FR2853666A1 - ALLIAGE Al-Zn A HAUTE RESISTANCE,PROCEDE DE PRODUCTION DE PRODUITS EN UN TEL ALLIAGE, ET PRODUITS OBTENUS SELON CE PROCEDE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un alliage Al-Zn à haute résistance, présentant une combinaison améliorée de propriétés de résistance à la corrosion et de ténacité, lequel alliage contient essentiellement, en pourcentages pondéraux, 6,0 à 9,5 % de zinc, 1,3 à 2,4 % de cuivre, 1,5 à 2,6 % de magnésium, et moins de 0,20 %, de préférence de 0,05 à 0,15 %, de zirconium. Les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] y respectent les inégalités suivantes : 0,1 [Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,2[Cu] + 2,15, et de préférence : 0,2[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,1 [Cu] + 2,15.L'invention concerne également un procédé de production de produits en un tel alliage, ainsi que des produits de type plaque mince, obtenus selon ce procédé et utilisables dans l'industrie aéronautique, en particulier comme éléments d'extrados dans une aile d'avion.
Description
Alliage AI-Zn à haute résistance,
procédé de production de produits en un tel alliage, et produits obtenus selon ce procédé La présente invention concerne un alliage Al-Zn corroyé à haute résistance, présentant une combinaison améliorée de propriétés de ténacité et de résistance à la corrosion, ainsi qu'un procédé d'élaboration d'un tel alliage Al-Zn corroyé à haute résistance, présentant une combinaison 5 améliorée de propriétés de ténacité et de résistance à la corrosion, et un produit de type plaque en un tel alliage, éventuellement produit selon un tel procédé. Plus précisément, cette invention concerne un alliage AI-Zn corroyé à haute résistance de la série 7000 de la nomenclature internationale de l'Aluminium Association, destiné à être employé dans des struc10 tures en aéronautique.
Dans la technique, on sait que des alliages d'aluminium pouvant subir un traitement thermique sont employés dans de nombreuses applications nécessitant une résistance mécanique relativement élevée, une forte 15 ténacité et une grande résistance à la corrosion, comme les fuselages d'avion, les éléments de véhicules et autres applications. Les alliages d'aluminium AA7050 et AA7150 présentent une forte résistance mécanique dans les états de traitement thermique de type T6, voir par exemple le brevet US n0 6 315 842. Les produits en alliages AA7x75 etAA7x55 durcis 20 par précipitation présentent eux aussi une forte résistance mécanique dans l'état de traitement thermique T6 (revenu). On sait que dans cet état T6, la résistance mécanique de l'alliage est renforcée; on sait par exemple que chez les produits en alliages AA7x5O, AA7x75 et AA7x55 mentionnés cidessus, dont les teneurs en zinc, en cuivre et en magnésium sont élevées, 25 les valeurs du rapport résistance/poids sont élevées, et ces produits sont donc employés en particulier dans l'industrie aéronautique. Mais ces utilisations ont pour résultat que ces alliages sont exposés à des conditions climatiques très diverses, ce qui exige que l'on maîtrise soigneusement les conditions de fabrication et de revenu de ces alliages pour leur conférer 5 une résistance mécanique appropriée et une résistance adéquate à la corrosion, y compris la corrosion sous contrainte et la corrosion exfoliante (ou corrosion feuilletante).
Pour renforcer la résistance à la corrosion sous contrainte et à la corrosion exfoliante ainsi que la ténacité à la rupture, on sait que l'on peut 10 faire artificiellement mûrir ces alliages des séries AA7000. Lorsqu'on les fait mûrir artificiellement jusqu'à l'un des états de surrevenu de type T79, T76, T74 ou T73, leurs résistances à la corrosion sous contrainte et à la corrosion feuilletante, ainsi que leur ténacité à la rupture, sont améliorées dans l'ordre indiqué (l'état T73 étant le meilleur, et l'état T79 étant proche 15 de l'état T6) par rapport à ce qu'elles sont dans l'état de revenu T6, mais c'est aux dépens de la résistance mécanique. L'état T74, un état de sur-revenu limité, intermédiaire entre les états T73 et T76, représente un état de traitement thermique approprié pour qu'on atteigne des niveaux acceptables de résistance à la traction, de résistance à la corrosion sous contrain20 te, de résistance à la corrosion feuilletante et de ténacité à la rupture. On obtient un tel état T74 en faisant subir à un produit en alliage d'aluminium un traitement de sur-revenu de 6 à 24 heures à 121 'C et d'à peu près 14 heures à 171 OC.
En fonction des critères imposés dans la conception d'une pièce 25 d'avion particulière, même des améliorations de faible ampleur concernant la résistance mécanique, la ténacité et la résistance à la corrosion entraînent des économies de poids qui se traduisent par des économies de carburant durant toute la période de service de l'avion. Pour répondre à ces exigences, on a mis au point plusieurs autres alliages des séries 7000. 30 Dans le document EP-0 377 779, on a divulgué un procédé amélioré de production d'un alliage 7055 destiné à la fabrication de feuilles ou de plaques minces pour le domaine aéronautique, comme des éléments d'extrados, dotées d'une forte ténacité et de bonnes propriétés de résistance à la corrosion, lequel procédé comporte les étapes consistant à fabri35 quer un corps contenant, en pourcentages pondéraux, 7,6 à 8,4 % de zinc, 2,2 à 2,6 % de cuivre, 1,8 à 2,1 % de magnésium, et un ou plusieurs des éléments suivants: 0,5 à 0,2 % de zirconium, 0,05 à 0,4 % de manganèse, 0, 03 à 0,2 % de vanadium et 0,03 à 0,5 % de hafnium, le pourcentage pondérai total de ces derniers éléments ne dépassant 0,6 %, et le complément étant 5 constitué par l'aluminium et les impuretés accidentelles, à faire subir au produit obtenu un traitement thermique de mise en solution et une trempe, puis une maturation artificielle qu'on opère soit en chauffant le produit trois fois de suite à une ou plusieurs températures valant de 79 à 163 OC, soit en chauffant le produit d'abord à une ou plusieurs températures valant 10 de 79 à 141'C pendant deux heures ou plus, soit en chauffant le produit à une ou plusieurs températures valant de 148 à 174 'C. Ces produits présentent une résistance améliorée à la corrosion feuilletante, correspondant à la note d'évaluation EB ou à mieux, ainsi qu'une limite d'élasticité supérieure d'environ 15 % à celle de produits équivalents de dimensions simi15 laires en alliages AA7x5O dans l'état T76. Ils présentent encore une résistance mécanique supérieure d'au moins environ 5 % à celle de produits équivalents de dimensions similaires en alliages AA7x5O dans l'état T77 (c'est l'alliage AA7150-T77 qui sert d'alliage de référence dans ce mémoire).
