties en poids d'erbium sous forme de précipités pour
100 parties en poids d'erbium dans l'alliage d'aluminium fabriqué selon le
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procédé de l'invention, et de préférence au moins 90 parties en poids d'erbium
sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans l'alliage
d'aluminium fabriqué selon le procédé de l'invention.
Cette étape iv peut être de préférence une étape dite de revenu ,
5 bien connue de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape iv est effectuée à une
température allant de 150 à 450 C environ, et de préférence de 300 à 400 C
environ.
Dans un mode de réalisation préféré, la durée de l'étape iv de
10 chauffage va de 10 minutes à 48 heures environ, et de préférence de
10 heures à 18 heures environ.
Dans un mode de réalisation encore plus préféré, le chauffage selon
l'étape iv peut être réalisé à l'aide d'un four électrique et/ou d'un four à
induction et/ou d'un four à gaz.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication de
l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre après l'étape iv,
l'étape suivante :
v. travailler à froid l'alliage chauffé de l'étape iv pour obtenir un alliage
travaillé à froid.
L'étape v de travail à froid peut être de préférence une étape de
tréfilage, et permet notamment d'obtenir des brins (ou fils) métalliques
d'alliage d'aluminium, notamment de section transversale ronde ou
trapézoïdale ou en forme de Z. Le diamètre de la section transversale peut
aller de 0,2 mm à 5,0 mm.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication de
l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre après l'étape y,
l'étape suivante :
vi. chauffer l'alliage de l'étape y, pour augmenter l'allongement
mécanique de l'alliage.
Cette étape vi peut être de préférence une étape dite de recuit ,
bien connue sous l'anglicisme annealing step .
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape vi est réalisée à une
température allant de 200 C à 400 C.
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Dans un mode de réalisation particulier, la durée de l'étape vi de
chauffage va de 30 minutes à 10 heures environ.
L'étape de chauffage vi a pour but d'assouplir l'alliage travaillé à froid
de l'étape v, c'est-à-dire d'éliminer une partie de la déformation provoquée
notamment par l'étape de tréfilage v, sans modifier la microstructure des
précipités d'erbium obtenue à l'issue de l'étape iv.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape vi peut conduire à un
alliage d'aluminium présentant une élongation à la rupture d'au plus 30%, et
de préférence d'au plus 5%.
Le procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium de l'invention est un
procédé facile à mettre en oeuvre. De plus, il permet d'obtenir un alliage
possédant à la fois de bonnes propriétés électriques et de bonnes propriétés
mécaniques.
Par ailleurs, il évite une ou plusieurs étapes contraignantes d'extrusion
et de recuit, qui peuvent induire une dégradation des propriétés mécaniques
de l'alliage (i.e. dégradation de la résistance maximale à la traction ou de
la
résistance à la rupture).
L'alliage d'aluminium décrit dans le procédé ci-dessus peut être celui
tel que décrit dans le câble électrique de l'invention.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'alliage
d'aluminium décrit dans le procédé ci-dessus comprend du fer (Fe), et
éventuellement du cuivre (Cu), et encore plus préférentiellement du fer (Fe)
et
du cuivre (Cu).
Un autre objet de l'invention est un alliage d'aluminium obtenu selon le
procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et
des précipités d'erbium tel que défini ci-dessus.
Ledit alliage d'aluminium, obtenu à partir du procédé de fabrication
d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et de l'erbium (l'erbium
n'étant pas sous forme de précipités), peut comprendre au moins 80 parties
en poids d'erbium sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium
dans ledit alliage, et de préférence au moins 90 parties en poids d'erbium
sous
forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans ledit alliage.
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Grâce à sa teneur élevée en précipités d'erbium, l'alliage d'aluminium
présente
des propriétés électriques améliorées.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du câble
électrique tel que décrit dans l'invention, ledit procédé comprenant les
étapes
suivantes :
a. fabriquer un élément électriquement conducteur allongé en alliage
d'aluminium selon ledit procédé de fabrication mentionné ci-avant, et
b. positionner ledit élément électriquement conducteur allongé en
alliage d'aluminium obtenu à l'étape a, autour de l'élément allongé de
renforcement, pour former le câble électrique.
Plus particulièrement, lorsque l'élément électriquement conducteur
allongé est un assemblage de brins métalliques d'alliage en aluminium, l'étape
a consiste à obtenir lesdits brins métalliques, et l'étape b consiste à
positionner les brins métalliques autour de l'élément de renforcement, de
sorte à former au moins une couche desdits brins métalliques autour dudit
élément de renforcement. De préférence, les brins métalliques sont torsadés
autour dudit élément de renforcement.
Dans un mode de réalisation particulier, dans la couche formée autour
dudit élément de renforcement, chaque brin métallique présente une section
transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est adjacent, et
étant apte à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux
figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif
et
nullement limitatif.
