Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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TOLE EN ALUMINIUM-CUIVRE-LITHIUM A HAUTE TENACITE POUR
FUSELAGE D'AVION
=
Domaine de l'invention
La présente invention concerne en général des produits
en alliages d'aluminium et, plus particulièrement, de
tels produits, leurs procédés de fabrication et
d'utilisation, en particulier dans l'industrie.
aérospatiale.
.Etat de la technique
Un effort de recherche continu est réalisé afin de
développer des matériaux qui puissent simultanément
réduire le poids et augmenter l'efficacité des
structures d'avions à hautes performances. Les alliages
aluminium-lithium (AlLi) 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.
Les alliages AlLi ne sont cependant pas encore utilisés
de manière intensive dans l'industrie aérospatiale en
raison des défauts des alliages développés jusqu'à
aujourd'hui, tels que par exemple une stabilité
thermique inadéquate, une forte anisotropie et une
ténacité inappropriée. .
L'histoire du développement des alliages AlLi est
décrite, par exemple, dans le chapitre Alliages
aluminium-lithium : de l'ouvrage Aluminium and
Aluminium Alloys , (ASM Specialty Handbook, 1994). Les
premiers alliages aluminium-lithium (Al-Zn-Cu-Li) ont
été introduits en Allemagne dans les années 20, et ont
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été suivis par l'introduction de l'alliage AA2020 (Al-
Cu-Li-Mn-Cd) à la fin des années 50, et par
l'introduction de l'alliage 1420 (Al-Mg-Li) en Union
Soviétique, au milieu des années 60. Les seules
applications industrielles de l'alliage AA2020 ont été
les ailes et les stabilisateurs horizontaux des avions
RA5C Vigilante. La composition classique de l'alliage
AA2020 était (en pourcentage en poids) : Cu : 4,5,
Li : 1,2, Mn : 0,5, Cd : 0,2. Parmi les raisons liées
aux applications limitées de cet alliage, on peut
souligner sa faible ténacité. Si l'on met de côté le
rôle
spécifique du Cd, l'une des raisons de ses
propriétés limitées a été attribuée à l'utilisation du
Mn dans cet alliage. En 1982, E.A. Starke a déclaré
(dans Metallurgical Transactions A. , Vol. 13A,
p.2267) les
dispersoïdes de plus grande taille
riches en Mn peuvent également être néfastes à la
ductilité, en provoquant des porosités . Cette idée
d'un effet néfaste du Mn a été largement reconnue par
l'homme du métier. Par exemple, en 1991, Blackenship a
déclaré (dans Proceedings of the Sixth International
Aluminium-Lithium Conference , Garmisch-Partenkirchen,
p.190), Les dispersoïdes riches en manganèse créent
des porosités et encouragent ainsi le processus de
fracture . Il a été suggéré que le zirconium soit
utilisé à la place du manganèse comme agent de contrôle
de la structure granulaire. Dans le même document,
Blackenship déclare : Le zirconium est l'élément de
choix pour le contrôle de la structure granulaire dans
les alliages Al-Li-X .
Le développement des alliages AlLi s'est poursuivi dans
les années 80, et a entraîné l'introduction des
alliages commerciaux AA8090, AA2090 et AA2091. Tous ces
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alliages contenaient du zirconium à la place du
manganèse.
Au début des années 90, une nouvelle gamme d'alliages
AlLi contenant de l'argent, connus sous le nom de
Weldalite , a été introduite. Ces
alliages
contenaient généralement moins de Li et présentaient
une meilleure stabilité thermique. Le brevet US
n 5 032 359 (Pickens, Martin Marietta) décrit des
alliages contenant entre 2,0 et 9,8 % en poids d'un
élément d'alliage composé de Cu, Mg, et de mélanges de
ceux-ci, entre 0,01 et 2,0 % en poids de Ag, entre 0,2
et 4,1 % en poids de Li et entre 0,05 et 1,0 pourcent
en poids d'un additif d'affinage de grain sélectionné
parmi Zr, Cr, Mn, Ti, B, Hf, V, TiB2 et des mélanges de
ceux-ci. Il doit être noté que la liste des additifs
d'affinage proposée par Pickens mélange en fait des
éléments utilisés pour l'affinage de grain en fonderie
(tel que le TiB2) et des éléments utilisés pour le
contrôle de la structure du grain pendant les
opérations de transformation, tels que le zirconium.
