EP2010689B1 - Procédé de fabrication d'un élément de structure pour construction aéronautique comprenant un écrouissage differentiel - Google Patents

Procédé de fabrication d'un élément de structure pour construction aéronautique comprenant un écrouissage differentiel Download PDF

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EP2010689B1
EP2010689B1 EP07731300.5A EP07731300A EP2010689B1 EP 2010689 B1 EP2010689 B1 EP 2010689B1 EP 07731300 A EP07731300 A EP 07731300A EP 2010689 B1 EP2010689 B1 EP 2010689B1
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preferentially
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thickness
transformation
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Philippe Lequeu
Fabrice Heymes
Armelle Danielou
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Constellium Issoire SAS
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Constellium Issoire SAS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B2205/00—Particular shaped rolled products
    • B21B2205/02—Tailored blanks

Definitions

  • the present invention relates to wrought products and structural elements, in particular for aircraft construction, made of aluminum alloy.
  • the wrought products can be rolled products (such as thin sheets, medium sheets, thick sheets), spun products (such as bars, profiles, tubes or wires), and forged products.
  • Structural monolithic metal elements with variable properties in space are of considerable interest in the current context of the aeronautical industry. Indeed, the structural elements are subject to a set of contradictory constraints that require particular choices on materials and processing conditions, which can lead to unsatisfactory compromises.
  • the replacement of the long and costly mechanical assembly steps by more economical steps of integral machining of monolithic elements is limited by the possibility of obtaining within a monolithic element the most advantageous properties in a monolithic element. each geometric area. It would therefore be very interesting to produce monolithic structural elements having variable properties in space so as to obtain in each zone an optimal compromise of properties while enjoying the economic advantages of integral machining processes.
  • no method of manufacturing monolithic metal structural element with variable properties in space has been industrialized to date because many problems of cost and reliability are encountered.
  • a first proposed solution is to achieve, during the income, a different heat treatment between the ends of the structural element.
  • FR 2 707 092 discloses a method for producing structurally curable products having continuously variable properties in at least one direction in which the feed is made by carrying one end of the product at a temperature T and the other end at a temperature of temperature t in a specific furnace comprising a hot chamber and a cold room connected by a heat pump.
  • WO 2005/098072 (Pechiney Rhenalu) describes a manufacturing process in which at least one stage of the treatment of income is carried out in a controlled thermal profile oven comprising at least two zones or groups of zones Z 1 and Z 2 with initial temperatures T 1 and T 2 in which the length of the two zones is at least one meter.
  • the problem is partly solved by locally varying the thickness of structural elements with homogeneous properties in space so as to allow them to withstand the local level of stress.
  • the variation in thickness is generally obtained by assembly or by machining.
  • CA 2,317,366 Airbus GmbH describes, for example, the manufacture of fuselage elements by welding plates of various thicknesses. It is also conceivable to directly obtain by rolling sheets of varying thickness so as to avoid the assembly steps and the associated technical and economic problems. Thickness variations can be envisaged in the longitudinal direction or in the transverse direction (see for example R. Kopp, C. Wiedner and A. Meyer, International Sheet Metal Review, July / August 2005, p20-24 ).
  • JP 11-192502 (Nippon Steel) and describes a method for obtaining a steel strip, whose thickness and static mechanical characteristics vary in width.
  • EP 0 062 469 A1 (Sumitomo) describes a process comprising a step of transformation by cold plastic deformation with several cold reductions followed by a heat treatment solubilization also called dissolution.
  • WO 00/21695 (Thyssen Krupp) describes a method for obtaining sections of variable thickness in the rolling direction within a metal strip, these sections having different mechanical properties.
  • the problem addressed by the present invention is to develop a process for the manufacture of wrought products and monolithic alloy structural elements. of aluminum, in particular for aircraft construction, having variable use properties in space while having geometrical characteristics identical to those of current products and elements, which is sufficiently economical and controllable, which makes it possible to vary in the space the properties of use of structural elements whose manufacturing process does not necessarily require income and which allows to vary the properties of employment of structural elements at different positions of their length.
  • a first object of the present invention is a method for manufacturing a wrought product or a monolithic multi-functional structural element made of aluminum alloy comprising a hot transformation step characterized in that after the hot conversion it also comprises at least one step of transformation by cold plastic deformation in which at least two zones of the structural element of the average generalized plastic deformations different from at least 2% and preferably different by at least 3% are imposed. .
  • a second object of the invention is a wrought product or a 2XXX alloy structure element in the T3X state that can be obtained by the method according to the invention.
  • a third object of the invention is a wrought product or a structural element made of 2XXX alloy containing lithium in the T8X state that can be obtained by the process according to the invention.
  • 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.
  • K 1C toughness is measured according to ASTM E 399.
  • the definitions of the European standard EN 12258-1 apply, in particular without heat treatment, an alloy which can not be substantially hardened by heat treatment and alloy with heat treatment an alloy that can be hardened by a suitable heat treatment.
  • sheet metal is used here for rolled products of any thickness.
  • cold plastic deformation plastic deformation for which the metal is deliberately heated neither before being deformed nor during the deformation.
  • cold plastic deformations including cold rolling, controlled pulling (planing), drawing, drawing, stamping, stamping, bending, compression and cold forging.
  • hot transformation is meant a deformation step for which the initial temperature of the metal is at least 200 ° C.
  • the average generalized plastic deformation is the average of the generalized plastic deformation in a given volume.
  • machining includes any material removal process such as turning, milling, drilling, reaming, tapping, EDM, grinding, polishing, chemical machining.
  • spun product also includes products that have been drawn after spinning, for example by cold drawing through a die. It also includes drawn products.
  • wrought product refers to a semi-finished product (i.e., an intermediate product) ready to be processed, in particular by sawing, machining and / or forming a structural element. In some cases the wrought product can be used directly as a structural element.
  • the wrought products can be rolled products (such as thin sheets, medium sheets, thick sheets), spun products (such as bars, profiles, tubes or wires), and forged products.
  • the method of manufacturing the wrought product comprises a controlled pulling step, the ends of the workpiece which are under the grip of the jaws of the traction bench are sawed so as to render the workpiece usable in mechanical engineering.
  • structural element refers to an element used in mechanical engineering for which the static and / or dynamic mechanical characteristics are of particular importance for the performance and integrity of the structure, and for which a calculation of the structure is usually prescribed or performed. It is typically 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), wings (such as wing skin), stiffeners (stiffeners), ribs and spars) and the empennage composed in particular of horizontal and vertical stabilizers (horizontal or vertical stabilizers), as well as the floor beams, the seat tracks and the doors.
  • fuselage such as fuselage skin (fuselage skin in English), stiffeners or stringers, bulkheads, fuselage (circumferential frames), wings (such as wing skin), stiffeners (stiffeners), ribs and spars
  • empennage composed in particular of horizontal and vertical stabilizers (horizontal or vertical stabilizers), as well as the floor beams, the seat tracks and the doors.
  • monolithic structural element refers to a structural element which has been obtained from a single piece of semi-finished product, rolled, forged or molded, without assembly, such as riveting, welding, gluing, with another room.
  • multi-functional structural element refers here primarily to the functions conferred by the metallurgical characteristics of the product and not by its geometric form.
  • the problem is solved by a method of manufacturing a wrought aluminum alloy product or a monolithic multi-functional aluminum alloy structural element which comprises at least one step of plastic deformation to cold after the hot transformation, in which at least two zones of the wrought product or of the structural element undergo different average generalized plastic deformations of at least 2%, preferably at least 3% and even more preferentially at least 4% or even 5%.
  • the areas considered have a significant volume relative to the total volume of the structural element.
  • the volume of the zones considered represents at least 5%, preferably at least 10% and more preferably at least 15% of the total volume of the wrought product or the structural element.
