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WO 2015/086921
PCT/FR2014/000271
Produits en alliage d'aluminium ¨ cuivre ¨ lithium à propriétés en fatigue
améliorées
Domaine de l'invention
L'invention concerne les produits laminés alliages aluminium ¨ cuivre ¨
lithium, plus
particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et
d'utilisation, destinés
notamment à la construction aéronautique et aérospatiale.
Etat de la technique
Des produits laminés en alliage d'aluminium sont développés pour produire des
éléments
structuraux destinés notamment à l'industrie aéronautique et à l'industrie
aérospatiale.
Les alliages aluminium ¨ cuivre ¨ lithium sont particulièrement prometteurs
pour fabriquer
ce type de produit. Les spécifications imposées par l'industrie aéronautique
pour la tenue
en fatigue sont élevées. Pour les produits épais elles sont particulièrement
difficiles à
atteindre. En effet compte tenu des épaisseurs possibles des plaques coulées,
la réduction
d'épaisseur par déformation à chaud est assez faible et par conséquent les
sites liés à la
coulée sur lesquels s'initient les fissures de fatigue ne voient pas leur
taille réduite au cours
de la déformation à chaud.
Le lithium étant particulièrement oxydable, la coulée des alliages aluminium-
cuivre-lithium
génère d'une manière générale des sites d'initiation de fissure en fatigue
plus nombreux
que pour les alliages de type 2XXX sans lithium ou 7XXX. Ainsi les solutions
habituellement trouvées pour l'obtention de produits laminés épais en alliages
de type
2XXX sans lithium ou 7XXX ne permettent pas d'obtenir des propriétés en
fatigue
suffisantes pour les alliages aluminium ¨ cuivre ¨ lithium.
Des produits épais en alliage Al-Cu-Li sont notamment décrits dans les
demandes
US2005/0006008 et US2009/0159159.
Dans la demande W02012/110717, il est proposé pour améliorer les propriétés,
notamment
en fatigue, des alliages d'aluminium contenant en particulier au moins 0,1 %
de Mg et/ou
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0,1 % de Li de réaliser lors de la coulée un traitement ultrason. Cependant ce
type de
traitement reste difficile à effectuer pour les quantités nécessaires à la
fabrication de tôles
épaisses.
La demande US 2009/0142222 décrit des alliages pouvant inclure 3,4-4,2 % en
poids de
Cu, 0,9 - 1,4 % en poids de Li, 0,3 - 0,7 % en poids de Ag, 0,1 - 0,6 % en
poids de Mg, 0,2
- 0,8 % en poids de Zn, 0,1 - 0,6 % en poids de Mn et 0,01 - 0,6 % en poids
d'au moins
élément contrôlant la structure granulaire, le reste étant d'aluminium, des
éléments
incidents et des impuretés.
Il existe un besoin pour des produits épais en alliage aluminium - cuivre -
lithium
présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus,
en particulier
en termes de propriétés en fatigue tout en ayant des propriétés de ténacité et
des propriétés
de résistance mécanique statique avantageuses. Par ailleurs il existe un
besoin pour un
procédé simple et économique d'obtention de ces produits.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une tôle, dont
l'épaisseur
est au moins 80 mm, en alliage d'aluminium comprenant les étapes dans
lequelles
(a) on élabore un bain de métal liquide en alliage comprenant, en % en
poids, Cu : 2,0 -
6,0 ; Li : 0,5 - 2,0 ; Mg : 0- 1,0 ; Ag : 0 - 0,7 ; Zn 0 - 1,0 ; et au moins
un élément choisi
parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité dudit élément, s'il est choisi,
étant de 0,05 à 0,20
% en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn, 0,05 à 0,3 % en poids pour
Cr et pour
Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, Si <
0,1 ; Fe < 0,1;
autres < 0,05 chacun et < 0,15 au total,
(b) on coule ledit alliage par coulée semi-continue verticale pour obtenir
une plaque
d'épaisseur T et de largeur W de telle façon que, lors de la solidification,
- la teneur en hydrogène dudit bain de métal liquide (1) soit inférieure à 0,4
m1/100g,
- la teneur en oxygène mesurée au-dessus de la surface liquide (14,15) soit
inférieure à 0,5
% en volume,
- le distributeur utilisé (7) pour la coulée soit réalisé en tissu comprenant
essentiellement du
carbone, qu'il comprenne une face inférieure (76), une face supérieure
définissant l'orifice
par lequel le métal liquide est introduit (71) et une paroi de section
substantiellement
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rectangulaire, la paroi comprenant deux parties longitudinales parallèles à la
largeur W
(720, 721) et deux parties transversales parallèles à l'épaisseur T (730, 731)
lesdites parties
transversales et longitudinales étant formées d'au moins deux tissus, un
premier tissu
sensiblement obturant et semi-rigide (77) assurant le maintien de la forme du
distributeur
pendant la coulée et un second tissu non obturant (78) permettant le passage
et la filtration
du liquide, lesdits premier et deuxième tissu étant liés l'un à l'autre sans
recouvrement ou
avec recouvrement et sans interstice les séparant, ledit premier tissu
couvrant de façon
continue au moins 30 % de la surface desdites parties de paroi (720,721, 730,
731) et étant
positionné de manière à ce que la surface liquide soit en contact avec lui sur
l'ensemble de
la section,
(c) on homogénéise avant ou après avoir optionnellement usiné ladite plaque
pour
obtenir une plaque de laminage pouvant être déformée à chaud,
(d) on lamine à chaud et optionnellement à froid ladite plaque de laminage
ainsi
homogénéisée pour obtenir une tôle dont l'épaisseur est au moins 80 mm,
(e) on met en solution et on trempe ladite tôle,
(0 optionnellement on détensionne ladite tôle ainsi mise en solution
par déformation
plastique avec une déformation d'au moins 1%,
(g) on fait subir un revenu à ladite tôle ainsi mise en solution et
optionnellement
détensionnée.
