FR2900160A1 - Procede de fabrication d'un element de structure pour construction aeronautique comprenant un ecrouissage differentiel - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément de structure multi-fonctionnel monolithique en alliage d'aluminium comprenant une étape de transformation à chaud caractérisé en ce que postérieurement à la transformation à chaud il comprend également au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones de l'élément de structure des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%.L' invention permet la fabrication d'éléments de structure, notamment utiles pour la construction aéronautique, présentant des propriétés d'emploi variables dans l'espace tout en présentant des caractéristiques géométriques identiques à celles des éléments actuels. Le procédé selon l'invention est économique et contrôlable et permet notamment de faire varier des propriétés d'emploi pour des pièces ne subissant pas de revenu.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ELEMENT DE STRUCTURE POUR CONSTRUCTION

AERONAUTIQUE COMPRENANT UN ECROUISSAGE DIFFERENTIEL Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne les produits corroyés et les éléments de structure, notamment pour construction aéronautique, en alliage d'aluminium. Ces produits 10 peuvent être des produits laminés (tels que des éléments de structure minces, éléments de structure moyennes, élément de structure épaisses), des produits filés (tels que des barres, profilés, tubes ou fils), et des produits forgés.

Etat de la technique 15 Les éléments structuraux monolithiques métalliques à propriétés variables dans l'espace présentent un intérêt considérable dans le contexte actuel de l'industrie aéronautique. En effet, les éléments structuraux sont soumis à un faisceau de contraintes contradictoires qui nécessitent des choix particuliers sur les matériaux et les conditions de 20 transformation ce qui peut conduire à des compromis peu satisfaisants. De plus, le remplacement des étapes d'assemblage mécanique, longues et coûteuses par des étapes plus économiques d'usinage intégral d'éléments monolithiques se trouve limité par la possibilité d'obtenir au sein d'un élément monolithique les propriétés les plus avantageuses dans chaque zone géométrique. Il serait donc très intéressant de réaliser 25 des éléments structuraux monolithiques ayant des propriétés variables dans l'espace de façon à obtenir dans chaque zone un compromis optimal de propriétés tout en bénéficiant des avantages économiques des procédés d'usinage intégral. Cependant, aucun procédé de fabrication d'élément structural monolithique métallique à propriétés variables dans l'espace n'a été industrialisé à ce jour car de nombreux problèmes de 30 coût et de fiabilité sont rencontrés. Ainsi, plusieurs procédés ont été proposés dans l'art antérieur pour réaliser des éléments structuraux monolithiques métalliques à propriétés variables dans l'espace.

Une première solution proposée est de réaliser, lors du revenu, un traitement thermique différent entre les extrémités de l'élément structural. FR 2 707 092 (Pechiney Rhenalu) décrit un procédé de fabrication de produits à durcissement structural possédant des propriétés variables de façon continue dans au moins une direction dans lequel le revenu est effectué en portant une des extrémités du produit à une température T et l'autre extrémité à une température t dans un four spécifique comprenant une chambre chaude et une chambre froide reliées par une pompe à chaleur. WO 2005/098072 (Pechiney Rhenalu) décrit un procédé de fabrication dans lequel au moins une étape du traitement de revenu est effectuée dans un four à profil thermique contrôlé comportant au moins deux zones ou groupes de zones Z1 et Z2 avec des températures initiales T1 et T2 dans lequel la longueur des deux zones est d'au moins un mètre. Ces procédés limitent les variations de propriétés à des propriétés pouvant être modifiées de façon compatible lors d'un revenu. Dans le cas des alliages sans traitement thermique, ce type de procédé ne peut pas être utilisé. De même, dans le cas des alliages de la famille 2XXX, pour lesquels il existe de nombreuses pièces vendues à l'état T3 ou T4 (non revenu) il n'est pas possible d'obtenir des éléments ayant des propriétés variables par ce procédé.

Dans une autre approche, il a été proposé de souder deux pièces en alliages différents avant d'usiner la pièce résultante. L'élément structural obtenu, même s'il présente une continuité de matière et des propriétés variables dans l'espace, ne peut cependant pas être considéré comme un élément structural monolithique en raison de la zone soudée. La demande PCT WO 98/58759 (British Aerospace) décrit ainsi une billette hybride formée à partir d'un alliage 2000 et d'un alliage 7000 par soudage par friction-malaxage à partir de laquelle est usiné un longeron. La demande de brevet EP 1 547 720 Al (Airbus UK) décrit une méthode d'assemblage par soudage de deux pièces typiquement obtenues à partir d'alliages différents de façon à réaliser après usinage une pièce structurale pour des applications aéronautiques telles qu'un longeron.

Dans l'industrie aéronautique, le problème est en partie résolu en faisant localement varier l'épaisseur des éléments structuraux à propriétés homogènes dans l'espace de façon à leur permettre de résister au niveau local de contrainte. La variation d'épaisseur est généralement obtenue par assemblage ou par usinage. CA 2 317 366 (Airbus Deutschland) décrit par exemple la fabrication d'éléments de fuselage par soudage de tôles de diverses épaisseurs. On peut aussi envisager d'obtenir directement par laminage des tôles d'épaisseur variable de façon à éviter les étapes d'assemblage et les problèmes techniques et économiques associés. Des variations d'épaisseur sont envisageables dans la direction longitudinale ou la direction transverse (voir par exemple R. Kopp, C. Wiedner et A. Meyer, International Sheet Metal Review, Juillet/Août 2005, p20-24).