  • all zones of the wrought product or the structural element undergo minimum generalized plastic deformation of at least 1% and preferably at least 1.5%.
  • the process according to the invention comprises at least two stages of transformation by cold plastic deformation after the hot transformation.
  • the methods according to the invention make it possible to produce wrought products and structural elements having a main dimension or final length L f in the principal direction or direction of the length L and a final section in the plane perpendicular to this direction S f .
  • the section S f is substantially constant at all points of the wrought product.
  • the thickness e f it is advantageous for the thickness e f to be substantially constant at all points.
  • Machining may be one of the last step of the method according to the invention so as to obtain a final section and / or a final thickness of the wrought product substantially constant at any point.
  • the process according to the invention can be used to produce wrought products, preferably sheets and profiles, and structural elements of any wrought aluminum alloy.
  • the invention can be used with alloys without heat treatment such as alloys 1XXX, 3XXX, 5XXX and some alloys of the 8XXX series, and particularly advantageously with 5XXX alloys containing scandium, at a preferred content of 0.001 to 5% by weight and even more preferably 0.01 to 0.3% by weight.
  • the differences in mechanical properties resulting from the differences in workmanship obtained by the process according to the invention give the structural elements obtained from wrought products of alloy without heat treatment according to the invention a multi-functional character.
  • a heat-treated aluminum alloy is used, and between the hot conversion and the first cold plastic deformation transformation, a solution step, a quenching step and optionally a step of income posterior to the transformation steps by cold plastic deformation.
  • the invention can be used to develop wrought products or aluminum alloy structural members of the 2XXX, 4XXX, 6XXX and 7XXX series, as well as 8XXX series-containing structural alloy containing lithium.
  • alloy containing lithium an alloy whose lithium content is greater than 0.1% by weight.
  • an income can be used to obtain for example a T8X state or, on the contrary, to use a natural aging to a T3X state.
  • the invention is particularly advantageous for producing wrought products or structural elements made of 2XXX alloy in the T3X state.
  • the cold plastic deformation carried out after the solution and quenching steps makes it possible to modify the kinetics of income.
  • the zones undergoing different average generalized plastic deformations will reach different metallurgical states during the income, which will give the structural element a multi-functional character.
  • the tempering is carried out in a furnace having a temperature gradient so as to amplify the differences in properties between the ends of the heat sink element. structure.
  • the at least two zones of the wrought product or of the structural element undergoing different average generalized plastic deformations of at least 2% are located at a different position in the main direction or in length. L.
  • the zones considered advantageously have a section S Z in the plane perpendicular to the direction L equal to the section of the product wrought in this plane.
  • the wrought product is substantially constant section S Z is advantageously substantially equal to S f .
  • the length of said zones in the direction L is preferably at least 1m and preferably at least 5m.
  • the method according to the invention comprises in the first variant at least one cold plastic deformation step by controlled traction.
  • Controlled traction is usually used to perform planing or straightening and to release residual stresses.
  • a controlled traction step in which one of the ends of the intermediate product on which the controlled traction is carried out significantly exceeds the jaws of the traction bench, can also be used to generate average generalized plastic deformations. between two areas of the wrought product.
  • the figure 1 illustrates an embodiment of the invention in which 3 controlled traction steps are performed successively.
  • At least one of the jaws (1) of the traction bench is then moved as indicated on the figure 1 , so that one of the ends of the piece significantly exceeds the jaws and the length of the part between the jaws is L 1 .
  • a second controlled traction step B is then performed on the zone of the part located between the jaws so as to obtain a second useful intermediate length L i2 of the element and thus to pass the zone (22) between the jaws of the length L 1 to the length L i2 - L i1 + L 1 .
  • at least one of the jaws can be moved again so as to perform at least a third pulling step on a portion of length L 2 .
  • a fourth step D the ends of the part which were under the grip of the jaws of the traction bench during step A are sawn.
  • the method using successive pulls described by the figure 1 can be applied to sheet metal as well as to spun products.
  • the figure 2 describes another embodiment of the first variant of the invention.
  • an intermediate product having a variable section in the direction of the length L.
  • the intermediate product thus obtained has an initial length L 0 and three different sectional areas S 1 , S 2 and S 3 .
  • the deformations undergone by these zones are different.
  • At least one cold plastic deformation step is performed by compression. This embodiment is illustrated by the figure 5 .
  • the method according to the invention comprises a cold rolling step in which the thickness of the sheet is variable. at the entrance of the rolling mill and substantially constant at the exit of the rolling mill.
  • the figure 3 illustrates an embodiment in which a sheet having three zones Z31 , Z32 and Z33 of respective thicknesses e 1 , e 2 and e 3 and an initial length L 0 undergoes a cold rolling step between two rolls (5) leading to a final thickness e f .
  • the sheet having a variable thickness in the direction L required in the embodiment described by the figure 3 can be obtained for example by modifying in the course of hot rolling the thickness target.
  • this sheet of variable thickness can be obtained by machining a sheet of constant thickness resulting from the hot rolling step.
  • the figure 3 describes an embodiment in which the thickness variation is obtained on one side, the other face remaining flat. It is also possible to vary the thickness on both sides and not to keep a plane face.
  • the method according to the invention comprises a cold rolling step in which the thickness of the sheet is substantially constant at the input of the rolling mill and variable in the direction L at the exit of the rolling mill and a subsequent machining step which makes it possible to obtain a substantially constant thickness at all points.
  • the areas of the structural element undergoing different mean generalized plastic deformations of at least 2% are located at a different position in the transverse direction l .
  • the zones considered advantageously have a thickness e Z in the direction of the thickness e equal to the thickness of the wrought product.
  • the thickness e Z is advantageously substantially equal to e f .
  • the width of said zones is preferably at least 0.2 m and preferably at least 0.4 m.
  • the method according to the invention comprises a cold rolling step in which the thickness of the sheet is variable in the transverse direction 1 at the inlet of the rolling mill and is substantially constant at the exit of the rolling mill.
  • the thickness variation of the sheet may in particular be obtained by hot rolling, by machining at the end of the hot rolling or by forging.
  • This embodiment is illustrated on the figure 4 where a sheet whose thickness is e 1 for the areas at the ends of the element in direction 1 is e 2 for the centrally located area in the direction 1 is laminated in the direction L to a thickness substantially homogeneous e f .
  • the embodiment in which the zones Z41 and Z43 have the same initial thickness is advantageous, however an embodiment in which the thicknesses are different is also possible.
  • the method according to the invention comprises a cold rolling step in which the thickness of the sheet is substantially constant at the input of the rolling mill and variable in the direction l at the output of the rolling mill and a subsequent machining step that provides a substantially constant thickness at any point.
  • the figure 5 describes another embodiment in which a compression is performed using a tool (6) moving in the direction symbolized by an arrow.
  • the thickness is reduced from e 0 to e 1 , then in a second step from e 1 to e 2 on a part of the structural element, then finally during a third step of e 2 to e 3 , which defines three zones Z51 , Z52 and Z53 .
  • a final machining step allows to obtain a final thickness e f substantially equal at any point. It is also possible to machine the sheet to different thicknesses and then compress it so as to obtain a constant thickness at all points.
  • a sheet 30 meters long, 2.5 meters wide and 28.2 mm thick was manufactured by hot rolling a rolling plate.
  • composition of the alloy used is given in Table 1 below: Table 1: composition of the alloy rolling plate AA2023 (% by weight) Yes Fe Cu mg Ti Zr sc 0.06 0.07 3.81 1.36 0,024 0.11 0.03
  • the rolling plate was homogenized for 12 hours at 500 ° C.
  • the inlet temperature of the hot rolling was 460 ° C.
  • the sheet was then dissolved at 500 ° C. and quenched.
