FR3132306A1 - Tôle mince améliorée en alliage d’aluminium-cuivre-lithium - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% en poids au total, reste aluminium. Figure d'abrégé : Fig. 3

Description

Tôle mince améliorée en alliage d’aluminium-cuivre-lithium
L’invention concerne les tôles minces en alliage d’aluminium-cuivre-lithium, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, destinés notamment à la construction aéronautique et aérospatiale pour les applications de tôle de fuselage.
 Art anterieur
Un effort de recherche continu est réalisé afin de développer des matériaux qui puissent simultanément réduire le poids et augmenter l'efficacité des structures d'avions à hautes performances. Les alliages aluminium-lithium (AlLi) sont très intéressants à cet égard, car le lithium peut réduire la densité de l'aluminium de 3 % et augmenter le module d'élasticité de 6 % pour chaque pourcent en poids de lithium ajouté.
EP 1 891 247 divulgue un alliage à base d’aluminium de faible masse volumique utile dans une structure d’aéronef pour les applications de tôle de fuselage présentant une résistance mécanique élevée, une haute ténacité et une résistance élevée à la corrosion, contenant en % en poids, 2,7 à 3,4 de Cu, 0,8 à 1,4 de Li, 0,1 à 0,8 d'Ag, 0,2 à 0,6 de Mg et un élément tel que Zr, Mn, Cr, Sc, Hf, Ti ou une combinaison de ceux-ci, dont la quantité, dans % en poids, est de 0,05 à 0,13 pour Zr, 0,05 à 0,8 pour Mn, 0,05 à 0,3 pour Cr et Sc, 0,05 à 0,5 pour Hf et 0,05 à 0,15 pour Ti. La quantité de Cu et de Li est déterminée selon la formule Cu (% en poids) + 5/3 Li (% en poids) < 5,2.
Le brevet US 5,455,003 décrit un procédé de fabrication d’alliages Al-Cu-Li qui présentent une résistance mécanique et une ténacité améliorées à température cryogénique, en particulier grâce à un écrouissage et un revenu appropriés. Ce brevet recommande en particulier la composition, en pourcentage en poids, Cu = 3,0 – 4,5, Li = 0,7 – 1,1, Ag = 0 – 0,6, Mg = 0,3-0,6 et Zn = 0 – 0,75. US 5,455,003 encourage à développer des produits non recristallisés pour obtenir les propriétés attendues en condition cryogénique et utiliser l’addition de Zr et Ti.
Les tôles de fuselage peuvent être sollicitées dans plusieurs directions et des tôles minces isotropes ayant des propriétés élevées et équilibrées en résistance mécanique dans les directions L et TL et en ténacité pour les directions L-T et T-L sont très recherchées. De plus on a constaté que des tôles minces obtenues avec certains alliages présentant des propriétés élevées à certaines épaisseurs, par exemple 4 mm peuvent dans certains cas avoir des propriétés moins élevées ou anisotropes à une autre épaisseur, par exemple 2,5 mm. Il n’est souvent pas avantageux industriellement d’utiliser des alliages différents pour différentes épaisseurs et un alliage permettant d’atteindre des propriétés élevées et isotropes quelle que soit l’épaisseur serait particulièrement avantageux.
Le brevet EP 1 966 402 décrit un alliage comprenant 2,1 à 2,8 % en poids de Cu, 1,1 à 1,7 % en poids de Li, 01 à 0,8 % en poids de Ag, 0,2 à 0,6 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, l'alliage étant sensiblement exempt de zirconium, particulièrement adapté pour l’obtention de tôles minces recristallisées.
WO2016/051099 décrit une tôle d’épaisseur 0,5 à 9 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant 2,8 à 3,2 % en poids de Cu, 0,5 à 0,8 % en poids de Li, 0,1 à 0,3 % en poids de Ag, 0,2 à 0,7 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, 0,01 à 0,15 % en poids de Ti, une quantité de Zn inférieure à 0,2 % en poids, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, la dite tôle étant obtenue par un procédé comprenant coulée, homogénéisation, laminage à chaud et optionnellement laminage à froid, mise en solution, trempe et revenu.
