WO2006064113A1 - TOLES FORTES EN ALLIAGE Al-Zn-Cu-Mg A FAIBLES CONTRAINTES INTERNES - Google Patents

TOLES FORTES EN ALLIAGE Al-Zn-Cu-Mg A FAIBLES CONTRAINTES INTERNES Download PDF

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WO2006064113A1
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heat treatment
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PCT/FR2005/003090
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Sjoerd Van Der Veen
Fabrice Heymes
Julien Boselli
Philippe Lequeu
Philippe Lassince
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Alcan Rhenalu
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/10—Alloys based on aluminium with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/053—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with zinc as the next major constituent

Definitions

  • Al-Zn-Cu-Mg alloy heavy plates with low internal stresses
  • This invention relates to a method for reducing the level of residual stresses throughout the thickness of aluminum alloy plates of the 7xxx series which are subjected to traction with permanent elongation.
  • the underlying microstructural mechanism is related to the formation of Guinier-Preston zones by nucleation, and to the formation of metastable phases that precipitate from a supersaturated aluminum matrix.
  • the nucleation and growth of these precipitates leads to a rapid increase of the elastic limit, because these precipitates hinder the dislocation displacement in the crystal lattice.
  • the degree of hardening by these mechanisms at a given location in a thick plate will depend on the chemical composition, the quenching rate, the grain and subgrain structure of the metal, as well as its crystallographic texture.
  • Alloy plates of the 7xxx series (Al-Zn-Mg type alloys with or without copper) must be quenched quickly after being put in solution in order to be able to present, after income, high mechanical characteristics throughout their thickness.
  • the presence at the time of quenching of strong thermal gradients near the surface of the strong plate leads to inhomogeneous plastic deformation. Therefore, when the sheet is completely cooled, it contains residual stresses (internal stresses). Specifically, there are compressive stresses near the surface, and tensile stresses in the center.
  • the strength of these constraints depends on the alloy and the structure of the material, as well as the solution and quenching process; the order of magnitude is 200 MPa.
  • US Pat. No. 6,159,315 and US Pat. No. 6,406,567 disclose a method for relaxing the residual stresses of hot plates after solution and quenching, which comprises a first cold drawing step in the L direction, followed by a compression step. cold in the TC sense.
  • Patents EP 0 731 185 and US Pat. No. 6,077,363 describe a method for reducing the residual stresses in 2024 alloy plates. Optimization of the manganese content and the outlet temperature of the hot rolling mill enables to obtain a recrystallization rate of more than 50% throughout the thickness. Such a sheet shows a better homogeneity of the mechanical characteristics as a function of the thickness, as well as a reduced level of residual stresses after traction. For 7xxx heavy plates, it is generally preferred to keep a largely unrequistallised microstructure, especially for applications that require high toughness, such as structural elements for aircraft. This is apparent from the publication of F. Heymes, B. Commet, B. Dubost, P. Lassince, P. Lequeu, and GM Raynaud, "Development of new Al alloys for distortion free machined aluminum aircraft components", published in the International No -Ferrous Processing and Technology Conference, St. Louis, Missouri, 1997, 249-255.
  • Residual stresses in thick plates can be determined by the method of successive machining described in the publication of Heymes, Commet et al., Referenced above. A method based on this publication is described in detail below.
  • the aim of the present invention is to present a method for obtaining thick aluminum alloy plates of the 7xxx series which, in the tractionned state, in the matured state or in any state of artificial aging, exhibits a lower residual stress level, without degrading mechanical strength and damage tolerance. More particularly, it is desired to have plates that do not deform during machining, which is observed when the total elastic energy stored in the sheet, W, is less than 2 kJ / m 3 and preferably less than 1 kJ / m 3 .
  • the subject of the invention is a method for manufacturing thick plates made of Al-Zn-Cu-Mg type alloy comprising between 4 and 12% of zinc, less than 4% of magnesium and less than 4% of copper, minor elements ⁇ 0.5% each, the rest aluminum, said process comprising hot rolling, dissolution, quenching, traction controlled with a permanent elongation greater than 0.5%, and aging, characterized in that the time D between the end of quenching and the beginning of the controlled pull is less than 2 hours, and preferably less than 1 hour.
