FR2894985A1

FR2894985A1 - Tole en aluminium-cuivre-lithium a haute tenacite pour fuselage d'avion

Info

Publication number: FR2894985A1
Application number: FR0512931A
Authority: FR
Inventors: Bernard Bes; Herve Ribes; Christophe Sigli; Timothy Warner
Original assignee: Alcan Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: RU2418088C2; DE06841937T1; ATE426051T1; CN101341267A; DE602006005846D1; RU2008129812A; FR2894985B1; ES2323902T3; EP1966402B1; WO2007080267A1; EP1966402A1; CA2633420A1; CN101341267B; CA2633420C

Abstract

Un alliage d'aluminium de faible masse volumique utile dans une structure d'aéronef, en particulier pour les applications de tôle de fuselage, qui a une résistance mécanique élevée, une haute ténacité et une haute résistance à la corrosion, comprenant 2,1 à 2,8 % en poids de Cu, 1,1 à 1,7 % en poids de Li, 01 à 0,8 % en poids de Ag, 0,2 à 0,6 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, l'alliage étant sensiblement exempt de zirconium.

Description

1

TOLE EN ALUMINIUM-CUIVRE-LITHIUM A HAUTE TENACITE POUR FUSELAGE D'AVION

Domaine de 1'invention

La presente invention concerne en general des produits en alliages d'aluminium et, plus particulierement, de tels produits, leurs procedes de fabrication et d'utilisation, en particulier dans 1'industrie aerospatiale.

Etat de la technique

Un effort de recherche continu est realise afin de developper des materiaux qui puissent simultanement reduire le poids et augmenter 1'efficacite des structures d'avions a hautes performances. Les alliages aluminium-lithium (AlLi) sont tres interessants a cet egard, car le lithium peut reduire la densite de 1'aluminium de 3 % et augmenter le module d'elasticite de 6 % pour chaque pourcent en poids de lithium ajoute. Les alliages AlLi ne sont cependant pas encore utilises de maniere intensive dans 1'industrie aerospatiale en raison des defauts des alliages developpes jusqu'a aujourd'hui, tels que par exemple une stabilite thermique inadequate, une forte anisotropie et une tenacite inappropriee. L'histoire du developpement des alliages AlLi est decrite, par exemple, dans le chapitre << Alliages aluminium-lithium >> : de 1'ouvrage << Aluminium and Aluminium Alloys >>, (ASM Specialty Handbook, 1994). Les premiers alliages aluminium-lithium (Al-Zn-Cu-Li) ont ete introduits en Allemagne dans les annees 20, et ont 2

ete suivis par 1'introduction de 1'alliage AA2020 (Al-Cu-Li-Mn-Cd) a la fin des annees 50, et par 1'introduction de 1'alliage 1420 (Al-Mg-Li) en Union Sovietique, au milieu des annees 60. Les seules applications industrielles de 1'alliage AA2020 ont ete les ailes et les stabilisateurs horizontaux des avions RA5C vigilante. La composition classique de 1'alliage AA2020 etait (en pourcentage en poids) : Cu : 4,5, Li : 1,2, Mn : 0,5, Cd : 0,2. Parmi les raisons liees aux applications limitees de cet alliage, on peut souligner sa faible tenacite. Si l'on met de cote le role specifique du Cd, 1'une des raisons de ses proprietes limitees a ete attribuee a 1'utilisation du Mn dans cet alliage. En 1982, E.A. Starke a declare (dans << Metallurgical Transactions A. >>, Vol. 13A, p.2267) : les dispersoides de plus grande taille riches en Mn peuvent egalement titre nefastes a la ductilite, en provoquant des porosites >>. Cette idee d'un effet nefaste du Mn a ete largement reconnue par 1'homme du metier. Par exemple, en 1991, Blackenship a declare (dans << Proceedings of the Sixth International Aluminium-Lithium Conference >>, Garmisch-Partenkirchen, p.190), << Les dispersoides riches en manganese creent des porosites et encouragent ainsi le processus de fracture >>. Il a ete suggere que le zirconium soit utilise a la place du manganese comme agent de contrOle de la structure granulaire. Dans le meme document, Blackenship declare : << Le zirconium est 1'element de choix pour le controle de la structure granulaire dans les alliages Al-Li-X >>. Le developpement des alliages AlLi s'est poursuivi dans les annees 80, et a entraine 1'introduction des alliages commerciaux AA8090, AA2090 et AA2091. Tous ces 3