Bien que Pickens indique que bien qu'il faille se
concentrer ici sur l'utilisation du zirconium pour
l'affinage du grain, des affineurs de grain
conventionnels tels que du Cr, du Mn, du Ti, du B, du
Hf, du V, du TiB2 et des mélanges de ceux-ci peuvent
être utilisés , il apparaît clairement à partir de
l'histoire du développement des alliages AlLi qu'un
préjugé lié à l'utilisation de n'importe quel élément
autre que le Zr pour le contrôle de la structure
granulaire existe pour l'homme du métier. Ainsi, dans
tous les exemples décrits par Pickens, le Zr est
utilisé. On retrouve de même dans un alliage développé
plus récemment (AA2050, voir aussi W02004/106570),
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l'utilisation de zirconium pour l'affinage du grain,
l'addition de manganèse permettant d'améliorer la
ténacité.
On peut également citer l'alliage AA2297, qui contient
du lithium, du cuivre et du manganèse, optionnellement
du magnésium mais pas d'argent pour lequel le zirconium
est également utilisé pour l'affinage du grain. US
5,234,662 divulgue une composition préférée de 1,6 % en
poids de Li, 3 % en poids de Cu, 0,3% en poids de Mn et
0,12% en poids de Zr.
Les alliages AA2050 et Al-\2297 ont été principalement
proposés pour des tôles épaisses, d'une épaisseur
supérieure à 0,5 pouce (12,7 mm).
Une autre gamme d'alliages AlLi, contenant du Zn, a été
décrite par exemple dans le brevet US n 4,961,792 et le
brevet US n 5,066,342, et développée au début des
années 90. La métallurgie de ces alliages ne peut être
comparée avec la métallurgie des alliages
Weldalite , car l'incorporation d'une quantité
significative de zinc, et en particulier la combinaison
du zinc et du magnésium, modifie complètement les
propriétés de l'alliage, par exemple en termes de
résistance mécanique et de résistance à la corrosion.
Afin d'utiliser les alliages AlLi pour des applications
de fuselage, les alliages doivent offrir les mêmes
performances, voire de meilleures performances, en
termes de résistance mécanique, de tolérance aux
dommages, que les alliages ne contenant pas de Li
utilisés actuellement. En particulier, la résistance à
la propagation des fissures est une question importante
dans le cadre de ces applications, et cela explique
pourquoi les alliages reconnus pour leur tolérance
élevée aux dommages, tels que le AA2524 et le AA2056,
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sont traditionnellement utilisés. Parmi les autres
propriétés souhaitables, on peut souligner la
soudabilité et la résistance à la corrosion. En raison
de la tendance croissante de réduction des opérations
coûteuses de fixation mécanique dans l'industrie
aérospatiale, des alliages soudables tels que le
A76013, le AA6056 ou le AA6156 sont introduits pour les
panneaux de fuselage. La résistance élevée à la
corrosion est également souhaitable afin de remplacer
les produits plaqués par des produits nus, moins chers.
Parmi les problèmes liés aux alliages AlLi connus,
l'anisotropie de la limite d'élasticité qui, à son
tour, détermine l'anisotropie des autres propriétés
mécaniques, a été mentionnée plus haut. La faible
limite d'élasticité au niveau des directions de test
intermédiaires, comme par exemple à 45 par rapport à
la direction de laminage, est la manifestation la plus
évidente de l'anisotropie.
En ce qui concerne les propriétés de tolérance aux
dommages, l'essai de courbe R est un moyen largement
reconnu pour caractériser les propriétés de ténacité.
La courbe R représente l'évolution du facteur
d'intensité de contrainte effective critique pour la
propagation de fissure en fonction de l'extension de
fissure effective, sous une contrainte monotone
croissante. Elle permet la détermination de la charge
critique pour une rupture instable pour toute
configuration pertinente à des structures d'aéronef
fissurées. Les valeurs du facteur d'intensité de
contrainte et de l'extension de fissure sont des
valeurs effectives telles que définies dans la norme
ASTM E561. L'analyse classique, généralement utilisée,
des essais réalisés sur des 'panneaux à fissure
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centrale, donne un facteur d'intensité de contrainte
apparent à la rupture (Kapp) . Cette valeur ne varie pas
nécessairement de façon significative en fonction de la
longueur de la courbe R. Cependant, la longueur de la
courbe R - à savoir l'extension de fissure maximale de
la courbe - est un paramètre important en soi pour la
conception de fuselage, en particulier pour des
panneaux comportant des raidisseurs fixés.
