EP0158571B1 - Alliages al-cu-li-mg à très haute résistance mécanique spécifique - Google Patents

Alliages al-cu-li-mg à très haute résistance mécanique spécifique Download PDF

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EP0158571B1 EP85420043A EP85420043A EP0158571B1 EP 0158571 B1 EP0158571 B1 EP 0158571B1 EP 85420043 A EP85420043 A EP 85420043A EP 85420043 A EP85420043 A EP 85420043A EP 0158571 B1 EP0158571 B1 EP 0158571B1
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high specific
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Bruno Dubost
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to alloys based on AI essentially containing Cu, Li and Mg, having a very high specific mechanical resistance and usable in particular, for obtaining heat-treated parts of complex shape.
  • metallurgists have proposed a new experimental alloy with nominal composition AI-3% Li-2% Cu-0.2% Zr (with high strength, low density and low ductility), as well as new alloys of the Aluminum-Lithium system. -Copper-Magnesium with medium resistance, low density and improved ductility. This is in particular the alloy of average composition AI-2.4% Li-1.25% Cu-0.75% Mg (- Cr-Mn-Zr-Ni) which has been the subject of the European Patent Application No. 0088511 to the Secretary for Defense of the United Kingdom.
  • the alloy AI-2.0-2.4% Li-2.3-2.7% Cu up to 0.9% Mg up to 0.15% Zr and Fe up to 0 are also known. 12% Si, which was the subject of European patent application No. EP-A-0 156 995 not yet published on the date of filing of this application.
  • the invention described below makes it possible to have new lithium alloys which do not have these limitations.
  • These alloys give products of any configuration very high mechanical properties in the T6 state (equivalent to those of alloys 7075-T 6 and 7010-T 736) combined with a density reduced by 6 to 9% compared to that of alloys conventional of the 2000 or 7000 series.
  • the alloy products according to the invention have a specific mechanical resistance further improved by work hardening between quenching and tempering (states T-651, T-652 or T-8) but this deformation operation plastic can be limited, for example, to the sole holding or leveling of hardened products.
  • the alloys according to the invention have the following weight compositions:
  • compositions taken individually or in combinations are as follows:
  • the alloys according to the invention have their optimum level of resistance and ductility after homogenization treatments of the cast products and dissolving of the processed products comprising at least one bearing at a temperature O H of between 520 and 545 ° C for a sufficient time either to completely dissolve the intermetallic compounds of the phases rich in Cu and Li and either to obtain a size less than 5 ⁇ m.
  • the optimal durations of heat treatment for homogenization at O H temperature were 0.5 to 8 hours for alloys produced by rapid solidification (atomization-splat cooling) and 12 hours to 72 hours for products molded or produced in semi casting -continuous, for which it is preferable to carry out, during the homogenization or the dissolution, one or two intermediate stages of a few hours at 500 ° C, 515 ° C or 528 ° C approximately so as to avoid the beginning melting of the alloy when it is kept at the temperature On.
  • tempering kinetics tests have shown that these alloys have their optimal mechanical properties after tempering lasting 8 hours to 48 hours at temperatures between 170 and 220 ° C (preferably between 190 and 200 ° C), and that it was preferable to subject the products of adequate shape (sheets, bars, widgets) to work hardening giving rise to a plastic deformation of 1.5 to 5% (preferably 2 to 4%) between quenching and tempering, which further improves the compromise between mechanical strength and ductility of these alloys.
  • the alloys according to the invention have in the T-6 (51) state a mechanical resistance equivalent to that of the 7075 or 7010 T-6 (51) alloys.
  • These high levels of elastic limit and breaking load are moreover combined with densities reduced by 6 to 8% compared to those of conventional aeronautical aluminum alloys. (without lithium) and with satisfactory levels of ductility or elongation, which shows the advantage of the alloys according to the invention for the production of wrought or molded structural parts with very high specific mechanical strength and good dynamic properties (toughness, resistance fatigue), whether these are products produced by semi-continuous casting, atomization or splat-cooling.
  • Ingots the analysis of which is given in Table 1a, were produced from refined aluminum (AI 99.99%), refined by adding 0.15% AT5B, then cast into molds with a structure similar to that obtained by semi-continuous industrial casting.
  • All these alloys contain less than 0.02% (by weight) of Fe and less than 0.02% of Si.
  • alloys were homogenized under the conditions making it possible to obtain an almost complete dissolution of the intermetallic compounds rich in lithium and copper, and quenched with water at 20 ° C. they have matured for at least 5 days and 24 hour treatments at temperatures of 150, 170, 190 and 210 ° C.
  • Table Ib gives the heat treatments and the average Vickers hardnesses after tempering, as well as the maximum specific hardness of each of these alloys (Vickers hardness / density ratio).
  • the alloys were poured semi-continuously in the form of ⁇ 200 mm billets.
  • the billets were homogenized at 515 ° C for 16 h + 24 h at 535 ° C, peeled and spun into strips 50 x 20 mm at 430 ° C (i.e. with a spinning ratio of 12).
  • the largets were dissolved in 539 ° C and soaked in water and underwent various incomes.