alliages contenaient du zirconium a la place du manganese. Au debut des annees 90, une nouvelle gamme d'alliages A1Li contenant de 1'argent, connus sous le nom de Weldalite >>, a ete introduite. Ces alliages contenaient generalement moins de Li et presentaient une meilleure stabilite thermique. Le brevet US n 5 032 359 (Pickens, Martin Marietta) decrit des alliages contenant entre 2,0 et 9,8 % en poids d'un element d'alliage compose de Cu, Mg, et de melanges de ceux-ci, entre 0, 01 et 2,0 % en poids de Ag, entre 0,2 et 4,1 % en poids de Li et entre 0,05 et 1,0 pourcent en poids d'un additif d'affinage de grain selectionne parmi Zr, Cr, Mr., Ti, B, Hf, V, TiB2 et des melanges de ceux-ci. I1 doit titre note que la liste des additifs d'affinage proposee par Pickens melange en fait des elements utilises pour 1'affinage de grain en fonderie (tel que le TiB2) et des elements utilises pour le controle de la structure du grain pendant les operations de transformation, tels que le zirconium. Bien que Pickens indique que bien qu'il faille se concentrer ici sur 1'utilisation du zirconium pour 1'affinage du grain, des affineurs de grain conventionnels tels que du Cr, du Mn, du Ti, du B, du Hf, du V, du TiB2 et des melanges de ceux-ci peuvent titre utilises >>, it apparalt clairement a partir de 1'histoire du developpement de 1'alliage AlLi qu'un prejuge lie a 1'utilisation de n'importe quel element autre que le Zr pour le controle de la structure granulaire existe pour 1'homme du metier. Ainsi, clans tous les exemples decrits par Pickens, le Zr est utilise.

Une autre gamme d'alliages AlLi, contenant du Zn, a ete decrite par exemple clans le brevet US n 4 961 792 et le brevet US n 5 066 342, et developpee au debut des annees 90. La metallurgie de ces alliages ne peut etre comparee avec la metallurgie des alliages Weldalite0 >>, car 1'incorporation d'une quantite significative de zinc, et en particulier la combinaison du zinc et du magnesium, modifie completement les proprietes de 1'alliage, par exemple en termes de resistance mecanique et de resistance a la corrosion. Afin d'utiliser les alliages AlLi pour des applications de fuselage, les alliages doivent offrir les memes performances, voire de meilleures performances, en termes de resistance mecanique, de tolerance aux dommages, que les alliages ne contenant pas de Li utilises actuellement. En particulier, la resistance a la propagation des fissures est une question importante clans le cadre de ces applications, et cela explique pourquoi les alliages reconnus pour leur tolerance elevee aux dommages, tels que le AA2524 et le AA2056, sont traditionnellement utilises. Parmi les autres proprietes souhaitables, on peut souligner la soudabilite et la resistance a la corrosion. En raison de la tendance croissante de reduction des operations couteuses de fixation mecanique clans 1'industrie aerospatiale, des alliages soudables tels que le AA6013, le AA6056 ou le AA6156 sont introduits pour les panneaux de fuselage. La resistance elevee a la corrosion est egalement souhaitable afin de remplacer les produits plaques par des produits nus, moms chers. Parmi les problemes lies aux alliages A1Li connus, 1'anisotropie de la limite d'elasticite qui, a son tour, determine 1'anisotropie des autres proprietes mecaniques, a ete mentionnee plus haut. La faible limite d'elasticite au niveau des directions de test intermediaires, comme par exemple a 45 par rapport a la direction de laminage, est la manifestation la plus evidente de 1'anisotropie. En ce qui concerne les proprietes de tolerance aux dommages, 1'essai de courbe R est un moyen largement reconnu pour caracteriser les proprietes de tenacite. La courbe R represente 1'evolution du facteur d'intensite de contrainte effective critique pour la propagation de fissure en fonction de 1'extension de fissure effective, sous une contrainte monotone. Elie permet la determination de la charge critique pour une rupture instable pour toute configuration pertinente a des structures d'aeronef fissurees. Les valeurs du facteur d'intensite de contrainte et de 1'extension de fissure sont des valeurs reelles telles que definies dans la norme ASTM E561. L'analyse classique, generalement utilisee, des essais realises sur des panneaux a fissure centrale donne un facteur d' intensite de contrainte apparent a la rupture (Kapp). Cette valeur ne varie pas significativement en fonction de la longueur de la courbe R. Cependant, la longueur de la courbe R - a savoir 1'extension de fissure maximale de la courbe - est un parametre important en soi pour la conception de fuselage, en particulier pour des panneaux comportant des raidisseurs fixes. I1 existe un besoin concernant un alliage en Al-Cu-Li de resistance mecanique elevee, ne presentant pas d'anisotropie, de haute tenacite et en particulier d'extension de fissure elevee avant une rupture instable, de resistance a la corrosion elevee, pour des 6

applications aeronautiques et en particulier pour des applications de tole de fuselage.

