EP4263892A1 - Produits corroyes en alliage 2xxx presentant une resistance a la corrosion optimisee et procede d'obtention - Google Patents

Produits corroyes en alliage 2xxx presentant une resistance a la corrosion optimisee et procede d'obtention

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Publication number
EP4263892A1
EP4263892A1 EP21854746.1A EP21854746A EP4263892A1 EP 4263892 A1 EP4263892 A1 EP 4263892A1 EP 21854746 A EP21854746 A EP 21854746A EP 4263892 A1 EP4263892 A1 EP 4263892A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
equal
sequence
thermo
temperature
wrought
Prior art date
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Pending
Application number
EP21854746.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Melanie OLLAT
Jean-Christophe Ehrstrom
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Constellium Issoire SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Constellium Issoire SAS filed Critical Constellium Issoire SAS
Priority to DE21854746.1T priority Critical patent/DE21854746T1/de
Publication of EP4263892A1 publication Critical patent/EP4263892A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/14—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/18—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with zinc
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    • 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
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/026—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the present invention relates to a wrought 2XXX alloy product having improved stress corrosion properties and a process for the thermo-mechanical treatment of wrought aluminum alloy products of the 2XXX series intended to improve their resistance to stress corrosion while while maintaining an excellent compromise between yield strength, ductility, and damage tolerance, in particular toughness.
  • Aircraft applications generally require a very specific set of properties.
  • High strength alloys are generally desired, but depending on the intended use, other properties such as high fracture toughness or ductility, as well as good corrosion resistance are usually required, in particular, stress corrosion resistance.
  • the resistance to corrosion under stress of alloy 2000 is evaluated after alternating immersion-emersion test according to standard ASTM G47 - 98 (2019). Products over 30mm are generally tensile tested according to ASTM G49 - 85 (2019). Depending on the device chosen, the test is carried out under constant deformation or under constant load. The choice depends on the intended application and the selection criteria. As mentioned in ASTM G49 - 85 (2019), tensile stress corrosion testing under constant load is more severe than tensile stress corrosion testing under constant strain. Thus, the maximum allowable stress defined by a tensile stress corrosion test under constant load is generally less than or equal to that determined by a tensile stress corrosion test under constant strain.
  • WO2004/106566 discloses an aluminum alloy having improved strength and ductility, comprising Cu 3.5 - 5.8 wt%, Mg 0.1 - 1.8 wt%, Mn 0.1 - 0.8 by weight, Ag 0.2 - 0.8% by weight, Ti 0.02 - 0.12% by weight and optionally one or more selected from the group consisting of Cr 0.1 - 0.8% by weight, Hf 0.1 - 1.0 wt%, Sc 0.03 - 0.6 wt%, and V 0.05 - 0.15 wt%, remaining aluminum, and wherein the alloy is substantially free of zirconium .
  • WO2020/123096 discloses a 2XXX alloy, with a titanium content of between 0.08 and 0.20 weight % which has an excellent compromise of at least two characteristics such as mechanical strength, toughness, elongation and resistance to corrosion. This application discloses stress corrosion tests performed under constant strain.
  • Standard practice for the final thermo-mechanical treatment of these alloys after hot rolling includes solution quenching, the fastest possible quenching, cold deformation of at least 2% and tempering with a single isothermal step.
  • FR2435535 discloses a heat treatment process for wrought aluminum alloy products of the 2000 series containing (by weight %) from 3.5 to 5% copper, from 0.2 to 0.1% magnesium, from 0, 25 to 1.2% silicon with an Si/Mg ratio greater than 0.8 characterized in that the tempering comprises at least two stages a main tempering at a temperature greater than 225°C and less than 285°C of a duration of between 6 s and 60 min and additional tempering at a temperature of between 120° C. and 175° C. for a duration of between 4 and 192 hours.
  • FR2435535 differs from the invention in that it applies to products whose silicon content is greater than 0.25% by weight and in that the first tempering step is carried out at a temperature greater than 225°C .
  • US 3,305,410 discloses a two-step tempering heat treatment for aluminum alloys to improve corrosion resistance. This income is referred to as “top-down” income.
  • the first stage is carried out at high temperature, typically between 190° C. and 218° C., so as to initiate homogeneous precipitation and minimize precipitation at the grain boundaries.
  • the second level is carried out at a lower temperature, typically between 135° C. and 163° C., so as to complete the precipitation.
  • the invention relates to a thermo-mechanical treatment process applied to 2XXX alloys of composition in % by weight Cu 3.5 - 5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.25; Ag ⁇ 0.8; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum allowing to improve resistance to stress corrosion while allowing to obtain an excellent compromise between elastic limit, ductility, and tolerance to damage, in particular toughness.
  • the process makes it possible to improve resistance to corrosion under tensile stress under constant load.
  • the invention relates to a process for the thermo-mechanical treatment of wrought aluminum alloy products of the 2000 series comprising, in% by weight, Cu 3.5 - 5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9;Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15;Zr ⁇ 0.25;Ag ⁇ 0.8;Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • This thermo-mechanical treatment includes solution treatment, quenching, hardening, and tempering.
  • Tempering is characterized in that it comprises at least two sequences: a first sequence whose temperature expressed in °C is described by a function T1° c (t) depending on time t, such that the maximum temperature reached T1 max is between 130°C and 180°C and the holding time t1 at a temperature between 130°C and 180°C is such that the equivalent time is between 1 Oh and 80h, equivalent duration calculated at a temperature of 160°C according to the formula [Math 1] and a second sequence whose temperature expressed in °C is described by a time-dependent function t whose temperature is such that T2° c (t) is less than T1 max and whose holding time t2 expressed in hours at a temperature between 100°C and 130°C is such that the equivalent duration calculated at a temperature of 160°C according to the formula
  • [Math 2] is between 0.3% and 15% of the equivalent duration calculated for the first sequence.
  • the temperature T2° c (t) of the second sequence is less than 130°C.
  • the holding time t2 of the second sequence comprised between 105°C and 130°C, preferentially between 105°C and 125°C or between 110°C and 130°C, or between 110°C and 125°C, corresponds to an equivalent duration between 0.3% and 15% of the equivalent duration °calculated for the first sequence.
  • the equivalent duration t2 ⁇ °° is greater than or equal to 0.4% of the equivalent duration calculated for the first sequence, even more preferably the duration equivalent is greater than or equal to 0.5% or 1% or 2% or 3% of the equivalent duration calculated at 160°C.
  • the equivalent duration is less than or equal to 10% of the equivalent duration calculated for the first sequence, even more preferred, the equivalent duration is less than or equal to 5%, or 3.5%.
  • the first sequence comprises a single isothermal plateau.
  • the wrought product is a thin sheet or a thick sheet or a profile or a forged part.
  • the wrought product is a thick sheet or a section or a forged part with a thickness greater than or equal to 30 mm, preferably 50 mm, even more preferably greater than or equal to 90 mm.
  • the wrought product is a thick sheet having undergone a step of shaping by high-energy hydroforming before tempering, preferably shaping by hydroforming by explosion.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is preferably chosen from a designation AA2139, AA2039, AA2040, AA2124, AA2024, AA2027, AA2022, AA2042.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series comprises, in% by weight, Cu 3.9-5.2; Mg 0.2 - 0.9; Mn 0.1 - 0.6; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.15; Ag ⁇ 0.6; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series comprises, in% by weight, Cu 4.5-5.0; Mg 0.40 - 0.90; Mn 0.20 - 0.50; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.05; Ag 0.10 - 0.50; Zn ⁇ 0.5; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the value of the area of the dissolution peak, after the second sequence, measured by DSC, dissolution peak between approximately 200° C. and 300° C. is substantially equal to the value of the area of the dissolution peak measured after the first sequence, by substantially equal is meant a difference less than or equal to 5%, advantageously less than or equal to 2%.
  • the invention also relates to a wrought product in aluminum alloy of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm comprising, in% by weight, Cu 3.5-5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.25; Ag ⁇ 0.8; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; rest aluminum; capable of being obtained by the thermo-mechanical treatment process according to the invention.
  • This product is characterized in that the average stress corrosion life at a stress less than or equal to 200 MPa applied in the short transverse direction TC is greater than 10 days for three specimens per case, the tests being carried out according to the conditions of ASTM G47 - 98 (2019) using a tension device under constant load according to ASTM G49 - 85 (2019).
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm is such that the service life of all the specimens tested in the short transverse direction TC at a stress less than or equal to 200 MPa under the conditions of ASTM G47 - 98 (2019) using a tension device under constant load per ASTM G49 - 85 (2019) is greater than or equal to 10 days.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm has an elastic limit in the long transverse direction TL greater than or equal to 400 MPa.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm comprises, in% by weight, Cu 3.9-5.2; Mg 0.2 - 0.9; Mn 0.1 - 0.6; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.15; Ag ⁇ 0.6; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm comprises, in% by weight, Cu 4.5-5.0; Mg 0.40 - 0.90; Mn 0.20 - 0.50; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.05; Ag 0.10 - 0.50; Zn ⁇ 0.5; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the product according to the invention or obtained according to the process of is used for aeronautical applications of integral structures such as fuselage, rib or spar elements.
  • FIGURES
  • Figure 1 is a schematic representation of the tempering of an embodiment of the invention where the two sequences are performed successively without going through a step at room temperature.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the tempering of an embodiment of the invention where the two sequences are carried out successively by going through a step at room temperature.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the income of an embodiment of the invention where the first sequence is a single step.
  • Figure 4 shows the thermograms obtained after measurement by differential scanning calorimetry or DSC on samples A13 and A14 of example 6.
  • Figure 5 illustrates the determination of the value of the area of the dissolution peak after DSC measurement.
  • the static mechanical characteristics in other words the breaking strength R m , the conventional yield strength at 0.2% elongation R p 0.2 ("yield strength") and the elongation at break A%, are determined by a tensile test according to standard EN 10002-1, the sampling and direction of the test being defined by standard EN 485-1.
  • the stress intensity factor (KQ) is determined according to the ASTM E 399 standard.
  • the ASTM E 399 standard gives the criteria for determining whether KQ is a valid value of Kic.