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Description

  • La présente invention est relative à des alliages à base d'AI contenant essentiellement du Cu, du Li et du Mg, possédant une très haute résistance mécanique spécifique et utilisables en particulier, pour l'obtention de pièces traitées thermiquement de forme complexe.
  • Il est connu des métallurgistes que l'addition de lithium diminue la densité (de 3 % par pourcent pondéral de lithium) et augmente te module d'élasticité et la résistance mécanique des alliages d'aluminium. Ceci explique l'intérêt des concepteurs pour ces alliages en vue d'applications dans l'industrie aéronautique qui requiert des alliages dotés d'une résistance mécanique spécifique (rapport résistance mécanique sur densité) et d'un module spécifique aussi élevés que possible, à condition toutefois que ces alliages possèdent par ailleurs une ductilité (allongement à la rupture) et une ténacité acceptables.
  • On sait que les alliages d'aluminium au lithium binaires possèdent une résistance mécanique insuffisante ainsi qu'une ductilité rédhibitoire pour applications aéronautiques. Les métallurgistes ont donc eu recours à des additions de cuivre dont l'effet bien connu sur le durcissement structural des alliages d'aluminium est supérieur à celui du lithium et superposable à ce dernier pour obtenir des alliages AI-Li-Cu à haute résistance mécanique plus ductiles mais aussi plus denses que les alliages au lithium binaires.
  • Il s'agit en particulier de l'alliage américain 2020 de composition nominale AI-4,5 % Cu-1,2 % Li-0,2 % Cd-0,5 % Mn et de l'alliage soviétique VAD 93, de composition nominale AI-5,4 % Cu-1,2 % Li-0,2 % Cd-0,6 % Mn. Ces alliages, utilisés à l'état T651 (trempe - tra'ction contrôlée 2 % - revenu au maximum de la résistance mécanique) possèdent des niveaux très élevés de résistance mécanique (notamment l'alliage VAD 93), mais il est apparu que les additions de lithium, quoique faibles, entraînaient une perte appréciable de ductilité et de ténacité sans permettre un allègement significatif des pièces de structure aéronautique, compte tenu de la densité relativement peu diminuée de ces alliages par rapport à celle des alliages conventionnels sans lithium.
  • Plus récemment, des métallurgistes ont proposé un nouvel alliage expérimental de composition nominale AI-3 % Li-2 % Cu-0,2 % Zr (à haute résistance faible densité et faible ductilité), ainsi que de nouveaux alliages du système Aluminium-Lithium-Cuivre-Magnésium à moyenne résistance, faible densité et ductilité améliorée. Il s'agit en particulier de l'alliage de composition moyenne AI-2,4 % Li-1,25 % Cu-0,75 % Mg (- Cr-Mn-Zr-Ni) qui a fait l'objet de la demande de brevet européen n° 0088511 du Secretary for Defence du Royaume-Uni.
  • Or, on peut constater que tous les alliages au lithium à faible densité connus et cités ci-dessus (hormis les alliages VAD 93 et 2020 très riches en cuivre) ne possèdent pas des niveaux de résistance mécanique équivalents à celui des alliages d'aluminium conventionnels actuellement les plus résistants (7075-T6, 7010-T 736) sauf si les produits subissent entre trempe et revenu au maximum de durcissement un écrouissage par déformation plastique de 2 à 4 % environ. L'effet favorable de cet écrouissage sur la limite élastique, la charge de rupture et même la ductilité, est bien connu des métallurgistes.
  • Ceci explique la relative abondance des résultats récents obtenus sur tôles minces ou épaisses et produits filés en alliages AI-Li-Cu, AI-Li-Mg et AI-Li-Cu-Mg à l'état T-651 et dont la gamme de fabrication doit obligatoirement comporter une traction contrôlée de 2 à 4 % entre trempe et revenu de façon à permettre à ces alliages d'obtenir leurs meilleurs niveaux de caractéristiques mécaniques.
  • Cette particularité des alliages au lithium connus constitue évidemment une importante restriction pour l'utilisation d'alliages d'aluminium au lithium à haute résistance mécanique spécifique dans la fabrication de pièces de géométrie complexe, telles que les pièces matricées ou les produits moulés auxquelles il est généralement impossible d'imposer une déformation plastique même par compresssion contrôlée entre trempe et revenu.