  • the sheet was then cold-rolled, so as to obtain a substantially constant thickness of 25.5 mm over the entire sheet, then underwent a controlled pull with a permanent elongation of about 2% at the end of which ends of the piece which were under the grip of the jaws of the traction bench were sawn
  • the rolling step led the zone Z31 to reach a length of about 11 meters
  • Table 2 The deformations performed in the different zones are summarized in Table 2 below: Table 2.
  • Zoned Work hardening rate Tensile strain rate Total work hardening rate Generalized deformation by rolling Generalized deformation by traction Total generalized deformation Z31 10.2% 2.0% 12.4% 11.2% 2.0% 13.2% Z32 3.1% 2.0% 5.2% 3.6% 2.0% 5.6% Z33 0.0% 2.0% 2.0% 0.0% 2.0% 2.0% 2.0% 2.0% 2.0% 2.0% 2.0% 2.0%
  • zone Z31 is characterized by a high mechanical strength, to the detriment of a limited elongation while zone Z33 is distinguished by a significant elongation but for a lower static mechanical resistance.
  • a sheet 30 meters long, 2.5 meters wide and 16.8 mm thick was manufactured by hot rolling a rolling plate.
  • composition of the alloy used is given in Table 4 below: Table 4: composition of the alloy rolling plate AA2024A (% by weight) Yes Fe Cu mn mg Ti 0.04 0.07 3.96 0.38 1.29 0,013
  • the rolling plate was homogenized and then hot rolled.
  • the sheet was then dissolved at 500 ° C. and quenched.
  • the sheet was then cold-rolled, so as to obtain a substantially constant thickness of 15.3 mm over the entire sheet, then underwent a controlled pull with a permanent elongation of about 2% at the end of which ends of the piece which were under the grip of the jaws of the traction bench were sawed.
  • Zoned Work hardening rate Tensile strain rate Total work hardening rate Generalized deformation by rolling Generalized deformation by traction Total generalized deformation Z31 9.2% 2% 11.3% 10.1% 2.0% 12.1% Z32 3.9% 2% 6.0% 4.4% 2.0% 6.4% Z33 0.0% 2% 2.0% 0.0% 2% 2.0%
  • zone Z31 is characterized by a high mechanical strength, to the detriment of a limited elongation while zone Z33 is distinguished by a significant elongation but for a lower static mechanical resistance.
  • composition of the alloy used is given in Table 7 below: Table 7: composition of the alloy rolling plate AA2027 (% by weight) Yes Fe Cu mn mg Zn Ti Zr 0.05 0.11 4.2 0.6 1.3 0.06 0.02 0.11
  • the spinning billet was homogenized at 490 ° C and extruded while hot.
  • Table 8 The deformations performed in the zones are summarized in Table 8 below: Table 8. Work hardening rate and general deformation in zones Z11, Z12 and Z13.
  • Tensile strain rate Generalized deformation rate Zoned Step 1 2nd step 3rd step Total Step 1 2nd step 3rd step Total Z11 2.8% 5.6% 2.4% 11.2% 2.8% 5.4% 2.4% 10.6% Z12 2.8% 5.6% 8.6% 2.8% 5.4% 8.2% Z13 2.8% 2.8% 2.8% 2.8%
  • zone Z11 is characterized by high mechanical strength, to the detriment of limited elongation and toughness, while zone Z13 is distinguished by a significant elongation and tenacity but for a lower static mechanical strength.
  • a sheet 30 meters long, 2.5 meters wide and 33 mm thick was manufactured by hot rolling a rolling plate.
  • composition of the alloy used is given in Table 10 below: Table 10: Composition of rolling plate alloy AA2195 (% by weight) Yes Fe Cu Li mg Zr Ag 0.03 0.06 4.3 1.17 0.39 0.12 0.35
  • the rolling plate was homogenized and then hot rolled.
  • the sheet was then dissolved at 510 ° C. and quenched.
  • zone G One half of the sheet (zone G) was then cold-rolled to 30 mm thickness while the other half underwent a controlled pull with 2.5% offset jaws (zone H).
  • the sheet was then machined, so as to obtain a substantially constant thickness of 30 mm over the entire sheet, then underwent a controlled pull with a permanent elongation of about 1.5% at the end of which the ends of the piece that were under the grip of the jaws of the traction bench were sawn
  • Table 11 The deformations made in the different zones are summarized in Table 11 below: Table 11. Work hardening rate and generalized deformation in zones G and H. Zoned Work hardening rate Tensile strain rate Total work hardening rate Deformations generalized by rolling Generalized deformation by traction Total generalized deformation BOY WUT 10% 1,5% 11.3% 11% 1,5% 11.5% H 0% 2.5 + 1.5% 4.0% 0% 2.5 + 1.5% 4.0%
  • the method according to the invention makes it possible to obtain compromises of different properties in the zones G and H.
  • the zone G is characterized by a high mechanical resistance, to the detriment of a limited elongation and tenacity whereas the zone H is distinguished by greater elongation and toughness but for lower static strength.

Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention concerne les produits corroyés et les éléments de structure, notamment pour construction aéronautique, en alliage d'aluminium. Les produits corroyés peuvent être des produits laminés (tels que des tôles minces, tôles moyennes, tôles épaisses), des produits filés (tels que des barres, profilés, tubes ou fils), et des produits forgés.
    • Etat de la technique
  • Les éléments structuraux monolithiques métalliques à propriétés variables dans l'espace présentent un intérêt considérable dans le contexte actuel de l'industrie aéronautique. En effet, les éléments structuraux sont soumis à un faisceau de contraintes contradictoires qui nécessitent des choix particuliers sur les matériaux et les conditions de transformation, ce qui peut conduire à des compromis peu satisfaisants. De plus, le remplacement des étapes d'assemblage mécanique, longues et coûteuses par des étapes plus économiques d'usinage intégral d'éléments monolithiques se trouve limité par la possibilité d'obtenir au sein d'un élément monolithique les propriétés les plus avantageuses dans chaque zone géométrique. Il serait donc très intéressant de réaliser des éléments structuraux monolithiques ayant des propriétés variables dans l'espace de façon à obtenir dans chaque zone un compromis optimal de propriétés tout en bénéficiant des avantages économiques des procédés d'usinage intégral. Cependant, aucun procédé de fabrication d'élément structural monolithique métallique à propriétés variables dans l'espace n'a été industrialisé à ce jour car de nombreux problèmes de coût et de fiabilité sont rencontrés.
  • Ainsi, plusieurs procédés ont été proposés dans l'art antérieur pour réaliser des éléments structuraux monolithiques métalliques à propriétés variables dans l'espace.
  • Une première solution proposée est de réaliser, lors du revenu, un traitement thermique différent entre les extrémités de l'élément structural.
  • FR 2 707 092 (Pechiney Rhenalu) décrit un procédé de fabrication de produits à durcissement structural possédant des propriétés variables de façon continue dans au moins une direction dans lequel le revenu est effectué en portant une des extrémités du produit à une température T et l'autre extrémité à une température t dans un four spécifique comprenant une chambre chaude et une chambre froide reliées par une pompe à chaleur.
  • WO 2005/098072 (Pechiney Rhenalu) décrit un procédé de fabrication dans lequel au moins une étape du traitement de revenu est effectuée dans un four à profil thermique contrôlé comportant au moins deux zones ou groupes de zones Z1 et Z2 avec des températures initiales T1 et T2 dans lequel la longueur des deux zones est d'au moins un mètre.
  • Ces procédés limitent les variations de propriétés à des propriétés pouvant être modifiées de façon compatible lors d'un revenu. Dans le cas des alliages sans traitement thermique, ce type de procédé ne peut pas être utilisé. De même, dans le cas des alliages de la famille 2XXX, pour lesquels il existe de nombreuses pièces vendues à l'état T3 ou T4 (non revenu) il n'est pas possible d'obtenir des éléments ayant des propriétés variables par ce procédé.
