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Procédé de fabrication d'éléments de structure d'avions en alliage d'aluminium Al-Si-Mg
EP1143027A1
European Patent Office
Worldwide applications
Application EP01420078A events
2001-10-10
2008-06-11
Application granted
2008-06-11
2021-04-03
Anticipated expiration
Status
Expired - Lifetime
Description
translated from
L'invention concerne le domaine des produits laminés, filés ou forgés en alliage
d'aluminium Al-Si-Mg de la série 6000 selon les désignations d'alliages de
l'Aluminum Association, destinés à la fabrication d'éléments de structure d'avions,
notamment d'éléments de fuselage.
Les fuselages des avions commerciaux sont réalisés pour la plupart à partir de tôles
en alliage 2024 à l'état T3 ou T351, plaquées sur les deux faces d'un alliage
d'aluminium peu chargé, par exemple un alliage 1050 ou 1070, dans le but
d'améliorer la résistance à la corrosion. L'épaisseur du placage peut représenter,
selon l'épaisseur de la tôle d'âme, entre 2 et 12% de l'épaisseur totale.
Depuis plusieurs années, on a proposé d'utiliser pour les panneaux de fuselage, à la
place de l'alliage 2024 ou des alliages voisins, des alliages Al-Si-Mg de la série
6000. Ces alliages, également à traitement thermique, présentent de bonnes
caractéristiques mécaniques à l'état traité, un module d'élasticité élevé et une densité
plus faible que celle du 2024. Il s'agit de plus d'alliages facilement soudables, ce qui
permettrait de réduire le nombre des assemblages rivetés , qui sont une source de
surcoût, et également des sites de concentration de contraintes et d'initiation de
corrosion.
Le brevet US 4589932 (Alcoa) décrit l'utilisation, pour des éléments de structure
d'avions, d'un alliage, enregistré ultérieurement sous la désignation 6013, de
composition (% en poids) :
Si : 0,4 - 1,2 Mg : 0,5 - 1,3 Cu : 0,6 - 1,1 Mn : 0,1 - 1 Fe < 0,6
Le brevet EP 0173632, au nom de la demanderesse, décrit un alliage, enregistré ultérieurement sous la désignation 6056, de composition :
Si : 0,9 - 1,2 Mg : 0,7 - 1,1 Cu : 0,3 - 1,1 Mn : 0,25 - 0,75 Zn : 0,1 - 0,7 Zr : 0,07 - 0,2 Fe < 0,3
Le brevet EP 0787217, également au nom de la demanderesse, concerne un traitement de revenu particulier, conduisant à un état T78, pour un alliage du type 6056, de manière à le désensibiliser à 1a corrosion intercristalline, et à permettre ainsi son utilisation sans placage pour le fuselage des avions. Ce revenu se définit par une durée totale, mesurée en temps équivalent à 175°C, comprise entre 30 et 300 h, et de préférence entre 70 et 120 h. Ce développement a fait l'objet d'une communication de R. Dif, D. Béchet, T. Warner et H. Ribes : « 6056 T78 : A corrosion resistant copper-rich 6xxx alloy for aerospace applications » au congrès ICAA-6 (juillet 1998) à Toyohashi (Japon), et publié dans les Proceedings du congrès, pages 1991-1996.
La mise en forme des pièces se fait de préférence à l'état T4, dans lequel l'alliage 6056 présente une excellente formabilité. Le revenu est effectué sur les pièces formées et éventuellement soudées. L'utilisation du 6056 à l'état T78 conduit à une désensibilisation complète à la corrosion intercristalline du joint soudé ou du produit de base, et à des caractéristiques mécaniques statiques équivalentes à celles du 2024 T3 ou T351 plaqué. Cependant, il est apparu souhaitable d'améliorer les résultats obtenus en ce qui concerne la tolérance aux dommages, tout en conservant les propriétés mécaniques statiques et la désensibilisation à la corrosion intercristalline.
Si : 0,4 - 1,2 Mg : 0,5 - 1,3 Cu : 0,6 - 1,1 Mn : 0,1 - 1 Fe < 0,6
Le brevet EP 0173632, au nom de la demanderesse, décrit un alliage, enregistré ultérieurement sous la désignation 6056, de composition :
Si : 0,9 - 1,2 Mg : 0,7 - 1,1 Cu : 0,3 - 1,1 Mn : 0,25 - 0,75 Zn : 0,1 - 0,7 Zr : 0,07 - 0,2 Fe < 0,3
Le brevet EP 0787217, également au nom de la demanderesse, concerne un traitement de revenu particulier, conduisant à un état T78, pour un alliage du type 6056, de manière à le désensibiliser à 1a corrosion intercristalline, et à permettre ainsi son utilisation sans placage pour le fuselage des avions. Ce revenu se définit par une durée totale, mesurée en temps équivalent à 175°C, comprise entre 30 et 300 h, et de préférence entre 70 et 120 h. Ce développement a fait l'objet d'une communication de R. Dif, D. Béchet, T. Warner et H. Ribes : « 6056 T78 : A corrosion resistant copper-rich 6xxx alloy for aerospace applications » au congrès ICAA-6 (juillet 1998) à Toyohashi (Japon), et publié dans les Proceedings du congrès, pages 1991-1996.
