EP1809779B1 - Produits en alliage d ' aluminium a haute tenacite et procede d ' elaboration - Google Patents
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- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
Definitions
- the invention relates to a new manufacturing method for high tenacity and high fatigue resistant aluminum alloy rolled products, as well as products obtained by this process.
- This process comprises a particular refining of the liquid metal.
- These sheets can be used as aircraft fuselage liner.
- Al-Si-Mg-Cu alloys can be used for fuselage structural members. These elements must have on the one hand a high mechanical strength, and on the other hand good toughness and good resistance to fatigue. Any new opportunity to improve one of these property groups without degrading others would be welcome.
- the object of the present invention is to propose a new process for obtaining highly recrystallized wrought products, preferably laminated products, and in particular 6xxx series alloy thin metal sheets with high mechanical strength which also show excellent toughness and fatigue resistance.
- Another object of the present invention is a rolling plate that can be obtained by the casting process.
- Yet another object of the present invention is a sheet capable of being obtained from the process or from the rolling plate according to the invention.
- the figure 1 shows the influence of refining and titanium content on the parameter p *.
- the figure 2 shows the influence of refining and titanium content on the parameter s *.
- the black triangle represents an alloy refined with TiB 2 , while the other alloys have been refined with AlTiC.
- the designation of the alloys follows the rules of THE ALUMINUM ASSOCIATION.
- the metallurgical states are defined in the European standard EN 515.
- the chemical composition of standardized aluminum alloys is defined for example in the standard EN 573-3 as well as in the publications of THE ALUMINUM ASSOCIATION. These rules, standards and publications are known to those skilled in the art.
- alloy of the 6xxx series or "alloy of the Al-Mg-Si type” is understood to mean aluminum alloys (i) whose chemical composition falls into one of the standardized designations of an alloy of the 6xxx series, or (ii) that is derived from an alloy corresponding to such a standardized designation by the addition or deletion of one or more chemical elements other than silicon or magnesium, and / or by the exceedance (to the up or down) of the standardized concentration limit of one or more chemical elements (including silicon and magnesium), it being understood that in both cases (i) and (ii), the application of the Standardized designation should lead to storing this modified alloy in the 6xxx series.
- the static mechanical characteristics ie the breaking strength R m , the yield stress 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.
- the fatigue strength is determined by a test according to ASTM E 466, the fatigue crack growth rate (so-called da / dn test) according to ASTM E 647, and the critical stress intensity factor K C , 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.
- structural element or “structural element” of a mechanical construction a mechanical part whose failure is likely to endanger the safety of 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)), the wings (such as the wing skin), the stiffeners (stringers or stiffeners), the ribs (ribs) and spars) and the empennage composed in particular of horizontal stabilizers and vertical (horizontal or vertical stabilizers), as well as floor beams, seat rails and doors.
- fuselage such as fuselage skin (fuselage skin in English), stiffeners or stringers, bulkheads, fuselage (circumferential frames)
- the wings such as the wing skin
- stiffeners stringers or stiffeners
- ribs ribs
- spars the empennage composed in particular of horizontal stabilizers and vertical (horizontal or vertical stabilizers), as
- the present invention is applicable to wrought alloys AA6056 and AA 6156 It is based on the discovery that the refining of an aluminum alloy using a refining containing AlTiC-type phases added in the right proportion makes it possible to obtain a very particular microstructure of the cast raw form, and in particular a grain size greater than 500 ⁇ m and a regular distribution of intermetallic phases, observed by optical microscopy at a magnification Typically 50.
- wrought products After hot transformation according to known processes, optionally followed by a cold conversion and a heat treatment, in particular for highly recrystallized products, wrought products are obtained which show, in a manner surprisingly, a significantly better toughness and a lower crack propagation rate than products made from raw forms obtained by known methods.
- highly recrystallized product means a product for which the fraction of recrystallized grains measured between the quarter-thickness and the half-thickness of the finished products is greater than 70%.
- the products from step (f) are strongly recrystallized. It is known for weakly recrystallized products that the casting microstructure can be reflected up to the properties of the transformed product (for example hot-rolled, cold-rolled and heat-treated), but in the present case the mechanism of this surprising phenomenon does not occur. has not yet been elucidated in terms of structural metallurgy.
- the product produced by the process according to the invention differs from the products according to the state of the art by the presence of AlTiC type phases.
- AlTiC type phases we mean any ternary Al-Ti-C phase as well as any Ti-C binary phase in an aluminum matrix; this term notably includes the AlTiC 2 and TiC phases. These phases are typically added in a refining yarn. Despite the small quantity of these phases, their effect on the microstructure of casting is very clear. Since wire refining containing AlTiC-type phases can substitute for the boron-containing wire refining (such as AT5B) commonly used, the raw form produced by the process according to the invention may contain less than 0, 0001% boron.