Il existe un besoin concernant un alliage en Al-Cu-Li
de résistance mécanique élevée, ne présentant pas
d'anisotropie, de haute ténacité et en particulier
d'extension de fissure élevée avant une rupture
instable, de résistance à la corrosion élevée, de
faible densité (c'est-à-dire inférieure à environ 2,70
g/cm3), pour des applications aéronautiques et en
particulier pour des applications de tôle de fuselage.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un alliage à base
d'aluminium comprenant 2,1 à 2,8 % en poids de Cu, 1,1
à 1,7 % en poids de Li, 0,1 à 0,8 % en poids de Ag, 0,2
à 0,6 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, une
quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en
poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur
inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15%
en poids au total, l'alliage étant sensiblement exempt
de zirconium, ce qui signifie que la teneur en
zirconium est inférieure à 0,04% en poids.
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Un autre objet de l'invention est un procédé de
fabrication d'une tôle en alliage d'aluminium possédant
une résistance et une ténacité élevées, dans lequel :
(a) on coule une plaque comprenant 2,1 à 2,8 % en
poids de Cu, 1,1 à 1,7 % en poids de Li, 0,1 à
0,8 % en poids de Ag, 0,2 à 0,6 % en poids de Mg,
0,2 à 0,6 % en poids de Mn, une quantité de Fe et
de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun,
et des impuretés- inévitables à une teneur
inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et
0,15% en poids au total, l'alliage étant
sensiblement exempt de zirconium, ce qui signifie
que la teneur en zirconium est inférieure à 0,04%
en poids,
(b) on homogénéise ladite plaque à 480 à 520 C
pendant 5 à 60 heures,
(c) on lamine à chaud et optionnellement à froid
ladite plaque en une tôle, avec une température
initiale de laminage de 450 à 490 C,
(d) on met en solution ladite tôle à 480 à 520 C
pendant 15 minutes à 4 heures,
(e) on trempe ladite tôle,
(f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle
avec une déformation permanente de 1 à 5 %,
(g) on réalise un revenu de ladite tôle par
chauffage à 140 à 170 C pendant 5 à 80 heures.
Encore un autre objet de l'invention est un produit
laminé, filé ou forgé comprenant un alliage selon
l'invention.
Encore un autre objet de l'invention est un élément de
structure destiné à la construction aéronautique
comprenant un produit selon l'invention.
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Description des figures
Les figures 1 à 5 concernent certains aspects de
l'invention décrits ici. Celles-ci sont illustratives
et ne sont en aucun cas limitatives.
Figure 1 : Courbe R dans le sens T-L (éprouvette
CCT760)
Figure 2 Courbe R dans le sens L-T (éprouvette CCT760)
Figure 3 : Evolution de la vitesse de fissuration dans
le sens T-L lorsque l'amplitude du facteur d'intensité
de contrainte varie.
Figure 4 : Evolution de la vitesse de fissuration dans
le sens L-T lorsque l'amplitude du facteur d'intensité
de contrainte varie.
Figure 5 : Evolution relative de Rp0,2 en fonction de
l'orientation par rapport à la direction de laminage.
Description de l'invention
a) définitions
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. La désignation des alliages
se fait en conformité avec les règlements de The
Aluminium Association, connus de l'homme du métier. Les
définitions des états métallurgiques sont indiquées
dans la norme européenne EN 515.
Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques
statiques, en d'autres termes la résistance à la
rupture ultime Rm, la limite d'élasticité en traction
R0,2 et l'allongement à la rupture A, sont déterminées
par un essai de traction selon la norme EN 10002-1,
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l'emplacement auquel les pièces sont prises et leur
sens étant définis par la norme EN 485-1.
La vitesse de fissuration (en utilisant le test da/dN -
AK) est déterminée selon la norme ASTM E 647.
Une courbe donnant le facteur d'intensité de
contrainte effectif en fonction de l'extension de
fissure effective, connue comme la courbe R, est
déterminée selon la norme ASTM E 561. Le facteur
d'intensité de contrainte critique Kc, en d'autres
termes le facteur d'intensité qui rend la fissure
instable, est calculé à partir de la courbe R. Le
facteur d'intensité de contrainte Kcc, est également
calculé en attribuant la longueur de fissure initiale
au commencement de la charge monotone, à la charge
critique. Ces deux valeurs sont calculées pour une
éprouvette de la forme requise. Kapp représente le
facteur Kco correspondant à l'éprouvette qui a été
utilisée pour effectuer l'essai de courbe R. Keff
représente le facteur Kc correspondant à l'éprouvette
qui a été utilisée pour effectuer l'essai de courbe R.
Aaeff (max) représente l'extension de fissure du dernier
point de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561.
