FR2595968A1 - Procede de formage d'alliages d'aluminium superplastiques ameliores contenant du scandium - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LE FORMAGE D'ALLIAGES D'ALUMINIUM PAR UN PROCEDE DE FORMAGE SUPERPLASTIQUE. LE FORMAGE SUPERPLASTIQUE DU PRODUIT EN ALUMINIUM A TRAVAILLER EST AMELIORE PAR INCORPORATION A CELUI-CI D'ENVIRON 0,05 A ENVIRON 10 OU 15 DE SCANDIUM. ON PEUT EGALEMENT AJOUTER DES ELEMENTS SOLUBLES TELS QUE LE MAGNESIUM A L'ALLIAGE D'ALUMINIUM CONTENANT DU SCANDIUM.

Description

La présente invention concerne le formage superplastique d'alliages

d'aluminium et des produits en aluminium et alliages d'aluminium spéciaux convenant au

formage superplastique à haute température.

Le formage superplastique de métaux est bien connu dans la technique, ce formage permettant d'obtenir des formes complexes à partir d'un métal à haute température, mettant à profit les propriétés de déformation superplastique du métal, pour éviter le déchirement et au10 tres problèmes dans le formage suivant des formes complexes. Le formage superplastique peut être considéré comme une forme accélérée de fluage à haute température, et se produit sensiblement de la même façon que l'emboutissage ou le formage par fluage. Dans le cas d'alliages d'alu15 minium, le formage superplastique est normalement effectué à des températures supérieures à 371 C (700 F), généralement dans l'intervalle d'environ 482 à 538 C (900 à 1000 F) ou à des températures légèrement supérieures. A ces températures, le métal se déforme par fluage et peut être défor20 mé par des opérations de formage à des niveaux de contraintes relativement bas, la contrainte à laquelle le métal commence à se déformer facilement ou à fluer étant dénommée contrainte "d'écoulement". Le formage superplastique est reconnu comme permettant d'obtenir des formes ou des pro25 fils compliqués à partir de métaux en feuille, et offre la perspective de diminution des prix de revient. Par exemple, par des techniques de formage superplastique, il est possible de former à partir d'une seule pièce de métal un élément d'avion fabriqué précédemment par estampage de plu30 sieurs pièces à partir de tôles, suivi d'un assemblage des pièces séparées en une forme plus complexe. Toutefois, les techniques de formage superplastique demandent en soi beaucoup de temps, du fait que, comme tout type de formage par fluage, l'opération "d'écoulement" du métal se déroule re35 lativement lentement en comparaison du formage à la presse à grande vitesse. Il serait possible de réaliser des diminutions substantielles des prix de revient et d'obtenir d'importants avantages si l'on pouvait rendre l'alliage d'aluminium, à former par formage superplastique, apte à

se former plus rapidement à une température donnée ou à être formé par formage superplastique à une température 05 plus basse, ou les deux, sans déchirement ni rupture.

On a emprunté un certain nombre de Voies pour améliorer le formage superplastique. Certaines de ces voies tendent à des modifications de l'opération de formage superplastique, dans le but d'améliorer cette opération ou de 10 simplifier les problèmes qu'elle comporte, en grande partie

par contrôle de l'écoulement du métal au cours de formage.

Des exemples de telles voies sont indiqués dans les brevets US 3 997 369, 4 045 986, 4 181 000 et 4 516 419. Une autre voie est orientée vers le métal à former par formage super15 plastique. Il a été reconnu depuis longtemps que la finesse du grain améliore les opérations de formage, y compris les opérations de formage superplastique. Quelques exemples de tentatives effectuées pour obtenir un grain fin sont indiquées dans les brevets US 3 847 681 et 4 092 181. Une façon 20 d'obtenir des grains fins, qui date déjà des années 1960, comprend l'application d'effets intenses pveant du travail du métal, tel que l'écrouissage d'un alliage d'aluminium, suivie d'un chauffage rapide à la température de recristallisation. Toutefois, malgré les diverses voies empruntées 25 pour améliorer soit l'opération de formage superplastique, soit le produit métallique de départ soumis à l'opération, il reste beaucoup d'amélioration à apporter, et un alliage qui permettrait à l'opération de formage superplastique de

se dérouler plus rapidement ou à une température plus basse 30 est à la fois souhaitable et recherché.