- the casting microstructure obtained by the process according to the invention is characterized by two parameters, p * (dimension [ ⁇ m]) and s * (dimension [ ⁇ m -1 ]). These parameters characterize more particularly the smoothness and the uniformity of the microsegrégation.
- the parameter p * characterizes the average distance between precipitates in the solidification structures, and therefore the average size of the zones without precipitates.
- the parameter s * characterizes the uniformity of the distribution of these distances.
- the precise definition of these two parameters as well as the method for their determination are specified in the article "Quantification of Spatial Distribution of As-Cast Microstructural Features" by Ph. Jarry, M. Boehm, and S. Antoine, published in Proceedings of the Light Metals 2001 Conference, Ed.
- Digital image analysis is an iterative closing of the image with a step up.
- the step i which closes the image C i is defined by i successive dilations of the image of the same object (a dilation consisting of the replacement of each pixel of an image by the maximum value of its neighbors) followed by i successive erosions of the image of the same object (an erosion consisting of the replacement of each pixel of an image by the minimal value of its neighbors) of the image d (note that erosion and expansion operations are not commutative).
- the surface ratio A which represents the surface fraction of the objects, is plotted as a function of the number of closing steps i .
- A denotes the surface fraction of objects after transformation
- a min denotes the initial surface fraction of intermetallic particles after thresholding
- a max denotes their surface fraction corresponding to the conventional filling at which the algorithm is stopped (in practice 90%) in order to avoid problems of slow convergence at the end of filling
- i is the number of calculation steps
- ⁇ is an adjustment coefficient of the slope of the sigmoid.
- the parameter p * represents the average distance between particles present in the matrix.
- a rolling plate is manufactured according to the method of the invention, so as to obtain a value of s * greater than 0.92 ⁇ m -1 , and preferably greater than 0.94. -1 .mu.m and simultaneously obtain a value of p * of less than 107 .mu.m.
- the raw form obtained at the end of the casting such as a spinning billet, a forge billet or a rolling plate, is transformed hot and optionally cold to its final thickness.
- the product of final thickness is then subjected to a solution and quenching heat treatment, followed by controlled tensile stress relieving with a permanent elongation of between 0.5 and 5%, and optionally followed by an income. If the permanent elongation obtained during tensioning by controlled tensing is less than 0.5%, the product does not reach sufficient flatness. If the permanent elongation achieved during controlled tensile stress relieving is greater than 5%, the damage tolerance properties may be affected.
- the process according to the invention is particularly well suited for producing wrought products made of alloy AA6056, AA6156 or similar alloys.
- alloy AA6056, AA6156 or similar alloys it is preferred to limit the iron content to 0.15%, and even 0.13%, in order to reduce the tendency to microsegregate during casting.
- An advantageous embodiment for heat-treated alloys comprises converting the hot-rolling sheet into a sheet having a thickness of between 3 and 12 mm, and heat treating to the T6 state.
- this process leads to a sheet with a tolerance to damage K R , determined in TL direction for a crack extension ⁇ a eff of 20 mm from a curve R measured according to ASTM E561, from minus 115 MPa ⁇ m, and preferably at least 116 MPa ⁇ m.
- a sheet of AA6056 or AA6156 alloys manufactured by the method according to the invention also has in the T6 temper in a thickness between 3 and 12 mm a damage tolerance K R determined in the TL direction to an extension of cracks .DELTA.a eff 60 mm obtained from a curve R measured according to ASTM E561, of at least 175 Pa ⁇ m.
- the improvement of the parameter K R which results from the method according to the present invention may make it possible to increase the guaranteed minimum value of this parameter for a given constraint, knowing that this parameter, like all the parameters which characterize a product metallurgical, always shows a certain statistical dispersion.
- An AA6056 alloy was cast into two industrial-size rolling plates, in particular 446 mm thick, at a speed of 55 mm / min and at a temperature of 680 ° C.
- Table 1 gives the refining method (AlT3C0,15 or AT5B wire.)
- the designation A1T3C0,15 corresponds to a composition Al-3% Ti-0,15% C.
- the designation AT5B corresponds to an Al-5% Ti composition.
- -1% B this product is also known under the commercial designation "AlTiB 5: 1", the Ti content (in ppm mass), the inoculation rate and mean values for the parameters s * and p * as defined above.
- the parameters s * and p * were determined on samples cut at about 140 mm from the skin and at the third width of the rolling plates.