Il existe un besoin pour des tôles minces ayant une limite d’élasticité élevée (pour résister au flambage) ainsi qu’une ténacité sous contrainte plane élevée, en particulier présentant une valeur élevée de facteur d’intensité de contrainte apparent à la rupture (Kapp) et des valeurs de Δaeff_max élevées ; Δaeff_max représente l’extension de fissure du dernier point de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561-20.
WO2016/051099 divulgue des données de courbe R aux figures 1 et 2. Ces courbes R ne se limitent pas aux seuls points valides. Les inventeurs ont constaté que la divulgation de WO2016/051099, ainsi que les exemples ne permettent pas d’obtenir une valeur de Δaeff_max supérieure à 80 mm.
L’essai de courbe R est un moyen largement reconnu pour caractériser les propriétés de ténacité. La courbe R représente l’évolution du facteur d’intensité de contrainte effective critique pour la propagation de fissure en fonction de l’extension de fissure effective, sous une contrainte monotone croissante. Elle permet la détermination de la charge critique pour une rupture instable pour toute configuration pertinente à des structures d’aéronef fissurées. Les valeurs du facteur d’intensité de contrainte et de l’extension de fissure sont des valeurs effectives telles que définies dans la norme ASTM E561-20. L’analyse classique, généralement utilisée, des essais réalisés sur des panneaux à fissure centrale, donne un facteur d’intensité de contrainte apparent à la rupture (Kapp). Cette valeur ne varie pas nécessairement de façon significative en fonction de la longueur de la courbe R. Cependant, la longueur de la courbe R – à savoir l’extension de fissure maximale de la courbe Δaeff_max – est un paramètre important en soi pour la conception de fuselage, en particulier pour des panneaux comportant des raidisseurs fixés.
Un premier objet de l’invention est une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12.7 mm, de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% en poids au total, reste aluminium.
Un deuxième objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12.7 mm, en alliage d’aluminium dans lequel, successivement
a) on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d’aluminium comprenant en % en poids,
2,5 à 3,5 % de Cu,
0,7 à 0,9 % de Li,
0,3 à 0,5 % de Mg,
0,2 à 0,5 % de Mn,
0,25 à 0,65 % de Zn,
0,01 à 0,15 % de Ti,
0 à 0,07 % d’Ag,
une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium.
b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide,
c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise de 480°C à 535 C ;
d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement à froid en une tôle ayant une épaisseur inférieure à 12,7 mm, de préférence une épaisseur de 0,5 mm à 9 mm ;
e) on met en solution à une température comprise de 450 °C à 535 °C et on trempe ladite tôle ;
f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à 5 %,
g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise de 130 à 170°C et de préférence de 150 à 160°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 60 heures.
Encore un autre objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince selon l’invention ou obtenue selon le procédé de l’invention pour des éléments de structure de fuselage.
 Figures
La représente l’évolution de la limite d’élasticité en traction Rp0.2 en fonction de la durée de revenu à 155°C pour différentes tôles selon l’exemple 1.
La représente le compromis Rp0.2-TL - Kapp (T-L) des tôles testées dans les exemples 1 et 3.
La représente le compromis Rp0.2 -TL- Δaeff_max des tôles testées dans les exemples 1 et 3.
 Description détaillée 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. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l’homme du métier. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515 –2017.
Dans le cadre de la présente invention, on appelle structure granulaire essentiellement non- –recristallisée une structure granulaire telle que le taux de recristallisation à ½ épaisseur est inférieur à 30% et de préférence inférieur à 10% et on appelle structure granulaire essentiellement recristallisée une structure granulaire telle que le taux de recristallisation à ½ épaisseur est supérieur à 70% et de préférence supérieur à 90%. Le taux de recristallisation est défini comme la fraction de surface sur une coupe métallographique occupée par des grains recristallisés. Les tailles de grain sont mesurées selon la norme ASTM E112 -2013.
Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d’autres termes la résistance à la rupture ultime Rm, la limite d’élasticité en traction Rp0,2et l’allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 6892-1-2019, l'emplacement auquel les pièces sont prises et leur sens étant définis par la norme EN 485-1-2016.