  • Par ailleurs, des profilés comportant dans un même plan perpendiculaire à la longueur une zone entre les nervures ayant une microstructure présentant une texture fibre plus développée de façon à diminuer la vitesse de propagation de fissure sont décrits dans la demande de brevet US 2003/226935 .
  • Dans une autre approche, il a été proposé de souder deux pièces en alliages différents avant d'usiner la pièce résultante. L'élément structural obtenu, même s'il présente une continuité de matière et des propriétés variables dans l'espace, ne peut cependant pas être considéré comme un élément structural monolithique en raison de la zone soudée. La demande PCT WO 98/58759 (British Aerospace) décrit ainsi une billette hybride formée à partir d'un alliage 2000 et d'un alliage 7000 par soudage par friction-malaxage à partir de laquelle est usiné un longeron. La demande de brevet EP 1 547 720 A1 (Airbus UK) décrit une méthode d'assemblage par soudage de deux pièces typiquement obtenues à partir d'alliages différents de façon à réaliser après usinage une pièce structurale pour des applications aéronautiques telles qu'un longeron.
  • Dans l'industrie aéronautique, le problème est en partie résolu en faisant localement varier l'épaisseur des éléments structuraux à propriétés homogènes dans l'espace de façon à leur permettre de résister au niveau local de contrainte. La variation d'épaisseur est généralement obtenue par assemblage ou par usinage.
  • CA 2 317 366 (Airbus Deutschland) décrit par exemple la fabrication d'éléments de fuselage par soudage de tôles de diverses épaisseurs. On peut aussi envisager d'obtenir directement par laminage des tôles d'épaisseur variable de façon à éviter les étapes d'assemblage et les problèmes techniques et économiques associés. Des variations d'épaisseur sont envisageables dans la direction longitudinale ou la direction transverse (voir par exemple R. Kopp, C. Wiedner et A. Meyer, International Sheet Metal Review, Juillet/Août 2005, p20-24).
  • La réalisation de tôles à épaisseur variable a par ailleurs été envisagée par diverses méthodes pour résoudre d'autres problèmes techniques. Les bandes « sur mesure » (« tailored blanks ») sont ainsi connues dans la sidérurgie et permettent d'économiser de la matière lors des étapes de mise en forme.
  • JP 11-192502 (Nippon Steel) décrit ainsi un procédé permettant d'obtenir une bande d'acier, dont l'épaisseur et les caractéristiques mécaniques statiques varient dans la largeur. EP 0 062 469 A1 (Sumitomo) décrit un procédé comprenant une étape de transformation par déformation plastique à froid avec plusieurs réductions à froid suivie d'un traitement thermique de solubilisation également appelé mise en solution.
  • WO 00/21695 (Thyssen Krupp) décrit un procédé permettant d'obtenir des sections d'épaisseur variable dans la direction du laminage au sein d'une bande métallique, ces sections présentant des propriétés mécaniques différentes.
  • La modification de la géométrie des tôles, si elle se justifie pour réaliser des économies de matière présente cependant des inconvénients en terme de fabrication, de contrôle, de manutention et ne permet pas un transfert rapide direct vers les procédés existants chez les avionneurs.
  • Le problème auquel répond la présente invention est de développer un procédé pour la fabrication de produits corroyés et d'éléments de structure monolithiques en alliage d'aluminium, notamment pour la construction aéronautique, présentant des propriétés d'emploi variables dans l'espace tout en présentant des caractéristiques géométriques identiques à celles des produits et éléments actuels, qui soit suffisamment économique et contrôlable, qui permette de faire varier dans l'espace les propriétés d'emploi d'éléments de structure dont le procédé de fabrication ne nécessite pas nécessairement de revenu et qui permette de faire varier les propriétés d'emploi d'éléments de structure à différentes position de leur longueur.
    • Objet de l'invention
  • Un premier objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'un produit corroyé ou d'un élément de structure multi-fonctionnel monolithique en alliage d'aluminium comprenant une étape de transformation à chaud caractérisé en ce que postérieurement à la transformation à chaud il comprend également au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones de l'élément de structure des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%.
  • Un deuxième objet de l'invention est un produit corroyé ou un élément de structure en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention.
  • Un troisième objet de l'invention est un produit corroyé ou un élément de structure en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention.
    • Description des figures
    • La figure 1 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction L subissent des déformations plastiques différentes par traction contrôlée grâce à un déplacement des mors du banc de traction.
    • La figure 2 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction L subissent des déformations plastiques différentes par traction contrôlée grâce à une variation de la section.
    • La figure 3 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction L subissent des déformations plastiques différentes par laminage à froid grâce à une variation de l'épaisseur avant laminage.
    • La figure 4 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction l subissent des déformations plastiques différentes par laminage à froid grâce à une variation de l'épaisseur avant laminage.
    • La figure 5 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente subissent des déformations plastiques différentes par compression.
    Description de l'invention
  • 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 et les traitements thermiques 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 ténacité K1C est mesurée selon la norme ASTM E 399.
  • Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent, en particulier on appelle alliage sans traitement thermique un alliage qui ne peut être durci de façon substantielle par un traitement thermique et alliage à traitement thermique un alliage qui peut être durci par un traitement thermique approprié.
  • Le terme « tôle » est utilisé ici pour des produits laminés de toute épaisseur.
  • Par déformation plastique à froid on entend ici une déformation plastique pour laquelle le métal n'est volontairement chauffé ni avant d'être déformé ni au cours de la déformation. Il existe plusieurs types de déformations plastiques à froid, notamment le laminage à froid, la traction contrôlée (planage), le tréfilage, l'étirage, le matriçage, l'emboutissage, le pliage, la compression et le forgeage à froid. Par transformation à chaud on entend une étape de déformation pour laquelle la température initiale du métal est d'au moins 200 °C.
  • Le taux d'écrouissage est défini dans le cas du laminage d'une épaisseur e0 à une épaisseur e par τ(%) = (e0 -e)/e et dans le cas de la traction d'une longueur L0 à une longueur L par τ(%) = (L-L0)/L0.
  • La déformation plastique généralisée est connue de l'homme du métier, elle est définie par exemple dans le manuel «Mise en forme des métaux - Calculs sur la plasticité » de P. Baque, E. Felder, J. Hyafil et Y. D'Escatha aux éditions Dunod, Paris (1973) ou dans l'ouvrage « Mise en forme des métaux et alliages », textes rassemblés par B. Baudelet, édité par les éditions du CNRS, 1976, Paris. Par convention, la déformation généralisée est la mesure de l'amplitude de déformation et on prend comme valeur de la déformation ε celle qui correspond à un essai de traction simple d'après le critère d ε ‾ = 2 3 dε 1 − dε 2 2 + dε 2 − dε 3 2 + dε 3 − dε 1 2 1 / 2
    Figure imgb0001
     où dε 1, dε 2 et dε 3 sont les déformations principales élémentaires.
  • Dans le cas d'une déformation plastique, la variation de volume est nulle et on a donc dε 1+dε2 +dε 3 = 0. La déformation plastique généralisée est additive pour différentes étapes successives de déformation plastique.
  • Dans le cas du laminage d'une épaisseur e0 à une épaisseur e, où la déformation est plane (dε 3=0, dε 2= - dε 1), la déformation plastique généralisée est égale à ε (%) = (2/√3)ln(e0/e).
  • Dans le cas de la traction d'une longueur l0 à une longueur l, la déformation plastique généralisée est égale à ε(%) = ln(l/l0).