La mise en forme des pièces se fait de préférence à l'état T4, dans lequel l'alliage 6056 présente une excellente formabilité. Le revenu est effectué sur les pièces formées et éventuellement soudées. L'utilisation du 6056 à l'état T78 conduit à une désensibilisation complète à la corrosion intercristalline du joint soudé ou du produit de base, et à des caractéristiques mécaniques statiques équivalentes à celles du 2024 T3 ou T351 plaqué. Cependant, il est apparu souhaitable d'améliorer les résultats obtenus en ce qui concerne la tolérance aux dommages, tout en conservant les propriétés mécaniques statiques et la désensibilisation à la corrosion intercristalline.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un élément de structure d'avion
à partir de produits laminés, filés ou forgés en alliage d'aluminium comportant :
- la coulée d'une ébauche de composition (% en poids) :
Si : 0,7 - 1,3 Mg : 0,6 - 1,1 Cu : 0,5 - 1,1 Mn : 0,3 - 0,8 Zn < 1 Fe < 0,30 Zr < 0,20 Cr < 0,25 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, - la transformation à chaud, et éventuellement à froid, de cette ébauche pour donner un produit,
- la mise en solution du produit entre 540 et 570°C,
- la trempe du produit,
- la réalisation de l'élément de structure par mise en forme du produit, et éventuellement soudage,
- le revenu de l'élément de structure, en un ou plusieurs paliers, pour lequel le temps équivalent total à 175°C exprimé en heures est compris entre (-160 + 57γ) et (-184 + 69γ), γ étant la somme des teneurs en % en poids Si + 2Mg + 2Cu.
Si : 0,7 - 1,1 Mg : 0,6 - 0,9 Cu : 0,5 - 0,7 Mn : 0,3 - 0,8 Zr < 0,2 Fe < 0,2 Zn < 0,5 Cr < 0,25 Mg/Si < 1, Si + 2Mg : 2 - 2,6
autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium,
et le revenu a une durée comprise entre 40 et 65 h de temps équivalent total à 175°C.
Elle a aussi pour objet un élément de fuselage d'avion réalisé à partir de produits de la composition préférentielle indiquée ci-dessus.
La figure 1 représente, sous forme de courbes de Wöhler, la durée de vie en fatigue
d'échantillons selon l'exemple 1 à l'état T6 et T78, avant et après exposition
prolongée en atmosphère marine.
La figure 2 représente les résultats des essais de corrosion intercristalline en fonction de la limite d'élasticité sens TL à l'état T4 pour les échantillons des exemples 6 et 7.
La figure 2 représente les résultats des essais de corrosion intercristalline en fonction de la limite d'élasticité sens TL à l'état T4 pour les échantillons des exemples 6 et 7.
L'invention repose sur la constatation qu'à l'intérieur du domaine de composition et
de revenu décrits dans le brevet EP 0787217, il existe un domaine restreint reliant les
éléments majeurs de la composition (Si, Mg et Cu) et le temps équivalent total à
175°C du revenu, tel que ce paramètre est défini dans EP 0787217, domaine pour
lequel on obtient, par rapport aux résultats divulgués dans les exemples de ce brevet
européen, une amélioration des caractéristiques mécaniques statiques et de la
tolérance aux dommages, sans influence néfaste sur la sensibilité à la corrosion
intercristalline. On peut ainsi relier à chaque composition d'alliage un facteur γ égal à
la somme des teneurs (en % en poids) Si + 2Mg + 2Cu, et à ce facteur γ une plage de
temps équivalent à 175°C pour le revenu comprise (en heures) entre (-160 + 57γ) et
(-184 + 69γ), et de préférence entre (-150 + 57γ) et (-184 + 69γ).
Plus particulièrement, les inventeurs ont mis en évidence qu'en déchargeant l'alliage par rapport aux compositions des exemples du brevet européen, c'est-à-dire en se plaçant plutôt dans la partie basse des plages de teneurs pour ces 3 éléments, tout en s'efforçant que ces éléments soient mis en solution aussi complètement que possible, l'alliage devenait moins sensible à la corrosion intercristalline à sur-revenu donné, et que par conséquent, on pouvait le désensibiliser avec un sur-revenu moins poussé. Ainsi, dans le domaine de composition préférentiel mentionné plus haut, avec notamment Cu < 0,7% et Si + 2Mg < 2,6%, le temps équivalent à 175°C du revenu pour atteindre l'état T78 avec désensibilisation totale se situe entre 40 et 65 h, soit en dessous de la plage préférentielle (70 à 120 h) indiquée dans le brevet EP 0787217. Cependant, pour obtenir une résistance mécanique suffisante, il est nécessaire de maintenir Cu > 0,5% et Si + 2Mg > 2,0 et de préférence > 2,3%.
Dans ce domaine de composition préférentiel, associé à un revenu T78 à temps équivalent à 175°C compris entre 40 et 65 h, on peut obtenir, outre une désensibilisation complète à la corrosion intercristalline, le niveau de propriétés suivant en matière de caractéristiques mécaniques statiques, de ténacité et de vitesse de propagation de fissures
Plus particulièrement, les inventeurs ont mis en évidence qu'en déchargeant l'alliage par rapport aux compositions des exemples du brevet européen, c'est-à-dire en se plaçant plutôt dans la partie basse des plages de teneurs pour ces 3 éléments, tout en s'efforçant que ces éléments soient mis en solution aussi complètement que possible, l'alliage devenait moins sensible à la corrosion intercristalline à sur-revenu donné, et que par conséquent, on pouvait le désensibiliser avec un sur-revenu moins poussé. Ainsi, dans le domaine de composition préférentiel mentionné plus haut, avec notamment Cu < 0,7% et Si + 2Mg < 2,6%, le temps équivalent à 175°C du revenu pour atteindre l'état T78 avec désensibilisation totale se situe entre 40 et 65 h, soit en dessous de la plage préférentielle (70 à 120 h) indiquée dans le brevet EP 0787217. Cependant, pour obtenir une résistance mécanique suffisante, il est nécessaire de maintenir Cu > 0,5% et Si + 2Mg > 2,0 et de préférence > 2,3%.
Dans ce domaine de composition préférentiel, associé à un revenu T78 à temps équivalent à 175°C compris entre 40 et 65 h, on peut obtenir, outre une désensibilisation complète à la corrosion intercristalline, le niveau de propriétés suivant en matière de caractéristiques mécaniques statiques, de ténacité et de vitesse de propagation de fissures
- une limite d'élasticité R0,2 (sens TL) > 330 MPa, une résistance à la rupture Rm (sens TL) > 360 MPa et un allongement A (sens TL) > 8%.
