EP1766102A1 - Procede de fabrication de produits en alliage d'aluminium a haute tenacite et haute resistance a la fatigue - Google Patents

Procede de fabrication de produits en alliage d'aluminium a haute tenacite et haute resistance a la fatigue

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EP1766102A1
EP1766102A1 EP05778801A EP05778801A EP1766102A1 EP 1766102 A1 EP1766102 A1 EP 1766102A1 EP 05778801 A EP05778801 A EP 05778801A EP 05778801 A EP05778801 A EP 05778801A EP 1766102 A1 EP1766102 A1 EP 1766102A1
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EP
European Patent Office
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aluminum
alloy
barium
alloys
based liquid
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EP05778801A
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Emmanuelle Sarrazin
Philippe Jarry
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Constellium Issoire SAS
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Alcan Rhenalu SAS
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/10—Alloys based on aluminium with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/14—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with silicon
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    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium

Definitions

  • the invention relates to a new manufacturing process for rolled, spun or forged products made of high tenacity and high fatigue strength aluminum alloy, especially Al-Zn-Cu-Mg type alloy, and products obtained by this method, including structural elements made from such products and intended for the construction of aircraft. It is based on the introduction of barium in an aluminum-based liquid alloy.
  • Patent FR 1 507 664 (Metallgesellschaft Aktiengesellschaft) states that in Al-Si type casting alloys with a Si content between 5 and 14%, the addition of strontium and / or barium (Ba) at a rate of 0.001 to 2% leads to obtaining a fine eutectic structure; this effect is reinforced by the simultaneous addition of beryllium (Be).
  • Patent EP 1 230 409 B1 (RUAG Components) teaches that the addition of barium (between 0.1 and 0.8%) to aluminum alloys with a silicon content of at least 5% improves their performance. thixotropic forming ability.
  • US Patent 4,711,762 proposes the addition of strontium (Sr), antimony (Sb) and / or calcium (Ca) to an Al-Zn-Cu type alloy.
  • Sr strontium
  • Sb antimony
  • Ca calcium
  • Patent GB 505 728 (L'Electrique) mentions an aluminum-based alloy intended for the manufacture of drawn wire and containing Zn 5 - 6.5%, Mg 2 - 3.5%, Si 0.15 - 0.5%, Mn 0.25 - 1%, Mo 0.20 - 0.60%, Co 0.20 - 0.60%, K 0 - 0.12%, Ba 0 - 0.25%, Sb 0 - 0.1%, WO - 0.50%, Ni 0 - 1%, Ti 0 - 0.40%, in which the barium is introduced in the form of chloride to smooth the dirt; this barium content in the resulting metal product would also have a hardening effect.
  • US Pat. No. 4,631,172 discloses an aluminum-based alloy used as a sacrificial anode containing 3.2% Zn, 1.5% magnesium, 0.02% indium, , 01% tin and / or calcium and barium, the latter in a content of between 0.002% and 1.0%.
  • Another composition contains Zn 2.5%, Mg 2.5%, In 0.02%, Ca and / or Ba 0.005 - 1.0%, Si 0.004 - 1.0%.
  • Patent Application JP 61 096052 A discloses a sacrificial anode aluminum alloy composition Zn 1 - 10%, Mg
  • CH 328 148 discloses the introduction of a barium hydride in a zinc-aluminum alloy with at least 40% zinc.
  • US Patent 3,310,389 mentions the presence of barium, calcium and / or strontium in a total content of up to 0.2% in an aluminum-based alloy containing Cu 2.2 - 2.7% , Mg 1.3 - 1.7%, Si 0.12 - 0.25%, Fe 0.9 - 1.2%, Ni 0.9 - 1.4%, Ti 0.02 - 0.15% .
  • the patent RU 2 184 167 discloses an aluminum-based alloy for structural application in aeronautical construction of composition Cu 3.0 - 3.8%, Li 1.4 - 1.7% , Zr 0.0001 - 0.04%, Sc 0.16 - 0.35%, Fe
  • UK Patent No. 1,678,080 discloses an aluminum-based alloy of composition Cu 5.0 - 5.5%, Cr 0.1 - 0.4%, Mn 0.2 - 0 , 6%, Zr 0.1 - 0.4%, Ti 0.1 - 0.4%, Cd 0.05 - 0.25%, Sr or Ba 0.01 - 0.1%.
  • the subject of the invention is a process for manufacturing wrought products made of aluminum alloy of the Al-Cu, Al-Cu-Mg or Al-Zn-Cu-Mg type with high tenacity and fatigue resistance, comprising casting of a raw form (such as a spinning billet, forge billet or a rolling plate) and the hot deformation of said raw form, said method being characterized in that 0.005 to 0 are introduced into said alloy , 1% barium.
  • a raw form such as a spinning billet, forge billet or a rolling plate
  • the invention also relates to a structural element for aircraft construction, made from a rolled product, spun or forged alloy Al-Cu type, Al-Cu-Mg or Al-Zn-Cu-Mg which contains between 0.005 and 0.1% of barium.
  • a product or structural element obtainable by the process according to the present invention, can be advantageously used in applications which require a high tenacity and / or a high resistance to fatigue, such as for example wing elements. extrados or intrados (wing skin), stiffeners, longitudinal members, or ribs, or elements for bulkheads (bulkheads). Description of figures
  • FIG. 1 shows the morphology of the Al-Fe-Cu type phases in the casting state after selective dissolution of the matrix in a 7449 alloy (scanning electron micrographs with a field effect gun (FEG). SEM):
  • FIG. 2 shows the morphology of Al-Fe-Cu type phases:
  • Figure 3 shows the morphology of Al-Fe-Cu type phases in a sample that shows both morphologies:
  • Alloy 7449 (with added barium) with coexistence within the same structure of an unmodified form ("without Ba”, on the left) and a modified form ("with Ba”, on the right) of the AlFeCu phase ( If) (magnification: see the bar corresponding to 10 ⁇ m in the left base of the legend).