- Table 1 Reference Ti [ppm] Inoculation rate refining s * p * [Kg / t] 4032A 180 0.7 AT5B 0.88 110 4032B 180 0.5 AlT3C0,15 0.99 101
- plated plates having a final thickness of 5 mm in the T6 state were produced using the same transformation range comprising homogenization, hot rolling, dissolution, quenching. , controlled traction stress relief and income.
- the permanent elongation obtained during controlled tensile stress relaxation was 1.5%.
- the fraction of recrystallized grains measured between the quarter-thickness and the mid-thickness of the finished products was close to 100%.
- the static mechanical characteristics and the damage tolerance of these sheets have been determined.
- the results are collated in Table 2.
- the parameter K R (20) refers to a crack extension value ⁇ a eff of 20 mm.
- figure 1 gives a comparison of the fineness of the casting microstructures (parameter p *) as a function of the Ti content and the type of refining agent.
- figure 2 gives a comparison of the regularity of the casting microstructures (parameter s *).
- Table 4 summarizes the total Ti content in the alloys of Examples 1 and 2, as well as the size of the foundry grains.
- Table 4 Reference refining Ti [ppm] Fe [%] Grain size Type Kg / t Average [ ⁇ m] Standard deviation IC 4031A AlTiC 0.5 50 0.09 902 214 153 4031B AlTiC 1 50 0.09 655 101 72 4032A AT5B 0.7 180 0.08 388 38 27 4032B AlTiC 0.5 180 0.08 713 112 80 4033A AlTiC 0.5 430 0.07 757 143 102 4033B AlTiC 2 430 0.07 664 200 143 4034A AlTiC 0.5 630 0.2 833 201 144 4034B AlTiC 2 630 0.2 644 113 81 4035A AlTiC 0.5 80 0.2 771 171 122 4035B AlTiC 0.5 80 0.2 822 118 84
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Description
- L'invention concerne un nouveau procédé de fabrication pour des produits laminés en alliage d'aluminium à haute ténacité et haute résistance à la fatigue, ainsi que des produits obtenus par ce procédé. Ce procédé comprend un affinage particulier du métal liquide. Ces tôles peuvent être utilisées comme revêtement de fuselage d'avions.
- 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 Rm et la limite d'élasticité Rp0.2) 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 peut utiliser pour les éléments de structure de fuselage des alliages de type Al-Si-Mg-Cu. Ces éléments doivent présenter d'une part une haute résistance mécanique, et d'autre part une bonne ténacité et une bonne résistance à la fatigue. Toute nouvelle possibilité d'améliorer l'un de ces groupes de propriétés sans dégrader les autres serait la bienvenue.
- Jusqu'à présent, les efforts principaux ont porté sur l'optimisation de la composition chimique des alliages, ainsi que sur l'optimisation des conditions de transformation des tôles, c'est-à-dire des séquences de laminage et de traitement thermiques.
- Ainsi, il est bien connu que dans les alliages des séries 2xxx et 7xxx, la réduction des impuretés fer et silicium conduit à une augmentation de la ténacité (voir l'article de J.T. Staley, « Microstructure and Toughness of High-Strength Aluminium Alloys » publié dans le livre « Properties Related to Fracture Toughness », ASTM Special Technical Publication 65, 1976, pp. 71-103). Dans certains cas, elle tend également à augmenter la résistance à a fatigue.
- Il n'y a que peu d'études portant sur l'influence des conditions d'affinage du métal liquide et de coulée des formes brutes (telles que billettes et plaques) sur la ténacité des produits obtenus à partir de telles formes brutes.
- La demande de brevet
EP 1 205 567 A (Alcoa Inc.) enseigne que l'ajout de Ti et B ou C à un alliage de corroyage, à raison de 0,003 à 0,010 %, conduit à une taille de grains de fonderie inférieure ou égale à 200 µm. - La demande de brevet
EP 1 158 068 A (Pechiney Rhenalu ) enseigne que la ténacité des tôles épaisses en alliage d'aluminium à durcissement structural dans les états métallurgiques peu recristallisés, c'est à dire dont la fraction de grains recristallisés est inférieure à 35%,est influencée par la microstructure de coulée : une grande taille de grains de coulée peut, dans certains cas, conduire à une meilleure ténacité qu'une faible taille de grain. Ce résultat est obtenu notamment par un contrôle soigneux de la teneur en titane et bore, des éléments qui, ajoutés sous forme de TiB2, affinent le grain du métal lors de sa solidification. - Le brevet
US 5,104,616 (Baeckerud ) s'intéresse en particulier aux problèmes posés par les particules dures de borures dans les industries de la boite boisson ou de la feuille mince en aluminium et enseigne qu'il peut être avantageux de remplacer un affinant contenant du bore par un affinant contenant du carbone. Cependant, les problèmes rencontrés dans l'industrie de l'emballage aluminium tels que les perces ne sont pas comparables à ceux rencontrés dans l'industrie aéronautique. - La présente invention a pour but de proposer un nouveau procédé pour obtenir des produits corroyés fortement recristallisés, de préférence laminés, et notamment des tôles minces en alliage de la série 6xxx à haute résistance mécanique qui montrent également une excellente ténacité et résistance à la fatigue.
