EP2569456B1 - Alliage aluminium-cuivre-lithium pour element d'intrados - Google Patents

Alliage aluminium-cuivre-lithium pour element d'intrados Download PDF

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EP2569456B1
EP2569456B1 EP11725129.8A EP11725129A EP2569456B1 EP 2569456 B1 EP2569456 B1 EP 2569456B1 EP 11725129 A EP11725129 A EP 11725129A EP 2569456 B1 EP2569456 B1 EP 2569456B1
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EP
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product
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mpa
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product according
Prior art date
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EP11725129.8A
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EP2569456A2 (fr
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Bernard Bes
Frank Eberl
Gaëlle POUGET
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Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Constellium Issoire SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • 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
    • C22F1/057—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with copper as the next major constituent

Definitions

  • the present invention generally relates to aluminum alloy products and, more particularly, to such products, their methods of manufacture and use, particularly in the aerospace industry.
  • Aluminum-lithium alloys are very interesting in this respect, since lithium can reduce the density of aluminum by 3% and increase the modulus of elasticity by 6% for each weight percent of lithium added.
  • the US Patent 5,032,359 discloses a large family of aluminum-copper-lithium alloys in which the addition of magnesium and silver, in particular between 0.3 and 0.5 percent by weight, makes it possible to increase the mechanical strength.
  • the US Patent 5,198,045 discloses a family of alloys comprising (in% by weight) (2,4-3,5) Cu, (1,35-1,8) Li, (0,25-0,65) Mg, (0.25 -0.65) Ag, (0.08-0.25) Zr. Wrought products made with these alloys combine a density of less than 2.64 g / cm 3 and a compromise between the mechanical strength and the interesting toughness.
  • the patent US 7,229,509 discloses a family of alloys comprising (in% by weight) (2.5-5.5) Cu, (0.1-2.5) Li, (0.2-1.0) Mg, (0.2 -0.8) Ag, (0.2-0.8) Mn, (up to 0.4) Zr or other affinants such as Cr, Ti, Hf, Sc and V.
  • the examples presented have a compromise between the mechanical strength and toughness improved but their density is greater than 2.7 g / cm 3 .
  • the patent EP 1,966,402 discloses an alloy containing no zirconium for fuselage plates of substantially recrystallized structure comprising (in% by weight) (2.1-2.8) Cu, (1.1-1.7) Li, (0, 2-0.6) Mg, (0.1-0.8) Ag, (0.2-0.6) Mn.
  • the patent EP 1,891,247 discloses an alloy for fuselage plates comprising (in% by weight) (3.0-3.4) Cu, (0.8-1.2) Li, (0.2-0.6) Mg, ( 0.2-0.5) Ag and at least one of Zr, Mn, Cr, Sc, Hf and Ti, wherein the Cu and Li contents are Cu + 5/3 Li ⁇ 5.2 .
  • the patent US5,455,003 discloses a process for producing aluminum-copper-lithium alloys having improved strength and toughness properties at cryogenic temperature. This method applies in particular to an alloy comprising (in% by weight) (2.0-6.5) Cu, (0.2-2.7) Li, (0-4.0) Mg, (0- 4.0) Ag, (0-3.0) Zn.
  • International demand WO 2010/055225 discloses a manufacturing method in which a bath of liquid metal comprising 2.0 to 3.5 wt.% Cu, 1.4 to 1.8 wt.% Li, 0.1 to 0.5 wt. weight of Ag, 0.1 to 1.0% by weight of Mg, 0.05 to 0.18% by weight of Zr, 0.2 to 0.6% by weight of Mn and at least one selected element among Cr, Sc, Hf and Ti, the amount of the element, if selected, being from 0.05 to 0.3% by weight for Cr and for Sc, 0.05 to 0.5% by weight for Hf and from 0.01 to 0.15% by weight for Ti, the remainder being aluminum and unavoidable impurities; casting a raw form from the bath of liquid metal and homogenizing said raw form at a temperature between 515 ° C and 525 ° C so that the time equivalent to 520 ° C for homogenization is between 5 and 20 hours.
  • alloy AA2196 comprising (in% by weight) (2.5-3.3) Cu, (1.4-2.1) Li, (0.25-0.8) Mg, is known , 25-0.6) Ag, (0.04-0.18) Zr and at most 0.35 Mn.
  • Yet another object of the invention is the use of a product according to the invention as an aircraft wing-bottom element.
  • Figure 1 Shape of the profile of example 1. The dimensions are given in mm. The thickness of the sole is 26.3 mm.
  • alloys are in accordance with the regulations of The Aluminum Association, known to those skilled in the art.
  • the density depends on the composition and is determined by calculation rather than by a method of measuring weight.
  • the values are calculated in accordance with the procedure of The Aluminum Association, which is described on pages 2-12 and 2-13 of "Aluminum Standards and Data".
  • the definitions of the metallurgical states are given in the European standard EN 515.
  • the static mechanical characteristics in other words the ultimate ultimate tensile strength R m , the tensile yield strength Rp 0.2 and the elongation at break A, are determined by a tensile test. according to standard EN 10002-1 or NF EN ISO 6892-1, the location to which the parts are taken and their meaning being defined by the EN 485-1 standard.
  • the stress intensity factor (K Q ) is determined according to ASTM E 399.