  • Figures 4 and 5 show the morphology of Al-Fe-Cu type phases in a 7449 alloy with barium added. Note the morphology “sea urchin-shaped” ( Figure 4) and “broccoli-shaped” ( Figure 5) eutectic compounds. Alloy 7449 (with added barium) according to the invention (magnification: see the bar at the bottom left of FIG. 4 which represents 1 ⁇ m). Sample P4078-1 # 37.
  • FIG. 6 shows the morphology of Al-Fe-Cu phases in the form of platelets in a 7449 alloy according to the state of the art.
  • FIG. 7 gives a comparison of the toughness K app measured on a CCT type specimen of width 406 mm and thickness 6.35 mm (taken at a quarter thickness). according to Ro.2 (L). Alloy 7449. It is noted that the products according to the invention
  • the static mechanical characteristics i.e., the ultimate strength R m , the yield point R p0 , 2, and the elongation at break A, are determined by a tensile test according to EN 10002-1 standard, the location and direction of specimen collection being defined in EN 485-1.
  • Fatigue strength is determined by ASTM E 466 test, fatigue crack propagation speed (so-called da / dn test) according to ASTM E 647, and critical stress intensity factor Kc, Kco or K app. according to ASTM E 561.
  • the term "spun product” includes so-called “stretched” products, that is, products that are made by spinning followed by stretching.
  • wrought product a product having undergone a deformation operation after its solidification
  • this deformation operation may be, without this list being exhaustive, rolling, forging, spinning, drawing and drawing.
  • structural element or “structural element” of a mechanical construction a mechanical part whose failure is likely to endanger the security of the said construction, its users, its users or others.
  • these structural elements include the elements that make up the fuselage (such as fuselage skin (fuselage skin in English), stiffeners or stringers, bulkheads, fuselage (circumferential frames), wings (such as wing skin), stiffeners (stiffeners), ribs (ribs) and spars) and empennage including horizontal stabilizers and vertical stabilizers (horizontal or vertical stabilizers) as well as the floor beams, the seat tracks and the doors: here we call the "integral structure” the structure of a part of an airplane that has been designed so as to ensure as much continuity as possible of the material over as large a dimension as possible in order to reduce the number of mechanical points of assembly.An integral structure may be manufactured either by machining in the mass, either by using shaped parts obtained for example by spinning, forging or molding, or by welding structural elements made of
  • the present invention can be applied to all Al-Cu, Al-Cu-Mg or Al-Zn-Cu-Mg type hardening wrought aluminum alloys. More particularly, the Al-Cu type alloys to which the present invention may be applied are alloys comprising between 1 and 7% Cu, and more particularly between 3 and 5.5% Cu.
  • the invention can be applied to alloys of the Al-Cu-Mg type comprising between 1 and 7% of Cu and between 0.2 and 2% of Mg, and more particularly between 3.5 and 5.5% of Cu and between 1 and 2% Mg, it being understood that the content of iron and silicon must not exceed 0.30% for each of these elements.
  • These alloys may contain other alloying elements and impurities up to about 3% in total. Among these elements are manganese, lithium, zinc.
  • the alloy may also contain the usual additions of zirconium, titanium or chromium.
  • the process according to the invention can advantageously be applied to alloys of the Al-Mg-Cu type or alloys of the 2xxx series, in particular to those conventionally used in aeronautical construction: 2024, 2024A, 2056, 2022, 2023, 2139, 2124, 2224, 2324, 2424, 2524 and their variants.
  • the so-called free-cutting alloys which include additions of Pb, Bi or Sb in order to obtain easy splitting chips such as 2004, 2005 and 2030 are excluded here.
  • the alloys of Al-Zn-Cu-Mg type to which the present invention can be applied are alloys comprising between 4 and 14% of zinc, and more particularly between 7 and 10.5% of zinc, between 1 and 3% of Cu , and more particularly between 1.4 and 2.5% of Cu, and between 1 and 3% of Mg, and more particularly between 1.7 and 2.8% of Mg, it being understood that the content of iron and silicon must not exceed 0.30% for each of these elements.
  • These alloys can contain other alloying elements and impurities up to 2% in total. Among these elements is manganese.
  • the alloy may also contain the usual additions of zirconium, titanium or chromium.
  • the process according to the invention can advantageously be applied to alloys of the 7xxx series, in particular to those conventionally used in aeronautical construction: 7010, 7050, 7055, 7056, 7150, 7040, 7075, 7175, 7475, 7049, 7149, 7249 , 7349, 7449 and their variants.
  • the method according to the invention comprises casting a raw form, such as a rolling plate, a spinning billet or a forge billet, by any known method. This raw form is then deformed hot, for example by rolling, spinning or forging.
  • the invention is not applicable to products produced by fast solidification, ie with a solidification rate typically greater than 600 ° C / min, which lead to a significantly different microstructure.
  • the process may comprise other stages of thermal or mechanical treatment, the more often homogenization, cold deformation, dissolution, artificial or natural aging, intermediate or final annealing.
  • These eutectic phases may be of Al-Fe-Cu type (in alloys with addition of barium) or Al-Fe-Si-Cu (in alloys without addition of barium). It is observed that in the presence of barium, silicon seems to disappear precipitates.
  • the properties of the product which are improved by the process according to the invention are in particular the tenacity, the fatigue strength, and the resistance to the propagation of cracks da / dn with a high stress intensity factor ⁇ K. This effect is particularly pronounced in a non-recrystallized structure.
  • an alloy of barium with silicon is added.
  • An alloy of Si (70%) - Ba (30%) is suitable; this product is commercially available.
  • the silicon content of the alloy can be between 50% and 90%.
  • Other alloys of the same type containing in addition iron up to a content of 20% are also applicable to the invention, the silicon content can then vary between 30% and 90% and the barium content can then vary between 10 and 40%.