- L'invention a pour objet un procédé de fabrication de produits en alliage d'aluminium, notamment de produits fortement recristallisés, à haute ténacité et résistance à la fatigue, qui comprend les étapes suivantes
- (a) on prépare un bain d'un alliage d'aluminium,
- (b) on introduit dans ledit bain un affinant,
- (c) on coule une forme brute, telle qu'une billette de filage, une billette de forge ou une plaque de laminage,
- (d) on transforme à chaud ladite forme brute, éventuellement après scalpage, pour former une ébauche ou un produit d'épaisseur finale,
- (e) on transforme optionnellement à froid l'ébauche jusqu'à son épaisseur finale,
- (f) on soumet le produit issu de l'étape (d) ou (e) à un traitement thermique de mise en solution et trempe, suivi d'un détensionnement par traction contrôlée avec un allongement permanent compris entre 0,5 et 5%, et éventuellement un revenu
caractérisé en ce que ledit affinant contient des particules de phases de type AlTiC, en ce que la quantité d'affinant est choisie de manière à ce que la taille moyenne de grain de fonderie de ladite forme brute soit supérieure à 500 µm et en ce que ledit alliage est un alliage AA6056 ou un alliage AA6156. - Un autre objet de la présente invention est une plaque de laminage susceptible d'être obtenue par le procédé de coulée.
- Encore un autre objet de la présente invention est une tôle susceptible d'être obtenue à partir du procédé ou à partir de la plaque de laminage selon l'invention.
- La
figure 1 montre l'influence de l'affinant et de la teneur en titane sur le paramètre p*. Lafigure 2 montre l'influence de l'affinant et de la teneur en titane sur le paramètre s*. Dans ce deux figures, le triangle noir représente un alliage affiné au TiB2, alors que les autres,alliages ont été affinés au AlTiC. - Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. Lorsque la concentration est exprimée en ppm (parts per million), cette indication se réfère également une concentration massique.
- La désignation des alliages suit les règles de THE ALUMINIUM ASSOCIATION. 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 ainsi que dans les publications de THE ALUMINUM ASSOCIATION. Ces règles, normes et publications sont connues de l'homme du métier. On entend ici par « alliage de la série 6xxx » ou « alliage de type Al-Mg-Si » les alliages d'aluminium (i) dont la composition chimique tombe dans une des désignations normalisées d'un alliage de la série 6xxx, ou (ii) qui est dérivé d'un alliage correspondant à une telle désignation normalisée par l'ajout ou la suppression d'un ou plusieurs éléments chimiques autre que le silicium ou le magnésium, et/ou par le dépassement (vers le haut ou vers le bas) de la limite de concentration normalisée d'un ou plusieurs éléments chimiques (y compris le silicium et le magnésium), étant entendu que dans les deux cas (i) et (ii), l'application des règles de désignation normalisées doit conduire à ranger cet alliage modifié dans la série 6xxx.
- 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 « 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, de 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.
- La présente invention peut s'appliquer à des alliages de corroyage AA6056 et AA 6156 Elle est basée sur la découverte que l'affinage d'un alliage d'aluminium à l'aide d'un affinant contenant des phases de type AlTiC ajouté dans la bonne proportion permet d'obtenir une microstructure très particulière de la forme brute coulée, et notamment une taille de grains supérieure à 500 µm et une distribution régulière des phases intermétalliques, observés par microscopie optique à un grossissement typiquement de 50. Après une transformation à chaud selon des procédés connus, suivie éventuellement d'une transformation à froid et d'un traitement thermique, on obtient, en particulier pour des produits fortement recristallisés, des produits corroyés qui montrent, d'une manière surprenante, une ténacité significativement meilleure et une vitesse de propagation de fissures plus faible que des produits élaborés à partir de formes brutes obtenues par les procédés connus. On entend par produit fortement recristallisé un produit pour lequel la fraction de grains recristallisés mesurée entre le quart-épaisseur et la mi-épaisseur des produits finis est supérieure à 70%. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les produits issus de l'étape (f) sont fortement recristallisés. On sait pour des produits faiblement recristallisés que la microstructure de coulée peut se répercuter jusqu'aux propriétés du produit transformé (par exemple laminé à chaud, à froid et traité thermiquement), mais dans le cas présent, le mécanisme de ce phénomène surprenant n'a pas encore pu être élucidé en termes de métallurgie structurale. Le produit élaboré par le procédé selon l'invention se distingue des produits selon l'état de la technique par la présence de phases de type AlTiC. Nous entendons par « phases de type AlTiC » toute phase ternaire Al-Ti-C ainsi que toute phase binaire Ti-C dans une matrice d'aluminium ; ce terme comprend notamment les phases AlTiC2 et TiC. Ces phases sont typiquement ajoutées dans un fil d'affinant. Malgré la faible quantité de ces phases, leur effet sur la microstructure de coulée est très net. Puisque l'affinage au fil contenant des phases de type AlTiC peut se substituer à l'affinage au fil contenant du bore (tel que le AT5B) couramment utilisé, la forme brute élaborée par le procédé selon l'invention peut contenir moins de 0,0001 % de bore.