  • the ASTM E 399 gives in 9.1.3 and 9.1.4 criteria to determine if K Q is a valid K 1C value .
  • K 1C is always a value K Q the reciprocal is not true.
  • the criteria of paragraphs 9.1.3 and 9.1.4 of the standard ASTM E399 are not always verified, however for a given test piece geometry, the K Q values presented are always comparable with each other, the specimen geometry making it possible to obtain a valid value of K 1C that is not always accessible. given the constraints related to the dimensions of the sheets or profiles.
  • the thickness of the selected test piece is a thickness deemed suitable by those skilled in the art to obtain a valid value of K 1C .
  • the values of the apparent tensile strength factor (K app ) and the tensile stress intensity factor (K c ) are as defined in ASTM E561.
  • the thickness of the profiles is defined according to EN 2066: 2001: the cross section is divided into elementary rectangles of dimensions A and B; A being always the largest dimension of the elementary rectangle and B can be considered as the thickness of the elementary rectangle. The sole is the elementary rectangle with the largest dimension A.
  • a "structural element” or “structural element” of a mechanical construction is called a mechanical part for which the static and / or dynamic mechanical properties are particularly important for the performance of the structure, and for which a structural calculation is usually prescribed or realized. These are typically elements whose failure is likely to endanger the safety of the said construction, its users, its users or others.
  • these structural elements include the elements that make up the fuselage (such as fuselage skin (fuselage skin in English), stiffeners or stringers, bulkheads, fuselage (circumferential frames), wings (such as wing skin), stiffeners (stiffeners), ribs (ribs) and spars) and empennage including horizontal stabilizers and vertical stabilizers horizontal or vertical stabilizers, as well as floor beams, seat tracks and doors.
  • fuselage such as fuselage skin (fuselage skin in English
  • stiffeners or stringers such as fuselage skin
  • bulkheads fuselage (circumferential frames)
  • wings such as wing skin
  • stiffeners stiffeners (stiffeners), ribs (ribs) and spars
  • empennage including horizontal stabilizers and vertical stabilizers horizontal or vertical stabilizers, as well as floor beams, seat tracks and doors.
  • the copper content of the alloy for which the surprising effect is observed is between 2.12 and 2.37% by weight, preferably between 2.12 or 2.20 and 2.37% or 2.30% by weight. weight.
  • the lithium content is between 1.3 and 1.6% or even between 1.30 and 1.60% by weight. In an advantageous embodiment, the lithium content is between 1.35 and 1.55% by weight.
  • the silver content is between 0.1 and 0.5% by weight.
  • the silver content is between 0.15 and 0.35% by weight. In one embodiment of the invention, which has the advantage of minimizing the density, the silver content is at most 0.25% by weight.
  • the magnesium content is between 0.2 and 0.6% by weight and preferably it is less than 0.4% by weight.
  • the simultaneous addition of zirconium and manganese is an essential feature of the invention. The zirconium content must be between 0.05 and 0.15% by weight and the manganese content must be between 0.1 and 0.5% by weight.
  • the alloy also contains 0.01 to 0.12 wt.% Ti to control grain size during casting.
  • the alloy according to the invention may also optionally contain at least one element selected from Cr, Sc, and Hf, the amount of the element, if it is chosen, being from 0.05 to 0.3% by weight for Cr and for Sc, 0.05 to 0.5% by weight for Hf. It is preferable to limit the content of unavoidable impurities in the alloy so as to achieve the most favorable damage tolerance properties.
  • the unavoidable impurities include iron and silicon, these elements have a content of less than 0.1% by weight each and preferably a content of less than 0.08% by weight and 0.06% by weight for iron and silicon , respectively, the other impurities have a content of less than 0.05% by weight each and 0.15% by weight in total.
  • the zinc content is preferably less than 0.04% by weight.
  • the composition is adjusted so as to obtain a density at room temperature of less than 2.65 g / cm 3, even more preferably less than 2.64 g / cm 3, in some cases even less than 2.63 g / cm 3. .
  • the alloy according to the invention can be used to manufacture spun, rolled and / or forged products.
  • the alloy according to the invention is used to manufacture sheets.
  • the products according to the invention preferably have a substantially non-recrystallized structure, having a recrystallization rate of less than 30% and preferably less than 15%.
  • the spun products and in particular the extruded profiles obtained by the process according to the invention are advantageous.
  • the thick sections that is to say the thickness of at least one elementary rectangle is greater than 8 mm, and preferably greater than 12 mm or 15 mm are the most advantageous.
  • the products according to the invention have a very high tenacity.
  • the products according to the invention are obtained by a process comprising the steps of casting, homogenization, hot deformation, dissolution, quenching, stress relief and tempering.
  • the homogenization temperature is preferably between 480 and 540 ° C for 5 to 60 hours.
  • the homogenization temperature is between 515 ° C and 525 ° C so that the equivalent time t (eq) at 520 ° C for homogenization is between 5 and 20 hours and preferably between 6 and 15 hours.
  • the formula giving t (eq) takes into account the heating and cooling phases.
  • the homogenization temperature is about 520 ° C and the duration of treatment is between 8 and 20 hours.
  • the raw form is generally cooled to room temperature before being preheated for hot deformation.