  • barium is added in metallic form or, preferably, in the form of an intermetallic compound or alloy with one or more of the constituents of the aluminum alloy in question.
  • an Al-Ba or Zn-Ba type alloy is suitable.
  • These intermetallic compounds or alloys can be obtained directly by reducing the barium oxide BaO with aluminum or zinc according to known methods.
  • the amounts of barium used are very small, preferably less than 0.1% and even more preferentially less than 0.05%. A value between 0.005% and 0.03% may be suitable.
  • account must be taken of the relatively low solubility of this alloy in liquid aluminum.
  • the second embodiment is particularly advantageous when it is applied to an aluminum alloy which has a relatively high silicon content, for example of the order of 0.10%.
  • the metal barium is expensive.
  • the first embodiment uses a less expensive barium alloy, but leads to the increase of the silicon content and possibly iron in the aluminum alloy. However, it is surprising to note that this increase in the silicon content and possibly iron does not degrade the toughness or the resistance to fatigue. This is due to the fact that silicon and possibly iron are not incorporated in the same way: the morphology of the phases is significantly modified.
  • Such a semi-finished product or structural element has a yield strength R p o.2 (L) greater than 600 MPa.
  • the product according to the invention is more resistant to exfoliation corrosion (EXCO test), determined on test pieces taken at mid-thickness, than a corresponding product without barium.
  • EXCO test exfoliation corrosion
  • the product according to the invention can have many possible uses, and it is particularly advantageous to use said product as a structural element in aircraft construction, and especially as an extrados wing element, as part of lower sails, as a sail-skin element, as a stiffener, as a spar, as a rib or as an element for bulkheads.
  • the method according to the invention has several advantages.
  • the mode of introduction of barium according to the invention avoids the use of hydrides, which increase the residual hydrogen content, may cause pores in the solidified metal.
  • Barium neutralizes the detrimental effect of residual silicon in aluminum-based structural hardening alloys, resulting in improved toughness, including Kic and K app .
  • Barium also improves resistance to corrosion, including exfoliating corrosion.
  • Al-Zn-Cu-Mg were cast under similar conditions, one with added barium as a parent alloy containing about 28% Ba and 72% Si (added at a liquid metal temperature of about 75 %). C), one without adding barium.
  • the liquid metal was treated with an Ar + Cl 2 mixture. The casting temperature was
  • the alloy was refined with 0.8 kg / t AT5B and cast at 685 ° C with a speed of 65 mm / min in rolling plates. After cooling and scalping, the plates were homogenized at 463 ° C. and hot-rolled at a temperature between 420 and 410 ° C. The sheets obtained were dissolved for 6 hours at 120 ° C. and then for 17 hours at room temperature. 150 ° C. The final product was thus metallurgical T351.
  • the silicon content of the type 7449 aluminum alloy increases from 0.04% to 0.09% and that of Fe increases from 0.03% to 0.06%
  • the microstructure of the sample with added barium shows eutectic compounds "in the shape of sea urchins" ( Figure 4) or "broccoli-shaped” (see Figure 5).
  • the microstructure of the barium-free sample added revealed eutectic compounds in the form of platelets ( Figure 6).
  • the static mechanical characteristics were measured in the T79 state on a sheet of thickness 40 mm.
  • Exfoliation corrosion resistance (EXCO) results obtained on mid-thickness specimens show that the 7449 barium alloy (EXCO: EA performance) is more resistant to exfoliating corrosion than the barium-free reference product (performance EXCO: EB). The resistance to stress corrosion is also slightly improved.

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Description

Procédé de fabrication de produits en alliage d'aluminium à haute ténacité et haute résistance à la fatigue
Domaine de l'invention
L'invention concerne un nouveau procédé de fabrication pour des produits laminés, filés ou forgés en alliage d'aluminium à haute ténacité et haute résistance à la fatigue, notamment en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg, ainsi que des produits obtenus par ce procédé, et notamment des éléments de structure élaborés à partir de tels produits et destinés à la construction d'aéronefs. Il est basé sur l'introduction de baryum dans un alliage liquide à base d'aluminium.
Etat de la technique
On sait que lors de la fabrication de demi-produits et éléments structuraux pour construction aéronautique, les diverses propriétés recherchées ne peuvent pas être optimisées toutes en même temps et les unes indépendamment des autres. Lorsque l'on modifie la composition chimique de l'alliage ou les paramètres des procédés d'élaboration des produits, plusieurs propriétés critiques peuvent même montrer des tendances antagonistes. Tel est parfois le cas des propriétés rassemblées sous le terme « résistance mécanique statique » (notamment la résistance à la rupture Rn, et la limite d'élasticité Rpo.2) d'une part, et des propriétés rassemblées sous le terme « tolérance aux dommages » (notamment la ténacité et la résistance à la propagation des fissures) d'autre part. Par ailleurs, certaines propriétés d'usage comme la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion, l'aptitude à la mise en forme et l'allongement à rupture sont liées d'une façon complexe et souvent imprévisible aux propriétés (ou « caractéristiques ») mécaniques. L'optimisation de l'ensemble des propriétés d'un matériau pour construction mécanique, par exemple dans le secteur aéronautique, fait donc très souvent intervenir un compromis entre plusieurs paramètres-clé. A titre d'exemple, dans les avions civils de grande capacité, on utilise typiquement pour les éléments de structure de voilure des alliages de type 7xxx. Ces éléments doivent présenter une haute résistance mécanique, une bonne ténacité et une bonne résistance à la fatigue. Toute nouvelle possibilité d'améliorer l'un des ces groupes de propriétés sans dégrader les autres serait la bienvenue.