Selon l'invention, l'aptitude au formage superplastique d'alliages d'aluminium est fortement accrue par addition à ceux-ci de quantités faibles mais déterminantes de l'élément scandium, par exemple des quantités allant de 35 0,05 à 10%, de préférence de 0,1 à 5%. Lorsqu'on utilise des additions supérieures à la solubilité maximale à l'état solide (environ 0,4 % en poids pour l'alliage binaire A1-Sc), il est avantageux d'utiliser une forme quelconque de solidification rapide lors de la coulée ou de la solidification de l'alliage, pour éviter une formation de composants intermétalliques sous forme d'indesies de grande 05 taille et inefficaces. Comme on l'explique plus loin, l'addition de scandium est particulièrement avantageuse lorsque l'alliage d'aluminium contient un élément soluble tel que le magnésium. Selon l'invention, on a constaté que des niveaux d'allongement dépassant nettement 1000 % peu10 vent être atteints à des températures aussi basses que 398 C (750 F) et à des vitesses de déformation de 0,01 s'1 (1,0 % par seconde). Ce comportement se traduit par la possibilité d'effectuer en l'espace de quelques minutes ce qui demandait précédemment des heures, et doit être consi15 déré comme remarquable à tous égards, et devant améliorer considérablement le formage superplastique d'alliages d'aluminium. Un tel comportement était recherché dans la technique du formage superplastique de l'aluminium et fait l'objet de recherches considérables financées aussi bien 20 par le gouvernement que par des entreprises privées. Egalement important est le fait que l'addition de scandium n'affecte par ailleurs pas le comportement de l'alliage d'aluminium aux températures d'utilisation plus basses utilisées normalement pour des alliages d'aluminium ap25 pliqués à la construction. Par exemple, comme indiqué dans le brevet US 3 619 181, du scandium peut être inclus dans des alliages d'aluminium pour améliorer les propriétés de résistance mécanique à la température ambiante et à des

températures d'environ 149 C (environ 300 F) et même jus30 qu'à des températures allant jusqu'à 260 C (environ 500 F).

En conséquence, il est très surprenant de constater que cet effet peut pratiquement s'inverser aux températures de formage superplastique, auxquelles l'addition de scandium affaiblit le métal au sens d'une réduction de la con35 trainte d'écoulement, c'est-à-dire la contrainte exercée sur le métal pour qu'il se déforme par fluage dans des

opérations de formage superplastique.

L'invention est illustrée à l'aide des dessins ci-annexés sur lesquels: la Figure 1 est un graphique montrant la variation de l'allongement longitudinal en fonction de la vitesse de 05 déformation réelle; - la Figure 2 est un graphique montrant la variation

du paramètre "M" de sensibilité à la vitesse de déformation, en fonction de la vitesse de déformation réelle.

Dans la mise en pratique de l'invention, la quantité de scandium introduite dans les alliages d'aluminium va d'un minimum d'environ 0,05 % à un maximum aussi élevé que 10 %, ou éventuellement même plus, par exemple jusqu'à 15 %, si l'on utilise des techniques de coulée à solidification rapide, bien que pour des raisons économi15 ques on préfère utiliser un maximum d'environ 5 % de scandium ou moins. Tous les pourcentages de composition donnés sont en poids, et il doit être entendu que l'expression "alliages d'aluminium" désigne des alliages d'aluminium contenant plus de 50 % d'aluminium, par exemple au moins 60 % d'aluminium. Une plage appropriée pour le scandium va

d'environ 0,1 ou 0,2 à environ 0,9 ou 1 % de scandium.

Dans cette plage, les avantages offerts par la présence du scandium sont atteints pour un coût qu'on peut considérer comme très raisonnable, en particulier eu égard à l'impor25 tance des avantages. On préfère une plage d'utilisation

du scandium allant d'environ 0,3 à environ 0,7 %.

En plus du scandium, on préfère que l'alliage d'aluminium contienne un ou plusieurs éléments qui se trouvent en solution solide à la température du formage 30 superplastique et qui, en combinaison avec Sc, abaissent sa contrainte d'écoulement à la température du formage superplastique. En conséquence, l'alliage d'aluminium contient des quantités choisies d'un ou plusieurs des éléments magnésium, silicium, cuivre, argent, germanium, li35 thium, manganèse ou zinc, en une quantité, normalement égale à 0,1 % ou plus, qui fournit au moins une partie