La figure 1 représente de manière schématique une structure, en
coupe transversale, d'une première variante d'un câble électrique selon
l'invention.
La figure 2 représente de manière schématique une structure, en
coupe transversale, d'une seconde variante d'un câble électrique selon
l'invention.
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La figure 3 représente de manière schématique une structure, en
coupe transversale, d'une troisième variante d'un câble électrique selon
l'invention.
La figure 4 représente une vue par microscope électronique à balayage
(MEB) d'un alliage ne faisant pas partie de l'invention comprenant de
l'aluminium, de l'erbium, du cuivre et du fer.
La figure 5 représente une vue par microscope électronique à balayage
(MEB) de l'alliage de l'invention comprenant de l'aluminium, de l'erbium, du
cuivre et du fer.
Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par
des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la
compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et
ceci sans respect de l'échelle.
La figure 1 représente une première variante d'un câble électrique de
transmission électrique à haute tension du type OHL 100A selon l'invention,
vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur
allongé 10A composé de trois couches d'un assemblage de brins
métalliques 1A d'alliage de l'invention. Ces trois couches entourent un
élément
central 20A allongé de renforcement. Les brins métalliques 1A constitutifs
desdites couches ont une section transversale de forme ronde.
La figure 2 représente une seconde variante d'un câble électrique de
transmission électrique à haute tension du type OHL 1006 selon l'invention,
vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur
allongé 106 composé de deux couches d'un assemblage de brins
métalliques 16 d'alliage de l'invention. Ces deux couches entourent un
élément central 20B allongé de renforcement. Les brins métalliques 1B
constitutifs desdites couches ont une section transversale de forme
trapézoïdale.
La figure 3 représente une troisième variante d'un câble électrique de
transmission électrique à haute tension du type OHL 100C selon l'invention,
vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur
allongé 10C composé de deux couches d'un assemblage de brins
métalliques 1C d'alliage de l'invention. Ces deux couches entourent un
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=
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élément central 20C allongé de renforcement. Les brins métalliques 1C
constitutifs desdites couches ont une section transversale en forme de Z (ou
en de forme S selon l'orientation du Z). La géométrie des brins en forme
de Z permet d'obtenir une surface quasiment dépourvue d'interstices
pouvant générer des accumulations d'humidité et donc des pôles de corrosion.
L'élément central 20A, 20B, 20C allongé de renforcement représenté
dans les figures 1, 2 et 3 peut être par exemple des brins d'acier 2A, 28, 2C
ou des brins composites 2A, 2B, 2C d'aluminium dans une matrice organique.
Dans des variantes de modes de réalisation représentés sur les figures
1 à 3, il est possible de modifier le nombre de brins 1A, 1B, 1C de chaque
couche, leur forme, le nombre de couches ou encore le nombre de brins
d'acier ou brins composites 2A, 26, 2C, ainsi que la nature de l'aluminium.
Des essais comparatifs ont été réalisés pour montrer les propriétés
électriques de l'alliage selon l'invention.
EXEMPLE 1
Pour ce faire, deux alliages Al et A2 de l'invention ont été préparés
selon le procédé de l'invention de la façon suivante.
Après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium, d'erbium
(l'erbium n'étant pas sous forme de précipités), de cuivre et de fer, dans un
bain fondu d'aluminium pur à plus de 98,9% en poids, on mélange le tout pour
homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage
en
fusion (étape i).
On coule ensuite l'alliage en fusion dans une filière cylindrique pour
former un barreau d'un alliage dit brut de coulée , que l'on solidifie par
refroidissement en passant d'une température de 670 C-850 C à une
température de 150 C en 1 min : le barreau cylindrique formé à un diamètre
de 30 mm (étape ii).
On lamine à chaud le barreau cylindrique, directement formé à l'étape
précédente, pour obtenir un barreau de plus petit diamètre, à savoir un
barreau d'un diamètre de 9,5 mm (étape iii),
On chauffe le barreau de l'étape précédente à 350 C pendant 15h pour
former des précipités d'erbium (étape iv).
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On tréfile enfin à froid le barreau chauffé de l'étape précédente pour
obtenir des fils d'alliage de l'invention (i.e. brins métalliques d'alliage de
l'invention) de 3 mm de diamètre (étape y).
Chacun des alliages de l'invention comprend au plus 1,1% en poids
5 d'impuretés inévitables.
Le tableau 1 ci-dessous rassemble les teneurs en erbium, cuivre et fer,
de chacun des alliages d'aluminium Al et A2 conformes à l'invention, ainsi que
la conductivité électrique des fils d'alliage obtenus.
