EP0717784B1 - Tole d'alliage aluminium-silicium destinee a la construction mecanique, aeronautique et spatiale - Google Patents
Tole d'alliage aluminium-silicium destinee a la construction mecanique, aeronautique et spatiale Download PDFInfo
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- 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
- C22F1/043—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 of alloys with silicon as the next major constituent
Definitions
- the invention relates to the field of alloy sheets medium and high strength aluminum used in the mechanical, aeronautical and space engineering and in armament.
- high-strength aluminum alloys have been used in aeronautical and space construction, essentially Al-Cu alloys of the 2000 series (according to the designation of the Aluminum Association in the USA), for example alloys 2014 , 2019 and 2024, and Al-Zn-Mg and Al-Zn-Mg-Cu alloys of the 7000 series, for example alloys 7020 and 7075.
- alloys 2000 and 7000 have a much better temperature resistance than that of most alloys 2000 and 7000, and at least equivalent to that of alloys in these series specially studied for their temperature resistance, such as alloys 2019 and 2618.
- Al-Si alloys are widely used for the production of molded parts. However, in this form, they have far lower mechanical strength, fatigue and toughness properties than the wrought and transformed alloys 2000 and 7000 used in structural parts. In rare cases, they can be used in laminated form, in particular for covering plated sheets intended for the manufacture of brazed heat exchangers. Alloys 4343, 4104, 4045 and 4047 are thus used, for example, the properties sought in this case being essentially a low melting temperature and good wettability.
- Al-Si alloys can also be spun in the form of bars or profiles which, due to their good resistance to wear and temperature, are used in mechanical parts such as connecting rods, brake master cylinders, drive shafts , bearings and various components of motors and compressors.
- One of the alloys used for this purpose is 4032.
- French patent FR 2291284 describes the manufacture of AlSi alloy sheets containing 4 to 15% Si by continuous casting between two cooled cylinders. This casting mode is intended to increase the elongation at break, and therefore the formability. They are not high-strength sheets usable in structural applications, since the sheets are simply annealed and the elastic limits exemplified do not exceed not 220 MPa.
- the subject of the invention is therefore sheets heat treated by dissolving, quenching and optionally tempering so as to obtain an elastic limit R 0.2 greater than 320 MPa, intended for mechanical, naval, aeronautical or space construction made of alloy of following composition (by weight): Yes 6.5 to 11% Mg 0.5 to 1.0% Cu ⁇ 0.8% Fe ⁇ 0.3% Mn ⁇ 0.5% and / or Cr ⁇ 0.5% Sr 0.008 to 0.025% Ti ⁇ 0.02% the total of the other elements being less than 0.2%, the rest being aluminum.
- the silicon content is preferably between 6.5 and 8%, corresponding to that of the AS7G alloy.
- Another object of the invention is the use of especially medium or thick sheets of this alloy for the undersides of aircraft wings, of particularly thin sheets for the coating of aircraft fuselages, of sheets for the manufacture of tanks cryogenic rockets, floors and skips of industrial vehicles and hulls or supersructures of boats.
- Another object of the invention is the method of manufacturing sheets according to claim 9.
- the sheets according to the invention have silicon contents generally corresponding to the fields of alloys AS7G and AS9G according to French standard NF A 57-702 or the designations A 357 and A 359 of the Aluminum Association.
- Magnesium should not exceed 1% to avoid the formation of the insoluble intermetallic compound Mg 2 Si.
- Copper must be limited to 0.8% to avoid the formation of insoluble phases Mg 2 Si and Q (AlMgSiCu). This content also makes it possible to limit the sensitivity to intercrystalline corrosion.
- Iron is also limited to 0.3%, and preferably 0.08%, as it is in 7000 alloys for heavy plate, when good toughness and / or good elongation.
- the presence of titanium is linked to the refining of the titanium plates, identical to that used for current medium and high strength alloys.
