FR3067044B1 - Alliage d'aluminium comprenant du lithium a proprietes en fatigue ameliorees - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un produit corroyé en alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V. L'invention a également pour objet un produit brut de coulée en alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou V. Enfin, l'invention a pour objet un élément de structure d'avion, de préférence un élément intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d'un même produit de départ, un longeron ou une nervure, comprenant un produit corroyé précité.

Description

Alliage d’aluminium comprenant du Lithium

a PROPRIETES EN FATIGUE AMELIOREES

Domaine de l’invention L’invention concerne les produits en alliage 2XXX à base d’aluminium comprenant du lithium, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, destinés en particulier à la construction aéronautique et spatiale.

Etat de la technique

Des produits en alliage d’aluminium sont développés pour produire des éléments structuraux destinés notamment à l’industrie aéronautique et à l’industrie spatiale.

Les alliages aluminium - lithium sont particulièrement prometteurs pour fabriquer ce type de produit. Les spécifications imposées par l’industrie aéronautique pour la tenue en fatigue sont élevées et sont particulièrement difficiles à atteindre pour les produits épais. En effet, compte tenu des épaisseurs possibles des plaques coulées, la réduction d’épaisseur par déformation à chaud est assez faible et par conséquent les sites liés à la coulée sur lesquels s’initient les fissures de fatigue ne voient leur taille que faiblement réduite au cours de la déformation à chaud.

Les alliages Al-Li offrent des compromis de propriétés généralement plus élevés que les alliages conventionnels, notamment en termes de compromis entre la fatigue, la tolérance au dommage et la résistance mécanique. Ceci permet en particulier de réduire l’épaisseur des produits corroyés en alliage Al-Li, maximisant ainsi plus encore la réduction de poids qu’ils apportent. Les contraintes courantes s’en trouvent cependant augmentées, induisant alors des risques plus élevés d’initiation de fissures de fatigue. Il est donc intéressant d’améliorer la résistance à la fatigue des produits en alliage Al-Li.

Dans la demande WO 2012/110717, il est proposé pour améliorer les propriétés, notamment en fatigue, des alliages d’aluminium contenant en particulier au moins 0,1 % de Mg et/ou 0,1 % de Li de réaliser lors de la coulée un traitement ultrason. Cependant ce type de traitement nécessite une modification substantielle du four de coulée et reste difficile à effectuer pour les quantités nécessaires à la fabrication de tôles épaisses.

La demande US 2009/0142222 décrit des alliages pouvant inclure 3,4-4,2 % en poids de Cu, 0,9 - 1,4 % en poids de Li, 0,3 - 0,7 % en poids de Ag, 0,1 - 0,6 % en poids de Mg, 0,2 - 0,8 % en poids de Zn, 0,1 - 0,6 % en poids de Mn et 0,01 - 0,6 % en poids d’au moins un élément contrôlant la structure granulaire, le reste étant de l’aluminium, des éléments incidents et des impuretés.

La demande WO 2015/086921 décrit des alliages comprenant, en % en poids, Cu : 2,0 -6,0 ; Li : 0,5 - 2,0 ; Mg : 0- 1,0 ; Ag : 0 - 0,7 ; Zn 0 - 1,0 ; et au moins un élément choisi parmi Zr, Mn, Cr, Se, Hf et Ti, la quantité dudit élément, s’il est choisi, étant de 0,05 à 0,20 % en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn, 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, le reste étant de l’aluminium, des éléments incidents et des impuretés.

Il existe un besoin pour des produits en alliage Al-Li présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes de propriétés en fatigue tout en ayant des propriétés de ténacité et des propriétés de résistance mécanique statique avantageuses. Par ailleurs, il existe un besoin pour un procédé simple et économique d’obtention de ces produits.

Objet de l’invention L’invention a pour objet un produit laminé, filé et/ou forgé en alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V.

Selon un mode de réalisation, ledit produit corroyé selon l’invention présente une densité moyenne d de phases intermétalliques, exprimée en nombre de phases par mm2, telle que d < -0,0023e2 + 0,0329e + 160,91 avec e = épaisseur du produit en mm.

Avantageusement, ledit produit corroyé ne contient substantiellement pas de dispersoïdes au V et/ou Cr. L’invention a également pour objet un produit brut de coulée en alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou V. Ledit produit brut de coulée présente des grains plus dendritiques par rapport à ceux d’un produit brut de coulée en alliage de même composition à l’exception de sa teneur en V et Cr.

Enfin, l’invention a pour objet un élément de structure d’avion, de préférence un élément intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d’un même produit de départ, un longeron ou une nervure, comprenant un produit corroyé précité.

Description des figures

La figure 1 présente des micrographies obtenues pour les échantillons prélevés à mi-épaisseur des plaques de coulée en alliages selon l’exemple 1 (Fig. la : alliage C, Fig. lb : alliage A et Fig. le : alliage B)

La figure 2 présente des micrographies obtenues pour les échantillons prélevés à quart-épaisseur des plaques de coulée en alliages selon l’exemple 1 (Fig. 2a : alliage C, Fig. 2b : alliage A et Fig. 2c : alliage B)

La figure 3 est le schéma des éprouvettes utilisées en fatigue à trou. Les dimensions sont mentionnées à titre indicatif mais peuvent varier comme indiqué dans la description.

