Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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TOLES EPAISSES EN ALLIAGE AL¨CU¨LI A PROPRIETES EN FATIGUE
AMELIOREES
Domaine de l'invention
La présente invention concerne en général les tôles épaisses en alliage Al-Cu-
Li et en
particulier de tels produits utilisés dans l'industrie aéronautique et
aérospatiale.
Etat de la technique
Des produits, notamment des produits laminés épais, dont l'épaisseur est
typiquement
au moins 50 mm, en alliage d'aluminium sont développés pour produire par
découpage,
surfaçage ou usinage dans la masse des pièces de haute résistance destinées
notamment à
l'industrie aéronautique, à l'industrie aérospatiale ou à la construction
mécanique.
1 0 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. Pour que ces alliages soient
sélectionnés dans les
avions, leur performance par rapport aux autres propriétés d'usage doit
atteindre celle des
alliages couramment utilisés, en particulier en terme de compromis entre les
propriétés de
résistance mécanique statique (limite d'élasticité, résistance à la rupture)
et les propriétés de
tolérance aux dommages (ténacité, résistance à l'initiation et à la
propagation des fissures en
fatigue), ces propriétés étant en général antinomiques. Pour les produits
épais, ces propriétés
doivent en particulier être obtenues à quart et à mi-épaisseur. Ces produits
doivent également
présenter une résistance à la corrosion suffisante, pouvoir être mis en forme
selon les procédés
2 0 habituels et présenter de faibles contraintes résiduelles de façon à
pouvoir être usinés de façon
intégrale.
Le brevet US 5,032,359 décrit une vaste famille d'alliages aluminium-cuivre-
lithium dans
lesquels l'addition de magnésium et d'argent, en particulier entre 0,3 et 0,5
pourcent en poids,
permet d'augmenter la résistance mécanique.
Le brevet US 7,229,509 décrit un alliage comprenant (% en poids) : (2,5-
5,5)Cu, (0,1-2,5) Li,
(0,2-1,0) Mg, (0,2-0,8) Ag, (0,2-0,8) Mn, 0,4 max Zr ou d'autres agents
affinant le grain tels
que Cr, Ti, Hf, Sc, V, présentant notamment une ténacité Kic(L)>37,4 MPinim
pour une limite
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d'élasticité Rpo,2(L) > 448,2 MPa (produits d'épaisseur supérieure à 76,2 mm)
et notamment
une ténacité Kic(L)>38,5 MPa:\lm pour une limite d'élasticité R0,2(L) > 489,5
MPa (produits
d'épaisseur inférieure à 76,2 mm).
L'alliage AA2050 comprend (% en poids) : (3,2-3,9) Cu, (0,7-1,3) Li, (0,20-
0,6) Mg, (0,20-0,7)
Ag, 0,25max. Zn, (0,20-0,50) Mn, (0,06-0,14) Zr et l'alliage AA2095 (3,7-
4,3)Cu, (0,7-1,5) Li,
(0,25-0,8) Mg, (0,25-0,6) Ag, 0,25max. Zn, 0,25 max. Mn, (0,04-0,18) Zr. Les
produits en
alliage AA2050 sont connus pour leur qualité en termes de résistance mécanique
statique et de
ténacité, notamment pour des produits laminés épais et sont sélectionnés dans
certains avions.
Pour certaines applications il peut être avantageux d'améliorer encore les
propriétés de ces
produits notamment en ce qui concerne la propagation des fissures en fatigue.
En effet, pour un avion l'intervalle entre deux opérations de contrôle de la
structure dépend de
la vitesse et de la façon dont les fissures se propagent dans les matériaux
utilisés pour la
structure et il est avantageux d'utiliser des produits pour lesquels les
fissures se propagent
lentement et de manière prévisible. L'amélioration des propriétés de
propagation des fissures
en fatigue concerne donc notamment la vitesse de propagation et la direction
de propagation.
La demande de brevet W02009103899 décrit ainsi un produit laminé
essentiellement non
recristallisé comprenant en % en poids: 2,2 à 3,9% en poids de Cu, 0,7 à 2,1%
en poids de Li;
0,2 à 0,8% en poids de Mg; 0,2 à 0,5% en poids de Mn; 0,04 à 0,18% en poids de
Zr; moins de
0,05% en poids de Zn et, facultativement, 0,1 à 0,5% en poids de Ag, le reste
étant de
l'aluminium et des impuretés inévitables, ayant une faible propension à la
bifurcation fissure
lors d'un test de fatigue dans la direction de LS.
