EP0391815B1 - Alliage à base d'A1 à haut module et à resistance mécanique élevée et procédé d'obtention - Google Patents

Alliage à base d'A1 à haut module et à resistance mécanique élevée et procédé d'obtention Download PDF

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EP0391815B1
EP0391815B1 EP90420166A EP90420166A EP0391815B1 EP 0391815 B1 EP0391815 B1 EP 0391815B1 EP 90420166 A EP90420166 A EP 90420166A EP 90420166 A EP90420166 A EP 90420166A EP 0391815 B1 EP0391815 B1 EP 0391815B1
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
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    • Y10T428/12785—Group IIB metal-base component
    • Y10T428/12792—Zn-base component
    • Y10T428/12799—Next to Fe-base component [e.g., galvanized]

Definitions

  • the invention relates to Al-based alloys of the 7000 series, according to the nomenclature of Aluminum Association (AA), having a high Young modulus and high mechanical characteristics of resistance and toughness as well as their method of obtaining.
  • AA Aluminum Association
  • the most resistant of the 7000 series aluminum alloys generally have a Young E modulus of the order of 70 GPa but not exceeding 72-73 GPa.
  • alloys based on Al containing Li Admittedly, alloys based on Al containing Li are known, the elastic modulus and mechanical characteristics of which are high. However, these pose complex production problems, given the reactivity of the Li and this therefore requires special and costly production and casting installations.
  • the alloys according to the invention can be produced using conventional installations known in the metallurgy of common Al alloys. In addition, the mechanical resistance characteristics of Al-Li are generally lower than those of 7000 alloys.
  • Alloys type 7000 much more loaded with alloying elements and obtained by powder metallurgy have high mechanical characteristics, good resistance to corrosion under tension but a modulus lower than 74 GPa.
  • Application EP-A-0375571 describes the obtaining of alloys of the 7000 series, by spray-deposition, but with a high Zn content (Zn> 8.5% by weight).
  • the invention therefore relates to the alloys with the following weight composition (in%), produced by spray-deposition: Zn: 5.5 - 8.45 Mg: 2.0 - 3.5 Cu: 0.5 - 2.5 Zr: 0.1 - 0.5 Cr: 0.3 - 0.8 Mn: 0.3 - 1.1 Fe: up to 0.5 Yes: up to 0.5 other elements each ⁇ 0.05 total ⁇ 0.15 Rest Al
  • a preferred composition is as follows: Zn: 7.0 - 8.4 Mg: 2.0 - 2.9 Cu: 0.8 - 2.0 Zr: 0.1 - 0.4 Cr: 0.3 - 0.6 Mn: 0.3 - 0.9 the rest being identical to the above compositions.
  • spray-deposition is meant a process in which the metal is molten, atomized by a jet of gas at high pressure in the form of fine liquid droplets which are then directed and agglomerated on a substrate so as to form a massive and coherent deposit, containing a low closed porosity.
  • This deposit can be in the form of billets, tubes or plates whose geometry is controlled.
  • the hot transformation stage can be preceded by a homogenization treatment of the solid body, in one or more stages, between the temperatures of 450 and 520 ° C., generally between 2 and 50 hours.
  • the product thus obtained meets the characteristics referred to above. These properties are attributed to a fine dispersion of standard phases (Al, Mn, Cr) and Al3Zr - due to the combination of the composition of the alloy and to its production process; this structure makes it possible to achieve, among other things, good ductility, toughness and a high elastic limit.
  • the dissolution is generally carried out between 450 and 520 ° C and the T6 type treatment between 90 and 150 ° C, for a sufficient time to substantially obtain the hardness peak (from 2 to 25 hours).
  • the T7 treatment consists of a T6 type treatment supplemented by tempering at a higher temperature, for example between 150 and 170 ° C, for 0.5 to 20 hours.
  • the invention is also applicable to composite materials hardened by dispersed ceramic particles of the oxide, carbide, nitride, silicide, boride, etc. type introduced into the alloy according to the invention, which constitutes the matrix thereof, during operation 1 , for example by injecting the powder into the liquid stream. These particles have a size between 1 and 50 ⁇ m and represent (relative to the metal) a volume fraction of between 3 and 12%.
  • alloys 1 to 4 are in accordance with the invention, alloys 5 and 6 are outside the invention and alloy 7 is a conventional alloy (7075) from the prior art for comparison; this was poured semi-continuously and processed hot and heat treated like the other alloys; FIG. 1 represents the mechanical characteristics E and R 0.2 of the alloys tested, FIG. 2 the characteristics of toughness as a function of R 0.2 and FIG. 3 the characteristics of corrosion under tension as a function of R 0.2 .
  • Alloys 1 to 4 are in the claimed domain and have a module ⁇ 74 GPa and a long-term elastic limit ⁇ 530 MPa while having good long-term ductility ( ⁇ 8%) and long cross-beam ( ⁇ 6%), a toughness LT direction of at least 20 MPa ⁇ m and good resistance to corrosion under tension (measured according to standard ASTM G 38 73).
  • the alloy 5 is outside the invention due to its too high Cr and Mn content, and although having a high modulus and elastic limit, it is very little ductile and cannot be used for the manufacture of parts.
  • the alloy 6 is also outside the invention because of its too low Cr and Mn content, does not have the advantages of the alloys according to the invention, has a low modulus and elastic limit and therefore does not differ from the alloys classics like the 7075.
  • composition and properties of a conventional 7075 alloy conventionally cast and then transformed and heat treated according to the same range as alloys 1 to 6 are reported for comparison.
  • the alloys according to the invention are mainly intended for the manufacture of profiles or parts of forged or stamped structures.