La réalisation de tôles à épaisseur variable a par ailleurs été envisagée par diverses méthodes pour résoudre d'autres problèmes techniques. Les bandes sur mesure ( tailored blanks ) sont ainsi connues dans la sidérurgie et permettent d'économiser de la matière lors des étapes de mise en forme. JP 11-192502 (Nippon Steel) décrit ainsi un procédé permettant d'obtenir une bande 15 d'acier, dont l'épaisseur et les caractéristiques mécaniques statiques varient dans la largeur. WO 00/21695 (Thyssen Krupp) décrit un procédé permettant d'obtenir des sections d'épaisseur variable dans la direction du laminage au sein d'une bande métallique, ces sections présentant des propriétés mécaniques différentes. 20 La modification de la géométrie des tôles, si elle se justifie pour réaliser des économies de matière présente cependant des inconvénients en terme de fabrication, de contrôle, de manutention et ne permet pas un transfert rapide direct vers les procédés existants chez les avionneurs.

25 Le problème auquel répond la présente invention est de développer un procédé pour la fabrication d'éléments de structure monolithiques en alliage d'aluminium, notamment pour la construction aéronautique, présentant des propriétés d'emploi variables dans l'espace tout en présentant des caractéristiques géométriques identiques à celles des éléments actuels, qui soit suffisamment économique et contrôlable et qui permette 30 avantageusement de faire varier dans l'espace les propriétés d'emploi d éléments de structure dont le procédé de fabrication ne nécessite pas de revenu.

Objet de l'invention

Un premier objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'un élément de structure multi-fonctionnel monolithique en alliage d'aluminium comprenant une étape de transformation à chaud caractérisé en ce que postérieurement à la transformation à chaud il comprend également au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones de l'élément de structure des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%.

Un deuxième objet de l'invention est un élément de structure en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention. Un troisième objet de l'invention est un élément de structure en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention.

Description des figures La figure 1 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction Lsubissent des déformations plastiques différentes par traction contrôlée grâce à un déplacement des mors du banc de traction. La figure 2 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction L subissent des déformations plastiques différentes par traction contrôlée grâce à une variation de la section. La figure 3 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction L subissent des déformations plastiques différentes par laminage à froid grâce à une variation de l'épaisseur avant laminage.

La figure 4 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position différente dans la direction 1 subissent des 4 déformations plastiques différentes par laminage à froid grâce à une variation de l'épaisseur avant laminage. La figure 5 montre de manière schématique un mode de réalisation de l'invention dans lequel trois zones situées à une position subissent des déformations plastiques 5 différentes par compression.

Description de l'invention a) Terminologie Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des 10 alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une expression mathématique, 0,4 Zn signifie : 0,4 fois la teneur en zinc, exprimée en pourcent massique ; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques et les traitements thermiques sont définis 15 dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture Rn,, la limite élastique Rpo,2, et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant 20 définis dans la norme EN 485-1. La ténacité K1c est mesurée selon la norme ASTM E 399. Sauf mention contraire. les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent, en particulier on appelle alliage sans traitement thermique un alliage qui ne peut être durci de façon substantielle par un traitement thermique et alliage à 25 traitement thermique un alliage qui peut être durci par un traitement thermique approprié. Le terme tôle est utilisé ici pour des produits laminés de toute épaisseur. Par déformation plastique à froid on entend ici une déformation plastique pour laquelle le métal n'est volontairement chauffé ni avant d'être déformé ni au cours de la 30 déformation. Il existe plusieurs types de déformations plastiques à froid, notamment le laminage à froid, la traction contrôlée (planage), le tréfilage, l'étirage, le matriçage, l'emboutissage, le pliage, la compression et le forgeage à froid.

Le taux d'écrouissage est défini dans le cas du laminage d'une épaisseur eo à une épaisseur e par T(%) = (eo --e)/e et dans le cas de la traction d'une longueur Lo à une longueur L par i(%) = (L-Lo)/Lo . La déformation plastique généralisée est connue de l'homme du métier, elle est définie par exemple dans le manuel Mise en forme des métaux û Calculs sur la plasticité de P. Baque, E. Felder, J. Hyafil et Y. D'Escatha aux éditions Dunod, Paris (1973) ou dans l'ouvrage Mise en forme des métaux et alliages , textes rassemblés par B. Baudelet, édité par les éditions du CNRS, 1976, Paris. Par convention, la déformation généralisée est la mesure de l'amplitude de déformation et on prend comme valeur de la déformations celle qui correspond à un essai de traction simple d'après le critère dé=3 [(deûdez)2+(dezûdei +(de3ûde)2}/2 où de , dez et dei sont les déformations principales élémentaires. Dans le cas d'une déformation plastique, la variation de volume est nulle et on a donc de +de + dei = O. La déformation plastique généralisée est additive pour différentes 15 étapes successives de déformation plastique. Dans le cas du laminage d'une épaisseur eo à une épaisseur e, où la déformation est plane ( des =0, dez = ), la déformation plastique généralisée est égale à s (%) = (2/J3)ln(eo /e ). Dans le cas de la traction d'une longueur lo à une longueur 1, la déformation plastique 20 généralisée est égale à E(%) = ln(l / lo ). Dans le cas de la compression d'une longueur lo à une longueur 1, la déformation plastique généralisée est égale à s(%) = ln(lo /1 ) On appellera ici déformation plastique généralisée moyenne, la moyenne de la déformation plastique généralisée dans un volume donné. 25 Le terme usinage comprend tout procédé d'enlèvement de matière tel que le tournage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, l'électroérosion, la rectification, le polissage, l'usinage chimique. Le terme produit filé comprend également les produits qui ont été étirés après filage, 30 par exemple par étirage à froid à travers une filière. Il comprend également les produits tréfilés.