  • KQ values obtained for different materials are comparable with each other provided that the elastic limits of the materials are of the same order of magnitude.
  • Stress corrosion tests were performed according to ASTM G47 - 98 (2019) and ASTM G49 - 85 (2019) in the short through TC direction for specimens centered at mid-thickness. Unless otherwise stated, stress corrosion tests are carried out using tensile specimens. Typically the tensile specimens are cylindrical with a diameter of 3.17 +0.01 mm. It is however possible to use flat specimens. These specimens are tested at a given stress using a device ensuring a constant load according to the recommendations of ASTM G49 - 85 (2019). At least three specimens are tested per case.
  • a thin sheet is a rolled product of rectangular cross-section whose uniform thickness is between 0.20 mm and 6 mm.
  • a thick plate is a rolled product with a thickness greater than 6 mm.
  • a wrought product resistant to corrosion under stress in the short cross direction means that the product does not show any rupture before 10 days of testing at a stress of 200 MPa applied in the short cross direction, using a device ensuring a constant load according to the recommendations of ASTM G49 - 85 (2019).
  • the product according to the invention is resistant to stress corrosion in the short transverse direction.
  • the product has an average lifetime and a standard deviation such that the difference between the average lifetime and the standard deviation is greater than 10 days.
  • tempering is a heat treatment aimed at modifying the properties of a product by precipitation of the intermetallic phases from the supersaturated solution. Depending on the state of the art, it may consist of one or more steps. “Step” means a temperature rise phase or an isothermal plateau or a cooling phase. The rising and/or cooling phases can be linear and defined by a heating or cooling rate.
  • a “sequence” consists of one or more steps.
  • a sequence can be defined by a curve of temperature as a function of time T° c (t).
  • the tempering temperatures mentioned in the application are preferably with an accuracy of +/- 5°C, even more preferably +/- 3°C.
  • the duration of maintenance of a sequence defined by T° c (t) during a time interval between t' and t" is equivalent to a duration sequence carried out at a reference temperature T ref . is defined by the formula:
  • T° c (t) is the instantaneous temperature in °C of a sequence which evolves with time t (in hours), and Tref is the reference temperature. is expressed in hours.
  • the constant Q corresponds to the activation energy for diffusion. According to the invention, the constant Q is taken as equal to 136000 J/mol which corresponds to the activation energy of the diffusion of copper Cu in aluminium.
  • the ideal gas constant R is equal to 8.314 J/K/mol.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series comprises in wt% Cu 3.5 - 5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.25; Ag ⁇ 0.8; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the Cu content is at least 3.5% by weight, preferably at least 3.9% by weight, advantageously at least 4.1% and even more preferably at least 4.4% by weight in order to obtain a sufficient elastic limit.
  • the Cu content is at most 5.8% by weight, preferably at most 5.2%, advantageously at most 5.0% by weight.
  • the wrought product has a Cu content of between 3.9 and 5.2% by weight, advantageously between 4.5 and 5.0% by weight. Too low a value of the copper content leads to too low a mechanical resistance and an elastic limit. Too high a copper content value leads to insufficient toughness.
  • the Mg content is at least 0.2% by weight, preferably at least 0.20% by weight, advantageously at least 0.40% by weight.
  • the Mg content is at most 1.5% by weight, preferably at most 0.9%, even more preferably 0.90% by weight.
  • the wrought product has a Mg content of between 0.2 and 0.9% by weight, advantageously between 0.40 and 0.90% by weight.
  • a value that is too low for the magnesium content leads to too low a mechanical strength and an elastic limit. Too high a magnesium content value leads to insufficient toughness.
  • the Mn content is preferably at least 0.05% by weight, even more preferably at least 0.1% and even more preferably at least 0.20% by weight. weight.
  • the Mn content is at most 0.9% by weight, preferably at most 0.6% by weight, even more preferably at most 0.50% by weight. In one embodiment, the Mn content is between 0.1 and 0.6% by weight, preferably between 0.20 and 0.50% by weight.
  • the addition of manganese makes it possible to control the growth of recrystallization grains, and thus makes it possible to increase the mechanical strength of the product and its elastic limit, but too high a content leads to a drop in toughness.
  • the Zr content is at most 0.25% by weight, preferably at most 0.15% by weight, even more preferably at most 0.05% by weight. In one embodiment, the Zr content is less than or equal to 0.04% by weight, advantageously the Zr content is less than or equal to 0.01% by weight. The inventors have observed that a Zr content of less than or equal to 0.05% by weight makes it possible to improve the formability of the product. In another preferred embodiment, the Zr content is between 0.05 and 0.15% by weight.
  • the Ag content is at most 0.8% by weight, preferably at most 0.6%. In a preferred embodiment, the Ag content is between 0.10 and 0.50% by weight.
  • the Zn content is at most 0.8% by weight. In one embodiment, the Zn content is less than 0.5%, advantageously less than 0.25%.
  • the Ti content is between 0.02% and 0.15% by weight. In one embodiment, the Ti content is between 0.02 and 0.10% by weight, advantageously between 0.02 and 0.09% by weight, even more advantageously between 0.02 and 0.05% by weight. weight.
  • the titanium has the effect of controlling the casting microstructure, in particular of refining the grain size.
  • the other elements have a content of at most 0.05% by weight each and 0.15% by weight in total. These are unavoidable impurities, the rest is aluminum.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is chosen from the designations AA2139, AA2039, AA2040, AA2124, AA2024, AA2027, AA2022, AA2042.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is advantageously a thin sheet, a thick sheet, a profile or a forging.
  • the wrought product is a sheet at least 30 mm thick, preferably greater than or equal to 50 mm, even more preferably greater than or equal to 90 mm.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is obtained by a standard production process.
  • a raw form is cast from a bath of liquid metal of composition in % by weight Cu 3.5 - 5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.25; Ag ⁇ 0.8; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; remains aluminum.
  • the raw form is advantageously a plate, or a billet.
  • the raw shape is then homogenized, then hot shaped to obtain a wrought alloy product aluminum of the 2000 series.
  • the homogenization is carried out at a temperature of between 490° C. and 530° C. for a period of 1 Oh to 50 h.
  • the plate is homogenized and then hot rolled to obtain a wrought aluminum alloy product of the 2000 series.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is a sheet with a thickness greater than or equal to 30 mm, preferably greater than or equal to 50 mm, even more preferably greater than or equal to 90 mm.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series is a sheet with a thickness less than or equal to 180 mm, preferably less than or equal to 150 mm.
  • the wrought aluminum alloy product of the 2000 series comprising in % by weight, Cu 3.5 - 5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9; Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15; Zr ⁇ 0.25; Ag ⁇ 0.8; Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15, unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; rest aluminum undergoes a thermo-mechanical treatment comprising solution treatment, quenching, work hardening and tempering.
  • the wrought product undergoes solution treatment at a temperature of between 490° C. and 530° C. for a period of 5 h to 20 h.
  • the quenching is carried out by immersing the product put into solution in water at room temperature, conventionally at around 22° C. (+/- 10° C.) or by sprinkling the product using a spray.
  • Hardening is then carried out.
  • this hardening is carried out cold. It can be achieved by traction or compression.
  • the permanent deformation rate is between 1 and 9%, preferably between 3 and 5%.
  • an additional shaping step can be performed before tempering.
  • This shaping step can be performed by a high energy hydroforming process.
  • this process is carried out on a thick sheet, typically with a thickness greater than or equal to 30 mm, preferably greater than or equal to 50 mm and even more preferably greater than or equal to 90 mm.
  • This process may be an explosion hydroforming process. This type of process is described in the publication “Applications and capabilities of explosive forming” by DJ. Mynor et al. Journal of Materials Processing Technology 125-126 (2002) pp 1-25.
  • the wrought product is tempered, comprising at least two sequences.
  • the wrought product is tempered comprising two sequences.
  • the first sequence aims to obtain the final mechanical properties of the product.
  • the first sequence is such that it makes it possible to obtain the best toughness/yield strength compromise.
  • the first sequence consists of one or more stages of heating, and/or isothermal holding and/or cooling.
  • the evolution of the temperature during the first sequence can be described by a function T1° c (t) depending on the time t.
  • the temperature reaches a maximum temperature T1 max between 130°C and 180°C.
  • the maximum temperature T1 max is reached during an isothermal plateau.
  • the duration of the first sequence is such that the duration of maintenance at a temperature comprised between 130°C and 180°C is equivalent to an equivalent duration comprised between 1 Oh and 80h, equivalent duration calculated at the reference temperature of 160°C according to the formula [Math 1]
  • the function is integrated over the period of time where the temperature expressed in °C is between 130°C and 180°C. That is to say that the function is integrated over the period of time corresponding to the first crossing of the temperature 130° C. on ascent, and the first crossing of the temperature 130° C. during the descent. In the case where the time period is discontinuous, the function must be integrated according to each of the time periods where the temperature is between 130°C and 180°C.
  • the duration of maintenance at a temperature between 130° C. and 180° C. during the first sequence is equivalent to an equivalent duration of at least 15 hours, 20 hours, 24h, or 30h in order to obtain sufficient mechanical resistance. Indeed, if the equivalent duration is too short, it is not possible to reach a sufficient elastic limit, typically to reach an elastic limit of at least 400 MPa in the TL (Travers Long) direction.
  • the duration of maintenance at a temperature between 130° C. and 180° C. during the first sequence is such that the equivalent duration is less than 70h, advantageously less than 60h, or 50h, or 40h in order to obtain sufficient ductility and toughness. Indeed, if the equivalent duration is too long, the ductility and toughness drop.
  • the first sequence can be preceded by a maturation step at ambient temperature.
  • the duration of the maturation step can vary between a few minutes, a few hours or a few days.
  • the maturation time is between 10 minutes and 10 hours, preferably at most 4 hours.
  • the first sequence is a single step (see Figure 3).
  • the term “mono-level” means a sequence comprising a single isothermal level.
  • a first single-level sequence comprises a temperature rise step, isothermal maintenance between 130° C. and 180° C. and a cooling step.
  • the purpose of the second sequence is to improve resistance to stress corrosion.