Une courbe donnant le facteur d’intensité de contrainte effectif en fonction de l’extension de fissure effective, connue comme la courbe R, est déterminée selon la norme ASTM E 561-20. Le facteur d’intensité de contrainte critique KC, en d’autres termes le facteur d’intensité qui rend la fissure instable, est calculé à partir de la courbe R. Le facteur d’intensité de contrainte KC0 est également calculé en attribuant la longueur de fissure initiale au commencement de la charge monotone, à la charge critique. Ces deux valeurs sont calculées pour une éprouvette de la forme requise. Kapp représente le facteur KC0 correspondant à l’éprouvette qui a été utilisée pour effectuer l’essai de courbe R. Keff représente le facteur KC correspondant à l’éprouvette qui a été utilisée pour effectuer l’essai de courbe R. Δaeff_max représente l’extension de fissure du dernier point valide de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561-20. Le dernier point valide est obtenu soit au moment de la rupture brutale de l’éprouvette, soit éventuellement au moment où la contrainte sur le ligament non fissuré excède en moyenne la limite d’élasticité du matériau. Sauf mention contraire, la taille de fissure à la fin du stade de pré-fissurage par fatigue est W/3 pour des éprouvettes du type M(T), dans laquelle W est la largeur de l’éprouvette telle que définie dans la norme ASTM E561-20.
Il faut remarquer que la largeur de l’éprouvette utilisée dans un essai de ténacité peut avoir une influence substantielle sur la courbe R mesurée dans l’essai. Les tôles de fuselage étant de grands panneaux, seuls les résultats de ténacité obtenus sur des échantillons suffisamment larges, tels que des échantillons ayant une largeur supérieure ou égale à 400 mm, sont jugés significatifs pour l’évaluation de la ténacité. Pour cette raison, seuls les échantillons d’essai CCT760, qui ont une largeur de 760 mm, ont été utilisés pour l’évaluation de la ténacité. La longueur de fissure initiale est 2ao = 253 mm.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent. On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d’une construction mécanique 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 les éléments de structure de fuselage. Un élément de structure de fuselage comprend 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).
Par « tôle » ou « tôle mince » utilisés indifféremment dans cette divulgation, on veut dire un produit laminé n’excédant pas 12,7 mm ou 0,5 pouce d'épaisseur. Les tôles selon l’invention ont une épaisseur comprise de 0,5 à 12,7 mm, préférentiellement de 0,5 mm à 9 mm, plus préférentiellement de 1,5 mm à 6 mm.
Selon la présente invention, une classe sélectionnée d’alliages d’aluminium contenant des quantités spécifiques et critiques de cuivre, de lithium, de magnésium, de zinc, de manganèse mais ne contenant essentiellement pas d’argent permet de préparer des tôles minces présentant un compromis amélioré entre ténacité et résistance mécanique, et une valeur de Δaeff_max améliorée correspondant à l’extension de fissure du dernier point valide de la courbe R.
De préférence, la tôle mince d’épaisseur inférieure à 12.7 mm, de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium est à l’état métallurgique T8. Cela signifie que la tôle mince a subi une mise en solution, une déformation à froid et un revenu.
La teneur en cuivre est de 2,5 à 3,5 % en poids. Si la teneur en cuivre est supérieure à 3,5% en poids, il n’est pas possible d’obtenir une ténacité suffisante. Préférentiellement, la teneur en cuivre est au plus de 3,4%, 3,3%, 3,2% ou 3,1%. Si la teneur en cuivre est inférieure à 2,5 % est trop faible. De préférence la teneur en cuivre est au moins de 2,7% ou même au moins de 2,8% en poids afin d’obtenir une résistance mécanique suffisante. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, la teneur en cuivre est de 2,8 à 3,1 % en poids.
La teneur en lithium est de 0,7% à 0,9% en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, la teneur en lithium est de 0,7% à 0,8%, préférentiellement de 0,70 à 0,80%. L’addition de lithium peut contribuer à l’augmentation de la résistance mécanique et de la ténacité, une teneur trop élevée ou trop faible ne permet pas d’obtenir une valeur élevée de ténacité et/ou une limite d’élasticité suffisante.