Le tableau 1 comprend également quatre alliages comparatifs A01,
10 A02, A03 et A04 ne faisant pas partie de l'invention puisque A01 ne
comprend
pas d'erbium, A02 ne comprend pas de cuivre et de fer, et A03 et A04 n'ont
pas subi d'étape de chauffage conformément à l'étape iv du procédé de
l'invention.
L'alliage A01 est commercialisé sous la référence A11120 par la société
15 Nexans.
L'alliage A02 est obtenu selon le procédé décrit dans CN 101418401
(procédé ne comprenant pas les étapes iii et iv).
Teneur en Teneur Teneur Conditions Conductivité
Alliage erbium en cuivre en fer
chauffage électrique
(en ppm) (en ppm) (en ppm) de l'étape iv
(0/0IACS)
Al 1000 1700 3000 350 C, 15h 61,1
A2 3000 1700 3000 350 C, 15h 62,0
A01 1700 3000 59,1
A02 2000/4000
60,9/60,8
A03 1000 1700 3000 58,7
A04 3000 1700 3000 59,7
TABLEAU 1
Ainsi, la présence d'erbium dans l'alliage de l'invention améliore sa
conductivité électrique, notamment grâce à l'étape de chauffage iv du procédé
de l'invention qui permet de former suffisamment de précipités d'erbium ayant
une microstructure contrôlée.
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,
16
Par ailleurs, l'ajout de fer et de cuivre permet de maintenir de bonnes
propriétés de conductivité électrique, voire de les améliorer, tout en
obtenant
de meilleures propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance au
fluage à chaud et de résistance à la rupture.
Un alliage A05 non conforme à l'invention a été préparé selon le
procédé tel que décrit ci-dessus, excepté qu'il n'a pas subi d'étape de
chauffage et qu'il comprenait 3000 ppm en poids d'erbium, 1500 ppm en poids
de cuivre et 2500 ppm en poids de fer. L'alliage A05 ne fait pas partie de
l'invention puisqu'il n'a pas subi d'étape de chauffage conformément à
l'étape iv du procédé de l'invention.
La figure 4 annexée montre une vue par MEB dudit alliage A05
(i.e. après l'étape ii de coulée/solidification). Sur cette figure 4, on peut
voir
d'une part, des précipités d'erbium avec
des impuretés
inévitables (11% d'erbium) et d'autre part, des précipités d'erbium avec du
fer
(1,3% de fer et 0,9% d'erbium).
Ces précipités sont des précipités primaires qui peuvent se former au
cours de la solidification. Ils sont peu nombreux, très grossiers (i.e. ils
présentent une taille moyenne allant de 0,5 à 10 pm), et ne sont pas
sphériques contrairement aux précipités secondaires qui se formeraient si
l'alliage A05 subissait une étape de chauffage conformément à l'étape iv du
procédé de l'invention.
Un alliage A3 de l'invention a été préparé selon le procédé tel que
décrit ci-dessus sauf en ce qui concerne l'étape de chauffage qui a été
réalisée
à 350 C pendant 2 heures, ledit alliage A3 comprenant 3000 ppm en poids
d'erbium, 1700 ppm en poids de cuivre et 3000 ppm en poids de fer.
La figure 5 annexée montre une vue par MEB dudit alliage A3 après
l'étape iv de chauffage. Les précipités d'erbium obtenus sont de taille
moyenne
de l'ordre de 22 nm (i.e. formation de précipités secondaires) et sont sous
forme sphérique.
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EXEMPLE 2
Deux autres alliages A4 et A5 de l'invention ont été préparés selon le
procédé de l'invention et tel que décrit dans l'exemple 1.
Le tableau 2 ci-dessous rassemble les teneurs en erbium, cuivre et fer,
de chacun des alliages d'aluminium A4 et A5 conformes à l'invention, ainsi que
la conductivité électrique des fils d'alliage obtenus.
Le tableau 2 comprend également deux alliages comparatifs A06 et
A07 ne faisant pas partie de l'invention puisque A06 ne comprend pas
d'erbium et A07 n'a pas subi d'étape de chauffage conformément à l'étape iv
du procédé de l'invention.
L'alliage A06 est commercialisé sous la référence A11350 par la société
Nexans.
Teneur en Teneur Teneur Conditions Conductivité
Alliage erbium en cuivre en fer
chauffage électrique
(en ppm) (en ppm) (en ppm) de l'étape iv
(0/0IACS)
A4 1000 - 1000 350 C, 2h 62,9
A5 1000 - 1000 350 C, 15h 63,0
A06 - - 1000 - 62,5
A07 1000 - 1000 - 61,2
TABLEAU 2
Ainsi, les résultats du tableau 2 montrent que l'étape iv de chauffage
est nécessaire pour permettre de maintenir une bonne conductivité électrique
d'un alliage comprenant de l'erbium et du fer.