La bifurcation des fissures, la déviation de fissure, la rotation des fissures
ou le branchement
des fissures sont des termes utilisés pour exprimer la propension pour la
propagation d'une
fissure de dévier du plan attendu de fracture perpendiculaire à la charge
appliquée pendant un
test de fatigue ou de ténacité. La bifurcation de fissure se produit à
l'échelle microscopique
(<100 um), à l'échelle mésoscopique (100-1000 um) ou à l'échelle macroscopique
(> 1 mm),
mais elle n'est considérée comme néfaste que si la direction de la fissure
reste stable après
bifurcation (échelle macroscopique). Le terme bifurcation de fissure est
utilisé ici pour la
bifurcation macroscopique de fissures lors de tests en fatigue ou en ténacité
dans la direction
L-S, de la direction S vers la direction L qui se produit pour des produits
laminés dont
l'épaisseur est d'au moins 50 mm.
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Il existe un besoin pour un produit laminé en alliage aluminium lithium pour
des applications
aéronautiques, en particulier pour des pièces intégralement usinées, ayant des
propriétés de
propagation de fissures en fatigue améliorées et ayant une faible propension à
la bifurcation de
fissure.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un produit laminé d'épaisseur au moins 50
mm en alliage
d'aluminium comprenant en % en poids 2,2 à 3,9% de Cu, 0,7 à 1,8% de Li, 0,1 à
0,8% de
Mg, 0,1 à 0,6 % de Mn; 0,01 à 0,15 % de Ti, au moins un élément choisi parmi
Zn et Ag, la
quantité dudit élément s'il est choisi étant 0,2 à 0,8 % pour Zn et 0,1 à 0,5
% pour Ag,
optionnellement au moins un élément choisi parmi Zr, Cr, Sc, Hf, et V, la
quantité dudit élément
s'il est choisi étant 0,04 à 0,18 % pour Zr, 0,05 à 0,3 % pour Cr et pour Sc,
0,05 à 0,5 % pour
Hf et pour V, moins de 0,1 % de Fe, moins de 0,1 % de Si reste aluminium et
impuretés
inévitables, d'une teneur inférieure à 0,05 % chacune et 0,15% au total ;
caractérisé en ce que
sa structure granulaire est majoritairement recristallisée entre le 1/4 et la
I/2 épaisseur.
Un second objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une tôle selon
l'invention,
comprenant :
a) la coulée d'une plaque, en alliage d'aluminium comprenant en % en poids
2,2 à 3,9 %
de Cu, 0,7 à 1,8% de Li, 0,1 à 0,8 % de Mg, 0,1 à 0,6% de Mn; 0,01 à 0,15 % de
Ti, au moins un élément choisi parmi Zn et Ag, la quantité dudit élément s'il
est
choisi étant 0,2 à 0,8 % pour Zn et 0,1 à 0,5 % pour Ag, optionnellement au
moins
un élément choisi parmi Zr, Cr, Sc, Hf, et V, la quantité dudit élément s'il
est choisi
étant 0,04 à 0,18 % pour Zr, 0,05 à 0,3 % pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 %
pour Hf
et pour V, moins de 0,1 % de Fe, moins de 0,1 % de Si reste aluminium et
impuretés
inévitables, d'une teneur inférieure à 0,05 % en poids chacune et 0,15% au
total;
b) l'homogénéisation de ladite plaque à une température d'au moins 490 C,
c) le
laminage à chaud de ladite plaque pour obtenir une tôle d'au moins 50 mm
d'épaisseur,
d) la mise en solution entre 490 C et 540 C,
e) la trempe à l'eau froide,
la traction contrôlée de la dite tôle avec une déformation permanente de 1 à 7
%,
4
g) le revenu de ladite tôle par chauffage entre 130 C et 160 C
pendant 5 à 60 heures,
caractérisé en ce que la somme de la teneur des éléments Zr, Cr, Sc, Hf, et V
est inférieure à
0,08 % en poids et/ou en ce que lors de l'étape b) la température
d'homogénisation est d'au
moins 520 C pour une durée d'au moins 20 heures et lors de l'étape c) la
température de sortie
.. du laminage à chaud est inférieure à 390 C.
Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'une tôle selon
l'invention pour la
réalisation d'un longeron d'aile d'avion ou d'une nervure d'aile d'avion.
Description des figures
Figure 1: Schéma de l'éprouvette CT utilisée pour les essais de propagation de
fissure en
fatigue. Les dimensions sont indiquées en mm.