Un autre objet de l'invention est une tôle dont l'épaisseur est au moins 80
mm, susceptible
d'être obtenue par le procédé selon l'invention, en alliage d'aluminium
comprenant, en %
en poids, Cu : 2,0 ¨ 6,0 ; Li : 0,5 ¨ 2,0 ; Mg : 0¨ 1,0 ; Ag : 0 ¨ 0,7 ; Zn 0
¨ 1,0 ; et au moins
un élément choisi parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité dudit élément,
s'il est choisi,
étant de 0,05 à 0,20 % en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn, 0,05 à
0,3 % en
poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en
poids pour
Ti, Si < 0,1 ; Fe < 0,1; autres < 0,05 chacun et < 0,15 au total, caractérisé
en ce que à l'état
revenu sa moyenne logarithmique de fatigue mesurée à mi-épaisseur dans la
direction TL
sur éprouvettes lisses selon la Figure la à une contrainte d'amplitude
maximale de 242
MPa, une fréquence de 50 Hz, un rapport de contrainte R = 0,1 est au moins 250
000
cycles.
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Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'une tôle selon
l'invention pour
réaliser un élément de structure d'avion, de préférence un longeron, une
nervure ou un
cadre.
Description des figures
La Figure 1 est le schéma des éprouvettes utilisées pour les essais en fatigue
lisse (Fig la)
et en fatigue à trou (Fig lb). Les dimensions sont données en mm.
La Figure 2 est un schéma général du dispositif de solidification utilisé dans
un mode de
réalisation de l'invention.
La Figure 3 est un schéma général du distributeur utilisé dans le procédé
selon l'invention.
La Figure 4 présente des représentations du fond et des parties latérales et
longitudinales de
la paroi du distributeur selon un mode de réalisation de l'invention.
La Figure 5 montre la relation entre la performance en fatigue lisse et la
teneur en
hydrogène du bain de métal liquide lors de la solidification (Fig 5a) ou la
teneur en
oxygène mesurée au-dessus de la surface liquide lors de la solidification
(Fig. 5b).
La Figure 6 montre les courbes de Wôhler obtenues avec les essais 3, 7 et 8
dans la
direction L-T (Figure 6a) et T-L (figure 6b).
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. Sauf mention contraire les
définitions des états métallurgiques indiquées dans la norme européenne EN 515
s'appliquent.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la
résistance à la
rupture Rrn, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement
Rp0,2, et
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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.
Le facteur d'intensité de contrainte (Kic) est déterminé selon la norme ASTM E
399.
Les propriétés en fatigue sur éprouvettes lisses sont mesurées à l'air ambiant
à une
contrainte d'amplitude maximale de 242 MPa, une fréquence de 50 Hz, un rapport
de
contrainte R = 0,1, sur des éprouvettes telles que représentées sur la Figure
la, prélevées à
mi-largeur et à mi-épaisseur des tôles dans la direction TL. Les conditions de
test obéissent
à la norme ASTM E466. On détermine la moyenne logarithmique des résultats
obtenus sur
au moins 4 éprouvettes.
Les propriétés en fatigue sur éprouvettes à trou sont mesurées à l'air ambiant
pour des
niveaux de contrainte variables, à une fréquence de 50 Hz, un rapport de
contrainte R = 0,1,
sur des éprouvettes telles que représentées sur la Figure lb, Kt = 2,3,
prélevées au centre et
à mi-épaisseur des tôles dans la direction L-T et T-L. L'équation de Walker a
été utilisée
pour déterminer une valeur de contrainte maximale représentative de 50 % de
non rupture à
100 000 cycles. Pour ce faire un indice de qualité fatigue (IQF) est calculé
pour chaque
point de la courbe de Wôhler avec la formule
N )1/11
IQF = omax
-
où amax est la contrainte maximale appliquée à un échantillon donné, N est le
nombre de
cycles jusqu'à la rupture, No est égale à 100 000 et n = -4,5. On rapporte
l'IQF
correspondant à la médiane, soit 50% rupture pour 100 000 cycles.