Objet de 1'invention

Un premier objet de 1'invention est un alliage a base d'aluminium comprenant 2,1 a 2,8 % en poids de Cu, 1,1 a 1,7 % en poids de Li, 0,1 a 0,8 % en poids de Ag, 0,2 a 0,6 % en poids de Mg, 0,2 a 0,6 % en poids de Mn, une quantite de Fe et de Si inferieure ou egale a 0,1 % en poids chacun, et des impuretes inevitables a une teneur inferieure ou egale a 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, 1'alliage etant sensiblement exempt de zirconium, ce qui signifie que la teneur en zirconium est inferieure a 0.04% en poids.

Un autre objet de 1'invention est un procede de fabrication d'une tole en alliage d'aluminium possedant une resistance et une tenacite elevees, clans lequel : (a) on coule une plaque comprenant 2,1 a 2,8 % en poids de Cu, 1,1 a 1,7 % en poids de Li, 0,1 a 0,8 % en poids de Ag, 0,2 a 0,6 % en poids de Mg, 0,2 a 0,6 % en poids de Mn, une quantite de Fe et de Si inferieure ou egale a 0,1 % en poids chacun, et des impuretes inevitables a une teneur inferieure ou egale a 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, 1'alliage etant sensiblement exempt de zirconium, (b) on homogeneise ladite plaque a 480 a 520 C pendant 5 a 60 heures, 7

(c) on lamine ladite plaque en une tole, avec une temperature initiale de laminage a chaud de 450 a 490 C, (d) on met en solution ladite tole a 480 a 520 C pendant 15 minutes a 4 heures, (e) on trempe ladite tale, (f) on tractionne de fagon controlee ladite tole avec une deformation permanente de 1 a 5 %, (g) on realise un revenu de ladite tole par chauffage a 140 a 170 C pendant 5 a 30 heures. Encore un autre objet de 1'invention est un produit lamine, file oa forge comprenant un alliage selon 1' invention.

Description des figures

Les figures 1 a 4 concernent certains aspects de 1'invention decrits ici. Celles-ci sont illustratives et ne sont en aucun cas limitatives. Figure 1 : Courbe R Bans le sens T-L (eprouvette CCT760) Figure 2 Courbe R dans le sens L-T (eprouvette CCT760) Figure 3 : evolution de la vitesse de fissuration clans le sens T-L lorsque 1'amplitude du facteur d'intensite de contrainte varie. Figure 4 : evolution de la vitesse de fissuration clans le sens L-T lorsque 1'amplitude du facteur d'intensite de contrainte varie.

Description de 1'invention a) definitions Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont 8

exprimees comme un pourcentage en poids base sur le poids total de 1'alliage. La designation des alliages se fait en conformite avec les reglements de The Aluminium Association, connus de 1'homme du metier. Les definitions des etats metallurgiques sont indiquees dans la norme europeenne EN 515. Sauf mention contraire, les caracteristiques mecaniques statiques, en d'autres termes la resistance a la rupture ultime Rm, la limite d'elasticite en traction Rpo,2 et 1' allongement a la rupture A, sont determinees par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, 1'emplacement auquel les pieces sont prises et leur sens etant definis par la norme EN 485-1. La vitesse de fissuration (en utilisant le test da/dN) est determinee selon la norme ASTM E 647. Une courbe de 1'intensite de contrainte en fonction de 1'extension de fissure, connue comme la courbe R, est determinee selon la norme ASTM E 561. Le facteur d'intensite de contrainte critique Kc, en d'autres termes le facteur d'intensite qui rend la fissure instable, est calcule a partir de la courbe R. Le facteur d'intensite de contrainte Koo est egalement calcule en attribuant la longueur de fissure initiale a la charge critique, au commencement de la charge monotone. Ces deux valeurs sont calculees pour une eprouvette de la forme requise. Kapp represente le facteur Koo correspondant a 1'eprouvette qui a ete utilisee pour effectuer 1'essai de courbe R. KefE represente le facteur K0 correspondant a 1'eprouvette qui a ete utilisee pour effectuer 1' essai de courbe R. Aaeff (max) represente 1' extension de fissure du dernier point valide de la courbe R. Sauf mention contraire, la taille de fissure a la fin du stade de pre-fissurage par fatigue est W/3 pour des 9