Le terme élément de structure se réfère à un élément utilisé en construction mécanique pour lequel les caractéristiques mécaniques statiques et / ou dynamiques ont une importance particulière pour la performance et l'intégrité de la structure, et pour lequel un calcul de la structure est généralement prescrit ou effectué. Il s'agit typiquement d'une pièce mécanique dont la défaillance est susceptible de mettre en danger la sécurité de ladite construction, de ses utilisateurs, de ses usagers ou d'autrui. Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments qui composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons étanches (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 l'empennage composé notamment de stabilisateurs horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams), les rails de sièges (seat trucks) et les portes.

Le terme élément de structure monolithique se réfère à un élément de structure qui a été obtenu à partir d'une seule pièce de demi-produit laminé, filé, forgé ou moulé, sans assemblage, tel que rivetage, soudage, collage, avec une autre pièce. Le terme élément de structure multi-fonctionnel se réfère ici principalement aux fonctions conférées par les caractéristiques métallurgiques du produit et non pas par sa 20 forme géométrique.

b) Description détaillée de l'invention Selon l'invention, le problème est résolu par un procédé de fabrication d'un élément de structure qui comprend au moins une étape de déformation plastique à froid postérieure 25 à la transformation à chaud, dans laquelle au moins deux zones de l'élément de structure subissent des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2%, préférentiellement d'au moins 3% et encore plus préférentiellement d'au moins 4% ou même 5%. Les zones considérées ont un volume significatif par rapport au volume total de l'élément de structure. Avantageusement, le volume des zones 30 considérées représente au moins 5% et préférentiellement au moins 10% du volume total de l'élément de structure.

De façon avantageuse, le procédé selon l'invention comprend au moins deux étapes de transformation par déformation plastique à froid postérieures à la transformation à chaud. Le procédé selon l'invention permet avantageusement, à l'issue de l'ensemble des étapes de transformation, de réaliser des éléments ayant une dimension principale ou longueur finale Lf dans la direction principale L et une section finale dans le plan perpendiculaire à cette direction Sf. De manière préférée, la section Sf est sensiblement constante en tout point de l'élément. Dans le cas où l'élément est une tôle de longueur finale Lf, de largeur finale If et d'épaisseur finale ef, il est avantageux que l'épaisseur ef soit sensiblement constante en tout point. Dans le cas où l'élément est un produit filé de longueur L et de forme complexe il est avantageux que la forme soit identique en tout point de la longueur. Un usinage peut constituer une étape finale du procédé selon l'invention de façon à obtenir une section finale et/ou une épaisseur finale sensiblement constantes en tout 15 point. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour élaborer des éléments structuraux, notamment des tôles et des profilés, en tout alliage d'aluminium de corroyage. En particulier, l'invention peut être utilisée avec des alliages sans traitement thermique tels que les alliages 1XXX, 3XXX, 5XXX et certains alliages de la série 8XXX, et de façon 20 particulièrement avantageuse avec des alliages 5XXX contenant du scandium, à une teneur préférée de 0,001 à 5% en poids et de façon encore plus préférée de 0,01 à 0,3% en poids. Les différences de propriétés mécaniques résultant des différences de corroyage obtenues par le procédé selon l'invention confère aux éléments de structure en alliage sans traitement thermique selon l'invention un caractère multi-fonctionnel. 25 Dans une autre réalisation avantageuse de l'invention, on utilise un alliage d'aluminium à traitement thermique et on réalise entre la transformation à chaud et la première transformation par déformation plastique à froid une étape de mise en solution, une étape de trempe et, optionnellement une étape de revenu postérieure aux étapes de transformation par déformation plastique à froid . En particulier, l'invention peut être 30 utilisée pour élaborer des éléments structuraux en alliage d'aluminium des séries 2XXX, 4XXX, 6XXX et 7XXX, ainsi qu'en alliage à durcissement structural de la série 8XXX contenant du lithium. Dans le cas des alliages de la série 2XXX, on peut utiliser un revenu pour obtenir par exemple un état T8X ou au contraire utiliser un vieillissement naturel vers un état T3X. L'invention est particulièrement avantageuse pour la réalisation d'éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X. L'invention permet de réaliser des éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X caractérisé en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés physiques et mécaniques (mesurées à mi-épaisseur) sélectionnées dans le groupe formé de (i) Z1 : Rm(L) > 500 MPa et préférentiellement Rm(L) > 520 MPa et Z2 : A(L)(%) > 16% et préférentiellement A(L)(%) > 18% (ii) Z1 : Rm(L) > 450 MPa et préférentiellement Rm(L) > 470 MPa et Z2 : A(L)(%) > 18% et préférentiellement A(L)(%) > 20% (iii) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa et Z2 : A(L)(%) > 10% et préférentiellement A(L)(%) > 14% (iv) Z1 : Rm(L) > 550 MPa et préférentiellement Rm(L) > 590 MPa et Z2 : K1c(L-T) > 45 MpaJm et préférentiellement K1e(L-T) > 55 MpaVm. On peut aussi obtenir des éléments de structure en alliage 2XXX à l'état T3X caractérisés en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possèdant des propriétés physiques et mécaniques (mesurées à mi-épaisseur) dans lesquelles : (i) Rpo,2, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rpo,2(Z1) û Rpo,2(Z2) d'au moins 50 MPa et préférentiellement d'au moins 70 MPa et/ou (ii) Rm, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rm(Z 1) û Rm(Z2) d'au moins 20 MPa et préférentiellement d'au moins 30 MPa et/ou (iii) K1,, mesuré dans le sens L-T présente un écart Kie (Z1) ù K1c (Z2) d'au moins 5 MPaim et préférentiellement d'au moins 15 MPaNim.