Dans le cadre de l'invention, une tôle corroyée épaisse est un produit dont
l'épaisseur est au
moins 80 mm et de manière préférée au moins 100 mm. Dans un mode de
réalisation de
l'invention l'épaisseur des tôles est au moins 120 mm ou de préférence 140 mm.
L'épaisseur des tôles épaisses selon l'invention est typiquement au plus de
240 mm,
généralement au plus de 220 mm et préférentiellement au plus de 180 mm.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent.
Notamment,
une tôle est selon l'invention un produit laminé de section transversale
rectangulaire dont
l'épaisseur uniforme est au moins de 6 mm et n'excède pas 1/10ème de la
largeur.
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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 (wing skin), les raidisseurs (stringers ou stiffeners),
les nervures
(ribs) et longerons (spars)) et l'empennage composé notamment de
stabilisateurs
horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les
profilés de
plancher (floor beams), les rails de sièges (seat tracks) et les portes.
On appelle ici ensemble de l'installation de coulée l'ensemble des
dispositifs permettant
de transformer un métal sous forme quelconque en demi-produit de forme brute
en passant
par la phase liquide. Une installation de coulée peut comprendre de nombreux
dispositifs
tels que un ou plusieurs fours nécessaires à la fusion du métal ( four de
fusion ) et/ou à
son maintien ( four de maintien ) en température et/ou à des opérations de
préparation du
métal liquide et d'ajustement de la composition ( four d'élaboration ), une
ou plusieurs
cuves (ou poches ) destinées à effectuer un traitement d'élimination des
impuretés
dissoutes et/ou en suspension dans le métal liquide, ce traitement pouvant
consister à filtrer
le métal liquide sur un média filtrant dans une poche de filtration ou à
introduire dans le
bain un gaz dit de traitement pouvant être inerte ou réactif dans une
poche de
dégazage , un dispositif de solidification du métal liquide (ou métier de
coulée ), par
coulée semi-continue verticale par refroidissement direct dans un puits de
coulée, pouvant
comprendre des dispositifs tels que un moule (ou lingotière ) un dispositif
d'approvisionnement du métal liquide (ou busette ) et un système de
refroidissement,
ces différents fours, cuves et dispositifs de solidification étant reliés
entre eux par des
dispositifs de transfert ou chenaux appelés goulottes dans lesquels le
métal liquide peut
être transporté.
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Les présents inventeurs ont constaté que de manière surprenante on peut
obtenir des
tôles épaisses en alliage aluminium cuivre lithium présentant une performance
en fatigue
améliorée en préparant ces tôles à l'aide du procédé suivant.
Dans une première étape on élabore un bain de métal liquide en alliage
comprenant, en %
en poids Cu : 2,0 - 6,0 ; Li : 0,5 - 2,0 ; Mg : 0- 1,0 ; Ag : 0 - 0,7 ; Zn 0 -
1,0 ; et au moins
un élément choisi parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité dudit élément,
s'il est choisi,
étant de 0,05 à 0,20 % en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn, 0,05 à
0,3 % en
poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en
poids pour
Ti, Si < 0,1 ; Fe < 0,1; autres < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste
aluminium.
Un alliage avantageux pour le procédé selon l'invention comprend, en % en
poids, Cu : 3,0
- 3,9 ; Li : 0,7 - 1,3 ; Mg : 0,1 - 1,0, au moins un élément choisi parmi Zr,
Mn et Ti, la
quantité dudit élément, s'il est choisi, étant de 0,06 à 0,15 % en poids pour
Zr, 0,05 à 0,8 %
en poids pour Mn et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti ; Ag : 0 - 0,7 ; Zn <
0,25 ; Si < 0,08
; Fe < 0,10 ; autres < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
Avantageusement la teneur en cuivre est au moins de 3,2 % en poids. La teneur
en lithium
est de préférence comprise entre 0,85 et 1,15 % en poids et de préférence
entre 0,90 et 1,10
% en poids. La teneur en magnésium est de préférence comprise entre 0,20 et
0,6 % en
poids. L'addition simultanée de manganèse et de zirconium est généralement
avantageuse.
De façon préférée la teneur en manganèse est comprise entre 0,20 et 0,50 % en
poids et la
teneur en zirconium est comprise entre 0,06 et 0,14 % en poids.