eprouvettes du type M(T), dans laquelle W est la largeur de 1'eprouvette telle que definie dans la norme ASTM E561. Il faut remarquer que la largeur de 1'eprouvette utilisee dans un essai de tenacite peut avoir une influence substantielle sur 1'intensite de contrainte mesuree dans 1'essai. Les toles de fuselage etant de grands panneaux, seuls les resultats de tenacite obtenus sur echantillons suffisamment larges, tels que des echantillons ayant une largeur superieure ou egale a 400 mm, sont juges significatifs pour 1'evaluation de la tenacite. Pour cette raison, seuls les echantillons d' essai CCT760, qui avaient une largeur de 760 mm, ont ete utilises pour 1'evaluation de la tenacite. La longueur de fissure initiale est 2ao = 253 mm. On appelle ici element de structure >> ou element structural >> d'une construction mecanique une piece mecanique dont la defaillance est susceptible de mettre en danger la securite de ladite construction, de ses utilisateurs, des ses usagers ou d'autrui. Pour un avion, ces elements de structure comprennent notamment les elements qui composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons etanches (bulkheads), les cadres de fuselage (circumferential frames), les ailes (tels que la peau de voilure (wing skin), les raidisseurs (stringers ou stiffeners), les nervures (ribs) et longerons (spars)) et 1'empennage compose notamment de stabilisateurs horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les profiles de plancher (floor beams), les rails de sieges (seat tracks) et les portes. 10

Par << tale >>, on veut dire ici un produit lamine n'excedant pas 12 mm ou 0,5 pouce d'epaisseur.

b) Description detaillee de 1'invention

L'alliage aluminium-cuivre-lithium-argent-magnesium selon un mode de realisation de 1'invention a de maniere avantageuse la composition suivante :

Tableau 1: Garnmes de composition d'alliages selon 1'invention ( % en poids, le reste etant du Al) Cu Li Ag Mg Mn Large 2, 1 a 2, 8 1, 1 1 1, 7 0, 1 a 0, 8 0, 2 a 0, 6 0, 2 a 0, 6 Preferee 2,2 a 2,6 1,2 a 1,6 0,2 a 0,6 0,3 a 0,5 0,2 a 0,5 La plus 2, 3 a 2, 5 1, 3 a 1, 5 0, 2 a 0, 4 0, 3 a 0, 4 0, 3 a 0, 4 preferee 1'alliage etant sensiblement exempt de zirconium. Par sensiblement exempt de zirconium >>, it faut comprendre que la teneur en zirconium doit titre inferieure a 0,04 % en poids, de maniere preferee inferieure a 0,03 % en poids, et de maniere encore plus preferee inferieure a 0,01 o en poids. D'une maniere inattendue, les inventeurs ont decouvert que la faible teneur en zirconium permettait d'ameliorer la tenacite des alliages Al-Cu-Li-Ag-Mg; en particulier, la longueur de la courbe R est augmentee de maniere significative. L'utilisation de manganese a la place du zirconium afin de controler la structure granulaire presente plusieurs avantages supplementaires tels que 1'obtention d'une structure recristallisee et 11

de proprietes isotropes pour une epaisseur situee entre 0,8 et 12 mm, ou entre 1/32 et 1/2 pouce. Le fer et le silicium affectent generalement les proprietes de tenacite. La quantite de fer devrait de preference titre limitee a 0,1 % en poids et la quantite de silicium devrait de preference titre limitee a 0,1 % en poids (de preference a 0, 05 % en poids). Les impuretes inevitables doivent titre limitees a 0,05 % en poids chacune et 0,15 % en poids au total. Si 1'alliage ne comporte pas d'autre element d'addition, le reste est constitue d'aluminium. Les inventeurs ont decouvert que si la teneur en cuivre est superieure a 2,8 % en poids, les proprietes de tenacite peuvent dans certains cas chuter rapidement, tandis que, si la teneur en cuivre est inferieure a 2,1 % en poids, la resistance mecanique est trop faible. En ce qui concerne la teneur en lithium, une teneur en lithium superieure a 1,7 % en poids entraine des problemes de stabilite thermique. Une teneur en lithium inferieure a 1,2 % en poids entraine une resistance mecanique inadequate et un gain inferieur en termes de densite. Il a ete decouvert par les inventeurs que, si la teneur en argent est inferieure a 0,1 % en poids, la resistance mecanique obtenue ne satisfait pas les proprietes souhaitees. La teneur en argent doit cependant titre maintenue au-dessous de 0,8 % en poids et de preference au-dessous de 0,4 % en poids pour des raisons de cont. L'alliage selon 1'invention peut titre utilise pour fabriquer des produits extrudes, forges ou lamines. 12