La teneur en magnésium est de 0,3% à 0,5% en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, la teneur en magnésium est de 0,30 % à 0,45% en poids, préférentiellement de 0,35% à 0,45% en poids.
La teneur en manganèse est de 0,2 à 0,5 % en poids et de préférence de 0,20% à 0,45% en poids, et de manière encore plus préférée de 0,25% à 0,45% en poids. Dans un mode de réalisation de l’invention la teneur en manganèse est au plus de 0,45 % en poids. L’addition de manganèse dans la quantité revendiquée permet de contrôler la structure granulaire essentiellement recristallisée à mi- épaisseur tout en maintenant une structure homogène à travers l’épaisseur.
La teneur en argent est inférieure ou égale 0,07% en poids, préférentiellement inférieure ou égale à 0,05% en poids, encore plus préférentiellement inférieure ou égale à 0,04% en poids, voire 0,03% en poids.
La teneur en zinc est de 0,25 à 0,65% en poids, de manière préférée de 0,45% à 0,65% en poids. Selon la présente invention, il a été observé que la présence de zinc dans les teneurs comprises entre 0,25% et 0,65% combinée à une teneur en argent inférieure ou égale à 0,07% en poids, préférentiellement inférieure ou égale à 0,04% voire 0,03% permet d’obtenir une limite d’élasticité en traction plus importante près du pic de revenu.
La teneur en titane est de 0,01% à 0,15% en poids. Avantageusement la teneur en titane est au moins 0,02 % en poids et de manière préférée au moins 0,03 % en poids. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention la teneur en titane est au plus de 0,1 % en poids et de préférence au plus de 0,05 % en poids. L’addition de titane contribue à contrôler la structure granulaire, notamment lors de la coulée.
Les teneurs en fer et en silicium sont chacune au plus de 0,1 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention les teneurs en fer et en silicium sont au plus de 0,08 % et préférentiellement au plus de 0,04 % en poids. Une teneur en fer et en silicium contrôlée et limitée contribue à l’amélioration du compromis entre résistance mécanique et tolérance aux dommages.
Les impuretés inévitables sont maintenues à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total. Le reste correspond à l’aluminium.
La composition de l’alliage est sensiblement exempte de zirconium. Par «sensiblement exempt de zirconium », il faut comprendre que le zirconium n’est pas un élément d’addition ajouté intentionnellement. Il peut cependant être présent à titre d’impuretés à une teneur en zirconium inférieure ou égale à 0,05% en poids, de préférence inférieure ou égale à 0,04 % en poids, de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 0,03 % en poids, voire inférieure ou égale à 0,01 % en poids.
Les tôles minces selon l’invention présentent à l’état T8 :
- une ténacité en contrainte plane Kapp mesurée dans la direction L-T et dans la direction T-L d’au moins 120 MPa√m et préférentiellement d’au moins 125 MPa√m, encore plus préférentiellement 130 MPa√m, valeurs mesurées sur des éprouvettes de type CCT760 avec un pré-fissuration 2ao égale à 253 mm.
- une limite d’élasticité en traction RP0,2mesurée dans les directions L et TL d’au moins 380 MPa et de préférence d’au moins 385 MPa,
- une valeur de Δaeff_max valide mesurée dans les direction L-T et T-L d’au moins 80 mm, préférentiellement 90 mm, encore plus préférentiellement 100 mm, valeurs mesurées sur des éprouvettes de type CCT760 avec une pré-fissuration 2ao égale à 253 mm.
Le procédé de fabrication des tôles selon l’invention comprend des étapes d’élaboration, coulée, laminage, mise en solution, trempe, traction contrôlée et revenu.
Dans une première étape, on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d’aluminium de composition selon l’invention. Le bain de métal liquide est ensuite coulé sous une forme de plaque de laminage.
La plaque de laminage est ensuite homogénéisée à une température comprise entre 480°C et 535° et de préférence entre 490 °C et 530°C et de manière préférée entre 500 °C et 520 °C. La durée d’homogénéisation est de préférence comprise entre 5 et 60 heures. Dans le cadre de l’invention, une température d’homogénéisation trop basse ou l’absence d’homogénéisation ne permet pas d’atteindre des propriétés améliorées et isotropes par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes de résistance mécanique dans les directions L et TL et de ténacité pour les directions L-T et T-L, et ce sur l’ensemble de cette gamme d’épaisseur.