des éléments en solution solide à la température du forma-

ge superplastique, et qui altère la contrainte de fluage du métal à base d'aluminium contenant du scandium à la température du formage superplastique. D'une façon générale, les quantités de ces éléments vont jusqu'à 10 % pour Mg, jusqu'à 2 % pour Si, jusqu'à 10 % pour Ag, jusqu'à 5 % pour Cu, jusqu'à 5 % pour Ge, jusqu'à 5 % pour Li, jusqu'à 1,5 % pour Mn et jusqu'à 10 % pour Zn. Une réalisation préférentielle dans l'état actuel des choses, comprend, parmi ces éléments, du magnésium dans des 10 quantités allant de 1 à 7 ou 8 %, des quantités allant de 2 à 6 % étant considérées comme donnant de bons résultats, et des quantités de Mg allant de 3 à 5 %, de préférence de 3,5 à 4,5 %, donnant des résultats tout à fait

remarquables dans le cadre de l'invention.

En plus des éléments énumérés plus haut, l'alliage à base d'aluminium peut également contenir d'autres éléments tels que Fe, Co, Ni, Zr, des terres rares, ou divers autres éléments associés à l'aluminium et aux alliages d'aluminium, en tant qu'additions voulues ou en 20 tant qu'éléments accidentels ou en tant qu'impuretés, bien que, comme indiqué plus haut, une réalisation préférentielle soit un alliage d'aluminium contenant environ 3 à 5 % de Mg et environ 0,2 à 0,8 % de Sc, en même temps que des éléments accidentels et des impuretés. Des cons25 tituants (composés intermétalliques) ou phases qui sont insolubles à la température du formage superplastique peuvent avoir une influence ou provoquer des défauts lors du formage superplastique. En conséquence, on évite la présence d'éléments en quantités ou dans des combinaisons 30 qui favorisent la formation de constituants intermétalliques à la température du formage superplastique. La quantité d'un tel élément qui est toléré dépend en partie de la vitesse de solidification et du chauffage utilisés dans les opérations précédant le formage superplastique. 35 Par exemple, une solidification extrêmement rapide d'un produit coulé d'environ 0,38 cm (0,150 pouce) d'épaisseur, suivie d'un laminage à froid et d'un chauffage rapide à la température du formage superplastique et d'un formage superplastique assez rapide, permet d'éviter la formation de phases insolubles de taille relativement grande, qui

ont une influence sur le formage superplastique.

Le silicium est un exeiple d'un élément qui peut former des phases insolubles, et dans une réalisation préférée, on préfère limiter la teneur en Si à un

maximum de 0,4 ou 0,45 % ou éventuellement 0,5 %, de préférence à un maximum de 0,25 %, en particulier lorsque du 10 magnésium est présent dans l'alliage. Comme autres exemples d'éléments qui peuvent former des composés et phases intermétalliques qui ont une influence sur le formage superplastique, on peut citer Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ce, les terres rares et les éléments réfractaires tels que Ta, 15 W, Re, Mo et Nb.

Des éléments solubles tels que Zn, Cu et Mg peuvent également former des constituants insolubles si un ou plusieurs de ces éléments sont présents. Par exemple, Cu et Mg peuvent former des constituants intermétal20 liques si ces deux éléments sont présents en quantités

suffisantes et à des températures de transformation favorisant la précipitation.

Un des aspects constatés dans la mise en pratique de certains modes de réalisation de l'invention est 25 la relation qui existe entre la phase scandium-aluminium, que l'on pense être approximativement Al3Sc, et la matrice d'aluminium, du fait que la phase scandium-aluminium apparatt être cohérente avec la phase aluminium, c'est-àdire avoir une structure cristalline très semblable à cel30 le de la phase aluminium, si bien que la phase scandiumaluminium peut être moins marquée ou contrastée par rapport à la matrice d'aluminium que d'autres phases apparaissant dans divers alliages d'aluminium. Comme la phase aluminium-scandium a une structure très semblabie à celle 35 de la matrice d'aluminium, elle est relativement stable aux températures élevées et résiste mieux au grossissement du grain au cours du formage superplastique. La présence de cette phase se révèle empêcher l'apparition de la recristallisation classique au cours du formage superplastique. Telle qu'on l'utilise ici, l'expression "recristallisation classique" désigne le phénomène dans lequel 05 la croissance des cristaux a lieu au voisinage de sites de germination, et dans lequel les cristaux initiaux ou les joints de grains ainsi que les sous-structures de

grains à l'intérieur de ces joints disparaissent pratiquement et sont remplacés par des grains essentiellement 10 mono-cristallins avec de nouveaux joints de grains.