La figure 4 représente l’indice de qualité fatigue IQF à 240 000 cycles, exprimé en MPa, en fonction de l’épaisseur en mm des tôles en alliage selon l’exemple 3, la courbe de tendance (régression polynomiale) des résultats obtenus pour des produits en alliage AA2050 de l’art antérieur est également représentée sur cette figure.

La figure 5 représente le compromis entre K1C (T-L), exprimé en MPa’Vm, et Rp0,2 (LT), exprimé en MPa, obtenu selon la cinétique de revenu de l’exemple 4 pour les alliages G et K.

La figure 6 représente la densité moyenne de phases intermétalliques (nombre de phases/mm2) en fonction de l’épaisseur e, exprimée en mm, des tôles selon l’invention. La courbe de tendance (régression polynomiale) des résultats obtenus pour des produits en alliage AA2050 de l’art antérieur est également représentée sur cette figure.

Description de l’invention

Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l’alliage. L’expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l’homme du métier. Lorsque la concentration est exprimée en ppm (parts per million), cette indication se réfère également à une concentration massique.

Sauf mention contraire, les définitions des états métallurgiques indiquées dans la norme européenne EN 515 (1993) s’appliquent.

Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent. L’épaisseur des profilés est définie selon la norme EN 2066 :2001 : la section transversale est divisée en rectangles élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension du rectangle élémentaire et B pouvant être considéré comme l’épaisseur du rectangle élémentaire.

Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d’autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d’élasticité conventionnelle à 0,2% d’allongement Rpo,2, et l’allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1 (2016), le prélèvement et le sens de l’essai étant définis par la norme EN 485 (2016).

Le facteur d’intensité de contrainte (Kæ) est déterminé selon la norme ASTM E 399 (2012).

Les propriétés en fatigue sur éprouvettes à trou sont mesurées à l’air ambiant pour des niveaux de contrainte variables, à une fréquence de 50 Hz, un rapport de contrainte R = 0,1, sur des éprouvettes plates (Kt=2,3) dans la direction L-T selon la norme EN 6072 (2010). L’équation de Walker a été utilisée pour déterminer une valeur de contrainte maximale représentative de 50 % de non rupture à 240 000 cycles. Pour ce faire un indice de qualité fatigue (IQF) est calculé pour chaque point de la courbe de Wôhler, représentant la relation entre l’amplitude de contraintes appliquées S et un nombre de cycles N, avec la formule :

où S est l’amplitude de contrainte appliquée, Sim est la limite d’endurance, N est le nombre de cycles jusqu’à la rupture, No est égale à 240 000 et p un exposant. On rapporte l’IQF correspondant à la médiane, soit 50% de rupture pour 240 000 cycles. La signification de l’IQF est en particulier décrit dans l’article « Démarches de calcul en fatigue dans le domaine aéronautique (structures métalliques) » (Duprat, D. (1999) Congrès « Dimensionnement en fatigue des structures : démarche et outils », Paris 2-3

juin 1999 ; Société Française de Métallurgie et de Matériaux. Journées de printemps N°18, Paris, France (02/06/1999), pp. 2.1-2.8).

Dans le cadre de l’invention, la microstructure de coulée est notamment caractérisée par les paramètres, p* (dimension [pm]) et s* (dimension [pm"1]). Ces paramètres caractérisent plus particulièrement la finesse et l’uniformité de la microsegrégation. Le paramètre p* caractérise la distance moyenne entre précipités dans les structures de solidification, et donc la dimension moyenne des zones dépourvues de précipités. Le paramètre s* caractérise l’uniformité de la répartition de ces distances. La définition précise de ces deux paramètres ainsi que la méthode pour leur détermination sont précisées dans l’article « Quantification of Spatial Distribution of as-cast Microstructural Features » par Ph. Jarry, M. Boehm et S. Antoine, paru dans Proceedings of the Light Metals 2001 Conférence, Ed. J.L. Anjier, TMS, p. 903 — 909. La détermination du paramètre p* a fait l’objet d’un essai interlaboratoire dans le cadre du projet Européen VIRCAST, voir l’article de Ph. Jarry et A. Johansen « Characterisation by the p* method of eutectic aggregates spatial distribution in 5xxx and 3xxx aluminum alloys cast in wedge moulds and comparison with SDAS measurements », paru dans Solidification of Alloys, ed. M.G. Chu, D.A. Granger et Q. Han, TMS 2004.