D'une maniere avantageuse, 1'alliage selon 1'invention est utilise pour fabriquer des toles. Les produits selon 1'invention presentent une tenacite tres elevee. Les inventeurs suspectent que 1'absence de zirconium dans les produits selon 1'invention est peutetre reliee a la performance en tenacite. Zr et Mn, qui peuvent tous deux titre utilises pour controler la structure granulaire, possedent un comportement tres different. Pendant la solidification, Zr etant un element peritect:ique est generalement enrichi au niveau du centre du grain et appauvri aux limites du grain, tandis que Mn, qui est un element eutectique possedant un coefficient d.e partage proche de un, est distribue de maniere beaucoup plus homogene. Le comportement different de Zr et Mn pendant la solidification pourrait titre lie a 1'effet different observe en termes de tenacite. L'obtention d'une structure recristallisee, favorisee ici par 1'absence de zirconium, peut par ailleurs peut-titre avoir un effet benefique intrinseque sur la tenacite. D'une maniere avantageuse, le taux de recristallisation des produits selon l'invention est superieur a 80%. Les inventeurs ont decouvert que la temperature d'homogeneisation devait titre de preference situee entre 480 et 520 C pendant 5 a 60 heures, et de maniere encore plus preferee entre 490 et 510 C pendant 8 a 20 heures. Au cours de 1'invention, les inventeurs ont observe que les temperatures d'homogeneisation superieures a 520 C tendaient a reduire la performance de tenacite dans certains cas. Les inventeurs pensent qu'il existe une relation entre 1'importance des conditions d'homogeneisation et le comportement lors de la solidification decrit precedemment. 13

Pour la fabrication des toles, la temperature initiale de laminage a chaud est de preference de 450 a 490 C. Le laminage a chaud est de preference realise pour obtenir une epaisseur comprise entre environ 4 et 12 mm. Pour une epaisseur d'approximativement 4 mm ou moms, une &tape de laminage a froid peut titre optionnellement ajoutee, si n&cessaire. Dans le cas de fabrication de toles, la tole obtenue a une epaisseur comprise entre 0,8 et 12 mm, et l'invention est plus avantageuse pour des toles de 2 a 9 mm d'epaisseur, et encore plus avantageuse pour des toles de 3 a 7 mm d'epaisseur. Le produit selon 1'invention est ensuite mis en solution, par exemple par traitement thermique entre 480 et 520 C pendant 15 min a 4 h, puis trempe avec de 1'eau a temperature ambiante. Le produit subit ensuite une traction controlee de 1 a % et preferentiellement de 2 a 4 Si la traction est sup&rieure a 5 les proprietes mecaniques peuvent ne pas titre suffisamment am&liorees et on peut rencontrer des difficultes industrielles telles qu'une mise en ceuvre &levee, ce qui augmenterait le cout du produit. Un revenu est realise a une temperature comprise entre 140 et 170 C pendant 5 a 30 h et, plus preferentiellement, entre 140 et 155 C pendant 20 a 80 h. Des temperatures de mise en solution inf&rieures favorisent g&neralement une tenacite &levee. Dans un mode de realisation de la presente invention, 1'&tape de revenu est divisee en deux &tapes : une &tape de pre-revenu anterieure a une operation de soudage, et un traitement thermique final d'un element structural soude. Les caract&ristiques des produits obtenus avec la presente invention sont les suivantes : - la limite d' elasticite en traction Rpo,2 Bans le sens L est de preference d'au moms 390 MPa ou meme 400 MPa. - La resistance a la rupture Rm dans le sens L est de preference d'au moms 410 MPa ou meme 420 MPa. - La limite d'elasticite en traction Rpo,2 a 45 par rapport au sens du laminage est au moms egale a la limite d'elasticite en traction Rpo,2 dans le sens L-T. - Les proprietes de tenacite utilisant des eprouvettes CCT760 (avec 2ao = 253 mm) sont telles que : - Kapp dans la direction T-L est de preference d'au moms 100 MPaj et preferentiellement d'au moms 120 MPa ' ; - Kapp dans la direction L-T est d'au moms 150 MPa j- et preferentiellement d'au moms 160 MPa J ; ù Keff dans la direction T-L est d'au moms 120 MPaj-n et preferentiellement d'au moms 150 MPa ' ; - Keff dans la direction L-T est d'au moms 160 MPa, et preferentiellement d'au moms 220 MPa J ; - Aaeff(max), 1' extension de fissure du dernier point valide de la courbe R dans la direction T-L est de preference d'au moms 60 mm et preferentiellement d'au moms 80 mm ; -Aaeff(max), a partir de la courbe R dans la direction L-T, est de preference d'au moms 60 mm et preferentiellement d'au moms 80 mm. Les termes resistance elevee >>, << haute tenacite >>, extension de fissure elevee avant une fracture instable >>, faible anisotropie tels qu'utilises ici 15