  • On connaît également l'alliage AI-2,0-2,4 % Li-2,3-2,7 % Cu jusqu'à 0,9 % Mg jusqu'à 0,15 % Zr et Fe jusqu'à 0,12 % Si, qui a fait l'objet de la demande de brevet européen n° EP-A-0 156 995 non encore publiée à la date de dépôt de la présente demande.
  • L'invention décrite ci-après permet de disposer de nouveaux alliages au lithium ne présentant pas ces limitations. Ces alliages confèrent aux produits de toute configuration de très hautes caractéristiques mécaniques à l'état T6 (équivalentes à celles des alliages 7075-T 6 et 7010-T 736) combinées à une densité diminuée de 6 à 9 % par rapport à celle des alliages conventionnels des séries 2000 ou 7000. A fortiori, les produits en alliages selon l'invention possèdent une résistance mécanique spécifique encore améliorée par écrouissage entre trempe et revenu (états T-651, T-652 ou T-8) mais cette opération de déformation plastique peut être limitée par exemple au seul détentionnement ou au planage des produits trempés.
  • Au cours d'essais métallurgiques, nous avons en effet trouvé et expérimenté de nouvelles compositions d'alliages industriels du système AI-Li-Cu-Mg (Cr, Mn, Zr, Ti) plus résistants et plus performants que les alliages au Li connus, du point de vue du compromis résistance mécanique-densité.
  • Les alliages selon l'invention possèdent les compositions pondérales suivantes :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • Les compositions optimales prises individuellement ou en combinaisons sont les suivantes :
    Figure imgb0003
  • Il a été montré que ces alliages possèdent les caractéristiques optimales lorsque la relation :
    Figure imgb0004
    est vérifiée
  • Pour les valeurs inférieures à 5,0 on observe une chute notable des caractéristiques de résistance et pour les valeurs supérieures à 5,8 on observe une chute notable de la ductilité.
  • Les alliages selon l'invention possèdent leur niveau optimal de résistance et de ductilité après des traitements d'homogénéisation des produits coulés et de mise en solution des produits transformés comportant au moins un palier à une température OH comprise entre 520 et 545 °C pendant une durée suffisante soit pour dissoudre complètement les composés intermétalliques des phases riches en Cu et Li et soit pour obtenir une taille inférieure 5 µm. Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéisation à température OH étaient de 0,5 à 8 heures pour les alliages élaborés par solidification rapide (atomisation-splat cooling) et de 12 heures à 72 heures pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi-continue, pour lesquels il est préférable d'effectuer lors de l'homogénéisation ou de la mise en solution un ou deux paliers intermédiaires de quelques heures à 500 °C, 515 °C ou 528 °C environ de façon à éviter la fusion commençant de l'alliage lors de son maintien à la température On.
  • De plus, les essais de cinétique de revenu ont montré que ces alliages possèdent leurs propriétés mécaniques optimales après revenus de durées de 8 heures à 48 heures à des températures comprises entre 170 et 220 °C (de préférence entre 190 et 200 °C), et qu'il était préférable de faire subir aux produits de forme adéquate (tôles, barres, largets) un écrouissage donnant lieu à une déformation plastique de 1,5 à 5 % (préférentiellement 2 à 4 %) entre trempe et revenu, ce qui permet d'améliorer encore le compromis entre résistance mécanique et ductilité de ces alliages.