- une ténacité en contrainte plane, mesurée dans le sens T-L, selon la norme ASTM
E561, telle que l'une au moins des propriétés suivantes soit vérifiée :
- KR (Δa = 20 mm) > 90 MPa√m
- KR (Δa = 40 mm) > 115 MPa√m
- Kc0 > 80 MPa√m
- Kc > 110 MPa√m
Les mesures sont effectuées sur une éprouvette CCT de largeur W = 760 mm et de
longueur de fissure initiale 2a0 = 253 mm. L'essai permet de définir la courbe R du
matériau, donnant la résistance à la déchirure KR en fonction de l'extension de la
fissure Δa. On peut ensuite calculer à partir de cette courbe, et selon la procédure
indiquée par L. Schwarmann dans Aluminium, 1991, vol.67, n° 5, p. 479, les
ténacités apparente Kc0 et effective Kc qui correspondent à la rupture d'une
éprouvette virtuelle de type CCT de largeur W = 400 mm et de longueur de fissure
initiale 2a0 = 133 mm.
- une ténacité dans le sens L-T, mesurée dans les mêmes conditions que celle dans
le sens T-L, telle que l'une au moins des propriétés suivantes soit vérifiée :
- Kc0 > 90 MPa√m
- Kc > 130MPa√m.
- une vitesse de propagation de fissures da/dn, mesurée dans le sens T-L selon la
norme ASTM E647 pour R = 0,1 sur une éprouvette de type CCT de largeur W =
160 mm, inférieure à :
- 2 10-3 mm/cycle pour ΔK = 20 MPa√m
- 4 10-3 mm/cycle pour ΔK = 25 MPa√m
- 8 10-3 mm/cycle pour ΔK = 30 MPa√m
Cet ensemble de propriétés, associé au fait que l'alliage est soudable, le rend particulièrement apte à la fabrication d'éléments de structure d'avions, notamment de fuselage.
Il est également possible d'utiliser l'alliage, dans la composition préférentielle de l'invention, à l'état T6. Le niveau de propriétés obtenues à cet état T6 avec la composition préférentielle de l'invention, en matière de caractéristiques mécaniques statiques, de ténacité et de vitesse de propagation de fissures est le suivant :
- une limite d'élasticité R0,2 (sens TL) > 350 MPa, une résistance à la rupture Rm (sens TL) > 380 MPa et un allongement A (sens TL) > 6%.
- une ténacité dans le sens T-L, mesurée dans les mêmes conditions que pour
l'état T78 mentionné plus haut, telle que l'une au moins des propriétés suivantes
soit vérifiée : - KR (Δa = 20 mm) > 95 MPa√m
- KR (Δa = 40 mm) > 120 MPa√m
- Kc0 > 85 MPa√m
- Kc> 115 MPa√m
- une ténacité mesurée dans le sens L-T dans les mêmes conditions, telle que l'une
au moins des propriétés suivantes soit vérifiée :
- Kc0 > 100 MPa√m
- Kc > 150 MPa√m.
- une vitesse de propagation de fissures da/dn, mesurée dans les mêmes
conditions qu'à l'état T78, inférieure à :
- 2 10-3 mm/cycle pour ΔK = 20 MPa√m
- 4 10-3 mm/cycle pour ΔK = 25 MPa√m
- 8 10-3 mm/cycle pour ΔK = 30 MPa√m
Le procédé de fabrication selon l'invention comporte la coulée d'une ébauche an alliage de la composition mentionnée, cette ébauche étant une plaque pour les produits laminés, une billette pour les produits filés ou un bloc de forge pour les produits forgés. L'ébauche est scalpée, puis réchauffée avant sa transformation à chaud par laminage, filage ou forgeage, et éventuellement transformée à froid. Après découpe au format approprié, le demi-produit obtenu est mis en solution à une température comprise entre 540 et 570°C, trempé, généralement à l'eau froide, et parachevé, cette dernière étape ayant essentiellement pour but de résorber les déformations du demi-produit issu de le trempe. C'est le plus souvent à cet état T4 que le produit est livré pour la mise en forme de l'élément de structure, et éventuellement son soudage. L'élément mis en forme et, le cas échéant soudé, est soumis ensuite au traitement de revenu selon l'invention.
La demanderesse a constaté qu'il est avantageux d'ajouter, avant le scalpage, une étape d'homogénéisation à une température comprise entre 540 et 570°C. Cette homogénéisation peut être du type mono-palier, ou du type bi-palier, le second palier étant à une température supérieure au premier. Elle contribue à améliorer la formabilité du produit à l'état T4, ainsi qu'à diminuer la taille de grain, ce qui conduit à une diminution de la rugosité du métal lorsque celui-ci subit un usinage chimique. Or, une rugosité trop importante peut entraíner l'amorçage de micro-fissures en fatigue. Par ailleurs, les essais ont montré que la désensibilisation à la corrosion intercristalline est d'autant plus efficace que le métal est plus écroui à l'état T4. Cet écrouissage peut résulter des opérations de parachèvement telles que le défripage ou le planage par rouleaux ou par traction dans le cas des tôles, et la traction ou l'étirage dans le cas des profilés. Il peut résulter également des opérations de mise en forme des pièces par roulage, étirage-formage, emboutissage, fluotournage ou pliage. Cet écrouissage, d'au moins 1%, et de préférence d'au moins 2% d'allongement permanent, peut être relativement important, par exemple jusqu'à 10%, voire 15% d'allongement permanent ; en effet, on constate, de manière surprenante, qu'un écrouissage important, bien qu'il accélère la cinétique de revenu, ne fait pas diminuer la limite d'élasticité à l'état T78 par rapport au même produit non écroui.