Le dernier point est obtenu soit au moment de la
rupture brutale de l'éprouvette, soit éventuellement au
moment où la contrainte sur le ligament non fissuré
excède en moyenne la limite d'élasticité du matériau.
Sauf mention contraire, la taille de fissure à la fin
du stade de pré-fissurage par fatigue est W/3 pour des
éprouvettes du type M(T), dans laquelle W est la
largeur de l'éprouvette telle que définie dans la norme
ASTM E561.
Il faut remarquer que la largeur de l'éprouvette
utilisée dans un essai de ténacité peut avoir une
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influence substantielle sur la courbe R mesurée dans
l'essai. Les tôles de fuselage étant de grands
panneaux, seuls les résultats de ténacité obtenus sur
échantillons suffisamment larges, tels que des
échantillons ayant une largeur supérieure ou égale à
400 mm, sont jugés significatifs pour l'évaluation de
la ténacité. Pour cette raison, seuls les échantillons
d'essai CCT760, qui avaient une largeur de 760 mm, ont
été utilisés pour l'évaluation de la ténacité. La
longueur de fissure initiale est 2ao = 253 mm.
On appelle ici élément de structure ou élément
structural d'une construction mécanique une pièce
mécanique dont la défaillance est susceptible de mettre
en danger la sécurité de ladite construction, de ses
utilisateurs, des 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.
Par tôle , on veut dire ici un produit laminé
n'excédant pas 12,7 mm ou 0,5 pouce d'épaisseur.
b) Description détaillée de l'invention
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L'alliage aluminium-cuivre-lithium-argent-magnésium-
manganèse selon un mode de réalisation de l'invention a
de manière avantageuse la composition suivante :
Tableau 1: Gammes de composition d'alliages selon
l'invention ( % en poids, le reste étant du Al)
Cu Li Ag Mg Mn
Large 2,1 à 2,8 1,1 à 1,7 0,1 à 0,8 0,2 à 0,6 0,2 à 0,6
Préférée 2,2 à 2,6 1,2 à 1,6 0,2 à 0,6 0,3 à 0,5 0,2 à 0,5
La plus 2,3 à 2,5 1,3 à 1,5 0,2 à 0,4 0,3 à 0,4 0,3 à 0,4
préférée
l'alliage étant sensiblement exempt de zirconium. Par
sensiblement exempt de zirconium , il faut
comprendre que la teneur en zirconium doit être
inférieure à 0,04 % en poids, de manière préférée
inférieure à 0,03 % en poids, et de manière encore plus
préférée inférieure à 0,01 % en poids.
D'une manière inattendue, les inventeurs ont découvert
que la faible teneur en zirconium permettait
d'améliorer la ténacité des alliages Al-Cu-Li-Ag-Mg-Mn;
en particulier, la longueur de la courbe R est
augmentée de manière significative. L'utilisation de
manganèse à la place du zirconium afin de contrôler la
structure granulaire présente plusieurs avantages
supplémentaires tels que l'obtention d'une structure
recristallisée et de propriétés isotropes pour une
épaisseur située entre 0,8 et 12,7 mm, ou entre 1/32 et
1/2 pouce.
Le fer et le silicium affectent généralement les
propriétés de ténacité. La quantité de fer doit être
limitée à 0,1 % en poids (de préférence à 0,05 % en
poids) et la quantité de silicium doit être limitée à
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0,1 % en poids (de préférence à 0,05 % en poids). Les
impuretés inévitables doivent être limitées à 0,05 % en
poids chacune et 0,15 % en poids au total. Si l'alliage
ne comporte pas d'autre élément d'addition, le reste
est constitué d'aluminium.
Les inventeurs ont découvert que si la teneur en cuivre
est supérieure à 2,8 % ou même 2,6% ou même encore 2,5%
en poids, les propriétés de ténacité peuvent dans
certains cas chuter rapidement, tandis que, si la
teneur en cuivre est inférieure à 2,1 % ou même 2,2% ou
même encore 2,3% en poids, la résistance mécanique est
trop faible.
En ce qui concerne la teneur en lithium, une teneur en
lithium supérieure à 1,7 % ou même 1,6% ou même encore
1,5% en poids entraîne des problèmes de stabilité
thermique. Une teneur en lithium inférieure à 1,1 % ou
même 1,2% ou même encore 1,3% en poids entraîne une
résistance mécanique inadéquate et un gain inférieur en
termes de densité.
