FR2645546A1 - Alliage a base d'al a haut module et a resistance mecanique elevee et procede d'obtention - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne des alliages à base d'Al de la série 7000 possédant un module élevé (E >= 74 GPa), une résistance mécanique élevée (R0 , 2 >= 530 MPa dans le sens long), une bonne ténacité (KIC, sens long > 20 MPa 2Root m), et une bonne résistance à la corrosion sous tension (O >= 250 MPa dans le sens travers court, durée de vie >= 30 jours - norme ASTM G 38-73). L'alliage suivant l'invention répond à la composition pondérale suivante : de 5,5 à 8,45 % de Zr; de 2 à 3,5 % Mg; de 0,5 à 2,5 % Cu; jusqu'à 0,5 % Fe; jusqu'à 0,5 % Si; autres éléments =< 0,05 % chacun; et jusqu'à 0,15 % au total;avec : 0,1 =< Zr =< 0,5 %; 0,3 =< Cr =< 0,6 %; 0,3 =< Mn =< 1,1 %. Il est de préférence élaboré par le procédé suivant : a) on forme par pulvérisation-dépôt un corps massif ayant la composition revendiquée ci-dessus; b) on transforme ce corps en un produit ouvré, entre 300 et 450 degre(s)C et puis éventuellement à froid; c) on traite thermiquement le produit ouvré par une mise en solution, trempe et revenu en un état T6 ou T7.
Description
ALLIAGES A BASE D'Al A HAUT MODULE
ET A RESISTANCE MECANIQUE ELEVEE,
ET PROCEDE D'OBTENTION
L'invention concerne des alliages à base d'Al de la série 7000, suivant la nomenclature d'Aluminium Association (AA), possédant un module d'Young élevé et des caractéristiques mécaniques de résistance et de ténacité
élevées ainsi que leur procédé d'obtention.
Les alliages d'Aluminium de la série 7000 parmi les plus résistants possèdent généralement un module d'Young E de l'ordre de 70 GPa mais
ne dépassant pas 72-73 GPa.
Cependant en vue d'alléger les structures, en particulier dans les domaines aéronautiques et spatiaux, la nécessité d'alliages légers à module d'Young plus élevé (E > 74 GPa) et résistance élevée (R0,2 > 530 MPa dans le sens long) se fait sentir, ces caractéristiques devant être atteintes sans préjudice notable sur d'autres propriétés d'emploi telles que la ténacité (KIC, sens long > 20 MPa r'm) ou la résistance à la corrosion sous tension (seuil de non rupture à 30 jours > 250
MPa dans le sens travers court et dans le milieu d'essai considéré).
Certes on connaît des alliages à base d'Al contenant du Li dont le
module élastique et les caractéristiques mécaniques sont élevées. Cepen-
dant ceux-ci posent des problèmes d'élaboration complexes, étant donné la réactivité du Li et ceci impose donc des installations d'élaboration et de coulée spéciales et coûteuses. Les alliages selon l'invention peuvent être élaborés à l'aide des installations classiques, connues
dans la métallurgie des alliages d'Al courants. De plus les caractéristi-
ques mécaniques de résistance des Al-Li sont généralement inférieures
à celles des alliages 7000.
Des alliages de type 7000 beaucoup plus chargés en éléments d'alliages
et obtenus par métallurgie des poudres possèdent de hautes carcatéristi-
ques mécaniques, une bonne résistance à la corrosion sous tension mais
un module inférieur à 74 GPa.
L'invention concerne donc les alliages de composition pondérale suivante (en %)
- 2 -2645546
Zn: 5,5 - 8,45 Mg: 2,0 - 3,5 Cu: 0,5 - 2,5 Zr: 0,1 - 0,5 Cr: 0,3 - 0,8 Mn: 0,3 - 1,1 Fe: jusqu'à 0,5 Si: jusqu'à 0,5 autres chacun < 0,05 éléments total < 0,15 Reste Ai Une composition préférentielle est la suivante: Zn: 7,0 - 8,4 Mg: 2,0 - 2,9 Cu: 0,8 - 2,0 Zr: - 0,1 - 0,4 Cr: 0, 3 - 0,6 Mn: 0,3 - 0,9
le reste étant identique aux compositions ci-dessus.
Un procédé d'obtention consiste: 1- à former par pulvérisation-dépôt un corps massif ayant une composition
rentrant dans les limites indiquées ci-dessus.
2- à transformer à chaud ce corps en un produit ouvré entre 300 et
450QC, et puis éventuellement à froid.
3- à le traiter thermiquement par mise en solution, trempe et revenu,
en un état T6 ou, de préférence, T7 suivant la nomenclature de 1'AA.