Figure 2. Vitesses de propagation de fissure obtenues sur éprouvettes CCT pour
la tôle de
référence E et la tôle C selon l'invention.
Figure 3a ¨ Tôle A, selon l'invention, après test de fatigue sur éprouvette CT
pour 6 éprouvettes.
Figure 3b ¨ Tôle D de référence, après test de fatigue sur éprouvette CT pour
6 éprouvettes.
Figure 4¨ Vitesses de propagations de fissures obtenues avec l'éprouvette CT.
Figure 5: Différents modes de propagation de fissure sur l'éprouvette CT selon
la Figure 1,
ayant une face arrière (1), une face inférieure (22) et une face supérieure
(21). Les directions S
et L sont indiquées. Figure 5a: faible propension à la bifurcation de fissure
et rupture par la
face arrière (1), 5b : forte propension à la bifurcation de fissure et rupture
par la face inférieure
(22), 5c: faible propension à la bifurcation de fissure, rupture par la face
supérieure (21) mais
distance d sur laquelle la fissure n'est ni dans la direction S initiale, ni
dans la direction L d'au
.. moins 5 mm. La figure 6 présente de tels échantillons d'épaisseur C 14 mm
et de largueur B 50
mm.
Description détaillée de l'invention
Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition
chimique des alliages
sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de
l'alliage. L'expression
1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée
par 1,4. La
désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The
Aluminium
Association, connus de l'homme du métier. Les définitions des états
métallurgiques sont
indiquées dans la norme européenne EN 515.
Date reçue/Date received 2023-02-17
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Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d'autres
termes la
résistance à la rupture Rua, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2%
d'allongement R0,2 et
l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon
la norme EN
10002-1, le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme EN
485-1. Sauf mention
5 contraire, les définitions de la norme EN 12258-1 s'appliquent.
La vitesse de fissuration (da/dN) est déterminée selon la nonne ASTM E 647.
Le facteur d'intensité de contrainte (Kic) est déterminé selon la norme ASTM E
399.
Pour les produits épais en alliage d'aluminium, l'homme du métier recherche
une structure
1 0 granulaire non recristallisée car celle-ci est notamment connue pour
être favorable à la ténacité
et à la résistance à la propagation de fissure en fatigue (voir par exemple,
l'article de référence
Application of Modem Aluminum Alloys to Aircraft , Prog. Aerospace Sci. Vol
32 pp 131-
172, 1996, E.A Starke and J.T Staley, p156, et R.J.H. Wanhill and G.H. Bray,
Fatigue Crack
Growth Behavior of Aluminum-Lithium Alloys , in Aluminium-Lithium alloys
Processing,
Properfies and Applications, Chapitre 12 pages 381-413, Elsevier 2014, p386).
Les présents inventeurs ont constaté de manière surprenante, que des produits
laminés
d'épaisseur au moins 50 mm en alliage Aluminium ¨ Cuivre ¨ Lithium ¨ Magnésium
¨
Manganèse présentent des propriétés avantageuses lorsque la structure
granulaire est
majoritairement recristallisée entre le 1/4 et la 1/2 épaisseur. Ainsi, de
manière surprenante, pour
2 0 les produits épais selon l'invention, la résistance à la propagation de
fissure en fatigue est
améliorée alors que le compromis entre résistance mécanique et ténacité n'est
pas dégradé de
manière significative. Par structure granulaire majoritairement recristallisée
entre le 1/4 et la I/2
épaisseur, on entend une structure granulaire dont le taux de
recristallisation est au moins 50 %
entre le 1/4 et la 1/2 épaisseur c'est-à-dire dont au moins 50 % des grains
entre le 1/4 et la 1/2
épaisseur sont recristallisés. De préférence le taux de recristallisation
entre 1/4 et la 1/2 épaisseur
est au moins 55%. Avantageusement l'épaisseur des produits selon l'invention
est comprise
entre 80 et 130 mm.
Les produits selon l'invention ont une teneur en cuivre comprise entre 2,2 et
3,9 % en poids.
De préférence la teneur en cuivre est au moins 2,8 % en poids et
préférentiellement au moins
.. 3,2 % en poids. Avantageusement la teneur maximale en cuivre est 3,8 % en
poids.
Les produits selon l'invention ont une teneur en lithium comprise entre 0,7 et
1,8 % en poids.
De préférence la teneur en lithium est au moins 0,8 % en poids et
préférentiellement au moins
0,9 % en poids. Avantageusement la teneur maximale en lithium est 1,5 % en
poids,
préférentiellement 1,1 % et de manière préférée 0,95 % en poids.