Cette possibilité d'utiliser un écrouissage important améliorant la résistance à la corrosion intercristalline est particulièrement utile dans le cas, assez fréquent dans la fabrication du fuselage d'un avion, où on doit assembler des tôles minces et des profilés. La demanderesse a constaté, en effet, que la désensibilisation à la corrosion intercristalline est plus difficile à réaliser sur les profilés que sur les tôles, sans doute à cause de la différence de structure métallurgique entre eux. Si on procède à la mise en forme séparée des tôles et des profilés, puis à leur soudage avant le revenu, celui-ci risque de conduire à une différence de résistance à la corrosion entre les parties issues de profilés et celles issues de tôles. Pour remédier à cet inconvénient, plutôt que de choisir un revenu très poussé pour désensibiliser les profilés, ce qui conduirait à une perte de résistance mécanique importante, il est préférable de garder le revenu T78 adapté à la désensibilisation des tôles, et de soumettre les profilés à un écrouissage supplémentaire pour amener leur résistance à la corrosion intercristalline au même niveau que celle des tôles minces.
On a coulé une plaque de composition (% en poids) correspondant à l'exemple 3 du
brevet EP 0787217, à savoir : Si : 0,92 Mg : 0,86 Cu : 0,87 Mn : 0,55
Fe : 0,19 Zn : 0,15 Zr : 0,10 soit Mg/Si = 0,93 et Si + 2Mg = 2,64
La plaque a été réchauffée à 530°C, scalpée, laminée à chaud puis à froid jusqu'à
l'épaisseur de 3,2 mm. Des échantillons de la tôle obtenue ont été mis en solution à
550°C, trempés à l'eau, parachevés et soumis à un revenu. Pour les uns, le revenu a
été de 8 h à 175°C pour obtenir l'état T6, c'est-à-dire l'état correspondant à la
résistance mécanique maximale ; pour les autres, il a été de 6 h à 175°C puis 2 h à
220°C, soit un temps équivalent à 175°C de 95 h, pour obtenir l'état T78, comme
indiqué dans l'exemple 3 du brevet EP 0787217.
On a mesuré les caractéristiques mécaniques dans le sens TL, à savoir la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement R0,2 (en MPa), et l'allongement à la rupture A (en %), ainsi que la sensibilité à la corrosion intercristalline (CI) selon la norme militaire américaine MIL-H-6088. On définit une désensibilisation complète par l'absence de ramifications de corrosion de plus de 5 µm de long. Les résultats sont donnés au tableau 1 :
On a mesuré les caractéristiques mécaniques dans le sens TL, à savoir la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement R0,2 (en MPa), et l'allongement à la rupture A (en %), ainsi que la sensibilité à la corrosion intercristalline (CI) selon la norme militaire américaine MIL-H-6088. On définit une désensibilisation complète par l'absence de ramifications de corrosion de plus de 5 µm de long. Les résultats sont donnés au tableau 1 :
| Etat | R0,2 (TL) | Rm (TL) | A (TL) | Sensibilité CI |
| T6 | 364 | 408 | 7 | Oui |
| T78 | 304 | 343 | 8 | Non |
Pour l'état T78, on a mesuré également la ténacité par la méthode de la courbe R,
selon la norme ASTM E 561. L'essai, effectué sur une éprouvette de type CCT de
largeur W = 760 mm et de longueur de fissure centrale 2a0 = 253 mm, permet de
déduire la courbe qui relie la résistance à la déchirure KR à l'accroissement de la
fissure Δa. Pour le sens T-L, on a reporté au tableau 2 la valeur de KR pour des
accroissements de fissure Δa = 20 mm et Δa = 40 mm.
La courbe R permet aussi, par exemple par la méthode de L. Schwarmann mentionnée plus haut, de déterminer par le calcul les ténacités en contrainte plane Kc0 (ténacité apparente) et Kc (ténacité effective), en MPa√m, qui correspondent aux facteurs d'intensité de contrainte critiques pour une éprouvette CCT, qui aurait pour largeur W = 400 mm et pour longueur de fissure initiale 2 a0 = 133 mm. Les résultats dans les sens T-L et L-T sont également donnés au tableau 2 :
La courbe R permet aussi, par exemple par la méthode de L. Schwarmann mentionnée plus haut, de déterminer par le calcul les ténacités en contrainte plane Kc0 (ténacité apparente) et Kc (ténacité effective), en MPa√m, qui correspondent aux facteurs d'intensité de contrainte critiques pour une éprouvette CCT, qui aurait pour largeur W = 400 mm et pour longueur de fissure initiale 2 a0 = 133 mm. Les résultats dans les sens T-L et L-T sont également donnés au tableau 2 :
| Etat | KR(T-L) Δa=20mm | KR(T-L) Δa=40mm | Kc0 (T-L) | Kc (T-L) | Kc0 (L-T) | Kc (L-T) |
| T78 | 89,5 | 107,5 | 75,2 | 105,9 | 88,8 | 137,8 |
On a mesuré également à l'état T78 la vitesse de propagation de fissure de fatigue
da/dn dans le sens T-L (en mm/cycle) pour R = 0,1 (rapport entre contrainte
minimale et maximale) et pour différentes valeurs de ΔK (en MPa√m) selon la norme
ASTM E 647. Les résultats, obtenus sur éprouvettes de type CCT de largeur W = 160
mm, sont indiqués au tableau 3 :
| Etat | ΔK = 20 MPa√m | ΔK = 25 MPa√m | ΔK = 30 MPa√m |
| T78 | 10-3 | 3 10-3 | 6,3 10-3 |
On a coulé une plaque de composition incluse dans la composition préférentielle de
la présente invention : Si = 0,93 Mg = 0,75 Cu = 0,60 Mn = 0,63 Fe =
0,10 Zn = 0,16 ce qui correspond à Mg/Si = 0,81 et Si + 2Mg = 2,43
La plaque a été transformée dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, sauf en ce qui concerne le revenu à l'état T78. Une partie des échantillons a subi un revenu de 6 h à 175°C puis 5 h à 210°C, soit un temps équivalent total à 175°C de 105 h, conforme à l'enseignement préférentiel du brevet EP 0787217. Une autre partie a subi un revenu de 6 h à 175 °C puis 13 h à 190°C, soit un temps équivalent total à 175°C de 55 h, conforme à la présente invention. On a procédé pour les états T6 et T78 105 h et 55 h aux mêmes mesures que dans l'exemple 1. Les résultats sont rassemblés aux tableaux 4,5 et 6.