  • the second sequence induces a negligible change in the mechanical properties such as the elastic limit, the breaking stress or the toughness.
  • the elastic limit, the breaking stress, or the tenacity evolves by less than 10% between the end of the first sequence and the end of the second sequence, advantageously by less than 5%, even more advantageously by less than 3% or 2%.
  • the elastic limit changes by less than 3%, preferably by less than 2%.
  • the tenacity changes by less than 3%, preferably by less than 2%.
  • the inventors have observed that the second sequence does not significantly modify the quantity of precipitates formed at the end of the first sequence.
  • DSC Differential Scanning Calorimetry
  • a reference in this case, alumina
  • This DSC technique relies on the fact that during a physical transformation, such as a phase transition, a certain amount of heat is exchanged with the sample to keep it at the same temperature as the reference.
  • the direction of this heat exchange between the sample and the equipment depends on the endothermic or exothermic nature of the transition process. Thus, for example, if a product contains precipitates, when it is heated, these precipitates can dissolve in a temperature range under the effect of heat.
  • the product will then absorb more heat to be able to increase its temperature at the same rate as the reference.
  • the dissolution of precipitates is an endothermic phase transition because it absorbs heat.
  • the sample can undergo exothermic processes, such as precipitation, when it transfers heat to the system.
  • a differential scanning calorimeter can measure the amount of heat absorbed or released during a transition.
  • This dissolution peak according to the invention is between about 200°C and 300°C.
  • about 200°C and 300°C is meant that the dissolution peak may extend within a range between +/- 50°C relative to the range of 200°C-300°C.
  • the inventors have observed that the area of the dissolution peak varies by less than 5% between the two sequences.
  • the inventors have in fact observed that the value of the area of the dissolution peak after the second sequence, measured by DSC, dissolution peak between approximately 200° C. and 300° C., is substantially equal to the value of the area of the dissolution peak measured after the first sequence.
  • substantially equal is meant a difference less than or equal to 5%, advantageously less than or equal to 2%.
  • the second sequence consists of one or more stages of heating, and/or isothermal holding and/or cooling.
  • the evolution of the temperature during the second sequence can be described by a time-dependent function T2° c (t).
  • the second sequence is carried out at a temperature T2 lower than the maximum temperature T1 max of the first sequence. That is to say that during the second sequence, the function T2° c (t) is lower than the maximum temperature T1 max .
  • the second sequence is carried out at a temperature T2 below 130°C, even more preferably below 125°C.
  • the second sequence is characterized by a holding time t2 at a temperature between 100°C and 130°C.
  • This holding time t2 at a temperature between 100°C and 130°C can be defined by an equivalent time calculated at the temperature of 160°C according to formula
  • the temperature T2° c (t) is expressed in °C.
  • the equivalent duration thus calculated is less than or equal to 15% of the equivalent duration calculated for the first sequence.
  • the second sequence is characterized by a holding time t2 at a temperature between 105°C and 130°C, or between 105°C and 125°C, or between 110°C and 130°C, or between 110°C and 125°C, such as the equivalent time calculated at 160°C is less than or equal to 15% of the equivalent duration calculated at 160°C for the first sequence.
  • Prolonged maintenance at a temperature below 100° C., preferably below 105° C., even more preferably 110° C. does not make it possible to improve the resistance to corrosion in the short transverse direction.
  • the equivalent duration calculated at a temperature of 160°C, corresponding to the holding time t2 at a temperature between 100°C and 130°C, or between 105°C and 130°C, or between 105°C and 125°C, or between 110°C and 130°C, or between 110°C and 125°C is less than or equal to 15% of the equivalent duration calculated for the first sequence.
  • the equivalent duration corresponding to the duration of the hold t2 at a temperature between 100°C and 130°C or between 105°C and 130°C, or between 105°C and 125°C, or between 110°C and 130°C, or between 110°C and 125°C is less than or equal to 10%, 5%, or 3.5% of the equivalent duration calculated at 160°C for the first sequence.
  • the inventors have observed that the stress corrosion of the wrought product is improved if the second sequence is such that a sufficient duration of between 100° C. and 130° C. is carried out.
  • the equivalent duration calculated at 160°C is greater than or equal to 0.3%.
  • a equivalent duration of less than 0.3% does not desensitize the product to stress corrosion.
  • the equivalent duration is greater than or equal to 0.4%, 0.5%, 1%, 2% or 3% of the equivalent duration calculated at 160°C for the first sequence.
  • the first and the second sequence are carried out successively without going through the ambient temperature between the two.
  • the start of the second sequence takes place when the temperature T1° c (t) is less than 130° C. as shown in FIG. 1.
  • the first and the second sequence are carried out successively with maintenance at room temperature between the two.
  • the start of the second sequence takes place when the temperature T1° c (t) is less than 130° C. as shown in FIG. 2, the hold time t2 is equal to the cumulative hold times of the sequences in the temperature range between 100°C and 130°C.
  • the wrought product obtained according to the invention is suitable for aeronautical applications, in particular for components produced as an integral structure.
  • An integral structure is a monolithic structure consisting of a skin and a stiffener in one piece.
  • the wrought product obtained according to the invention is advantageously used for integral structures, such as fuselage, rib or spar elements.
  • thermo-mechanical treatment makes it possible to obtain better stress corrosion resistance.
  • the thermo-mechanical treatment is particularly interesting on wrought products with a thickness greater than or equal to 30 mm, preferably greater than or equal to 50 mm or 90 mm, such as a thick sheet, a profile or a forged product for which the resistance to stress corrosion in the short transverse direction TC is sought.
  • a wrought aluminum alloy product of the 2000 series with a thickness greater than or equal to 30 mm comprising, in% by weight, Cu 3.5-5.8; Mg 0.2 - 1.5; M n ⁇ 0.9;Fe ⁇ 0.15; If ⁇ 0.15;Zr ⁇ 0.25;Ag ⁇ 0.8;Zn ⁇ 0.8; Ti 0.02-0.15 unavoidable impurities ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 total; rest aluminum; capable of being obtained by the thermo-mechanical treatment process according to the invention makes it possible to obtain an average lifetime in stress corrosion at a stress less than or equal to 200 MPa imposed in the short transverse direction TC greater than 10 days .
  • the tests are carried out according to the conditions of ASTM G47 - 98 (2019) using a tension device under constant load according to ASTM G49 - 85 (2019).
  • the difference between the average lifetime and the standard deviation measured during the test is greater than 10 days, the tests being carried out according to the conditions of ASTM G47 - 98 (2019 ) using a tension device under constant load according to ASTM G49 - 85 (2019).
  • This product has a yield strength in the long transverse direction TL greater than or equal to 400 MPa.
  • the product according to the invention is used for aeronautical applications of integral structures such as fuselage, rib or spar elements.
  • An AA2139 alloy the composition of which is indicated in Table 1, underwent, after homogenization at a temperature of between 490° C. and 530° C. for a period of 1 Oh to 50 h, hot rolling to obtain a final thickness of 120 mm.
  • the sheet was then placed in solution between 490° C. and 530° C. for a period of 5 to 20 hours then quenched and stress-relieved by controlled traction so as to obtain a permanent deformation between 2 and 4%.
  • the sheet was then tested for stress corrosion after different tempers as indicated in Table 2.
  • Tempering comprising only one sequence is carried out with a heating rate of 40°C/h up to 150°C, then at 20°C/h up to 160°C.
  • the cooling rate is 30°C/h.
  • Tempers with two sequences are carried out with the same heating and cooling rates. The two levels are made one after the other without going through a maintenance at room temperature.
  • SCC Stress corrosion testing
  • the sheets were tested to determine their static mechanical properties and toughness.
  • the yield strength Rp0.2, the breaking strength Rm and the elongation at break A, in the TL direction are presented in Table 4.
  • the K q value obtained according to ASTM E399 the value of K app is used as the test result. This is the stress intensity factor obtained for the specimen tested using as load the maximum load recorded during the test, and as crack length, the initial length of the crack after pre-cracking in fatigue; it is the same length as that used for the calculation of K q . [Table 3]
  • the products A6 and A8 tested according to the invention have a longer average lifetime than the products obtained after a single-level tempering. None of the specimens tested has a lifespan of less than 10 days.
  • the products tested according to the invention A6 and A8 have an average lifetime and a standard deviation such that the difference between the average and once the standard deviation is greater than 10 days.
  • Example 5 The same sheet as Example 1 was tested under other tempering conditions as indicated in Table 5. The stress corrosion tests were carried out under the same conditions as Example 1. The results are shown in table 6. [Table 5]
  • the product tested according to the invention A12 has a significantly longer average lifetime than the product Ail obtained after tempering comprising two sequences but whose holding time t2 at a temperature between 100° C. and 130° C. is equivalent to a equivalent duration less than 0.3% of the equivalent time duration calculated for the first sequence. None of the specimens tested for reference A12 has a lifetime of less than 10 days.
  • the product tested according to the invention A12 has a mean lifetime and a standard deviation such that the difference between the mean and once the standard deviation is greater than 10 days.
  • An AA2139 alloy the composition of which is indicated in Table 7, underwent, after homogenization between 490° C. and 530° C. for a duration of 1 Oh to 50 h, hot rolling to obtain a final thickness of 120 mm.
  • the sheet was then placed in solution between 490° C. and 530° C. for a period of 5 to 20 hours then quenched and stress-relieved by controlled traction so as to obtain a permanent deformation between 2 and 4%.
  • the sheet was then tested for stress corrosion after different tempers as indicated in Tables 8 and 9. [Table 7]
  • the stress corrosion resistance in marine exposure of the sheet was tested for two tempering conditions, identical to those presented in Example 1, and corresponding to single-level tempering for 36 hours at 160° C. and tempering according to invention 36h at 160°C + 20h 120°C.
  • Single-level tempering comprises only one sequence and is carried out with a heating rate of 40°C/h up to 150°C, then 20°C/h up to 168°C.
  • the cooling rate is 30°C/h.
  • the tempering according to the invention comprising two sequences underwent for the first sequence the same heating or cooling rates as the tempering comprising only a single sequence.
