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Procédé de fabrication de produits en alliage aluminium magnésium lithium
Domaine de l'invention
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un produit corroyé en alliage
aluminium-
magnésium-lithium, plus particulièrement un procédé de fabrication d'un tel
produit
présentant un 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 produit susceptible d'être obtenu par ledit procédé de fabrication et
son utilisation,
ledit produit étant destiné 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, en pourcentage en poids,
4 à 7 % de
Mg, 1,5 ¨ 2,6 % de Li, 0,2 ¨ 1 % de Mn et/ou 0,05 ¨ 0,3 % de Zr, reste
aluminium. Cet
alliage est 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
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une résistance à la rupture allant d'environ 440 MPa à environ 490 MPa, une
limite
d'élasticité en traction allant d'environ 270MPa à environ 340 MPa et un
allongement à la
rupture de l'ordre de 5-8%.
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' - 4,5
x 10' 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
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< 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 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
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Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un 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 ; Zr : 0,05 ¨0,15; Mn: < 0,6 ; 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 380-420 C, pendant 15 minutes à 8 heures
;
(e) on trempe ledit produit déformé à chaud ;
(f) optionnellement, on effectue un dressage ou un planage dudit produit
déformé et
trempé ;
(g) on réalise un revenu dudit produit déformé et trempé ;
(h) on déforme à froid de façon contrôlée le produit déformé à chaud ainsi
revenu 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%.
L'invention a encore pour objets, un produit corroyé susceptible d'être obtenu
selon le
procédé de l'invention ainsi que 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)
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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 K1 c 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 Pmax).
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
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fissuration dans des plans orthogonaux au front de la fissure principale.
L'orientation de ces
plans 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 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, le revenu
dudit produit
déformé et trempé et la déformation à froid de façon contrôlée du produit
revenu 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%.
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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 ; Zr: 0,05 ¨
0,15; Mn : < 0,6 ; 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.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'alliage Al-Mg-Li présente une
teneur en Mn, en
% en poids, de 0,2 à 0,6%, préférentiellement de 0,35 à 0,5%, plus
préférentiellement de
0,35 à 0,45% et plus préférentiellement encore de 0,35 à 0,40%.
Les produits en alliage tel que décrit précédemment et ayant la teneur en Mn
avantageuse
présentent en particulier des propriétés mécaniques statiques améliorées ainsi
qu'une faible
propension au délaminage.
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 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
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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 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
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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 : <0,6, préférentiellement 0,2 - 0,6, plus préférentiellement encore 0,35 ¨
0,5 ;
Cr: <0,05, préférentiellement < 0,01 ;
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.
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.
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
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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 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 à chaud 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, subit
ensuite 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 5 à 100 heures.
Finalement, le produit déformé à chaud ainsi revenu est 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
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déformation à froid peut en particulier être réalisée par traction,
compression et/ou
laminage. Selon un mode de réalisation préféré, la déformation à froid est
réalisée par
traction. De façon tout à fait inattendue, il a 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 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 si ce
dernier est présent, 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, en particulier le
compromis entre
la résistance mécanique et la tolérance aux dommages, tout en présentant une
faible densité
et une bonne performance en corrosion.
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.
L'invention a également pour objet des produits corroyés susceptibles d'être
obtenus selon
le procédé précédemment décrit, avantageusement de tels produits déformé à
froid avec une
déformation permanente à froid supérieure à 4%. En effet, de tels produits
présentent des
caractéristiques tout à fait nouvelles et particulières.
Les produits corroyés susceptibles d'être obtenus par le procédé selon
l'invention,
avantageusement lesdits porduits avec une déformation permanente à froid
supérieure à
4%, ont, en particulier à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5
et 15 mm, au
moins une propriété de résistance mécanique statique choisie parmi les
propriétés (i) à (iii)
et au moins une propriété de tolérance aux dommages choisie parmi les
propriétés (iv) à
(y) :
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(i) une résistance à la rupture Rm (L) > 440 MPa, préférentiellement Rm (L)
> 445
MPa, plus préférentiellement Rm (L) > 450 MPa et, plus préférentiellement
encore Rm (L) > 465 MPa;
(ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) > 360 MPa,
préférentiellement
Rp0,2 (L) > 380 MPa, plus préférentiellement Rp0,2 (L) > 390 MPa et, plus
préférentiellement encore, Rp0,2 (L) > 400 MPa;
(iii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (TL) > 330 MPa et
préférentiellement
Rp0,2 (TL) > 340 MPa et, plus préférentiellement encore, Rp0,2 (TL) > 370
MPa;
(iv) une ténacité, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8
de
largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8mm, KQ (L-T) > 20 MPeim, de
préférence KQ (L-T) > 22 MPaNim ;
(v) 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) > 20 MPeim, de préférence Kmax (L-
T) > 25 MPeim.
Selon un mode de réalisation préféré, les produits corroyés susceptibles
d'être obtenus par
le procédé selon l'invention 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
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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. Les alliages A et B ont tous deux une composition apte à la
mise en
oeuvre du procédé selon l'invention. La densité des 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
(PPln) (PPln)
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;
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- 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 Rn, 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)
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
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Les propriétés mécaniques, en particulier la contrainte maximale supportable
par le produit
ou résistance à la rupture, Rm, et la limite d'élasticité Rp0,2 (valeur de
contrainte pour une
déformation plastique de 0,2%) des produits à l'état T9 sont globalement
significativement
plus hautes que celles des produits aux états T8 ou T6. Par ailleurs, les
propriétés
mécaniques, en particulier Rp0,2, augmentent avec l'augmentation de la
traction contrôlée
(T6 <T8-3% <T8-5% < T9-3% < T9-5%).
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 (Rp0,2 et Rm), en
particulier dans le
sens L, de l'alliage par rapport à celle d'un alliage présentant une teneur en
Mn d'environ
0,14 % en poids (alliage A).
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. Les alliages A et B ont tous deux
une
composition apte à la mise en oeuvre du procédé 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
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%).
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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
La limite d'élasticité (valeur de contrainte pour une déformation plastique de
0,2%, Rp0,2)
des produits à l'état T9 est significativement plus haute que celles des
produits aux états T8
ou T6. Par ailleurs, Rp0,2 augmente avec l'augmentation de la contrainte de la
traction
contrôlée (T6 <T8-3% < T8-5% < T9-3% < T9-5%).
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)
par rapport
à celle d'un alliage présentant une teneur en Mn d'environ 0,14 % en poids
(alliage A).
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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 P./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
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 (K. et KQ en
MPaNim)
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
K. 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.
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. / P Q <
1 0). 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, K.
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..
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Le délaminage a été quantifié de façon semi-quantitative sur les surfaces de
rupture des
éprouvettes Klc 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
B 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
B 0 0 0
Les produits en alliage B présentent un délaminage plus faible que les
produits en alliage
A.