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Les produits selon l'invention ont une teneur en magnésium comprise entre 0,1
et 0,8 % en
poids. De préférence la teneur en magnésium est au moins 0,2 % en poids et
préférentiellement
au moins 0,3 % en poids. Avantageusement la teneur maximale en magnésium est
0,7 % en
poids et de manière préférée 0,6 % en poids.
Les produits selon l'invention ont une teneur en manganèse comprise entre 0,1
et 0,6 % en
poids. De préférence la teneur en manganèse est au moins 0,2 % en poids et
préférentiellement
au moins 0,3 % en poids. Avantageusement la teneur maximale en manganèse est
0,5 % en
poids et de manière préférée 0,4 % en poids.
Les produits selon l'invention contiennent au moins un élément choisi parmi Zn
et Ag, la
quantité dudit élément s'il est choisi étant 0,2 à 0,8 % pour Zn et 0,1 à 0,5
% pour Ag, ces
éléments étant notamment utiles au durcissement de l'alliage. De manière
préférée, on ajoute
un seul de ces éléments, le second étant maintenu à une teneur inférieure à
0,05 % en poids.
Optionnellement les produits selon l'invention contiennent au moins un élément
choisi parmi
.. Zr, Cr, Sc, Hf, et V, la quantité dudit élément s'il est choisi étant 0,04
à 0,18 % et de préférence
0,04 à 0,15 % pour Zr, 0,05 à 0,3 % pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % pour Hf
et pour V. Ces
éléments contribuent au contrôle de la structure de granulaire.
Il existe principalement deux modes de réalisation de l'invention.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la structure granulaire
majoritairement
2 0 recristallisée selon l'invention est obtenue grâce à une sélection des
paramètres de
transformation, notamment les conditions d'homogénéisation et de laminage à
chaud. Dans ce
premier mode de réalisation, la somme de la teneur des éléments Zr, Cr, Sc,
Hf, et V est de
préférence au moins 0,08 % en poids. De manière préférée, la teneur en Zr dans
ce premier
mode de réalisation est de 0,08 à 0,10 % en poids.
Dans un second mode de réalisation, la structure granulaire majoritairement
recristallisée selon
l'invention est obtenue en limitant la teneur en éléments agissant sur le
contrôle de la structure
granulaire. Dans ce second mode de réalisation, la somme de la teneur des
éléments Zr, Cr, Sc,
Hf, et V est inférieure à 0,08 % en poids. Dans une réalisation particulière
de ce second mode,
la teneur en Zr est de 0,04 à 0,07 % en poids et de préférence 0,05 à 0,07 %
en poids. Dans une
autre réalisation particulière de ce second mode, il n'y a pas d'ajout de Zr,
la teneur en Zr est
inférieure à 0,05 % en poids, préférentiellement inférieure à 0,04% en poids
et plus
préférentiellement encore inférieure à 0,02 % en poids.
On peut également dans certains cas combiner ces deux modes de réalisation.
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Les produits selon l'invention contiennent de 0,01 à 0,15 % en poids de
titane, cet élément étant
notamment utile pour le contrôle de la structure granulaire lors de la coulée.
Préférentiellement,
la teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,05 % en poids. La teneur des
impuretés fer et
silicium doit être limitée pour éviter une dégradation des propriétés de
fatigue et de ténacité.
Selon l'invention les produits selon l'invention contiennent moins de 0,1 % de
Fe et moins de
0,1 % de Si. Préférentiellement la teneur en fer est inférieure à 0,08 % en
poids et de préférence
inférieure à 0,06% en poids. Préférentiellement la teneur en silicium est
inférieure à 0,07 % en
poids et de préférence inférieure à 0,05% en poids. Les autres éléments
présents sont des
impuretés inévitables dont la teneur est inférieure à 0,05 % en poids chacune
et 0,15 % en poids
au total. Un élément non choisi parmi Cr, Sc, Hf, V, Ag et Zn a ainsi une
teneur inférieure à
0,05 % en poids et de préférence inférieure à 0,03 % en poids. Si le Zr n'est
pas choisi, sa teneur
est inférieure à 0,04 % en poids et de préférence inférieure à 0,02 % en
poids.
Les produits selon l'invention présentent des propriétés satisfaisantes en
termes de compromis
entre résistance mécanique et ténacité et des propriétés très avantageuses en
termes de vitesse
de propagation de fissure en fatigue et en termes de sensibilité à la
déviation de fissure.