Dans le document US-5 312 498, on a divulgué un autre procédé 20 de fabrication d'un produit en alliage à base d'aluminium qui présente une résistance améliorée à la corrosion feuilletante et une ténacité à la rupture améliorée, dans lequel alliage les teneurs en zinc, en cuivre et en magnésium sont équilibrées de telle façon qu'il n'y a pas d'excès de cuivre ni de magnésium. Dans ce procédé, on opère un revenu en un palier ou en deux 25 paliers, ceci étant joint au fait qu'on équilibre les quantités de cuivre, de zinc et de magnésium. On divulgue un revenu opéré en deux paliers successifs, l'alliage subissant un premier palier d'environ 9 heures de revenu vers 121 'C, suivi d'un deuxième palier d'environ 10 à 16 heures de revenu vers 157 'C, puis d'un refroidissement à l'air. Ce procédé de revenu con30 cerne des produits de type feuille ou plaque mince, employés pour fabriquer des intrados et dans des applications de type revêtement, notamment revêtement de fuselage.
Dans le document US-4 954 188, on a divulgué un procédé de fabrication d'un produit en alliage d'aluminium à haute résistance, caracté35 risé par une résistance améliorée à la corrosion feuilletante, lequel alliage contient, en pourcentages pondéraux, 5,9 à 8,2 % de zinc, 1,5 à 3,0 % de cuivre, 1,5 à 4,0 % de magnésium, et moins de 0,04 % de chrome, ainsi que d'autres éléments tels que zirconium, manganèse, fer, silicium et titane, en une proportion totale inférieure à 0,5 %, le complément étant constitué 5 par l'aluminium. Selon ce procédé, on façonne l'alliage pour en faire une pièce de forme prédéfinie, que l'on soumet à un traitement thermique de mise en solution, puis à une trempe, et l'on fait revenir le produit ainsi obtenu pendant 6 à 30 heures à une température de 132 à 140 'C. C'est en abaissant la température de revenu, plutôt qu'en l'élevant comme on l'en10 seignait auparavant, par exemple dans les documents US-3 881 966 et US3 794 531, que l'on parvient à conférer à cet alliage les propriétés voulues, à savoir une forte résistance mécanique, une haute ténacité et une grande résistance à la corrosion.
On a signalé que les alliages d'aluminium connus, durcis par pré15 cipitation, de la série AA7075 et d'autres alliages des séries AA7000, dans l'état de traitement thermique T6 (revenu), ne peuvent pas, dans certaines conditions, acquérir une résistance suffisante à la corrosion. Les traitements thermiques de type T7, qui améliorent la résistance des alliages à la fissuration par corrosion sous contrainte, font par contre baisser signifi20 cativement la résistance mécanique, par rapport à celle qu'on obtient dans l'état T6.
On a donc divulgué, dans le document US-5 221 377, un produit en un alliage contenant essentiellement, en pourcentages pondéraux, à peu près 7,6 à 8,4 % de zinc, à peu près 1,8 à 2,2 % de magnésium et à peu 25 près 2,0 à 2,6 % de cuivre. Ce produit en alliage présente une limite d'élasticité supérieure d'environ 10 % à celle de son équivalent 7x50-T6, ainsi qu'une ténacité satisfaisante et une bonne résistance à la corrosion. Il est dit que la limite d'élasticité vaut plus de 579 MPa, et que la résistance à la corrosion feuilletante correspond à la note d'évaluation EC ou à mieux. 30 Dans le document US-5 496 426, on a divulgué un alliage du type décrit dans le document US-5 221 377, ainsi qu'un procédé comportant des opérations de laminage à chaud, recuit et laminage à froid, avec de préférence un taux de réduction à froid de 20 à 70 %, ce laminage à froid étant à son tour de préférence suivi d'une étape de recuit maîtrisé, grâce à 35 quoi l'alliage obtenu présente des caractéristiques meilleures que celles de l'alliage AA7075-T6. Alors que cet alliage AA7075-T6 ne passe pas avec succès le test de résistance à la corrosion sous contrainte (40 jours d'immersion-émersion alternée dans une solution à 3,5 % de chlorure de sodium) à 138 MPa, l'alliage obtenu par le procédé divulgué résiste bien à la corrosion sous contrainte jusqu'à 241 MPa.
Dans les documents US-5 108 520 et US-4 477 292, on a divulgué un procédé de revenu d'un alliage métallique durcissant par précipitation qui a subi un traitement thermique de mise en solution, lequel procédé comprend trois paliers de revenu: premièrement, revenu de l'alliage à une 10 ou plusieurs températures sensiblement supérieures à la température ambiante, mais inférieures à 163 'C, pour abaisser sensiblement la limite maximale d'élasticité ; deuxièmement, revenu de l'alliage à une ou plusieurs températures d'à peu près 190 'C, pour renforcer la résistance de l'alliage à la corrosion; et troisièmement, revenu de l'alliage à une ou plu15 sieurs températures sensiblement supérieures à la température ambiante, mais inférieures à environ 163 'C, pour augmenter la limite d'élasticité.
Le produit ainsi obtenu présente de bonnes propriétés de résistance mécanique et offre de bonnes performances de résistance à la corrosion. Mais ce mode opératoire de revenu en trois paliers est lourd et difficile à mettre en 20 oeuvre, si bien que les coûts de production d'un tel alliage sont élevés.
Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de proposer un alliage AI-Zn amélioré, destiné de préférence à des produits plats, doté d'une haute résistance et présentant un meilleur équilibre des pro25 priétés de ténacité et de résistance à la corrosion. Plus précisément, l'un des buts de cette invention est de proposer un alliage dont on puisse se servir pour fabriquer des extrados en aéronautique et qui présente une limite d'élasticité en compression améliorée, jointe à des propriétés plus satisfaisantes que celles d'un alliage AA7055 dans l'état T77 de traitement ther30 mique.
Un autre but de l'invention est d'obtenir un alliage d'aluminium de la série AA7000 qui présente une résistance mécanique satisfaisante dans la gamme des états de type T6, et des propriétés satisfaisantes de ténacité et de résistance à la corrosion dans la gamme des états de type T73.
Un autre but de la présente invention est de proposer un alliage dont on puisse se servir dans un procédé de mise en forme avec revenu au pas, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire de lui faire subir un procédé lourd ou compliqué de revenu.
Dans ce qui suit, sauf indication contraire, les appellations des alliages et des états de traitement thermique sont les appellations "Aluminium Association" indiquées dans les "Aluminium Standards and Data" et les "Registration Records", publiés par la "US Aluminium Association". 10 Sauf indication contraire, tous les pourcentages sont des pourcentages pondéraux.
On réalise les buts de l'invention, mentionnés ci-dessus, grâce à un alliage Al-Zn corroyé à haute résistance, présentant une combinaison 15 améliorée de propriétés de résistance à la corrosion et de ténacité, lequel alliage contient essentiellement, en pourcentages pondéraux 6,0 à 9,5 % de zinc, 1,3 à 2,4 % de cuivre, 1,5 à 2,6 % de magnésium, moins de 0,12 % de manganèse, moins de 0,20 %, de préférence de 0,05 à 0,15 %, de zirconium, moins de 0,10 % de chrome, moins de 0,25 %, de préférence moins de 0,12 %? de fer, moins de 0,25 %, de préférence moins de 0,12 %, de silicium, 25 moins de 0,10 % de titane, moins de 0,25 % de hafnium et/ou de vanadium, éventuellement, moins de 0,20 %, en particulier de 0,05 à 0,15 %, de cérium et/ou de scandium, et d'autres éléments, chacun en une proportion inférieure à 0,05 %, 30 et en une proportion totale inférieure à 0,25 %, et le complément étant de l'aluminium, les pourcentages pondéraux de cuivre [Cul et de magnésium [Mg] respectant les inégalités suivantes: 0,1 [Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,2[Cu] + 2,15 et de préférence les suivantes: 0,2[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,1[Cu] + 2,15 Un alliage de la série AA7000 dont la composition chimique se 5 trouve dans le domaine indiqué ci-dessus présente d'excellentes caractéristiques quand il se retrouve sous forme des minces produits plats qu'on emploie de préférence en aéronautique pour fabriquer les éléments d'extrados d'une aile d'avion.
Un alliage dont la composition chimique est telle que définie ci10 dessus présentent des caractéristiques qui sont comparables ou supérieures à celles des alliages existants des séries AA7x5O et AA7x55 dans l'état T77 de traitement thermique, sans nécessiter les cycles lourds et compliqués de revenu à l'état T77 décrits plus haut. Cette composition chimique mène à un produit en alliage d'aluminium qui est non seulement plus avan15 tageux en termes de coût de production, mais encore plus simple à produire puisqu'il nécessite moins d'étapes de traitement. En outre, cette composition chimique permet de recourir à de nouvelles techniques de fabrication comme la mise en forme avec revenu au pas, qui n'est pas applicable à un alliage qui se trouve dans l'état T77. Mieux encore, un alliage présen20 tant la composition chimique indiquée ci-dessus peut subir un traitement de revenu qui l'amène dans l'état T77, et la résistance à la corrosion en est alors encore améliorée par rapport à celle qu'on obtient par le procédé de revenu en deux paliers, ce que l'on décrit plus loin dans ce document. C'est en particulier la résistance à la corrosion feuilletante qui se retrouve ren25 forcée.
Dans la présente invention, on a découvert qu'un alliage d'aluminium dans lequel certains éléments se trouvent en des proportions situées dans une gamme bien choisie, c'est-à-dire dont la teneur en zinc est relativement élevée et dont les teneurs en magnésium et en cuivre sont liées par 30 une relation particulière, présente une combinaison nettement meilleure des propriétés de résistance mécanique, ténacité et performances en corrosion, telles que résistance à la corrosion feuilletante et résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.
On a rapporté que, pour améliorer la résistance à la corrosion 35 feuilletante et la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, il faudrait conserver une teneur en cuivre relativement élevée, de préférence supérieure à environ 2,2 % en poids, mais d'autre part, on a signalé qu'avec des teneurs en zinc relativement basses, on parvient à obtenir de meilleures combinaisons de résistance mécanique et masse volumique. 5 Toutefois, selon la présente invention, on a découvert que, si la teneur en zinc est élevée et si en même temps les teneurs en cuivre et en magnésium respectent une relation optimisée, on obtient une meilleure résistance mécanique tout en conservant de bonnes performances en corrosion et une ténacité meilleure que celle des alliages classiques dans 10 l'état T77 de traitement thermique. Il est par conséquent avantageux que le total des teneurs en zinc, magnésium et cuivre vaille à peu près de 1i1,50 à 12,50 % en poids en l'absence de manganèse, ou moins de 1 1,00 % en poids en présence de manganèse, lequel se trouve de préférence en une proportion de 0,06 à 0,12 % en poids.
Il est préférable que la teneur en magnésium, en pourcentages pondéraux, se situe dans l'intervalle défini par les inégalités suivantes 0,2[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,1[Cu] + 2,15 et mieux encore, par les suivantes: 0,2[Cu] + 1,4 < [Mg] < 0,1 [Cu] + 1,9 20 La teneur en cuivre vaut de 1,5 à 2,1 %, et de préférence de 1,5 % à moins de 2,0 %. L'équilibre entre le magnésium et le cuivre est important dans la composition chimique de l'alliage de l'invention.