se rapportent a des produits offrant les proprietes susmentionnees. D'une maniere avantageuse, le taux de recristallisation des toles selon 1'invention est superieur a 80%. La mise en forme des produits selon 1'invention peut avantageusement titre effectuee par emboutissage profond, pressage, fluotournage, laminage de profil ou pliage, ces techniques etant connues de 1'homme du metier. Dans 1'assemblage de pieces structurales, toutes les techniques connues et possibles de rivetage et de soudage appropriees pour des alliages en aluminium peuvent titre utilisees, si souhaite. Les produits selon 1'invention peuvent titre fixes a des raidisseurs ou des cadres, par exemple par rivetage ou soudage. Les inventeurs ont decouvert que si le soudage est choisi, it peut titre preferable d'utiliser des techniques de soudage a basse temperature, qui aident a assurer que la zone affectee thermiquement soit aussi limitee que possible. A cet egard, le soudage au laser et le soudage par friction-agitation donnent souvent des resultats particulierement satisfaisants. Les produits selon 1'invention, avant ou apres mise en forme, peuvent avantageusement titre soumis a un revenu pour conferer des proprietes mecaniques statiques ameliorees. Ce revenu peut egalement titre conduit de maniere avantageuse sur un element structural assemble si souhaite. Les produits selon 1'invention sont utilises de maniere preferee pour la fabrication d'elements structuraux destines a la construction aeronautique. Un element structural, forme d'une tole selon 1'invention et de raidisseurs ou de cadres, ces raidisseurs ou cadres etant de preference constitues de profils extrudes, peut titre utilise en particulier pour 16

la fabrication de fuselage aeronautique de meme que toute autre utilisation ou les presentes proprietes pourraient titre avantageuses. Les inventeurs ont decouvert que les produits de 1'invention offraient un compromis particulierement favorable entre les proprietes mecaniques statiques, la haute tenacite et la densite. Pour des produits a faible densite connus, les tales a haute resistance a la traction et a haute limite d'elasticite ont generalement une faible tenacite. Pour les toles de 1'invention, les proprietes de tenacite elevee, et en particulier la courbe R tres longue, favorisent 1'application industrielle aux pieces de fuselage d'aeronefs. Les produits de 1'invention n'induisent generalement aucun probleme particulier pendant des operations ulterieures de traitement de surface classiquement utilisees en construction aeronautique, en particulier pour un polissage mecanique ou chimique, ou des traitements destines a ameliorer 1'adherence des revetements de polymere. La resistance a la corrosion intergranulaire des produits de 1'invention est generalement elevee ; a titre d'exemple, on ne detecte en general que des piqures lorsque le metal est soumis a un essai de corrosion. Dans un mode de realisation prefere, une tole de 1'invention peut titre utilisee sans titre plaquee sur 1'une ou 1'autre face avec un alliage d'aluminium peu charge en elements d'alliage. Ces aspects, ainsi que d'autres, de la presente invention sont e_xpliques plus en detail a 1'aide de l'exemple illustratif et non limitatif suivant. 17

EXEMPLE L'exemple de 1'i.nvention est reference C. Les exemples B et D sont presentes a titre de comparaison. L'exemple A est un alliage AA2098 de reference. Les compositions chimiques des differents alliages testes sont fournies clans le tableau 2.

Tableau 2: Composition chimique ( % en poids) Reference Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr Li Ag Ti de coulee A (2098) 0,03 0,04 3,6 0,01 0,32 0,01 0,01 0,14 1,0 0,33 0,02 B 0,03 0,04 2,2 0,29 0,3 - - <0,01 1,4 - 0,02 C 0, 03 0,03 2,4 0,29 0,3 - - <0,01 1,4 0,34 0,02 D 0,03 0,03 1,5 0,28 0,3 -<0,01 1,4 - 0,03 La masse volumique des differents alliages testes est presentee clans le tableau 3. Les echantillons B a D presentent la plus faible masse volumique des differents materiaux testes.

Tableau 3: Masse volumique des alliages testes Reference Masse volumique (g/cm3) A (2098) 2,70 B 2, 64 C 2, 64 D 2, 62 18

Les proc&d&s utilises pour la fabrication des diff&rents &chantillons sont pr~sent~s clans le tableau 4.

Tableau 4. Conditions des &tapes cons&cutives de transformation Reference A References B, C et D Revenu T8 T8 Relaxation Oui Oui des contraintes par chauffage Homogen&isat 8h a 500 C + 36h 12h a 500 C ion a 526 C Temperature 485 C 450 a 490 C de debut deb laminage a chaud Laminage a Epaisseur > 4 mm Epaisseur > 4 mm. chaud Temperature de sortie du laminage a chaud < 280 C Laminage a Epaisseur < 4 mm Epaisseur < 4 mm, froid recuit interm&diaire optionnel Mise en 2 h a 521 C lh 500 C solution Trempe Eau a temperature Eau a temperature ambiante ambiante Traction 1 a 5 % de 1 a 5 % de controlee deformation deformation permanente permanente Revenu 14h a 155 C 48h a 152 C (4,5 mm) 18h a 160 C (6,7 mm) La structure granulaire des echantillons a ete caracterisee a partir de 1'observation microscopique des sections transversales apres oxydation anodique, sous lumiere polarisee ou apres une attaque chromique. On a determine un taux de recristallisation. Le taux de recristallisation est defini comme la fraction de surface occupee par des grains recristallises. Pour tous les echantillons le taux de recristallisation etait de 100%. Les echantillons ont ete testes mecaniquement afin de determiner leurs proprietes mecaniques statiques ainsi que leur resistance a la propagation des fissures. La limite d'elasticite en traction, la resistance ultime et 1'allongement a la rupture sont fournis dans le tableau 5. 20 Tableau 5: Propri~t~s mecaniques des echantillons Echantillon Epaisseur Sens L Sens L-T 45 Echantillon Epaisseur Rm Rpo,2 E Rm Rpo,2 E ( %) Rm Rpo,2 E (MPa) (MPa) ( %) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) ( %) A#1 4,5 573 549,3 11 559 528 12 A#2 6,7 559 537,2 11,3 553 529 10,92 493,8 459,2 15,3 4 B 5 409 373 14,2 396 344 13,2 398 348 14 C 5 439 414 14 434 386 11,9 433 387 13,1 D 5 295 228 15,8 21