Après homogénéisation, la plaque de laminage est en général refroidie jusqu’à température ambiante avant d’être préchauffée en vue d’être déformée à chaud. Le préchauffage a pour objectif d’atteindre une température de préférence comprise entre 400 et 500 °C permettant la déformation par laminage à chaud.
Le laminage à chaud et optionnellement à froid est effectué de manière à obtenir une tôle d’épaisseur inférieure à 12,7 mm, de préférence comprise entre 0,5 à 9 mm.
Avantageusement, lors du laminage à chaud, on maintient une température supérieure à 400°C, de préférence supérieure à 450 °C jusqu’à l’épaisseur 20 mm. Des traitements thermiques intermédiaires pendant le laminage et/ou après le laminage peuvent être effectués dans certains cas. Cependant de manière préférée, le procédé ne comprend pas de traitement thermique intermédiaire pendant le laminage et/ou après le laminage.
La tôle ainsi obtenue est ensuite mise en solution par traitement thermique entre 450 et 535 °C, de préférence entre 490 °C et 530°C et de manière préférée entre 500 °C et 520 °C, de préférence pendant 5 min à 2 heures, puis trempée. Avantageusement la durée de mise en solution est au plus de 1 heure de façon à minimiser l’oxydation de surface. Il est connu de l’homme du métier que les conditions précises de mise en solution doivent être choisies en fonction de l’épaisseur et de la composition de façon à mettre en solution solide les éléments durcissants.
La tôle subit ensuite une déformation à froid par traction contrôlée avec une déformation permanente de 0,5 à 5 % et préférentiellement de 1 à 3 %. Des étapes connues telles que le laminage, le planage, le défripage, le redressage la mise en forme peuvent être optionnellement réalisées après mise en solution et trempe et avant ou après la traction contrôlée, cependant la déformation à froid totale après mise en solution et trempe doit rester inférieure à 15% et de préférence inférieure à 10%.
Un revenu est réalisé comprenant un chauffage à une température comprise entre 130 et 170°C et de préférence entre 150 et 160°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 40 heures.
Avantageusement, le traitement de revenu est réalisé de façon à obtenir une durée équivalente à 150°C comprise de 10h à 80h, préférentiellement de 40h à 75h, encore plus préférentiellement de 55 h à 75 h.
La durée équivalente est calculée à la température de 150°C selon la formule
[Math 1]
Où (en °C) est la température instantanée de la tôle qui évolue avec le temps (en secondes). Le calcul est réalisé sur l’intervalle de temps (en seconde) correspondant à la durée de traitement de revenu.
L’état métallurgique de la tôle mince à l’issue du revenu est préférentiellement un état T8.
Dans un autre mode de réalisation, il est possible après l’étape de déformation à froid par traction contrôlée de réaliser un traitement court selon la divulgation de EP2766503 afin d’améliorer l’aptitude à la mise en forme du produit. Après déformation, la tôle subit un revenu final T8.
L’utilisation de tôles minces selon l’invention ou obtenues selon le procédé de l’invention est avantageuse dans des éléments de structure de fuselage ou dans les applications aérospatiales telles que la fabrication de fusées.
Exemples Exemple 1
Un alliage D, dont la composition en % en poids est donnée dans le Tableau 1, a été coulé sous forme de plaques. La composition D correspond à une composition selon l’invention.
% en poids Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Li Ag
D Inv. 0,03 0,05 2,92 0,31 0,43 0,58 0,03 0,77 0,01
Deux plaques ont été homogénéisées à 508°C pendant 12h., puis réchauffées avant laminage à chaud à 505°C pendant environ 28h afin d’obtenir deux tôles minces d’épaisseur respective 4,2 mm et 2,5 mm. Les tôles ont ensuite subi une mise en solution à 505°, un détensionnement par traction de 2% et un revenu de 40 h à 155°C (temps équivalent de 63h à 150°C).