Le cuivre et le magnésium sont des éléments importants qui conferent à l'alliage une certaine résistance mécanique. Si les teneurs en 25 cuivre et en magnésium sont trop faibles, la résistance mécanique diminue, et si elles sont trop fortes, les performances en corrosion baissent et des problèmes se posent concernant la soudabilité du produit en alliage.
Alors que selon la technique antérieure, on emploie le cuivre et le magnésium en faibles proportions, pour obtenir de bonnes performances en cor30 rosion, et l'on a recours à des procédés spéciaux de revenu pour améliorer la résistance mécanique, on a trouvé, en cherchant un compromis entre résistance mécanique, ténacité et performances en corrosion, que des teneurs en cuivre et en magnésium valant à peu près de 1,5 à 2,3 % en poids conferent à des produits en alliage épais un bon équilibre de ces caracté35 ristiques. Mais pour des produits en alliage minces, ce sont les performan- ces en corrosion qui constituent le point essentiel, si bien qu'il est impératif d'employer moins de cuivre et de magnésium, ce qui entraîne une baisse de la résistance mécanique. Mais en tout point de la gamme des compositions chimiques d'alliage de la présente invention, on peut maintenant 5 obtenir des valeurs de résistance mécanique caractéristiques d'un alliage dans un état de revenu T6, tout en conservant des performances en corrosion similaires à celles des alliages dans l'état T74.
En plus de ces valeurs particulières des teneurs en magnésium et en cuivre, il y a, dans un alliage de la présente invention, un certain équili10 bre entre les teneurs en magnésium et en cuivre et la teneur en zinc, en particulier entre la teneur en magnésium et la teneur en zinc, qui confère à l'alliage ses performances caractéristiques. Un alliage de l'invention présente une résistance améliorée à la corrosion, notamment une résistance à la corrosion feuilletante (RCF) correspondant à la note d'évaluation EB ou à 15 mieux, et de préférence, à la note d'évaluation EA ou à mieux.
On évalue les performances en corrosion d'après les normes de résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte (RFCC) et de résistance à la corrosion feuilletante (RCF) que doivent actuellement respecter les produits en alliage AA7075, AA7050 ou AA7150, traités jusqu'en 20 un état T73, T74 ou T76, et d'après les performances caractéristiques d'alliages dans les états T6. Pour déterminer si un alliage commercialisé respecte les normes de RFCC, on soumet un échantillon à un essai dans des conditions prédéfinies. On soumet des échantillons en forme de barreau à un test en cycles comportant 10 minutes d'immersion dans une solution 25 aqueuse à 3,5 % de NaCI, puis 50 minutes de séchage à l'air, sous une contrainte constante de traction exercée aux deux extrémités du barreau. On poursuit habituellement cet essai pendant au moins 20 jours (ou moins si l'échantillon testé se rompt ou se fissure avant le terme de 20 jours). Ce test est le test G47-98 préconisé par la norme ASTM G-47.
Il existe un autre test préféré de RFCC, le test G47-73, préconisé par la norme ASTM G-47 pour les produits extrudés en alliage, ce qui englobe les produits de type plaque mince. Ce test consiste à soumettre un échantillon en forme de C (anneau ouvert) à une contrainte constante de compression exercée en ses deux extrémités, tout en le soumettant à des 35 conditions cycliques d'immersion et d'émersion pratiquement similaires à celles qu'on a décrites ci-dessus. Un alliage AA7075, AA7050 ou AA7150 dans un état T6 se rompt au bout de moins de 20 jours dans ce test, et n'obtient qu'une note d'évaluation EC ou ED pour ses performances de RCF, mais dans l'état T76, T74 ou T73, ses performances de résistance à la cor5 rosion sont meilleures. Dans l'état T73, la RCF est notée EA ou mieux. On en donne plus loin des exemples spécifiques.
Dans la composition chimique de l'alliage de l'invention, il est préférable qu'il y ait à peu près 1,93 % en poids de magnésium et de cuivre quand la teneur en zinc vaut à peu près 8,1 % en poids. Mais la teneur en 10 zinc vaut à peu près de 6,1 à 8,3 %, et de préférence de 6,1 à 7,0 % en poids, si la teneur en manganèse vaut moins de 0,05 %, de préférence moins de 0,02 %. Dans les exemples donnés plus loin, on décrit quelques modes préférés de réalisation de l'invention.
Il est préférable qu'il y ait à peu près de 0,06 à 0,12 % en poids de 15 manganèse quand la teneur en zinc vaut plus de 7,6 %. Le manganèse sert à maîtriser la croissance des grains pendant les opérations qui peuvent provoquer une recristallisation de la microstructure de l'alliage. Les valeurs préférées de la teneur en manganèse sont inférieures à celles qu'on rencontre dans les alliages classiques des séries AA7000, mais on peut augmen20 ter cette teneur quand on augmente la teneur en zinc.
La teneur en les éléments supplémentaires d'alliage cérium et/ou scandium est inférieure à 0,20 %, et se situe de préférence dans la gamme allant de 0,05 à 0,15 %, et mieux encore, autour de 0,10 %.
Selon l'invention, on propose un procédé permettant d'obtenir un produit en alliage aluminium-zinc corroyé à haute résistance, présentant un combinaison améliorée des caractéristiques de résistance à la corrosion et de ténacité, le quel procédé comporte les étapes suivantes: a) coulée d'un lingot en un alliage dont la composition est la suivante, en 30 pourcentages pondéraux: 6,0 à 9,5 % de zinc, 1,3 à 2,4 % de cuivre, 1,5 à 2,6 % de magnésium, moins de 0,12 % de manganèse, moins de 0,20 %, de préférence de 0,05 à 0,15 %, de zirconium, il moins de 0,10 % de chrome, moins de 0,25 % de fer, moins de 0,25 % de silicium, moins de 0, 10 % de titane, moins de 0,25 % de hafnium et/ou de vanadium, éventuellement, moins de 0,20 % de cérium et/ou de scandium, et d'autres éléments, chacun en une proportion inférieure à 0,05 %, et en une proportion totale inférieure à 0,25 %, et le complément étant de l'aluminium, les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] respectant les inégalités suivantes: 0,1[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,2[Cu] + 2,15; b) homogénéisation et/ou préchauffage du lingot après la coulée c) travail du lingot à chaud, et le cas échéant à froid, pour en faire 15 un produit travaillé; d) traitement thermique de mise en solution, à une température et pendant un laps de temps suffisants pour faire passer en solution solide pratiquement tous les constituants solubles de l'alliage e) et trempe du produit issu de ce traitement thermique de mise 20 en solution, par pulvérisation ou par immersion dans de l'eau ou dans un autre milieu de trempe.