  • the second sequence is carried out following the first sequence without going through the ambient temperature. At the end of the second sequence, the sheet is cooled at 30° C./h.
  • a dissolution peak (10, 10') located between 200°C and 300°C is observed (FIG. 4) in both cases.
  • the precipitates present are dissolved during the heating, which is accompanied by a drop in the measured enthalpy.
  • the quantity of precipitates present on tempering is estimated by integrating the area of the peak comprised under the base line of the curve.
  • the base line is representative of the evolution of the enthalpy with the temperature if the sample did not undergo any physical transformation.
  • This baseline can be obtained by using the baseline of the reference sample which does not undergo any physical transformation in the temperature range considered. It can also be estimated by extrapolating the measured curve (see Figure 5).
  • a dissolution peak area of 4.98 J/g is measured for sample A13 and a dissolution peak area of 4.90 J/g for sample A14.
  • the difference between the two is 1.6%.
  • the amount of precipitates formed on tempering is similar for the two heat treatments considered. However, an improvement in the resistance to corrosion is indeed observed for sample A14, having undergone tempering according to the invention.

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Abstract

Procédé de traitement thermo-mécanique de produits corroyés en alliage d'aluminium de la série 2000 comprenant, en % en poids, Cu 3,5 - 5,8; Mg 0,2 - 1,5; Mn ≤ 0,9; Fe ≤ 0,15; Si ≤ 0,15; Zr ≤ 0,25; Ag ≤ 0,8; Zn ≤ 0,8; Ti 0,02-0,15; impuretés inévitables ≤ 0,05 chacune et ≤ 0,15 au total; reste aluminium permettant une amélioration de la résistance à la corrosion sous contrainte. Il comporte un revenu constitué de deux séquences. La première séquence est définie par une température maximale T1max comprise entre 130°C et 180°C et par une durée de maintien à une température comprise entre 130°C et 180°C qui équivaut à une durée équivalente (formula i) calculée à 160°C comprise entre 10b et 80h. La deuxième séquence est définie par une température T2°c (t) inférieure à T1max et une durée de maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C, qui équivaut à une durée équivalente (formula ii) calculée à 160°C telle que (formula iii) est comprise entre 0.3% et 15% de la durée équivalente (formula iv)calculée pour la première séquence.

Description

DESCRIPTION
Titre : Produits corroyés en alliage 2xxx présentant une résistance à la corrosion optimisée et procédé d'obtention
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention porte sur un produit corroyé en alliage 2XXX présentant des propriétés améliorées en corrosion sous contrainte et un procédé de traitement thermo-mécanique de produits corroyés en alliages d’aluminium de la série 2XXX destiné à améliorer leur résistance à la corrosion sous contrainte tout en maintenant un excellent compromis entre limite d'élasticité, ductilité, et tolérance au dommage, en particulier la ténacité.
ART ANTERIEUR
Les applications aéronautiques nécessitent généralement un ensemble très spécifique de propriétés. Des alliages à haute résistance mécanique sont généralement souhaités, mais selon l’utilisation prévue, d’autres propriétés telles qu’une résistance à la rupture ou une ductilité élevée, ainsi qu’une bonne résistance à la corrosion sont habituellement requises, en particulier, la résistance à la corrosion sous contrainte.
La résistance à la corrosion sous contrainte d'alliage 2000 est évaluée après essai d'immersion- émersion alternée selon la norme ASTM G47 - 98 (2019). Les produits de plus de 30 mm sont généralement testés en traction selon la norme ASTM G49 - 85 (2019). En fonction du dispositif choisi, l'essai est réalisé en déformation constante ou à charge constante. Le choix est fonction de l'application visée et des critères de sélection. Comme le mentionne la norme ASTM G49 - 85 (2019), les essais de corrosion sous contrainte en traction sous charge constante sont plus sévères que les essais de corrosion sous contrainte en traction sous déformation constante. Ainsi, la contrainte maximum admissible définie par un essai de corrosion sous contrainte en traction sous charge constante est généralement inférieure ou égale à celle déterminée par un essai de corrosion sous contrainte en traction sous déformation constante. Cette différence est liée au fait qu'en déformation constante, notamment lorsqu'une fissure apparaît, il y a une relaxation des contraintes. Le produit est alors soumis à une charge plus faible que la charge initiale, ce qui rend l'essai moins sévère. L'article de N. Magaji et al. « Comparison of test methods used to analyze the stress corrosion cracking of differently tempered 7xxx alloys" - Materials and Corrosion 2019 - Vol. 70 - pp 1192-1204 peut également être cité. Les alliages 2000 sont connus de l'art antérieur. Dans ce texte, il est possible d'utiliser indifféremment le terme 2000 ou 2xxx pour désigner des alliages d'aluminium dont l'élément majoritaire est l'élément Cu.
W02004/106566 divulgue un alliage d’aluminium ayant une résistance et une ductilité améliorées, comprenant Cu 3,5 à 5,8% en poids, Mg 0,1 à 1,8% en poids, Mn 0,1 - 0,8 en poids, Ag 0,2 - 0,8% en poids, Ti 0,02 - 0,12% en poids et éventuellement un ou plusieurs sélectionnés dans le groupe constitué de Cr 0,1 - 0,8% en poids, Hf 0,1 - 1,0% en poids, Sc 0,03 - 0,6% en poids, et V 0,05 - 0,15% en poids, reste aluminium, et dans lequel l’alliage est sensiblement exempt de zirconium.
W02020/123096 divulgue un alliage 2XXX, avec une teneur en titane comprise entre 0,08 et 0,20 poids % qui présente un excellent compromis d'au moins deux caractéristiques comme la résistance mécanique, la ténacité, l'allongement et la résistance à la corrosion. Cette demande divulgue des essais de corrosion sous contrainte effectués sous déformation constante.
La pratique standard de traitement thermo-mécanique final de ces alliages après laminage à chaud comprend une mise en solution, une trempe la plus rapide possible, une déformation à froid d'au moins 2% et un revenu avec un seul palier isotherme.
Les inventeurs ont constaté que des produits selon W02004/106566 ne permettaient pas d'obtenir une durée de vie de plus de 10 jours après des essais de corrosion sous contrainte en traction sous charge constante à 200 MPa lorsque ces produits étaient obtenus selon la pratique standard de traitement thermo-mécanique.
FR2435535 divulgue un procédé de traitement thermique de produits corroyés en alliage d'aluminium de la série 2000 contenant (en poids %) de 3,5 à 5% de cuivre, de 0,2 à 0,1% de magnésium, de 0,25 à 1,2% de silicium avec un rapport Si/Mg supérieur à 0,8 caractérisé en ce que le revenu comporte au moins deux étapes un revenu principal à une température supérieure à 225°C et inférieure à 285°C d'une durée comprise entre 6 s et 60 mn et un revenu complémentaire à une température comprise entre 120°C et 175°C d'une durée comprise entre 4 et 192 heures. FR2435535 se distingue de l'invention en ce qu'elle s'applique à des produits dont la teneur en silicium est supérieure à 0,25 % poids et en ce que la première étape du revenu est effectuée à une température supérieure à 225°C.
US 3,305,410 divulgue un traitement thermique de revenu bi-palier pour des alliages d'aluminium afin d'améliorer la résistance à la corrosion. Ce revenu est désigné comme un revenu « haut-bas ». Le premier palier est réalisé à haute température, typiquement entre 190°C et 218°C, de telle sorte à initier une précipitation homogène et minimiser la précipitation aux joints de grain. Le deuxième palier est réalisé à plus basse température, typiquement entre 135°C et 163°C, de sorte à compléter la précipitation. Selon l'invention, il est important que la précipitation durcissante n'évolue pas durant le second palier de manière significative. Cela est possible en choisissant les conditions de revenu selon l'invention.
L'invention porte sur un procédé de traitement thermo-mécanique appliqué à des alliages 2XXX de composition en % en poids Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn <0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8; Zn < 0,8; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium permettant d'améliorer la tenue à la corrosion sous contrainte tout en permettant d'obtenir un excellent compromis entre limite d'élasticité, ductilité, et tolérance au dommage, en particulier la ténacité. En particulier, le procédé permet d'améliorer la tenue à la corrosion sous contrainte en traction sous charge constante.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention porte sur un procédé de traitement thermo-mécanique de produits corroyés en alliage d'aluminium de la série 2000 comprenant, en % en poids, Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn < 0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium. Ce traitement thermo-mécanique comprend une mise en solution, une trempe, un écrouissage, et un revenu. Le revenu est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux séquences : une première séquence dont la température exprimée en °C est décrite par une fonction T1°c(t) dépendant du temps t, telle que la température maximale atteinte T1max est comprise entre 130°C et 180°C et la durée de maintien tl à une température comprise entre 130°C et 180°C est telle que la durée équivalente est comprise entre lOh et 80h, durée équivalente calculée à la température de 160°C selon la formule [Math 1] et une deuxième séquence dont la température exprimée en °C est décrite par une fonction dépendant du temps t dont la température est telle que T2°c(t) est inférieure à T1max et dont la durée de maintien t2 exprimée en heures à une température comprise entre 100°C et 130°C est telle que la durée équivalente calculée à la température de 160°C selon la formule
[Math 2] est comprise entre 0.3 % et 15 % de la durée équivalente calculée pour la première séquence. Dans un mode de réalisation préférée, la température T2°c(t) de la deuxième séquence est inférieure à 130°C.
Dans un mode de réalisation préféré, le temps de maintien t2 de la deuxième séquence compris entre 105°C et 130°C, préférentiellement entre 105°C et 125°C ou entre 110°C et 130°C, ou entre 110°C et 125°C, correspond à une durée équivalente comprise entre 0.3% et 15% de la durée équivalente °calculée pour la première séquence.
Préférentiellement, la durée équivalente t2^°° est supérieure ou égale à 0.4% de la durée équivalente calculée pour la première séquence, de façon encore plus préférée la durée équivalente est supérieure ou égale à 0,5% ou 1% ou 2% ou 3% de la durée équivalente calculée à 160°C.