Le métal à formage superplastique amélioré peut être produit selon les méthodes utilisées pour la production d'autres alliages d'aluminium, du fait que, en fonction de la teneur en Sc choisie, l'alliage est facilement coulable en lingot, y compris en lingot mince, par exemple par des techniques de coulée continue ou semi-continue, cette dernière comprenant les diverses techniques de coulée sur courroie transporteuse ou sur un tambour. En général, une teneur en Sc plus élevée laisse supposer une taille de lingot plus faible ou des vitesses de refroidissement plus élevées à la coulée, ou les deux. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, dans lequel on utilise des teneurs en Sc d'environ 0,2 à 0,8 %, une certaine forme de solidifica25 tion modérément rapide est souhaitable pour obtenir la

meilleure distribution possibles des phases contenant Sc.

On préfère, en général, des vitesses de refroidissement de 15 à 20 C (36 F) par seconde ou plus, Une façon de réaliser cette condition est de couler un lingot relative30 ment mince, par exemple ne dépassant pas 10,2 cm (4 pouces) d'épaisseur, et plus précisément d'environ 2,5 ou ,0 cm (1 ou 2 pouces) d'épaisseur. Une teneur en Sc plus élevée correspond de préférence à des vitesses de refroidissement après coulée plus élevées. La vitesse de 35 solidification désirée est liée à la présence de certains autres éléments en plus du Sc. En règle générale, plus la teneur en éléments autres que l'aluminium est élevée, en

particulier en éléments qui forment des phases intermétalliques insolubles à la température du formage superplastique, plus la vitesse désirée de refroidissement après coulée est élevée.

Il est souhaitable de travailler le métal pour détruire la structure de coulée et altérer la texture des grains. En conséquence, le lingot est laminé à chaud puis laminé à froid, bien qu'un alliage coulé en plaque mince, tel qu'un alliage coulé avec une épaisseur de 3;2 mm (1/8 10 de pouce) ou similaire puisse être directement laminé à froid sans passer par le laminage à chaud. Dans la production d'un alliage à base d'aluminium selon l'invention, on préfère que l'alliage soit laminé à un taux de réduction d'au moins 30 %, normalement de 90 % ou plus. On dé15 truit ainsi la structure de coulée et on renforce l'alliage. Le travail peut être fait à une température relativement élevée (288 à 399 C = 550 à 750 F) ou à froid, ou les deux. Le travail peut comprendre le laminage ou l'extrusion, le forgeage ou d'autres opérations de travail. Bien 20 que l'on préfère travailler l'alliage, dans certains cas le produit brut de coulée peut être directement mis en

forme par formage superplastique.

Lorsqu'il est coulé en lingot mince, l'alliage Al-Mg-Sc ne demande pas une haute température de préchauf25 fage avant d'être travaillé. Un chauffage à 288 C (550 F) avant le travail à chaud est approprié. Une technique préférée comprend un travail à chaud à la température la plus basse qui puisse être utilisée sans rupture excessive du produit à travailler. Les alliages Al-Mg-Sc préférés sont 30 considérés comme des alliages pour traitement thermique, et une certaine précipitation de Al 3Sc peut se produire au cours du laminage à chaud. Des quantités plus élevées de Sc ou des quantités plus élevées ou un nombre plus grand d'éléments formant des précipités, rendent encore plus ap35 propriés l'utilisation de températures de travail plus basses et de durées de travail plus courtes à température élevée. Il est souhaitable d'effectuer tout laminage à chaud au-dessus de 288 C (550 F) pour éviter des fissures, mais on préfère que les températures du laminage à chaud n'excèdent pas 427 C (800 F) ou de préférence pas 399 C (750 F), pour éviter une modification ou un grossissement des grains de la phase A13Sc à un degré qui pourrait éventuellement nuire au comportement de déformation superplastique. C'est-à-dire que, bien que la phase Al-Sc soit relativement stable à hautes températures, on considère qu'il est préférable d'éviter de longues durées de séjour à des températures supérieuresà 427 C (800 F) lors de la

fabrication du produit en alliage.