On peut encore parvenir aux caractéristiques de l'invention grâce à un procédé préféré qui comporte le fait de faire mûrir artificiellement le produit issu des étapes de travail et de traitement thermique de mise en 25 solution, cette étape de revenu comportant un premier palier de traitement thermique, effectué à une température de 105 à 135 'C et de préférence d'environ 120 'C, et durant 2 à 20 heures et de préférence à peu près 8 heures, et un deuxième palier de traitement thermique, effectué à une température supérieure à 135 'C et inférieure à 210 'C, et de préférence d'envi30 ron 155 'C, et durant 4 à 12 heures et de préférence 8 à 10 heures.
Grâce à ce traitement de revenu en deux paliers, on obtient des performances en corrosion similaires à celles d'un alliage dans l'état T76.
Mais on peut aussi faire subir au produit issu des étapes de travail et de traitement thermique de mise en solution un revenu comportant un troisième 35 palier de traitement thermique, effectué à une température de 105 à 135 'C et durant plus de 20 heures et moins de 30 heures. On connaît déjà ce mode de traitement thermique de revenu qui mène à l'état T77, et qui permet d'obtenir un produit en alliage dont les performances sont encore meilleures que celles obtenues grâce à un revenu en deux paliers. Toutefois, le 5 revenu en deux paliers donne des produits minces en alliage d'aluminium qui sont en partie comparables aux produits dans l'état T77 et en partie meilleurs que ces derniers.
On peut encore faire mûrir artificiellement le produit issu des étapes de travail et de traitement thermique de mise en solution en l'ame10 nant, en deux paliers de revenu, dans l'état T79 ou T76. Après les étapes de coulée et d'homogénéisation et/ou préchauffage du lingot, il est préférable de travailler celui-ci à chaud, puis éventuellement à froid, pour en faire un produit travaillé de 15 à 45 mm d'épaisseur, c'est-à-dire une plaque mince.
On peut obtenir une plaque mince en un alliage Al-Zn à haute résistance présentant la composition chimique indiquée plus haut, ou produite selon le procédé indiqué plus haut. On peut employer avec profit une telle plaque pour en faire une pièce mince d'avion, de préférence une pièce de structure de forme allongée, et tout particulièrement un élément d'ex20 trados, de préférence un élément de revêtement mince d'extrados ou de lisse d'avion.
Les caractéristiques et avantages indiqués plus haut des alliages de l'invention apparaîtront, ainsi que d'autres, à la lecture de la descrip25 tion détaillée, donnée ci-dessous, de certains modes préférés de réalisation de l'invention.
Exemple 1
On a effectué des tests pour comparer les performances offertes 30 par un alliage de l'invention à celles d'un alliage AA7150 dans l'état T77.
On a constaté que les échantillons d'alliages de l'invention sont meilleurs que les alliages classiques AA7150-T77.
On fabrique, par coulée à l'échelle industrielle, des lingots en quatre alliages d'aluminium différents, puis on les homogénéise en les 35 préchauffant pendant plus de 6 heures à 410 'C, et on les lamine à chaud pour en faire des plaques de 30 mm d'épaisseur. On soumet ces plaques à un traitement thermique de mise en solution à 475 'C, puis on les trempe avec de l'eau et l'on fait revenir les produits trempés en un procédé en deux paliers de revenu T79-T76. Les compositions chimiques de ces alliages sont données dans le tableau 1.
Tableau 1
Composition chimique, en pourcentages pondéraux, d'alliages pour plaques minces 10 Alliages 1 à 4, contenant au plus 0,02 % de Mn Complément à 100 %: aluminium et impuretés inévitables Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Alliage 1* 0,03 0,06 2,23 0,00 2,08 0,00 6,24 0,03 0,10 Alliage 2 0,05 0,08 2,050,01 2,04 0,01 6,18 0,04 0,11 Alliage 3 0,05 0,09 2,20 0,01 2,30 0,01 7, 03 0,04 0,10 Alliage 4 0,04 0,07 1,91 0,02 2,13 0,00 6,94 0,03 0,11 * Alliage AA7050 Après le revenu, on soumet les produits en alliage obtenus à des tests effectués dans les conditions indiquées ci-dessous.
On mesure la limite d'élasticité en traction Rp selon la norme EN 10.002, la résistance à la corrosion feuilletante RCF selon la norme ASTM 25 G-34-97, la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte RFCC selon la norme ASTM G-47-98 (toutes dans le sens travers court), la ténacité KIC par l'essai de déchirure de Kahn, selon la norme ASTM E-399, et la limite d'élasticité en compression LEC selon la norme ASTM E-9.
Les résultats obtenus avec des plaques en les quatre alliages in30 diqués dans le tableau 1, amenées par revenu dans un état T76-T79, sont présentés dans le tableau 2a, o ces alliages sont comparés à des alliages classiques AA7150 amenés dans l'état T77 de traitement thermique, et dans le tableau 2b, o ces alliages sont comparés à des alliages classiques AA7150 amenés dans les états T76, T74 et T6 de traitement thermique.
