Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
1
Produit corroyé en alliage aluminium magnésium lithium
Domaine de l'invention
L'invention concerne des produits corroyés en alliage aluminium-magnésium-
lithium, plus
particulièrement de tels produits au compromis de propriétés amélioré,
notamment un
compromis amélioré entre limite d'élasticité en traction et ténacité desdits
produits.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication ainsi que
l'utilisation de ces
produits destinés en particulier à la construction aéronautique et
aérospatiale.
Etat de la technique
Des produits corroyés 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. En particulier, les alliages
d'aluminium
contenant simultanément du magnésium et du lithium permettent d'atteindre des
densités
particulièrement faibles et ont donc été extensivement étudiés.
Le brevet GB 1,172,736 enseigne un alliage contenant 4 à 7% en poids Mg, 1,5
¨2,6 % Li,
0,2 ¨ 1% Mn et/ou 0,05 ¨ 0,3 % Zr, reste aluminium, utile pour l'élaboration
de produits
présentant une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à la
corrosion, une faible
densité et un module d'élasticité élevé. Lesdits produits sont obtenus par un
procédé
comprenant une trempe optionnelle puis d'un revenu. A titre d'exemple, les
produits issus
du procédé selon GB 1,172,736 présentent une résistance à la rupture allant
d'environ
440MPa à environ 490 MPa, une limite d'élasticité en traction allant d'environ
270 MPa à
environ 340 MPa et un allongement à la rupture de l'ordre de 5-8%.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
2
La demande internationale WO 92/03583 décrit un alliage utile pour les
structures
aéronautiques ayant une faible densité et de formule générale
MgaLibZneAgdAlbai, dans lequel
a est compris entre 0,5 et 10%, b est compris entre 0,5 et 3%, c est compris
entre 0,1 et 5%,
d est compris entre 0,1 et 2% et bal indique que le reste est de l'aluminium.
Ce document
divulgue également un procédé d'obtention dudit alliage comprenant les étapes
: a) couler
d'un lingot de composition ci-avant décrite, b) retirer les contraintes
résiduelles dudit lingot
par traitement thermique, c) homogénéiser par chauffage et maintien en
température puis
refroidir le lingot, d) laminer à chaud ledit lingot jusqu'à son épaisseur
finale, e) mettre en
solution puis tremper le produit ainsi laminé, f) tractionner le produit et g)
réaliser un revenu
dudit produit par chauffage et maintien en température.
Le brevet US 5,431,876 enseigne un groupe d'alliages ternaire d'aluminium
lithium et
magnésium ou cuivre, incluant au moins un additif tel que le zirconium, le
chrome et/ou le
manganèse. L'alliage est préparé selon des procédés connus de l'homme du
métier
comprenant, à titre d'exemple, une extrusion, une mise en solution, une
trempe, une traction
du produit de 2 à 7 % puis un revenu.
Le brevet US 6,551,424 décrit un procédé de fabrication de produits laminés en
alliage
aluminium-magnésium-lithium de composition (en % en poids) Mg : 3,0 - 6,0 ; Li
: 0,4 -
3,0 ; Zn jusqu'à 2,0 ; Mn jusqu'à 1,0 ; Ag jusqu'à 0,5 ; Fe jusqu'à 0,3 ; Si
jusqu'à 0,3 ; Cu
jusqu'à 0,3 ; 0,02 - 0,5 d'un élément sélectionné dans le groupe consistant en
Sc, Hf, Ti, V,
Nd, Zr, Cr, Y, Be, ledit procédé incluant un laminage à froid dans le sens de
la longueur et
dans le sens de la largeur.
Le brevet US 6,461,566 décrit un alliage de composition (en % en poids) Li:
1,5 - 1,9 ; Mg:
4,1 - 6,0 ; Zn 0,1 - 1,5 ; Zr 0,05 - 0,3 ; Mn 0,01 -0,8 ; H 0,9 x 10-5- 4,5 x
10-5 et au moins
un élément sélectionné dans le groupe Be 0,001 -0,2 ; Y 0,001 -0,5 et Sc 0,01 -
0,3.
La demande de brevet WO 2012/16072 décrit un produit corroyé en alliage
d'aluminium de
composition en % en poids, Mg: 4,0 - 5,0 ; Li : 1,0- 1,6 ; Zr: 0,05 - 0,15 ;
Ti : 0,01 -0,15
; Fe : 0,02 - 0,2; Si : 0,02 - 0,2 ; Mn : < 0,5 ; Cr < 0,5 ; Ag : < 0,5 ; Cu <
0,5 ; Zn < 0,5 ; Sc
< 0,01 ; autres éléments < 0,05 ; reste aluminium. Ledit produit est en
particulier obtenu selon
un procédé de fabrication comprenant notamment successivement la coulée de
l'alliage sous
forme brute, sa déformation à chaud et optionnellement à froid, la mise en
solution puis la
trempe du produit ainsi déformé, optionnellement la déformation à froid du
produit ainsi mis
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
3
en solution et trempé et enfin le revenu du produit corroyé à une température
inférieure à 150
C. L'état métallurgique obtenu pour les produits laminés est avantageusement
un état T6 ou
T6X ou T8 ou T8X et pour les produits filés avantageusement un état T5 ou T5X
dans le cas
de la trempe sur presse ou un état T6 ou T6X ou T8 ou T8X.