- La microstructure de coulée obtenue par le procédé selon l'invention est caractérisée par deux paramètres, p* (dimension [µm]) et s* (dimension [µm-1]). Ces paramètres caractérisent plus particulièrement la finesse et l'uniformité de la microsegrégation. Le paramètre p* caractérise la distance moyenne entre précipités dans les structures de solidification, et donc la dimension moyenne des zones dépourvues de précipités. Le paramètre s* caractérise l'uniformité de la répartition de ces distances. La définition précise de ces deux paramètres ainsi que la méthode pour leur détermination sont précisées dans l'article « Quantification of Spatial Distribution of as-cast Microstructural Features » par Ph. Jarry, M. Boehm et S. Antoine, paru dans Proceedings of the Light Metals 2001 Conference, Ed. J.L. Anjier, TMS, p. 903 - 909. La détermination du paramètre p* a fait l'objet d'un essai interlaboratoire dans le cadre du projet Européen VIRCAST, voir l'article de Ph. Jarry et A. Johansen « Characterisation by the p* method of eutectic aggregates spatial distribution in 5xxx and 3xxx aluminum alloys cast in wedge moulds and comparison with SDAS measurements", paru dans Solidification of Alloys, ed. M.G. Chu, D.A. Granger et Q. Han, TMS 2004.
- Les parameters p* et s* sont basés sur l'analyse par microscopie optique de coupes polies de la forme brute à un grossissement typiquement de 50, ou tout autre grossissement qui réalise un bon compromis entre un échantillonnage représentatif de la microstructure étudiée et la résolution nécessaire. L'acquisition des images est effectuée typiquement par une caméra couleur de type CCD (charge-coupled device), reliée à un ordinateur d'analyse d'images. La procédure d'analyse, décrite en détail dans l'article précité de Ph. Jarry, M. Boehm et S. Antoine, comprend les étapes suivantes :
- a. acquisition de l'image
- b. seuillage des phases noires et analyse binaire des images présentant des niveaux de gris,
- c. suppression des phases de très petite taille (pour un grandissement de 50, un groupe de moins de 5 pixels est considéré comme du bruit électronique),
- d. analyse numérique de l'image à l'aide d'un algorithme de fermeture.
- L'analyse numérique de l'image consiste en une fermeture itérative de l'image avec un pas grandissant. Le pas i qui ferme l'image Ci est défini par i dilatations successives de l'image du même objet (une dilatation consistant en le remplacement de chaque pixel d'une image par la valeur maximale de ses voisins) suivies par i érosions successives de l'image du même objet (une érosion consistant en le remplacement de chaque pixel d'une image par la valeur minimale de ses voisins) de l'image d, (à noter que les opérations d'érosion et de dilatation ne sont pas commutatives). Le rapport de surface A, qui représente la fraction surfacique des objets, est tracé en fonction du nombre de pas de fermeture i. On obtient une courbe sigmoïdale, qui est ensuite ajustée par une fonction sigmoïdale afin d'en extraire les paramètres caractéristiques p* et s*, sachant que p* est l'abscisse du point d'inflexion, exprimée en unités de longueur, et s* la pente au point d'inflexion de la courbe sigmoïdale.
- Le paramètre p* est ainsi défini par l'équation
A désigne la fraction surfacique d'objets après transformation,
Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après seuillage,
Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrêt l'algorithme (en pratique 90%) afin d'éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage,
i est le nombre de pas de calcul,
et α est un coefficient d'ajustement de la pente de la sigmoïde. - Le paramètre p* représente la distance moyenne entre particules présentes dans la matrice.