Ainsi, avantageusement les produits selon l'invention présentent,
pour une épaisseur comprise entre 50 et 75 mm, à quart-épaisseur, une limite
d'élasticité Rpo,2(TL) > 435 MPa et de préférence Rp0,2(TL) > 455 MPa et une
ténacité Kic (T-L) > 28 MPar\im et avantageusement telle que Kic (T-L) > 30
MPa-\lm,
(ii) pour une épaisseur comprise entre 76 et 102 mm, à quart-épaisseur,
une limite
d'élasticité Rp0,2(TL) > 435 MPa et de préférence Rp0,2(TL) > 455 MPa et une
ténacité Kic (T-L) > 25 MPaNim et avantageusement telle que Kic (T-L) > 27
MPa:\lm.
(iii) pour
une épaisseur comprise entre 103 et 130 mm, à quart-épaisseur, une limite
d'élasticité Rp0,2(TL) > 428 MPa et de préférence Rp0,2(TL) > 448 MPa et une
ténacité Kic (T-L) > 23 MPa-Vm et avantageusement telle que Kic (T-L) > 25
MPa-Vm.
(iv)
pour une épaisseur supérieure à 130 mm, à quart-épaisseur, une limite
d'élasticité
Rp0,2(TL) > 428 MPa et de préférence Rp0,2(TL) > 448 MPa et une ténacité Kic
(T-
L) > 21 MPa-\im et avantageusement telle que Kic (T-L) > 23 MPaNim,
et ils présentent une vitesse de propagation de fissure mesurée selon la norme
ASTM E647
sur éprouvettes CCT, à fissure centrale, de largeur 100 mm et d'épaisseur 6.35
mm prélevée
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à mi-épaisseur dans l'orientation L-S inférieure à 10-4 mm/cycle pour un AK =
20 MPa-\im
et préférentiellement inférieure à 9.10-5 mm/cycle pour un AK = 20 MPa-\lm.
Les produits selon l'invention présentent également des propriétés
avantageuses en termes de
propension à la bifurcation de fissure. La bifurcation macroscopique de
fissures lors de tests en
fatigue dans la direction L-S, de la direction S vers la direction L a été
évaluée de deux façons.
Dans une première méthode, au moins 6 éprouvettes L-S CT, d'épaisseur 10 mm et
de largeur
totale 50 mm (40 mm entre l'axe des trous et la face arrière de l'éprouvette)
réalisées selon la
Figure 1 sont testées en fatigue à la charge maximale d'au moins 3000 N, et un
rapport de
charge de R = 0.1, permettant de couvrir au cours de l'essai le domaine de AK
allant de 10 à 40
MPar\lm, où AK est la variation du facteur d'intensité de contrainte dans un
cycle de charge. On
observe sur les éprouvettes la face dans laquelle a lieu la rupture. Ceci est
illustré par la Figure
5. Lorsque la rupture a lieu par la face arrière (1), comme pour la figure 5A,
la bifurcation de
fissure a été faible. Lorsque la rupture a lieu par la face supérieure (21) ou
inférieure (22),
comme pour la figure 5B ou SC, la bifurcation de fissure a été plus
significative. Pour les
produits selon l'invention la propension à la bifurcation de fissure est
faible et la rupture lors
d'un test de fatigue dans la direction L - S à une charge maximale d'au moins
3000 N, R = 0,1,
sur un lot d'au moins 6 éprouvettes CT d'épaisseur 10 mm et de largeur totale
50 mm se fait
majoritairement par la face arrière.
Dans une seconde méthode, on évalue la propension à la bifurcation de fissure
en mesurant la
distance d sur laquelle la fissure n'est ni dans la direction S initiale, ni
dans la direction L, pour
une éprouvette L-S CT, d'épaisseur 10 mm et de largeur totale 50 mm réalisée
selon la Figure
1 et sont testées en fatigue à la charge maximale d'au moins 3000 N, et un
rapport de charge de
R = 0.1. La figure 5c montre un exemple d'évaluation de cette distance :
lorsque la fissure dévie,
elle ne rejoint pas tout de suite la direction L et on peut ainsi mesurer la
distance d. On considère
que la fissure est dans la direction S ou de la direction L quand elle ne
dévie pas de cette
direction de plus de 10 . Pour les produits selon l'invention la propension à
la bifurcation de
fissure est faible et lors d'un test de fatigue dans la direction L - S à une
charge maximale d'au
moins 3000 N, R = 0,1, sur une éprouvette CT d'épaisseur 10 mm et de largeur
totale 50 mm
la distance d sur laquelle la fissure n'est ni dans la direction S initiale,
ni dans la direction L est
au moins 5 mm et de préférence au moins 10 mm.