  • Dans le cas de la compression d'une longueur l0 à une longueur l, la déformation plastique généralisée est égale à ε(%) = ln(l0/l)
  • On appellera ici déformation plastique généralisée moyenne, la moyenne de la déformation plastique généralisée dans un volume donné.
  • Le terme « usinage » comprend tout procédé d'enlèvement de matière tel que le tournage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, l'électroérosion, la rectification, le polissage, l'usinage chimique.
  • Le terme « produit filé » comprend également les produits qui ont été étirés après filage, par exemple par étirage à froid à travers une filière. Il comprend également les produits tréfilés.
  • Le terme « produit corroyé » se réfère à un demi-produit (c'est-à-dire un produit intermédiaire) prêt à être transformé, notamment par sciage, usinage et/ou mise en forme en élément de structure. Dans certains cas le produit corroyé peut être utilisé directement comme élément de structure. Les produits corroyés peuvent être des produits laminés (tels que des tôles minces, tôles moyennes, tôles épaisses), des produits filés (tels que des barres, profilés, tubes ou fils), et des produits forgés. Lorsque le procédé de fabrication du produit corroyé comprend une étape de détentionnement par traction contrôlée, les extrémités de la pièce qui se sont trouvées sous l'emprise des mors du banc de traction sont sciées de façon à rendre la pièce utilisable en construction mécanique.
  • Le terme « élément de structure » se réfère à un élément utilisé en construction mécanique pour lequel les caractéristiques mécaniques statiques et / ou dynamiques ont une importance particulière pour la performance et l'intégrité de la structure, et pour lequel un calcul de la structure est généralement prescrit ou effectué. Il s'agit typiquement d'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.
  • Le terme « élément de structure monolithique » se réfère à un élément de structure qui a été obtenu à partir d'une seule pièce de demi-produit laminé, filé, forgé ou moulé, sans assemblage, tel que rivetage, soudage, collage, avec une autre pièce.
  • Le terme « élément de structure multi-fonctionnel » se réfère ici principalement aux fonctions conférées par les caractéristiques métallurgiques du produit et non pas par sa forme géométrique.
  • Selon l'invention, le problème est résolu par un procédé de fabrication d'un produit corroyé en alliage d'aluminium ou d'un élément de structure multi-fonctionnel monolithique en alliage d'aluminium qui comprend au moins une étape de déformation plastique à froid postérieure à la transformation à chaud, dans laquelle au moins deux zones du produit corroyé ou de l'élément de structure subissent des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2%, préférentiellement d'au moins 3% et encore plus préférentiellement d'au moins 4% ou même 5%. Les zones considérées ont un volume significatif par rapport au volume total de l'élément de structure. Avantageusement, le volume des zones considérées représente au moins 5%, préférentiellement au moins 10% et plus préférentiellement au moins 15% du volume total du produit corroyé ou de l'élément de structure. D'une manière avantageuse toutes les zones du produit corroyé ou de l'élément de structure subissent une déformation plastique généralisée minimale d'au moins 1% et de préférence d'au moins 1,5%.
  • De façon avantageuse, le procédé selon l'invention comprend au moins deux étapes de transformation par déformation plastique à froid postérieures à la transformation à chaud.
  • Les procédés selon l'invention permettent de réaliser des produits corroyés et des éléments de structure ayant une dimension principale ou longueur finale Lf dans la direction principale ou direction de la longueur L et une section finale dans le plan perpendiculaire à cette direction Sf. De manière préférée, la section Sf est sensiblement constante en tout point du produit corroyé. Dans le cas où le produit corroyé est une tôle de longueur finale Lf, de largeur finale lf et d'épaisseur finale ef, il est avantageux que l'épaisseur ef soit sensiblement constante en tout point. Dans le cas où il s'agit d'un produit filé de longueur L et de forme complexe il est avantageux que la forme soit identique en tout point de la longueur.
  • Un usinage peut constituer une des dernières étape du procédé selon l'invention de façon à obtenir une section finale et/ou une épaisseur finale du produit corroyé sensiblement constantes en tout point.
  • Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour élaborer des produits corroyés, de préférence des tôles et des profilés, et des éléments structuraux en tout alliage d'aluminium de corroyage. En particulier, l'invention peut être utilisée avec des alliages sans traitement thermique tels que les alliages 1XXX, 3XXX, 5XXX et certains alliages de la série 8XXX, et de façon particulièrement avantageuse avec des alliages 5XXX contenant du scandium, à une teneur préférée de 0,001 à 5% en poids et de façon encore plus préférée de 0,01 à 0,3% en poids. Les différences de propriétés mécaniques résultant des différences de corroyage obtenues par le procédé selon l'invention confèrent aux éléments de structure obtenus à partir des produits corroyés en alliage sans traitement thermique selon l'invention un caractère multi-fonctionnel.
  • Dans une réalisation avantageuse de l'invention, on utilise un alliage d'aluminium à traitement thermique et on réalise entre la transformation à chaud et la première transformation par déformation plastique à froid une étape de mise en solution, une étape de trempe et, optionnellement une étape de revenu postérieure aux étapes de transformation par déformation plastique à froid. En particulier, l'invention peut être utilisée pour élaborer des produits corroyés ou des éléments structuraux en alliage d'aluminium des séries 2XXX, 4XXX, 6XXX et 7XXX, ainsi qu'en alliage à durcissement structural de la série 8XXX contenant du lithium. Dans le cadre de l'invention, on entend par « alliage contenant du lithium » un alliage dont la teneur en lithium est supérieure à 0,1 % en poids. Dans le cas des alliages de la série 2XXX, on peut utiliser un revenu pour obtenir par exemple un état T8X ou au contraire utiliser un vieillissement naturel vers un état T3X. L'invention est particulièrement avantageuse pour la réalisation de produits corroyés ou d'éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X.
  • L'invention permet de réaliser des produits corroyés ou des éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X caractérisé en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possèdant des propriétés mécaniques (mesurées à mi-épaisseur) sélectionnées dans le groupe formé de
    1. (i) Z1 : Rm(L) > 500 MPa et préférentiellement Rm(L) > 520 MPa
      et Z2 : A(L)(%) > 16% et préférentiellement A(L)(%) > 18%
    2. (ii) Z1 : Rm(L) > 450 MPa et préférentiellement Rm(L) > 470 MPa
      et Z2 : A(L)(%) > 18% et préférentiellement A(L)(%) > 20%
    3. (iii) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa
      et Z2 : A(L)(%) > 10% et préférentiellement A(L)(%) > 14%
    4. (iv) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa
      et Z2 : K1c(L-T) > 45 Mpa√m et préférentiellement K1c(L-T) > 55 Mpa√m.
  • On peut aussi obtenir des produits corroyés ou des éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X caractérisés en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possèdant des propriétés mécaniques (mesurées à mi-épaisseur) dans lesquelles :
    1. (i) Rp0,2, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rp0,2(Z1) - Rp0,2(Z2) d'au moins 50 MPa et préférentiellement d'au moins 70 MPa et/ou
    2. (ii) Rm, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rm(Z1) - Rm(Z2) d'au moins 20 MPa et préférentiellement d'au moins 30 MPa et/ou
    3. (iii) K1c, mesuré dans le sens L-T présente un écart K1c (Z1) - K1c (Z2) d'au moins 5 MPa√m et préférentiellement d'au moins 15 MPa√m.