I1 a été découvert par les inventeurs que, si la teneur
en argent est inférieure à 0,1 % ou même 0,2% en poids,
la résistance mécanique obtenue ne satisfait pas les
propriétés souhaitées. La teneur en argent doit
cependant être maintenue au-dessous de 0,8 % ou même
0,6% ou même encore 0,4% en poids car une quantité
d'argent élevée augmente la densité de l'alliage et
également son coût.
L'alliage selon l'invention peut être utilisé pour
fabriquer des produits extrudés, forgés ou laminés.
D'une manière avantageuse, l'alliage selon l'invention
est utilisé pour fabriquer des tôles.
Les produits selon l'invention présentent une ténacité
très élevée. Les inventeurs suspectent que l'absence de
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zirconium dans les produits selon l'invention est peut-
être reliée à la performance en ténacité. Zr et Mn, qui
peuvent tous deux être utilisés pour contrôler la
structure granulaire, possèdent un comportement très
différent. Pendant la solidification, Zr étant un
élément péritectique est généralement enrichi au niveau
du centre du grain et appauvri aux limites du grain,
tandis que Mn, qui est un élément eutectique possédant
un coefficient de partage proche de un, est distribué
de manière beaucoup plus homogène. Le comportement
différent de Zr et Mn pendant la solidification
pourrait être lié à l'effet différent observé en termes
de ténacité. L'obtention d'une
structure
recristallisée, favorisée ici par l'absence de
zirconium, peut par ailleurs peut-être avoir un effet
bénéfique intrinsèque sur la ténacité. D'une manière
avantageuse, le taux de recristallisation des produits
selon l'invention est supérieur à 80%.
Les inventeurs ont découvert que la température
d'homogénéisation devait être de préférence située
entre 480 et 520 C pendant 5 à 60 heures, et de manière
encore plus préférée entre 490 et 510 C pendant 8 à
20 heures. Au cours de l'invention, les inventeurs ont
observé que les températures d'homogénéisation
supérieures à 520 C tendaient à réduire la performance
de ténacité dans certains cas. Les inventeurs pensent
qu'il existe une relation entre l'effet technique des
conditions d'homogénéisation et le comportement lors de
la solidification décrit précédemment.
Pour la fabrication des tôles, la température initiale
de laminage à chaud est de préférence de 450 à 490 C.
Le laminage à chaud est de préférence réalisé pour
obtenir une épaisseur comprise entre environ 4 et
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12,7 mm. Pour une épaisseur d'approximativement 4 mm ou
moins, une étape de laminage à froid peut être
optionnellement ajoutée, si nécessaire. Dans le cas de
fabrication de tôles, la tôle obtenue a une épaisseur
comprise entre 0,8 et 12,7 mm, et l'invention est plus
avantageuse pour des tôles de 1,6 à 9 mm d'épaisseur,
et encore plus avantageuse pour des tôles de 2 à 7 mm
d'épaisseur. Le produit selon l'invention est ensuite
mis en solution, de préférence par traitement thermique
entre 480 et 520 C pendant 15 min à 4 h, puis trempé
avec de l'eau à température ambiante.
Le produit subit ensuite une traction contrôlée de 1 à
5 % et préférentiellement de 2 à 4 %. Si la traction
est supérieure à 5 %, les propriétés mécaniques peuvent
ne pas être suffisamment améliorées et on peut
rencontrer des difficultés industrielles telles qu'une
mise en uvre élevée, ce qui augmenterait le coût du
produit. Un revenu est réalisé à une température
comprise entre 140 et 170 C pendant 5 à 80 h et, plus
préférentiellement, entre 140 et 155 C pendant 20 à
80 h. Les températures de mise en solution les plus
basses dans cette fourchette favorisent généralement
une ténacité élevée. Dans un mode de réalisation de la
présente invention comportant une étape de soudage du
produit, l'étape de revenu est divisée en deux étapes :
une étape de pré-revenu antérieure à une opération de
soudage, et un traitement thermique final d'un élément
structural soudé.
Les caractéristiques des tôles obtenues avec la
présente invention comprennent au moins une des
caractéristiques suivantes :
- la limite d'élasticité en traction Rp0,2 dans le sens
L est de préférence d'au moins 390 MPa ou même 400 MPa,
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- la résistance à la rupture Rm dans le sens L est de
préférence d'au moins 410 MPa ou même 420 MPa,
- La liMite d'élasticité en traction Rpoa à 450 par
rapport au sens du laminage est au moins égale à la
limite d'élasticité en traction Rpoa dans le sens L-T.
- l'écart entre la limite d'élasticité en traction Rp0,2
à 45 par rapport au sens du laminage et la limite
d'élasticité en traction R0,2 dans le sens TL défini
par (Rp0,2(TL) - Rpoa (45 ))/ Rpoa(TL) est compris entre
+5% et -5% et de préférence entre +3% et -3%.