  • Another object of the present invention is an Al-Zn-Cu-Mg alloy thick plate comprising between 4 and 12% zinc, less than 4% magnesium and less than 4% copper, minor elements ⁇ 0, 5% each, the rest aluminum, hot rolled, dissolved, quenched, tractionned with a permanent elongation greater than 0.5%, aged, characterized in that its total elastic energy is less than or equal to
  • Yet another subject of the invention is a control batch or a heat treatment batch of Al-Zn-Cu-Mg alloy thick plates comprising between 4 and 12% of zinc, less than 4% of magnesium and less of 4% of copper, minor elements ⁇ 0.5% each, the rest aluminum, dissolved, quenched, triturated and aged, characterized in that the total elastic energy W (expressed in kJ / m 3 ) plate shows a standard deviation less than or equal to 0.20 + 0.0030 (R p0 , 2 ( L) [MPa] -400) around a mean value.
  • Figure 1 schematically shows the definition of the three main directions in a sheet.
  • Figure 2 shows schematically a tensile curve.
  • Curve 2 represents the stress state at the heart of the sheet.
  • Curve 1 shows the state of surface stresses.
  • This figure shows the principle of controlled tensile stress relief: before the controlled tension, the stress deviation between the surface and the core is defined by x and -x. Controlled traction reduces this difference (defined by y and y) typically by a factor of 10.
  • Figure 3 shows the definition of the parameters h, I and w of a sheet. Below, we see schematically the strain gauge (with its connecting wire).
  • Figure 4 schematically shows the measurement and calculation sequences for determining a residual stress profile in the sheet thickness using the successive layer removal method.
  • FIG. 5 shows schematically the critical part of the method according to the invention.
  • D denotes the time interval between the end of quenching and the beginning of the controlled pull.
  • FIG. 6 shows the kinetics of maturation of thick plates in alloys 7010 and 7050 for two different quenching speeds.
  • the abscissa shows the limit of elasticity in the direction L, the ordinate the time of maturation.
  • Figure 7 shows the effect of increasing the variation of elastic limit values on the residual stress profiles after quenching.
  • FIG. 8 shows the total elastic energy as a function of the thickness for batches of alloy sheets 7xxx according to the invention (with D ⁇ 1 hour) (open points) and according to the state of the art (with D> 8 hours) (black squares).
  • Al-Zn-Cu-Mg alloy refers to an aluminum-based alloy that contains the elements of zinc, copper and magnesium alloy; such an alloy may contain in addition to other alloying elements as well as other elements, the presence of which may be intentional or not, for example impurities.
  • the metallurgical states are defined in the European standard EN 515.
  • the chemical composition of standardized aluminum alloys is defined for example in the standard EN 573-3.
  • the static mechanical characteristics that is the breaking strength R m , the yield point R p o, 2, and the elongation at break A, are determined by a tensile test according to the EN 10002-1 standard, the location and direction of specimen collection being defined in EN 485-1. Ki C toughness was measured according to ASTM E 399. Unless otherwise stated, the definitions of the European standard EN 12258-1 apply.
  • a "thick sheet” designates a sheet whose thickness is greater than equal to 6 mm.
  • the term "inspection lot” is defined in EN 12258-1; it means an expedition or part of an expedition, subject to control, and which includes products of the same quality or alloy, of the same shape, metallurgical condition, size, geometry, thickness or cross-section, and which have been produced by the same processes.
  • the term "heat treatment batch” means a quantity of products of the same quality or alloy, of the same shape, thickness or cross-section, and which have been produced in the same way, including the heat treatment or solution solution followed quenching was carried out in a single charge; several batches can be dissolved in the same heat treatment batch.
  • the term “aging” includes natural aging at room temperature (also called “ripening”), as well as any artificial aging (also known as "income”).
  • machining includes any material removal process such as turning, machining, milling, drilling, reaming, tapping, electro-erosion, grinding, polishing, chemical machining.
  • structural element refers to an element used in mechanical engineering for which the static and / or dynamic mechanical characteristics are of particular importance for the performance and integrity of the structure, and for which a calculation of the structure is usually prescribed or performed. It is typically a mechanical part whose failure is likely to endanger the safety of said construction, its users, its users or others.
  • these structural elements include the elements that make up the fuselage (such as fuselage skin (fuselage skin in English), stiffeners or stringers, bulkheads, fuselage (circumferential frames), the wings (such as the wing skin), the stiffeners (stringers or stiffeners), the ribs (ribs) and spars) and the empennage composed in particular of stabilizers Horizontal and vertical (horizontal or vertical stabilizers), as well as floor beams, seat rails and doors.