Les produits corroyés en alliage aluminium-magnésium-lithium présentent une
faible densité
et sont donc particulièrement intéressants dans le domaine extrêmement
exigeant de
l'aéronautique. Pour que de nouveaux produits soient sélectionnés dans un tel
domaine, leur
performance doit être significativement améliorée par rapport à celle des
produits existants,
en particulier leur performance en terme de compromis entre les propriétés de
résistance
mécanique statique (notamment limite d'élasticité en traction et en
compression, résistance
à la rupture) et les propriétés de tolérance aux dommages (ténacité,
résistance à la propagation
des fissures en fatigue), ces propriétés étant en général antinomiques.
Ces alliages doivent également présenter une résistance à la corrosion
suffisante, pouvoir être
mis en forme selon les procédés habituels et présenter de faibles contraintes
résiduelles de
façon à pouvoir être usinés sans distorsion substantielle lors dudit usinage.
Il existe donc un besoin pour des produits corroyés en alliage aluminium-
magnésium-lithium
présentant une faible densité ainsi que 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. Concernant les
propriétés
de tolérance aux dommages, les produits corroyés doivent en particulier
présenter une
ténacité élevée ainsi qu'une faible propension au délaminage. De tels produits
doivent de
plus pouvoir être obtenus selon un procédé de fabrication fiable, économique
et facilement
adaptable à une ligne de fabrication conventionnelle.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un produit corroyé en alliage d'aluminium
de
composition, en % en poids, Mg : 4,0 ¨ 5,0 ; Li: 1,0 ¨ 1,8 ; Mn : 0,3 - 0,5 ;
Zr : 0,05 ¨ 0,15 ;
Ag : < 0,5 ; Fe : < 0,1 ; Ti : <0,15 ; Si : < 0,05 ; autres éléments < 0,05
chacun et < 0,15 en
association ; reste aluminium.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
4
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication dudit produit
corroyé dans
lequel :
(a) on coule une forme brute en alliage d'aluminium de composition, en % en
poids :
Mg : 4,0 ¨ 5,0 ; Li : 1,0 ¨1,8; Mn : 0,3 - 0,5 ; Zr : 0,05 ¨ 0,15; Ag : < 0,5
; Fe : <
0,1 ; Ti : < 0,15 ; Si : < 0,05 ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 en
association ;
reste aluminium ;
(b) optionnellement, on homogénéise ladite forme brute ;
(c) on déforme à chaud ladite forme brute pour obtenir un produit déformé à
chaud;
(d) optionnellement, on met en solution ledit produit déformé à chaud à une
température
de 360 C à 460 C, préférentiellement de 380 c à 420 C, pendant 15 minutes à 8
heures ;
(e) on trempe ledit produit déformé à chaud ;
(f) optionnellement, on effectue un dressage/planage dudit produit déformé
et trempé ;
(g) optionnellement, on déforme à froid de façon contrôlée le produit
déformé et trempé
pour obtenir une déformation permanente à froid de 1 à 10 %, de préférence de
2 à
6%, plus préférentiellement encore de 3 à 5% et, plus préférentiellement
encore de
4 à 5% ;
(h) on réalise un revenu dudit produit déformé et trempé.
L'invention a encore pour objet l'utilisation dudit produit corroyé pour
réaliser un élément
de structure d'aéronefs.
Description des figures
Figure 1 : Profilé pour cadre de fuselage de l'exemple 1
Figure 2 : Limite d'élasticité, Rp0,2, en fonction de la ténacité, KQ* pour
une barre plate de
mm d'épaisseur (* toutes les valeurs de KQ sont invalides en raison du critère
Pma, / PQ <
1,10 de la norme ASTM E399)
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
Figure 3 : Limite d'élasticité, Rp0,2, en fonction du facteur d'intensité de
contrainte
correspondant à la force maximale, Kmax (évaluée selon la norme ASTM E399)
pour une
barre plate de 10 mm d'épaisseur
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.
A titre d'exemple, l'expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre
exprimée en % en
poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages se fait en
conformité avec les
règlements de The Aluminium Association, connus de l'homme du métier. La
densité dépend
de la composition et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de
mesure de poids.
Les valeurs sont calculées en conformité avec la procédure de The Aluminium
Association,
qui est décrite pages 2-12 et 2-13 de Aluminum Standards and Data . Les
définitions des
états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la
résistance à la
rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rpo,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 est déterminée par essai de ténacité Klc selon la norme ASTM E399.