La plaque a été transformée dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, sauf en ce qui concerne le revenu à l'état T78. Une partie des échantillons a subi un revenu de 6 h à 175°C puis 5 h à 210°C, soit un temps équivalent total à 175°C de 105 h, conforme à l'enseignement préférentiel du brevet EP 0787217. Une autre partie a subi un revenu de 6 h à 175 °C puis 13 h à 190°C, soit un temps équivalent total à 175°C de 55 h, conforme à la présente invention. On a procédé pour les états T6 et T78 105 h et 55 h aux mêmes mesures que dans l'exemple 1. Les résultats sont rassemblés aux tableaux 4,5 et 6.
| Etat | R0,2 (TL) | Rm (TL) | A (TL) | Sensibilité CI |
| T6 | 360 | 397 | 7,5 | Oui |
| T78 (105 h) | 305 | 337 | 10,5 | Non |
| T78 (55 h) | 339 | 367 | 9,2 | Non |
On constate que le revenu à 55 h de temps équivalent améliore nettement la
résistance mécanique par rapport à celui à 105 h de temps équivalent, tout en
présentant la même désensibilisation à la corrosion intercristalline.
| Etat | KR (T-L) Δa=20mm | KR (T-L) Δa=40mm | Kc0 (T-L) | Kc (T-L) | Kc0 (L-T) | Kc (L-T) |
| T6 | 101,1 | 126,2 | 87,9 | 121,7 | 104,4 | 155,1 |
| T78 105h | 94,4 | 119,6 | 83,1 | 117,5 | 91,6 | 137,9 |
| T78 55h | 96,5 | 125 | 86,9 | 125,7 |
On constate d'une part qu'à revenu identique, la variation de composition entre
l'exemple 1 et l'exemple 2 conduit à une amélioration de la ténacité, quelque soit le
paramètre de mesure utilisé, et que d'autre part, à composition identique, le revenu à
55 h de temps équivalent améliore également la ténacité.
| Etat | ΔK = 20 MPa√m | ΔK = 25 MPa√m | ΔK = 30 MPa√m |
| T6 | 1,2 10-3 | 3 10-3 | 5 10-3 |
| T78 (105 h) | 10-3 | 2 10-3 | 4 10-3 |
| T78 (55 h) | 1,2 10-3 | 3 10-3 | 5 10-3 |
On constate qu'avec le revenu et la composition préférentielle selon l'invention, il
n'y a pas de dégradation de da/dn entre l'état T6 et l'état T78.
Sur les mêmes tôles à l'état T6 et T78, on a prélevé des ébauches d'éprouvettes de
fatigue qui ont été exposées pendant un an en atmosphère marine sur la côte
méditerranéenne. Après usinage, les éprouvettes, présentant un facteur de
concentration de contrainte proche de 1, ont été testées en fatigue-endurance, pour
déterminer le nombre de cycles à rupture, à différents niveaux de contrainte et à la
fréquence de 30Hz, pour un rapport de charge R = 0,1. Les résultats sont représentés
à la figure 1 sous la forme de courbes de Wöhler, à la fois sur le matériau non
corrodé (en traits pleins) et sur les éprouvettes corrodées (points individuels).
Ces résultats montrent l'avantage du traitement T78 par rapport au traitement T6 en terme d'abattement de la tenue en fatigue après exposition à la corrosion.
Ces résultats montrent l'avantage du traitement T78 par rapport au traitement T6 en terme d'abattement de la tenue en fatigue après exposition à la corrosion.
On a coulé 3 plaques en alliages A, B et C, dont les compositions (en poids %),
incluses dans le domaine de composition préférentiel de l'invention, et les épaisseurs
finales de laminage e, sont indiquées au tableau 7 :
| alliage | e (mm) | Si | Mg | Cu | Mn | Fe | Zn | Si+2Mg |
| A | 1,4-3,2 | 0,93 | 0,75 | 0,60 | 0,63 | 0,10 | 0,16 | 2,43 |
| B | 4-8 | 0,91 | 0,76 | 0,64 | 0,59 | 0,13 | 0,17 | 2,43 |
| C | 4,5-6 | 0,94 | 0,80 | 0,64 | 0,56 | 0,10 | 0,13 | 2,54 |
Les plaques ont été transformées de manière identique à celles des exemples
précédents jusqu'au revenu, à ceci près que, pour les épaisseurs supérieures ou égales
à 4,5 mm, indiquées au tableau 7, il n'y a pas eu de laminage à froid. On a effectué
pour tous les échantillons le même revenu 6 h à 175°C + 13 h à 190°C, soit un temps
équivalent total à 175°C de 55 h. On a effectué les mêmes mesures que dans les
exemples précédents : caractéristiques mécaniques statiques sens TL R0,2 (en MPa),
Rm (en MPa) et A (en %), sensibilité à la corrosion intercristalline, ténacité sens T-L
(en MPa√m), et vitesse de propagation de fissures (sens T-L). Les résultats sont
indiqués aux tableaux 8, 9 et 10.