-
- La description de la structure de coulée par les paramètres s* et p* tient donc bien compte à la fois de la finesse et de l'uniformité de la microségrégation. La demanderesse a constaté que s* est plus significatif pour décrire la régularité de la distribution de particules, alors que p* est plus significatif pour décrire la finesse de leur distribution spatiale. Dans une réalisation préférée de l'invention, on fabrique une plaque de laminage selon le procédé de l'invention, de manière à obtenir une valeur de s* supérieure à 0,92 µm-1, et de manière préférée supérieure à 0,94 µm-1 et à obtenir simultanément une valeur de p* inférieure à 107 µm.
- Selon l'invention, la forme brute obtenue à l'issue de la coulée, telle qu'une billette de filage, une billette de forge ou une plaque de laminage, est transformée à chaud et optionnelement à froid jusqu'à son épaisseur finale. On soumet ensuite le produit d'épaisseur finale à un traitement thermique de mise en solution et trempe, suivi d'un détensionnement par traction contrôlée avec un allongement permanent compris entre 0,5 et 5%, et éventuellement suivi d'un revenu. Si l'allongement permanent obtenu lors du détensionnement par traction contrôlée est inférieur à 0,5%, le produit n'atteint pas une planéité suffisante. Si l'allongement permanent obtenu lors du détensionnement par traction contrôlée est supérieur à 5%, les propriétés de tolérance aux dommages peuvent être affectées.
- Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté pour élaborer des produits corroyés en alliage AA6056, en AA6156 ou en alliages similaires. Pour ces deux alliages, on préfère limiter la teneur en fer à 0,15%, et même à 0,13%, afin de diminuer la tendance à la microsegrégation lors de la coulée. Un mode de réalisation avantageux pour les alliages à traitement thermique comprend la transformation de la plaque de laminage par laminage à chaud en tôle d'une épaisseur comprise entre 3 et 12 mm, et le traitement thermique jusqu'à l'état T6. Appliqué aux alliages AA6056 ou AA6156, ce procédé conduit à une tôle avec une tolérance aux dommages KR , déterminée au sens T-L pour une extension de fissure Δaeff de 20 mm à partir d'une courbe R mesurée selon ASTM E561, d'au moins 115 MPa√m, et préférentiellement d'au moins 116 MPa√m.
- On peut également appliquer, en utilisant des modes opératoires connus, un placage sur l'une ou les deux faces de ladite plaque de laminage, après scalpage ou éventuellement après une première séquence de laminage à chaud ; à titre d'exemple, cela peut être avantageux avec les alliages AA6056 et AA6156.
- Une tôle en alliages AA6056 ou AA6156 fabriquée par le procédé selon l'invention possède par ailleurs à l'état T6 dans une épaisseur comprise entre 3 et 12 mm une tolérance aux dommages KR , déterminée au sens T-L pour une extension de fissures Δaeff de 60 mm obtenue à partir d'une courbe R mesurée selon ASTM E561, d'au moins 175 Pa√m.
- Par ailleurs, sa vitesse de propagation de fissures da/dn au sens T-L, mesurée selon ASTM E 561 sur un panneau de largeur w = 400 pour Δk = 50 NTa√m et R = 0.1, est inférieure à 2 10-2 mm/cycle.
- Dans la pratique industrielle, l'amélioration du paramètre KR qui résulte du procédé selon la présente invention pourra permettre d'augmenter la valeur minimale garantie de ce paramètre pour une contrainte donnée, sachant que ce paramètre, comme tous les paramètres qui caractérisent un produit métallurgique, montre toujours une certaine dispersion statistique.
- 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.
- On a coulé un alliage AA6056 en deux plaques de laminage de taille industrielle et notamment d'une épaisseur de 446 mm, à une vitesse de 55 mm/minute et à une température de 680°C. La composition chimique comprenait (en % massiques) :
Si 0,81 Mg 0,70 Cu 0,93 Mn 0,49 Fe 0,09. - Le Tableau 1 donne la méthode d'affinage (fil AlT3C0,15 ou AT5B. La désignation A1T3C0,15 correspond à une composition Al-3%Ti-0,15%C. La désignation AT5B correspond à une composition Al-5%Ti-1%B ; ce produit est connu aussi sous la désignation commerciale « AlTiB 5 :1 »), la teneur en Ti (en ppm massiques), le taux d'inoculation ainsi que des valeurs moyennes pour les paramètres s* et p* tels que définis ci-dessus. Les paramètres s* et p* ont été déterminés sur des échantillons coupées à environ 140 mm de la peau et au tiers largeur des plaques de laminage.