Une courbe
donnant le facteur d'intensité de contrainte effectif en fonction de
l'extension de fissure
effective est déterminée selon la norme ASTM E399. Les essais ont été réalisés
avec une
éprouvette CT8 (B = 8mm, W = 16 mm). Dans le cas de valeurs de KQ invalides
selon la
norme ASTM E399, en particulier par rapport au critère Pmax/PQ < 1,10, les
résultats ont été
aussi présentés en Kmax (facteur d'intensité de contrainte correspondant à la
force maximale
P max) =
L'augmentation des contraintes sur le produit lors de l'essai de ténacité Klc
selon la norme
ASTM E399 peut être révélatrice de la propension du produit au délaminage. On
entend ici
par délaminage ( crack delamination et/ou crack divider en anglais)
une fissuration
dans des plans orthogonaux au front de la fissure principale. L'orientation de
ces plans
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
6
correspond à celle des joints de grains non recristallisés après déformation
par corroyage. Un
faible délaminage est le signe d'une moindre fragilité des plans concernés et
minimise les
risques de déviation de fissure vers la direction longitudinale lors d'une
propagation en
fatigue ou sous sollicitation monotone.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent.
Par ailleurs, 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), les longerons (spars), les
profilés de plancher
(floor beams) et les rails de sièges (seat tracks)) et l'empennage composé
notamment de
stabilisateurs horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers),
ainsi que les portes.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium selon l'invention a la composition
particulière
suivante ,en % en poids,: Mg : 4,0 ¨ 5,0 ; Li : 1,0¨ 1,8 ; Mn :0,3 -0,5 ; Zr :
0,05 ¨ 0,15 ;
Ag : < 0,5 ; Fe : < 0,1 ; Ti : <0,15 ; Si : < 0,05 ; autres éléments < 0,05
chacun et < 0,15 en
association ; reste aluminium. Les produits en alliage d'aluminium ayant une
telle
composition associée notamment à la teneur en Mn particulière sélectionnée
présentent des
propriétés mécaniques statiques améliorées ainsi qu'une faible propension au
délaminage.
Selon un mode de réalisation encore plus avantageux, la teneur en Mn, en % en
poids, est de
0,35 à 0,45, préférentiellement de 0,35 à 0,40.
Selon un mode de réalisation avantageux, la forme brute en alliage d'aluminium
présente une
teneur en argent inférieure ou égale à 0,25 % en poids, plus
préférentiellement une teneur en
argent de 0,05 % à 0,1 % en poids. Cet élément contribue notamment aux
propriétés
mécaniques statiques. De plus, selon un mode de réalisation encore plus
avantageux, la forme
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
7
brute en alliage d'aluminium présente une teneur totale en Ag et Cu inférieure
à 0,15 % en
poids, préférentiellement inférieure ou égale à 0,12%. Le contrôle de la
teneur maximale en
ces deux éléments en association permet en particulier d'améliorer la
résistance à la corrosion
intergranulaire du produit corroyé.
Selon un mode de réalisation particulier, la forme brute présente une teneur
en zinc, en % en
poids, inférieure à 0,04%, préférentiellement inférieure ou égale à 0,03%. Une
telle
limitation de teneur en zinc dans l'alliage particulier décrit précédemment a
donné
d'excellents résultats en termes de densité et de résistance à la corrosion de
l'alliage.
Selon un autre mode de réalisation compatible avec les modes précédents, la
forme brute en
alliage d'aluminium présente une teneur en Fe, en % en poids, inférieure à
0,08%,
préférentiellement inférieure ou égale à 0,07%, plus préférentiellement encore
inférieure ou
égale à 0,06%. Les présents inventeurs pensent qu'une teneur minimum en Fe,
ainsi
qu'éventuellement celle de Si, peut contribuer à améliorer les propriétés
mécaniques et
notamment les propriétés en fatigue de l'alliage. D'excellents résultats ont
en particulier été
obtenus pour une teneur en Fe de 0,02 à 0,06 % en poids et/ ou une teneur en
Si de 0,02 à
0,05% en poids.
La teneur en lithium des produits selon l'invention est comprise entre 1,0 et
1,8 % en poids.
Selon un mode de réalisation avantageux, la forme brute en alliage d'aluminium
présente une
teneur en Li, en % en poids, inférieure à 1,6%, préférentiellement inférieure
ou égale à 1,5%,
préférentiellement encore inférieure ou égale à 1,4%. Une teneur minimale en
lithium de 1,1
% en poids et de préférence de 1,2 % en poids est avantageuse. Les présents
inventeurs ont
constaté qu'une teneur en lithium limitée, en présence de certains éléments
d'addition,
permet d'améliorer très significativement la ténacité, ce qui compense
largement la légère
augmentation de densité et la diminution des propriétés mécaniques statiques.
Selon un mode de réalisation préféré, la forme brute en alliage d'aluminium
présente une
teneur en Zr, en % en poids, de 0,10 à 0,15%. Les inventeurs ont en effet
constaté qu'une
telle teneur en Zr permet d'obtenir un alliage présentant une structure fibrée
favorable pour
des propriétés mécaniques statiques améliorées.
Selon un mode de réalisation avantageux, la forme brute en alliage d'aluminium
présente une
teneur en Mg, en % en poids, de 4,5 à 4,9%. D'excellents résultats ont été
obtenus pour des
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
8
alliages selon ce mode de réalisation notamment pour ce qui concerne les
propriétés
mécaniques statiques.
Selon un mode de réalisation avantageux, la teneur en Cr des produits selon
l'invention est
inférieure à 0,05% en poids, préférentiellement inférieure à 0,01% en poids.
Une telle teneur
limitée en Cr en association avec les autres éléments de l'alliage selon
l'invention permet
notamment de limiter la formation de phases primaires lors de la coulée.