  • L'invention permet également d'obtenir des produits corroyés ou des éléments de structure en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X caractérisés en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possédant des propriétés mécaniques sélectionnées dans le groupe formé de
    1. (i) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa
      et Z2 : A(L)(%) > 8 % et préférentiellement A(L)(%) > 9 %
    2. (ii) Z1 : Rm(L) > 640 MPa et préférentiellement Rm(L) > 650 MPa
      et Z2 : A(L)(%) > 7 % et préférentiellement A(L)(%) > 8 %
    3. (iii) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa
      et Z2 : K1c(L-T) > 25 Mpa√m et préférentiellement K1c(L-T) > 30 Mpa√m
  • Dans le cas des alliages artificiellement vieillis et plus particulièrement des alliages de la série 7XXX et de certains alliages de la série 2XXX, la déformation plastique à froid réalisée après les étapes de mise en solution et trempe permet de modifier la cinétique de revenu. Ainsi, les zones subissant des déformations plastiques généralisées moyennes différentes atteindront lors du revenu des états métallurgiques différents ce qui conférera à l'élément de structure un caractère multi-fonctionnel. Dans une réalisation avantageuse de l'invention s'appliquant à tous les alliages à traitement thermique subissant un revenu, on effectue le revenu dans un four présentant un gradient de température de façon à amplifier les différences de propriétés entre les extrémités de l'élément de structure.
  • Dans une première variante de l'invention, les au moins deux zones du produit corroyé ou de l'élément de structure subissant des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2 % sont situées à une position différente dans la direction principale ou de longueur L. Dans ce cas, les zones considérées ont de manière avantageuse une section SZ dans le plan perpendiculaire à la direction L égale à la section du produit corroyé dans ce plan. En particulier, lorsque la section Sf, du produit corroyé est sensiblement constante la section SZ est de manière avantageuse sensiblement égale à Sf. Dans cette première variante, la longueur desdites zones dans la direction L est préférentiellement d'au moins 1m et de manière préférée d'au moins 5m.
  • De manière avantageuse, le procédé selon l'invention comporte dans la première variante au moins une étape de déformation plastique à froid par traction contrôlée. La traction contrôlée est de manière habituelle utilisée pour réaliser un planage ou un redressage et pour libérer les contraintes résiduelles. Dans un mode de réalisation de l'invention, une étape de traction contrôlée dans laquelle une des extrémités du produit intermédiaire sur lequel est effectuée la traction contrôlée déborde significativement des mors du banc de traction, peut également être utilisée pour générer des déformations plastiques généralisées moyennes différentes entre deux zones du produit corroyé.
  • La figure 1 illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel 3 étapes de traction contrôlée sont réalisées successivement. Le produit intermédiaire (2) de longueur initiale utile (c'est dire située entre les mors) L0 est dans une première étape A tractionné dans son ensemble ce qui permet de le planer et/ou de le redresser. Il atteint ainsi une première longueur intermédiaire utile Li1 et la déformation plastique généralisée moyenne est égale à ε1(%) = ln(Li1 / L0 ) pour la partie située entre les mors (21) de la pièce (2). Au moins un des mors (1) du banc de traction est alors déplacé comme indiqué sur la figure 1, de façon à ce que l'une des extrémités de la pièce déborde significativement des mors et que la longueur de la pièce comprise entre les mors soit L1 . Une seconde étape de traction contrôlée B est alors effectuée sur la zone de la pièce située entre les mors de façon à obtenir une seconde longueur intermédiaire utile Li2 de l'élément et donc de faire passer la zone (22) comprise entre les mors de la longueur L1 à la longueur Li2 - Li1 + L1 . Cette zone subit donc au cours de la deuxième étape une déformation généralisée moyenne égale à ε2(%) = ln((Li2 - Li1 + L1 ) / L1 ). Optionnellement, au moins un des mors peut à nouveau être déplacé de façon à réaliser au moins une troisième étape de traction sur une portion de longueur L2 . Dans le cas schématisé sur la figure 1 cette troisième étape C permet d'obtenir une longueur finale utile Lf et la zone (23) située entre les mors voit sa longueur augmentée de Lf - Li2 et subit donc au cours de cette troisième étape une déformation généralisée moyenne égale à ε3(%) = ln((Lf - Li2 + L2 ) / L2 ). Dans une quatrième étape D, les extrémités de la pièce qui se trouvaient sous l'emprise des mors du banc de traction lors de l'étape A sont sciées. Dans le cas de la Figure 1, les quatre étapes permettent ainsi d'obtenir un produit corroyé comportant trois zones Z11, Z12 et Z13 dont la déformation plastique généralisée moyenne est, respectivement de ε11=ε1, ε12 = ε1 + ε2 et ε13 = ε1 + ε2 + ε3. L'opération peut être répétée autant de fois que nécessaire de façon à obtenir une différence de déformation plastique généralisée moyenne d'au moins 2 % entre au moins deux zones situées à une position différente dans la direction principale L.
  • Le procédé utilisant des tractions successives décrit par la figure 1 peut être appliqué aux tôles comme aux produits filés.
  • La figure 2 décrit un autre mode de réalisation de la première variante de l'invention. Dans ce mode de réalisation, on réalise par cisaillage, rivage, usinage ou toute autre méthode appropriée un produit intermédiaire ayant une section variable dans la direction de la longueur L. Dans la figure 2, le produit intermédiaire ainsi obtenu a une longueur initiale L0 et trois zones de section différentes S1 , S2 et S3 . Lors de l'étape de traction de ce produit intermédiaire de section variable, les déformations subies par ces zones sont différentes.
  • Dans un autre mode de réalisation de l'invention s'appliquant de manière préférée à la fabrication de tôles, au moins une étape de déformation plastique à froid est réalisée par compression. Ce mode de réalisation est illustré par la figure 5.
  • Dans encore un autre mode de réalisation de la première variante de l'invention ne s'appliquant qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est variable à l'entrée du laminoir et sensiblement constante à la sortie du laminoir. La figure 3 illustre un mode de réalisation dans lequel une tôle présentant trois zones Z31, Z32 et Z33 d'épaisseurs respectives e1 , e2 et e3 et une longueur initiale L0 subit une étape de laminage à froid entre deux cylindres (5) conduisant à une épaisseur finale ef . Les déformations plastiques généralisées moyennes subies par les différentes zones Z31, Z32 et Z33 sont respectivement ε31(%) = (2/√3)ln(e1 / ef ), ε32(%) = (2/√3)ln(e2 / ef ) et ε33(%) = (2/√3)ln(e3 / ef ).
  • La tôle présentant une épaisseur variable dans la direction L nécessaire dans le mode de réalisation décrit par la figure 3 peut-être obtenue par exemple en modifiant en cours de laminage à chaud le visé d'épaisseur. Dans un autre mode de réalisation, cette tôle d'épaisseur variable peut être obtenue par usinage d'une tôle d'épaisseur constante issue de l'étape de laminage à chaud. La figure 3 décrit un mode de réalisation dans lequel la variation d'épaisseur est obtenue sur une seule face, l'autre face restant plane. On peut également faire varier l'épaisseur sur les deux faces et ne pas garder de face plane. Dans encore un autre mode de réalisation, de la première variante de l'invention qui ne s'applique qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable dans la direction L à la sortie du laminoir et une étape subséquente d'usinage qui permet d'obtenir une épaisseur sensiblement constante en tout point.
  • Dans une seconde variante de l'invention uniquement destinée à la fabrication de tôles ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction l et une dimension d'épaisseur dans la direction e, les zones de l'élément de structure subissant des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2 % sont situées à une position différente dans la direction transversale l. Dans ce cas, les zones considérées ont de manière avantageuse une épaisseur eZ dans la direction de l'épaisseur e égale à l'épaisseur du produit corroyé. En particulier, lorsque l'épaisseur ef du produit corroyé est sensiblement constante, l'épaisseur eZ est de manière avantageuse sensiblement égale à ef.
  • Dans cette seconde variante, la largeur desdites zones est préférentiellement d'au moins 0,2 m et de manière préférée d'au moins 0,4 m.