En ce qui concerne la ténacité, il est bien connu que pour améliorer la ténacité des alliages d'aluminium à durcissement structural, il faut diminuer la teneur résiduelle en fer et silicium ; cela est appelé dans la profession la « septième règle d'or de Staley » (J.T. Staley, "Microstructure and Toughness of High-Strength Aluminum Alloys" Properties Related to Fracture Toughness, ASTM STP 605, American Society for Testing and Materials, 1976, p. 71 - 103). Cet effet est observé dans pratiquement tous les alliages d'aluminium à durcissement structural, quel que soit leur niveau de ténacité. Le fer et le silicium sont des impuretés naturelles de l'aluminium. Hormis les procédés de purification spécifiques utilisés pour la production d'aluminium de grande pureté (par exemple le procédé de ségrégation), il n'existe pas de procédé industriel permettant de diminuer la teneur en fer et silicium dans un bain d'aluminium liquide. Par ailleurs, ces éléments ont tendance à s'accumuler lors de recyclage de l'aluminium et de ces alliages. Tout ce que l'on peut faire pour diminuer leur teneur est de diluer ces impuretés avec du métal plus pur, soit avec du métal d'électrolyse (dit « aluminium primaire »), dont la teneur en fer + silicium se situe habituellement aux environs de 0,2 à 0,3 %, soit avec du métal raffiné. Dans les deux cas, et surtout dans le deuxième, l'opération entraîne un surcoût significatif.
En ce qui concerne la résistance à la fatigue, l'effet des impuretés fer et silicium est également néfaste. Une baisse de la teneur résiduelle en fer et silicium conduira normalement à une amélioration de la résistance à la fatigue, si par ailleurs les précautions habituelles sont prises lors de l'élaboration du métal liquide et lors de la coulée pour éviter la formation d'inclusions et l'incorporation d'hydrogène dans le métal.
Il est bien connu que les éléments fer et silicium forment avec l'aluminium des phases intermétalliques quasiment insolubles, tel que Al7Cu2Fe, Al6(FeχMn1-x) (avec 0 < x < 1), Al12Fe3Si, Al9Fe2Si2, Mg2Si. Lorsqu'elles sont de grande taille, ces phases sont plus nocives que lorsqu'elles sont petites. Les possibilités d'agir sur leur taille lors de la coulée par l'intermédiaire des paramètres physiques (notamment la vitesse de solidification) sont malheureusement assez limitées.
Face à la difficulté de réduire les phases intermétalliques au fer et au silicium et de modifier leur taille et morphologie par l'intermédiaire de traitements physiques, il a été imaginé de modifier leur taille et morphologie par l'ajout de certains éléments chimiques. Un tel effet, s'il est constaté, ne sera industriellement exploitable qu'à condition de ne pas induire des effets négatifs sur d'autres propriétés du produit fini. Ainsi, dans certains alliages de moulage de type Al-Si, on ajoute du Na et / ou Sr pour obtenir des phases de Si de forme finement fibreuse au lieu de prismatique grossière. Le brevet FR 1 507 664 (Metallgesellschaft Aktiengesellschaft) constate que dans les alliages de moulage type Al-Si avec une teneur en Si entre 5 et 14%, l'ajout de strontium et / ou de baryum (Ba) à raison de 0,001 à 2% conduit à l'obtention d'une structure eutectique fine ; cet effet est renforcé par l'ajout simultané de béryllium (Be). Le brevet EP 1 230 409 Bl (RUAG Components) enseigne que l'ajout de baryum (entre 0,1 et 0,8%) à des alliages d'aluminium avec une teneur en silicium d'au moins 5% améliore leur d'aptitude au formage thixotropique. Pour les alliages de corroyage à durcissement structural, le brevet US 4,711,762 (Aluminum Company of America) propose l'ajout de strontium (Sr), antimoine (Sb) et/ou calcium (Ca) à un alliage de type Al-Zn-Cu-Mg pour réduire la taille des phases Al7Cu2Fe, Al2CuMg et Mg2Si.
Des alliages à base d'aluminium contenant du baryum ont été décrits dans d'autres documents de l'état de la technique. Dans la plupart des cas, sa fonction est de rendre fluide les crasses de fonderie (en anglais « flux and dross ») ; en revanche, son influence sur les propriétés du produit n'est pas décrite. Ainsi, le brevet GB 505 728 (L'Electrique) mentionne un alliage à base d'aluminium destiné à la fabrication de fil étiré et contenant Zn 5 - 6,5%, Mg 2 - 3,5%, Si 0,15 - 0,5%, Mn 0,25 - 1%, Mo 0,20 - 0,60%, Co 0,20 - 0,60%, K 0 - 0,12%, Ba 0 - 0,25%, Sb 0 - 0,1%, W O - 0,50%, Ni 0 - 1%, Ti 0 - 0,40%, dans lequel le baryum est introduit sous forme de chlorure afin de fluidifier les crasses ; cette teneur en baryum dans le produit métallique obtenu aurait également un effet durcissant.
Le brevet GB 596,178 (Tennyson Fraser Bradbury) décrit l'ajout des éléments
Na, K, Ba et / ou P à raison d'une teneur totale maximale de 0,15% à un alliage à base d'aluminium contenant Cu 5,00 - 9,50%, Zr, Ni, Ce 0,05 - 1,00 au total, Si 0,02
- 0,40%, Fe 0,02 - 0,50%, Zn 0,00 - 0,25%. Il s'agit d'un alliage de moulage pour pistons. Ni la fonction ni le mode d'introduction du baryum ne sont spécifiés.
Le brevet US 4,631,172 (Nadagawa Corrosion Protection Co.) décrit un alliage à base d'aluminium utilisé en tant qu'anode sacrificielle contenant 3,2% de Zn, 1,5% de magnésium, 0,02% d'indium, 0,01% d'étain et/ou du calcium et du baryum, ce dernier en une teneur comprise entre 0,002% et 1,0%. Une autre composition contient Zn 2,5%, Mg 2,5%, In 0,02%, Ca et / ou Ba 0,005 - 1,0%, Si 0,004 - 1,0%.