Avantageusement la teneur
en argent est comprise entre 0,20 et 0,7 % en poids. Il est avantageux que la
teneur en
argent soit au moins 0,1 % en poids. Dans un mode de réalisation de
l'invention la teneur
en argent est au moins 0,20 % en poids. Dans un autre mode de réalisation, la
teneur en
argent est limitée à 0,15 % en poids et la teneur en zinc est d'au moins 0,3 %
en poids.
Préférentiellement la teneur en argent est au plus 0,5 % en poids. Dans un
mode de
réalisation de l'invention la teneur en argent est limitée à 0,3 % en poids.
Préférentiellement
la teneur en silicium est au plus de 0,05 % en poids et la teneur en fer est
au plus de 0,06 %
en poids. Avantageusement la teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,08
% en poids.
Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en zinc est au plus de
0,15 % en poids.
Un alliage aluminium-cuivre-lithium préféré est l'alliage AA2050.
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Ce bain de métal liquide est préparé dans un four de l'installation de coulée.
Il est connu,
par exemple de US 5,415,220 d'utiliser des sels fondus contenant du lithium
tels que des
mélanges KC1/LiC1 dans le four de fusion pour passiver l'alliage lors de son
transfert vers
l'installation de coulée. Les présents inventeurs ont cependant obtenu
d'excellentes
propriétés de fatigue pour des tôles épaisses sans utiliser de sel fondu
contenant du lithium
dans le four de fusion, mais en maintenant dans ce four une atmosphère pauvre
en oxygène
et pensent que la présence de sel dans le four de fusion pourrait avoir dans
certains cas un
effet néfaste sur les propriétés en fatigue des produits corroyés épais.
Avantageusement, on
n'utilise pas de sel fondu contenant du lithium dans l'ensemble de
l'installation de coulée.
Dans un mode de réalisation avantageux on n'utilise pas de sel fondu dans
l'ensemble de
l'installation de coulée. Préférentiellement on maintient dans le ou les
fours de
l'installation de coulée une teneur en oxygène inférieure à 0,5 % en volume et
de
préférence inférieure à 0,3 % en volume. Cependant on peut tolérer une teneur
en oxygène
d'au moins 0,05 % en volume et même d'au moins 0,1 % en volume dans le ou les
fours de
l'installation de coulée, ce qui est avantageux notamment pour les aspects
économiques du
procédé. Avantageusement le ou les fours de l'installation de coulée sont des
fours à
induction. Les présents inventeurs ont constaté que ce type de four est
avantageux malgré le
brassage généré par le chauffage par induction.
Ce bain de métal liquide est ensuite traité dans une poche de dégazage et dans
une poche de
filtration de façon notamment à ce que sa teneur en hydrogène soit inférieure
à 0,4 m1/100g
et de préférence inférieure à 0,35 m1/100g. La teneur en hydrogène du métal
liquide est
mesurée à l'aide d'un appareillage commercial tel que l'appareil commercialisé
sous la
marque ALSCANTM, connu de l'homme du métier, la sonde étant maintenue sous un
balayage d'azote. Avantageusement la teneur en oxygène de l'atmosphère en
contact avec
le bain de métal liquide dans le four de fusion et lors des étapes de
dégazage, filtration est
inférieure à 0,5 % en volume et de préférence inférieure à 0,3 % en volume. De
préférence,
la teneur en oxygène de l'atmosphère en contact avec le bain de métal liquide
est inférieure
à 0,5 % en volume et de préférence inférieure à 0,3 % en volume pour
l'ensemble de
l'installation de coulée. Cependant on peut tolérer une teneur en oxygène d'au
moins 0,05
% en volume et même d'au moins 0,1 % en volume pour l'ensemble de
l'installation de
coulée ce qui est avantageux notamment pour les aspects économiques du
procédé.
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Le bain de métal liquide est ensuite solidifié sous forme de plaque. Une
plaque est un bloc
d'aluminium de forme substantiellement parallélépipédique, de longueur L, de
largeur W et
d'épaisseur T. On contrôle l'atmosphère au-dessus de la surface liquide lors
de la
solidification. Un exemple de dispositif permettant de contrôler l'atmosphère
au-dessus de
la surface liquide lors de la solidification est présenté sur la Figure 2.