Les paramètres p* et s* sont basés sur l’analyse par microscopie optique de coupes polies de la forme brute à un grossissement typiquement de 50, ou tout autre grossissement qui réalise un bon compromis entre un échantillonnage représentatif de la microstructure étudiée et la résolution nécessaire. L’acquisition des images est effectuée typiquement par une caméra couleur de type CCD (charge-coupled device), reliée à un ordinateur d’analyse d’images. La procédure d’analyse, décrite en détails dans l’article précité de Ph. Jarry, M. Boehm et S. Antoine, comprend les étapes suivantes : a. acquisition de l’image b. seuillage des phases sombres et analyse binaire des images présentant des niveaux de gris, c. suppression des phases de très petite taille (pour un grandissement de 50, un groupe de moins de 5 pixels est considéré comme du bruit électronique), d. analyse numérique de l’image à l’aide d’un algorithme de fermeture. L’analyse numérique de l’image consiste en une fermeture itérative de l’image avec un pas grandissant. Le pas z qui ferme l’image Ci est défini par i dilatations successives de l’image du même objet (une dilatation consistant en le remplacement de chaque pixel d’une image par la valeur maximale de ses voisins) suivies par i érosions successives de l’image du même objet (une érosion consistant en le remplacement de chaque pixel d’une image par la valeur minimale de ses voisins) de l’image d, (à noter que les opérations d’érosion et de dilatation ne sont pas commutatives). Le rapport de surface A, qui représente la fraction surfacique des objets, est tracé en fonction du nombre de pas de fermeture z. On obtient une courbe sigmoïdale, qui est ensuite ajustée par une fonction sigmoïdale afin d’en extraire les paramètres caractéristiques p* et s*, sachant que p* est l’abscisse du point d’inflexion, exprimée en unités de longueur, et s* la pente au point d’inflexion de la courbe sigmoïdale.

Le paramètre p* est ainsi défini par l’équation :

dans laquelle A désigne la fraction surfacique d’objets après transformation,

Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après seuillage,

Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrête l’algorithme (en pratique 90%) afin d’éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage, i est le nombre de pas de calcul, et a est un coefficient d’ajustement de la pente de la sigmoïde.

Le paramètre p* représente la distance moyenne entre particules présentes dans la matrice. L’autre paramètre est s* défini par l’équation :

Il a été montré que 1/s* est proportionnel à l’écart type de la distribution des distances au premier voisin entre particules. Le paramètre s* est donc une mesure de la régularité de la distribution des phases dans la matrice.

La description de la structure de coulée par les paramètres s* et p* tient donc bien compte à la fois de la finesse et de l’uniformité de la microségrégation. La demanderesse a constaté que s* est plus significatif pour décrire la régularité de la distribution de particules, alors que p* est plus significatif pour décrire la finesse de leur distribution spatiale.

Dans le cadre de l’invention, la microstructure de coulée est également caractérisée de façon semi-quantitative selon un score de 0 à 2 : score 0 = grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement dendritiques. L’évaluation semi-quantitative est réalisée à partir de micrographies d’échantillons, prélevés à quart ou à mi-épaisseur des plaque de coulée, après oxydation anodique (solution d’HBF4 diluée, tension à vide de 30V, temps d’attaque entre 60 et 180 s). L’exemple 1 (tableau 3, figures 1 et 2) illustre en détails la correspondance entre un score 0, 1 ou 2 tel que décrit précédemment et les micrographies. Les figures la et 2a sont représentatives d’un score de 0, les figures le et 2c d’un score 1 et les figures lb et 2b d’un score 2.

Dans le cadre de l’invention, la microstructure des tôles corroyées est caractérisée à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) par microscopie électronique à balayage afin de déterminer la dispersion et la taille des phases intermétalliques à l'échelle micro métrique. Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258-1 (1998) s’appliquent. Notamment, une tôle est selon l’invention un produit laminé de section transversale rectangulaire dont l'épaisseur uniforme est au moins de 6 mm et n'excède pas l/10ème de la largeur.

On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d’une construction mécanique une pièce mécanique pour laquelle les propriétés mécaniques statiques et/ou dynamiques sont particulièrement importantes pour la performance de la structure, et pour laquelle un calcul de structure est habituellement prescrit ou réalisé. Il s’agit typiquement d’éléments 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 fiâmes), 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 stabilizers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams), les rails de sièges (seat tracks) et les portes.

Les présents inventeurs ont constaté que, de manière surprenante, on peut obtenir des tôles en alliage 2xxx à base d’aluminium, c’est-à-dire en alliage Al-Cu, comprenant du lithium présentant une performance en fatigue améliorée tout en ayant des propriétés de ténacité et des propriétés de résistance mécanique statique avantageuses en sélectionnant des quantités spécifiques et critiques de chrome et/ou de vanadium audit alliage, plus particulièrement en ajoutant spécifiquement de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V. Préférentiellement l’alliage selon l’invention comprend de 0,010 à 0,044 %, plus préférentiellement de 0,015 à 0,044% et, plus préférentiellement encore de 0,025 à 0,044% en poids de Cr et/ou de V. Dans un mode encore plus préféré, l’alliage comprend de 0,035 à 0,043% en poids de Cr et/ou de V.