  • Dans un mode de réalisation de cette seconde variante, le procédé selon l'invention comporte une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est variable dans la direction transversale l à l'entrée du laminoir et est sensiblement constante à la sortie du laminoir. La variation d'épaisseur de la tôle peut être notamment obtenue par laminage à chaud, par usinage à l'issue du laminage à chaud ou par forgeage. Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 4, où une tôle dont l'épaisseur est de e1 pour les zones situées aux extrémités de l'élément dans direction l est de e2 pour la zone située au centre dans la direction l est laminée dans la direction L jusqu'à une épaisseur sensiblement homogène ef . Les déformations plastiques généralisées moyennes subies par les différentes zones Z41, Z42 et Z43 sont respectivement ε41(%) = (2/√3)ln(e1 / ef ), ε42(%) = (2/√3)ln(e2 / ef ) et ε43(%) = ε41(%) = (2/√3)ln(e1 / ef ). La réalisation dans laquelle les zones Z41 et Z43 ont la même épaisseur initiale est avantageuse, cependant un mode de réalisation dans lequel les épaisseurs sont différentes est également possible.
  • Dans encore un autre mode de réalisation de la seconde variante de l'invention, qui ne s'applique qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable dans la direction l à la sortie du laminoir et une étape subséquente d'usinage qui permet d'obtenir une épaisseur sensiblement constante en tout point.
  • La figure 5 décrit un autre mode de réalisation dans lequel une compression est réalisée à l'aide d'un outil (6) se déplaçant dans la direction symbolisée par une flèche. Au cours d'une première étape, l'épaisseur est réduite de e0 à e1, puis au cours d'une deuxième étape de e1 à e2 sur une partie de l'élément de structure, puis enfin au cours d'une troisième étape de e2 à e3, ce qui définit trois zones Z51, Z52 et Z53. Une étape finale d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale ef sensiblement égale en tout point. On peut également usiner la tôle à des épaisseurs différentes puis la compresser de façon à obtenir une épaisseur constante en tout point.
    • Exemple 1:
  • Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 25 mm en alliage AA2023.
  • On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et d'une épaisseur de 28,2 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage.
  • La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 1 ci-dessous : Tableau 1 : composition de la plaque de laminage en alliage AA2023 (% en masse)
    Si Fe Cu Mg Ti Zr Sc
    0,06 0,07 3,81 1,36 0,024 0,11 0,03
  • La plaque de laminage a été homogénéisée pendant 12 heures à 500 °C. La température d'entrée du laminage à chaud était de 460 °C.
  • Après laminage à chaud, la tôle a été usinée comme indiqué sur la figure 3 de façon à obtenir trois zones Z31, Z32 et Z33, d'une longueur égale à 10 mètres ayant les épaisseurs suivantes :
    • zone Z31 : 28,1 mm
    • zone Z32 : 26,3 mm
    • zone Z33 : 25,5 mm
  • La tôle a alors été mise en solution à 500 °C et trempée.
  • La tôle a ensuite été laminée à froid, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 25,5 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec un allongement permanent d'environ 2 % à l'issue de laquelle les extrémités de la pièce qui se trouvaient sous l'emprise des mors du banc de traction ont été sciées
  • L'étape de laminage a conduit la zone Z31 à atteindre une longueur de 11 mètres environ
  • Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous : Tableau 2. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z31, Z32 et Z33.
    Zone Taux d'écrouissage par laminage Taux d'écrouissage par traction Taux d'écrouissage total Déformation généralisée par laminage Déformation généralisée par traction Déformation généralisée totale
    Z31 10,2% 2,0% 12,4% 11,2% 2,0% 13,2%
    Z32 3,1% 2,0% 5,2% 3,6% 2,0% 5,6%
    Z33 0,0% 2,0% 2,0% 0,0% 2,0% 2,0%
  • Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z31, Z32 et Z33 de façon à caractériser la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 3, ci-dessous : Tableau 3 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z31, Z32 et Z33.
    Zone Sens L Sens LT
    Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A (%) Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A (%)
    Z31 533 464 12.3 499 414 17.0
    Z32 509 422 17.0 468 364 22.4
    Z33 504 388 20.6 465 335 24.1
  • Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z31, Z32 et Z33. Ainsi, la zone Z31 est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement limité tandis que la zone Z33 se distingue par un allongement important mais pour une résistance mécanique statique plus faible.
    • Exemple 2:
  • Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 15 mm en alliage AA2024A.
  • On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et d'une épaisseur de 16,8 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage.
  • La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 4 ci-dessous : Tableau 4 : composition de la plaque de laminage en alliage AA2024A (% en masse)
    Si Fe Cu Mn Mg Ti
    0,04 0,07 3,96 0,38 1,29 0,013
  • La plaque de laminage a été homogénéisée puis laminée à chaud.
  • Après laminage à chaud, la tôle a été usinée comme décrit sur la figure 3 de façon à obtenir trois zones Z31, Z32 et Z33, d'une longueur égale à 10 mètres ayant les épaisseurs suivantes :
    • zone Z31 : 16,7 mm
    • zone Z32 : 15,9 mm
    • zone Z33 : 15,3 mm
  • La tôle a alors été mise en solution à 500 °C et trempée.
  • La tôle a ensuite été laminée à froid, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 15,3 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec un allongement permanent d'environ 2 % à l'issue de laquelle les extrémités de la pièce qui se trouvaient sous l'emprise des mors du banc de traction ont été sciées.
  • L'étape de laminage a conduit la zone Z31 à atteindre une longueur de 10,9 mètres environ.
  • Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 5 ci-dessous : Tableau 5. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z31, Z32 et Z33.
    Zone Taux d'écrouissage par laminage Taux d'écrouissage par traction Taux d'écrouissage total Déformation généralisée par laminage Déformation généralisée par traction Déformation généralisée totale
    Z31 9,2% 2% 11,3% 10,1% 2,0% 12,1%
    Z32 3,9% 2% 6,0% 4,4% 2,0% 6,4%
    Z33 0,0% 2% 2,0% 0,0% 2,% 2,0%
  • Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z31, Z32 et Z33 de façon à caractériser la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 6, ci-dessous : Tableau 6 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z31, Z32 et Z33.
    Zone Sens L Sens LT
    Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A (%) Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A (%)
    Z31 477 437 16,8 495 416 13.0
    Z32 467 414 17,9 481 390 15,6
    Z33 444 360 23,4 467 337 18,5
  • Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z31, Z32 et Z33. Ainsi, la zone Z31 est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement limité tandis que la zone Z33 se distingue par un allongement important mais pour une résistance mécanique statique plus faible.
    • Exemple 3:
  • Dans cet exemple, on a obtenu un profilé ayant des propriétés variables dans l'espace de section 170 x 45 mm en alliage AA2027.
  • On a fabriqué un profilé d'une longueur de 15 mètres, d'une section de 170 x 45 mm par extrusion à chaud d'une billette de filage.
  • La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 7 ci-dessous : Tableau 7 : composition de la plaque de laminage en alliage AA2027 (% en masse)
    Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr
    0,05 0,11 4,2 0,6 1,3 0,06 0,02 0,11
  • La billette de filage a été homogénéisée à 490 °C et extrudée à chaud.
  • Après filage, le profilé a été mis en solution à 500 °C et trempé.
  • Il a alors subi une première étape de traction contrôlée avec un allongement permanent de 2,8 %. L'un des mors du banc de traction a alors été déplacé comme indiqué sur la figure 1, de façon à ce l'une des extrémités du profilé déborde des mors. Une deuxième étape de traction a alors été effectuée sur les deux tiers du profilé (zones Z11 et Z12) situés entre les mors avec un allongement permanent de 5,6 %. Le mors déplacé dans la seconde étape a alors à nouveau été déplacé de façon à ce qu'un tiers du profilé (zone Z11) soit situé entre les mors. Une troisième étape de traction a été effectuée avec un allongement permanent de 2,4%. Les extrémités de la pièce qui se trouvaient sous l'emprise des mors du banc de traction lors de la première étape de traction ont ensuite été sciées. On a ainsi obtenu un profilé présentant trois zones, Z11, Z12 et Z13 d'une longueur sensiblement égale et présentant des déformations par traction différentes.