On pense que l'addition de Sc améliore le comportement de déformation superplastique d'alliages tels que l'alliage 7475, qui sont actuellement considérés avoir des propriétés superplastiques. Toutefois, des alliages tels que 7475, dont l'analyse garantie à la vente, telle que définie par l'Aluminium Association, est 5,2 à 6,2 % de Zn, 1,9 à 2,6 % de Mg, 1,2 à 1,9 % de Cu, 0,18 à 0,25 % 20 de Cr, le reste étant constitué d'Al et d'éléments accidentels et d'impuretés, et d'autres, qui comprennent des éléments formant des précipités, sont transformés de préférence par des opérations qui ne favorisent pas la formation de précipités insolubles à la température du forma25 ce superplastique. L'alliage 7475 pourrait être porté à la température du formage superplastique, soit environ 504 à 516 C (940-9600F), puis soumis à un formage à la forme désirée. Comme une température de formage de 510 C

(950 F) est appropriée pour le recuit de mise en solution 30 de cet alliage, celui-ci peut être trempé et vieilli immédiatement après le formage.

D'après ce qui précède, on peut voir que les opérations préférées dans la transformation de la composition d'alliage choisie en un produit mis en forme, com35 prenmnt la coulée à des vitesses de refroidissement élevées ou assez élevées, pour donner un produit de départ à travailler. Le travail, comprenant le chauffage qui y est assnié, est de préférence effectué à des températures basses ou à des températures modérément élevées, par exemple 288 à 399 C ou 427 C (550 à 750 ou 800 F), pour réduire la formation de phases précipitées indésirables. 05 Des températures plus élevées sont moins souhaitables, mais sont utilisables si elles sont appliquées prendant un temps suffisamment court pour éviter la formation de précipités indésirables. Le choix de modes opératoires préférentiels a une plus grande importance, lorsque sont 10 présents dans l'alliage des éléments qui tendent à produire des précipités qui sont insolubles ou s'agglomèrent suffisamment à la température du formage superplastique pour influer sur l'opération de formage superplastique subséquente. La présente invention est illustrée à l'aide

des exemples descriptifs et non limitatifs ci-après.

EXEMPLE I

Afin de démontrer l'amélioration-obtenue selon le procédé de l'invention, des alliages ayant les diver20 ses compositions indiquées dans le Tableau I ont été mis sous la forme de lingots de 2,5 x 15,2 cm (1 x 6 pouces) et 6,4 x 30,5 cm (2 1/2 x 12 pouces) en section transversale, par coulée semi-continue à des vitesses de refroidissement relativement élevées, et ensuite laminés à chaud 25 puis laminés à froid en tôles d'environ 0,25 cm (0,1 pouce) d'épaisseur. L'opération de laminage à chaud à 288 C (550OF) produit une tôle d'environ 0,64 cm (0,25 pouce) d'épaisseur, qui a été laminée à froid à une épaisseur finale de 0,25 cm (0,1 pouce), ce qui représente une réduc30 tion à froid de 60 %. Sans traitement séparé de recuit Ou de recristallisation, on a chauffé la tôle à des températures de 3990C (750 F), dans certains cas, et de 534 C (1000 F) dans d'autres, pour la mesure des propriétés dsuperplasticité. On a mesuré la contrainte d'écoulement et 35 l'allongement à ces deux températures, et les résultats sont donnés dans le Tableau I.

TABLEAU I

Alliage Vitesse de déformation Température Contrainte d'écoulement Allongement s-1 % par seconde C F KSI MPA (%) A1-0,5Sc Al-0O5Sc A1-4Mg A1-4Mg Al-4Mg-0,5Sc A1-4Mg-0.5Sc A1-6Mg-O, 5Sc Al-6Mg-0;5Sc