L'invention permet également d'obtenir des éléments de structure en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X caractérisés en ce qu'ils contiennent au moins deux zones Z1 et Z2 possédant des propriétés physiques et mécaniques sélectionnées dans le groupe formé de (i) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa et Z2 : A(L)(%) > 8 % et préférentiellement A(L)(%) > 9 % (ii) Z1 : R,,,(L) > 640 MPa et préférentiellement Rm(L) > 650 MPa et Z2 : A(L)(%) > 7 % et préférentiellement A(L)(%) > 8 % (iii) Z1 : R,,,(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa et Z2 : K1,(L-T) > 25 Mpa-\/m et préférentiellement K1,(L-T) > 30 5 Mpa.\im

Dans le cas des alliages de la série 7XXX, la déformation plastique à froid réalisée après les étapes de mise en solution et trempe permet de modifier la cinétique de revenu. Ainsi, les zones subissant des déformations plastiques généralisées moyennes 10 différentes atteindront lors du revenu des états métallurgiques différents ce qui conférera à l'élément de structure un caractère multi-fonctionnel. Dans une réalisation avantageuse de l'invention s'appliquant à tous les alliages à traitement thermique subissant un revenu, on effectue le revenu dans un four présentant un gradient de température de façon à amplifier les différences de propriétés entre les extrémités de 15 l'élément de structure. Dans une première variante de l'invention, les au moins deux zones de l'élément de structure subissant des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2 % sont situées à une position différente dans la direction principale L. Dans ce cas, les zones considérées ont de manière avantageuse une section Sz dans le plan 20 perpendiculaire à la direction L égale à la section de l'élément de structure dans ce plan. En particulier, lorsque la section Sf, de l'élément de structure est sensiblement constante la section Sz est de manière avantageuse sensiblement égale à Sf. Dans cette première variante, la longueur desdites zones dans la direction L est préférentiellement d'au moins lm et de manière préférée d'au moins 5m. 25 De manière avantageuse, le procédé selon l'invention comporte dans la première variante au moins une étape de déformation plastique à froid par traction contrôlée. La traction contrôlée est de manière habituelle utilisée pour réaliser un planage ou un redressage de l'élément de structure et pour libérer les contraintes résiduelles. Dans un mode de réalisation de l'invention, une étape de traction contrôlée dans laquelle une des 30 extrémités de l'élément de structure déborde significativement des mors du banc de traction, peut également être utilisée pour générer des déformations plastiques généralisées moyennes différentes entre deux zones de l'élément de structure.