| Alliage-ép. | R0,2 (TL) | Rm (TL) | A (TL) | Sensibilité CI |
| A 1,4 mm | 337 | 363 | 8,3 | Non |
| A 3,2 mm | 339 | 367 | 9,2 | Non |
| B 4 mm | 340 | 369 | 9,1 | Non |
| B 8 mm | 345 | 371 | 8,9 | Non |
| C 4,5 mm | 337 | 367 | 9,4 | Non |
| C 6 mm | 351 | 379 | 9,4 | Non |
| Alliage-ép. | KR(T-L) Δa=20mm | KR(T-L) Δa=40mm | Kc0 (T-L) | Kc (T-L) |
| A 1,4 mm | 90 | 122,5 | 85,5 | 129,7 |
| A 3,2 mm | 95,5 | 125 | 86,9 | 125,7 |
| B 8 mm | 110 | 134 | 93,8 | 126,1 |
| C 4,5 mm | 98,5 | 121,5 | 84,9 | 114,7 |
| Alliage-ép. | ΔK = 20 MPa√m | ΔK = 25 MPa√m | ΔK = 30 MPa√m |
| A 1,4 mm | 1,3 10-3 | 2,5 10-3 | 5,2 10-3 |
| A 3,2 mm | 1,1 10-3 | 3 10-3 | 4,8 10-3 |
| B 8 mm | 8 10-4 | 2,3 10-3 | 4,1 10-3 |
| C 4,5 mm | 1,1 10-3 | 2,8 10-3 | 4,3 10-3 |
On constate que, pour toutes les épaisseurs, et qu'il y ait eu ou non un laminage à
froid, les valeurs mesurées pour les caractéristiques mécaniques statiques et les
ténacités sont supérieures aux valeurs minimales indiquées plus haut pour l'état T78,
et les vitesses de propagation de fissures da/dn sont inférieures aux valeurs
maximales indiquées plus haut pour ce même état.
On a coulé un alliage de composition (% en poids) : Si = 1,01 Mg = 0,71
Cu = 0,67 Mn = 0,55 Fe = 0,14 Zn = 0,15 reste aluminium.
Une première plaque de cet alliage a été soumise à la gamme de fabrication A comportant les étapes suivantes : homogénéisation de 4 h à 540°C + 24 h à 565°C, scalpage, réchauffage à 530°C, laminage à chaud d'une bande jusqu'à 4,5 mm, débitage de la bande en tôles, mise en solution au four à air de 40 mn à 550°C, trempe à eau, parachèvement, revenu T6 de 8 h à 175°C.
Une seconde plaque a subi une gamme de fabrication B comportant les mêmes étapes à l'exception de l'homogénéisation préalable. On a mesuré à l'état T4 (avant revenu) la taille de grain (épaisseur e et longueur l), en surface et à mi-épaisseur de la tôle, par microscopie optique sur coupe polie, ainsi que la distribution des dispersoïdes Al-Mn-Si en microscopie électronique en transmission. Cette distribution est évaluée par le paramètre ECD (Equivalent Circle Diameter) = √4A/π dans lequel A est l'aire des phases observées sur la coupe micrographique. Pour caractériser la formabilité, on utilise le paramètre LDH (Limit Dome Height). Ce paramètre est défini dans la demande de brevet EP 1045043 au nom de la demanderesse. Les résultats sont indiqués au tableau 11 :
Une première plaque de cet alliage a été soumise à la gamme de fabrication A comportant les étapes suivantes : homogénéisation de 4 h à 540°C + 24 h à 565°C, scalpage, réchauffage à 530°C, laminage à chaud d'une bande jusqu'à 4,5 mm, débitage de la bande en tôles, mise en solution au four à air de 40 mn à 550°C, trempe à eau, parachèvement, revenu T6 de 8 h à 175°C.
Une seconde plaque a subi une gamme de fabrication B comportant les mêmes étapes à l'exception de l'homogénéisation préalable. On a mesuré à l'état T4 (avant revenu) la taille de grain (épaisseur e et longueur l), en surface et à mi-épaisseur de la tôle, par microscopie optique sur coupe polie, ainsi que la distribution des dispersoïdes Al-Mn-Si en microscopie électronique en transmission. Cette distribution est évaluée par le paramètre ECD (Equivalent Circle Diameter) = √4A/π dans lequel A est l'aire des phases observées sur la coupe micrographique. Pour caractériser la formabilité, on utilise le paramètre LDH (Limit Dome Height). Ce paramètre est défini dans la demande de brevet EP 1045043 au nom de la demanderesse. Les résultats sont indiqués au tableau 11 :
| Gamme | e grain surface (µm) | 1 grain surface (µm) | e grain mi-ép. (µm) | 1 grain mi-ép. (µm) | ECD (nm) | LDH (mm) |
| A | 27 | 143 | 23 | 140 | 271 | 92 |
| B | 40 | 316 | 30 | 320 | 108 | 73 |
On constate qu'à l'état T4, c'est-à-dire l'état dans lequel les tôles sont livrées le plus
souvent au constructeur aéronautique qui effectue la mise en forme, puis le revenu, la
gamme A avec homogénéisation conduit à une taille de grain plus faible, et donc une
rugosité plus faible après usinage chimique, et une meilleure formabilité.
On a comparé également les caractéristiques mécaniques statiques R0,2 (en MPa), Rm
(en MPa) et A (en %) sens L et TL à l'état T6 pour les deux gammes. Les résultats
sont indiqués au tableau 12 :
| Gamme | R0,2 (TL) | Rm (TL) | A (TL) | R0,2 (L) | Rm (L) | A (L) |
| A | 361 | 390 | 11,3 | 374 | 386 | 12,0 |
| B | 359 | 389 | 10,5 | 367 | 386 | 12,7 |
On peut conclure que l'homogénéisation n'a pas d'effet significatif sur les
caractéristiques mécaniques à l'état T6.
On a coulé une plaque en alliage de composition (% en poids) : Si = 0,82 Mg = 0,68
Cu = 0,55 Mn = 0,57 Fe = 0,13 Zn = 0,14 reste aluminium.
Cette plaque a été soumise à la gamme de fabrication suivante : homogénéisation de 4 h à 540°C + 24 h à 565°C, scalpage, réchauffage à 530°C, laminage à chaud d'une bande jusqu'à 5 mm, débitage de la bande en tôles, mise en solution au four à air de 40 mn à 550°C, trempe à eau, parachèvement, revenu T78 de 6 h à 175°C + 13 h à 190°C (soit 55 h de temps équivalent à 175°C).