Dans un mode de réalisation préféré, la durée équivalente est inférieure ou égale à 10% de la durée équivalente calculée pour la première séquence, de façon encore plus préférée la durée équivalente est inférieure ou égale à 5%, ou à 3.5%.
Préférentiellement, la première séquence comprend un seul palier isotherme.
Préférentiellement, le produit corroyé est une tôle mince ou une tôle épaisse ou un profilé ou une pièce forgée. Dans un mode de réalisation préféré, le produit corroyé est une tôle épaisse ou un profilé ou une pièce forgée d'épaisseur supérieure ou égale à 30mm, préférentiellement 50 mm, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 90 mm.
Dans un mode de réalisation préféré, le produit corroyé est une tôle épaisse ayant subi une étape de mise en forme par hydroformage à haute énergie avant le revenu, préférentiellement une mise en forme par hydroformage par explosion.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est préférentiellement choisi parmi une désignation AA2139, AA2039, AA2040, AA2124, AA2024, AA2027, AA2022, AA2042.
Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprend, en % en poids, Cu 3,9 - 5,2 ; Mg 0,2 - 0.9 ; Mn 0,1 - 0,6 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,15 ; Ag < 0,6 ; Zn < 0,8; Ti 0.02-0.15 , impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium. Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprend, en % en poids, Cu 4,5 - 5,0 ; Mg 0,40 - 0,90 ; Mn 0,20 - 0,50 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,05 ; Ag 0,10 - 0,50 ; Zn < 0,5 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
De manière préférée, la valeur de l'aire du pic de dissolution, après la deuxième séquence, mesurée par DSC, pic de dissolution compris entre environ 200°C et 300°C, est sensiblement égale à la valeur de l'aire du pic de dissolution mesurée après la première séquence, par sensiblement égale on entend un écart inférieur ou égal à 5%, avantageusement inférieur ou égal à 2%.
L'invention porte par ailleurs sur un produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm comprenant en % en poids, Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn < 0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium ; susceptible d'être obtenue par le procédé de traitement thermo-mécanique selon l'invention. Ce produit se caractérise en ce que la durée de vie moyenne en corrosion sous contrainte à une contrainte inférieure ou égale à 200 MPa appliquée dans le sens travers court TC est supérieure à 10 jours pour trois éprouvettes par cas, les essais étant réalisés selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant un dispositif en traction sous charge constante selon l'ASTM G49 - 85 (2019).
Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm est tel que la durée de vie de toutes les éprouvettes testées dans le sens travers court TC à une contrainte inférieure ou égale à 200 MPa selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant un dispositif en traction sous charge constante selon l'ASTM G49 - 85 (2019) est supérieure ou égale à 10 jours.
Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm a une limite d'élasticité dans le sens travers long TL supérieure ou égale à 400 MPa.
Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm comprend en % en poids, Cu 3,9 - 5,2 ; Mg 0,2 - 0.9 ; Mn 0,1 - 0,6 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,15 ; Ag < 0,6 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
Préférentiellement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm comprend en % en poids, Cu 4,5 - 5,0 ; Mg 0,40 - 0,90 ; Mn 0,20 - 0,50 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,05 ; Ag 0,10 - 0,50 ; Zn < 0,5 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
Avantageusement, le produit selon l'invention ou obtenu selon le procédé de l'est utilisé pour des applications aéronautiques de structures intégrales telles que des éléments de fuselage, de nervure ou de longeron. FIGURES
[Fig. 1] La Figure 1 est une représentation schématique du revenu d'un mode de réalisation de l'invention où les deux séquences sont réalisées successivement sans passer par une étape à température ambiante.
[Fig. 2] La Figure 2 montre une représentation schématique du revenu d'un mode de réalisation de l'invention où les deux séquences sont réalisées successivement en passant par une étape à température ambiante.
[Fig. 3] La Figure 3 montre une représentation schématique du revenu d'un mode de réalisation de l'invention où la première séquence est un mono-palier.
[Fig. 4] La Figure 4 montre les thermogrammes obtenus après mesure par calorimétrie différentielle à balayage ou DSC sur les échantillons A13 et A14 de l'exemple 6.
[Fig. 5] La Figure 5 illustre la détermination de la valeur de l'aire du pic de dissolution après mesure DSC.
DESCRIPTION DETAILLEE 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. L’expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. 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 page 2-12 et 2-13 de « Aluminum Standards and Data ».
Sauf mention contraire, les définitions des états métallurgiques indiquées dans la norme européenne EN 515 (1993) s'appliquent.
Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d'autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rp0,2 (« limite d'élasticité ») et l'allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme EN 485-1.
Sauf mention contraire, le facteur d'intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E 399. La norme ASTM E 399 donne les critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de Kic. Pour une géométrie d'éprouvette donnée, les valeurs de KQ obtenues pour différents matériaux sont comparables entre elles pour autant que les limites d'élasticité des matériaux soient du même ordre de grandeur. Les essais de corrosion sous contrainte ont été effectués selon les normes ASTM G47 - 98 (2019) et ASTM G49 - 85 (2019) dans la direction travers court TC pour des échantillons centrés à mi épaisseur. Sauf mention contraire, les essais de corrosion sous contrainte sont réalisés en utilisant des éprouvettes de traction. Typiquement les éprouvettes de traction sont cylindriques de diamètre 3.17 +0.01 mm. Il est toutefois possible d'utiliser des éprouvettes plates. Ces éprouvettes sont testées à une contrainte donnée à l'aide d'un dispositif assurant une charge constante selon les recommandations de l'ASTM G49 - 85 (2019). Trois éprouvettes sont au moins testées par cas.
Sauf mention contraire, les termes utilisés concernant les produits en aluminium et alliages d’aluminium sont définis par la norme NF EN 12258-1. En particulier, sauf mention contraire on appelle tôle mince un produit laminé de section transversale rectangulaire dont l'épaisseur uniforme est comprise entre 0.20 mm et 6 mm. On appelle une tôle épaisse un produit laminé d'épaisseur supérieure à 6 mm.
Un produit corroyé résistant à la corrosion sous contrainte dans le sens travers court, ie TC, signifie que le produit ne présente aucune rupture avant 10 jours d'essais à une contrainte de 200 MPa appliquée dans le sens travers court, en utilisant un dispositif assurant une charge constante selon les recommandations de l'ASTM G49 - 85 (2019). Le produit selon l'invention est résistant à la corrosion sous contrainte dans le sens travers court. Dans un mode préféré, le produit présente une durée de vie moyenne et un écart type tels que la différence entre la durée de vie moyenne et l'écart type est supérieure à 10 jours.
Sauf mention contraire, un revenu est un traitement thermique visant à modifier les propriétés d'un produit par précipitation des phases intermétalliques à partir de la solution sursaturée. Selon l'état de l'art, il peut être constitué d'une ou plusieurs étapes. On entend par « étape » une phase de montée en température ou un palier isotherme ou une phase de refroidissement. Les phases de montée et/ou refroidissement peuvent être linéaires et définies par une vitesse de chauffage ou de refroidissement.
Selon l'invention, une « séquence » est constituée d'une ou plusieurs étapes. Une séquence peut être définie par une courbe de température en fonction du temps T°c (t) .
Pour une étape ou une séquence, il est possible de calculer une durée de maintien équivalente à une température de référence Tref.
Selon l'invention, les températures de revenu mentionnées dans la demande sont de préférence avec une précision de +/- 5°C, encore plus préférentiellement +/- 3°C. La durée de maintien d'une séquence définie par T°c (t) durant un intervalle de temps compris entre t' et t" est équivalente à une durée séquence réalisée à une température de référence Tref . est définie par la formule :
[Math 3] où T°c(t) est la température instantanée en °C d'une séquence qui évolue avec le temps t (en heures), et Tref est la température de référence. est exprimé en heures. La constante Q correspond à l’énergie d'activation pour la diffusion. Selon l'invention la constante Q est prise égale à 136000 J/mol qui correspond à l'énergie d'activation de la diffusion du cuivre Cu dans l'aluminium. La constante R des gaz parfait est égale à 8,314 J/K/mol.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprend en % en poids Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn <0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
La teneur en Cu est d'au moins 3,5% en poids, préférentiellement d'au moins 3,9% en poids, avantageusement d'au moins 4,1% et encore plus préférentiellement d'au moins 4,4% en poids afin d'obtenir une limite d'élasticité suffisante. La teneur en Cu est d'au plus 5,8 % en poids, préférentiellement d'au plus 5,2%, avantageusement d'au plus 5,0% en poids. Dans un mode de réalisation, le produit corroyé a une teneur en Cu comprise entre 3,9 et 5,2% en poids, avantageusement entre 4,5 et 5,0% en poids. Une valeur trop faible de la teneur en cuivre conduit à une résistance mécanique et une limite d'élasticité trop faible. Une valeur trop élevée de la teneur en cuivre conduit à une ténacité insuffisante.
La teneur en Mg est d'au moins 0,2 % en poids, préférentiellement d'au moins 0,20 % en poids, avantageusement d'au moins 0,40% en poids. La teneur en Mg est d'au plus 1,5% en poids, préférentiellement d'au plus 0,9%, encore plus préférentiellement 0,90% en poids. Dans un mode de réalisation, le produit corroyé a une teneur en Mg est comprise entre 0,2 et 0,9% en poids, avantageusement entre 0,40 et 0,90% en poids. Une valeur trop faible de la teneur en magnésium conduit à une résistance mécanique et une limite d'élasticité trop faible. Une valeur trop élevée de la teneur en magnésium conduit à une ténacité insuffisante.
La teneur en Mn est préférentiellement d'au moins 0,05% en poids, encore plus préférentiellement d'au moins 0,1% et encore plus préférentiellement d'au moins 0,20% en poids. La teneur en Mn est d'au plus 0.9% en poids, préférentiellement d'au plus 0,6% en poids, encore plus préférentiellement d'au plus 0,50% en poids. Dans un mode de réalisation, la teneur en Mn est comprise entre 0,1 et 0,6% en poids, préférentiellement entre 0,20 et 0,50% en poids. L'addition de manganèse permet de maîtriser la croissance de grains de recristallisation, et permet ainsi d'augmenter la résistance mécanique du produit et sa limite d'élasticité, mais une trop forte teneur conduit à une baisse de la ténacité.