Par pulvérisation-dépôt, on entend un procédé dans lequel le métal est fondu, atomisé par un jet de gaz à haute pression sous forme de fines gouttelettes liquides qui sont ensuite dirigées et -agglomérées
sur un substrat de manière à former un dépôt massif et cohérent, conte-
nant une faible porosité fermée. Ce dépôt peut se présenter sous la
forme de billettes, tubes ou plaques dont la géométrie est contrôlée.
-3- 2645546
Une technique de ce type est désignée sous le nom de "Spray Deposition"
par les anglo-saxons et est également dénommée "procédé OSPREY".
Ce dernier procédé est principalement décrit dans les demandes de brevets
(ou brevets) suivants: GB-B-1379261; GB-B-1472939; GB-B-1548616; GB-B-
1599392; GB-A-2172827; EP-A-225080; EP-A-225732; WO-A-87-03012.
L'étape de transformation à chaud peut être précédée d'un traitement d'homogénéisation du corps massif, en un ou plusieurs paliers, compris entre les températures de 450 et 5200C, généralement comprise entre
2 et 50 heures.
Le produit ainsi obtenu répond aux caractéristiques visées mentionnées
plus haut.
On attribue ces propriétés à une fine dispersion de phases type (A1, Mn, Cr) et A13Zr - due à la combinaison de la composition de l'alliage et à son procédé d'obtention; cette structure permet d'atteindre, entre
autres une bonne ductilité, ténacité et une limite élastique élevée.
La mise en solution est en général effectuée entre 450 et 520 C et le traitement type T6 entre 90 et 150eC, pendant une durée suffisante
pour obtenir sensiblement le pic de dureté (de 2 à 25 heures).
Le traitement T7 consiste en un traitement type T6 complété par un revenu à plus haute température par exemple entre 150 et 170 C, pendant
0,5 à 20 heures.
L'invention est également applicable aux matériaux composites durcis par particules céramiques dispersées du type oxydes, carbures, nitrures, siliciures, borures, etc- introduits dans l'alliage selon l'invention, qui en constitue la matrice, lors de l'opération 1, par exemple par
injection de la poudre dans le flux liquide.
Ces particules ont une taille comprise entre 1 et 50 pm et représentent
(par rapport au métal) une fraction volumique comprise entre 3 et 12%.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des essais suivants: les allia-
ges n" 1 à 4 sont conformes à l'invention, les alliages 5 et 6 sont hors l'invention et l'alliage 7 est un alliage classique (7075) de l'art antérieur pour comparaison; celui-ci a été coulé en semi-continu et transformé à chaud et traité thermiquement comme les autres alliages; la figure 1 représente les caractéristiques mécaniques E et R0,2 des
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alliages essayés, la.figure 2 les caractéristiques de ténacité en fonc-
tion de R0,2 et la figure 3 les caractéristiques de corrosion sous
tension en fonction de R0,2.
EXEMPLE
Différents alliages repérés 1 à 6 dont les compositions pondérales
(en %)sont reportées au Tableau 1 ont été fondus et élaborés par pulvérisa-
tion-dépôt (procédé OSPREY) sous forme de billettes - température de coulée: 750 C - distance atomiseur-dépôt: 600 mm, maintenue sensiblement constante pendant l'essai - collecteur en acier inoxydable animé d'un mouvement de rotation
- oscillation de l'atomiseur par rapport à l'axe de rotation du colle-
cteur
- débit gaz/débit métal de 2 à 3 m3/kg.
Après écroutage à ' 140 mm, les billettes sont homogénéisées pendant
8 heures à la température de 460 C.
Les ébauches sont ensuite filées à chaud à 400 C dans une presse dont le conteneur à un diamètre de 143 mm sous forme de méplats de section
x 22 mm, soit un rapport de filage de 14,6.
Les méplats ainsi obtenus subissent un traitement thermique de type T7 dans les conditions suivantes:
- mise en solution 2 heures à une température comprise entre 460 et-
485 C
- trempe à l'eau froide - revenu bipalier: 24 heures à 120 C + 1 à 20 heures entre 155 et 170 C
Les propriétés mécaniques obtenues sont reportées au Tableau 2.
Les alliages 1 à 4 sont dans le domaine revendiqué et présentent un module > 74 GPa et une limite élastique sens long > 530 MPa tout en ayant une bonne ductilité sens long (> 8%) et travers long (> 6%),
une ténacité sens L-T d'au moins 20 MPa m et une bonne tenue en corr-
osion sous tension (mesurée suivant norme ASTM G 38 73).
L'alliage 5 est hors de l'invention du fait de sa teneur en Cr et Mn trop élevée, et bien qu'ayant un haut module et limite élastique, il
est très peu ductile et est inutilisable pour la fat.ication de pièces.
-5- L'alliage 6 est également hors de l'invention du fait de sa teneur en Cr et Mn trop basse,ne présente pas les avantages des alliages selon l'invention, a un faible module et limite élastique et ne se distingue
donc pas des alliages classiques comme le 7075.