Les proprietes mecaniques statiques des echantillons selon 1'invention sont comparables a celles d'un alliage classique de la gamme 2XXX tolerant aux dommages, et sont inferieures a celles des alliages a resistance elevee tels que le 7475 ou le 2098 (A). La resistance de 1'alliage de comparaison B est inferieure a celle de 1'alliage selon 1'invention (C), ce qui est peut-titre lie a. 1'absence d'argent clans 1'alliage de comparaison B. Les inventeurs considerent que la teneur en cuivre et i.e teneur en zirconium inferieures de 1'echantillon selon 1'invention expliquent la resistance plus faible comparativement a 1'alliage 2098 (echantillon A). L'anisotropie de l'echantillon C selon 1'invention est tres faible, la limite d'elasticite en traction a 45 est legerementsuperieure a la limite d'elasticite en traction clans le sens L-T. En comparaison, elle est 15 % inferieure a 45 que dans le sens L-T pour 1'echantillon de reference A (AA2098). Les proprietes mecaniques statiques inferieures comparees avec un alliage tel que le AA2098 sont cependant compensees par des proprietes de tenacite elevee. Les courbes R des echantillons A#l, B et C sont fournies sur les figures 1 et 2, pour les directions T-L et L-T, respectivement. La figure 1 montre clairement que 1'extension de fissure du dernier point valide de la courbe R (Aaeff(max)) est beaucoup plus grande pour 1'echantillon C de 1'invention que pour 1'echantillon de reference A#l. Ce parametre est au moms aussi critique que les valeurs Kapp du fait que, comme explique dans la description de 1'art anterieur, la longueur de la courbe R est un parametre important pour la conception du fuselage. La figure 2 montre la meme tendance, mais la difference est plus faible car la direction L-T donne intrinsequement de meilleurs resultats. Le tableau 6 resume les resultats des essais de tenacite.

Tableau 6: R~sultats des essais de t~nacit~ T-L (eprouvette de L-T (eprouvette de largeur 760 mm) largeur 760 mm) Echantillon Epaisseur Kapp Keff Kapp Keff [mm] (MPa"im) (MPa'lm) (MPaim) (MPa'im) A#1 4,5 154 174 148 188 A#2 6,7 103 112 123 143 B 5,0 143 209 161 232 C 5,0 143 200 172 247 Les resultats issus de la courbe R sont regroupes dans le tableau 7. L'extension de fissure du dernier point valide de la courbe R est superieure pour 1'echantillon C de 1'invention que pour 1'echantillon A#1 de reference. Les inventeurs considerent que plusieurs raisons peuvent titre proposees pour expliquer cette performance. D'une maniere inattendue, 1'absence de Zr peut contribuer, directement ou indirectement, de fagon majeure aux performances en termes de tenacite.

Tableau 7. Donnees de resume de la courbe R 4a [mm] 10 20 30 40 50 60 70 80 Kr A#1 125 161 - - - (Direction B 102 128 147 162 176 188 199 210 T-L) G 101 130 150 166 179 190 200 209 (MPa= ~) Kr A#1 115 141 159 174 185 (Direction B 106 139 162 181 197 211 224 236 L-T) C 123 154 177 196 212 227 241 254 [MPa~] Les figures 3 et 4 montrent 1' evolution de la vitesse de fissuration clans 1'orientation T-L et L-T, respectivement, lorsque 1'amplitude du facteur d'intensite de contrainte varie. La largeur de 1'echantillon etait de 400 mm (eprouvette CCT 400) et R = 0,1. On n'observe pas de difference majeure entre les echantillons; A, B et C. La vitesse de fissuration de 1'echantillon C est clans la meme gamme que clans celle typiquemerit obtenue pour les alliages AA6156 et AA2056. La resistance a la corrosion intergranulaire des echantillons A#1, B et C a ete testee selon la norme ASTM G110. Pour tous les echantillons, on n'a detecte aucune corrosion intergranulaire. La resistance a la corrosion intergranulaire etait ainsi elevee pour les echantillons selon 1'invention. D'autres avantages, caracteristiques et modifications apparaitront facilement a 1'homme du metier. Par consequent, 1'invention dans ses plus larges aspects n'est pas limitee aux details specifiques, ni aux dispositifs representatifs, montres et decrits ici. Par consequent, diverses modifications peuvent titre effectuees sans sortir de 1'esprit ou de la portee du concept inventif general tel que defini par les revendications annexees et leurs equivalents.