L'ajout de calcium et /ou baryum augmente la densité de courant et assure une usure uniforme de l'anode sacrificielle. La demande de brevet JP 61 096052 A décrit une anode sacrificielle en alliage à base d'aluminium de composition Zn 1 - 10%, Mg
0,1 - 6%, In 0,01 - 0,04%, Sn 0,005 - 0,15%, Si 0,09 - 1%, Ca et / ou Ba 0,005 -
0,45%.
Le brevet CH 328 148 (Wilhelm Neu) décrit l'introduction d'un hydrure de baryum dans un alliage de type zinc-aluminium avec au moins 40% de zinc. Le brevet US 3,310,389 (High Duty Alloys Ltd) mentionne la présence de baryum, calcium et/ou strontium dans une teneur totale jusqu'à 0,2% dans un alliage à base d'aluminium contenant Cu 2,2 - 2,7%, Mg 1,3 - 1,7%, Si 0,12 - 0,25%, Fe 0,9 - 1,2%, Ni 0,9 - 1,4%, Ti 0,02 - 0,15%.
Le brevet RU 2 184 167 (inventeur : LN. Fridljander et al) décrit un alliage à base d'aluminium pour application structurale en construction aéronautique de composition Cu 3,0 - 3,8%, Li 1,4 - 1,7%, Zr 0,0001 - 0,04%, Sc 0,16 - 0,35%, Fe
0,01 - 0,5%, Mg 0,01 - 0,7, Mn 0,05 - 0,5%, Ba 0,001 - 0,2%, Ga 0,001 - 0,08%,
Sb 0,00001 - 0,001%.
Le brevet RU 1 678 080 (Institut khimii im.V.I. Nikitina) décrit un alliage à base d'aluminium de composition Cu 5,0 - 5,5%, Cr 0,1 - 0,4%, Mn 0,2 - 0,6%, Zr 0,1 - 0,4%, Ti 0,1 - 0,4%, Cd 0,05 - 0,25%, Sr ou Ba 0,01 - 0,1%.
On constate que la plupart de ces alliages contiennent des éléments inhabituels, tels que l'indium, le nickel, le lithium, le cadmium, le molybdène ou le tungstène, et sont donc, par rapport aux alliages utilisés habituellement en construction aéronautique, des alliages exotiques, et cela sans tenir compte du possible ajout de baryum.
La présente invention a pour but de proposer un nouveau procédé pour modifier la morphologie des phases insolubles au fer et au silicium dans les alliages d'aluminium de corroyage à durcissement structural de type Al-Cu-Mg ou Al-Zn-
Cu-Mg, et d'obtenir ainsi de nouveaux produits à haute résistance mécanique qui montrent également une excellente ténacité et résistance à la fatigue.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fabrication de produits corroyés en alliage d'aluminium de type Al-Cu, Al-Cu-Mg ou Al-Zn-Cu-Mg à haute ténacité et résistance à la fatigue, comprenant la coulée d'une forme brute (tel qu'une billette de filage, billette de forge ou une plaque de laminage) et la déformation à chaud de ladite forme brute, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit dans ledit alliage entre 0,005 et 0,1 % de baryum.
L'invention a également pour objet un élément de structure pour construction aéronautique, fabriqué à partir d'un produit laminé, filé ou forgé en alliage de type Al-Cu, Al-Cu-Mg ou Al-Zn-Cu-Mg qui contient entre 0,005 et 0,1% de baryum. Un tel produit ou élément de structure, susceptible d'être obtenu par le procédé selon la présente invention, peut être utilisé avantageusement dans les applications qui exigent une haute ténacité et / ou une haute résistance à la fatigue, comme par exemple des éléments de voilure extrados ou intrados (peau de voilure), des raidisseurs, longerons, ou nervures, ou des éléments pour cloisons étanches (bulkheads). Description des figures
La figure 1 montre la morphologie des phases de type Al-Fe-Cu à l'état brut de coulée après dissolution sélective de la matrice dans un alliage 7449 (micrographies obtenues par microscopie électronique à balayage avec un canon à effet de champ (FEG-SEM) :
Alliage 7449 selon l'état de la technique (grandissement : voir la barre correspondant à 3 μm en bas à gauche de la légende). Echantillon P4068#66.
La figure 2 montre la morphologie des phases de type Al-Fe-Cu :
Alliage 7449 avec ajout de baryum selon l'invention (grandissement : voir la barre correspondant à 10 μm en base à gauche de la légende). Echantillon P4078-
1#37.
La figure 3 montre la morphologie des phases de type Al-Fe-Cu dans un échantillon qui montre les deux morphologies à la fois :
Alliage 7449 (avec baryum ajouté) avec coexistence au sein de la même structure d'une forme non modifiée (« sans Ba », à gauche) et d'une forme modifiée (« avec Ba », à droite) de la phase AlFeCu (Si) (grandissement : voir la barre correspondant à 10 μm en base à gauche de la légende).
Les figures 4 et 5 montrent la morphologie des phases de type Al-Fe-Cu dans un alliage de type 7449 avec baryum ajouté. On remarque la morphologie "en forme d'oursins" (figure 4) et "en forme de brocolis" (figure 5) des composés eutectiques. Alliage 7449 (avec baryum ajouté) selon l'invention (grandissement : voir la barre en bas à gauche de la figure 4 qui représente 1 μm). Echantillon P4078-l#37.
La figure 6 montre la morphologie des phases de type Al-Fe-Cu sous forme de plaquettes dans un alliage 7449 selon l'état de la technique. Echantillon P4013-1- #66.
La figure 7 donne une comparaison de la ténacité Kapp mesurée sur une éprouvette de type CCT de largeur 406 mm et d'épaisseur 6,35 mm (prélevée à quart d'épaisseur) en fonction de Ro.2(L). Alliage 7449. On remarque que les produits selon l'invention
(« Ba ») ont une meilleure ténacité que les produits selon l'état de la technique (« ref»).