Tableau 1 Référence Ti [ppm] Taux d'inoculation Affinant s* p* [kg/t] 4032A 180 0,7 AT5B 0,88 110 4032B 180 0,5 AlT3C0,15 0,99 101 - A partir de ces plaques de laminage, on a fabriqué des tôles plaquées d'une épaisseur finale de 5 mm à l'état T6 en utilisant la même gamme de transformation comportant une homogénéisation, le laminage à chaud, la mise en solution, la trempe, le détensionnement par traction contrôlée et un revenu. L'allongement permanent obtenu lors du détensionnement par traction contrôlée était de 1,5%, La fraction de grains recristallisés mesurée entre le quart-épaisseur et la mi-épaisseur des produits finis était proche de 100%.
- On a déterminé les caractéristiques mécaniques statiques ainsi que la tolérance aux dommages de ces tôles. Les résultats sont rassemblés au tableau 2. Le paramètre KR(20) se réfère à une valeur d'extension de fissure Δaeff de 20 mm.
- On a également déterminé la vitesse de propagation de fissures da/dn selon ASTM E 647 à partir d'une tôle de largeur w = 400 mm au sens T-L, avec un rapport R = 0,1.
Tableau 2 Référence / Paramètre 4032A 4032B Rm(L) [MPa] 369 373 Rp0,2(L) [MPa] 353 355 A(L) [%] 15,0 14,2 Rm(TL) [MPa] 372 375 Rp0,2(TL) [MPa] 340 342 A(TL) [%] 13,0 12,5 KR(20)(T-L) [MPa√m] 113 119 KR(40)(T-L) [MPa√m] 148 153 KR(60)(T-L) [MPa√m] 172 178 da/dn pour Δk =10 MPa√m [mm/cycle] 1,10 10-4 1,5 10-4 da/dn pour Δk = 30 MPa√m [mm/cycle] 3,62 10-3 2,90 10-3 da/dn pour Δk = 50 MPa√m [mm/cycle] 2,62 10-2 1,85 10-2 - On constate que les caractéristiques mécaniques statiques des deux tôles ne diffèrent guère de manière significative. En revanche, la résistance aux dommages, représentée par le paramètre KR, augmente de manière significative lorsque l'affinage du métal liquide a été effectué avec un fil contenant des phases de type AlTiC. Pour ce dernier produit, la vitesse de propagation de fissures est plus faible lorsque le facteur d'intensité de contrainte atteint environ 30 MPa√m.
- On a coulé d'autres plaques de laminage en alliage AA6056 en utilisant le procédé selon l'invention. Les paramètres d'affinage et de microstructure de coulée sont résumés dans le tableau 3.
Tableau 3 Référence Ti [ppm] Taux d'inoculation [kg/t] Affinant s* p* 4031A 50 0,5 AlT3C0,15 0,95 106 4031B 50 1 AlT3C0,15 0,98 101 4033A 430 0,5 AlT3C0,15 1,00 99 4033B 430 2 AlT3C0,15 1,04 87 4034A 630 0,5 AlT3C0,15 0,98 97 4034B 630 2 AlT3C0,15 1,01 94 4035A 80 0,5 AlT3C0,15 0,99 95 4035B 80 0,5 AlT3C0,15 0,98 96 - Sur la base des données et résultats des tableaux 1 et 3, la
figure 1 donne une comparaison des finesses des microstructures de coulée (paramètre p*) en fonction de la teneur en Ti et du type d'affinant. De même, lafigure 2 donne une comparaison de la régularité des microstructures de coulée (paramètre s*). - Le tableau 4 résume la teneur en Ti totale dans les alliages des exemples 1 et 2, ainsi que la taille de grains de fonderie.
Tableau 4 Référence Affinant Ti [ppm] Fe [%] Taille de grain Type Kg/t Moyenne [µm] Ecart-type IC 4031A AlTiC 0,5 50 0,09 902 214 153 4031B AlTiC 1 50 0,09 655 101 72 4032A AT5B 0,7 180 0,08 388 38 27 4032B AlTiC 0,5 180 0,08 713 112 80 4033A AlTiC 0,5 430 0,07 757 143 102 4033B AlTiC 2 430 0,07 664 200 143 4034A AlTiC 0,5 630 0,2 833 201 144 4034B AlTiC 2 630 0,2 644 113 81 4035A AlTiC 0,5 80 0,2 771 171 122 4035B AlTiC 0,5 80 0,2 822 118 84 - La teneur en Ti et C apportée par le fil d'affinage peut être-calculée à partir du taux d'inoculation et de la composition du fil :
- Un affinage classique à 0,7 kg/t d'ATB5 introduit environ 7 ppm de B. Un affinage avec 1 kg/t de fil de type AT3C0.15 tel qu'utilisé pour ces essais introduit environ 1,5 ppm de C. Un affinage de 0,5 kg/t du même fil introduit la moitié, soit environ 0,75 ppm de C, alors qu'un affinage de 2 kg/t introduit le double, soit environ 3 ppm. Pour le titane, un affinage de 1 kg/t de AT3C0.15 introduit environ 30 ppm, un affinage de 0,5 kg/t la moitié (environ 15 ppm), et un affinage de 2 kg/t le double (environ 60 ppm).