Dans cet exemple de dispositif approprié, le métal liquide provenant d'une
goulotte (63) est
introduit dans une busette (4) contrôlée par une quenouille (8) pouvant se
déplacer vers le
haut et vers le bas (81), dans une lingotière (31) placée sur un faux fond
(21). L'alliage
d'aluminium est solidifié par refroidissement direct (5). L'alliage
d'aluminium (1) a au
moins une surface solide (11, 12, 13) et au moins une surface liquide (14,
15). Un
ascenseur (2) permet de maintenir le niveau de la surface liquide (14, 15)
sensiblement
constant. Un distributeur (7) permet la répartition du métal liquide. Un
couvercle (62)
recouvre la surface liquide. Le couvercle peut comprendre des joints (61) pour
assurer une
étanchéité avec la table de coulée (32). Le métal liquide dans la goulotte
(63) peut être
avantageusement protégé par un couvercle (64). Un gaz inerte (9) est introduit
dans la
chambre (65) définie entre le couvercle et la table de coulée. Le gaz inerte
est
avantageusement choisi parmi les gaz rares, l'azote et le dioxyde de carbone
ou des
mélanges de ces gaz. Un gaz inerte préféré est l'argon. La teneur en oxygène
est mesurée
dans la chambre (65) au-dessus de la surface liquide. Le débit de gaz inerte
peut être ajusté
pour atteindre la teneur en oxygène désirée. Cependant il est avantageux de
maintenir une
aspiration suffisante dans le puits de coulée (10) grâce à une pompe (101). En
effet les
présents inventeurs ont constaté qu'il n'existe pas en général une étanchéité
suffisante entre
la lingotière (31) et le métal solidifié (5) ce qui conduit à une diffusion de
l'atmosphère du
puits de coulée (10) vers la chambre (65). Avantageusement l'aspiration de la
pompe (101)
est telle que la pression dans l'enceinte (10) soit inférieure à la pression
dans la chambre
(65), ce qui est peut être obtenu de préférence en imposant une vitesse de
l'atmosphère au
travers des surfaces ouvertes du puits de coulée d'au moins de 2 m/s et de
préférence d'au
moins de 2,5 m/s. Typiquement la pression dans la chambre (65) est proche de
la pression
atmosphérique et la pression dans l'enceinte (10) est inférieure à la pression
atmosphérique,
typiquement 0,95 fois la pression atmosphérique. Dans le cadre du procédé
selon
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l'invention, on maintient dans la chambre (65), grâce aux dispositifs décrits,
une teneur en
oxygène inférieure à 0,5 % en volume et de préférence inférieure à 0,3 % en
volume.
Un exemple de distributeur (7) du procédé selon l'invention est présenté sur
les figures 3 et
4. Le distributeur du procédé selon l'invention est réalisé en tissu
comprenant
essentiellement du carbone, il comprend une face inférieure (76), une face
supérieure
typiquement vide définissant l'orifice par lequel le métal liquide est
introduit (71) et paroi
de section substantiellement rectangulaire typiquement substantiellement
constante et de
hauteur h typiquement substantiellement constante, la paroi comprenant deux
parties
longitudinales parallèles à la largeur W de la plaque (720, 721) et deux
parties transversales
parallèles à l'épaisseur T de la plaque (730, 731) lesdites parties
transversales et
longitudinales étant formées d'au moins deux tissus, un premier tissu
sensiblement obturant
et semi-rigide (77) assurant le maintien de la forme du distributeur pendant
la coulée et un
second tissu non obturant (78) permettant le passage et la filtration du
liquide, lesdits
premier et deuxième tissu étant liés l'un à l'autre sans recouvrement ou avec
recouvrement
et sans interstice les séparant, ledit premier tissu couvrant de façon
continue au moins 30 %
de la surface desdites parties de paroi (720,721, 730, 731) et étant
positionné de manière à
ce que la surface liquide soit en contact avec lui sur l'ensemble de la
section du
distributeur. Dans un mode de réalisation de l'invention la section de la
paroi du
distributeur évolue linéairement en fonction de la hauteur h, typiquement de
façon à ce que
la surface de la face inférieure du distributeur soit supérieure ou inférieure
d'au plus 10% à
la surface de la face supérieure du distributeur ; ainsi l'angle formé entre
les parois latérales
et la verticale peut atteindre jusqu'à environ 50. Les premier et deuxième
tissus étant cousus
l'un à l'autre sans recouvrement ou avec recouvrement et sans interstice les
séparant, c'est-
à-dire en contact, le métal liquide ne peut pas traverser le premier tissu et
être dévié par le
second tissu comme c'est le cas par exemple dans un combo-bag tel que décrit
dans la
demande WO 99/44719 Fig 2 à 5. Grâce au maintien assuré par le premier tissu,
le
distributeur est semi-rigide et ne se déforme pas sensiblement lors de la
coulée. Dans une
réalisation avantageuse le premier tissu a une hauteur, hl, mesurée à partir
de la face
supérieure sur la circonférence de la paroi (720, 721, 730, 731) telle que hi
> 0,3 h et de
préférence hl > 0,5 h, où h désigne la hauteur totale de la paroi du
distributeur.