On a mesuré les caractéristiques mécaniques statiques R0,2, Rm (en MPa) et A (en %) sens TL à cet état T78, ainsi que la ténacité sens T-L (en MPa√m), la vitesse de propagation de fissures sens T-L, et la sensibilité à la corrosion intercristalline de la même manière qu'aux exemples 1, 2 et 3. Les résultats sont indiqués aux tableaux 13, 14 et 15 :
Cette plaque a été soumise à la gamme de fabrication suivante : homogénéisation de 4 h à 540°C + 24 h à 565°C, scalpage, réchauffage à 530°C, laminage à chaud d'une bande jusqu'à 5 mm, débitage de la bande en tôles, mise en solution au four à air de 40 mn à 550°C, trempe à eau, parachèvement, revenu T78 de 6 h à 175°C + 13 h à 190°C (soit 55 h de temps équivalent à 175°C).
On a mesuré les caractéristiques mécaniques statiques R0,2, Rm (en MPa) et A (en %) sens TL à cet état T78, ainsi que la ténacité sens T-L (en MPa√m), la vitesse de propagation de fissures sens T-L, et la sensibilité à la corrosion intercristalline de la même manière qu'aux exemples 1, 2 et 3. Les résultats sont indiqués aux tableaux 13, 14 et 15 :
| Gamme | R0,2 (TL) | Rm (TL) | A (TL) | Sensibilité CI |
| Homog.+T78 | 337 | 359 | 11 | Non |
| Etat | KR(T-L) Δa=20mm | KR(T-L) Δa=40mm | Kc0(T-L) | Kc(T-L) |
| Homog + T78 | 115 | 142 | 98,8 | 136 |
| Etat | ΔK = 20 MPa√m | ΔK = 25 MPa√m | ΔK = 30 MPa√m |
| Homog.+T78 | 1,1 10-3 | 2,1 10-3 | 4,0 10-3 |
Si on compare ces résultats à ceux du tableau 4 de l'exemple 2, on remarque que, à
l'état T78 également, l'homogénéisation n'a pas d'effet significatif sur les
caractéristiques mécaniques, la vitesse de propagation de fissures ni sur la sensibilité
à la corrosion intercristalline, mais semble augmenter la ténacité mesurée par la
courbe R.
On a prélevé des échantillons sur les tôles de l'exemple 3 et de l'exemple 5 à
différentes épaisseurs et avec différents types de parachèvement, comportant l'une au
moins des opérations de défripage (D), planage par rouleaux (P) ou planage par
traction (T). On a mesuré dans chaque cas la limite d'élasticité R0,2 dans le sens TL
(en MPa) à l'état T4 et à l'état T78, ainsi que la sensibilité à la corrosion
intercristalline à l'état T78. Cette corrosion a été qualifiée de « légère » lorsqu'elle
fait apparaítre des piqûres avec de courtes ramifications intergranulaires. Les
résultats sont indiqués au tableau 16 :
| Ex.-alliage | e (mm) | Parach. | R0,2 (TL) T4 | R0,2 T78 | Sens. CI |
| 3 A | 1,4 | D+P+T | 218 | 337 | Non |
| 3 A | 3,2 | D+P+T | 215 | 339 | Non |
| 3 B | 4 | D+P+T | 218 | 340 | Non |
| 3 B | 8 | T | 181 | 345 | Légère |
| 3 C | 4,5 | D+P+T | 203 | 337 | Non |
| 3 C | 6 | T | 198 | 351 | Légère |
| 5 | 2,2 | D+P+T | 179 | 340 | Oui |
| 5 | 2,2 | D+P+T | 211 | 336 | Légère |
| 5 | 2,5 | D+P+T | 224 | 332 | Non |
| 5 | 2,5 | D+P+T | 200 | 330 | Légère |
| 5 | 3,2 | D+P+T | 245 | 326 | Non |
| 5 | 5 | P+T | 218 | 337 | Non |
Les résultats reportés à la figure 2 montrent, pour une composition donnée, une
corrélation nette entre la résistance à la corrosion intercristalline à l'état T78 et la
limite d'élasticité à l'état T4.
A partir de la tôle correspondant à la 7ème ligne du tableau 14 (composition de
l'exemple 5, épaisseur 2,2 mm), on a réalisé en laboratoire différents parachèvements
à l'état T4 consistant en une traction contrôlée à 3,2% d'allongement permanent, et
un laminage à froid à différents niveaux d'allongement permanent entre 2,6 et 8,7%.
Les échantillons ainsi obtenus ont été soumis d'une part à un revenu A de 6 h à
175°C + 13h à 190°C, correspondant à un état T78 avec temps équivalent à 175°C de
55 h, et d'autre part à un revenu B de 6 h à 175°C + 6 h à 190°C, état légèrement sur-revenu
avec un temps équivalent à 175°C de 31 h, permettant d'exacerber la
sensibilité à la corrosion intercristalline. On a mesuré la limite d'élasticité (en MPa)
et l'allongement (en %) sens TL à l'état T4 et la limite d'élasticité sens TL à l'état
T78 après revenu A (tableau 17), ainsi que la sensibilité à la corrosion intercristalline
pour les revenus A et B, en indiquant la profondeur de l'attaque (en µm) et l'étendue
de l'attaque en % de la surface affectée (tableau 18).
| Parachèvement | R0,2 (T4-TL) | R0,2 (T78-TL) | A (T4-TL) |
| Sans | 191 | 337 | 24,6 |
| Traction 3,2% | 234 | 330 | 21,7 |
| Laminage 2,6% | 235 | 333 | 21,4 |
| Laminage 3,5% | 236 | 332 | 21,1 |
| Laminage 5,3% | 261 | 336 | 18,7 |
| Laminage 8,7% | 285 | 340 | 16,4 |
| Parachèvement | Revenu A Sensibilité CI | Profondeur Etendue | Revenu B Sensibilité CI | Profondeur Etendue |
| Sans | Oui | 190 µm-10% | Oui | 150 µm-20% |
| Traction 3,2% | Légère | 10 µm | Oui | 140 µm-1% |
| Laminage 2,6% | Légère | 10 µm | Oui | 190 µm-5% |
| Laminage 3,5% | Non | - | Oui | 125 µm-10% |
| Laminage 5,3% | Non | - | Oui | 25 µm-1% |
| Laminage 8,7% | Non | - | Non | - |
On constate à nouveau la corrélation entre la limite d'élasticité à l'état T4 et la
désensibilisation à la corrosion intercristalline à l'état T78. On constate par ailleurs
qu'un taux d'écrouissage élevé n'entraíne pas de dégradation de la limite d'élasticité
après revenu, comme on aurait pu s'y attendre, puisqu'on accélère la cinétique de
revenu.