On a reporté à titre de comparaison la composition et les propriétés d'un alliage classique 7075 coulé classiquement puis transformé et
traité thermiquement suivant la même gamme que les alliages 1 à 6.
On constate que le module et la limite élastique de cet alliage sont
nettement plus faibles que pour les alliages de l'invention.
- 6 - 2645546
TABLEAU - COMPOSrITON DES ALLAGES TESTES Alliage Zn Mg Cu Cr Mn Zr Fe Si Reste 1 7,8 2,3 1,4 0,35 0,85 0,16 <0, <qo,1 Al
2 8,0 2,4 1,35 0,45 0,50 0,17 <0,1 <0,1 AI
3 6,5 2,2 1,5 0,50 0,60 0,20 <0,1 <0,1 A1
5.4 7,0 2,3 1,4 0,35 0,40 0,18 <0,1 <0,1 AI
7,5 2,2 1,35 0,9 1,2 0,25 <0,I <0,1 AI
6 6,0 2,2 1,5 0,15 0,18 0,12 <0, 1 <0,1 AI -
classique5,5 2,3 1,6 0,23 - - <0,05 <0,04 AI TABLEAU 2 - PROPRTETES DES ALLIAGES TESTES (état 17) TinacitéCorrosion' Ala Traction sens long Traction sens rravers long Module Ténacié Ous Icsion sens L-T:non rupture Alge RO,2 Rm A RO,2 Rm A (GPa) MPa 30j) (MPa) (MPa) A (Mpa) (MPa) ________P\m Pa
1 580 620 9,0 550 590 7,0 76 22,5 310
2 590 630 8,5 560 595 6.5 75,5 21,8 310
3. 535 600 12,0 520 570 9,2 76,4 30,8 310
4 575 610 10,0 550 580 8,5 74,5 35,2 280
582 612 3,0 540 555 1,5 78,2 12,0 240
6 520 550 13,1 500 525 8,2 72,5 35,9 310
470 536 14;5 428 501 14,2 72,0 45,0 310
1classitlur *Effort dans le sens long, propagation de la fissure dans le sens travers
**Essais dans le sens travers court selon ASTM G38 72.
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Les alliages selon l'invention sont principalement destinés A la fabrica-
tion de profilés ou de pièces de structures forgées ou matricées.
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Claims (9)
1. Alliage à base d'Aluminium, contenant de 5,5 à 8,45% (en poids) de Zn, de 2 à 3,5% de Mg, de 0,5 à 2,5% Cu, jusqu'à 0,5% Fe, jusqu'à 0,5% Si, autres éléments: < 0,05% chacun et jusqu'à 0,15% au total, caractérisé en ce qu'il contient aussi de 0,1 à 0,5% de Zr, de 0,3 à 0,6% de Cr,
et de 0,3 à 1,1% Mn.
2. Alliage à base d'Aluminium contenant de 7,0 à 8,45% (en poids) de Zn, de 2 à 2,5% de Mg, de 0,8 à 2,0% de Cu, jusqu'à 0,5% Fe, jusqu'à 0,5% Si, autres éléments: < 0,05% chacun et jusqu'à 0,15% au total caractérisé en ce qu'il contient, aussi de 0,1 à 0,4% Zr de 0,3 à 0,6% Cu et de 0,3 à 0, 9% Mn
3. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce
qu'il contient une dispersion homogène de particules céramiques dont la taille est comprise entre 1 et 50 um et de fraction volumique
(relative au métal) comprise entre 3 et 12%.
4. Procédé d'obtention d'un alliage selon l'une des revendications
1 à 3 caractérisé en ce qu'
a) on forme par pulvérisation-dépôt un corps massif ayant la composi-
tion revendiqué ci-dessus, b) on transforme ce corps en un produit ouvré, entre 300 et 4500C et puis éventuellement à froid c) on traite thermiquement le produit ouvré par une mise en solution,
trempe et revenu en un état T6 ou T7.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que, entre les étapes a et b, le corps est homogénéisé entre 450 et 520 C pendant
une durée comprise entre 2 et 50 heures.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 à 5 caractérisé en ce-que
la mise en solution a lieu entre 440 et 520 C.
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7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que
le revenu est effectué entre 90 et 1500C pendant 2 à 25 heures.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ce revenu est complété par un 2ème revenu à plus haute température entre 150
et 170eC pendant une durée comprise entre 0,5 et 20 heures.
9. Produit corroyé de composition conforme à l'une des revendications
1 à 3 caractérisé en ce qu'il possède les propriétés mécaniques suivantes: E (module d'Young) > 74 GPa R0,2 (limite élastique, sens long) > 530 MPa KIC (sens long > 20 MPa m Résistance à la corrosion sous tension (30 jours) dans le sens sens travers court '-> 250 MPa
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