- Les propriétés de ténacité utilisant des éprouvettes
CCT760 (avec 2ao = 253 mm) sont telles que :
- Kapp dans la direction T-L est de préférence d'au
moins 100 MPafi-r7 et préférentiellement d'au moins
120 MPa-1-1-71 ;
- Kapp dans la direction L-T est d'au moins
150 MPa-Nriri. et préférentiellement d'au moins
160 MPaViT7 ;
- Keff dans la direction T-L est d'au moins
120 MPa-\/-117 et préférentiellement d'au moins
150 MPa,irri ;
- Keff dans la direction L-T est d'au moins
160 et préférentiellement d'au moins
220 MPa-\firi. ;
- Aaeff (max) r l'extension de fissure du dernier
point valide de la courbe R dans la direction T-L est
de préférence d'au moins 60 mm et préférentiellement
d'au moins 80 mm ;
- Aaeff(max), à partir de la courbe R dans la
direction L-T, est de préférence d'au moins 60 mm et
préférentiellement d'au moins 80 mm.
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Les termes résistance élevée , haute ténacité ,
extension de fissure élevée avant une fracture
instable , faible anisotropie tels qu'utilisés ici
se rapportent à des produits offrant les propriétés
susmentionnées.
D'une manière avantageuse, le taux de recristallisation
des tôles selon l'invention est supérieur à 80%.
La mise en forme des produits selon l'invention peut
avantageusement être effectuée par étirage-formage
( stretch-forming ), emboutissage profond, pressage,
fluotournage, laminage de profil ou pliage, ces
techniques étant connues de l'homme du métier. Dans
l'assemblage de pièces structurales, toutes les
techniques connues et possibles de rivetage, de collage
et de soudage appropriées pour des alliages en
. aluminium peuvent être utilisées, si souhaité. Les
produits selon l'invention peuvent être fixés à des
raidisseurs ou des cadres, par exemple par rivetage,
collage ou soudage. Les inventeurs ont découvert que si
le soudage est choisi, il peut être préférable
d'utiliser des techniques de soudage à basse
température, qui aident à assurer que la zone affectée
thermiquement soit aussi limitée que possible. A cet
égard, le soudage au laser et le soudage par friction-
malaxage donnent souvent des résultats particulièrement
satisfaisants.
Les produits selon l'invention, avant ou après mise en
forme, peuvent avantageusement être soumis à un revenu
pour conférer des propriétés mécaniques statiques
améliorées. Ce revenu peut également être conduit de
manière avantageuse sur un élément structural assemblé
si souhaité. Les produits selon l'invention sont
utilisés de manière préférée pour la fabrication
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P
WO 2007/080267 17 CT/FR2006/002733
d'éléments structuraux destinés à la construction
aéronautique. Un élément structural, formé d'une tôle
selon l'invention et de raidisseurs ou de cadres, ces
raidisseurs ou cadres étant de préférence constitués de
profils extrudés, peut être utilisé en particulier pour
la fabrication de fuselage aéronautique de même que
toute autre utilisation où les présentes propriétés
pourraient être avantageuses. Dans une réalisation
avantageuse de l'invention, on réalise un panneau de
fuselage comprenant au moins une tôle selon
l'invention.
Les inventeurs ont découvert que les produits de
l'invention offraient un compromis particulièrement
favorable entre les propriétés mécaniques statiques, la
haute ténacité et la densité. Pour des produits à
faible densité connus, les tôles à haute résistance à
la traction et à haute limite d'élasticité ont
généralement une faible ténacité. Pour les tôles de
l'invention, les propriétés de ténacité élevée, et en
particulier la courbe R très longue, favorisent
l'application industrielle aux pièces de fuselage
d'aéronefs. Dans certaines réalisations avantageuses de
l'invention, la densité des produits est inférieure à
environ 2,69 g/cm3 et préférentiellement inférieure à
environ 2,66 g/cm3.
Les produits de l'invention n'induisent généralement
aucun problème particulier pendant des opérations
ultérieures de traitement de surface classiquement
utilisées en construction aéronautique, en particulier
pour un polissage mécanique ou chimique, ou des
traitements destinés à améliorer l'adhérence des
revêtements de polymère.
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La résistance à la corrosion intergranulaire des
produits' de l'invention est généralement élevée ; à
titre d'exemple, on ne détecte en général que des
piqûres lorsque le métal est soumis à un essai de
corrosion. Dans un mode de réalisation préféré, une
tôle de l'invention peut être utilisée sans être
plaquée sur l'une ou l'autre face avec un alliage
d'aluminium peu chargé en éléments d'alliage.