La teneur en Zr est d'au plus 0,25% en poids, préférentiellement d'au plus 0,15% en poids, encore plus préférentiellement d'au plus 0,05% en poids. Dans un mode de réalisation, la teneur en Zr est inférieure ou égale 0,04 % en poids, avantageusement la teneur en Zr est inférieure ou égale à 0,01% en poids. Les inventeurs ont constaté qu'une teneur en Zr inférieure ou égale à 0,05% en poids permet d'améliorer la formabilité du produit. Dans un autre mode de réalisation préféré, la teneur en Zr est comprise entre 0,05 et 0,15% en poids.
La teneur en Ag est d'au plus 0,8% en poids, préférentiellement d'au plus 0,6%. Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en Ag est comprise entre 0,10 et 0,50% en poids.
La teneur en Zn est d'au plus 0,8% en poids. Dans un mode de réalisation, la teneur en Zn est inférieure à 0,5%, avantageusement inférieure à 0,25%.
La teneur en Ti est comprise entre 0,02% et 0,15% en poids. Dans un mode de réalisation, la teneur en Ti est comprise entre 0,02 et 0,10% en poids, avantageusement entre 0,02 et 0,09% en poids, encore plus avantageusement entre 0,02 et 0,05% en poids. Le titane a pour effet de maîtriser la microstructure de coulée, notamment d'affiner la taille de grain.
Les autres éléments ont une teneur au plus de 0,05% en poids chacun et 0,15% en poids au total. Il s'agit d'impuretés inévitables, le reste est de l'aluminium.
Chacun de ces modes de réalisation peuvent être combinés en tout ou partie.
Avantageusement, Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est choisi parmi les désignations AA2139, AA2039, AA2040, AA2124, AA2024, AA2027, AA2022, AA2042.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est avantageusement une tôle mince, une tôle épaisse, un profilé ou une pièce forgée. Dans un mode de réalisation préféré, le produit corroyé est une tôle épaisse d'au moins 30 mm, préférentiellement supérieure ou égale à 50 mm, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 90 mm.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est obtenu par un procédé standard d'élaboration. Une forme brute est coulée à partir d'un bain de métal liquide de composition en % en poids Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn <0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
La forme brute est avantageusement une plaque, ou une billette. La forme brute est ensuite homogénéisée, puis mise en forme à chaud pour obtenir un produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000. Avantageusement, l'homogénéisation est effectuée à une température comprise entre 490°C et 530°C pendant une durée de lOh à 50h. Avantageusement, dans le cas d'une plaque, la plaque est homogénéisée puis laminée à chaud pour obtenir un produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000. Avantageusement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est une tôle d'une épaisseur supérieure ou égale à 30 mm, préférentiellement supérieure ou égale à 50 mm, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 90 mm. Avantageusement, le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est une tôle d'une épaisseur inférieure ou égale à 180 mm, préférentiellement inférieure ou égale à 150 mm.
Le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprenant en % en poids, Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn <0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15, impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium subit un traitement thermo-mécanique comportant une mise en solution, une trempe, un écrouissage, et un revenu. Avantageusement, le produit corroyé subit une mise en solution à une température comprise entre 490°C et 530°C pendant une durée de 5h à 20h. Avantageusement, la trempe est effectuée en immergeant le produit mis en solution dans une eau à température ambiante, classiquement aux environ de 22°C (+/- 10°C) ou en aspergeant le produit à l'aide de spray.
Un écrouissage est ensuite effectué. Avantageusement, cet écrouissage est réalisé à froid. Il peut être réalisé par traction, ou compression. Avantageusement, le taux de déformation permanent est compris entre 1 et 9%, de préférence entre 3 et 5%.
Optionnellement, une étape de mise en forme supplémentaire peut être effectuée avant revenu. Cette étape de mise en forme peut être effectuée par un procédé d'hydroformage à haute énergie. De préférence, ce procédé est réalisé sur une tôle épaisse, typiquement d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm, préférentiellement supérieure ou égale à 50 mm et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 90 mm. Ce procédé peut être un procédé d'hydroformage par explosion. Ce type de procédé est décrit dans la publication « Applications and capabilities of explosive forming » de DJ. Mynor et al. Journal of Materials Processing Technology 125-126 (2002) pp 1-25.
Selon l'invention, le produit corroyé subit un revenu, comprenant au moins deux séquences. Préférentiellement, le produit corroyé subit un revenu comprenant deux séquences.
Selon la demande, lorsqu'un intervalle de température est mentionné comme « compris entre 130°C et 180°C », cela signifie que les bornes de température sont incluses. Il s'entend donc que lorsqu'il est mentionné « entre 130°C et 180°C », cela doit être compris « de 130°C à 180°C ». Première séquence
La première séquence a pour but d'obtenir les propriétés mécaniques finales du produit. En particulier, la première séquence est telle qu'elle permet d'obtenir le meilleur compromis ténacité - limite d'élasticité. Selon l'invention, la première séquence est constituée d'une ou plusieurs étapes de chauffage, et/ou maintien isotherme et/ou de refroidissement. L'évolution de la température durant la première séquence peut être décrite par une fonction T1°c (t) dépendant du temps t. Durant la première séquence, la température atteint une température maximum T1max comprise entre 130°C et 180°C. De manière préférée la température maximum T1max est atteinte durant un palier isotherme. La durée de la première séquence est telle que la durée de maintien à une température comprise entre 130°C et 180°C équivaut à une durée équivalente comprise entre lOh et 80h, durée équivalente calculée à la température de référence de 160°C selon la formule [Math 1]
La fonction est intégrée sur la période de temps où la température exprimée en °C est comprise entre 130°C et 180°C. C'est-à-dire que la fonction est intégrée sur la période de temps correspondant au premier franchissement de la température 130°C en montée, et le premier franchissement de la température 130°C lors de la descente. Dans le cas où la période de temps est discontinue, la fonction doit être intégrée selon chacune des périodes de temps où la température est comprise entre 130°C et 180°C.
De manière préférée, la durée de maintien à une température comprise entre 130°C et 180°C durant la première séquence équivaut à une durée équivalente d'au moins 15h, 20h, 24h, ou 30h afin d'obtenir une résistance mécanique suffisante. En effet, si la durée équivalente est trop faible, il n'est pas possible d'atteindre une limite d'élasticité suffisante, typiquement d'atteindre une limite d'élasticité d'au moins 400 MPa en sens TL (Travers Long). De manière préférée, la durée de maintien à une température comprise entre 130°C et 180°C durant la première séquence est telle que la durée équivalente est inférieure à 70h, avantageusement inférieure à 60h, ou 50h, ou 40h afin d'obtenir une ductilité ainsi qu'une ténacité suffisante. En effet, si la durée équivalente est trop importante, la ductilité et la ténacité chutent.
La première séquence peut être précédée d'une étape de maturation à température ambiante. La durée de l'étape de maturation peut varier entre quelques minutes, quelques heures ou quelques jours. De manière préférée, la durée de maturation est comprise entre 10 minutes et 10 heures, de préférence d'au plus 4 heures. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la première séquence est un mono-palier (cf Figure 3). On entend par mono-palier, une séquence comprenant un seul palier isotherme. Typiquement, une première séquence mono-palier comprend une étape de montée en température, un maintien isotherme compris entre 130°C et 180°C et une étape de refroidissement.
Deuxième séquence
La deuxième séquence a pour but d'améliorer la tenue à la corrosion sous contrainte.
Selon l'invention, la deuxième séquence induit une évolution négligeable des propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité, la contrainte à rupture ou la ténacité. La limite d'élasticité, la contrainte à rupture, ou la ténacité évolue de moins de 10% entre la fin de la première séquence et la fin de la deuxième séquence, avantageusement de moins de 5%, encore plus avantageusement de moins de 3% ou 2%. De préférence, la limite d'élasticité évolue de moins de 3%, de préférence de moins de 2%. De préférence, la ténacité évolue de moins de de 3%, de préférence de moins de 2%.
Les inventeurs ont constaté que la deuxième séquence ne modifie pas significativement la quantité de précipités formés à l'issu de la première séquence.
La DSC, abréviation anglaise du terme Differential Scanning Calorimetry, ou en français calorimétrie différentielle à balayage est une technique d'analyse thermique. Elle mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence (dans le cas présent, l’alumine). Cette technique DSC repose sur le fait que lors d’une transformation physique, telle qu’une transition de phase, une certaine quantité de chaleur est échangée avec l’échantillon pour être maintenu à la même température que la référence. Le sens de cet échange de chaleur entre l’échantillon et l’équipement dépend de la nature endothermique ou exothermique du processus de transition. Ainsi, par exemple, si un produit contient des précipités, au moment de son chauffage, ces précipités peuvent se dissoudre dans une plage de température sous l'effet de la chaleur. Le produit va alors absorber plus de chaleur pour pouvoir augmenter sa température au même rythme que la référence. La dissolution des précipités est une transition de phase endothermique car elle absorbe la chaleur. De même, l’échantillon peut subir des processus exothermiques, tels que la précipitation, lorsqu'il transmet de la chaleur au système.
En mesurant la différence de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence, un calorimètre différentiel à balayage peut mesurer la quantité de chaleur absorbée ou libérée au cours d'une transition.
A l'aide de cette technique, il est possible d'estimer la quantité de phases dissoutes à partir du thermogramme en calculant la surface du pic endothermique ou pic de dissolution, exprimé en J/g. Ce pic de dissolution selon l'invention est compris entre environ 200°C et 300°C. Par « environ 200°C et 300°C », on entend que le pic de dissolution peut s'étendre dans une plage comprise entre +/- 50°C par rapport à la plage de 200°C-300°C.
Les inventeurs ont constaté que la surface du pic de dissolution varie de moins de 5% entre les deux séquences. Les inventeurs ont en effet constaté que la valeur de l'aire du pic de dissolution après la deuxième séquence, mesurée par DSC, pic de dissolution compris entre environ 200°C et 300°C, est sensiblement égale à la valeur de l'aire du pic de dissolution mesurée après la première séquence. Par sensiblement égale, on entend un écart inférieur ou égal à 5%, avantageusement inférieur ou égal à 2%.