Les paramètres de transformations sont indiqués dans le Tableau 2 ci-dessous :
D#1 D#2
Epaisseur finale (mm) 4,2 2,5
Homogénéisation 12h à508°C
Réchauffage LAC 28h 505°C
Epaisseur sortie LAC (mm) 4,4 4,6
Laminage à froid non oui
Mise en solution 30 min 505°C 20 min 505°C
Traction 2%
Revenu 40h 155°C
Revenu – temps équivalent à 150°C 63h
La structure granulaire des échantillons à mi-épaisseur a été caractérisée à partir de l’observation microscopique de coupes métallographiques dans le sens L-TC après oxydation anodique sous lumière polarisée. La structure granulaire des tôles est essentiellement recristallisée à mi-épaisseur.
Les échantillons ont été testés mécaniquement afin de déterminer leurs propriétés mécaniques statiques (Tableau 3) ainsi que leur ténacité (Tableau 4 et 5). Les caractéristiques de ténacité ont été mesurées en pleine épaisseur et après surfaçage de telle sorte à avoir des éprouvettes de 1,2 mm, le surfaçage ayant été réalisé sur une seule face ; les éprouvettes ont une largeur de 760 mm. Le Tableau 5 divulgue Δaeff_max pour chacun des cas. Δaeff_max représente l’extension de fissure du dernier point de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561-20. Le dernier point est obtenu soit au moment de la rupture brutale de l’éprouvette, soit éventuellement au moment où la contrainte sur le ligament non fissuré excède en moyenne la limite d’élasticité du matériau. La valeur de la limite d’élasticité en traction du matériau Rp0,2est indiquée dans le Tableau 4 ; elle est mesurée après l’essai de courbe R, sur une zone, non déformée de l’éprouvette de ténacité CT760 située au-dessus de la fissure initiale.
Reference Ep.
(mm)		 TL L Rp0,2L
/ Rp0,2TL		 Rm L
/Rm TL
Rp0,2
(MPa)		 Rm
(MPa)		 A
(%)		 Rp0,2
(MPa)		 Rm
(MPa)		 A
(%)
D#1 Inv. 4,2 mm 392 442 12,9 430 457 12,8 1,1 1,0
D#2 2,5 mm 388 439 12,6 426 457 11,8 1,1 1,0
Reference Ep.
(mm)		 Epaisseur
éprouvette ténacité (mm)
 Rp0,2
(MPa)		 Kapp CCT760
(MPa√m)		 Kr60
CCT760
(MPa√m)		 Kapp
L-T/T-L		 Kr60
L-T/T-L
TL L T-L L-T T-L L-T
D#1 Inv. 4,2 4,2 392 430 136 163 181 216 1,20 1,19
1,2 402 437 130 133 173 177 1,02 1,02
D#2 2,5 2,5 388 426 143 154 190 205 1,08 1,08
1,2 391 428 131 136 174 178 1,04 1,02
Reference Ep.
(mm)		 Epaisseur
éprouvette ténacité (mm)
 Δaeff max (mm)
CCT760
T-L L-T
D#1 Inv. 4,2 4,2 127 105
1,2 154 168
D#2 2,5 2,5 131 145
1.2 182 144
Exemple 2
Les alliages A, B, C, D ont été coulés sous forme de plaques. Leur composition en % en poids est indiquée dans le Tableau 6. Les alliages A, B, C présentent des compositions hors invention. Ils sont représentatifs de la divulgation de WO2016/051099.
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Li Ag
A Reference ¤ ¤ 2,90 0,28 0,42 - ¤ 0,68 0,28
B Reference ¤ ¤ 2,99 0,28 0,39 - ¤ 0,68 0,20
C Reference ¤ ¤ 3,04 0,28 0,44 - ¤ 0,70 0,19
¤ Ti visé 0,03% poids et Si, Fe visés ≤0,05% poids.
Ces plaques ont été homogénéisées, laminées à chaud, mises en solution, puis tractionnées pour obtenir des tôles minces A#1, B#1, C#1, D#1 d’épaisseur 4,2 mm. Les conditions de transformations sont indiquées dans le Tableau 7. Toutes les tôles présentent une structure essentiellement recristallisée à mi-épaisseur.