  • Preheating aims to achieve an initial deformation temperature preferably between 400 and 500 ° C and preferably of the order of 450 ° C to 480 ° C allowing the deformation of the raw form.
  • Hot deformation is typically performed by spinning, rolling and / or forging to obtain a spun, rolled and / or forged product.
  • the product thus obtained is then put in solution preferably by heat treatment between 490 and 530 ° C for 15 min to 8 h, then quenched typically with water.
  • the product then undergoes a controlled pull of 1 to 5% and preferably of at least 2%.
  • cold rolling is carried out with a reduction of between 5% and 15% before the controlled pulling step.
  • Known steps such as planing, straightening, shaping may optionally be performed before or after the controlled pull.
  • An income is produced at a temperature between 120 and 170 ° C for 5 to 100 h, preferably between 150 and 160 ° C for 20 to 60 h.
  • the preferred metallurgical states are for the plates the states T84 and T89 and for the profiles the state T8511.
  • the products according to the invention can be used as structural elements, in particular in aeronautical construction.
  • the products according to the invention are used as an aircraft wing surface element.
  • Table 1 Chemical composition (% by weight) ⁇ / u> Reference Yes Fe Cu mn mg Zn Zr Li Ag Ti AT 0.03 0.05 2.37 0.29 0.37 0.01 0.13 1.37 0.28 0.04 B 0.03 0.05 2.50 0.31 0.35 0.01 0.13 1.43 0.25 0.04 VS 0.03 0.06 2.62 0.30 0.35 0.01 0.14 1.42 0.24 0.04
  • Alloys A, B and C were cast as billets.
  • the billets were homogenized for 8 hours at 520 ° C. the equivalent time at 520 ° C. was 9.5 hours.
  • the billets were heated to 450 ° C +/- 40 ° C and then hot spun to obtain profiles according to the Figure 1 .
  • the profiles thus obtained were dissolved at 524 +/- 2 ° C, quenched with water temperature below 40 ° C, and fractionated with a permanent elongation of between 2 and 5%.
  • the profiles received an income of 30 hours at 152 ° C corresponding to the maximum value of toughness.
  • the samples were taken on the sole.
  • Alloys D, E, F, G and H were cast as plates.
  • the plates were homogenized for 8 h at 520 ° C. After homogenization, the plates were heated and then hot rolled to obtain sheets of thickness 14, 25 or 60 mm.
  • the sheets thus obtained were dissolved at 524 ⁇ 1 ° / -2 ° C., quenched with water of temperature below 40 ° C., and triturated with a permanent elongation of between 3 and 5%.
  • the sheets were tempered for 30 to 60 hours at 155 ° C. Samples were taken at medium thickness for 14 mm and 25 mm thick plates and at mid-thickness and quarter-thickness for 60 mm thick plates.
  • the specimens used for the tenacity measurements had a thickness of 12.5 mm for 14 mm thick sheets, 20 mm for 25 mm thick sheets, 25 mm for 60 mm thick sheets, measured thickness and 40 mm for 60 mm thick sheets measured at mid-thickness. R-curve measurements were also made at mid-thickness for certain income conditions.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne en général des produits en alliages d'aluminium et, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, en particulier dans l'industrie aérospatiale.
    • Etat de la technique
  • Un effort de recherche continu est réalisé afin de développer des matériaux qui puissent simultanément réduire le poids et augmenter l'efficacité des structures d'avions à hautes performances. Les alliages aluminium-lithium (AlLi) sont très intéressants à cet égard, car le lithium peut réduire la densité de l'aluminium de 3 % et augmenter le module d'élasticité de 6 % pour chaque pourcent en poids de lithium ajouté.
  • Le brevet US 5,032,359 décrit une vaste famille d'alliages aluminium-cuivre-lithium dans lesquels l'addition de magnésium et d'argent, en particulier entre 0,3 et 0,5 pourcent en poids, permet d'augmenter la résistance mécanique.
  • Le brevet US 5,198,045 décrit une famille d'alliages comprenant (en % en poids) (2,4-3,5)Cu, (1,35-1,8)Li, (0,25-0,65)Mg, (0,25-0,65)Ag, (0,08-0,25) Zr. Les produits corroyés fabriqués avec ces alliages combinent une densité inférieure à 2,64 g/cm3 et un compromis entre la résistance mécanique et la ténacité intéressant.
  • Le brevet US 7,229,509 décrit une famille d'alliages comprenant (en % en poids) (2,5-5,5)Cu, (0,1-2,5) Li, (0,2-1,0) Mg, (0,2-0,8) Ag, (0,2-0,8) Mn, (jusque 0,4) Zr ou d'autres affinants tels que Cr, Ti, Hf, Sc et V. Les exemples présentés ont un compromis entre la résistance mécanique et la ténacité amélioré mais leur densité est supérieure à 2,7 g/cm3.
  • Le brevet EP 1,966,402 décrit un alliage ne contenant pas de zirconium destiné à des tôles de fuselage de structure essentiellement recristallisée comprenant (en % en poids) (2,1-2,8)Cu, (1,1-1,7) Li, (0,2-0,6) Mg, (0,1-0,8) Ag, (0,2-0,6) Mn.