Description de l'invention
a) Définitions
Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une expression mathématique, « 0,4 Zn » signifie : 0,4 fois la teneur en zinc, exprimée en pourcent massique ; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture Rm, la limite élastique Rp0,2, et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant définis dans la norme EN 485-1. La résistance à la fatigue est déterminée par un essai selon ASTM E 466, la vitesse de propagation de fissures en fatigue (essai dit da/dn) selon ASTM E 647, et le facteur d'intensité de contrainte critique Kc, Kco ou Kapp selon ASTM E 561. Le terme « produit filé » inclut les produits dits « étirés », c'est-à-dire des produits qui sont élaborés par filage suivi d'un étirage.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent.
On appelle ici « produit corroyé » un produit ayant subi une opération de déformation après sa solidification, cette opération de déformation pouvant être, sans que cette liste soit limitative, le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage et l'emboutissage.
On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d'une construction mécanique une pièce mécanique dont la défaillance est susceptible de mettre en danger la sécurité de ladite construction, de ses utilisateurs, des ses usagers ou d' autrui. Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments qui composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons étanches (bulkheads), les cadres de fuselage (circumferential frames), les ailes (tels que la peau de voilure (wing skin), les raidisseurs (stringers ou stiffeners), les nervures (ribs) et longerons (spars)) et l'empennage composé notamment de stabilisateurs horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams), les rails de sièges (seat tracks) et les portes. On appelle ici « structure intégrale » la structure d'une partie d'un avion qui a été conçue de manière à assurer autant que possible la continuité de la matière sur une dimension aussi grande que possible afin de réduire le nombre de points d'assemblage mécaniques. Une structure intégrale peut être fabriquée soit par usinage dans la masse, soit par utilisation de pièces de forme obtenues par exemple par filage, forgeage ou moulage, soit encore par soudage d'éléments de structure réalisés en alliages soudables. On obtient ainsi des éléments de structure de taille plus importante et en une seule pièce, sans assemblage ou avec un nombre de points d'assemblage réduit comparé à une structure assemblée dans laquelle des tôles, minces ou fortes selon la destination de l'élément de structure (par exemple : élément de fuselage ou élément de voilure), sont fixées, le plus souvent par rivetage, sur des raidisseurs et / ou cadres (qui peuvent être fabriqués par usinage à partir de produits filés ou laminés).
b) Description détaillée de l'invention
La présente invention peut s'appliquer à tous les alliages à base d'aluminium de corroyage à durcissement structural de type Al-Cu, Al-Cu-Mg ou Al-Zn-Cu-Mg. Plus particulièrement, les alliages de type Al-Cu auxquels la présente invention peut être appliquée sont les alliages comprenant entre 1 et 7% de Cu, et plus particulièrement entre 3 et 5,5% de Cu. L'invention peut être appliquée aux alliages de type Al-Cu-Mg comprenant entre 1 et 7% de Cu et entre 0,2 et 2% de Mg, et plus particulièrement entre 3,5 et 5,5% de Cu et entre 1 et 2% de Mg, étant entendu que la teneur en fer et en silicium ne doit pas dépasser 0,30% pour chacun de ces éléments. Ces alliages peuvent contenir d'autres éléments d'alliage et d'impuretés jusqu'à environ 3% au total. Parmi ces éléments se trouvent le manganèse, le lithium, le zinc. Par ailleurs, et toujours à titre d'exemple, l'alliage peut également contenir les additions habituelles de zirconium, titane ou chrome. Le procédé selon l'invention peut être appliqué avantageusement aux alliages de type Al-Mg-Cu ou aux alliages de la série 2xxx, notamment à ceux classiquement utilisés en construction aéronautique : 2024, 2024A, 2056, 2022, 2023, 2139, 2124, 2224, 2324, 2424, 2524 et leurs variantes. En revanche, on exclut ici les alliages dits de décolletage qui comprennent des ajouts de Pb, Bi ou Sb afin d'obtenir des copeaux à fractionnement aisé, tels que le 2004, le 2005 et le 2030.
Les alliages de type Al-Zn-Cu-Mg auxquels la présente invention peut être appliquée sont les alliages comprenant entre 4 et 14% de zinc, et plus particulièrement entre 7 et 10,5% de zinc, entre 1 et 3% de Cu, et plus particulièrement entre 1,4 et 2,5% de Cu, et entre 1 et 3% de Mg, et plus particulièrement entre 1,7 et 2,8% de Mg, étant entendu que la teneur en fer et en silicium ne doit pas dépasser 0,30% pour chacun de ces éléments. Ces alliages peuvent contenir d'autres éléments d'alliage et d'impuretés jusqu'à 2% au total. Parmi ces éléments se trouve le manganèse. Par ailleurs, et toujours à titre d'exemple, l'alliage peut également contenir les additions habituelles de zirconium, titane ou chrome. Le procédé selon l'invention peut être appliqué avantageusement aux alliages de la série 7xxx, notamment à ceux classiquement utilisés en construction aéronautique : : 7010, 7050, 7055, 7056, 7150, 7040, 7075, 7175, 7475, 7049, 7149, 7249, 7349, 7449 et leurs variantes.
Le procédé selon l'invention comprend la coulée d'une forme brute, tel qu'une plaque de laminage, une billette de filage ou une billette de forge, par tout procédé connu. Cette forme brute est ensuite déformée à chaud, par exemple par laminage, filage ou forgeage. L'invention n'est pas applicable à des produits élaborés par solidification rapide, i.e. avec une vitesse de solidification typiquement supérieure à 600°C/min, qui conduisent à une microstructure significativement différente. Le procédé peut comprendre d'autres étapes de traitement thermique ou mécanique, le plus souvent l'homogénéisation, la déformation à froid, la mise en solution, le vieillissement artificiel ou naturel, le recuit intermédiaire ou final.