- the sheets according to the invention can be obtained by vertical casting of plates, hot rolling up to 6 mm, optionally cold rolling in the case of thin sheets, dissolving between 545 and 555 ° C, quenching with cold water, maturation at room temperature and / or tempering between 6 and 24 hours at a temperature between 150 and 195 ° C.
- Hot rolling can be preceded by homogenization between 530 and 550 ° C for a duration of less than 20 h, short enough to avoid a globalization of the fibrous eutectic and a marked coalescence of the manganese and / or chromium, when the alloy contains it.
- a very fine, non-globular eutectic microstructure is obtained in the final state, which has a favorable effect on the toughness.
- the alloy is weldable by conventional TIG or MIG processes, continuous or pulsed, depending on whether it is a thin or thick sheet, and its density is always lower than that of traditional 2000 and 7000 alloys.
- Plates with a cross section of 380 x 120 mm of alloy of the following composition (by weight) were produced by vertical casting: Yes 6.77% Mg 0.59% Cu 0.24% Fe 0.06% Mn 0.31% Sr 0.016% Ti 0.01% the total of the other elements being less than 0.2% and the rest being aluminum.
- the alloy was homogenized at 550 ° C for 8 hours, after a temperature rise of 4 hours, reheated for 2 hours at 500 ° C, then hot rolled up to 20 mm thick on a reversible rolling mill.
- Cut sheets were placed in solution for 2 hours at 550 ° C, soaked in water and subjected to an income of 8 hours at 175 ° C, ie a state T651 according to the designations of the Aluminum Association.
- the alloy has a density of 2,678 and a modulus of elasticity E of 74,100 MPa, or a specific module of 27,670 MPa, was measured on the sheet by the hysteresis loop method in tension. 2.770, 72,500 MPa and 26,175 MPa respectively for a sheet of the same thickness in 2024 alloy in the T351 state, an increase of 5.7% in the specific module. This increase is more than 9% higher compared to alloy 2219 for welded construction.
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Description
Le choix d'un alliage et d'une gamme de transformation, en particulier de traitement thermique, résulte d'un compromis souvent délicat entre diverses propriétés d'emploi telles que les caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la rupture, limite élastique, module d'élasticité, allongement), la résistance à la fatigue, importante pour des avions soumis à des cycles répétés de décollage-atterrissage, la tenacité, c'est-à-dire la résistance à la propagation de fissures, et la corrosion sous tension. Il faut en plus tenir compte de l'aptitude de l'alliage à être coulé, laminé et traité thermiquement dans de bonnes conditions, de sa densité et éventuellement de sa soudabilité.
Depuis plus de trente ans, des progrès continus ont été accomplis pour améliorer les propriétés des alliages 2000 et 7000 utilisés en tôles minces pour le fuselage des avions et en tôles moyennes et épaisses pour les voilures ou les réservoirs cryogéniques des lanceurs et missiles, dans le but, en particulier, d'alléger les structures sans compromettre les autres propriétés.
Un pas important dans l'allégement a été accompli avec le développement des alliages aluminium-lithium. Ainsi, un alliage 8090 à 2,6% de lithium conduit à un module spécifique (rapport du module d'élasticité à la densité) supérieur d'environ 20% à celui du 2024 et de 24% à celui du 7075. Les alliages à plus forte teneur en cuivre et à plus faible teneur en lithium, comme le 2095, ont été aussi developpés à cause de leur bon compromis entre la densité, le module d'élasticité et la soudabilité. Dans ce cas, le gain sur le module spécifique est d'environ 12% par rapport au 2219. Cependant, ces alliages restent encore peu utilisés, essentiellement en raison de leur coût de fabrication élevé.
Les alliages Al-Si sont utilisés très largement pour la fabrication de pièces moulées. Ils présentent cependant, sous cette forme, des propriétés de résistance mécanique, de fatigue et de tenacité bien inférieures à celles des alliages 2000 et 7000 corroyés et transformés utilisés en pièces de structure. Dans de rares cas, ils peuvent être utilisés sous forme laminée, notamment pour la couverture de tôles plaquées destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés. On utilise ainsi, par exemple, les alliages 4343, 4104, 4045 et 4047, les propriétés recherchées dans ce cas étant essentiellement une température de fusion faible et une bonne mouillabilité.