Io
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La surface liquide étant en contact avec ledit premier tissu obturant le métal
liquide ne
traverse le distributeur que sous la surface liquide dans certaines directions
de chaque partie
de la paroi. De préférence la hauteur immergée dans le métal liquide de paroi
(720, 721,
730, 731) du distributeur (7) couverte par le premier tissu est au moins égale
à 20 %,
préférentiellement 40 % et de manière préférée 60 % de la hauteur totale de
paroi
immergée.
La figure 4 représente le fond et les parties de paroi longitudinales. Le fond
(76) est
typiquement couvert par le premier et/ou le second tissu. Avantageusement le
premier tissu
est au moins situé dans la partie centrale du fond (76) sur une longueur Li
et/ou dans la
partie centrale des parties longitudinales (720) et (721) sur l'ensemble de la
hauteur h et sur
une longueur L2.
Avantageusement, la portion de surface couverte par le premier tissu est
comprise entre 30
et 90 % et de préférence entre 50 et 80 % pour les parties longitudinales
(720) et (721),
et/ou entre 30 et 70 % et de préférence entre 40 et 60 % pour les parties
latérales (730, 731)
et/ou entre 30 et 100 % et de préférence entre 50 et 80 % pour le fond (76).
Il est avantageux que la longueur Li de premier tissu situé dans le fond (76)
soit supérieure
à la longueur L2 de premier tissu situé dans la partie des parois
longitudinales (720) et
(721) en contact avec le fond.
Les présents inventeurs pensent que la géométrie du distributeur permet
notamment
d'améliorer la qualité du flux du métal liquide, de réduire les turbulences et
d'améliorer la
distribution de température.
Le premier tissu et le deuxième tissu sont avantageusement obtenus par tissage
d'un fil
comprenant essentiellement du carbone. Le tissage de fil graphite est
particulièrement
avantageux. Les tissus sont typiquement cousus l'un à l'autre. Il est possible
également en
lieu et place d'un premier et deuxième tissus d'utiliser un tissu diffuseur
unique présentant
au moins deux zones de tissage, plus ou moins denses.
Il est avantageux pour la facilité du tissage que le fil comprenant du carbone
soit revêtu
d'une couche facilitant le glissement. Cette couche peut par exemple
comprendre un
polymère fluoré tel que le Teflon ou une polyamide telle que le xylon.
Le premier tissu est sensiblement obturant. Typiquement il s'agit d'un tissu
présentant des
mailles de dimension inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure à 0,2 mm.
Le second
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tissu est non obturant et permet le passage du métal en fusion. Typiquement,
il s'agit d'un
tissu présentant des mailles de dimension comprise entre 1 et 5 mm, de
préférence de 2 à 4
mm. Dans un mode de réalisation de l'invention le premier tissu recouvre
localement le
second tissu, tout en étant en contact intime de façon à ne pas laisser
d'interstice entre les
deux tissus.
La plaque ainsi obtenue est ensuite homogénéisée avant ou après avoir
optionnellement été
usinée pour obtenir une forme pouvant être déformée à chaud. La plaque est
usinée sous
forme de plaque de laminage de façon à ensuite être déformée à chaud par
laminage. De
préférence l'homogénéisation est réalisée à une température comprise entre 470
et 540 C
pendant une durée comprise entre 2 et 30 heures.
On lamine à chaud et optionnellement à froid ladite plaque de laminage ainsi
homogénéisée
pour obtenir un produit corroyé dont l'épaisseur est au moins 80 mm. La
température de
laminage à chaud est avantageusement au moins 350 C et de préférence au moins
400 C.
Le taux de déformation à chaud et optionnellement à froid, c'est-à-dire le
rapport entre
d'une part la différence entre l'épaisseur initiale, avant déformation mais
après l'éventuel
usinage, et l'épaisseur finale et d'autre part l'épaisseur initiale est
inférieur à 85% et de
préférence inférieur à 80 %. Dans un mode de réalisation le taux de
déformation lors de la
déformation est inférieur à 75% et de préférence inférieur à 70 %.
Le produit corroyé ainsi obtenu est ensuite mis en solution et trempé. La
température de
mise en solution est avantageusement comprise entre 470 et 540 C et de
préférence entre
490 et 530 C et la durée est adaptée à l'épaisseur du produit.
Optionnellement on détensionne ledit produit corroyé ainsi mis en solution par
déformation
plastique avec une déformation d'au moins 1%. Il est avantageux de
détensionner par
traction contrôlée ledit produit corroyé ainsi mis en solution avec un
allongement
permanent d'au moins 1% et de préférence compris entre 2 et 5 %.
Enfin on fait subir un revenu au produit ainsi mis en solution et
optionnellement
détensionné. Le revenu est effectué en un ou plusieurs paliers à une
température
avantageusement comprise entre 130 et 160 C pendant une durée de 5 à 60
heures. De
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préférence on obtient à l'issue du revenu un état métallurgique T8, tel que
notamment
T851, T83, T84, ou T85.