Le vanadium et/ou le chrome sont généralement ajoutés dans les alliages d’aluminium en tant qu’éléments affinant du grain ou éléments de contrôle de la structure des grains au même titre que le zirconium, le scandium, l’hafnium, le manganèse ou également les éléments appartenant à la famille des terres rares. A ce titre, les éléments affinant du grain sont généralement ajoutés dans des quantités de 0,05 à 0,5% en poids de manière à former des dispersoïdes durant les étapes d’homogénéisation et celles de réchauffage. Les dispersoïdes ont notamment pour rôle d’empêcher la migration des joints de grains et des dislocations lors des étapes de procédés ultérieures. Ceci prévient notamment la recristallisation durant des étapes telle que la mise en solution.

Au contraire, mais sans que cela ne présume d’une quelconque théorie scientifique, les présents inventeurs ont constaté que l’ajout de V et/ou de Cr dans les quantités spécifiques et critiques selon l’invention dans un alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9% de Li en poids n’induit pas la formation de dispersoïdes aux températures auxquelles les étapes d’homogénéisation et de réchauffage sont réalisées pour ce type d’alliage (généralement de 450 à 550°C) mais une microstructure tout à fait particulière telle que le produit corroyé ne contient substantiellement pas de dispersoïdes au Cr et/ou au V. On entend ici par « substantiellement pas de dispersoïdes au Cr et/ou au V » une densité de dispersoïdes au Cr et/ou au V inférieure à 0,1 dispersoïde par pm2, préférentiellement inférieure à 0,05 par pm2.

La quantité critique de Li et de V et/ou Cr contenue dans l’alliage 2XXX selon l’invention affecte la microstructure du produit brut de coulée ainsi que celle du produit corroyé final et les présents inventeurs ont mis en évidence des propriétés améliorées des produits selon l’invention par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes de propriétés en fatigue. Plus particulièrement, et ceci notamment pour les produits d’épaisseur de 12 à 175 mm, préférentiellement de 30 à 140 mm, les présents inventeurs ont mis en évidence une amélioration en fatigue et également en ténacité et résistance mécanique statique des produits selon l’invention par rapport à celles de produits connus ayant une composition similaire à l’exception du contenu critique en V et Cr.

La teneur en lithium des produits selon l’invention est de 0,05 à 1,9% en poids. Avantageusement, la teneur en lithium est de 0,5 à 1,5% en poids, plus préférentiellement de 0,7 à 1,2% en poids et, plus préférentiellement encore de 0,80 à 0,95% en poids.

Dans un mode avantageux de réalisation, l’alliage des produits selon l’invention est un alliage 2XXX comprenant de 1,0 à 6,0% en poids de Cu, préférentiellement de 3,2 à 4,0% en poids de Cu.

Dans un mode de réalisation préféré, l’alliage des produits selon l’invention comprend en outre du magnésium. La teneur en magnésium des produits selon l’invention est alors avantageusement comprise entre 0,15 et 0,7 % en poids et de manière préférée entre 0,2 et 0,6 % en poids. Avantageusement, la teneur en magnésium est au moins de 0,30 % en poids préférentiellement au moins 0,35 % en poids et de manière préférée au moins 0,38 % en poids. Dans un autre mode de réalisation, le magnésium est compris entre 0,30 et 0,40% en poids.

Dans un mode de réalisation préféré, l’alliage des produits selon l’invention comprend moins de 0,8% en poids de Zn, préférentiellement moins de 0,7% en poids de Zn. Avantageusement la teneur en zinc est comprise entre 0,45 et 0,65 % en poids ce qui peut contribuer à atteindre un excellent compromis entre la ténacité et la résistance mécanique. Dans ce mode de réalisation particulier, l’alliage selon l’invention comprend avantageusement moins de 0,15% en poids d’Ag, préférentiellement moins de 0,1% en poids et plus préférentiellement encore moins de 0,05% en poids.

Dans un autre mode de réalisation, l’alliage selon l’invention comprend moins de 0,05% en poids de Zn. Dans ce second mode de réalisation, l’alliage selon l’invention comprend avantageusement plus de 0,2% en poids d’Argent, préférentiellement entre 0,3 et 0,5% en poids d’Ag et plus préférentiellement encore entre 0,3 et 0,4% en poids d’Ag.

Dans un mode de réalisation particulier, l’alliage des produits selon l’invention comprend en outre de 0,07 à 0,15% en poids de Zr, préférentiellement de 0,07 à 0,11% en poids de Zr et, plus préférentiellement encore de 0,08 à 0,10% en poids de Zr.

Avantageusement, la teneur en manganèse des produits selon l’invention est comprise entre 0,1 et 0,6% en poids, préférentiellement 0,2 et 0,4 % en poids, ce qui permet d’améliorer la ténacité sans compromettre la résistance mécanique.

Avantageusement, la somme de la teneur en fer et de la teneur en silicium est au plus de 0,20 % en poids. De préférence, les teneurs en fer et en silicium sont chacune au plus de 0,08 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, les teneurs en fer et en silicium sont au plus de 0,06 % et 0,04 % en poids, respectivement.