La demanderesse a constaté de manière surprenante que la présence d'une très faible quantité de baryum neutralise en partie l'effet néfaste du fer et du silicium pour certaines propriétés, comme il sera expliqué ci-dessous. Cela se traduit par une modification morphologique des phases intermétalliques, et notamment de celle des phases intermétalliques au fer (de type Al-Cu-Fe). Les phases intermétalliques eutectiques se trouvent fragmentées (morphologie « d'oursins » ou de « brocolis », voir figure 2) alors que sans baryum, elles ont une forme plus étendue (morphologie de « pétales », de « plaquettes » ou de « feuilles de chou », voir figure 1). Ces phases eutectiques peuvent être de type Al-Fe-Cu (dans les alliages avec ajout de baryum) ou Al-Fe-Si-Cu (dans les alliages sans ajout de baryum). On observe qu'en présence de baryum, le silicium semble disparaître des précipités.
Les propriétés du produit qui se trouvent améliorées par le procédé selon l'invention sont notamment la ténacité, la résistance à la fatigue, et la résistance à la propagation de fissures da/dn à haut facteur d'intensité de contrainte ΔK. Cet effet est particulièrement marqué dans une structure non recristallisée.
Dans un premier mode de réalisation, on ajoute un alliage de baryum avec le silicium. Un alliage de type Si (70%) - Ba (30%) convient ; ce produit est disponible dans le commerce. La teneur en silicium de l'alliage peut être comprise entre 50% et 90%. D'autres alliages du même type contenant en plus du fer jusqu'à une teneur de 20% sont également applicables à l'invention, la teneur en silicium pouvant alors varier entre 30% et 90% et la teneur en baryum pouvant alors varier entre 10 et 40%.
Dans un deuxième mode de réalisation, on ajoute du baryum sous forme métallique ou, de manière préférée sous forme d'un composé intermétallique ou d'alliage avec un ou plusieurs des constituants de l'alliage d'aluminium visé. A titre d'exemple, un alliage de type Al-Ba ou Zn-Ba convient. Ces composés intermétalliques ou alliages peuvent être obtenus directement par réduction de l'oxyde de baryum BaO avec de l'aluminium ou du zinc selon des procédés connus. Dans les deux modes de réalisation, les quantités de baryum utilisés sont très faibles, préférentiellement inférieures à 0,1% et encore plus préférentiellement inférieures à 0,05%. Une valeur comprise entre 0,005% et 0,03% peut convenir. Lorsque l'on introduit un alliage Ba - Si, il faut tenir compte de la solubilité relativement faible de cet alliage dans l'aluminium liquide. Le deuxième mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsque l'on l'applique à un alliage d'aluminium qui présente une teneur en silicium assez élevée, par exemple de l'ordre de 0,10%. En revanche, le baryum métallique est cher. Le premier mode de réalisation utilise un alliage de baryum moins cher, mais conduit à l'augmentation de la teneur en silicium et éventuellement de fer dans l'alliage d'aluminium. Cependant, il est surprenant de constater que cette augmentation de la teneur en silicium et éventuellement de fer ne dégrade pas la ténacité ou la résistance à la fatigue. Cela est lié au fait que le silicium et éventuellement le fer ne sont pas incorporés de la même manière : la morphologie des phases est modifiée de manière significative.
Le procédé selon l'invention permet de fabriquer un demi-produit ou un élément de structure en alliage de type Al-Zn-Mg-Cu qui comprend entre 7 et 10,5% de zinc, entre 1,4 et 2,5% de cuivre, et entre 1,7 et 2,8 % de magnésium, tel qu'un alliage 7049, 7149, 7249, 7349 ou 7449, avec une ténacité Kapp(L-τ) , mesurée selon la norme ASTM E 561 sur une éprouvette de type CCT avec W=406 mm et B ≈ 6,35 mm prélevée à mi-épaisseur, supérieure à 86 MPaVm. Un tel demi-produit ou élément de structure a une limite d'élasticité Rpo.2(L) supérieure à 600 MPa.
La demanderesse a également observé que le produit selon l'invention résiste mieux à la corrosion exfoliante (essai EXCO), déterminée sur des éprouvettes prélevées à mi-épaisseur, qu'un produit correspondant sans baryum. La résistance à la corrosion sous contrainte est également légèrement améliorée.
Du fait de ses propriétés mécaniques remarquables, le produit selon l'invention peut avoir de nombreuses utilisations possibles, et il est particulièrement avantageux d'utiliser ledit produit comme élément de structure en construction aéronautique, et notamment comme élément de voilure extrados, comme élément de voilure intrados, comme élément de peau de voilure, comme raidisseur, comme longeron, comme nervure ou comme élément pour cloisons étanches.
Le procédé selon l'invention présente plusieurs avantages. Le mode d'introduction du baryum selon l'invention évite l'utilisation d'hydrures, qui augmenteraient la teneur résiduelle en hydrogène, susceptible de provoquer des pores dans le métal solidifié. Le baryum neutralise l'effet néfaste du silicium résiduel dans les alliages à durcissement structural à base d'aluminium, ce qui se traduit par une meilleure ténacité, notamment Kic et Kapp. Le baryum améliore également la résistance à la corrosion, et notamment à la corrosion exfoliante.
Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif.
Exemple 1 :
Dans cet essai, on a exploré la possibilité d'introduire du baryum dans un alliage liquide à base d'aluminium par l'ajout d'un alliage de type Si-Ba, et de couler un alliage de type Al-Zn-Cu-Mg contenant du baryum sous forme de plaques de laminage de taille industrielle. Deux plaques de laminage en d'aluminium de type
Al-Zn-Cu-Mg ont été coulées dans des conditions similaires, une avec ajout de baryum sous forme d'un alliage-mère contenant environ 28%Ba et 72% Si (ajouté à une température de métal liquide d'environ 75O0C), une sans ajout de baryum. Le métal liquide a été traité avec un mélange Ar + Cl2. La température de coulée était de
6650C, la vitesse de coulée d'environ 65 mm/min. Le métal a été affiné avec 0,8 kg de AT5B. La section des plaques était de l'ordre de 2150 x 450 mm. La composition chimique, déterminée sur un pion solide obtenu à partir de métal liquide prélevé dans le chenal de coulée, est indiquée au tableau 1. Tableau 1 : composition chimique
Une partie du baryum introduit (quelques dizaines de pourcents par rapport à la quantité mise en oeuvre) a été retrouvée dans les crasses.