La figure 1 illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel 3 étapes de traction contrôlée sont réalisées successivement. L'élément structural (2) de longueur initiale utile (c'est dire située entre les mors) Lo est dans une première étape tractionné dans son ensemble ce qui permet de le planer et/ou de le redresser. Il atteint ainsi une première longueur intermédiaire Lit et la déformation plastique généralisée moyenne est égale à si(%) = ln(Li1 / Lo ) pour la partie (21) de l'élément (2). Au moins un des mors (1) du banc de traction est alors déplacé comme indiqué sur la figure 1, de façon à ce que l'une des extrémités de l'élément structural déborde significativement des mors et que la longueur de l'élément comprise entre les mors soit L1. Une seconde étape de traction contrôlée est alors effectuée sur la zone de l'élément structural située entre les mors de façon à obtenir une seconde longueur intermédiaire Lie de l'élément et donc de faire passer la zone (22) comprise entre les mors de la longueur L1 à la longueur Lie ù Li1 + L1. Cette zone subit donc au cours de la deuxième étape une déformation généralisée moyenne égale à s:(%) = ln((Li2 ù Lil + LI) / L1 ). Optionnellement, au moins un des mors peut à nouveau être déplacé de façon à réaliser au moins une troisième étape de traction sur une portion de longueur L2. Dans le cas schématisé sur la figure 1 cette troisième étape permet d'obtenir une longueur finale Lf et la zone (23) située entre les mors voit sa longueur augmentée de Lf ù Li2 et subit donc au cours de cette troisième étape une déformation généralisée moyenne égale à s3(%) = ln((Lf ù Lie + L2) / L2 ). Les trois étapes de déformation permettent ainsi de définir trois zones Z11, Z12 et Z13 dont la déformation plastique généralisée moyenne est, respectivement de si, si + e2 et si + e2 + s3. L'opération peut être répétée autant de fois que nécessaire de façon à obtenir une différence de déformation plastique généralisée moyenne d'au moins 2 % entre au moins deux zones situées à une position différente dans la direction principale L. Le procédé utilisant des tractions successives décrit par la figure 1 peut être appliquée aux tôles comme aux produits filés. La figure 2 décrit un autre mode de réalisation de la première variante de l'invention. Dans ce mode de réalisation, on réalise par cisaillage, rivage, usinage ou toute autre méthode appropriée une tôle ou un profilé ayant une section variable dans la direction de la longueur L. Dans la figure 2, l'élément a une longueur initiale Lo et trois zones de section différentes SI, S2 et S3. Lors de l'étape de traction, les déformations subies par ces zones sont différentes. Dans un autre mode de réalisation de l'invention s'appliquant de manière préférée à la fabrication de tôles, au moins une étape de déformation plastique à froid est une 5 compression. Ce mode de réalisation est illustré par la figure 5. Dans encore un autre mode de réalisation de la première variante de l'invention ne s'appliquant qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est variable à l'entrée du laminoir et sensiblement constante à la sortie du laminoir. La figure 3 illustre un mode 10 de réalisation dans lequel une tôle présentant trois zones Z31, Z32 et Z33 d'épaisseurs respectives el, e2 et e3 et une longueur initiale La subit une étape de laminage à froid entre deux cylindres (5) conduisant à une épaisseur finale ef. Les déformations plastiques généralisées moyennes subies par les différentes zones Z31, Z32 et Z33 sont respectivement E1(%) = (2//3)ln(ei / ef), E2(%) = (2/"J3)ln(e2 / ef) et s3(%) = (2/13)ln(e3 / 15 ef). La tôle présentant une épaisseur variable dans la direction L nécessaire dans le mode de réalisation décrit par la figure 3 peut-être obtenue par exemple en modifiant en cours de laminage à chaud le visé d'épaisseur. Dans un autre mode de réalisation, cette tôle d'épaisseur variable peut être obtenue par usinage d'une tôle d'épaisseur constante issue 20 de l'étape de laminage à chaud. La figure 3 décrit un mode de réalisation dans lequel la variation d'épaisseur est obtenue sur une seule face, l'autre face restant plane. On peut également faire varier l'épaisseur sur les deux faces et ne pas garder de face plane. Dans encore un autre mode de réalisation, de la première variante de l'invention qui ne s'applique qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape 25 de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable dans la direction L à la sortie du laminoir et une étape subséquente d'usinage qui permet d'obtenir une épaisseur sensiblement constante en tout point. Dans une seconde variante de l'invention uniquement destinée à la fabrication de 30 tôles ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversaleou de largeur dans la direction 1 et une dimension d'épaisseur dans la direction e, les zones de l'élément de structure subissant des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2 % sont situées à une position différente dans la direction transversale 1. Dans ce cas, les zones considérées ont de manière avantageuse une épaisseur ez dans la direction de l'épaisseur e égale à l'épaisseur de l'élément de structure. En particulier, lorsque l'épaisseur ef, de l'élément de structure est sensiblement constante, l'épaisseur ez est de manière avantageuse sensiblement égale à ef. Dans cette seconde variante, la largeur desdites zones est préférentiellement d'au moins 0,2 m et de manière préférée d'au moins 0,4 m. Dans un mode de réalisation de cette seconde variante, le procédé selon l'invention comporte une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est variable dans la direction transversale 1 à l'entrée du laminoir et est sensiblement constante à la sortie du laminoir. La variation d'épaisseur de la tôle peut être notamment obtenue par laminage à chaud, par usinage ou par forgeage. Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 4, où une tôle dont l'épaisseur est de et pour les zones situées aux extrémités de l'élément dans direction l est de e2 pour la zone située au centre dans la direction l est laminée dans la direction L jusqu'à une épaisseur sensiblement homogène ef. Les déformations plastiques généralisées moyennes subies par les différentes zones Z41, Z42 et Z43 sont respectivement s,(%) = (2h/3)ln(et / ef), s2(%) _ (2/'13)ln(e2 / ef) et s3(%) = si(%) = (2/I3)ln(el / ef). La réalisation dans laquelle les zones Z41 et Z43 ont la même épaisseur initiale est avantageuse, cependant un mode de réalisation dans lequel les épaisseurs sont différentes est également possible. Dans encore un autre mode de réalisation, de la seconde variante de l'invention qui ne s'applique qu'à la fabrication de tôles, le procédé selon l'invention comprend une étape de laminage à froid dans laquelle l'épaisseur de la tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable dans la direction l à la sortie du laminoir et une étape subséquente d'usinage qui permet d'obtenir une épaisseur sensiblement constante en tout point. La figure 5 décrit un autre mode de réalisation dans laquelle une compression est réalisée à l'aide d'un outil (6) se déplaçant dans la direction symbolisée par une flèche.

Au cours d'une première étape, l'épaisseur est réduite de eo à el, puis au cours d'une deuxième étape de el à e2 sur une partie de l'élément de structure, puis enfin au cours d'une troisième étape de e2 à e3, ce qui définit trois zones Z51, Z52 et Z53. Une étape finale d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale ef sensiblement égale en tout point. On peut également usiner la tôle à des épaisseurs différentes puis la compresser de façon à obtenir une épaisseur constante en tout point.