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Description

  • L'invention concerne des alliages à base d'Al de la série 7000, suivant la nomenclature d'Aluminium Association (AA), possédant un module d'Young élevé et des caractéristiques mécaniques de résistance et de ténacité élevées ainsi que leur procédé d'obtention.
    Les alliages d'Aluminium de la série 7000 parmi les plus résistants possèdent généralement un module d'Young E de l'ordre de 70 GPa mais ne dépassant pas 72-73 GPa.
    Cependant, en vue d'alléger les structures, en particulier dans les domaines aéronautiques et spatiaux, la nécessité d'alliages légers à module d'Young plus élevé (E ≧ 74 GPa) et résistance élevée (R 0,2 ≧ 530 MPa dans le sens long) se fait sentir, ces caractéristiques devant être atteintes sans préjudice notable sur d'autres propriétés d'emploi telles que la ténacité (KIC, sens long ≧ 20 MPa √ m) ou la résistance à la corrosion sous tension (seuil de non rupture à 30 jours ≧ 250 MPa dans le sens travers court et dans le milieu d'essai considéré).
  • Certes on connaît des alliages à base d'Al contenant du Li dont le module élastique et les caractéristiques mécaniques sont élevées. Cependant ceux-ci posent des problèmes d'élaboration complexes, étant donné la réactivité du Li et ceci impose donc des installations d'élaboration et de coulée spéciales et coûteuses. Les alliages selon l'invention peuvent être élaborés à l'aide des installations classiques, connues dans la métallurgie des alliages d'Al courants. De plus les caractéristiques mécaniques de résistance des Al-Li sont généralement inférieures à celles des alliages 7000.
  • Des alliages type 7000 beaucoup plus chargés en éléments d'alliages et obtenus par métallurgie des poudres possèdent de hautes caractéristiques mécaniques, une bonne résistance à la corrosion sous tension mais un module inférieur à 74 GPa.
  • On connaît également par US-A-3563814 un alliage de composition chimique suivante (en poids %) :
    Zn : 6,8; Mg : 2,8; Cu : 2,1, Mn : 1,0; Cr : 0,5 et Zr : 0,1
    obtenu par métallurgie des poudres et filage à chaud.
  • La demande EP-A-0375571 décrit l'obtention d'alliages de la série 7000, par pulvérisation-dépôt, mais à haute teneur en Zn (Zn > 8,5% en poids).
  • L'invention concerne donc les alliages de composition pondérale suivante (en %), élaborés par pulvérisation-dépôt :
    Zn: 5,5 - 8,45
    Mg: 2,0 - 3,5
    Cu: 0,5 - 2,5
    Zr: 0,1 - 0,5
    Cr: 0,3 - 0,8
    Mn: 0,3 - 1,1
    Fe: jusqu'à 0,5
    Si: jusqu'à 0,5
    autres éléments chacun ≦ 0,05
    total ≦ 0,15
    Reste Al
  • Une composition préférentielle est la suivante:
    Zn: 7,0 - 8,4
    Mg: 2,0 - 2,9
    Cu: 0,8 - 2,0
    Zr: 0,1 - 0,4
    Cr: 0,3 - 0,6
    Mn: 0,3 - 0,9