Tableau 2a
Résistance et ténacité des alliages 1 à 4 du tableau 1 (en plaques épaisses de 30 mm, amenés dans un état T79-T76), comparés à trois alliages de référence Alliage 1 Alliage 2 Alliage 3 Alliage 4 AA7150-T77 AA7150-T77 AA7150-T77 Rp (MPa) LEC (MPa) (sens long) (sens travers long) 555 565 561 604 565 590 591 632 537 - KIC (MPa.m1/2) (long - travers) 35,1 34,5 29,1 28,9 28,6 29,2 33,2
RCF
EC EA/B EB EB EB EB EA
Tableau 2b
Performances en corrosion des alliages 1 à 4 du tableau 1 (en plaques épaisses de 30 mm, amenés dans un état T79-T76), comparés 20 à trois alliages de référence Seuil de RFCC Alliage 1 NR* sous 172 MPa Alliage 2 NR sous 240 MPa Alliage 3 NR sous 240 MPa Alliage 4 NR sous 240 MPa AA7150-T7 117 - 172 MPa AA7150-T7 240 MPa AA7150-T < 48 MPa * NR: pas de rupture au bout de 40 jours Comme on peut le voir sur les tableaux 2a et 2b, les alliages 1,2, 3 et 4 présentent une meilleure combinaison des propriétés de résistance et de ténacité, et les alliages 2, 3 et 4 offrent tous une résistance acceptable 35 à la corrosion feuilletante et ont une limite d'élasticité en compression nettement plus élevée que celle de l'alliage 1, qui est un alliage AA7050.
Les alliages 2 et 4 présentent un jeu bien équilibré de propriétés, meilleur que ceux des alliages classiques AA7150-T77, ce qui fait qu'ils conviennent très bien pour des applications en aéronautique comme des extrados 5 d'aile d'avion. Mais on peut encore amener les alliages de l'invention dans l'état T77 de traitement thermique, comme le montre le tableau 3.
Tableau 3
Résistance, ténacité et performances en corrosion 10 des alliages 2 et 4 amenéé dans l'état T77 Alliage 2 Alliage 4 Rp (MPa) (sens long) 585 607 LEC (MPa) (sens travers long) 613 641 KIC (MPa.m112) (long - travers) 32, 2 26,4
RCF EA EA
Seuil de RFCC NR/240 MPa NR/240 MPa On a soumis l'alliage 4, qui est prometteur, à des tests supplé20 mentaires de RFCC. On prépare des éprouvettes de cet alliage, en suivant le mode opératoire indiqué dans la norme ASTM G-47-98 (procédés de tests normalisés visant à déterminer la sensibilité de produits en alliage d'aluminium des séries AA7000 à la fissuration par corrosion sous contrainte) et on expose ces éprouvettes à l'action d'un milieu corrosif, selon 25 la norme ASTM G-44-94 (alternance immersion/émersion, suivant le mode opératoire normalisé d'évaluation de la résistance de métaux ou d'alliages à la fissuration par corrosion sous contrainte, par immersion et émersion alternées dans une solution à 3,5 % de NaCi).
On a choisi quatre valeurs différentes, indiquées dans le tableau 30 4, pour la contrainte de charge appliquée aux éprouvettes d'alliage 4. On expose trois éprouvettes, sous chacune de ces valeurs de contrainte, à l'action du milieu corrosif de l'essai (ASTM G-44). On en retire une au bout d'une semaine, et l'on fait subir aux deux autres 40 jours d'essai. Si aucune fissure n'apparaît pendant l'essai, on mesure la résistance à la traction. Les 35 résultats obtenus sont présentés dans le tableau 4.
Tableau 4
Résistance de l'alliage 4 à la traction après un test de RFCC mené sous quatre valeurs différentes de la contrainte de charge exercée dans le sens long Contrainte Résistance à la traction (MPa) (MPa) 1 semaine 40 jours 300 524,3 428,0 340 513,1 416,9 380 503,1 424,5 420 515,5 425,1 Comme on peut le voir sur le tableau 4, on ne constate aucune 15 baisse de la résistance à la traction quand la charge augmente, ce qui signifie que, au bout de 40 jours, on ne peut détecter aucune corrosion sous contrainte qui influencerait la résistance à la traction.
Exemple 2
Dans le cas o l'on veut obtenir des valeurs élevées de résistance et o l'on considère que la ténacité a relativement moins d'importance, on préfère utiliser, pour les applications en extrados d'aile d'avion, les alliages classiques AA7055-T77 plutôt que les alliages AA7150-T77. Selon la présente invention, on divulgue donc des intervalles optimaux de compo25 sition chimique qui donnent des alliages dont les propriétés sont équivalentes à celles des alliages classiques AA7055-T77 ou meilleures que les propriétés de ceux-ci.
On fabrique par coulée des lingots en onze alliages d'aluminium différents, dont les compositions chimiques sont indiquées dans le tableau 30 5.
Tableau 5
Composition chimique, en pourcentages pondéraux, d'onze alliages contenant 0,08 % de Zr, 0,05 % de Si et 0,08 % de Fe Complément à 100 %: aluminium et impuretés inévitables Alliage 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Cu 2,40 1,94 1,26 2,36 1,94 1,30 1,92 1,27 2,34 2,38 2,35 Mg 2,20 2,33 2,32 1,94 1,92 2,09 1,54 1,57 2,25 2,09 1,53 Zn 8,2 8,2 8,1 8,1 8,1 8,2 8,1 8,1 8,1 8,1 8,2 Mn 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, 00 0,07 0,00 0,00 On mesure les propriétés de résistance et de ténacité après avoir fait subir aux produits de coulée d'alliage les opérations suivantes: préchauffage pendant 6 heures à 410 C, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 28 mm, traitement thermique de mise en solution à 475 C, trempe 25 à l'eau, et revenu en deux paliers, 8 heures à 120 C, puis 8 à 10 heures à C (état d T79-T76). Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 6.