Les alliages Al-Si peuvent également être filés sous forme de barres ou profilés qui, en raison de leur bonne résistance à l'usure et la température, sont utilisés dans des pièces mécaniques telles que bielles, maítres-cylindres de freins, arbres de transmission, paliers et divers composants de moteurs et de compresseurs. Un des alliages utilisé à cette fin est le 4032.
Le brevet français FR 2291284 décrit la fabrication de tôles en alliage AlSi contenant de 4 à 15% de Si par coulée continue entre deux cylindres refroidis. Ce mode de coulée est destiné à accroítre l'allongement à la rupture, et donc la formabilité.Il ne s'agit pas de tôles à haute résistance utilisables dans des applications structurales, puisque les tôles sont simplement recuites et les limites élastiques exemplifiées ne dépassent pas 220 MPa.
Mais jamais personne jusqu'à présent n'a eu l'idée d'élaborer, grâce à un choix judicieux de la composition et une gamme de traitement thermique appropriée, des tôles en alliages Al-Si à haute résistance mécanique utilisables pour des applications structurales, notamment en construction mécanique, navale ou aéronautique, par assemblages mécaniques ou soudés.
L'invention a ainsi pour objet des tôles traitées thermiquement par mise en solution, trempe et éventuellement revenu de manière à obtenir une limite élastique R0,2 supérieure à 320 MPa, destinées à la construction mécanique, navale, aéronautique ou spatiale en alliage de composition suivante (en poids):
Si | 6,5 à 11% |
Mg | 0,5 à 1,0% |
Cu | < 0,8% |
Fe | < 0,3% |
Mn | < 0,5% et/ou Cr < 0,5% |
Sr | 0,008 à 0,025% |
Ti | < 0,02% |
La teneur en silicium est, de préférence, comprise entre 6,5 et 8%, correspondant à celle de l'alliage AS7G.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation de tôles notamment moyennes ou épaisses de cet alliage pour les intrados d'ailes d'avions, de tôles notamment minces pour le revêtement de fuselages d'avions, de tôles pour la fabrication de réservoirs cryogéniques de fusées, de planchers et bennes de véhicules industriels et de coques ou supersructures de bateaux.
Le magnésium ne doit pas dépasser 1% pour éviter la formation de composé intermétallique Mg2Si insoluble. Le cuivre doit être limité à 0,8% pour éviter la formation de phases insolubles Mg2Si et Q (AlMgSiCu). Cette teneur permet également de limiter la sensibilité à la corrosion intercristalline.
Le fer est également limité à 0,3%, et de préférence à 0,08%, comme il l'est dans les alliages 7000 pour tôles fortes, lorsqu'on a besoin d'une bonne tenacité et/ou d'un bon allongement. La présence de titane est liée à l'affinage des plaques au titane, identique à celui qui est pratiqué pour les alliages actuels à moyenne et haute résistance.
Les tôles selon l'invention peuvent être obtenues par coulée verticale de plaques, un laminage à chaud jusqu'à 6 mm, éventuellement un laminage à froid dans le cas de tôles minces, une mise en solution entre 545 et 555°C, une trempe à l'eau froide, une maturation à température ambiante et/ou un revenu entre 6 et 24 h à une température comprise entre 150 et 195°C.
On peut faire précéder le laminage à chaud d'une homogénéisation entre 530 et 550°C d'une durée inférieure à 20 h, suffisamment courte pour éviter une globulisation de l'eutectique fibreux et une coalescence marquée des dispersoïdes au manganèse et/ou au chrome, lorsque l'alliage en contient. En l'absence d'homogénéisation, on obtient à l'état final une microstructure eutectique très fine et non globulisée, qui a un effet favorable sur la tenacité.
On peut ainsi obtenir à l'état T6 une limite élastique supérieure à 320 et même 340 MPa, un allongement supérieur à 6 % dans le sens TL et 9% dans le sens L, et une tenacité, mesurée par le facteur critique d'intensité de contraintes K1c, supérieure à 20 MPaVm.