    le reste étant identique aux compositions ci-dessus.
  • Un procédé d'obtention consiste :
    • 1- à former par pulvérisation-dépôt un corps massif ayant une composition rentrant dans les limites indiquées ci-dessus.
    • 2- à transformer à chaud ce corps en un produit ouvré entre 300 et 450°C, et puis éventuellement à froid.
    • 3- à le traiter thermiquement par mise en solution, trempe et revenu, en un état T6 ou, de préférence, T7 suivant la nomenclature de l'AA.
  • Par pulvérisation-dépôt, on entend un procédé dans lequel le métal est fondu, atomisé par un jet de gaz à haute pression sous forme de fines gouttelettes liquides qui sont ensuite dirigées et agglomérées sur un substrat de manière à former un dépôt massif et cohérent, contenant une faible porosité fermée. Ce dépôt peut se présenter sous la forme de billettes, tubes ou plaques dont la géométrie est contrôlée.
  • Une technique de ce type est désignée sous le nom de "Spray Deposition" par les anglo-saxons et est également dénommée "procédé OSPREY". Ce dernier procédé est principalement décrit dans les demandes de brevets (ou brevets) suivants : GB-B-1379261; GB-B-1472939; GB-B-1548616; GB-B-1599392; GB-A-2172827; EP-A-225080; EP-A-225732; WO-A-87-03012.
  • L'étape de transformation à chaud peut être précédée d'un traitement d'homogénéisation du corps massif, en un ou plusieurs paliers, compris entre les températures de 450 et 520°C, généralement comprise entre 2 et 50 heures.
  • Le produit ainsi obtenu répond aux caractéristiques visées mentionnées plus haut.
    On attribue ces propriétés à une fine dispersion de phases type (Al, Mn, Cr) et Al₃Zr - due à la combinaison de la composition de l'alliage et à son procédé d'obtention; cette structure permet d'atteindre, entre autres une bonne ductilité, ténacité et une limite élastique élevée.
  • La mise en solution est en général effectuée entre 450 et 520°C et le traitement type T6 entre 90 et 150°C, pendant une durée suffisante pour obtenir sensiblement le pic de dureté (de 2 à 25 heures).
    Le traitement T7 consiste en un traitement type T6 complété par un revenu à plus haute température par exemple entre 150 et 170°C, pendant 0,5 à 20 heures.
    L'invention est également applicable aux matériaux composites durcis par particules céramiques dispersées du type oxydes, carbures, nitrures, siliciures, borures, etc- introduits dans l'alliage selon l'invention, qui en constitue la matrice, lors de l'opération 1, par exemple par injection de la poudre dans le flux liquide.
    Ces particules ont une taille comprise entre 1 et 50 µm et représentent (par rapport au métal) une fraction volumique comprise entre 3 et 12%.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des essais suivants: les alliages n° 1 à 4 sont conformes à l'invention, les alliages 5 et 6 sont hors l'invention et l'alliage 7 est un alliage classique (7075) de l'art antérieur pour comparaison; celui-ci a été coulé en semi-continu et transformé à chaud et traité thermiquement comme les autres alliages; la figure 1 représente les caractéristiques mécaniques E et R0,2 des alliages essayés, la figure 2 les caractéristiques de ténacité en fonction de R0,2 et la figure 3 les caractéristiques de corrosion sous tension en fonction de R0,2.