Exemple 1:

Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 25 mm en alliage AA2023. On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et d'une épaisseur de 28,2 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage. La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 1 ci-dessous : Tableau 1 : composition de la plaque de laminage en alliage 2023 (% en masse) Si Fe Cu Mg Ti Zr Sc 0,06 0,07 3,81 1,36 0,024 0,11 0,03 La plaque de laminage a été homogénéisée pendant 12 heures à 500 C. La température 15 d'entrée du laminage à chaud était de 460 C. Après laminage à chaud, la tôle a été usinée comme indiqué sur le figure 3 de façon à obtenir trois zones Z31, Z32 et Z33, d'une longueur égale à 10 mètres ayant les épaisseurs suivantes : zone Z31 : 28,1 mm 20 zone Z32 : 26,3 mm zone Z33 : 25,5 mm La tôle a alors été mise en solution à 500 C et trempée. La tôle a ensuite été laminée à froid, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 25,5 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec 25 un allongement permanent d'environ 2 %. L'étape de laminage a conduit la zone Z31 à atteindre une longueur de 11 mètres environ Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous : Tableau 2. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z31, Z32 et Z33. Zone Taux Taux Taux Déformation Déformation Déformation d'écrouissage d'écrouissage d'écrouissage généralisée généralisée généralisée par laminage par traction total par laminage par traction totale Z31 10,2% 2,0% 12,4% 11, 2% 2,0% 13,2% Z32 3,1% 2,0% 5,2% 3,6% 2,0% 5,6% Z33 0,0% 2,0% 2,0% 0,0% 2,0% 2,0% Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z31, Z32 et Z33 de façon à caractériser 5 la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 3, ci-dessous :

Tableau 3 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z31, Z32 et Z33. Zone Sens L Sens LT Rm Rp0,2 A (%) Rm Rp0,2 A (%) (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) _ Z31 533 464 12.3 499 414 17.0 Z32 509 422 17.0 468 364 22.4 Z33 504 388 20.6 465 335 24.1 10 Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z31, Z32 et Z33. Ainsi, la zone Z31 est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement limité tandis que la zone Z33 se distingue par un allongement important mais pour une résistance mécanique statique plus faible. 15 Exemple 2: Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 15 mm en alliage AA2024A. On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et 20 d'une épaisseur de 16,8 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage. La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 4 ci-dessous : Tableau 4 : composition de la plaque de laminage en alliage 2024A (% en masse) Si Fe Cu Mn Mg Ti 0,04 0,07 3,96 0,38 1,29 0,013 La plaque de laminage a été homogénéisée puis laminée à chaud. Après laminage à chaud, la tôle a été usinée comme décrit sur la figure 3 de façon à obtenir trois zones Z31, Z32 et Z33, d'une longueur égale à 10 mètres ayant les 5 épaisseurs suivantes : zone Z31 : 16,7 mm zone Z32 : 15,9 mm zone Z33 : 15,3 mm La tôle a alors été mise en solution à 500 C et trempée. 10 La tôle a ensuite été laminée à froid, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 15,3 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec un allongement permanent d'environ 2 %. L'étape de laminage a conduit la zone Z31 à atteindre une longueur de 10,9 mètres environ 15 Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 5 ci-dessous : Tableau 5. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z31, Z32 et Z33. Zone Taux Taux Taux Déformation Déformation Déformation d'écrouissage d'écrouissage d'écrouissage généralisée généralisée généralisée par laminage par traction total par laminage par traction totale Z31 9,2% 2 % 11,3% 10,1% 2,0% 12,1% _ _ 3,9% 2 % 6,0% 4,4% 2,0% 6,4% Z32 Z33 0,0% 2 % 2,0% 0,0% 2,% 2,0% 20 Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z31, Z32 et Z33 de façon à caractériser la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 6, ci-dessous :

Tableau 6 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z31, Z32 et Z33. Zone Sens L Sens LT - Rn, Rpo,2 A (%) Rn, Rpo.2 A (%) (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) Z31 477 437 16,8 495 416 13.0 Z32 467 414 17,9 481 390 15,6 Z33 444 360 23,4 467 337 18,5 Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z31, Z32 et Z33. Ainsi, la zone Z31 est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement limité tandis que la zone Z33 se distingue par un allongement important mais pour une résistance mécanique statique plus faible.