Claims

REVENDICATIONS

1. Alliage a base d'aluminium comprenant 2,1 a 2,8 % en poids de Cu, 1,1 a 1,7 % en poids de Li, 0,1 a 0,8 % en poids de Ag, 0,2 a 0,6 % en poids de Mg, 0,2 a 0,6 % en poids de Mn, une quantite de Fe et de Si inferieure ou egale a 0,1 % en poids chacun, et des impuretes inevitables a une teneur inferieure ou egale a 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, 1'alliage etant sensiblement exempt de zirconium, ce qui signifie que la teneur en zirconium est inferieure a 0,04% en poids.

2. Alliage d'aluminium selon la revendication 1, comprenant 2,2 a 2,6 % en poids de Cu, 1,2 a 1,6 % en poids de Li, 0,2 a 0,6 % en poids de Ag, 0,3 a 0,5 % en poids de Mg, 0,2 a 0,5 % en poids de Mn.

3. Alliage d'aluminium selon la revendication 1, comprenant 2,3 a 2,5 % en poids de Cu, 1,3 a 1,5 % en poids de Li, 0,2 a 0,4 % en poids de Ag, 0,3 a 0,4 % en poids de Mg, 0,3 a 0,4 % en poids de Mn.

4. Alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 a 3 dans lequel la teneur en zirconium est inferieure a 0,03% en poids et de preference inferieure a 0,01% en poids.

5. Alliage d'aluminium selon les revendications 1 a 4, compose uniquement des elements cites dans les proportions citees. 25

6. Produit lamine, extrude ou forge comprenant un alliage selon 1'une quelconque des revendications 1 a 5.

7. Produit selon la revendication 6 dont le taux de recristallisation est superieur a 80%.

8. Procede de fabrication d'une tole en alliage d'aluminium possedant une resistance et une tenacite elevees, clans lequel (a) on coule une plaque comprenant 2,1 a 2,8 % en poids de Cu, 1,1 a 1,7 % en poids de Li, 0,1 a 0,8 % en poids de Ag, 0,2 a 0,6 % en poids de Mg, 0,2 a 0,6 % en poids de Mn, une quantite de Fe et de Si inferieure ou et des impuretes inferieure ou egale 0,15% en poids egale a 0,1 % en poids chacun, inevitables a une teneur a 0,05% en poids chacune et au total, 1'alliage etant sensiblement exempt de zirconium, (b) on homogeneise ladite plaque a 480 a 520 C pendant 5 a 60 heures, (c) on lamine a chaud ladite plaque en une tole, avec une temperature initiale de laminage de 450 a 490 C, et optionnellement on lamine a froid ladite tole, (d) on met en solution ladite tole a 480 a 520 C pendant 15 minutes a 4 heures, (e) on trempe ladite tole, (f) on tractionne de fawn controlee ladite tole avec une deformation permanente de 1 a 5 %, 26 (g) on realise un revenu de ladite tole par chauffage a :140 a 170 C pendant 5 a 30 heures.

9. Procede selon la revendication 8, clans lequel lesdites plaques ne se composent que des elements cites dans les proportions citees.

10.Produit lamine fabrique par le procede de la revendication 8 ou 9, comprenant (a) une limite d'elasticite Rpo,2 dans le sens L d'au moires 390 MPa et de preference d'au moires 400 MPa, (b) une limite d'elasticite a 45 par rapport au sens du laminage au moires egale a la limite d'elasticite dans le sens L-T, (c) une tenacite en contrainte plane Kapp, mesuree sur des eprouvettes de type CCT760 (2ao = 253 mm), d'au moires 100 MPa et de preference d'au moires 120 MPa ,dans le sens T-L, (d) et une extension de fissure du dernier point valide de la courbe R Laeff(max) dans la direction T-L d'au moires 60 mm et preferentiellement d'au moires 80 mm.

11.Panneau de fuselage d'aeronef comprenant au moires un produit lamine selon la revendication 10.

12. Element de structure destine a une construction aeronautique comprenant au moires un produit selon la revendication 6 ou 10.25