    • EXEMPLE
  • Différents alliages repérés 1 à 6 dont les compositions pondérales (en %)sont reportées au Tableau 1 ont été fondus et élaborés par pulvérisation-dépôt (procédé OSPREY) sous forme de billettes
    • température de coulée: 750°C
    • distance atomiseur-dépôt: 600 mm, maintenue sensiblement constante pendant l'essai
    • collecteur en acier inoxydable animé d'un mouvement de rotation
    • oscillation de l'atomiseur par rapport à l'axe de rotation du collecteur
    • débit gaz/débit métal de 2 à 3 m³/kg.
  • Après écroutage à ⌀ 140 mm, les billettes sont homogénéisées pendant 8 heures à la température de 460°C.
    Les ébauches sont ensuite filées à chaud à 400°C dans une presse dont le conteneur à un diamètre de 143 mm sous forme de méplats de section 50 x 22 mm, soit un rapport de filage de 14,6.
    Les méplats ainsi obtenus subissent un traitement thermique de type T7 dans les conditions suivantes:
    • mise en solution 2 heures à une température comprise entre 460 et 485°C
    • trempe à l'eau froide
    • revenu bipalier: 24 heures à 120°C + 1 à 20 heures entre 155 et 170°C
    Les propriétés mécaniques obtenues sont reportées au Tableau 2.
  • Les alliages 1 à 4 sont dans le domaine revendiqué et présentent un module ≧ 74 GPa et une limite élastique sens long ≧ 530 MPa tout en ayant une bonne ductilité sens long (≧ 8%) et travers long (≧ 6%), une ténacité sens L-T d'au moins 20 MPa √m et une bonne tenue en corrosion sous tension (mesurée suivant norme ASTM G 38 73).
  • L'alliage 5 est hors de l'invention du fait de sa teneur en Cr et Mn trop élevée, et bien qu'ayant un haut module et limite élastique, il est très peu ductile et est inutilisable pour la fabrication de pièces.
  • L'alliage 6 est également hors de l'invention du fait de sa teneur en Cr et Mn trop basse,ne présente pas les avantages des alliages selon l'invention, a un faible module et limite élastique et ne se distingue donc pas des alliages classiques comme le 7075.
  • On a reporté à titre de comparaison la composition et les propriétés d'un alliage classique 7075 coulé classiquement puis transformé et traité thermiquement suivant la même gamme que les alliages 1 à 6.
  • On constate que le module et la limite élastique de cet alliage sont nettement plus faibles que pour les alliages de l'invention. TABLEAU 1
    COMPOSITION DES ALLIAGES TESTES
    Alliage Zn Mg Cu Cr Mn Zr Fe Si Reste
    1 7,8 2,3 1,4 0,35 0,85 0,16 <0,1 <0,1 Al
    2 8,0 2,4 1,35 0,45 0,50 0,17 <0,1 <0,1 Al
    3 6,5 2,2 1,5 0,50 0,60 0,20 <0,1 <0,1 Al
    4 7,0 2,3 1,4 0,35 0,40 0,18 <0,1 <0,1 Al
    5 7,5 2,2 1,35 0,9 1,2 0,25 <0,1 <0,1 Al
    6 6,0 2,2 1,5 0,15 0,18 0,12 <0,1 <0,1 Al
    7075 classique 5,5 2,3 1,6 0,23 - - <0,05 <0,04 Al
    Figure imgb0001
  • Les alliages selon l'invention sont principalement destinés à la fabrication de profilés ou de pièces de structures forgées ou matricées.