Exemple 3: Dans cet exemple, on a obtenu un profilé ayant des propriétés variables dans l'espace de 10 section 170 x 45 mm en alliage 2027. On a fabriqué un profilé d'une longueur de 15 mètres, d'une section de 170 x 45 mm par extrusion à chaud d'une billette de filage. La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 7 ci-dessous : Tableau 7 : composition de la plaque de laminage en alliage 2027 (% en masse) Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr 0,11 4,2 0,6 1,3 0,06 0,02 0,11 15 La billette de filage a été homogénéisée à 490 C et extrudée à chaud. Après filage, le profilé a été mis en solution à 500 C et trempé. Il a alors subi une première étape de traction contrôlée avec un allongement permanent de 2,8 %. L'un des mors du banc de traction a alors été déplacé comme indiqué sur la 20 figure 1, de façon à ce l'une des extrémités du profilé déborde des mors. Une deuxième étape de traction a alors été effectuée sur les deux tiers du profilé (zones Z11 et Z12) situés entre les mors avec un allongement permanent de 5,6 %. Le mors déplacé dans la seconde étape a alors à nouveau été déplacé de façon à ce qu'un tiers du profilé (zone Z11) soit situé entre les mors. Une troisième étape de traction a été effectuée avec un 25 allongement permanent de 2,4%. On a ainsi obtenu un profilé présentant trois zones, Z11, Zt2 et Z13 d'une longueur sensiblement égale et présentant des déformations par traction différentes. Les déformations réalisées dans les zones sont résumées dans le tableau 8 ci-dessous : Tableau 8. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones Z11, Z12 et 30 Z13. 0,05 Taux d'écrouissage par traction Taux de déformation généralisée Zone 1 ère étape 21e 7e étape 3'e' étape Total 1 ère étape 2'e' étape 3'e' étape Total Z11 2,8 % 5,6 % 2,4 % 11,2% 2,8% 5,4 % 2,4% 10,6 % Z12 2,8 % 5,6 % 8,6% 2,8% 5,4% 8,2 % Z13 2,8 % 2,8% 2,8% Des échantillons ont été prélevés dans les zones Z11, Z12 et Z13 de façon à caractériser le profilé. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 9, ci-dessous : Tableau 9 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones Z11, Z12 et Z13. Zone Sens L K1e (Mpa~m) Rn, RP0,2 A% L-T T-L (Mpa) (Mpa) _ z11 606 585 6, 1 45,9 31,5 Z12 554 503 9,9 47,7 33,5 Z13 554 443 15,8 64,0 49,7 Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones Z11, Z12 et Z13. Ainsi, la zone Z11 est caractérisée par une résistance 10 mécanique élevée, au détriment d'un allongement et d'une ténacité limitées tandis que la zone Z13 se distingue par un allongement et une ténacité importants mais pour une résistance mécanique statique plus faible.

Exemple 4: 15 Dans cet exemple, on a obtenu une tôle ayant des propriétés variables dans l'espace d'épaisseur 30 mm en alliage AA2195. On a fabriqué une tôle d'une longueur de 30 mètres, d'une largeur de 2,5 mètres et d'une épaisseur de 33 mm par laminage à chaud d'une plaque de laminage. La composition de l'alliage utilisé est donnée dans le Tableau 10 ci-dessous : 20 Tableau 10 : composition de la plaque de laminage en alliage 2195 (% en masse) Si Fe Cu Li Mg 1 Zr Ag5 0,03 0,06 4,3 1,17 0,39 0,12 0,35 La plaque de laminage a été homogénéisée puis laminée à chaud. La tôle a alors été mise en solution à 51.0 C et trempée. Une moitié de la tôle (zone G) a ensuite été laminée à froid jusqu'à l'épaisseur de 30 mm tandis que l'autre moitié a subit une traction contrôlée de 2,5% (zone H). La tôle a ensuite été usinée, de façon à obtenir une épaisseur sensiblement constante de 30 mm sur l'ensemble de la tôle, puis a subi une traction contrôlée avec un allongement permanent d'environ 1,5 %. Les déformations réalisées dans les différentes zones sont résumées dans le tableau 11 10 ci-dessous : Tableau 11. Taux d'écrouissage et déformation généralisée dans les zones G et H. Zone Taux Taux Taux Déformation Déformation Déformation d'écrouissage d'écrouissage d'écrouissage généralisée généralisée généralisée par laminage par traction total par laminage par traction totale G 10% 1,5 % 11,3% 11% 1,5 % 11,5% H 0 % 2,5+1,5 % 4,0% 0% 2,5+1,5 % 4,0% Des échantillons ont été prélevés dans les zones G et H de façon à caractériser la tôle obtenue. Les résultats des essais mécaniques sont fournis dans le tableau 12, ci-dessous :

Tableau 12 : résultats des essais mécaniques réalisés dans les zones G et H Zone Sens L KI, (L-T ) _ (Mpa"im) (Mpa) RP0,2 A% (Mpa) G 642 _ 631 7,7 _ _ 25,2 H 628 600 _ 32,0 8,9 Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des compromis de propriétés différents dans les zones G et H Ainsi, la zone G est caractérisée par une résistance mécanique élevée, au détriment d'un allongement et d'une ténacité limités tandis que la zone H se distingue par un allongement et une ténacité plus importants mais pour une résistance mécanique statique plus faible. 15 20

Claims (27)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un élément de structure multi-fonctionnel monolithique en alliage d'aluminium comprenant une étape de transformation à chaud caractérisé en ce que postérieurement à la transformation à chaud il comprend également au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid dans laquelle on impose en au moins deux zones de l'élément de structure des déformations plastiques généralisées moyennes différentes d'au moins 2% et préférentiellement différentes d'au moins 3%.

2. Procédé selon la revendication 1 comprenant au moins deux étapes de transformation par déformation plastique à froid postérieures à la transformation à chaud.

3. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel ledit alliage d'aluminium est un alliage à traitement thermique, ledit procédé comprenant entre la transformation à chaud et la première transformation par déformation plastique à froid une étape de mise en solution et une étape de trempe.

4. Procédé selon la revendication 3 comprenant une étape de revenu postérieure à (aux) ladite (dites) étape(s) de transformation par déformation plastique à froid.

5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel, à l'issue de l'ensemble des étapes de transformation, ledit élément a une dimension principale ou de longueur dans la direction L et dans lequel lesdites au moins deux zones sont situées à une position différente dans ladite direction principale L.

6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel, ledit élément a une section finale 30 Sf dans le plan perpendiculaire à la direction L et dans lequel ladite section Sf est sensiblement constante en tout point dudit élément. 20

7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel lesdites zones ont une section Sz dans le plan perpendiculaire à la direction L sensiblement égale à s,

8. Procédé selon une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel au moins une étape de déformation plastique à froid est une traction contrôlée.