La teneur en Ti des produits selon l'invention est inférieure à 0,15% en
poids,
préférentiellement comprise entre 0,01 et 0,05% en poids. La teneur en Ti est
limitée dans
l'alliage particulier de la présente invention notamment pour éviter la
formation de phases
primaires lors de la coulée. D'autre part, il peut être avantageux de
contrôler la teneur en Ti
pour maîtriser la structure granulaire et notamment la taille de grain lors de
la coulée de
l'alliage.
Certains éléments peuvent être néfastes pour les alliages Al-Mg-Li tels que
précédemment
décrits, en particulier pour des raisons de transformation de l'alliage telles
que la toxicité
et/ou les casses lors de la déformation. Il est donc préférable de limiter ces
éléments à un
niveau très faible, i.e. inférieur à 0,05 % en poids ou même moins. Dans un
mode de
réalisation avantageux, les produits selon l'invention ont une teneur maximale
de 10 ppm de
Na, préférentiellement de 8 ppm de Na, et/ou une teneur maximale de 20 ppm de
Ca. Selon
un mode de réalisation particulièrement avantageux, la forme brute en alliage
d'aluminium
est substantiellement exempte de Sc, Be, Y, plus préférentiellement ladite
forme brute
comprend moins de 0,01% en poids de ces éléments pris en combinaison.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la forme brute en
alliage
d'aluminium présente une composition, en % en poids :
Mg : 4,0 ¨ 5,0, préférentiellement 4,5 ¨ 4,9;
Li: 1,1 ¨1,6, préférentiellement 1,2¨ 1,5 ;
Zr: 0,05 ¨ 0,15, préférentiellement 0,10 ¨ 0,15 ;
Ti: <0,15, préférentiellement 0,01-0,05 ;
Fe : 0,02 - 0,1, préférentiellement 0,02 ¨ 0,06;
Si : 0,02 ¨ 0,05 ;
Mn : 0,3 ¨ 0,5 ; préférentiellement de 0,35 à 0,45, préférentiellement de 0,35
à 0,40;
Cr: <0,05, préférentiellement < 0,01 ;
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
9
Ag : < 0,5 ; préférentiellement < 0,25 ; plus préférentiellement encore < 0,1
;
Sc : < 0,01 ;
autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 en association ;
reste aluminium. D'excellents résultats ont été obtenus avec un alliage
présentant une telle
composition.
Le procédé de fabrication des produits selon l'invention comprend les étapes
successives
d'élaboration d'un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage Al-Mg-
Li de
composition particulière, la coulée dudit alliage sous forme brute,
optionnellement
l'homogénéisation de ladite forme brute ainsi coulée, la déformation à chaud
de ladite de
forme brute pour obtenir un produit déformé à chaud, optionnellement la mise
en solution
séparée du produit ainsi déformé à chaud, la trempe dudit produit déformé à
chaud,
optionnellement le dressage/planage du produit déformé et trempé,
optionnellement la
déformation à froid de façon contrôlée du produit déformé et trempé pour
obtenir une
déformation permanente à froid de 1 à 10 %, de préférence de 2 à 6%, plus
préférentiellement
encore de 3 à 5%, le revenu dudit produit déformé et trempé. Selon un mode de
réalisation
avantageux, l'étape de revenu est réalisée avant l'étape de déformation à
froid de façon
contrôlée.
Le procédé de fabrication consiste donc tout d'abord à la coulée d'une forme
brute en alliage
Al-Mg-Li de composition, en % en poids : Mg : 4,0 ¨ 5,0 ; Li: 1,0 ¨1,8; Mn:
0,3 - 0,5 ; Zr
: 0,05 ¨ 0,15; Ag : < 0,5 ; Fe : < 0,1 ; Ti : < 0,15 ; Si : < 0,05 ; autres
éléments < 0,05 chacun
et < 0,15 en association ; reste aluminium. Un bain de métal liquide est donc
réalisé puis
coulé sous forme brute, typiquement une plaque de laminage, une billette de
filage ou une
ébauche de forge.
Suite à l'étape de coulée de la forme brute, le procédé de fabrication
comprend
optionnellement une étape d'homogénéisation de la forme brute de façon à
atteindre une
température comprise entre 450 C et 550 C et, de préférence, entre 480 C et
520 C
pendant une durée comprise entre 5 et 60 heures. Le traitement
d'homogénéisation peut être
réalisé en un ou plusieurs paliers. Selon un mode de réalisation préféré de
l'invention, on
procède directement à la déformation à chaud à la suite d'un simple
réchauffage sans
effectuer d'homogénéisation.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
La forme brute est ensuite déformée à chaud, typiquement par filage, laminage
et/ou
forgeage, pour obtenir un produit déformé. Cette déformation à chaud est
effectuée de
préférence à une température d'entrée supérieure à 400 C et, de manière
avantageuse, de
420 C à 450 C. Selon un mode de réalisation avantageux, la déformation à chaud
est une
déformation par filage de la forme brute.