  • Les déformations réalisées dans les zones sont résumées dans le tableau 8 ci-dessous : Tableau 8. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z11, Z12 et Z13.
    Taux d'écrouissage par traction Taux de déformation généralisée
    Zone 1ère étape 2ième étape 3ième étape Total 1ère étape 2ième étape 3ième étape Total
    Z11 2,8 % 5,6 % 2,4 % 11,2% 2,8% 5,4 % 2,4% 10,6 %
    Z12 2,8 % 5,6 % 8,6% 2,8% 5,4% 8,2 %
    Z13 2,8 % 2,8% 2,8% 2.8%
  • Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z11, Z12 et Z13 de façon à caractériser le profilé. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 9, ci-dessous : Tableau 9 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z11, Z12 et Z13.
    Zone Sens L K1c (Mpa√m)
    Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A% L-T T-L
    Z11 606 585 6,1 45,9 31,5
    Z12 554 503 9,9 47,7 33,5
    Z13 554 443 15,8 64,0 49,7
  • Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z11, Z12 et Z13. Ainsi, la zone Z11 est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement et d'une ténacité limités tandis que la zone Z13 se distingue par un allongement et une ténacité importants mais pour une résistance mécanique statique plus faible.
    • Exemple 4:
  • Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 30 mm en alliage AA2195.
  • On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et d'une épaisseur de 33 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage.
  • La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 10 ci-dessous : Tableau 10 : composition de la plaque de laminage en alliage AA2195 (% en masse)
    Si Fe Cu Li Mg Zr Ag
    0,03 0,06 4,3 1,17 0,39 0,12 0,35
  • La plaque de laminage a été homogénéisée puis laminée à chaud. La tôle a alors été mise en solution à 510 °C et trempée.
  • Une moitié de la tôle (zone G) a ensuite été laminée à froid jusqu'à l'épaisseur de 30 mm tandis que l'autre moitié a subit une traction contrôlée en mors décalés de 2,5% (zone H).
  • La tôle a ensuite été usinée, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 30 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec un allongement permanent d'environ 1,5 % à l'issue de laquelle les extrémités de la pièce qui se trouvaient sous l'emprise des mors du banc de traction ont été sciées
  • Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 11 ci-dessous : Tableau 11. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones G et H.
    Zone Taux d'écrouissage par laminage Taux d'écrouissage par traction Taux d'écrouissage total Déformations généralisée par laminage Déformation généralisée par traction Déformation généralisée totale
    G 10% 1,5 % 11,3% 11% 1,5 % 11,5%
    H 0% 2,5+1,5 % 4,0% 0% 2,5+1,5 % 4,0%
  • Des échantillons ont été prélevés dans les zones G et H de façon à caractériser la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 12, ci-dessous : Tableau 12 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones G et H
    Zone Sens L K1c (L-T) (Mpa√m)
    Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) A%
    G 642 631 7,7 25,2
    H 628 600 8,9 32,0
  • Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones G et H Ainsi, la zone G est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement et d'une ténacité limités tandis que la zone H se distingue par un allongement et une ténacité plus importants mais pour une résistance mécanique statique plus faible.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d'un produit corroyé en alliage d'aluminium sans traitement thermique, ledit procédé comprenant :
    - une étape de transformation à chaud,
    - au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones dudit produit corroyé des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%,
    caractérisé en ce que ladite transformation par déformation plastique à froid est réalisée postérieurement à la transformation à chaud.
  2. Procédé de fabrication d'un produit corroyé en alliage d'aluminium à traitement thermique, ledit procédé comprenant :
    - une étape de transformation à chaud,
    - une étape de mise en solution et une étape de trempe,
    - au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones dudit produit corroyé des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%,
    caractérisé en ce que ladite transformation par déformation plastique à froid est réalisée postérieurement à la transformation à chaud et aux étapes de mise en solution et trempe.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 comprenant au moins deux étapes de transformation par déformation plastique à froid postérieures à la transformation à chaud.
  4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel, ledit produit corroyé a une dimension principale ou de longueur dans la direction L et dans lequel lesdites au moins deux zones sont situées à une position différente dans ladite direction principale L.
  5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel au moins une étape de déformation plastique à froid est une traction contrôlée, et dans lequel une des extrémités dans la direction principale du produit intermédiaire sur lequel est effectuée ladite traction contrôlée déborde significativement des mors du banc de traction lors de ladite étape de traction contrôlée.
  6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel au moins une étape de déformation plastique à froid est une traction contrôlée et dans lequel ladite étape de traction contrôlée est effectuée sur un produit intermédiaire ayant une section variable dans le plan perpendiculaire à la direction L.
  7. Procédé selon la revendication 4 dans lequel ledit produit corroyé est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction l et une dimension d'épaisseur dans la direction e, et dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est variable à l'entrée du laminoir et sensiblement constante à la sortie du laminoir.
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la variation d'épaisseur de ladite tôle à l'entrée du laminoir à froid est obtenue au cours de l'étape de laminage à chaud ou
    par usinage d'une tôle d'épaisseur constante issue de l'étape de laminage à chaud.
  9. Procédé selon la revendication 4 dans lequel ledit produit corroyé est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction l et une dimension d'épaisseur dans la direction e,
    et dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable à la sortie du laminoir,
    et dans lequel une étape subséquente d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale sensiblement constante en tout point.
  10. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel, ledit produit corroyé est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction l et une dimension d'épaisseur dans la direction e et dans lequel lesdites au moins deux zones sont situées à une position différente de ladite direction transversale l.
  11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable à la sortie du laminoir,
    et dans lequel une étape subséquente d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale sensiblement constante en tout point.
  12. Produit corroyé en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés mécaniques sélectionnées dans le groupe formé de
    (i) Z1 : Rm(L) > 500 MPa et préférentiellement Rm(L) > 520 MPa
    et Z2 : A(L)(%) > 16% et préférentiellement A(L)(%) > 18%
    (ii) Z1 : Rm(L) > 450 MPa et préférentiellement Rm(L) > 470 MPa
    et Z2 : A(L)(%) > 18% et préférentiellement A(L)(%) > 20%
    (iii) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa
    et Z2 : A(L)(%) > 10% et préférentiellement A(L)(%) > 14%
    (iv) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa
    et Z2 : K1c(L-T) > 45 Mpa√m et préférentiellement K1c(L-T) > 55 Mpa√m
  13. Produit corroyé en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés mécaniques dans lesquelles
    (i) Rp0,2, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rp0,2(Z1) - Rp0,2(Z2) d'au moins 50 MPa et préférentiellement d'au moins 70 MPa et/ou
    (ii) Rm, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rm(Z1) - Rm(Z2) d'au moins 20 MPa et préférentiellement d'au moins 30 MPa.
    (iii) K1c, mesuré dans le sens L-T présente un écart K1c (Z1) - K1c (Z2) d'au moins 5 MPa√m et préférentiellement d'au moins 15 MPa√m.
  14. Produit corroyé en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés mécaniques sélectionnées dans le groupe formé de
    (i) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa et Z2 : A(L)(%) > 8 % et préférentiellement A(L)(%) > 9 %
    (ii) Z1 : Rm(L) > 640 MPa et préférentiellement Rm(L) > 650 MPa et Z2 : A(L)(%) > 7 % et préférentiellement A(L)(%) > 8 %
    (iii) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa et Z2 : K1c(L-T) > 25 Mpa√m et préférentiellement K1c(L-T) > 30 Mpa√m
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