Claims (14)
- Procédé d'élaboration de produits en alliage d'aluminium à haute ténacité et résistance à la fatigue qui comprend les étapes suivantes(a) on prépare un bain d'un alliage d'aluminium,(b) on introduit dans ledit bain un affinant,(c) on coule une forme brute, telle qu'une billette de filage, une billette de forge ou une plaque de laminage,(d) on transforme à chaud ladite forme brute, éventuellement après scalpage, pour former une ébauche ou un produit d'épaisseur finale,(e) on transforme optionnellement à froid l'ébauche jusqu'à son épaisseur finale,(f) on soumet le produit issu de l'étape (d) ou (e) à un traitement thermique de mise en solution et trempe, suivi d'un détensionnement par traction contrôlée avec un allongement permanent compris entre 0,5 et 5%, et éventuellement suivi d'un revenu.caractérisé en ce que ledit affinant contient des particules de phases de type AlTiC, en ce que la quantité d'affinant est choisie de manière à ce que la taille moyenne de grain de fonderie de ladite forme brute soit supérieure à 500 µm et en ce que ledit alliage est un alliage AA6056 ou un alliage AA6156.
- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la quantité d'affinant est choisie de manière à ce que la distribution des phases intermétalliques de ladite forme brute, observée par microscopie optique avec un grossissement de 50, soit régulière.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la fraction recristallisée mesurée entre le quart-épaisseur et la mi-épaisseur des produits issus de l'étape (f) soit supérieure à 70%.
- Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite forme brute contient moins de 0,0001% de bore.
- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur en fer ne dépasse pas 0,15%, et de manière préférée ne dépasse pas 0,13%.
- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite forme brute est une plaque de laminage.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel on applique un placage sur l'une ou les deux faces de ladite plaque de laminage, après scalpage ou éventuellement après une première séquence de laminage à chaud.
- Plaque de laminage en alliage AA6056 ou AA6156 dont la taille moyenne de grain de fonderie est supérieure à 500 µm susceptible d'être obtenue par un procédé comprenant les étapes (a) à (c) du procédé selon une quelconque des revendications 1 ou 4 à 7 caractérisée par un paramètre s* supérieur à 0,92 µm-1, et de manière préférée supérieur à 0,94 µm-1 et par un paramètre p* inférieur à 107 µm,
où le paramètre p* est défini par l'équation
et où le paramètre s* est défini par l'équation
A désigne la fraction surfacique d'objets après transformation,
Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après seuillage,
Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrête l'algorithme afin d'éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage,
i est le nombre de pas de calcul,
et α est un coefficient d'ajustement de la pente de la sigmoïde. - Plaque de laminage selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle contient moins de 0,0001 % de bore.
- Tôle laminée susceptible d'être obtenue à partir d'une plaque de laminage selon une quelconque des revendications 8 à 9.
- Tôle laminée en alliage AA6056 ou AA6156 selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle possède à l'état T6 dans une épaisseur comprise entre 3 et 12 mm une tolérance aux dommages KR , déterminée au sens T-L pour une extension de fissure Δaeff de 20 mm à partir d'une courbe R mesurée selon ASTM E561, d'au moins 115 MPa√m, et préférentiellement d'au moins 116 MPa√m.
- Tôle en alliage AA6056 ou AA6156 selon une quelconque des revendication 10 à 11, caractérisée en ce qu'elle possède à l'état T6 dans une épaisseur comprise entre 3 et 12 mm une tolérance aux dommages KR , déterminée au sens T-L pour une extension de fissure Δaeff de 60 mm à partir d'une courbe R mesurée selon ASTM E561, d'au moins 175 MPa√m.
- Tôle en alliage AA6056 ou AA6156 selon une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que sa vitesse de propagation de fissures da/dn au sens L-T, mesurée selon ASTM E 561 au sens L-T sur un panneau de largeur w = 400 pour Δk = 50 3MPa√m et R = 0.1 , est inférieure à 2 10-2 mm/cycle.
- Tôle en alliage AA6056 ou AA6156 selon une quelconque des revendications 10 à 13 caractérisée en ce qu'elle est plaquée sur une ou deux faces.
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