Claims (8)

  1. Alliage à base d'aluminium, élaboré par pulvérisation-dépôt, contenant de 5,5 à 8,45 % (en poids) de Zn, de 2 à 3,5 % de Mg, de 0,5 à 2,5 % Cu, jusqu'à 0,5 % Fe, jusqu'à 0,5 % Si, de 0,1 à 0,5 % de Zr, de 0,3 à 0,6 % de Cr, et de 0,3 à 1,1 % Mn, autres éléments : ≦ 0,05 % chacun et jusqu'à 0,15 % au total, reste aluminium,
    et possèdant les propriétés mécaniques suivantes :
    E (module d'Young) ≧ 74 GPa
    R 0,2 (limite élastique, sens long) ≧ 530 MPa
    KIC (sens long) ≧ 20 MPa √ m
    Résistance à la corrosion sous tension (30 jours) dans le sens travers court σ ≧ 250 MPa.
  2. Alliage à base d'aluminium contenant de 7,0 à 8,4 % (en poids) de Zn, de 2 à 2,9 % de Mg, de 0,8 O 2,0 de Cu, jusqu'à 0,5 % Fe, jusqu'à 0,5% Si, de 0,1 à 0,4 % Zr, de 0,3 à 0,6% Cr et de 0,3 à 0,9 % Mn, autres éléments : ≦ 0,05 % chacun et jusqu'à 0,15 % au total, reste aluminium.
  3. Matériau composite dont la matrice est constituée par l'alliage selon l'une des revendications 1 ou 2 et qui contient une dispersion homogène de particules céramiques dont la taille est comprise entre 1 et 50 µm et de fraction volumique (relative au métal) comprise entre 3 et 12 %.
  4. Procédé d'obtention d'un alliage selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant les étapes suivantes :
    a) on forme par pulvérisation-dépôt un corps massif ayant la composition revendiquée ci-dessus,
    b) on transforme ce corps en un produit ouvré, entre 300 et 450° C et puis éventuellement à froid,
    c) on traite thermiquement le produit ouvré par une mise en solution, trempe et revenu en un état T6 ou T7.
  5. Procédé selon la revendication 4 où, entre les étapes a et b, le corps est homogénéisé entre 450 et 520° C pendant une durée comprise entre 2 et 50 heures.
  6. Procédé selon l'une des revendications 4 à 5 où la mise en solution a lieu entre 440 et 520°C.
  7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6 où le revenu et effectué entre 90 et 150° C pendant 2 à 25 heures.
  8. Procédé selon la revendication 7 où ce revenu est complété par un 2ème revenu à plus haute température entre 150 et 170°C pendant une durée comprise entre 0,5 et 20 heures.
EP90420166A 1989-04-05 1990-04-03 Alliage à base d'A1 à haut module et à resistance mécanique élevée et procédé d'obtention Expired - Lifetime EP0391815B1 (fr)

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FR8904700A FR2645546B1 (fr) 1989-04-05 1989-04-05 Alliage a base d'al a haut module et a resistance mecanique elevee et procede d'obtention
FR8904700 1989-04-05

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EP0391815A1 EP0391815A1 (fr) 1990-10-10
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EP90420166A Expired - Lifetime EP0391815B1 (fr) 1989-04-05 1990-04-03 Alliage à base d'A1 à haut module et à resistance mécanique élevée et procédé d'obtention

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EP (1) EP0391815B1 (fr)
JP (1) JPH032345A (fr)
AT (1) ATE117734T1 (fr)
BR (1) BR9001576A (fr)
CA (1) CA2013270A1 (fr)
DD (1) DD293144A5 (fr)
DE (1) DE69016241T2 (fr)
FR (1) FR2645546B1 (fr)
HU (1) HUT57281A (fr)
IL (1) IL93904A0 (fr)
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