  • Le brevet EP 1,891,247 décrit un alliage destiné à des tôles de fuselage comprenant (en % en poids) (3,0-3,4)Cu, (0,8-1,2) Li, (0,2-0,6) Mg, (0,2-0,5) Ag et au moins un élément parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, dans lequel les teneurs en Cu et en Li répondent à la condition Cu + 5/3 Li < 5,2.
  • Le brevet US 5,455,003 décrit un procédé de production d'alliages aluminium-cuivre-lithium présentant des propriétés améliorées de résistance mécanique et ténacité à température cryogénique. Ce procédé s'applique notamment à un alliage comprenant (en % en poids) (2,0-6,5)Cu, (0,2-2,7) Li, (0-4,0) Mg, (0-4,0) Ag, (0-3,0) Zn.
  • La demande internationale WO 2010/055225 décrit un procédé de fabrication dans lequel on élabore un bain de métal liquide comprenant 2,0 à 3,5 % en poids de Cu, 1,4 à 1,8 % en poids de Li, 0,1 à 0,5 % en poids d'Ag, 0,1 à 1,0 0 % en poids de Mg, 0,05 à 0,18 % en poids de Zr, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn et au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité de l'élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, le reste étant de l'aluminium et des impuretés inévitables ; on coule une forme brute à partir du bain de métal liquide et on homogénéise ladite forme brute à une température comprise entre 515 °C et 525°C de façon à ce que le temps équivalent à 520 °C pour l'homogénéisation soit compris entre 5 et 20 heures.
  • On connait par ailleurs l'alliage AA2196 comprenant (en % en poids) (2,5-3,3)Cu, (1,4-2,1) Li, (0,25-0,8) Mg, (0,25-0,6) Ag, (0,04-0,18) Zr et au plus 0,35 Mn.
  • Certaines pièces destinées à la construction aéronautique nécessitent un compromis de propriétés particulier que ces alliages connus ne permettent pas d'atteindre. Notamment, les pièces utilisées dans la fabrication d'intrados d'aile d'avion nécessitent une ténacité très élevée et une résistance mécanique néanmoins suffisante. Il est nécessaire que ces propriétés soient stables thermiquement, c'est-à-dire qu'elles n'évoluent pas significativement lors d'un traitement de vieillissement à une température telle que 85 °C. Obtenir l'ensemble de ces propriétés simultanément avec la densité la plus basse possible constitue un compromis de propriétés désirables.
  • Il existe un besoin concernant un alliage en Al-Cu-Li stable thermiquement, de faible densité et de ténacité très élevée avec cependant une résistance mécanique suffisante, pour des applications aéronautiques et en particulier pour des applications d'éléments de voilure intrados.
    • Objet de l'invention
  • Un premier objet de l'invention est un produit à base d'aluminium comprenant
    • 2,12-2,37 % en poids de Cu,
    • 1,3 à 1,6 % en poids de Li,
    • 0,1 à 0,5 % en poids de Ag,
    • 0,2 à 0,6 % en poids de Mg,
    • 0,05 à 0,15 % en poids de Zr,
    • 0,1 à 0,5 % en poids de Mn,
    • 0,01 à 0,12 % en poids de Ti
    optionnellement au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, et Hf, la quantité de l'élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf,
    une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total. L' objet de l'invention est un produit filé laminé et/ou forgé comprenant un alliage selon l'invention.
  • Encore un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un produit selon l'invention dans lequel:
    1. (a) on coule une forme brute en alliage selon l'invention,
    2. (b) on homogénéise ladite forme brute à 480 à 540°C pendant 5 à 60 heures,
    3. (c) on déforme à chaud par filage, laminage et/ou forgeage ladite forme brute avec une température initiale de déformation à chaud de 400 à 500°C pour obtenir un produit filé laminé et/ou forgé,
    4. (d) on met en solution ledit produit à 490 à 530°C pendant 15 minutes à 8 heures,
    5. (e) on trempe,
    6. (f) on tractionne de façon contrôlée ledit produit avec une déformation permanente de 1 à 5 %,
    7. (g) on réalise un revenu dudit produit par chauffage à 120 à 170°C pendant 5 à 100 heures.
  • Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un produit selon l'invention comme élément d'intrados d'aile d'avion.
    • Description des figures
  • Figure 1. Forme du profilé de l'exemple 1. Les cotes sont indiquées en mm. L'épaisseur de la semelle est 26,3 mm.
    • Description de l'invention
  • Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l'homme du métier. La densité dépend de la composition et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de mesure de poids. Les valeurs sont calculées en conformité avec la procédure de The Aluminium Association, qui est décrite pages 2-12 et 2-13 de « Aluminum Standards and Data ». Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
  • Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d'autres termes la résistance à la rupture ultime Rm, la limite d'élasticité en traction Rp0,2 et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1 ou NF EN ISO 6892-1, l'emplacement auquel les pièces sont prises et leur sens étant définis par la norme EN 485-1.
  • Le facteur d'intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E 399. Ainsi, la proportion des éprouvettes définie au paragraphe 7.2.1 de cette norme est toujours vérifiée de même que la procédure générale définie au paragraphe 8. La norme ASTM E 399 donne aux paragraphes 9.1.3 et 9.1.4 des critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de K1C. Ainsi, une valeur K1C est toujours une valeur KQ la réciproque n'étant pas vraie. Dans le cadre de l'invention, les critères des paragraphes 9.1.3 et 9.1.4 de la norme ASTM E399 ne sont pas toujours vérifiés, cependant pour une géométrie d'éprouvette donnée, les valeurs de KQ présentées sont toujours comparables entre elles, la géométrie d'éprouvette permettant d'obtenir une valeur valide de K1C n'étant pas toujours accessible compte tenu des contraintes liées aux dimensions des tôles ou profilés. Dans le cadre de l'invention, l'épaisseur de l'éprouvette choisie est une épaisseur jugée adaptée par l'homme du métier pour obtenir une valeur valide de K1C.