Ces aspects, ainsi que d'autres, de la présente
invention sont expliqués plus en détail à l'aide de
l'exemple illustratif et non limitatif suivant.
EXEMPLE =
L'exemple de l'invention est référencé C. Les exemples
B et D sont présentés à titre de comparaison. L'exemple
A est un alliage AA2098 de référence. Les compositions
chimiques des différents alliages testés sont fournies
dans le tableau 2.
Tableau 2: Composition chimique ( % en poids)
Référence Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr Li Ag Ti
de coulée
A (2098)
0,03 0,04 3,6 0,01 0,32 0,01 0,01 0,14 1,0 0,33 0,02
0,03 0,04 2,2 0,29 0,3 -
<0,01 1,4 - 0,02
0,03 0,03 2,4 0,29 0,3 -
<0,01 1,4 0,34 0,02
D 0,03 0,03 1,5 0,28 0,3 -
<0,01 1,4 - 0,03
La masse volumique des différents alliages testés est
présentée dans le tableau 3. Les échantillons B à D
présentent la plus faible masse volumique des
différents matériaux testés.
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Tableau 3: Masse volumique des alliages testés
Référence Masse
volumique
(g/cm3)
A (2098) 2,70
2,64
2,64
D 2,62
Les procédés utilisés pour la fabrication des
différents échantillons sont présentés dans le tableau
4.
Tableau 4. Conditions des étapes consécutives de
transformation
Référence A Références B, C et D
Revenu T8 T8
Relaxation Oui Oui
des
contraintes
par
chauffage
Homogénéisat 8h à 500 C -I- 36h 12h à 500 C
ion à 526 C
Température 485 C 450 à 490 C
de début de
laminage à
chaud
Laminage à Epaisseur > 4 mm Epaisseur > 4 mm.
chaud Température de
sortie du laminage à
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chaud < 280 C
Laminage à Epaisseur < 4 mm Epaisseur < 4 mm,
froid recuit intermédiaire
optionnel
Mise en 2 h à 521 C lh à 500 C
solution
Trempe Eau à température Eau à température
ambiante ambiante
Traction 1 à 5 % de 1 à 5 % de
contrôlée déformation déformation
permanente permanente
Revenu 14h à 155 C 48h à 152 C
(4,5 mm) 18h à
160 C (6,7 mm)
La structure granulaire des échantillons a été
caractérisée à partir de l'observation microscopique
des sections transversales après oxydation anodique,
sous lumière polarisée ou après une attaque chromique.
On a déterminé un taux de recristallisation. Le taux de
recristallisation est défini comme la fraction de
surface occupée par des grains recristallisés. Pour les
échantillons B, C et D le taux de recristallisation
était de 100%. Pour les échantillons Ael et A#2, le
taux de recristallisation était inférieur à 20%.
Les échantillons ont été testés mécaniquement afin de
déterminer leurs propriétés mécaniques statiques ainsi
que leur résistance à la propagation des fissures. La
limite d'élasticité en traction, la résistance ultime
et l'allongement à la rupture sont fournis dans le
tableau 5.
0
1..)
ID
ID
--õ,
ID
=
ID
1..)
Tableau 5: Propriétés mécaniques des échantillons
--õ,
Echantillon Epaisseur Sens L Sens TL
450 _________
Rm RpO, 2 A Rra Rp0 , 2 A
Rm R 0 2
P,
A
(MM)
(MPa) (MPa) ( %) (MPa) (MPa) (
%) (MPa) (MPa) ( %)
0
Al 4,5 573 549 11,0 559 528
12,0
0
1.)
A#2 6,7 559 537 11,3 553 529
10,9 494 459 15,3 m
w
w
e.
B 5 409 373 14,2 396 344
13,2 398 348 14,0
_
C 5 439 414 14,0 434 386
11,9 433 387 13,1 1.)
0
0
0
1
D 5 295 228
15,8 0
T
H
N
.0
n
0=-1-
eD
c.,
ô
ID
1..)
--õ,
w
w
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Les propriétés mécaniques statiques des échantillons
selon l'invention sont comparables à celles d'un
alliage classique de la gamme 2XXX tolérant aux
dommages, et sont inférieures à celles des alliages à
résistance élevée tels que le 7475 ou le 2098 (A). La
résistance de l'alliage de comparaison B est inférieure
à celle de l'alliage selon l'invention (C), ce qui est
peut-être lié à l'absence d'argent dans l'alliage de
comparaison B. Les inventeurs considèrent que la teneur
en cuivre et la teneur en zirconium inférieures de
l'échantillon selon l'invention expliquent la
résistance plus faible comparativement à l'alliage 2098
(échantillon A).