0,01 0,002 0,01 0,002 O,01 0,002 0,01 0,002

1% 0,2% 1% 0,2% 1% 0,2% 1% 0,2%

399 538 399 538 399 538 399 538

750 1000 750 1000 750 1000 750 1000

7,8 1,5 6,7 1,3 4,6 0,9 4,9 0,9

54 92

157

46 194

9 210

32 >1050

6 > 1050

34 341

6 >1050

F. s-, ré Ln 'o Co D'après le Tableau I, il ressort clairement que l'alliage contenant 4 % de magnésium et 0,5 % de scandium s'est extrêmement bien comporté du fait que l'on a atteint un allongement dépassant 1000 % aussi bien à 538 C (1000 F) 05 qu'à 399 C (750 F), et du fait que le niveau de contrainte d'écoulement à 538 F (1000 F) était seulement de 6 MPa (900 psi), le comportement à 4 % de Mg étant supérieur au comportement à 6 % de Mg dans cet essai particulier. Il faut noter que des éléments tels que Mg, qui sont solubles 10 aux températures de formage superplastique, peuvent être utilisés de façon très avantageuse dans la mise en pratique de l'invention. A 399 C (750 F), le comportement de déformation superplastique de l'échantillon contenant Sc et 4 % de Mg était nettement supérieur à celui de l'allia15 ge contenant Sc et 6 % de Mg, lequel a manifesté un allongement de seulement 341 %, allongement qui, tout en étant remarquable, peut être considéré comme très insuffisant dans certains cas. A 538 C (1000 F) cependant, l'alliage à 6 % de Mg s'est comporté de façon entièrement satisfai20 sante. En conséquence, il est possible d'améliorer le comportement du produit en alliage d'aluminium en fonction de la température du formage superplastique, afin d'optimiser les résultats à la fois en ce qui concerne les conditions du formage superplastique et en ce qui concerne 25 les exigences de l'utilisation projetée. C'est-à-dire qu'au vu du Tableau I, il apparaît au spécialiste que, si l'alliage à 4 % de Mg a un excellent comportement superplastique à 399 C (750 F), l'alliage à 6 % de Mg se comporte aussi bien ou mieux à 538 C (1000 F) et présentent 30 une résistance mécanique supérieure pour une utilisation à la température ambiante. En conséquence, l'invention envisage la possibilité d'ajouter-un élément, tel que Mg ou Cu ou Zn ou Li, en diverses quantités, dans des éprouvettes que l'on essaie (de préférence après laminage à froid) à différentes températures de formage superplastique, et de choisir ensuite la composition et la température de formage superplastiques appropriées selon les données de la présente invention, pour associer un comportement de déformation superplastique optimal, ou au moins excellent, au comportement à l'utilisation. Dans la mise en pratique de l'invention, il s'est révélé que la présen05 ce d'un élément tel que Mg, soluble aux températures du formage superplastique, agit en quelque sorte conjointement avec Sc pour améliorer le comportement au formage superplastique par rapport à un alliage aluminium-scandium

dépourvu d'un tel élément.

EXEMPLE II

Les avantages offerts par l'invention peuvent être illustrés par une comparaison avec un autre matériau à déformation superplastique, tel que le matériau 7475 superplastique. La Figure 1 illustre le comportement super15 plastique par un graphique montrant la variation de l'allongement en fonction de la vitesse de déformation réelle pour l'alliage superplastique 7475 à 516 C (960 F), qui est une température de formage superplastique préférentiel pour l'alliage 7475, et pour le matériau amélioré contenant 4 % de magnésium et 0,5 % de scandium, aux températures de 316 C (600 F), 399 C (750 F), 482 C (900 F) et 538 C (1000 F). L'alliage 7475 superplastique était spécialement traité pour avoir un grain très fin et un comportement superplastique. Le matériau amélioré était 25 fabriqué par laminage à chaud et laminage à froid, un lingot ayant été laminé à chaud et en continu à une épaisseur d'environ 0, 64 cm (1/4 de pouce), puis laminé

à froid à une épaisseur finale de 0,25 cm (0,1 pouce).

Sur la Figure 1, le comportement amélioré est représenté 30 par des traits pleins et le comportement de l'alliage 7475 en pointillé. D'après la Figure 1, il apparaît clairement que toutes les données pour l'alliage amélioré se trouvent du cOté droit de la courbe de l'alliage 7475 superplastique, ce qui indique un comportement supérieur. 35 Aussi bien à 399 C (750 F) qu'à 538 C (1000 F), le matériau amélioré facilite un allongement plus important à

une vitesse de déformation donnée, ou une vitesse de dé-

formation tolérée plus élevée pour un allongement donné.

Les résultats montrent que le métal amélioré présente un allongement aux températures de formage superplastique égal ou supérieur à celui de l'alliage 7475 superplasti05 que, mais qu'il est possible d'utiliser des vitesses de déformation plus élevées pour mettre en forme le métal amélioré. Le métal superplastique amélioré présente un allongement supérieur à celui de l'alliage 7475 superplastique, même lorsque l'alliage amélioré est déformé à une 10 vitesse 25 fois supérieure à la vitesse de déformation utilisée pour l'alliage 7475. En outre, à une vitesse de

déformation de O,01 par seconde (1 % par seconde), le métal superplastique amélioré présente un allongement plusieurs fois supérieur à celui de l'alliage 7475 superplas15 tique. Ceci met en pleine lumière la superplasticité supérieure du métal superplastique amélioré.