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Le procédé de fabrication d'une tôle de structure granulaire majoritairement
recristallisée
d'épaisseur au moins 50 mm selon l'invention comprend les étapes de coulée,
homogénéisation,
laminage à chaud, mise en solution, trempe, traction contrôlée et revenu.
Un alliage contenant des quantités contrôlées selon l'invention d'éléments
d'alliage est coulé
sous forme de plaque.
La plaque est homogénéisée à une température d'au moins 490 C. De préférence
la durée
d'homogénéisation est au moins 12 heures. L'homogénéisation peut être réalisée
en un ou
plusieurs paliers. Selon le premier mode de réalisation de l'invention,
l'homogénéisation
comprend au moins une étape dont la température est d'au moins 520 C et de
préférence au
moins 530 C, la durée pendant laquelle la température est supérieure à 520 C
étant au moins
heures et de préférence au moins 30 heures.
Une étape de laminage à chaud est réalisée après réchauffage si nécessaire
pour obtenir des
tôles dont l'épaisseur est d'au moins 50 mm. Selon le premier mode de
réalisation de l'invention
la température de sortie de laminage à chaud est inférieure à 390 C,
préférentiellement
15 inférieure à 380 C. La combinaison notamment des conditions de l'étape
d'homogénéisation
et de l'étape de laminage à chaud du premier mode de réalisation permet
d'obtenir une structure
finale après revenu majoritairement recristallisée notamment pour des produits
dont la somme
de la teneur des éléments Zr, Cr, Sc, Hf, et V est au moins 0,08 % en poids.
De manière
surprenante, les inventeurs ont constaté que les conditions selon ce premier
mode de réalisation
20 permettent de diminuer la propension à la bifurcation de fissure.
Selon le second mode de réalisation, la somme de la teneur des éléments Zr,
Cr, Sc, Hf, et V
est inférieure à 0,08 % en poids et la température de sortie de laminage à
chaud est de préférence
d'au moins 400 C et de préférence d'au moins 420 C.
Les tôles sont mises en solution par chauffage entre 490 et 540 C
préférentiellement pendant
15 minutes à 4 heures, les paramètres de mise en solution dépendant de
l'épaisseur du produit.
Une trempe à l'eau froide est réalisée après mise en solution.
Le produit subit ensuite une traction contrôlée avec une déformation
permanente comprise entre
1% et 7% et de préférence entre 2% et 6%. Le revenu est réalisé à une
température comprise
entre 130 C et 170 C et de préférence à une température comprise entre 140
C et 160 C
pendant une durée de 5 à 60 heures, ce qui résulte en un état T8. Dans
certains cas, et en
particulier pour certaines compositions préférées, le revenu est réalisé de
manière préférée entre
140 et 160 C pendant 12 à 50 heures.
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Les produits selon l'invention sont avantageusement utilisés dans la
construction aéronautique.
L'utilisation des produits selon l'invention pour la réalisation d'un longeron
d'aile d'avion ou
d'une nervure d'aile d'avion est particulièrement avantageuse. L'utilisation
des produits selon
l'invention pour la réalisation d'un longeron d'aile d'avion est préférée,
avantageusement pour
5 la partie inférieure, c'est-à-dire en liaison avec Pintrados de l'aile,
d'un longeron soudé.
Exemples
1 0 Exemple 1
Cinq plaques en alliage Al-Cu-Li référencées A, B, C, D et E, ont été coulées.
Leur composition
est donnée dans le Tableau 1.
Tableau 1. Composition (% en poids) des différentes plaques.
Si Fe Cu Mn Mg Ti Zr Li Ag Zn
A 0.03 0.04 3.57
0.38 0.33 0.03 0.08 0.87 0.35 0.05
0.03 0.04 3.59 0.38 0.33 0.03 0.08 0.92 0.36 0.03
0.03 0.04 3.68 0.38 0.34 0.03 0.08 0.92 0.38 0.04
D 0.02 0.01 3.50
0.55 0.33 0.03 0.08 0.88 0.36 0.04
0.03 0.05 3.53 0.38 0.40 0.03 0.09 0.89 0.38 <0.05
La plaque A a été homogénéisée en deux paliers de 36 heures à 504 C puis 48
heures à 530 C.