Dans un mode de réalisation préféré, l’alliage contient également au moins un élément pouvant contribuer au contrôle de la taille de grain choisi parmi Hf, Ti et Sc ou autre terre rare, la quantité de l’élément, s’il est choisi, étant de 0,02 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,02 à 0,1% en poids pour Sc et autre terre rare ; 0,02 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti. De manière préférée, on choisit entre 0,02 et 0,10 % en poids de Ti, avantageusement entre 0,02 et 0,04% en poids.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’alliage 2XXX à base d’aluminium comprend de 0,05 à 1,9% en poids de Li, du Cu dans une teneur avantageusement comprise entre 1,0 et 6,0% en poids, et optionnellement, en % en poids :

Mg : 0,15-0,7 ;

Zr: 0,07-0,15;

Mn : 0,1-0,6 ;

Zn < 0,8 ;

Ag : 0-0,5 ;

Fe + Si <0,2 ; au moins un élément pouvant contribuer au contrôle de la taille de grain parmi Hf, Ti et Sc ou autre terre rare, la quantité de l’élément, s’il est choisi, étant de 0,02 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,02 à 0,1% en poids pour Sc et autre terre rare ; 0,02 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total ; reste aluminium.

Selon un mode de réalisation tout à fait préféré de l’invention, le produit est en alliage à base d’aluminium comprenant, en % en poids, outre la teneur critique de Cr et /ou de V précitée, Cu : 3,2 - 4,0 ; Li : 0,80 - 0,95 ; Zn : 0,45 - 0,70 ; Mg : 0,15 - 0,7 ; Zr : 0,07 -0,15 ; Mn : 0,1 - 0,6 ; Ag : < 0,15 ; Fe + Si < 0,20 ; au moins un élément parmi Ti : 0,01 - 0,15 ; Sc : 0,02 - 0,1 ; Hf : 0,02 - 0, 5 ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium. Selon un autre mode de réalisation, le produit selon l’invention est élaboré en alliage AA2050 comprenant la teneur critique de Cr et /ou de V précitée.

Le procédé de fabrication des produits selon l’invention comprend des étapes d’élaboration d’un bain de métal liquide ; coulée ; homogénéisation ; laminage, forgeage et/ou extrusion ; mise en solution ; trempe ; détensionnement et optionnellement revenu.

Dans une première étape, on élabore un bain de métal liquide en alliage 2XXX à base d’aluminium comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V. Le bain de métal liquide est ensuite coulé sous une forme brute typiquement une plaque de laminage, une ébauche de forge ou une billette de filage.

La microstructure du produit selon l’invention diffère de celle des produits de l’art antérieur dès l’étape de coulée. Le produit brut de coulée en alliage selon l’invention présente notamment des grains plus dendritiques par rapport à ceux d’un produit brut de coulée en alliage de même composition à l’exception de sa teneur spécifique et critique en V et Cr.

Les présents inventeurs ont évalué la microstructure de coulée de façon semi-quantitative et ont attribué un score de 0 à 2 aux échantillons étudiés selon la dendritisation des grains : score 0 = grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement dendritiques. L’évaluation semi-quantitative a été réalisée à partir de micrographies des échantillons après oxydation anodique (solution d’HBF4 diluée, tension à vide de 30V, temps d’attaque entre 60 et 180 s). Le produit brut de coulée en alliage selon l’invention présente ainsi des grains plus dendritiques, correspondant à un score de 1 (alliage selon l’invention contenant du Cr) à 2 (alliage selon l’invention contenant du V) selon l’évaluation précédemment citée, par rapport à ceux d’un produit brut de coulée en alliage de même composition à l’exception de sa teneur spécifique et critique en V et Cr dont le score est de 0. Avantageusement, le produit brut de coulée selon l’invention présente, à quart-épaisseur dudit produit, un paramètre s* supérieur à 1,0 pm'1 et par un paramètre p* inférieur à 100 pm, où le paramètre p* est défini par l’équation

et où le paramètre s* est défini par l’équation

dans lesquelles A désigne la fraction surfacique d’objets après transformation,

Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après seuillage,

Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrête l’algorithme afin d’éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage, i est le nombre de pas de calcul, et a est un coefficient d’ajustement de la pente de la sigmoïde.

Selon un mode de réalisation préféré, le produit brut de coulée présente une taille de grains à la coulée évaluée par la méthode des interceptes comprise entre : 250 et 350 pm à mi-épaisseur et 175 et 275 pm à quart-épaisseur.

Le produit brut de coulée est ensuite homogénéisé avantageusement à une température comprise entre 450°C et 550° et de préférence entre 480 °C et 530°C pendant une durée comprise entre 5 et 60 heures.

Après homogénéisation, le produit brut de coulée est en général refroidi jusqu’à température ambiante avant d’être réchauffé en vue d’être déformé à chaud. Le réchauffage a pour objectif d’atteindre une température avantageusement comprise entre 400 et 550 °C et, de manière préférée, de l’ordre de 500 °C permettant la déformation de la forme brute.

La déformation à chaud peut être effectuée par laminage, forgeage et/ou extrusion. Préférentiellement, la déformation à chaud est effectuée par laminage et/ou forgeage de façon à obtenir un produit laminé et/ou forgé dont l’épaisseur est de préférence d’au moins 12 mm, de manière plus préférée d’au moins 30 mm et de manière encore plus préférée d’au moins 40 mm. Le produit laminé et/ou forgé présente en outre une épaisseur préférée d’au plus 175 mm, plus préférentiellement d’au plus 140 mm et plus préférentiellement encore d’au plus 110 mm.