A ce propos, il faut rappeller que dans le formage superplastique, on peut parvenir à des diminutions

importantes des prix de revient si la vitesse de déforma20 tion peut être accrue, pour permettre des cadences de fabrication plus élevées. En outre à toute température donnée, l'amélioration permet une vitesse de déformation plus élevée et/ou un allongement superplastique plus important.

L'obtention de tous ces avantages par addition de scandium 25 est, il est vrai, surprenante, en particulier lorsqu'on atteint de telles performances sans étapes complexes de traitement. On pense à présent que le mécanisme de base qui

est responsable du comportement superplastique des maté30 riaux superplastiques améliorés peut être différent du mécanisme intervenant pour d'autres alliages superplastiques.

Il est généralement reconnu ou admis que les alliages qui ont une sensibilité à la vitesse de déformation supérieure à 0,5 doivent être considérés comme des alliages à bon comportement superplastique, tandis qu'il faille s'attendre à ce que ceux ayant une sensibilité à la vitesse de déformation inférieure à 0,5 manifestent un comportement superplastique médiocre. Toutefois, les présents matériaux superplastiques améliorés peuvent manifester une sensibilité à la vitesse de déformation inférieuie à 0,5, ce qui pourrait faire croire, selon le raisonnement classique, quele matériau amélioré n'a pas de bonnes propriétés superplastiques. Cependant, les excellents résultats obtenus avec le métal superplastique amélioré sont certainement en contradiction avec une telle hypothèse, ce qui rend les résultats encore plus étonnants. La Figure 2 est un dia10 gramme montrant la variation du paramètre M de sensibilité à la vitesse de déformation, en fonction de la vitesse de déformation réelle, pour l'alliage Al-4Mg-O,5Sc amélioré, à 316 C (600 F), 399 C (750 F), 482 C (9000F) et 5380C

(1000 F) (traits pleins) et inclut une comparaison avec 15 l'alliage 7475 superplastique à grain fin (en pointillé).

Le paramètre M de sensibilité à la vitesse de déformation est reconnu comme indiquant l'aptitude d'un matériau à la répartition de la déformation au cours du formage. Une meilleure répartition de la déformation (valeur de M plus 20 élevée) retarde la rupture, et il est généralement considéré comme souhaitable d'effectuer le formage superplastique à une vitesse de déformation correspondant à la valeur

de M la plus élevée.

La Figure 2 illustre des données supplémentai25 res permettant de penser que le mécanisme responsable de la superplasticité des matériaux améliorés peut être différent de celui intervenant pour d'autres alliages d'aluminium supeiplastiques tels que l'alliage 7475 à grain fin. Pour les matériaux améliorés, la valeur maximale de 30 la sensibilité à la vitesse de déformation apparaît à une vitesse de déformation qui est supérieure d'un ordre de grandeur à celle de l'alliage 7475 superplastique. En outre, pour les matériaux superplastiques améliorés, la vitesse de déformation à laquelle on constate la sensibi35 lité maximale à la vitesse de déformation ne diminue pas lorsque la température est abaissée de 538 à 3990C (1000 à 750 F), tandis que l'expérience montre une diminution

de ce type pour l'alliage 7475 superplastique.

Un autre aspect de l'amélioration que l'on peut voir sur la Figure 2 est l'aplatissement relatif des courbes. de l'alliage amélioré, par rapport à la courbe à pic très marqué de l'alliage 7475. Cela se traduit par une absence avantageuse de valeur critique de la vitesse de déformation lorsqu'on utilise les matériaux à déformation superplastique par rapport au matériau 7475, dont la courbe présente une très forte pente et s'abaisse rapidement, 10 ce qui indique une sensibilité beaucoup plus élevée à la

vitesse du formage super-plastique. Cette absence de sensibilité du matériau amélioré aux conditions du formage se traduit par la possibilité de mise en forme de pièces plus complexes, plus rapidement et avec un matériel moins coû15 teux.

L'alliage 7475 super plastique utilisé pour la comparaison ci-dessus était spécialement traité pour l'obtention d'un grain très fin, lequel est considéré comme ayant un rapport avec les propriétés de déformation super20 plastique. Non seulement le comportement du matériau amélioré selon l'invention est nettement supérieur à celui de l'alliage 7475, mais ce comportement est réalisé sans traitement spécial d'affinage du grain. La taille de grain de la tôle améliorée était essentiellement la même que cel25 le de l'alliage brut de coulée, mis à part que le laminage avait altéré les formes des grains. Le remarquable comportement au formage superplastique des produits en aluminium améliorés peut ne pas correspondre exactement aux mécanismes qui sont considérés dans la technique comme liés au 30 comportement superplastique. Le mécanisme exact qui est responsable de l'amélioration n'est pas connu, mais il peut être associé à une certaine aptitude des phases dispersoides d'Al3Sc à la régulation du déplacement des joints de grains.