Dans le cas de la fabrication de tôles par laminage, il peut être nécessaire
de réaliser une
étape de laminage à froid (qui constitue alors une première étape optionnelle
de déformation
à froid) pour les produits dont l'épaisseur est inférieure à 3 mm. Il peut
s'avérer utile de
réaliser un ou plusieurs traitements thermiques intermédiaires, typiquement
réalisés à une
température comprise entre 300 et 420 C, avant ou au cours du laminage à
froid.
Le produit déformé à chaud et, optionnellement à froid, est optionnellement
soumis à une
mise en solution séparée à une température de 360 C à 460 C,
préférentiellement de 380 C
à 420 C, pendant 15 minutes à 8 heures.
Le produit déformé et, optionnellement, mis en solution est ensuite trempé. La
trempe est
effectuée à l'eau et/ou à l'air. Il est avantageux de réaliser la trempe à
l'air car les propriétés
de corrosion intergranulaire sont améliorées. Dans le cas d'un produit filé,
il est avantageux
de réaliser la trempe sur presse (ou trempe sur chaleur de filage),
préférentiellement une
trempe sur presse à l'air, une telle trempe permettant en particulier
d'améliorer les propriétés
mécaniques statiques. Selon un autre mode de réalisation, il peut également
s'agir d'une
trempe sur presse à l'eau. Dans le cas de la trempe sur presse, le produit est
mis en solution
sur chaleur de filage.
Le produit déformé à chaud et trempé peut éventuellement être soumis à une
étape de
dressage ou de planage selon qu'il s'agit d'un profilé ou d'une tôle. On
entend ici par
dressage/planage une étape de déformation à froid sans déformation
permanente ou avec
une déformation permanente inférieure à 1%.
Le produit déformé à chaud, trempé et, optionnellement dressé/plané, est
également déformé
à froid de façon contrôlée pour obtenir une déformation permanente à froid de
1 à 10 %, de
préférence de 2 à 6%, plus préférentiellement encore de 3 à 5%, et plus
préférentiellement
encore de 4 à 5%. Selon un mode de réalisation avantageux, la déformation
permanente à
froid est de 2 à 4%. La déformation à froid peut en particulier être réalisée
par traction,
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
11
compression et/ou laminage. Selon un mode de réalisation préféré, la
déformation à froid est
réalisée par traction.
Le produit déformé, trempé et, optionnellement dressé/plané, subit une étape
de revenu.
Avantageusement, le revenu est réalisé par chauffage, en un ou plusieurs
paliers, à une
température inférieure à 150 C, de préférence à une température de 70 C à
140 C, pendant
à 100 heures.
Selon un premier mode de réalisation, l'étape de revenu est réalisée après
l'étape de
déformation à froid de façon contrôlée. L'état métallurgique obtenu pour les
produits corroyé
correspond notamment à un état T8 selon la norme EN515.
Selon un second mode de réalisation, l'étape de revenu est réalisée avant
l'étape de
déformation à froid de façon contrôlée. Le produit déformé à chaud et revenu
est alors
déformé à froid de façon contrôlée pour obtenir une déformation permanente à
froid de 1 à
%, de préférence de 2 à 6%, plus préférentiellement encore de 3 à 5%, et plus
préférentiellement encore de 4 à 5%. Selon un mode de réalisation avantageux,
la
déformation permanente à froid est de 2 à 4%. De façon tout à fait inattendue,
il a en effet
été mis en évidence que, lorsqu'elle est réalisée après l'étape de revenu, la
déformation à
froid de façon contrôlée d'un produit corroyé de composition telle que décrite
précédemment
permet d'obtenir un excellent compromis entre les propriétés mécaniques
statiques et celles
de tolérance aux dommages, en particulier de ténacité. L'état métallurgique
obtenu pour les
produits corroyé correspond notamment à un état T9 selon la norme EN515.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé de fabrication d'un
produit corroyé ne
comprend aucune étape de déformation à froid induisant une déformation
permanente d'au
moins 1% entre l'étape de déformation à chaud ou, si cette étape est présente,
de mise en
solution et l'étape de revenu.
La combinaison de la composition choisie, en particulier de la teneur en Mg,
Li et Mn et des
paramètres de transformation, en particulier l'ordre des étapes du procédé de
fabrication,
permet avantageusement d'obtenir des produits corroyés ayant un compromis de
propriétés
amélioré tout à fait particulier, notamment le compromis entre la résistance
mécanique et la
tolérance aux dommages, tout en présentant une faible densité et une bonne
performance en
corrosion.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
12
Les produits corroyés selon l'invention sont préférentiellement des produits
filés tels que des
profilés, des produits laminés tels que des tôles ou des tôles épaisses et/ou
des produits forgés.
Les produits corroyés selon l'invention présentent des caractéristiques
particulièrement
avantageuses en comparaison à des produits corroyés identiques mais présentant
pour seule
différence leur teneur en Mn, en particulier une teneur en Mn, en % en poids,
inférieure à
0,3% ou supérieure à 0,5%. On entend par produits corroyés identiques des
produits en
alliage d'aluminium de même composition, en % en poids, à l'exception du Mn,
et obtenus
selon le même procédé de fabrication, en particulier des produits corroyés
dans le même état
métallurgique selon la norme EN515 et présentant le même taux de déformation
en traction
permanente en traction obtenu par traction de façon contrôlée.
Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés selon
l'invention présentent
un moindre délaminage sur les surfaces de rupture des éprouvettes Klc obtenues
suivant la
norme ASTM E399 que des produits corroyés identiques mais présentant pour
seule
différence leur teneur en Mn, en particulier une teneur en Mn, en % en poids,
inférieure à
0,3% ou supérieure à 0,5%.
Selon un mode de réalisation compatible avec le mode précédent, les produits
corroyés selon
l'invention ont à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15
mm, une
résistance à la rupture Rm (L) supérieure à celle de produits corroyés
identiques mais
présentant pour seule différence leur teneur en Mn, en particulier une teneur
en Mn, en % en
poids, inférieure à 0,3% ou supérieure à 0,5%.
Selon un mode de réalisation compatible avec les modes précédents, les
produits corroyés
selon l'invention ont, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5
et 15 mm, une
limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) supérieure à celle de produits
corroyés identiques
mais présentant pour seule différence leur teneur en Mn, en particulier une
teneur en Mn, en
% en poids, inférieure à 0,3% ou supérieure à 0,5%.
Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés à l'état T8,
avantageusement
à l'état T8 avec une déformation permanente à froid supérieure à 4%, selon
l'invention
présentent, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, au
moins une
propriété de résistance mécanique statique parmi les propriétés (i) à (iii) et
au moins une
propriété de tolérance aux dommages parmi les propriétés (iv) à (v) :
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
13
(i) une résistance à la rupture Rm (L) > 450 MPa, de préférence Rm (L) >
455 MPa;
(ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L)? 330 MPa; de préférence
Rp0,2 (L)
> 335 MPa et, plus préférentiellement encore Rp0,2 (L) > 350 MPa;
(iii) une limite d'élasticité en traction R p0,2 (TL) > 300 MPa,de
préférence Rp0,2
(TL) > 305 et, plus préférentiellement encore Rp0,2 (TL) > 320 MPa;
(iv) une ténacité, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8
de
largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8 mm, KQ (L-T) > 24 MPeim, de préférence
KQ (L-T) > 26 MPaNim ;
(y) un facteur d'intensité de contrainte correspondant à la force
maximale Pmax,
mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W =
16 mm et d'épaisseur = 8mm, Kmax (L-T) > 30 MPeim, de préférence Kmax (L-T)
> 32 MPeim.
Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés à l'état T9,
avantageusement
à l'état T9 avec une déformation permanente à froid supérieure à 4%, selon
l'invention
présentent, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, au
moins une
propriété de résistance mécanique statique parmi les propriétés (i) à (iii) et
au moins une
propriété de tolérance aux dommages parmi les propriétés (iv) à (y) :
(0 une résistance à la rupture Rm (L) > 450 MPa, de préférence Rm (L) >
460 MPa;
(ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L)? 380 MPa, de préférence
Rp0,2 (L)
> 390 MPa et, plus préférentiellement encore, Rp0,2 (L) > 410 MPa;
(iii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (TL) > 320 MPa, de
préférence Rp0,2
(TL) > 335 MPa plus préférentiellement Rp0,2 (TL) > 340 MPa et, plus
préférentiellement encore, Rp0,2 (TL)? 350 MPa;
(iv) une ténacité, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8
de
largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8 mm, KQ (L-T) > 20 MPeim, de préférence
KQ (L-T) > 22 MPeim ;
(y) un facteur d'intensité de contrainte correspondant à la force
maximale Pmax,
mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W =
16 mm et d'épaisseur = 8mm, K. (L-T) > 22 MPeim, de préférence K. (L-T)
> 25 MPeim.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
14
Selon un mode de réalisation préféré, les produits corroyés à l'état T8 ou T9
précédemment
cités ont, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, à mi-épaisseur au
moins deux
propriétés de résistance mécanique statique choisies parmi les propriétés (i)
à (iii) et au moins
une propriété de tolérance aux dommages choisies parmi les propriétés (iv) à
(y).
Les produits corroyés selon l'invention présentent en outre une moindre
propension au
délaminage, ce dernier étant évalué sur les surfaces de rupture d'éprouvettes
Klc suivant la
norme ASTME399 (éprouvette CT8, B = 8mm, W = 16 mm).
Les produits filés selon l'invention présentent des caractéristiques
particulièrement
avantageuses. Les produits filés ont de préférence une épaisseur comprise
entre 0,5 mm et
15 mm, mais des produits d'épaisseur supérieure à 15 mm, jusque 50 mm ou même
100 mm
ou plus peuvent avoir également des propriétés avantageuses. L'épaisseur des
produits filés
est définie selon la norme EN 2066 : 2001 : la section transversale est
divisée en rectangles
élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension
du rectangle
élémentaire et B pouvant être considéré comme l'épaisseur du rectangle
élémentaire. La
semelle est le rectangle élémentaire présentant la plus grande dimension A.
Les produits corroyés selon l'invention sont avantageusement utilisés pour
réaliser des
éléments de structure d'aéronef, notamment d'avions. Des éléments de structure
d'aéronef
préférés sont notamment une peau de fuselage, un cadre de fuselage, un
raidisseur ou une
lisse de fuselage ou encore une peau de voilure, un raidisseur de voilure, une
nervure ou un
longeron. Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus
en détails à l'aide
des exemples illustratifs et non limitatifs suivants.