Les tôles dont l'épaisseur est au moins 80 mm obtenues par le procédé selon
l'invention
présentent des propriétés avantageuses.
La moyenne logarithmique de fatigue des tôles dont l'épaisseur est au moins 80
mm,
obtenues par le procédé selon l'invention, mesurée à mi-épaisseur dans la
direction TL sur
éprouvettes lisses selon la Figure la à une contrainte d'amplitude maximale de
242 MPa,
une fréquence de 50 Hz, un rapport de contrainte R 0,1 est au moins 250 000
cycles,
avantageusement la propriété en fatigue est obtenue pour les produits corroyés
obtenus par
le procédé selon l'invention dont l'épaisseur est au moins 100 mm ou de
préférence au
moins 120 mm ou même au moins 140 mm.
Les tôles selon l'invention d'épaisseur au moins 80 mm présentent également
des
propriétés en fatigue avantageuse pour des éprouvettes à trou, ainsi l'indice
de qualité
fatigue IQF obtenu sur des éprouvettes à trou Kt 2,3 selon la Figure lb à une
fréquence
de 50 Hz à l'air ambiant avec une valeur R = 0,1 est au moins 180 MPa et de
préférence
est au moins 190 MPa dans le sens T-L.
De plus les tôles obtenues par le procédé selon l'invention ont des
caractéristiques
mécaniques statiques avantageuses. Ainsi pour les tôles dont l'épaisseur est
au moins 80
mm comprenant en % en poids, Cu: 3,0 ¨ 3,9 ; Li : 0,7¨ 1,3 ; Mg : 0,1 ¨ 1,0,
au moins un
élément choisi parmi Zr, Mn et Ti, la quantité dudit élément, s'il est choisi,
étant de 0,06 à
0,15 % en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn et de 0,01 à 0,15 % en
poids pour
Ti,; Ag : 0 ¨ 0,7 ; Zn < 0,25 ; SK O,08 0,08 ; Fe < 0,10 ; autres < 0,05
chacun et < 0,15 au total ,
reste aluminium, la limite d'élasticité mesurée à quart épaisseur dans le sens
L est au moins
450 MPa et de préférence au moins 470 MPa et/ou la résistance à la rupture
mesurée est au
moins 480 MPa et de préférence au moins 500 MPa et/ou l'allongement est au
moins 5% et
de préférence au moins 6%. Préférentiellement, la ténacité des tôles selon
l'invention dont
l'épaisseur est au moins 80 mm, mesurée à quart épaisseur, est telle que Kic
(L-T) est au
moins 25 MPa-Nim et de préférence au moins 27 MPaNim, Kic (T-L) est au moins
23
MPeim et de préférence au moins 25 MPa-µim, Kic (S-L) est au moins 19 MPaNim
et de
préférence au moins 21 MPaNim.
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Les tôles selon l'invention peuvent de manière avantageuse être utilisées pour
réaliser des
éléments de structure, de préférence des éléments de structure d'avion. Des
éléments de
structure d'avion préférés sont les longerons, nervures ou cadres de fuselage.
L'invention
est particulièrement avantageuse pour des pièces de forme complexe obtenues
par usinage
intégral, utilisées en particulier pour la fabrication d'ailes d'avion ainsi
que pour n'importe
quel autre usage pour lequel les propriétés des produits selon l'invention
sont avantageuses.
Exemple
Dans cet exemple, on a préparé des tôles épaisses en alliage AA2050. Des
plaques en
alliage AA2050 ont été coulées par coulée semi-continue verticale à
refroidissement direct.
L'alliage a été préparé dans un four de fusion. Pour les exemples 1 à 7 on a
utilisé un
mélange KCL/LiC1 en surface du métal liquide dans le four de fusion. Pour les
exemples 8
à 9 on n'a pas utilisé de sel dans le four de fusion. Pour les exemples 8 à 9
l'atmosphère en
contact avec le métal liquide avec une teneur en oxygène inférieure à 0,3 % en
volume pour
l'ensemble de l'installation de coulée. L'installation de coulée comprenait un
capot disposé
au-dessus du puits de coulée permettant de limiter la teneur en oxygène. Pour
les essais 8
et 9 on avait en plus utilisé une aspiration (101) telle que la pression dans
l'enceinte (10)
était inférieure à la pression dans la chambre (65) et telle que la vitesse de
l'atmosphère au
travers des surfaces ouvertes du puits de coulée était au moins de 2 m/s. La
teneur en
oxygène a été mesurée à l'aide d'un oxymètre lors de la coulée. Par ailleurs,
la teneur en
hydrogène dans l'aluminium liquide a été mesurée à l'aide d'une sonde de type
AlscanTm sous balayage d'azote. Deux types de distributeurs de métal liquide
ont été
utilisés. Un premier distributeur de type Combo Bag tel que décrit par
exemple dans
les Figures 2 à 6 de la demande internationale W099/44719 mais réalisé en
tissu
comprenant essentiellement du carbone, référencé ci-dessous distributeur A
et un
second distributeur tel que décrit figure 3 référencé ci-dessous distributeur
B est réalisé
en tissu de fil de graphite.