Claims (20)
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Claims (20)
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- Procédé de fabrication d'un élément de structure d'avion à partir de produits laminés, filés ou forgés en alliage d'aluminium comportant :la coulée d'une ébauche de composition (% en poids) :
Si : 0,7 - 1,3 Mg : 0,6 - 1,1 Cu : 0,5 -1,1 Mn : 0,3 - 0,8 Zn < 1 Fe < 0,30 Zr < 0,20 Cr < 0,25 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium,la transformation à chaud, et éventuellement à froid, de cette ébauche pour obtenir un produit,la mise en solution du produit entre 540 et 570°C,la trempe du produit,la réalisation de l'élément de structure par mise en forme du produit, et éventuellement soudage,le revenu de l'élément de structure, en un ou plusieurs paliers, pour lequel le temps équivalent total à 175°C exprimé en heures est compris entre (-160 + 57γ) et (-184 + 69γ), γ étant la somme des teneurs en % en poids Si + 2Mg + 2Cu. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est homogénéisée à une température comprise entre 540 et 570°C.
- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le produit trempé est soumis, avant revenu, à un écrouissage à froid conduisant à un allongement permanent compris entre 1 et 15%.
- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'écrouissage à froid conduit à un allongement permanent compris entre 2 et 10%.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revenu a un temps équivalent total à 175°C (en h) compris entre (-150 + 57γ) et (-184 + 69γ).
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la composition des produits est la suivante (% en poids) :
Si : 0,7 - 1,1 Mg : 0,6 - 0,9 Cu : 0,5 - 0,7 Mn : 0,3 - 0,8 Zr < 0,2 Fe < 0,2 Zn < 0,5 Cr < 0,25 Mg/Si < 1, Si + 2Mg :
2,0 - 2,6 autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium. - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que Si + 2Mg est compris entre 2,3 et 2,6.
- Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le temps équivalent total de revenu à 175°C est compris entre 40 et 65 h.
- Procédé de fabrication d'un élément de structure d'avion selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte l'assemblage de tôles et de profilés et que les profilés subissent avant assemblage et revenu un écrouissage supplémentaire par rapport aux tôles de manière à porter leur résistance à la corrosion intercristalline sensiblement au même niveau.
- Elément de fuselage d'avion, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un produit laminé, filé ou forgé en alliage de composition (% en poids) :
Si : 0,7 - 1,1 Mg : 0,6 - 0,9 Cu : 0,5 - 0,7 Mn : 0,3 - 0,8 Zr < 0,2 Fe < 0,2 Zn < 0,5 Cr < 0,25 Mg/Si < 1, Si + 2Mg : 2,0 - 2,6 autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium,
mis en solution, trempé, formé et revenu à l'état T78 avec un temps équivalent total à 175°C compris entre 40 et 65 h. - Elément de fuselage selon la revendication 10, caractérisé en ce que Si + 2Mg est compris entre 2,3 et 2,6
- Elément de fuselage selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il présente dans le sens TL, une limite d'élasticité R0,2 > 330 MPa, une résistance à la rupture Rm > 360 MPa et un allongement A > 8%.
- Elément de fuselage selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il présente une ténacité en contrainte plane dans le sens T-L telle que l'une au moins des propriétés suivantes soit vérifiée :KR (Δa = 20 mm) > 90 MPa√mKR (Δa = 40 mm) > 115 MPa√mKc0 > 80 MPa√mKc > 110 MPa√m
- Elément de fuselage selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il présente une ténacité en contrainte plane dans le sens L-T telle que :
Kc0 > 90 MPa√m ou Kc > 130MPa√m. - Elément de fuselage selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il présente une vitesse de propagation de fissures da/dn, mesurée dans le sens T-L pour R = 0,1, inférieure à :2 10-3 mm/cycle pour ΔK = 20 MPa√m4 10-3 mm/cycle pour ΔK = 25 MPa√m8 10-3 mm/cycle pour ΔK = 30 MPa√m
- Elément de fuselage réalisé à partir d'un produit laminé, filé ou forgé en alliage de composition (% en poids) :
Si : 0,7 - 1,1 Mg: 0,6 - 0,9 Cu : 0,5 - 0,7 Mn : 0,3 - 0,8 Zr < 0,2 Fe < 0,2 Zn < 0,5 Cr < 0,25 Mg/Si < 1, Si + 2Mg : 2,0 - 2,6 autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium, mis en solution, trempé, formé et revenu à l'état T6. - Elément de fuselage selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il présente dans le sens TL, une limite d'élasticité R0,2 > 350 MPa, une résistance à la rupture Rm > 380 MPa et un allongement A > 6%.
- Elément de fuselage selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il présente une ténacité en contrainte plane dans le sens T-L telle que l'une au moins des propriétés suivantes soit vérifiée :KR (Δa = 20 mm) > 95 MPa√mKR (Δa = 40 mm) > 120 MPa√mKc0 > 85 MPa√mKc > 115 MPa√m
- Elément de fuselage selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'il présente une ténacité en contrainte plane dans le sens L-T telle que :
Kc0 > 100 MPa√m ou Kc > 150 MPa√m. - Elément de fuselage selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé en ce qu'il présente une vitesse de propagation de fissures da/dn, mesurée dans le sens T-L pour R = 0,1 inférieure à :2 10-3 mm/cycle pour ΔK = 20 MPa√m4 10-3 mm/cycle pour ΔK = 25 MPa√m8 10-3 mm/cycle pour ΔK = 30 MPa√m