Exemples
Exemple 1
Plusieurs formes brutes en alliage Al-Mg-Li dont la composition est donnée
dans le tableau
1 ont été coulées. L'alliage B présente une composition selon l'invention. La
densité des
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060
PCT/FR2015/052580
alliages A et B, calculée en conformité avec la procédure de The Aluminium
Association
décrite en pages 2-12 et 2-13 de Aluminum Standards and Data , est de 2,55.
Tableau 1 - Composition en % en poids et densité des alliages Al-Mg-Li
utilisés
Alliage Ag Li Si Fe Cu Ti Mn Mg Zn Zr Na CaDensité
(PP1n) (PP1n)
A 0,10 1,39 0,04 0,05 0,01
0,03 0,14 4,56 0,03 0,12 8 22 2,55
B 0,11 1,39 0,03 0,06 0,01
0,03 0,41 4,57 0,03 0,11 8 15 2,55
Des billettes de 358 mm de diamètre ont été réalisées dans les formes brutes.
Elles ont été
réchauffées à 430-440 C puis déformées à chaud par filage sur une presse sous
forme d'un
profilé pour cadre de fuselage tel que représenté à la figure 1. Les produits
ainsi filés ont été
trempés à l'air (trempe sur presse). Ils ont ensuite subi :
- pour les produits à l'état final T6 : un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à 120 C suivi
de 10h à 100 C;
- pour les produits à l'état final T8 : une traction contrôlée avec
déformation permanente de
3 ou 5% (respectivement T8-3% et T8-5%) puis un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à
120 C suivi de 10h à 100 C;
- pour les produits à l'état final T9 : un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à 120 C suivi
de 10h à 100 C puis une traction contrôlée avec déformation permanente de 3 ou
5%
(respectivement T9-3% et T9-5%).
Des échantillons ont été testés pour déterminer leurs propriétés mécaniques
statiques (limite
d'élasticité Rpo,2 en MPa, résistance à la rupture RiT, en MPa, et allongement
A en %).
Les résultats obtenus sont donnés dans les tableaux 2 (sens L) et 3 (sens TL)
ci-dessous. Ces
résultats sont les moyennes de 4 mesures effectuées sur des échantillons
pleine épaisseur
prélevés sur 4 positions sur le cadre de fuselage (postions référencées a, b,
c et d sur la figure
1) pour le sens L et de 2 mesures effectuées sur des échantillons pleine
épaisseur prélevés sur
1 position unique, référencée c sur la figure 1, pour le sens TL.
Tableau 2 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens L)
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
16
Propriété
Alliage T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
mécanique
Rm (MPa) 427 447 449 449 460
A
Rp0,2 (MPa) 298 330 346 382 409
A(%) 12 11 10 9 9
Rm (MPa) 441 453 459 460 468
B
Rp0,2 (MPa) 321 340 354 398 418
A(%) 11 10 9 8 7
Tableau 3 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens TL)
Propriété
Alliage T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
mécanique
Rm (MPa) 441 441 439 441 454
A
Rp0,2 (MPa) 308 308 302 335 371
A(%) 14 14 13 11 9
Rm (MPa) 444 456 459 456 467
B
Rp0,2 (MPa) 298 309 333 328 347
A(%) 15 14 14 10 11
Une teneur en Mn de l'alliage Al-Mg-Li d'environ 0,4 % en poids (alliage B)
permet
d'améliorer significativement la résistance mécanique de alliage (Rp0,2 et
Rm), notamment
la résistance mécanique dans le sens L, par rapport à celle d'un alliage
présentant une teneur
en Mn d'environ 0,14 % en poids (alliage A). Par ailleurs, les propriétés
mécaniques, en
particulier pour l'alliage B, augmentent avec l'augmentation de la traction
contrôlée (T6 <
TX-3% <TX-5% avec TX = T8 ou T9). Enfin, les meilleurs résultats sont
généralement
obtenus lorsque la traction contrôlée est effectuée après le revenu (18 <T9).
Exemple 2
Plusieurs formes brutes en alliage Al-Mg-Li dont la composition est donnée
dans le tableau
1 de l'exemple précédent ont été coulées. L'alliage B présente une composition
selon
l'invention.
Des billettes de 358 mm de diamètre ont été réalisées dans les formes brutes.
Elles ont été
réchauffées à 430-440 C puis déformées à chaud par filage sur une presse sous
forme d'une
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
17
barre plate (100 mm x 10 mm). Les produits ainsi filés ont été trempés à l'air
(trempe sur
presse). Ils ont ensuite subit :
- pour les produits à l'état final T6 : un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à 120 C suivi
de 10h à 100 C;
- pour les produits à l'état final T8 : une traction contrôlée avec
déformation permanente de
3 ou 5% (respectivement T8-3% et T8-5%) puis un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à
120 C suivi de 10h à 100 C;
- pour les produits à l'état final T9 : un revenu bi-palier effectué
pendant 30h à 120 C suivi
de 10h à 100 C puis une traction contrôlée avec déformation permanente de 3 ou
5%
(respectivement T9-3% et T9-5%).