L'anisotropie de l'échantillon C selon l'invention est
très faible comme l'illustre la figure 5 qui représente
l'évolution normalisée de la limite élastique en
fonction de l'orientation. Ainsi la limite d'élasticité
en traction à 45' est légèrement supérieure à la limite
d'élasticité en traction dans le sens TL, l'écart entre
ces valeurs, défini par (Rp0,2(TL) - Rpo,2 (45 ))/
Rp0,2(TL) est ainsi de -0,3%. En comparaison, cet écart
est de 13,2 % pour l'échantillon de référence A#2
(AA2098).
De plus, l'échantillon C selon l'invention présente des
propriétés de ténacité élevées.
Les courbes R des échantillons A#1, B et C sont
fournies sur les figures 1 et 2, pour les directions T-
L et L-T, respectivement. La figure 1 montre clairement
que l'extension de fissure du dernier point valide de
la courbe R (Aaeff(ina,)) est beaucoup plus grande pour
l'échantillon C de l'invention que pour l'échantillon
de référence An. Ce paramètre est au moins aussi
critique que les valeurs Kapp du fait que, comme
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expliqué dans la description de l'art antérieur, la
longueur de la courbe R est un paramètre important pour
la conception du fuselage. La figure 2 montre la même
tendance, mais la différence est plus faible car la
direction L-T donne intrinsèquement de meilleurs
résultats. Le tableau 6 résume les résultats des essais
de ténacité.
Tableau 6: Résultats des essais de ténacité
T-L (éprouvette de L-
T (éprouvette de
largeur 760 mm)
largeur 760 mm)
Echantillon Epaisseur Kapp Keff Kapp
Keff
= [mm] (MPa-Vms) (MPa:Vm)
(MPa:Vm) (MPa-Vm)
A#1 4,5 154 174 148 188
Ae2 6,7 103 112 123 143
5,0 143 209 161 232
5,0 143 200 172 247
.10
Les résultats issus de la courbe R sont regroupés dans
le tableau 7. L'extension de fissure du dernier point
valide de la courbe R est supérieure pour l'échantillon
C de l'invention que pour l'échantillon A#1 de
référence. Les inventeurs considèrent que plusieurs
raisons peuvent être proposées pour expliquer cette
performance. D'une manière inattendue, l'absence de Zr
peut contribuer, directement ou indirectement, de façon
majeure aux performances en termes de ténacité.
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WO 2007/080267 24 PCT/FR2006/002733
Tableau 7. Données de résumé de la courbe R
Aaeff [mm] 10 20 30 40 50 60 70 80
Kr Ain 125 161
(Direction B 102 128 147 162 176 188 199 210
T-L)
(MPa=NriT7) 101 130 150 166
179 190 200 209
K, Ml 115 141 159 174 185
(Direction B 106 139 162 181 197 211 224 236
L-T)
[MParrr7] 123 154 177 196
212 227 241 254
Les figures 3 et 4 montrent l'évolution de la vitesse
de fissuration dans l'orientation T-L et L-T,
respectivement, lorsque l'amplitude du facteur
d'intensité de contrainte varie. La largeur de
l'échantillon était de 400 mm (éprouvette CCT 400) et
R = 0,1. On n'observe pas de différence majeure entre
les échantillons A, B et C. La vitesse de fissuration
de l'échantillon C est du même ordre de grandeur que
dans celle typiquement obtenue pour les alliages AA6156
et AA2056.
La résistance à la corrosion intergranulaire des
échantillons Ain, B et C a été testée selon la norme
ASTM G110. Pour tous les échantillons, on n'a détecté
aucune corrosion intergranulaire. La résistance à la
corrosion intergranulaire était ainsi élevée pour
l'échantillon selon l'invention.
D'autres avantages, caractéristiques et modifications
apparaîtront facilement à l'homme du métier. Par
conséquent, l'invention dans ses plus larges aspects
n'est pas limitée aux détails spécifiques, ni aux
dispositifs représentatifs, montrés et décrits ici. Par
conséquent, diverses modifications peuvent être
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,
effectuées. Les revendications ne doivent pas être
limitées dans leur portée pour les réalisations
préférentielles illustrées dans les exemples, mais
doivent recevoir l'interprétation la plus large, qui
est conforme à la description dans son ensemble.