Selon l'invention, la deuxième séquence est constituée d'une ou plusieurs étapes de chauffage, et/ou de maintien isotherme et/ou de refroidissement.
L'évolution de la température durant la deuxième séquence peut être décrite par une fonction dépendant du temps T2°c(t). La deuxième séquence est réalisée à une température T2 inférieure à la température maximum T1max de la première séquence. C'est-à-dire que durant la seconde séquence, la fonction T2°c (t) est inférieure à la température maximum T1max.
Préférentiellement la deuxième séquence est réalisée à une température T2 inférieure à 130°C, encore plus préférentiellement inférieure à 125°C.
La deuxième séquence est caractérisée par une durée de maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C. Cette durée de maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C peut être définie par une durée équivalente calculée à la température de 160°C selon la formule
[Math 2]
La température T2°c (t) est exprimée en °C.
La fonction est intégrée dans le domaine de temps où le produit est maintenu entre 100°C et 130°C après la première séquence. Selon l'invention, la durée équivalente ainsi calculée est inférieure ou égale à 15% de la durée équivalente calculée pour la première séquence. De manière préférée, la deuxième séquence est caractérisée par une durée de maintien t2 à une température comprise entre 105°C et 130°C, ou entre 105°C et 125°C, ou entre 110°C et 130°C, ou entre 110°C et 125°C, telle que la durée équivalente calculée à 160°C est inférieure ou égale à 15% de la durée équivalente calculée à 160°C pour la première séquence. Un maintien prolongé à une température inférieure à 100°C, préférentiellement inférieur à 105°C, encore plus préférentiellement 110°C, ne permet pas d'améliorer la résistance à la corrosion dans le sens travers court.
La durée équivalente calculée à la température de 160°C, correspondant à la durée du maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C, ou entre 105°C et 130°C, ou entre 105°C et 125°C, ou entre 110°C et 130°C, ou entre 110°C et 125°C est inférieure ou égale à 15% de la durée équivalente calculée pour la première séquence.
De manière préférée, la durée équivalente correspondant à la durée du maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C ou entre 105°C et 130°C, ou entre 105°C et 125°C, ou entre 110°C et 130°C, ou entre 110°C et 125°C est inférieure ou égale à 10%, 5%, ou 3,5% de la durée équivalente calculée à 160°C pour la première séquence.
Les inventeurs ont constaté que la corrosion sous contrainte du produit corroyé est améliorée si la deuxième séquence est telle qu'une durée suffisante comprise entre 100°C et 130°C est effectuée. La durée équivalente calculée à 160°C est supérieure ou égale à 0.3%. Une durée équivalente inférieure à 0,3% ne permet pas de désensibiliser le produit à la corrosion sous contrainte. De manière encore plus préférée, la durée équivalente est supérieure ou égale 0,4%, 0,5%, 1%, 2% ou 3% de la durée équivalente calculée à 160°C pour la première séquence.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la première et la deuxième séquence sont réalisées de manière successive sans passer par la température ambiante entre les deux. Dans ce cas, le début de la deuxième séquence a lieu au moment où la température T1°c(t) est inférieure à 130°C comme représenté à la Fig. 1.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la première et la deuxième séquence sont réalisées de manière successive avec un maintien à température ambiante entre les deux. Dans ce cas, le début de de la deuxième séquence a lieu au moment où la température T1°c (t) est inférieure à 130°C comme représenté à la Fig. 2, la durée de maintien t2 est égal au cumul des durées de maintien des séquences dans la plage de température comprise entre 100°C et 130°C. Le produit corroyé obtenu selon l'invention convient aux applications aéronautiques, en particulier pour les composants réalisés en structure intégrale. On appelle structure intégrale une structure monolithique constituée d'une peau et d'un raidisseur d'un seul tenant. Le produit corroyé obtenu selon l'invention est avantageusement utilisé pour des structures intégrales, telles que des éléments de fuselage, de nervure ou de longeron.
Les inventeurs ont constaté que le traitement thermo-mécanique selon l'invention permettait d'obtenir une meilleure résistance en corrosion sous contrainte. Dans un mode de réalisation préférée, le traitement thermo-mécanique est particulièrement intéressant sur des produits corroyés d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm, préférentiellement supérieure ou égale à 50 mm ou 90 mm, comme une tôle épaisse, un profilé ou un produit forgé pour lesquels la tenue à la corrosion sous contrainte dans le sens travers court TC est recherchée. Un produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm comprenant en % en poids, Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn < 0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium ; susceptible d'être obtenue par le procédé de traitement thermo-mécanique selon l'invention permet d'obtenir une durée de vie moyenne en corrosion sous contrainte à une contrainte inférieure ou égale à 200 MPa imposée dans le sens travers court TC supérieure à 10 jours. Les essais sont réalisés selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant un dispositif en traction sous charge constante selon l'ASTM G49 - 85 (2019). En particulier, dans un mode de réalisation préféré, la différence entre la durée de vie moyenne et l'écart type mesuré pendant l'essai est supérieure à 10 jours, les essais étant réalisés selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant un dispositif en traction sous charge constante selon l'ASTM G49 - 85 (2019). Ce produit présente une limite d'élasticité dans le sens travers long TL supérieure ou égale à 400 MPa.
Le produit selon l'invention est utilisé pour des applications aéronautiques de structures intégrales telles que des éléments de fuselage, de nervure ou de longeron.
EXEMPLES Exemple 1
Un alliage AA2139 dont la composition est indiquée dans le Tableau 1 a subi après homogénéisation à une température comprise entre 490°C et 530°C pendant une durée de lOh à 50h, un laminage à chaud pour obtenir une épaisseur finale de 120 mm. La tôle a ensuite été mise en solution entre 490°C et 530°C pendant une durée de 5h à 20h puis trempée et détensionnée par traction contrôlée de telle sorte à obtenir une déformation permanente entre 2 et 4%. La tôle a ensuite été testée en corrosion sous contrainte après différents revenus tels qu'indiqués dans le Tableau 2.
Les temps équivalents, tels que définis selon l'invention sont calculés en tenant compte des paliers isothermes et des phases de montée et descente en température.
Les revenus ne comportant qu'une seule séquence sont effectuées avec une vitesse de chauffage de 40°C/h jusqu'à 150°C, puis à 20°C/h jusqu'à 160°C. La vitesse de refroidissement est de 30°C/h. Les revenus comportant deux séquences sont effectués avec les mêmes vitesses de chauffage et de refroidissement. Les deux paliers sont faits l'un à la suite de l'autre sans passer par un maintien à température ambiante.
[Tableau 1]
[Tableau 2]
Les essais de corrosion sous contrainte (CSC) ont été réalisés dans le sens travers court de la tôle selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant des éprouvettes de traction sous une contrainte imposée de 200 MPa. Les éprouvettes sont soumises à des cycles d'immersion émersion dans une solution saline à 3.5% NaCI selon les conditions de l'ASTM G44 - 99 (2013). Les essais ont été réalisés sous charge constante selon les recommandations de la norme ASTM G49 - 85 (2019). Les éprouvettes de traction de diamètre 3.17 mm ont été prélevées à mi épaisseur de la tôle. Les résultats sont présentés dans le Tableau 3.
Les tôles ont été testées pour déterminer leurs propriétés mécaniques statiques et leur ténacité. La limite d'élasticité Rp0,2, la résistance à la rupture Rm et l'allongement à la rupture A, dans le sens TL sont présentés dans le Tableau 4. Les éprouvettes de traction ont été prélevées à mi épaisseur et les éprouvettes de ténacité utilisées sont des CT20W40 (épaisseur B = 20 mm, largeur W = 40 mm selon la nomenclature de la norme ASTM E399) prélevées à quart-épaisseur. Outre la valeur Kq obtenue selon la norme ASTM E399, la valeur de Kapp est utilisée comme résultat d'essai. Il s'agit du facteur d'intensité de contrainte obtenu pour l'éprouvette testée en utilisant comme charge la charge maximale enregistrée durant l'essai, et comme longueur de fissure, la longueur initiale de la fissure après préfissuration en fatigue ; c'est la même longueur que celle utilisée pour le calcul de Kq. [Tableau 3]
Les produits testés selon l'invention A6 et A8 présentent une durée de vie moyenne plus longue que les produits obtenus après un revenu mono-palier. Aucune des éprouvettes testées ne présente une durée de vie inférieure à 10 jours. Les produits testés selon l'invention A6 et A8 présentent une durée de vie moyenne et un écart type tels que la différence entre la moyenne et une fois l'écart type est supérieure à 10 jours.
[Tableau 4]
Exemple 2
La même tôle que l'exemple 1 a été testée selon d'autres conditions de revenu telles qu'indiquées dans le Tableau 5. Les essais de corrosion sous contrainte ont été réalisés dans les mêmes conditions que l'exemple 1. Les résultats sont indiqués dans le tableau 6. [Tableau 5]
[Tableau 6]
Le produit testé selon l'invention A12 présente une durée de vie moyenne significativement plus longue que le produit Ail obtenu après un revenu comportant deux séquences mais dont la durée de maintien t2 à une température comprise de 100°C à 130°C équivaut à une durée équivalente inférieure à 0.3% de la durée de temps équivalent calculée pour la première séquence. Aucune des éprouvettes testées pour la référence A12 ne présente une durée de vie inférieure à 10 jours. Le produit testé selon l'invention A12 présente une durée de vie moyenne et un écart type tels que la différence entre la moyenne et une fois l'écart type est supérieure à 10 jours.
Exemple 3
Un alliage AA2139 dont la composition est indiquée dans le Tableau 7 a subi après homogénéisation entre 490°C et 530°C pendant une durée de lOh à 50h, un laminage à chaud pour obtenir une épaisseur finale de 120 mm. La tôle a ensuite été mise en solution entre 490°C et 530°C pendant une durée de 5h à 20h puis trempée et détensionnée par traction contrôlée de telle sorte à obtenir une déformation permanente entre 2 et 4%. La tôle a ensuite été testée en corrosion sous contrainte après différents revenus tels qu'indiqués dans le Tableau 8 et 9. [Tableau 7]
Les essais de corrosion sous contrainte ont été réalisés dans les mêmes conditions que l'exemple 1.