Les plaques B et C ont été homogénéisée en deux paliers de 8 heures à 496 C
puis 34 heures
à 530 C. La plaque D a été homogénéisée 12 heures à 505 C. La plaque E a été
homogénéisée
en deux paliers 8h à 500 C puis 36 heures à 527 C.
La plaque A a été laminée à chaud jusqu'à une tôle d'épaisseur 100 mm, la
température d'entrée
de laminage à chaud était 410 C et la température de sortie de laminage à
chaud était 361 C.
La plaque B a été laminée à chaud jusqu'à une tôle d'épaisseur 102 mm , la
température d'entrée
de laminage à chaud était 406 C et la température de sortie de laminage à
chaud était 350 C.
La plaque C a été laminée à chaud jusqu'à une tôle d'épaisseur 102 mm , la
température d'entrée
de laminage à chaud était 410 C et la température de sortie de laminage à
chaud était 360 C.
La plaque D a été laminée à chaud jusqu'à une tôle d'épaisseur 100 mm, la
température
d'entrée de laminage à chaud était 505 C et la température de sortie de
laminage à chaud
était 520 C.
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WO 2017/134405
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11
La plaque E a été laminée à chaud jusqu'à une tôle d'épaisseur 100 mm, la
température d'entrée
de laminage à chaud était 481 C et la température de sortie de laminage à
chaud était 460 C.
Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution pendant 2 heures à 525 C
et trempées avec
de l'eau froide.
Les tôles ainsi mises en solution et trempées ont été tractionnées de façon
contrôlée, avec un
allongement permanent de 4% et ont subi un revenu de 18 heures à 155 C (A, B,
C et E) ou 24
h à 155 C (D).
1 0 Le taux de recristallisation des tôles ainsi obtenues a été mesuré sur
des coupes micrographiques
de surface 0,5 x 1 mm2 dans le plan L-TC à diverses positions dans
l'épaisseur. Les résultats
obtenus sont présentés dans le Tableau 2.
Tableau 2 : Mesures du taux de recristallisation (%)
A B C D
1/4 Epaisseur 67 75 72 13 <15
Epaisseur 60 58 60 5 <15
Des échantillons ont été testés mécaniquement pour déterminer leurs propriétés
mécaniques
statiques et leur ténacité. 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 données dans le
Tableau 3 et la
2 0 ténacité Kic est donnée dans le tableau 4.
Tableau 3. Propriétés mécaniques statiques mesurées à 1/4 épaisseur (T/4) et à
mi-épaisseur (T/2).
Echantillon T/4 T/2
TL L TL
Rm Rpo,2 A (%) Rm R0,2 A (%) Rm R0,2 A (%) Rm Rp0,2 A (%)
MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa
A 514 480 6.2 519 465 7.2 511 477 7.5
505 453 8.8
516 483 9.2 516 458 6.3 523 492 8.6
500 449 6.1
D 509 478 11.3 517 460 9.3
527 492 9.6 527 459 7.0 530 492 9.5
505 444 6.9
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Tableau 4 . Facteur d'intensité de contrainte (Kic) mesuré à 1/4 épaisseur
(T/4) et à mi-épaisseur
(T/2) déterminé selon la norme ASTM E 399.
MPa-\/m)
Echantillon T/4 T/2
L-T T-L S-L
A 32.3 35.1
36.0 29.1 27.7 48.9*
D 40.0* 32.9 31.2
37.7 29.8 31.0
* Déviation de fissure à 900
Des essais de propagation de fissure en fatigue sur des éprouvettes L-S ont
été réalisés sur des
échantillons provenant des tôles C et E. Les essais ont été réalisés selon la
norme ASTM E647.
Ces essais sont réalisés sur éprouvettes CCT, à fissure centrale, de largeur
100 mm et
d'épaisseur 6.35 mm.
La figure 2 montre les résultats de vitesse de propagation de fissure pour les
échantillons testés
1 0 avec l'éprouvette CCT. Les résultats sont résumés dans le Tableau 5 ci-
dessous.