Des échantillons cylindriques de 4 mm de diamètre ont été testés pour
déterminer leurs
propriétés mécaniques statiques (limite d'élasticité, Rpo,2, en MPa ;
résistance à la rupture,
Rin, en MPa et allongement, A, en % ).
Les résultats obtenus sont donnés dans les tableaux 4 (sens L) et 5 (sens TL)
ci-dessous.
Tableau 4 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens L).
Propriété
Alliage T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
mécanique
Rm (MPa) 421 439 441 444 453
A
Rp0,2 (MPa) 286 319 330 381 398
A(%) 13 11 11 9 10
Rm (MPa) 439 453 456 451 462
B
Rp0,2 (MPa) 309 337 352 383 424
A(%) 11 10 8 9 6
Tableau 5 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens TL).
Propriété
Alliage T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
mécanique
Rm (MPa) 400 428 417 430 438
A
Rp0,2 (MPa) 267 300 303 334 345
A(%) 16 17 15 14 14
Rm (MPa) 423 437 447 448 449
B
Rp0,2 (MPa) 290 315 323 339 371
A(%) 16 16 16 14 12
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
18
Une teneur en Mn de l'alliage Al-Mg-Li d'environ 0,4 % en poids (alliage B)
permet
d'améliorer significativement la résistance mécanique de alliage (Rp0,2 et
Rm), notamment
la résistance mécanique dans le sens L, par rapport à celle d'un alliage
présentant une teneur
en Mn d'environ 0,14 % en poids (alliage A). Par ailleurs, les propriétés
mécaniques, en
particulier Rp0,2, augmentent avec l'augmentation de la traction contrôlée (T6
<TX-3% <
TX-5% avec TX = T8 ou T9). Enfin, les meilleurs résultats sont généralement
obtenus
lorsque la traction contrôlée est effectuée après le revenu (T8 <T9).
La ténacité des produits a été caractérisée par l'essai de Klc suivant la
norme ASTM E399.
Les essais ont été effectués avec une éprouvette CT8 (B = 8mm, W = 16 mm)
prélevée à mi-
épaisseur. Les valeurs de KQ ont toujours été invalides selon la norme ASTM
E399, en
particulier par rapport au critère Pmax/PQ < 1,10. Pour cela, les résultats
sont présentés en Kmax
(facteur d'intensité de contrainte correspondant à la force maximale Pmax).
Les résultats sont
reportés dans les tableaux 6 et 7 et illustrés aux figures 2 et 3 (éprouvettes
L-T et T-L
respectivement). Ces résultats sont les moyennes d'au moins deux 2 valeurs.
Tableau 6 - Résultats des essais de ténacité sur éprouvettes L-T (Kmax et KQ
en MPeim)
Alliage Ténactité T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
A Kmax L-T 32,2 33,6 32,5 25,9
KQ L-T 24,6 26,3 25,2 22,3
B Kmax L-T 30,0 32,2 25,9
KQ L-T 24,6 26,2 22,0 -
Tableau 7 - Résultats des essais de ténacité sur éprouvettes T-L (Kmax et KQ
en MPeim)
Alliage Ténactité T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
A Kmax T-L 30,8 29,5 29,9
KQ T -L 25,4 25,0 24,7 -
B Kmax T-L 28,5 28,2 25,2 -
KQ T-L 24,2 24,3 22,4 -
Les produits selon l'invention présentent une ténacité satisfaisante quelle
que soit la teneur
en Mn de l'alliage.
CA 02960942 2017-03-10
WO 2016/051060 PCT/FR2015/052580
19
La figure 2 illustre la limite d'élasticité, Rp0,2, des produits du présent
exemple en fonction
de la ténacité, KQ (toutes les valeurs de KQ sont invalides en raison du
critère P. / PQ < 1,10
). La figure 3 illustre la limite d'élasticité, Rp0,2, des produits du présent
exemple en fonction
du facteur d'intensité de contrainte correspondant à la contrainte maximale,
Kmax
Les produits en T9 présentent un excellent compromis entre leurs propriétés
statiques, en
particulier Rp0,2, et leur ténacité, KQ, ou leur facteur d'intensité de
contrainte correspondant
à la force maximale, K..
Le délaminage a été quantifié de façon semi-quantitative sur les surfaces de
rupture des
éprouvettes K1 c précédemment décrites selon un score de 0 à 2 : score 0 =
absence de
délaminage visible, score 1 = faible délaminage, score 2 = délaminage marqué
(plusieurs
feuillets/fissures secondaires dans le sens L visibles). Les tableaux 8 et 9
récapitulent les
scores attribués aux différentes éprouvettes (éprouvettes L-T et T-L
respectivement).
Tableau 8 ¨ Evaluation du délaminage sur éprouvettes L-T (scores)
Alliage T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
A 1 2 2 1
0 1 0
Tableau 9 ¨ Evaluation du délaminage sur éprouvettes T- L (scores)
Alliage T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%)
A 0 1 1
0 0 0
Les produits en alliage B présentent un délaminage plus faible que les
produits en alliage A.