[Tableau 8]
[Tableau 9] Le revenu comportant deux séquences selon l'invention conduit à une résistance à la corrosion sous tension nettement améliorée.
Exemple 4
Des essais de corrosion sous contrainte ont été effectués sur une tôle en AA2139 identique à l'exemple 1 ayant subi un revenu mono palier de 36h à 160°C. La tôle a été testée dans le sens travers court sous charge constante à 200 MPa de contrainte imposée et sous déformation constante à 276 MPa de contrainte imposée. Les résultats sont indiqués dans le Tableau 10. [Tableau 10]
On observe que les essais sous déformation constante induisent une durée de vie moyenne supérieure à celle obtenue sous charge constante malgré une contrainte appliquée plus importante. Cet exemple confirme que les essais sous déformation constante sont moins sévères que ceux réalisés sous charge constante.
Exemple 5
La même tôle que celle présentée dans l'exemple 1 a été testée en corrosion sous contrainte en exposition marine. Les essais ont consisté à placer en atmosphère marine des éprouvettes de traction mises en charge sous 200 MPa de contrainte imposée, en charge constante. Cela correspond aux mêmes conditions de sollicitations que celles utilisées dans l'exemple 1. Elles vérifient les conditions de l'ASTM G49 - 85 (2019).
La tenue à la corrosion sous contrainte en exposition marine de la tôle a été testée pour deux conditions de revenu, identiques à ceux présentés dans l'exemple 1, et correspondant au revenu mono-palier 36h à 160°C et au revenu selon l'invention 36h à 160°C + 20h 120°C.
Les résultats sont présentés dans le Tableau 11.
[Tableau 11] La tôle ayant subi le revenu selon l'invention présente une meilleure tenue en corrosion sous contrainte en atmosphère marine. Après 18 mois d'expositions (environ 540 jours), aucune des éprouvettes n'a rompu.
Exemple 6
Des essais de corrosion sous contrainte ont été effectués sur une tôle en AA2139 identique à l'exemple 1 ayant subi un revenu mono palier et un revenu bi-palier selon l'invention. Le revenu mono-palier ne comporte qu'une seule séquence et est effectué avec une vitesse de chauffage de 40°C/h jusqu'à 150°C, puis de 20°C/h jusqu'à 168°C. La vitesse de refroidissement est de 30°C/h. Le revenu selon l'invention comportant deux séquences a subi pour la première séquence les mêmes vitesses de chauffage ou de refroidissement que le revenu ne comportant qu'une seule séquence. La deuxième séquence est réalisée à la suite de la première séquence sans passer par la température ambiante. A l'issue de la fin de la deuxième séquence, la tôle est refroidie à 30°C/h.
[Tableau 12]
Les produits ont été testés dans le sens travers court sous charge constante à 200 MPa de contrainte imposée. Les résultats sont illustrés dans le tableau 13.
[Tableau 13] Des mesures de calorimétrie différentielle à balayage, aussi appelée mesures DSC (Differential scanning Calorimetry) ont été effectuées sur les deux produits A13 et A14. La figure 4 représente les thermogrammes obtenus. On constate que les deux thermogrammes sont similaires.
On observe (figure 4) dans les deux cas un pic de dissolution (10, 10') situé entre 200°C et 300°C. Les précipités présents sont dissous pendant le chauffage, ce qui s'accompagne par une baisse de l'enthalpie mesurée. La quantité de précipités présents au revenu est estimée en intégrant l'aire du pic compris sous la ligne de base de la courbe. La ligne de base est représentative de l'évolution de l'enthalpie avec la température si l'échantillon ne subissait aucune transformation physique. Cette ligne de base peut être obtenue en utilisant la ligne de base de l'échantillon de référence qui ne subit aucune transformation physique dans la gamme de température considérée. Elle peut aussi être estimée en extrapolant la courbe mesurée (voir Figure 5). Dans le cas de l'exemple, on mesure une aire de pic de dissolution de 4.98 J/g pour l'échantillon A13 et une aire de pic de dissolution de 4.90 J/g pour l'échantillon A14. L'écart entre les deux est de 1.6%. La quantité de précipités formés au revenu est similaire pour les deux traitements thermiques considérés. Cependant, on observe bien une amélioration de la tenue à la corrosion pour l'échantillon A14, ayant subi un revenu selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de traitement thermo-mécanique de produits corroyés en alliage d'aluminium de la série 2000 comprenant, en % en poids, Cu 3,5 - 5,8 ; Mg 0,2 - 1,5 ; Mn < 0,9 ; Fe < 0,15 ; Si < 0,15 ; Zr < 0,25 ; Ag < 0,8 ; Zn < 0,8 ; Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium, traitement thermo-mécanique comprenant une mise en solution, une trempe, un écrouissage, et un revenu caractérisé en ce que le revenu comprend au moins deux séquences, une première séquence dont la température exprimée en °C est décrite par une fonction T1°c(t) dépendant du temps t, telle que la température maximale atteinte T1max est comprise entre 130°C et 180°C et la durée de maintien tl à une température comprise entre 130°C et 180°C est telle que la durée équivalente est comprise entre lOh et 80h, durée équivalente calculée à la température de 160°C selon la formule
[Math 1] et une deuxième séquence dont la température exprimée en °C est décrite par une fonction T2°c(t). dépendant du temps t dont la température est telle que T2°c(t) < T1max et dont la durée de maintien t2 à une température comprise entre 100°C et 130°C est telle que la durée équivalente calculée à la température de 160°C selon la formule
[Math 2] est comprise entre 0.3% et 15% de la durée équivalente calculée pour la première séquence.
2. Procédé de traitement thermo-mécanique selon la revendication 1 où la température de la deuxième séquence T2°c (t) est inférieure à 130°C.
3. Procédé de traitement thermo-mécanique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le temps de maintien t2 de la deuxième séquence compris entre 105°C et 130°C correspond à une durée équivalente comprise entre 0.3% et 15% de la durée équivalente calculée pour la première séquence.
4. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la durée équivalente ° est supérieure ou égale à 0,5%, préférentiellement supérieure ou égale à 1% ; de la durée équivalente calculée pour la première séquence.
5. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la durée équivalente est inférieure ou égale à 10%, préférentiellement inférieure ou égale à 5%, de la durée équivalente calculée pour la première séquence.
6. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la première séquence comprend un seul palier isotherme.
7. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le produit corroyé est une tôle mince ou une tôle épaisse ou un profilé ou une pièce forgée.
8. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le produit corroyé est une tôle épaisse ayant subi une étape de mise en forme par hydroformage à haute énergie avant revenu.
9. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 est choisi parmi AA2139, AA2039, AA2040, AA2124, AA2024, AA2027, AA2022, AA2042.
10. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprend, en % en poids,
Cu 3,9 - 5,2 ;
Mg 0,2 - 0.9 ;
Mn 0,1 - 0,6 ;
Fe < 0,15 ;
Si < 0,15 ;
Zr < 0,15 ;
Ag < 0,6 ;
Zn < 0,8 ;
Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
11. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendication 1 à 8 caractérisé en ce que le produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 comprend, en % en poids,
Cu 4,5 - 5,0 ;
Mg 0,40 - 0,90 ;
Mn 0,20 - 0,50 ;
Fe < 0,15 ;
Si < 0,15 ;
Zr < 0,05 ;
Ag 0,10 - 0,50 ;
Zn < 0,5 ;
Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium.
12. Procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que la valeur de l'aire du pic de dissolution, après la deuxième séquence, mesurée par DSC, pic de dissolution compris entre environ 200°C et 300°C, est sensiblement égale à la valeur de l'aire du pic de dissolution mesurée après la première séquence, par sensiblement égale on entend un écart inférieur ou égal à 5%, avantageusement inférieur ou égal à 2%.
13. Produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm comprenant en % en poids,
Cu 3,5 - 5,8 ;
Mg 0,2 - 1,5 ;
Mn < 0,9 ;
Fe < 0,15 ;
Si < 0,15 ;
Zr < 0,25 ;
Ag < 0,8 ;
Zn < 0,8 ;
Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium ; susceptible d'être obtenue par le procédé de traitement thermo-mécanique selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la durée de vie moyenne en corrosion sous contrainte à une contrainte inférieure ou égale à 200 MPa appliquée dans le sens travers court TC est supérieure à 10 jours pour trois éprouvettes par cas, les essais étant réalisés selon les conditions de l'ASTM G47 - 98 (2019) en utilisant un dispositif en traction sous charge constante selon l'ASTM G49 - 85 (2019).
14. Produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm selon la revendication 13 dont la durée de vie de toutes les éprouvettes est supérieure ou égale à 10 jours.
15. Produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm selon la revendication 13 ou 14 dont la limite d'élasticité dans le sens travers long TL est supérieure ou égale à 400 MPa.
16. Produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 comprenant en % en poids,
Cu 3,9 - 5,2 ;
Mg 0,2 - 0,9 ;
Mn 0,1 - 0,6 ;
Fe < 0,15 ;
Si < 0,15 ;
Zr < 0,15 ; Ag < 0,6 ;
Zn < 0,8 ;
Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium. Produit corroyé en alliage d'aluminium de la série 2000 d'épaisseur supérieure ou égale à 30 mm selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 comprenant en % en poids,
Cu 4,5 - 5,0 ;
Mg 0,40 - 0,90 ;
Mn 0,20 - 0,50 ;
Fe < 0,15 ;
Si < 0,15 ;
Zr < 0,05 ;
Ag 0,10 - 0,50 ;
Zn < 0,5 ;
Ti 0,02-0,15 impuretés inévitables < 0,05 chacune et < 0,15 au total ; reste aluminium. Utilisation d'un produit corroyé selon l'une des revendications 13 à 17 ou obtenu selon l'une des revendications 1 à 12 pour des applications aéronautiques de structures intégrales telles que des éléments de fuselage, de nervure ou de longeron.
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