Tableau 5. Résultats des essais de propagation de fissure en fatigue
éprouvettes L-S selon la
norme ASTM E647.
da/dn pour AK = 10 MPa:\im 6.5 10-5 1.2 10-4
[mm/cycle]
da/dn pour AK = 20 MPa'Nim 8.0 10-5 1.4 10-4
[mm/cyc le]
da/dn pour AK = 30 MPa-Nim 1.5 104 2.2 10-4
[mm/cyc le]
En outre, pour examiner la susceptibilité à la déviation de fissure, 6
échantillons L-S selon la
Figure 1 ont été prélevés dans les tôles A (échantillons Al, A2, Bi, B2, Cl,
C2) et D
(échantillons 84A1, 84A2, 84B1, 84B2, 84C1, 84C2) et soumis à un essai en
propagation en
fatigue à la charge maximale de 4000 N, ou 3000 N lorsque spécifié, et un
rapport de charge de
R = 0.1. Les repères 84A2 et A2, B2 et C2 ont été testés à 3000 N de force
maximale plutôt que
4000 N. Les conditions permettent de couvrir au cours de l'essai le domaine de
AK allant de 10
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à 40 MPaNim, où AK est la variation du facteur d'intensité de contrainte dans
un cycle de charge.
Sur cette autre géométrie la différence de vitesse de propagation de fissure
entre l'alliage
recristallisé et l'alliage non recristallisé est illustrée par la Figure 4.
Les figures 3a et 3b montrent, respectivement, les échantillons issus des
tôles A et D après
l'essai en fatigue. Les échantillons issus de la tôle A selon l'invention
présentent une bifurcation
de fissure progressive avec dans 4 cas sur 6 (Cl, C2, Bi, A2) une rupture par
la face arrière de
l'éprouvette. La distance d sur laquelle la fissure n'est ni dans la direction
S initiale, ni dans la
direction L est au moins 15 mm pour tous les échantillons issus de la tôle A,
car dans aucun des
cas la fissure ne rejoint la direction L. Tous les échantillons issus de la
tôle D présentent une
.. propension élevée à la bifurcation de fissure avec une rupture toujours par
la face supérieure ou
la face inférieure de l'éprouvette et une distance d sur laquelle la fissure
n'est ni dans la direction
S initiale, ni dans la direction L inférieure à 3 mm: pour tous les
échantillons la fissure passe
directement de la direction S initiale à la direction L perpendiculaire.
La figure 4 montre les résultats de vitesse de propagation mesurés par la
méthode de l'ouverture
de la fissure, lors des essais sur éprouvettes CT. Ces essais montrent
également que la vitesse
de propagation est nettement plus lente, dans le sens L-S, pour la tôle A
selon l'invention.
2 0 Le produit majoritairement recristallisé selon l'invention présente une
propagation de fissures
en fatigue particulièrement avantageuse.
Exemple 2
Trois plaques en alliage Al-Cu-Li référencées F, G et H ont été coulées. Leur
composition est
donnée dans le Tableau 6.
Tableau 6. Composition (% en poids) des différentes plaques.
Si Fe Cu Mn Mg Ti Zr Li Ag
0.03 0.04 3.04 0.28 0.44 0.03 0.71 0.22
G 0.03 0.04 3.61
0.37 0.35 0.03 0.06 0.88 0.36
H 0.03 0.05 3.55
0.38 0.32 0.03 0.08 0.87 0.36
Des échantillons de format 14 mm x 50 mm x 56 mm ont été usinés à mi-largeur
(L/2) et quart-
épaisseur (T/4) des plaques de coulée. La figure 6 présente de tels
échantillons d'épaisseur C
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14
14 mm et de largueur B 50 mm. Les échantillons ont été homogénéisés en deux
paliers de 5
heures à 505 C puis 12 heures à 525 C.
Les échantillons ont été déformés à chaud par bipoinçonnement à l'aide d'une
machine de type
Servotest 0, la température et la vitesse de déformation étaient
respectivement 400 C et
ls-1. La figure 6 illustre une telle déformation par bipoinçonnement.
L'épaisseur finale de la
portion déformée de largueur W (W=15 mm) était de 3.6mm, ce qui représente une
réduction
totale d'environ 74%. Une telle déformation est représentative d'une
déformation industrielle
par laminage à chaud d'une plaque de fonderie d'environ 400 mm à une épaisseur
finale
d'environ 100 mm.
Les échantillons ainsi obtenus ont été mis en solution pendant 2 heures à 525
C puis trempés
à l'eau froide et ont subi un revenu.
Le taux de recristallisation à mi-épaisseur des échantillons a été évalué sur
des coupes
micrographiques de surface 0,5 x 1 mm2 dans le plan L-TC . Les résultats
obtenus sont présentés
dans le Tableau 7.
Tableau 7 : Mesure du taux de recristallisation (%)
G H
1/4 Epaisseur 100 70 48
Les échantillons F et G sont majoritairement recristallisés.