    Les valeurs du facteur d'intensité de contrainte apparent à la rupture (Kapp) et du facteur d'intensité de contrainte à la rupture (Kc) sont telles que définies dans la norme ASTM E561.
  • Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent. L'épaisseur des profilés est définie selon la norme EN 2066 :2001 : la section transversale est divisée en rectangles élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension du rectangle élémentaire et B pouvant être considéré comme l'épaisseur du rectangle élémentaire. La semelle est le rectangle élémentaire présentant la plus grande dimension A.
    On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d'une construction mécanique une pièce mécanique pour laquelle les propriétés mécaniques statiques et/ou dynamiques sont particulièrement importantes pour la performance de la structure, et pour laquelle un calcul de structure est habituellement prescrit ou réalisé. Il s'agit typiquement d'éléments 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.
  • D'une manière inattendue, les inventeurs ont découvert que la faible teneur en cuivre combinée à l'addition simultanée de manganèse et de zirconium permettait d'obtenir une ténacité très élevée pour des alliages aluminium-cuivre-lithium dont la densité est inférieure à 2,66 g/cm3.
    La teneur en cuivre de l'alliage pour lequel l'effet surprenant est observé est comprise entre 2,12 et 2,37 % en poids, de manière préférée entre 2,12 ou 2,20 et 2.37% ou 2,30% en poids.
    La teneur en lithium est comprise entre 1,3 et 1,6% ou même entre 1,30 et 1,60% en poids. Dans un mode de réalisation avantageux la teneur en lithium est comprise entre 1,35 et 1,55 % en poids.
    La teneur en argent est comprise entre 0,1 et 0,5% en poids. Les présents inventeurs ont constaté qu'une quantité importante d'argent n'est pas nécessaire pour obtenir l'amélioration souhaitée dans le compromis entre la résistance mécanique et la tolérance aux dommages. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la teneur en argent est comprise entre 0,15 et 0,35 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention, qui présente l'avantage de minimiser la densité, la teneur en argent est au plus de 0,25 % en poids.
    La teneur en magnésium est comprise entre 0,2 et 0.6% en poids et de manière préférée elle est inférieure à 0,4 % en poids.

    L'addition simultanée de zirconium et de manganèse est une caractéristique essentielle de l'invention. La teneur en zirconium doit être comprise entre 0,05 et 0,15 % en poids et la teneur en manganèse doit être comprise entre 0,1 et 0,5 % en poids.
    L'alliage contient également de 0,01 à 0,12 % en poids de Ti de façon à contrôler la taille de grain lors de la coulée.
    L'alliage selon l'invention peut également contenir optionnellement au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, et Hf, la quantité de l'élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf.
    Il est préférable de limiter la teneur des impuretés inévitables de l'alliage de façon à atteindre les propriétés de tolérance aux dommages les plus favorables. Les impuretés inévitables comprennent le fer et le silicium, ces éléments ont une teneur inférieure à 0,1 % en poids chacun et de préférence une teneur inférieure à 0,08 % en poids et 0,06 % en poids pour le fer et le silicium, respectivement, les autres impuretés ont une teneur inférieure à 0,05 % en poids chacune et 0,15 % en poids au total. Par ailleurs la teneur en zinc est de préférence inférieure à 0,04 % en poids.
    De préférence, la composition est ajustée de façon à obtenir une densité à température ambiante inférieure à 2,65 g/cm3, de manière encore plus préférée inférieure à 2,64 g/cm3 voire dans certains cas inférieure à 2,63 g/cm3.
  • La combinaison de propriétés désirables : une faible densité, une ténacité élevée et une résistance mécanique suffisante est difficile à obtenir simultanément. Dans le cadre de l'invention, il est possible de manière surprenante de combiner une faible densité avec un compromis de propriétés mécaniques très avantageux.
  • L'alliage selon l'invention peut être utilisé pour fabriquer des produits filés, laminés et/ou forgés. D'une manière avantageuse, l'alliage selon l'invention est utilisé pour fabriquer des tôles.
  • Les produits selon l'invention ont de préférence une structure essentiellement non recristallisée, présentant un taux de recristallisation inférieur à 30% et préférentiellement inférieur à 15%.
  • Les produits filés et en particulier les profilés filés obtenus par le procédé selon l'invention sont avantageux. Les profilés épais, c'est-à-dire dont l'épaisseur d'au moins un rectangle élémentaire est supérieure à 8 mm, et de préférence supérieure à 12 mm, voire 15 mm sont les plus avantageux.
  • Avantageusement, les profilés épais selon l'invention comprennent
    • une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 390 MPa et de préférence d'au moins 400 MPa et de manière encore plus préférée d'au moins 430 MPa et
    • une ténacité KQ(L-T), d'au moins 64 MPa m
      Figure imgb0001
       et de préférence d'au moins 65 MPa m .