Il doit être bien entendu que la description

qui précède n'a été donnée qu'à titre illustratif et non limitatif et que toutes variantes ou modifications peuvent

y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention, tel que défini dans les revendications ci-après.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de formage superplastique d'alliages d'aluminium, comprenant la mise d'un produit de départ en alliage d'aluminium à la température de formage superplas05 tique et le formage dudit produit à la température de formage superplastique, caractérisé en ce que ledit produit en alliage d'aluminium est constitué par un alliage comprenant plus de 50 % d'aluminium et contenant de 0,05 à 10 % de scandium.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium contient de 0,1 à 5 %

de scandium.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium contient 0,1 % 15 ou plus d'un ou plusieurs éléments qui sont en solution

aux températures du formage super plastique et qui, en combinaison avec le scandium, diminuent la contrainte d'écoulement à la température du formage super plastique.

4. Procédé selon la revendication 3, caractéri20 sé en ce que ledit alliage d'aluminium contient un ou plus des éléments suivants: 0,1 à 10 % de Mg, 0,1 à 2 % de Si, 0,1 à 10 % d'Ag, 0,1 à 5 % de Cu, 0,1 à 5 % de Ge et 0,1 à % de Li.

5. Procédé selon la revendication 1, caractéri25 sé en ce que ledit alliage d'aluminium contient de 0,5 à

% de Mg.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit alliage

d'aluminium contient de 0,1 à 1 % de Sc et de I à 7 % de 30 Mg, et en ce que au moins une proportion substantielle du Mg est en solution solide à la température du formage sup erplastique et, en combinaison avec Sc, diminue la contrainte d'écoulement de l'alliage à la température du formage superplastique,

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit produit en alliage d'aluminium contient de 0,1 à 5 % de Sc et de 1 à

% de Mg, en ce qu'au moins une proportion substantielle du Mg est en solution solide à la température du formage super plastique et, en combinaison avec Sc, diminue la contrainte d'écoulement de l'alliage à la température du formage superplastique, et en oe qe ledit produit de départ est obtenu par coulée, laminage à chaud et laminage à froid dudit alliage, lesdites opérations de laminage à

chaud et de laminage à froid altérant la structure de coulée dudit produit.

8. Procédé selon la revendication 4, caractéri sé en ce que lesdits éléments sont présents en quantités ne produisant pas des précipités insolubles aux temtpératures du formage superplastique, à un degré gênant le formage superplastique, et lesdits éléments sont présents 15 de préférence en quantités o ils sontsubstantiellement

solubles aux températures du formage superplastique.

9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en De que les opérations utilisées pour obtenir le produit de départ pour le formage superplastique sont mises 20 en oeuvre de façon à réduire la transformation desdits éléments en phases insolubles aux températures du formage superplastique, et de préférence: (1) lesdites opérations comprennxt la coulée avec une vitesse de refroidissement d'au moins 20 C (36 F) par 25 seconde, et/ou (2) lesdites opérations comprennent le laminage à

des températures de 288 à 427 C (550 à 800 F).

10. Procédé selon la revendication 1, comprenant: (a) la réalisation dudit produit de départ en alliage d'aluminium en un alliage comprenant plus de 50 % d'aluminium et contenant de 0,05 à 10 % de scandium et de 0, 5 à 15 % de magnésium; (b) la coulée dudit alliage avec une vitesse de re35 froidissement d'au moins 20 C (360F) par seconde; (c) le laminage à chaud dudit alliage à des températures ne dépassant pas 427 C (800 F); et (d) le laminage à froid dudit alliage à une réduction à froid d'au moins 30 %; pour obtenir ledit produit de départ en alliage d'aluminium pour formage super-plastique, ledit alliage d'alumi05 nium contenant de préférence de 0,1 à 1 %.de Sc et de 1 à 7 % de Mg, et au moins une proportion substantielle du Mg étant en solution solide à la température du formage superplastique et, en combinaison avec Sc, diminuant la contrainte d'écoulement de l'alliage à la température de 10 formage superplastique, ou ledit laminage à chaud étant effectué de préférence à des températures de 288 à 427 C

(550 a 800 F).