Le produit corroyé ainsi obtenu est ensuite mis en solution par traitement thermique préférentiellement entre 490 et 550 °C pendant 15 min à 8 h, puis trempé typiquement avec de l’eau à température ambiante. Le produit subit ensuite un détensionnement contrôlé, préférentiellement par traction et/ou par compression, avec une déformation permanente de 1 à 7 % et préférentiellement d’au moins 2%. Les produits laminés subissent de préférence une traction contrôlée avec une déformation permanente au moins égale à 3,5%. Les états métallurgiques préférés sont les états T84 et T86, préférentiellement T84. Des étapes connues telles que le laminage, le planage, le redressage, la mise en forme peuvent être optionnellement réalisées après mise en solution et trempe et avant ou après la traction contrôlée.

Un revenu est optionnellement réalisé comprenant un chauffage à une température comprise entre 130 et 170°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 50h.

Le produit laminé, filé et/ou forgé selon l’invention présente avantageusement une densité moyenne d de phases intermétalliques, exprimée en nombre de phases par mm2, telle que : d < -0.0023e2 + 0.0329e + 160.91 et plus préférentiellement encore d < -0.0023e2 + 0.0329e + 140.26 avec e = épaisseur du produit en mm.

Selon un mode de réalisation avantageux, le produit selon l’invention, dans un état laminé, mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présente, pour des épaisseurs comprises entre 12 et 175 mm, un indice de qualité fatigue, IQF, à 240 000 cycles exprimé en MPa tel que : IQF >-0,0886e + 177 avec e = épaisseur du produit en mm ; plus préférentiellement encore, le produit présente un tel indice de qualité fatigue, IQF, à 240 000 cycles (MPa) tel que : IQF >-0,0886e + 180.

Selon ce mode de réalisation avantageux, le produit laminé et/ou forgé présente une épaisseur comprise entre 30 à 140 mm, préférentiellement encore de 40 à 110 mm et plus préférentiellement encore entre 40 et 75 mm.

Selon un mode de réalisation, le produit selon l’invention, dans un état laminé, mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant au moins un, préférentiellement au moins deux, et plus préférentiellement encore trois, des compromis de propriétés suivants améliorés par rapport à un produit en alliage de même composition à l’exception de sa teneur en Cr et/ou V : - Rp0,2 (L) etKIC (L-T), - Rp0,2 (TL) etKIC (T-L) - RpO,2 (TC) et K1C (TC-L). L’alliage selon l’invention est particulièrement destiné à la fabrication de produits laminés et/ou forgés et, plus particulièrement, de produits laminés.

Les produits selon l’invention peuvent de manière avantageuse être utilisés dans des éléments de structure, en particulier des éléments de structure d’avion. L’utilisation d’un élément de structure incorporant au moins un produit selon l’invention est avantageuse, en particulier pour la construction aéronautique. Les produits selon l’invention sont particulièrement avantageux pour la réalisation de produits usinés dans la masse, tels que notamment des éléments intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d’un même produit de départ, des longerons et des nervures, de même que toute autre utilisation où les présentes propriétés pourraient être avantageuses

Ces aspects, ainsi que d’autres de l’invention sont expliqués plus en détails à l’aide des exemples illustratifs et non limitants suivants.

Exemples

Exemple 1

Des plaques d’épaisseur d’environ 400 mm dont la composition est donnée dans le tableau 1 ont été coulées.

Tableau 1 : Composition en % en poids des alliages Al-Cu-Li coulés sous forme de plaque.

Des échantillons ont été prélevés à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) de certaines plaques de coulée afin de mesurer la taille des grains de coulée et les paramètres p* et s* caractérisant la finesse et l’uniformité de la microségrégation. Le paramètre s* est plus

significatif pour décrire la régularité de la distribution de particules tandis que le paramètre p* est plus significatif pour décrire la finesse de leur distribution spatiale. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 et comparés aux valeurs moyennes d’un alliage typique AA2050.

Tableau 2 : Taille de grains et paramètres s* et p* évalués à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) des plaques de coulée en alliages Al-Cu-Li.

La microstructure de ces échantillons a également été évaluée de façon semi-quantitative sur les échantillons prélevés selon un score de 0 à 2 : score 0 = grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement dendritiques. L’évaluation semi-quantitative a été réalisée à partir de micrographies des échantillons après oxydation anodique (solution d’HBF4 diluée, tension à vide de 30V, temps d’attaque entre 60 et 180 s).

Le tableau 3 récapitule les scores attribués aux différents échantillons. Les figures 3 et 4 présentent des micrographies obtenues pour les échantillons prélevés à mi-épaisseur (Fig. 3) et à quart-épaisseur (Fig. 4) des plaques de coulée en alliage A (Fig. 3b et 4b), B (Fig. 3c et 4c) et C (Fig. 3a et 4a).