  • Dans ces conditions, nous avons constaté que les alliages selon l'invention ont à l'état T-6(51) une résistance mécanique équivalente à celle des alliages 7075 ou 7010 T-6(51). Ces niveaux élevés de limite élastique et de charge de rupture (équivalents à ceux des meilleurs alliages actuels pour ces états de traitement thermique) sont par ailleurs combinés avec des densités diminuées de 6 à 8 % par rapport à celles des alliages d'aluminium aéronautiques conventionnels (sans lithium) et avec des niveaux de ductilité ou allongements satisfaisants, ce qui montre l'intérêt des alliages selon l'invention pour la fabrication de pièces de structure corroyées ou moulées à très haute résistance mécanique spécifique et bonnes propriétés dynamiques (ténacité, résistance à la fatigue), qu'il s'agisse de produits élaborés par coulée semi-continue, atomisation ou splat-cooling.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, comparant les caractéristiques mécaniques spécifiques de divers alliages selon l'invention et hors de l'invention à des alliages connus.
    • Exemple 1
  • Des lingotins dont l'analyse est reportée au tableau la ont été élaborés à partir d'aluminium raffiné (AI 99,99 %), affinés par addition de 0,15% d'AT5B, puis coulés en moules avec une structure analogue à celle obtenue par coulée semi-continue industrielle.
  • Tous ces alliages contiennent moins de 0,02 % (en poids) de Fe et moins de 0,02 % de Si.
  • Ces alliages ont été homogénéisés dans les conditions permettant d'obtenir une dissolution quasi complète des composés intermétalliques riches en lithium et en cuivre, et trempés à l'eau à 20 °C. Ils ont subi une maturation d'au moins 5 jours et des traitements de 24 heures à des températures de 150, 170, 190 et 210 °C.
  • Le tableau Ib donne les traitements thermiques et les duretés Vickers moyennes après revenu, ainsi que le maximum de dureté spécifique de chacun de ces alliages (rapport dureté Vickers/densité).
  • Ces résultats montrent que les nouveaux alliages selon l'invention possèdent un compromis résistance mécanique/densité supérieur à celui de tous les autres alliages connus, dans pratiquement tout le domaine des températures de revenu et même dans le domaine des sous-revenus qui sont les plus aptes à conduire au meilleur compromis résistance mécanique-ductilité.
  • Les très hauts niveaux de dureté spécifiques obtenus après trempe et revenu (sans écrouissage intermédiaire par traction ou compression contrôlée) justifient l'intérêt particulier de ces alliages légers pour les pièces de forme complexe telles que les pièces moulées ou matricées.
    • Exemple 2
  • On a coulé en semi-continù sous forme de billettes Ø 200 mm, les alliages dont la composition est reportée au Tableau Ila. Les billettes ont été homogénisées à 515 °C pendant 16 h + 24 h à 535 °C, écroûtées et filées en largets
    Figure imgb0005
    50 x 20 mm à 430 °C (soit avec un rapport de filage de 12). Les largets ont été mis en solution à 539 °C et trempés à l'eau et ont subi divers revenus.
  • Les caractéristiques mécaniques obtenues, dans le sens long, au pic de résistance après revenu adapté, sont reportées dans le tableau Ilb, comparativement aux caractéristiques des alliages classiques 7075 et 7150, selon les désignations de l'Aluminium Association.
  • On constate qu'une addition modérée de Mg conduit aux résistances mécaniques maximales, supérieures ou équivalentes à celles des alliages classiques (sans Li) les plus durs actuellement connus. Le tableau montre qu'il est préférable de tenir la teneur en Mg à une valeur légèrement inférieure à 0,5 % pour obtenir les meilleures caractéristiques mécaniques.
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010

Claims (5)

1. Alliage à base d'Al à très haute résistance mécanique spécifique contenant essentiellement du Cu, du Li et du Mg, caractérisé en ce qu'il contient (en poids %) :
Figure imgb0011
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 2,75 à 3,1 % de Cu et de préférence entre 2,75 et 3 %.
3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient de 2 à 2,5 % de Li. 4, Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 0,1 à 0,5 % de Mg.
5. Alliage selon la revendication 4, caractérisé en ce que :
Figure imgb0012
EP85420043A 1984-03-15 1985-03-13 Alliages al-cu-li-mg à très haute résistance mécanique spécifique Expired EP0158571B1 (fr)

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