A#1 B#1 C#1 D#1
Epaisseur finale (mm) 4,2
Homogénéisation 12h à 508°C
Réchauffage LAC 28h 505°C
Epaisseur sortie LAC (mm) 4,4
Laminage à froid non
Mise en solution 30 min 505°C
Traction 2%
Une cinétique de revenu a été réalisée à 155°C sur chacune des tôles (Tableau 8). La montre l’évolution de la limite d’élasticité en traction Rp0,2 dans le sens TL en fonction de la durée de revenu (en heures) à 155°C.
Durée
(h)
155°C
 Temps équiv
(h)
150°C		 A#1 B#1
Rp0,2
(MPa)		 Rm
(MPa)		 A
(%)		 Rp0,2
(MPa)		 Rm (MPa) A
(%)
TL TL
0 0 332 217 21,2 343 229 22,1
10 16 314 199 23,7 341 244 20,2
20 31 380 302 14,6 413 347 14,2
25 39 412 350 13,5 428 366 13,3
30 47 419 359 11,9 434 373 13,6
35 55 425 365 12,1 436 375 12,8
40 63 - - - - - -
45 71 - - - - - -
48 75 430 373 11,3 441 382 11,9
Durée
(h) 155°C
 Temps équiv
(h)
150°C		 C #1 D #1
Rp0,2
(MPa)		 Rm (MPa) Rp0,2
(MPa)		 Rm (MPa) Rp0,2
(MPa)		 Rm (MPa)
TL TL
0 0 352 221 352 221 352 221
10 16 325 213 325 213 325 213
20 31 410 343 410 343 410 343
25 39 420 355 420 355 420 355
30 47 430 370 430 370 430 370
35 55 432 370 432 370 432 370
40 63 441 385 441 385 441 385
45 71 - - - - - -
48 75 - - - - - -
On constate que la tôle D#1 atteint une limite d’élasticité Rp0,2plus élevée que les autres tôles A#1, B#1, C#1. Sa cinétique de durcissement est plus rapide au début de la cinétique de revenu.
Exemple 3
Les alliages A, E, F ont été coulés sous forme de plaques. Leur composition en % en poids est indiquée dans le Tableau 9. Les alliages A, E, F présentent des compositions hors invention. L’alliage A est représentatif de la divulgation de WO2016/051099.
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Li Ag
A Reference ¤ ¤ 2,90 0,28 0,42 - ¤ 0,68 0,28
E Reference ¤ ¤ 2,18 0,30 0,27 - ¤ 1,40 -
F Reference ¤ ¤ 2,13 0,30 0,30 - ¤ 1,39 -
¤ Ti visé 0,03% poids et Si, Fe visés ≤0,05% poids.
Ces plaques ont été homogénéisées, laminées à chaud, mises en solution, puis tractionnées pour obtenir des tôles minces d’épaisseur 4 mm, 4,2 mm, 2mm ou 2,5 mm en fonction des cas. Les conditions de transformations sont indiquées dans le Tableau 10. Les tôles ont subi un revenu permettant d’avoir un état proche du pic de revenu.
A#1 A#2 E#1 F#2
Epaisseur finale (mm) 4,2 2,5 4,0 2,0
Homogénéisation 12h à 508°C 12h à 508°C 12h à 508°C 12h à 508°C
Réchauffage LAC 28h 505°C 28h 505°C 17h à 460°C + 3h à 450°C 17h à 460°C + 3h à 450°C
Epaisseur sortie LAC (mm) 4,4 4,4 4,2 4,2
Laminage à froid non oui non oui
Mise en solution 30 min 505°C 20 min 505°C 30 min 505°C 15 min 505°C
Traction 2% 2% 3% 2%
Revenu 28h 155°C 48h 152°C
Revenu
temps équivalent à 150°C		 44h 58h
Toutes les tôles présentent une structure essentiellement recristallisée à mi-épaisseur. Comme pour l’exemple 1, les tôles ont été caractérisées de telle sorte à mesurer la ténacité (Tableau 11) et les valeurs de Δaeff_max valide sur des éprouvettes CCT760.