      Figure imgb0002
  • L'alliage selon l'invention est particulièrement avantageux pour obtenir des produits laminés à très haute ténacité. Parmi, les produits laminés, les tôles fortes dont l'épaisseur est au moins de 14 mm et de préférences d'au moins 20 mm et/ou au plus 100 mm et de préférence au plus 60 mm sont avantageuses.
    Avantageusement, les tôles fortes selon l'invention comprennent à mi-épaisseur à l'état T84
    1. (a) pour une épaisseur comprise entre 20 mm et 40 mm une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 410 MPa et de préférence d'au moins 420 MPa et une ténacité KQ(L-T), d'au moins 45 MPa m
      Figure imgb0003
       et de préférence d'au moins 47 MPa m .
      Figure imgb0004
    2. (b) pour une épaisseur comprise entre 40 mm et 80 mm une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 380 MPa et de préférence d'au moins 390 MPa et une ténacité KQ(L-T), d'au moins 45 MPa m
      Figure imgb0005
       et de préférence d'au moins 50 MPa m .
      Figure imgb0006
  • Les produits selon l'invention présentent une ténacité très élevée. Les inventeurs suspectent que la présence simultanée de Zr et Mn, qui agissent tous deux sur le contrôle de la structure granulaire, permet d'obtenir une structure essentiellement non-recristallisée très favorable, en particulier pour les épaisseurs préférées des produits laminés et filés.
  • Les produits selon l'invention sont obtenus par un procédé comprenant les étapes de coulée, homogénéisation, déformation à chaud, mise en solution, trempe, détensionnement et revenu.
  • La température d'homogénéisation est de préférence située entre 480 et 540°C pendant 5 à 60 heures. De manière préférée, la température d'homogénéisation est comprise entre 515 °C et 525°C de façon à ce que le temps équivalent t(eq) à 520 °C pour l'homogénéisation soit compris entre 5 et 20 heures et de préférence entre 6 et 15 heures. Le temps équivalent t(eq) à 520 °C est défini par la formule : t eq = ∫ exp − 26100 / T dt exp − 26100 / T ref
    Figure imgb0007
     où T (en Kelvin) est la température instantanée de traitement, qui évolue avec le temps t (en heures), et Tref est une température de référence fixée à 793 K. t(eq) est exprimé en heures. La constante Q/R = 26100 K est dérivée de l'énergie d'activation pour la diffusion du Mn, Q = 217000 J/mol. La formule donnant t(eq) tient compte des phases de chauffage et de refroidissement. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la température d'homogénéisation est d'environ 520 °C et la durée de traitement est comprise entre 8 et 20 heures.
  • Après homogénéisation, la forme brute est en général refroidie jusqu'à température ambiante avant d'être préchauffée en vue d'être déformée à chaud. Le préchauffage a pour objectif d'atteindre une température initiale de déformation de préférence comprise entre 400 et 500 °C et de manière préférée de l'ordre de 450 °C à 480 °C permettant la déformation de la forme brute.
    La déformation à chaud est typiquement effectuée par filage, laminage et/ou forgeage de façon à obtenir un produit filé, laminé et/ou forgé.
    Le produit ainsi obtenu est ensuite mis en solution de préférence par traitement thermique entre 490 et 530 °C pendant 15 min à 8 h, puis trempé typiquement avec de l'eau.
    Le produit subit ensuite une traction contrôlée de 1 à 5 % et préférentiellement d'au moins 2%. Dans un mode de réalisation de l'invention, on réalise un laminage à froid avec une réduction comprise entre 5% et 15% avant l'étape de traction contrôlée. Des étapes connues telles que le planage, le redressage, la mise en forme peuvent être optionnellement réalisées avant ou après la traction contrôlée.
    Un revenu est réalisé à une température comprise entre 120 et 170°C pendant 5 à 100 h préférentiellement entre 150 et 160°C pendant 20 à 60 h.
    Les états métallurgiques préférés sont pour les tôles les états T84 et T89 et pour les profilés l'état T8511.
  • Les produits selon l'invention peuvent être utilisés en tant qu'élément de structure, notamment dans la construction aéronautique.
  • Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les produits selon l'invention sont utilisés comme élément d'intrados d'aile d'avion.
    • EXEMPLES Exemple 1
  • L'exemple de l'invention est référencé A. Les exemples B et C sont présentés à titre de comparaison. Les compositions chimiques des différents alliages testés dans cet exemple sont fournies dans le tableau 1. Tableau 1: Composition chimique (% en poids)
    Référence Si Fe Cu Mn Mg Zn Zr Li Ag Ti
    A 0,03 0,05 2,37 0,29 0,37 0,01 0,13 1,37 0,28 0,04
    B 0,03 0,05 2,50 0,31 0,35 0,01 0,13 1,43 0,25 0,04
    C 0,03 0,06 2,62 0,30 0,35 0,01 0,14 1,42 0,24 0,04
  • La densité des différents alliages testés est présentée dans le tableau 2. Tableau 2: Densité des alliages testés
    Référence Densité (g/cm3)
    A 2,647
    B 2,645
    C 2,648
  • Les alliages A, B et C ont été coulés sous forme de billettes. Les billettes ont été homogénéisées 8h à 520 °C le temps équivalent à 520 °C était 9,5 heures. Après homogénéisation, les billettes ont été réchauffées à 450 °C +/- 40 °C puis filées à chaud pour obtenir des profilés selon la Figure 1. Les profilés ainsi obtenus ont été mis en solution à 524 +/- 2 °C, trempés avec de l'eau de température inférieure à 40 °C, et fractionnés avec un allongement permanent compris entre 2 et 5%. Les profilés ont subi un revenu de 30 heures à 152 °C correspondant à la valeur maximale de ténacité.