Tableau 3 : Microstructure des grains évaluée à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) des plaques de coulée en alliages Al-Cu-Li (score 0 - grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement dendritiques).

Les plaques A et B présentent des grains de coulée plus gros et plus dendritiques par rapport à ceux de la plaque C.

Exemple 2

Certaines plaques de coulée de l’exemple 1 ont été homogénéisées à 505 °C pendant environ 12 heures puis scalpées. Les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des tôles ayant une épaisseur de 60 mm. Elles ont été mises en solution à 527 °C et trempées avec de l’eau froide. Les tôles ont ensuite été fractionnées avec un allongement permanent de 3,7%.

Les tôles ont subi un revenu à 155 °C pendant environ 20h.

Des échantillons ont été prélevés à quart-épaisseur (t/4) pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction dans les directions L et TL et la ténacité dans les directions L-T et T-L, à mi-épaisseur (t/2) pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction dans la direction TC et la ténacité dans la direction TC-L. Les éprouvettes utilisées pour la mesure de ténacité étaient des éprouvettes de géométrie CT et avaient les dimensions suivantes : directions L et TL / L-T et T-L, éprouvettes CT25 : épaisseur B = 25 mm, largeur W = 50 mm ; direction TC / TC-L, éprouvettes CT20 : épaisseur B = 20 mm, largeur W = 40 mm.

Les résultats obtenus sont présentés dans les tableaux 4 et 5.

Tableau 4 : Propriétés mécaniques statiques obtenues pour les différentes tôles.

Tableau 5 : Propriétés de ténacité K1C obtenues pour les différentes tôles.

Les tôles A et B présentent globalement un compromis de propriétés résistance mécanique Rp0.2 / ténacité K1C amélioré par rapport à celui des tôles C et D en alliage 2050 selon l’art antérieur.

Les propriétés en fatigue ont été caractérisées sur des éprouvettes à trou prélevées à mi-épaisseur. La Figure 1 reproduit les éprouvettes utilisées dont la valeur Kt est 2,3. Les éprouvettes ont été testées à une fréquence de 50 Hz à l’air ambiant avec une valeur R — 0,1. L’indice de qualité de fatigue IQF a été calculé et est présenté dans le tableau 6.

Tableau 6 : Résultats des essais en fatigue (éprouvettes à trou)

Les tôles en alliages A et B présentent des propriétés en fatigue améliorées par rapport à la tôle D.

Exemple 3

Dans cet exemple, plusieurs plaques d’épaisseur environ 400 mm dont la composition est donnée dans le tableau 7 ont été coulées.

Tableau 7 : Composition en % en poids Al-Cu-Li coulés sous forme de plaque.

Les plaques ont été homogénéisées à 505 °C pendant 12 heures puis scalpées. Elles ont été laminées à chaud jusqu’à une épaisseur finale de 20 et 50 mm (tôle en alliages E et J), ou 102 et 130 mm (tôle en alliage G) ou 150 mm (tôle en alliages F et I) puis ont été mises en solution à 527 °C et trempées avec de l’eau froide. Les tôles ont ensuite été tractionnées avec un allongement permanent de 6% et ont subi un revenu à 150 °C pendant environ 20h.

Les propriétés en fatigue ont été caractérisées sur des éprouvettes à trou prélevées à mi-épaisseur. La Figure 1 reproduit les éprouvettes utilisées dont la valeur Kt est 2,3. Les éprouvettes ont été testées à une fréquence de 50 Hz à l’air ambiant avec une valeur R = 0,1. L’indice de qualité de fatigue IQF a été calculé. Les résultats sont présentés à la figure 2 et comparés à la courbe de tendance (régression polynomiale) des résultats obtenus pour des produits en alliage AA2050 de l’art antérieur, cet alliage étant exempt de V et de Cr (V et Cr <0,005 % en poids).

Exemple 4

Dans cet exemple, l’alliage G de l’exemple 2 a été transformé comme indiqué précédemment (épaisseur 102 mm) à l’exception de l’étape finale de revenu. Une cinétique de revenu a été réalisée pour cet exemple et les résultats sont comparés à ceux

obtenus pour l’alliage K (composition détaillée dans le tableau 8 ci-dessous) transformé dans les mêmes conditions.

Tableau 8 : Composition en % en poids Al-Cu-Li coulés sous forme de plaque.

Les conditions de revenu étudiées ont été les suivantes : 150°C pendant 20, 25 ou 30h (alliage G) et 20, 30, 40 et 50h (alliage K).

Les caractéristiques mécaniques et les ténacités des produits finaux ont été évalués et sont présentés à la figure 5.

Pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction, des échantillons ont été prélevés à quart-épaisseur (T/4) pour mesurer ces caractéristiques dans la direction L.

Pour mesurer la ténacité, des échantillons ont été prélevés à quart-épaisseur (T/4) pour mesurer ces caractéristiques dans la direction T-L. Les éprouvettes utilisées pour la mesure de ténacité étaient des éprouvettes de géométrie CT40 : épaisseur B = 40 mm, largeur W = 80 mm.