Rp0,2
(MPa)		 Kapp 760 (MPa√m) Kr60 760 (MPa√m) Δaeff_max
(mm)
Alloy Ep.mm Revenu LT L T-L L-T T-L L-T T-L L-T
A#1 4,2 T8
(28h 155°C)		 366 395 154 169 205 224 77 67
A#2 2.5 362 398 158 168 209 224 72 75
E#1 4 T8
(48h 152°C)		 334 357 145 157 191 209 68 63
F#2 2 339 335 147 147 194 196 63 63
La montre que l’alliage D selon l’invention présente un meilleur compromis Rp0.2 – ténacité que l’alliage E ou F.
La montre que l’alliage D selon l’invention présente un meilleur compromis Rp0.2- Δaeff_ max que les alliages A, E et F.

Claims (11)

  1. Tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids,
    2,5 à 3,5 % de Cu,
    0,7 à 0,9 % de Li,
    0,3 à 0,5 % de Mg,
    0,2 à 0,5 % de Mn,
    0,25 à 0,65 % de Zn,
    0,01 à 0,15 % de Ti,
    0 à 0,07 % d’Ag,
    une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium.
  2. Tôle mince selon la revendication 1 dont la teneur en argent Ag est inférieure ou égale à 0,05 % en poids, préférentiellement inférieure ou égale à 0,04% en poids, encore plus préférentiellement inférieure ou égale à 0,03 % en poids.
  3. Tôle mince selon la revendication 1 ou 2 dont la teneur en magnésium Mg est comprise de 0,30% à 0,45% en poids.
  4. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dont la teneur en lithium Li est comprise de 0,7 % à 0,8% en poids, préférentiellement de 0,70 à 0,80% en poids.
  5. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dont la teneur en cuivre Cu est comprise de 2,8 à 3,1 % en poids.
  6. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dont la teneur en manganèse Mn est comprise de 0,20 à 0,45% en poids et de préférence de 0,25 à 0,45 % en poids.
  7. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dont la teneur en zinc Zn est comprise de 0,45% à 0,65% en poids.
  8. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 présentant à l’état T8 :
    - une ténacité en contrainte plane Kapp dans la direction L-T et dans la direction T-L, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 avec un pré-fissuration 2ao égale à 253 mm, d’au moins 120 MPa√m, préférentiellement d’au moins 125 MPa√m, encore plus préférentiellement 130 MPa√m,
    - une limite d’élasticité en traction RP0,2dans la direction L et dans la directionTL d’au moins 380 MPa, de préférence d’au moins 385 MPa,
    - une valeur de Δaeff_max valide mesurée dans la direction L-T et dans la direction T-L sur des éprouvettes de type CCT760 avec un pré-fissuration 2ao égale à 253 mm, d’au moins 80 mm, préférentiellement 90mm, encore plus préférentiellement 100 mm.
  9. Procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm, préférentiellement une épaisseur comprise de 0,5 à 9 mm dans lequel, successivement
    a) on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d’aluminium comprenant en % en poids,
    2,5 à 3,5 % de Cu,
    0,7 à 0,9 % de Li,
    0,3 à 0,5 % de Mg,
    0,2 à 0,5 % de Mn,
    0,25 à 0,65 % de Zn,
    0,01 à 0,15 % de Ti,
    0 à 0,07 % d’Ag,
    une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium,
    b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide,
    c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise de 480°C à 535°C;
    d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement à froid en une tôle ayant une épaisseur inférieure à 12,7 mm, de préférence une épaisseur de 0,5 mm à 9 mm;
    e) on met en solution à une température comprise de 450°C à 535°C et on trempe ladite tôle ;
    f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à 5 %,
    g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise de 130 à 170°C, de préférence de 150 à 160°C, pendant 5 à 100 heures, de préférence de 10 à 60 heures.
  10. Procédé de fabrication d’une tôle mince selon la revendication 9 tel que le revenu réalisé à l’étape g) a une durée équivalente comprise de 10h à 80h, préférentiellement de 40h à 75h, durée équivalente calculée à la température de 150°C selon la formule
    Où (en °C) est la température instantanée de la tôle qui évolue avec le temps t (en secondes).
  11. Utilisation d’une tôle selon l’une des revendications 1 à 8 ou obtenue selon l’une des revendications 9 à 10 pour des éléments de structure de fuselage.
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