    Les prélèvements ont été effectués sur la semelle. Les échantillons prélevés avaient un diamètre de 10 mm sauf pour le sens T-L pour lequel les échantillons avaient un diamètre de 6 mm. Les éprouvettes utilisées pour les mesures de ténacité avaient pour caractéristiques B=20 mm et W = 76 mm.
    Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 3 ci-dessous. Tableau 3. Propriétés mécaniques des profilés en alliage A, B et C.
    Alliage Sens L Sens TL KQ MPa m
    Figure imgb0008
    Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%) Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%) L-T T-L
    A 492 444 12,3 456 405 14,4 65,5 53,3
    B 517 477 10,7 478 435 13,3 63,7 52,1
    C 523 483 11,1 485 442 13,1 59,8 47,7
    • Exemple 2
  • Les exemples de l'invention sont référencés D et E. Les exemples F, G et H sont présentés à titre de comparaison. Les compositions chimiques des différents alliages testés dans cet exemple sont fournies dans le tableau 4. Tableau 4: Composition chimique (% en poids)
    Référence Si Fe Cu Mn Mg Zn Zr Li Ag Ti
    D 0,03 0,05 2,21 0,38 0,28 0.01 0,13 1,46 0,25 0.04
    E 0,03 0,05 2,28 0,40 0,30 0.01 0,14 1,50 0,27 0.04
    F 0.03 0.06 3,12 0,30 0,41 0.01 0,10 1,78 0,35 0.03
    G 0.03 0.06 2,64 0,41 0,33 0.02 0,14 1,55 0,26 0.03
    H 0.03 0.05 3,02 0,45 0,35 0.01 0,14 1,43 0,28 0.03
  • La densité des différents alliages testés est présentée dans le tableau 5. Tableau 5: Densité des alliages testés
    Référence Densité (g/cm3)
    D 2.639
    E 2.638
    F 2.630
    G 2.641
    H 2.657
  • Les alliages D, E, F, G et H ont été coulés sous forme de plaques. Les plaques ont été homogénéisées 8h à 520 °C. Après homogénéisation, les plaques ont été réchauffées puis laminées à chaud pour obtenir des tôles d'épaisseur 14, 25 ou 60 mm. Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution à 524 +1/-2 °C, trempés avec de l'eau de température inférieure à 40 °C, et tractionnées avec un allongement permanent compris entre 3 et 5%. Les tôles ont subi un revenu de 30 à 60 heures à 155 °C.
    Les prélèvements ont été effectués à mi-épaisseur pour les tôles d'épaisseur 14 mm et 25 mm et à mi-épaisseur et quart d'épaisseur pour les tôles d'épaisseur 60 mm. Les éprouvettes utilisées pour les mesures de ténacité avaient une épaisseur de 12,5 mm pour les tôles d'épaisseur 14 mm, 20 mm pour les tôles d'épaisseur 25 mm, 25 mm pour les tôles d'épaisseur 60 mm, mesurées à quart d'épaisseur et 40 mm pour les tôles d'épaisseur 60 mm mesurées à mi-épaisseur.
    Des mesures de courbes R ont également été réalisées à mi-épaisseur pour certaines conditions de revenu.
  • Les résultats sont donnés dans les tableaux 6 à 10. Tableau 6. Propriétés mécaniques d'un produit selon l'invention d'épaisseur 14 mm.
    Alliage Revenu Sens L KQ,(L-T) MPa m
    Figure imgb0009
    Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%)
    E 30H 155 °C 473 431 9,0 35,6
    40H 155 °C 488 451 9,7 37,2
    50H 155 °C 490 454 9,3 37,7
    60H 155 °C 491 457 9,3 37,6
    Tableau 7. Propriétés mécaniques d'un produit selon l'invention (E) et de produits de référence d'épaisseur 25 mm.
    Alliage Revenu Sens L KQ ,(L-T) MPa m
    Figure imgb0010
    Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%)
    E 30H 155 °C 473 430 10,8 48,9
    40H 155 °C 483 443 11,1 45,3
    50H 155 °C 492 456 10,8 45,6
    60H 155 °C 493 458 10,2 44,8
    F 30H 155 °C 589 562 6,2 27,2
    40H 155 °C 594 566 6,2 23,8
    50H 155 °C 597 571 6,8 23,7
    G 30H 155 °C 529 491 9,7 41,1*
    40H 155 °C 534 499 9,7 39,6*
    50H 155 °C 537 504 8,9 38,0*
    50H 155 °C 535 503 9,1 35,4
    H 30H 155 °C 558 524 9,2 35,3
    40H 155 °C 562 528 9,7 32,4
    50H 155 °C 565 532 8,9 31,0*
    60H 155 °C 569 537 9,4 29,8
    * : K1C
    Tableau 8. Propriétés mécaniques mesurées à mi-épaisseur d'un produit selon l'invention (D) et d'un produit de référence d'épaisseur 60 mm.