Les conditions de coulée des différents essais réalisés sont données dans le
tableau 1.
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Table 1 - Conditions de coulée pour les différents essais
02 mesuré au
H2 dessus du puits
Essai Distributeur
[m1/100g] de coulée (% en
volume)
1 0,41 0,3 A
2 0,43 0,1 A
3 0,37 0,1 A
4 0,33 0,1 A
0,35 0,4 A
6 0,38 0,3 A _
7 0,47 0,7 B
8 0,34 0,1 B
9 0,29 0,1 B
Les plaques ont été homogénéisées 12 heures à 505 C, usinées jusqu'à une
épaisseur
5 d'environ 365 mm, laminées à chaud jusqu'à des tôles d'épaisseur finale
comprise entre
154 et 158 mm, mises en solution à 504 C, trempées et détensionnée par
traction contrôlée
avec un allongement permanent de 3,5%. Les tôles ainsi obtenues ont subi un
revenu de 18
heures à 155 C.
Les propriétés mécaniques statiques et de ténacité ont été caractérisées à
quart-épaisseur.
Les caractéristiques mécaniques statiques et la ténacité sont données dans le
Tableau 2.
Tableau 2 Caractéristiques mécaniques
Epaisseur
[mm] Rm (L) Rp0,2 (L)
K1c (L-T) K1c (T-L) Kic (S-L)
Essai MPa MPa A A (L) MPa-gm MPa-gm MPa-\im
1 158 528 495 6,5 31,7 27,8 24,2
2 155 538 507 7,0
3 155 525 493 8,3 28,3 25,5 25,3
4 158 528 497 7,0 29,0 27,0 22,5
5 158 529 495 6,0 28,0 25,8 23,0
6 158 527 496 6,8 29,0 26,9 23,2
7 154 514 486 8,3 29,9 25,7 23,0
8 158 533 502 6,3 27,4 26,2 23,9
9 158 542 512 5,8 28,0 25,6 21,5
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Les propriétés en fatigue ont été caractérisées sur des éprouvettes lisses et
sur des
éprouvettes à trou pour certains échantillons prélevées à mi-épaisseur.
Pour les caractérisations de fatigue lisse, quatre éprouvettes, dont le schéma
est donné en
Figure la, ont été testées à mi-épaisseur et mi-largeur dans le sens TL, les
conditions de
test étant a = 242 MF'a, R = 0,1. Certains tests ont été arrêtés après 200 000
cycles et
d'autres tests ont été arrêtés après 300 000 cycles.
Pour les caractérisations de fatigue à trou, on a utilisé l'éprouvette
reproduite sur la Figure
lb, dont la valeur Kt est 2,3. Les éprouvettes ont été testées à une fréquence
de 50 Hz à l'air
ambiant avec une valeur R = 0,1. Les courbes de %hier correspondantes sont
présentées
sur les Figures 6a et 6b. On a calculé l'indice de qualité de fatigue IQF.
Tableau 3 ¨ Résultats des essais en fatigue
Résultats de
Essai
fatigue à trou
Résultats de fatigue lisse (nombre de cycles)
IQF (MPa), 50%
rupture pour
100 000 cycles
Moyenne
Eprouvette Eprouvette Eprouvette Eprouvette logarithmique L-T T-L
1 2 3 4
1 101423 101761 116820 118212 109263
2 102570 140030 152120 178860 140600
3 112453 163422 152620 167113 147138
175 152
4 101900 110300 139400 144100 122580
5 93400 105000 112600 129900 109439
6 114000 116500 188100 195000 148564
7 192300 >200000 189600 >200000 >195400 183 168
8 >300000 >300000 >300000 >300000 >300000 186 196
9 >300000 >300000 >300000 >300000 >300000
La combinaison d'une teneur en hydrogène inférieure à 0,4 m1/100g d'une teneur
en
oxygène mesurée au-dessus de la surface liquide inférieure à 0,3 % en volume
et du
distributeur B permet d'atteindre un excellent niveau de performance en
fatigue. Ces
résultats sont présentés sur la Figure 5. Les flèches positionnées au dessus
de certains
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points indiquent qu'il s'agit d'une valeur minimum puisque l'essai n'a pas été
poursuivi
jusqu'à la rupture.
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