Tableau 6
Résistance et ténacité, dans les sens indiqués, des onze alliages présentés dans le tableau 5 Rp (MPa) Alliage (long) 1 628 2 614 3 566 4 614 5 595 6 562 7 549 8 530 9 628 10 614 il 568 (travers long) 596 561 544 568 556 513 509 484 584 575 529 Rm (MPa) (long) (travers long) 651 633 642 604 596 582 638 604 620 590 590 552 573 542 556 522 644 618 631 606 594 568 Kq (MPa.m1/2) (long - travers) 28,9 29,3 39,0 33,0 37,1 38,6 41,7 41,9 26,6 28,1 36,6 Les alliages 3 à 8 et 11 présentent de bonnes propriétés de ténacité, et les alliages 1 à 5, 9 et 10 présentent de bonnes propriétés de résistance. Les alliages 3, 4 et 5 présentent donc un bon équilibre entre résistance et ténacité, de sorte qu'il est clairement avantageux que la teneur en cuivre vaille plus de 1,3 % en poids et que la teneur en magnésium vaille 25 plus de 1,6 % en poids quand la teneur en zinc vaut 8,1 % en poids. Ces valeurs sont les limites inférieures des intervalles des teneurs en cuivre et en magnésium. Comme on peut le constater sur le tableau 6, la ténacité baisse jusqu'à des valeurs inadmissiblement faibles quand les teneurs en cuivre et en magnésium sont trop élevées, comme dans les alliages 1,2,9 et 10. 30
Exemple 3
On a étudié l'influence du manganèse sur les propriétés des alliages de l'invention. On a trouvé que, pour un alliage à forte teneur en zinc, 35 la teneur optimale en manganèse se situe entre 0,05 et 0,12 % en poids. Les résultats obtenus sont présentés dans les tableaux 7 et 8. Toutes les valeurs de composition chimique et tous les paramètres de traitement qui ne sont pas mentionnés sont semblables à celles et ceux qui sont indiqués dans l'exemple 2.
Tableau 7
Composition chimique, en pourcentages pondéraux, de trois alliages contenant 0,08 % de Zr, 0,05 % de Si et 0,08 % de Fe Complément à 100 %: aluminium et impuretés inévitables Alliage Mn-0 Mn-1 Mn-2 Cu 1,94 1,94 1,96 Mg 2,33 2,27 2,29 Zn 8,2 8,1 8,2 Mn 0,00 0,06 0,12
Tableau 8
Résistance et ténacité, dans les sens indiqués, des trois alliages présentés dans le tableau 7 Rp (MPa) Alliage (long) (travers long) Mn-0 614 561 Mn-1 612 562 Mn-2 612 560 Rm (MPa) (long) (travers 642 635 639 long) 604 602 596 Kq (MPa.ml/2) (long - travers) 29,3 31,9 t 29,9 Comme on peut le voir sur le tableau 8, la ténacité baisse alors 30 que la résistance augmente. Dans le cas des alliages à forte teneur en zinc, la teneur optimale en manganèse se situe entre 0,05 et 0,12 % en poids.
Exemple 4
Dans le cas o l'on veut obtenir des valeurs élevées de résistance et o l'on considère que la ténacité a relativement moins d'importance, on préfère utiliser, pour les applications en extrados d'aile d'avion, les allia5 ges classiques AA7055-T77 plutôt que les alliages AA7150-T77. Selon la présente invention, on divulgue donc des intervalles optimaux de composition chimique qui donnent des alliages dont les propriétés sont équivalentes à celles des alliages classiques AA7055-T77 ou meilleures que les propriétés de ceux-ci.
On fabrique par coulée des lingots en deux alliages d'aluminium différents, dont les compositions chimiques sont indiquées dans le tableau 9.
Tableau 9
Composition chimique, en pourcentages pondéraux, de trois alliages Complément à 100 %: aluminium et impuretés inévitables Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Alliage 1 0,05 0,09 2,24 0,01 2,37 0,01 7,89 0,04 0,10 Alliage 2 0,04 0,07 1,92 0,08 2,18 0,00 8,04 0,03 0,10 Alliage 3* 2,1-2,6 1,8-2,2 7, 6-8,4 * Alliage AA7055 On évalue les propriétés de résistance des alliages 1 et 2. Les résultats obtenus sont présentés dans les tableaux 10 et 1 1. On a soumis l'alliage 2 à deux traitements thermiques pour l'amener dans les deux états T79-T76 et T77. On a mesuré les propriétés de l'alliage de référence 30 AA7055 dans l'état T77 (Ref-M), mais on donne aussi dans le tableau 10 les données techniques annoncées (Ref-DT) pour une feuille en cet alliage dans cet état.
Tableau 10
Résistances des deux alliages de l'invention présentés dans le tableau 9, et valeurs mesurées et annoncées de résistances de l'alliage AA7055 (alliage de référence) Etat de Alliage revenu 15 20 2 2 Ref-DT Ref-M T79T76 T79-T76 T77 T77 T77 Rp (long) 604 612 619 614 621 Rp (travers long) 593 598 606 614 611 Rp (travers court) 559 571 569 Rm (long) 634 645 640 634 638 Rm (travers long) 631 634 631 641 634 Rm (travers court) 613 618 610 On présente dans le tableau 11 les valeurs de ténacité KiC dans les sens long-travers et travers-long, les données de limite d'élasticité en compression LEC dans les sens long et travers long, et les performances en corrosion, concernant les alliages présentés dans le tableau 9.
Tableau 11
Ténacités et performances en corrosion des deux alliages de l'invention présentés dans le tableau 9, et valeurs mesurées et annoncées pour l'alliage AA7055 (alliage de référence) 30 Etat de Alliage revenu 1 T79-T76 2 T79-T76 2 T77 Ref-DT T77 Ref-M T77 KIC (longtravers) 21,0 28, 9 28,8 28,6
KIC
(traverslong) LEC (long) LEC (travers long)
RFCC
- 596 621 EC 7,1 630 660 EB 6,5 628 656 EA 6,4 621 648 EB
- - - EB RCF*
NR/172 MPa NR/210 MPa NR/103 MPa NR/ 103 MPa * NR: pas de rupture au bout de 40 jours sous la contrainte indiquée, ou nombre de jours au bout duquel l'éprouvette se rompt Les alliages de l'invention présentent des propriétés de résistance à la traction semblables à celles de l'alliage classiqueAA7055-T77. Mais en particulier, leurs caractéristiques dans le sens travers court sont meilleures que celles de l'alliage classique AA7055-T77. Leurs performances en 5 corrosion sous contrainte sont elles aussi meilleures que celles de l'alliage AA7055-T77. Les alliages de l'invention peuvent donc être employés en remplacement à moindre coût des alliages AA7055 dans l'état de revenu T77. On peut également s'en servir dans un procédé de mise en forme avec revenu au pas. car ils présentent une limite d'élasticité en compression de 10 valeur élevée, ainsi qu'une excellente résistance à la corrosion.
Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente inven15 tion.
Claims (17)
1. Alliage AI-Zn corroyé à haute résistance, présentant une combinaison améliorée de propriétés de résistance à la corrosion et de ténacité, caractérisé en ce qu'il contient essentiellement, en pourcentages pondéraux: 6,0 à 9,5 % de zinc, 1,3 à 2,4 % de cuivre, 1,5 à 2,6 % de magnésium, moins de 0,12 % de manganèse, moins de 0,20 %, de préférence de 0,05 à 0,15 %, de zirconium, 10 moins de 0,10 % de chrome, moins de 0,25 % de fer, moins de 0,25 % de silicium, moins de 0, 10 % de titane, moins de 0,25 % de hafnium et/ou de vanadium, éventuellement, moins de 0,20 % de cérium et/ou de scandium, et d'autres éléments, chacun en une proportion inférieure à 0,05 %, et en une proportion totale inférieure à 0,25 %, et le complément étant de l'aluminium, les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] respec20 tant les inégalités suivantes: 0,1[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0, 2[Cu] + 2,15.
2. Alliage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] respectent les inégalités suivantes: 0,2[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,1[Cu] + 2,15.
3. Alliage conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] respectent les inégalités suivantes 0,2[Cu] + 1,4 < [Mg] < 0,1[Cu] + 1,9. 30
4. Alliage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une résistance à la corrosion feuilletante (RCF) correspondant à la note d'évaluation EB ou à mieux, et de préférence, à la note d'évaluation EA ou à mieux.
5. Alliage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient de 1,5 à 2,1 %, et de préférence, de 1,5 à 2,0 % en poids de cuivre.
6. Alliage conforme à l'une des revendications précédentes, ca5 ractérisé en ce qu'il contient à peu près 1,93 % en poids de magnésium et de cuivre quand sa teneur en zinc vaut à peu près 8,1 % en poids.
7. Alliage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient à peu près de 6,1 à 8,3 %, et de préférence, de 6,1 à 7,0 % en poids de zinc quand sa teneur en manganèse vaut moins de 10 0, 05 %, de préférence moins de 0,02 % en poids.
8. Alliage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient de 0,06 à 0,12 % en poids de manganèse quand sa teneur en zinc vaut plus de 7,6 % en poids.
9. Procédé permettant d'obtenir un produit en alliage aluminium15 zinc corroyé à haute résistance, présentant un combinaison améliorée des caractéristiques de résistance à la corrosion et de ténacité, lequel procédé se caractérise en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) coulée d'un lingot en un alliage dont la composition est la suivante, en pourcentages pondéraux 6,0 à 9,5 % de zinc, 1,3 à 2,4 % de cuivre, 1,5 à 2,6 % de magnésium, moins de 0,12 % de manganèse, moins de 0,20 %, de préférence de 0,05 à 0,15 %, de zirconium, 25 moins de 0,10 % de chrome, moins de 0,25 % de fer, moins de 0,25 % de silicium, moins de 0, 10 % de titane, moins de 0,25 % de hafnium et/ou de vanadium, éventuellement, moins de 0,20 % de cérium et/ou de scandium, et d'autres éléments, chacun en une proportion inférieure à 0,05 %, et en une proportion totale inférieure à 0,25 %, et le complément étant de l'aluminium, les pourcentages pondéraux de cuivre [Cu] et de magnésium [Mg] respec35 tant les inégalités suivantes: 0,1[Cu] + 1,3 < [Mg] < 0,2[Cu] + 2,15; b) homogénéisation et/ou préchauffage du lingot après la coulée; c) travail du lingot à chaud, et le cas échéant à froid, pour en faire un produit travaillé; d) traitement thermique de mise en solution; e) et trempe du produit issu de ce traitement thermique de mise en solution.
10. Procédé conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que l'on fait mûrir artificiellement le produit issu des étapes de travail et de 10 traitement thermique de mise en solution, cette étape de revenu comportant un premier palier de traitement thermique, effectué à une température de 105 à 135 'C et durant 2 à 20 heures, et un deuxième palier de traitement thermique, effectué à une température supérieure à 135 'C et inférieure à 210 'C et durant 4 à 12 heures.
11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que l'on fait mûrir artificiellement le produit issu des étapes de travail et de traitement thermique de mise en solution, cette étape de revenu comportant un troisième palier de traitement thermique, effectué à une température de 105 à 135 'C et durant plus de 20 heures, mais moins de 30 heures. 20
12. Procédé conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que l'on fait mûrir artificiellement le produit issu des étapes de travail et de traitement thermique de mise en solution en l'amenant, en deux paliers de revenu, dans l'état T79 ou T76.
13. Procédé conforme à l'une des revendications 9 à 12, caracté25 risé en ce que, après les étapes de coulée et d'homogénéisation et/ou préchauffage du lingot, on travaille celui-ci à chaud, puis éventuellement à froid, pour en faire un produit travaillé de 15 à 45 mm d'épaisseur.
14. Produit de type plaque, caractérisé en ce qu'il est fait d'un alliage à haute résistance conforme à l'une des revendications 1 à 8 ou pro30 duit selon un procédé conforme à l'une des revendications 9 à 13.
15. Produit de type plaque, conforme à la revendication 14, caractérisé en ce qu'il s'agit d'une pièce mince d'avion, et de préférence, d'une pièce de structure de forme allongée.
16. Produit de type plaque, conforme à la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un élément d'extrados, de préférence d'un élément de revêtement mince d'extrados ou de lisse d'avion.
17. Produit de type plaque, conforme à l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il est épais de 15 à 45 mm.
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