Dans ces conditions, l'alliage est soudable par des procédés conventionnels TIG ou MIG, continus ou pulsés, selon qu'il s'agit d'une tôle mince ou épaisse, et sa densité est toujours inférieure à celle des alliages 2000 et 7000 traditionnels ainsi qu'aux alliages Al-Li à teneur en lithium inférieure à 1%
Si | 6,77% |
Mg | 0,59% |
Cu | 0,24% |
Fe | 0,06% |
Mn | 0,31% |
Sr | 0,016% |
Ti | 0,01% |
L'alliage a été homogénéisé à 550°C pendant 8h, après une montée en température de 4h, réchauffé pendant 2 h à 500°C, puis laminé à chaud jusqu'à 20 mm d'épaisseur sur un laminoir réversible. Des tôles découpées ont été mises en solution 2 h à 550°C, trempées à l'eau et soumises à un revenu de 8h à 175°C, soit un état T651 selon les désignations de l'Aluminum Association.
L'alliage a une densité de 2,678 et on a mesuré sur la tôle par la méthode de la boucle d'hystérésis en traction, un module d'élasticité E de 74100 MPa, soit un module spécifique de 27670 MPa, à comparer avec les valeurs respectives de 2,770, 72500 MPa et 26175 MPa pour une tôle de même épaisseur en alliage 2024 à l'état T351, soit une augmentation de 5,7% du module spécifique. Cette augmentation est supérieure de plus de 9% par rapport à l'alliage 2219 pour construction soudée.
Les caractéristiques mécaniques, comparées à celles d'une tôle en 2024 T351, sont les suivantes:
alliage | sens | R0,2 MPa | Rm MPa | A % | sens | K1c MPavm |
invention | L | 358 | 386 | 9,4 | L-T | 20 |
" | TL | 350 | 386 | 6,6 | T-L | 19 |
2024 | L | 350 | 485 | 18,0 | L-T | 35 |
" | TL | 345 | 489 | 17,1 | T-L | 32 |
Les caractéristiques mécaniques mesurées sur la tôle de 20 mm sont les suivantes:
sens | R0,2 MPa | Rm MPa | A % | sens | K1c MPavm |
L | 359 | 384 | 10,0 | L-T | 22,1 |
TL | 346 | 383 | 6,9 | T-L | 19,1 |
Claims (11)
- Tôle en alliage d'aluminium à haute résistance traitée thermiquement par mise en solution, trempe et éventuellement revenu, pour obtenir une limite élastique R0,2 supérieure à 320 MPa, destinée à la construction mécanique, navale, aéronautique ou spatiale, de composition (en poids):
Si 6,5 à 11% Mg 0,5 à 1,0% Cu < 0,8% Fe < 0,3% Mn < 0,5% et/ou Cr: < 0,5% Sr 0,008 à 0,025% Ti <0,02% total autres éléments < 0,2% balance aluminium. - Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Si est comprise entre 6,5 et 8%.
- Tôle selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la teneur en fer est inférieure à 0,08%.
- Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 à 3 pour la fabrication d'intrados d'ailes d'avions.
- Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 à 3 pour le revêtement de fuselage d'avions.
- Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 à 3 pour la fabrication de réservoirs cryogéniques de fusées.
- Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 à 3 pour la fabrication de planchers ou de bennes de véhicules industriels.
- Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 à 3 pour la construction de coques et superstructures de bateaux.
- Procédé de fabrication de tôles selon l'une des revendications 1 à 3, comportant les étapes suivantes:coulée d'une plaque,réchauffage entre 480 et 520°Claminage à chaud et éventuellement à froid,mise en solution entre 545 et 555°C,trempe à l'eau froideet maturation et/ou revenu.
- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, avant le réchauffage, une homogénéisation entre 530 et 550°C d'une durée inférieure à 20 h.
- Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte un revenu de 6h à 24 h entre 150 et à 195°C.
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