    Alliage Revenu Sens L KQ,(L-T) MPa m
    Figure imgb0011
    Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%)
    D 30H 155 °C 445 394 11,0 53,5
    40H 155 °C 465 423 11,0 48,9
    50H 155 °C 471 430 10,5 47,7
    60H 155 °C 469 428 10,6 45,8*
    H 30H 155 °C 532 490 8,1 34,1
    40H 155 °C 541 500 7,8 32,4
    50H 155 °C 543 505 8,9 29,6
    60H 155 °C 541 503 7,6 28,3
    * : K1C
    Tableau 9. Propriétés mécaniques mesurées à quart-épaisseur d'un produit selon l'invention (D) et d'un produit de référence d'épaisseur 60 mm.
    Alliage Revenu Sens L KQ,(L-T) MPa m
    Figure imgb0012
    Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A(%)
    D 30H 155 °C 451 412 10,9 47,6
    40H 155 °C 456 422 11,6 42,6
    50H 155 °C 459 427 11,4 42,9*
    60H 155 °C 465 431 11,4 38,9
    H 30H 155 °C 515 485 10,9 33,4
    40H 155 °C 525 496 10,4 29,7
    50H 155 °C 525 497 9,0 26,3
    60H 155 °C 524 497 8,9 26,4
    * : K1C
    Tableau 10. Facteurs d'intensité de contrainte mesurés à mi-épaisseur pour des éprouvettes CCT de largeur W = 406 mm.
    Alliage Epaisseur (mm) Revenu Kapp,(L-T) MPa m
    Figure imgb0013
         		Kceff,(L-T) MPa m
    Figure imgb0014
    E 14 36H 155 °C 108 136
    E 25 46H 155 °C 112 148
    G 25 30H 155°C 100 117
    H 25 30H 155 °C 94 108
    D 60 36H 155 °C 117 164
    H 60 30H 155 °C 90 105
    D 40 46H 155 °C 117 158

Claims (9)

  1. Produit filé, laminé et/ou forgé, dont le taux de recristallisation est inférieur à 30%, comprenant un alliage à base d'aluminium comprenant
    2,12 à 2,37% en poids de Cu,
    1,3 à 1,6 % en poids de Li,
    0,1 à 0,5 % en poids de Ag,
    0,2 à 0,6 % en poids de Mg,
    0,05 à 0,15 % en poids de Zr,
    0,1 à 0,5 % en poids de Mn,
    0,01 à 0,12 % en poids de Ti
    optionnellement au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, et Hf, la quantité de l'élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf,
    une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total.
  2. Produit selon la revendication 1 comprenant 2,20 à 2,30 % en poids de Cu, 1,35 à 1,55 % en poids de Li, 0,15 à 0,35 %en poids de Ag, 0,2 à 0,4 % en poids de Mg.
  3. Produit selon la revendication 1 ou la revendication 2 dont le taux de recristallisation est inférieur à 15%.
  4. Produit selon une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il s'agit d'un profilé dont l'épaisseur d'au moins un rectangle élémentaire est supérieure à 8 mm, et de préférence supérieure à 12 mm.
  5. Produit selon la revendication 4 comprenant
    une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 390 MPa et de préférence d'au moins 400 MPa et
    une ténacité KQ(L-T), d'au moins 64 MPa m
    Figure imgb0015
     et de préférence d'au moins 65 MPa m .
    Figure imgb0016
  6. Produit selon une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il s'agit d'un produit laminé dont l'épaisseur est au moins de 14 mm et de préférence d'au moins 20 mm.
  7. Produit selon la revendication 6 comprenant à mi-épaisseur à l'état T84
    (a) pour une épaisseur comprise entre 20 mm et 40 mm une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 410 MPa et de préférence d'au moins 420 MPa et une ténacité KQ(L-T), d'au moins 45 MPa m
    Figure imgb0017
     et de préférence d'au moins 47 MPa m ,
    Figure imgb0018
    (b) pour une épaisseur comprise entre 40 mm et 80 mm une limite d'élasticité Rp0,2 dans le sens L d'au moins 380 MPa et de préférence d'au moins 390 MPa et une ténacité KQ(L-T), d'au moins 45 MPa m
    Figure imgb0019
     et de préférence d'au moins 50 MPa m .
    Figure imgb0020
  8. Procédé de fabrication d'un produit selon une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel :
    (a) on coule une forme brute en alliage selon une des revendications 1 à 3,
    (b) on homogénéise ladite forme brute à 480 à 540°C pendant 5 à 60 heures,
    (c) on déforme à chaud par filage, laminage et/ou forgeage ladite forme brute avec une température initiale de déformation à chaud de 400 à 500°C pour obtenir un produit filé laminé et/ou forgé,
    (d) on met en solution ledit produit à 490 à 530°C pendant 15 minutes à 8 heures,
    (e) on trempe,
    (f) on tractionne de façon contrôlée ledit produit avec une déformation permanente de 1 à 5 %,
    (g) on réalise un revenu dudit produit par chauffage à 120 à 170°C pendant 5 à 100 heures.
  9. Utilisation d'un produit selon une quelconque des revendications 1 à 7 comme élément d'intrados d'aile d'avion.
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