9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel une des extrémités dans la direction principale dudit élément déborde significativement des mors du banc de traction 10 lors de ladite étape de traction contrôlée.

10. Procédé selon une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel au moins une étape de déformation plastique à froid est une compression. 15

11. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel ledit élément est un profilé.

12. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel ledit élément est une tôle.

13. Procédé de fabrication selon la revendication 8 dans lequel ledit élément a au début de ladite étape de traction contrôlée une section variable dans le plan perpendiculaire à la direction L. 25

14. Procédé selon une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel ledit élément est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction 1 et une dimension d'épaisseur dans la direction e, et dans lequel au moins une étape de transformation par déformation 30 plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est variable à l'entrée du laminoir et sensiblement constante à la sortie du laminoir. 20

15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel la variation d'épaisseur de ladite tôle est obtenue au cours de l'étape de laminage à chaud

16. Procédé selon la revendication 14 dans lequel la variation d'épaisseur de ladite tôle est obtenue par usinage à l'issue de l'étape de laminage à chaud.

17. Procédé selon une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel ledit élément est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction 1 et une dimension d'épaisseur dans la direction e, et dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable à la sortie du laminoir, et dans lequel une étape subséquente d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale sensiblement constante en tout point.

18. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel, ledit élément est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction 1 et une dimension d'épaisseur dans la direction e et dans lequel lesdites au moins deux zones sont situées à une position différente de ladite direction transversale 1.

19. Procédé selon la revendication 18 dans lequel à l'issue de l'ensemble des étapes de transformation ledit élément a une épaisseur finale ef sensiblement constante

20. Procédé selon la revendication 19 dans lequel l'épaisseur ez desdites zones dans 30 la direction e est sensiblement égale à l'épaisseur de l'élément de structure ef.

21. Procédé de fabrication selon une quelconque des revendications 19 et 20 dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est variable à l'entrée clu laminoir et sensiblement constante à la sortie du laminoir.

22. Procédé selon la revendication 21 dans lequel la variation d'épaisseur de ladite tôle est obtenue au cours de l'étape de laminage à chaud

23. Procédé selon la revendication 21 dans lequel la variation d'épaisseur de ladite tôle est obtenue par usinage à l'issue de l'étape de laminage à chaud.

24. Procédé selon une quelconque des revendications 18 à 20 dans lequel ledit élément est une tôle ayant une dimension principale ou de longueur dans la direction L, une dimension transversale ou de largeur dans la direction 1 et une dimension d'épaisseur dans la direction e, et dans lequel au moins une étape de transformation par déformation plastique à froid est effectuée par laminage à froid de telle façon que l'épaisseur de ladite tôle est sensiblement constante à l'entrée du laminoir et variable à la sortie du laminoir, et dans lequel une étape subséquente d'usinage permet d'obtenir une épaisseur finale sensiblement constante en tout point.

25. Elément de structure en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 24 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés physiques et mécaniques sélectionnées dans le groupe formé de (i) Z l : Rm(L) > 500 MPa et préférentiellement Rm(L) > 520 MPa et Z2 : A(L)(%) > 16% et préférentiellement A(L)(%) > 18% (ii) Z1 : Rm(L) > 450 MPa et préférentiellement Rm(L) > 470 MPa et Z2 : A(L)(%) > 18% et préférentiellement A(L)(%) > 20%(iii) Zi : Rn1(L) > 550 MPa et préférentiellement R,,,(L) > 590 MPa et Z2 : A(L)(%) > 10% et préférentiellement A(L)(%) > 14% (iv) Z1 : R,,,(L) > 550 MPa et préférentiellement Rn,(L) > 590 MPa et Z2 : K1,(L-T) > 45 Mpa'Jm et préférentiellement Kie(L-T) > 55 Mpa\im

26. Elément de structure en alliage 2XXX à l'état T3X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 24 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Z1 et Z2 possèdent des propriétés physiques et mécaniques dans lesquelles (i) Rp0.2, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rpo,2(Zl) ù Rp0,2(Z2) d'au moins 50 MPa et préférentiellement d'au moins 70 MPa et/ou (ii) Rm, mesuré dans le sens L ou dans le sens LT présente un écart Rn,(Z1) -- R,,,(Z2) d'au moins 20 MPa et préférentiellement d'au moins 30 MPa. (iii) K1,, mesuré dans le sens L-T présente un écart KI, (Zi) ù K1 (Z2) d'au moins 5 MPa"im et préférentiellement d'au moins 15 MPaVm. 20

27. Elément de structure en alliage 2XXX contenant du lithium à l'état T8X susceptible d'être obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 24 caractérisé en ce que les dites au moins deux zones Zl et Z2 possèdent des propriétés physiques et mécaniques sélectionnées dans le 25 groupe formé de (i) Z1 : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rm(L) > 640 MPa et Z2 : A(L)(%) > 8 % et préférentiellement A(L)(%) > 9 % (ii) Z1 : Rn,(L) > 640 MPa et préférentiellement Rm(L) > 650 MPa 30 et Z2 : A(L)(%) > 7 % et préférentiellement A(L)(%) > 8 % (iii) Zl : Rm(L) > 630 MPa et préférentiellement Rie 640 MPaet Z2 : K1e-T) > 25 Mpa\lm et préférentiellement K1 (L-T) > 30 Mpa.Nim