Exemple 5

La microstructure à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) de tôles des exemples 1 et 3 a été étudiée par microscopie électronique à balayage afin de déterminer la densité des phases intermétalliques à l'échelle micrométrique.

La densité (nombre de phases par mm2) des phases intermétalliques est détaillée dans le tableau 9.

Tableau 9 : Densité (nombre par mm2) des phases intermétalliques

La figure 6 présente la densité moyenne de phases intermétalliques (nombre de phases/mm2) en fonction de l’épaisseur e, exprimée en mm, des tôles selon l’invention, la courbe de tendance (régression polynomiale) des résultats obtenus pour des produits en alliage AA2050 de l’art antérieur est également représentée sur cette figure, l’alliage AA2050 étant exempt de V et de Cr (V et Cr <0,005 % en poids ).

Claims (17)

1. Revendications

   1. Produit laminé, filé et/ou forgé en alliage 2XXX à base d’aluminium comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V.
2. 2. Produit selon la revendication 1 ayant une densité moyenne d de phases intermétalliques, exprimée en nombre de phases par mm2, telle que : d < -0,0023e2 + 0,0329e + 160,91 avec e = épaisseur du produit en mm.
3. 3. Produit selon la revendication 1 ou 2 comprenant de 1,0 à 6,0% en poids de Cu, préférentiellement de 3,2 à 4,0% en poids de Cu.
4. 4. Produit selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant de 0,5 à 1,5% en poids de Li, préférentiellement de 0,7 à 1,2% en poids de Li et, plus préférentiellement encore de 0,80 à 0,95% en poids de Li.
5. 5. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant moins de 0,8% en poids de Zn, préférentiellement moins de 0,7% en poids de Zn.
6. 6. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre de 0,07 à 0,15% en poids de Zr, préférentiellement de 0,07 à 0,11% en poids de Zr et, plus préférentiellement encore de 0,08 à 0,10% en poids de Zr.
7. 7. Produit selon l’une quelconque des revendications comprenant de 0,010 à 0,044 % en poids de Cr et/ou de V, préférentiellement de 0,015 à 0,044% en poids de Cr et/ou de V et, plus préférentiellement encore de 0,035 à 0,043% en poids de Cr et/ou de V.
8. 8. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que l’alliage à base d’aluminium comprenant, en % en poids, Cu: 3,2-4,0; Li : 0,80 - 0,95 ; Zn : 0,45 - 0,70 ; Mg :0,15-0,7; Zr : 0,07-0,15 ; Μη : 0,1 - 0,6 ; Ag:<0,15; Fe + Si < 0,20 ; au moins un élément parmi Ti :0,01-0,15 ; Sc : 0,02-0,1 ; Hf: 0,02-0,5 ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
9. 9. Produit selon les revendications 1 à 5 tel que l’alliage à base d’aluminium est un alliage AA2050.
10. 10. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes tel qu’il ne contient substantiellement pas de dispersoïdes au V et/ou Cr.
11. 11. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes dont l’épaisseur est de 12 à 175 mm, préférentiellement de 30 à 140 mm et, plus préférentiellement encore de 40 à 110 mm. et plus préférentiellement encore entre 40 et 75 mm.
12. 12. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes dans un état laminé, mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant, pour des épaisseurs comprises entre 12 et 175 mm, un indice de qualité fatigue, IQF, à 240 000 cycles exprimé en MPa tel que : IQF >-0,0886e + 177 avec e = épaisseur du produit en mm.
13. 13. Produit selon l’une quelconque des revendications précédentes dans un état laminé, mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant au moins un, préférentiellement au moins deux, des compromis de propriétés suivants améliorés par rapport à un produit en alliage de même composition à l’exception de sa teneur en Cr et V : - Rp0,2 (L) et K1C (L-T), - Rp0,2 (TL) etKIC (T-L) - Rp0,2 (TC) et K1C (TC-L).
14. 14. Produit brut de coulée en alliage 2XXX à base d’aluminium comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou V, caractérisé en ce qu’il présente des grains plus dendritiques par rapport à ceux d’un produit brut de coulée en alliage de même composition à l’exception de sa teneur en V et Cr.
15. 15. Produit brut de coulée selon la revendication 14 tel qu’il présente, à quart-épaisseur dudit produit, un paramètre s* supérieur à 1,0 pm'1 et par un paramètre p* inférieur à 100 pm, où le paramètre p* est défini par l’équation

    et où le paramètre s* est défini par l’équation

    dans lesquelles A désigne la fraction surfacique d’objets après transformation, Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après seuillage, Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrête l’algorithme afin d’éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage, i est le nombre de pas de calcul, et a est un coefficient d’ajustement de la pente de la sigmoïde.
16. 16. Produit brut de coulée selon la revendication 14 ou 15 tel que la taille de grains à la coulée évaluée par la méthode des interceptes est comprise entre : 250 et 350 pm à mi-épaisseur et 175 et 275 pm à quart-épaisseur.
17. 17. Elément de structure d’avion, de préférence élément intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d’un même produit de départ, un longeron ou une nervure, comprenant un produit selon une quelconque des revendications 1 à 13.