Exemple 2 :
Un alliage d'aluminium de type 7449 avec ajout d'un alliage contenant environ 52% de silicium et 30% de baryum et 18% de fer a été élaboré (référence P4078- 1#37). Sa composition chimique, déterminée sur un pion solide obtenu à partir de métal liquide prélevé dans le chenal de coulée, est indiquée dans le tableau 2.
L'alliage a été affiné avec 0,8 kg/t AT5B et coulé à 685°C avec une vitesse de 65 mm/min en plaques de laminage. Après refroidissement et scalpage, les plaques ont été homogénéisées à 463 °C et laminées à chaud à une température comprise entre 420 et 4100C. Les tôles obtenues ont été mises en solution pendant 6 heures à 120°C et ensuite pendant 17 heures à 1500C. Le produit final était de ce fait à l'état métallurgique T351.
Du fait de l'ajout de l'alliage Si-Ba, la teneur en silicium de l'alliage d'aluminium de type 7449 augmente de 0,04% à 0,09% et celle en Fe augmente de 0,03% à 0,06%
On a également élaboré de manière similaire un alliage 7449 standard, sans baryum (P4013-l-#66). Sa composition chimique, déterminée sur un pion solide obtenu à partir de métal liquide prélevé dans le chenal de coulée, est indiquée dans le tableau 2. Tableau 2 : composition chimique
La microstructure de l'échantillon avec baryum ajouté fait apparaître des composés eutectiques "en forme d'oursins" (figure 4) ou "en forme de brocolis" (voir figure 5). La microstructure de l'échantillon sans baryum ajouté fait apparaître des composés eutectiques sous forme de plaquettes (figure 6).
Les caractéristiques mécaniques statiques ont été mesurées à l'état T79 sur une tôle d'épaisseur 40 mm. La ténacité Kapp(L-τ) a été mesurée sur une éprouvette de type CCT avec W 406 et B=6,35 mm
Tableau 3 : Caractéristiques mécaniques
Les résultats de la résistance à la corrosion exfoliante (EXCO) déterminée sur des éprouvettes prélevées à mi-épaisseur montrent que l'alliage 7449 avec baryum (performance EXCO : EA) résiste mieux à la corrosion exfoliante que le produit de référence sans baryum (performance EXCO : EB). La résistance à la corrosion sous contrainte est également légèrement améliorée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de produits corroyés en alliage à base d'aluminium de type Al-Cu, Al-Cu-Mg ou Al-Zn-Cu-Mg à haute ténacité et résistance à la fatigue, comprenant
(a) l'élaboration d'un alliage liquide d'aluminium comprenant entre 0,005 et
0,1% de baryum, ledit baryum étant introduit (aa) sous forme métallique, ou
(ab) sous forme d'un composé intermétallique ou alliage avec un ou plusieurs des constituants de l'alliage d'aluminium visé ou avec le silicium et/ou le fer (b) la coulée dudit alliage liquide sous forme d'une forme brute (tel qu'une billette de filage, billette de forge ou une plaque de laminage), (c) la déformation à chaud de ladite forme brute.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur an baryum dudit produit corroyé se situe entre 0,005 et 0,03%.
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel on introduit le baryum sous forme d'un composé intermétallique ou alliage avec l'aluminium ou le zinc.
4. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel le baryum est introduit sous forme d'un alliage de type Si (70%) - Ba (30%).
5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit alliage liquide à base d'aluminium comprend entre 4 et 14 % de zinc, entre 1 et 3% de cuivre, et entre 1 et 3% de magnésium.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit alliage liquide à base d'aluminium comprend entre 7 et 10,5% de zinc, entre 1,4 et 2,5% de cuivre, et entre 1,7 et 2,8 % de magnésium.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'alliage liquide à base d'aluminium auquel est ajouté le baryum est sélectionné dans le groupe formé par les alliages 7010, 7050, 7055, 7056, 7150, 7040, 7075, 7175, 7475, 7049, 7149, 7249, 7349 et 7449.
8. Procédé selon la revendication une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit alliage liquide à base d'aluminium comprend entre 1 et 7% de cuivre.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit alliage liquide à base d'aluminium comprend en plus entre 0,2 et 2 % de magnésium.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit alliage liquide à base d'aluminium comprend entre 3,5 et 5,5% de cuivre et entre 1 et 2% de magnésium.
11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'alliage liquide à base d'aluminium auquel est ajouté le baryum est sélectionné dans le groupe formé par les alliages 2024, 2024A, 2056, 2022, 2023, 2139, 2124, 2224, 2324, 2424, 2524.
12. Produit corroyé susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Produit corroyé susceptible d'être obtenu par le procédé selon les revendications 5 ou 6, , caractérisé en ce que sa ténacité Kapp(L-τ) mesurée selon la norme ASTM E 561 sur une éprouvette de type CCT avec W=406 mm et B = 6,35 mm prélevée à mi-épaisseur est supérieure à 86 MPaVm.
14. Produit corroyé susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 6, 7,ou 13, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité RpO.2(L) est supérieure à 600 MPa.
15. Utilisation d'un produit corroyé selon une quelconque des revendications 12 à 14comme élément de structure en construction aéronautique, et notamment comme élément de voilure extrados, comme élément de voilure intrados, comme élément de peau de voilure, comme raidisseur, comme longeron, comme nervure ou comme élément pour cloisons étanches.
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