  • fuselage such as fuselage skin (fuselage skin in English
  • stiffeners or stringers such as the wing skin
  • the stiffeners stringers or stiffeners
  • ribs ribs
  • spars spars
  • empennage composed in particular of stabilizers Horizontal and vertical (horizontal or vertical stabilizers), as well as floor beams, seat rails and doors.
  • monolithic structural element refers to a structural element that has been obtained, most often by machining, from a single piece of laminated, extruded, forged or molded semi-finished product, such as riveting, welding, gluing, with another piece.
  • the directions L (Long direction), TL (cross-long direction) and TC (cross-short direction) in a rolled product refer to the rolling direction corresponding to the direction L. These three directions are defined in FIG. .
  • the residual stresses were determined using the method based on the successive removal of layers described in the publication "Development of New Alloy for Distortion Free Machined Aluminum Aircraft Components", F.Heymes , B.Commet, B.Dubost, P.Lassince, P.Lequeu, GM.Raynaud, in lst International Non-Ferrous Processing & Technology Conference, 10-12 March 1997 - Adams's Mark Hotel, St Louis, Missouri.
  • This method is especially applicable to tractionned heavy plates, in which the state of stress can be considered as biaxial; the two main components being located in the directions L and TL, and there is therefore no component in the direction TC.
  • This method is based on the determination of the residual stresses in the directions L and TL on rectangular bars, cut in full thickness of the sheet in the direction parallel to the indicated directions. These bars are machined in the TC step by step direction. After each step, the stress and / or deflection are measured and the thickness of the bar is measured.
  • a particularly preferred method is to set a strain gauge at mid-length of the bar, on the surface opposite to that which is machined. This makes it possible to calculate the residual stress profiles in the L and TL directions. The bar should be long enough to avoid edge effects.
  • the recommended dimensions according to the thickness of the sheet are shown in Table 1.
  • Unidirectional strain gauges with compensation for thermal expansion are glued to the lower surface of the bar (see Figure 3), following the manufacturer's instructions. Then they are covered with an insulating lacquer. The value read on each of these gauges is taken as zero. A measurement is taken after each machining pass. Typically, between 18 and 25 passes are used to obtain a sufficient number of points to calculate the stress profile. The machining depth must not be less than 1 mm, in order to obtain a good quality of cut; for very thick sheets, it can reach 10 mm. Chemical machining can also be used to remove a very small thickness of metal. The machining pitch should be the same for both samples (i.e. in the L direction and in the TL direction).
  • W W L + W LT
  • WL the stored elastic energy that results from the residual stress profile in the L direction
  • WL T the stored energy that results from the residual stress profile in the TL direction
  • W is the total elastic energy in the sheet (expressed in kJ or kJ / m 3 ).
  • the method for measuring the stresses and obtaining the stored elastic energies is described above in a precise manner, for example by giving the dimensions of the bars that are used in practice. It should be noted that these dimensions are not mandatory and do not limit the method. The width of the bar has no influence on the result. A length of two times plus three times the length of the gauge is sufficient in the case of measurements using strain gauges. The given dimensions are derived from practical experience and have been adapted to the machining and measuring means used. Those skilled in the art will readily be able to select other dimensions without altering the results.
  • the present invention applies to plates, and especially to plates, made of aluminum alloy of the 7xxx series, the chemical composition of which satisfies the following criteria: 4 ⁇ Zn ⁇ 12; Mg ⁇ 4; Cu ⁇ 4; minor elements ⁇ 0.5 each the rest aluminum, and which are treated by dissolution, quenching and controlled traction.
  • the problem is solved by a modification of the manufacturing process so that the ripening (natural aging) between the end of the quenching and the beginning of the controlled pull is minimized so that the energy total elasticity (W) in the return state remains below a certain limit value.
  • This limit value represents a maximum value to keep the machining deformity at a level that is still acceptable; for most applications, this limit value is 2 kJ / m 3 for a sheet having a thickness of between 60 mm and 100 mm, and preferably of 1.5 kJ / m 3 . For particularly complex parts, it must be 1 kJ / m 3 .
  • Figure 5 shows the diagram of the heat treatment process that undergoes a sheet after rolling.
  • the dissolution can be carried out in a single stage, in several stages, or in ramp with or without definite stage. The same is true of income.
  • the critical phase in the context of the present invention is the delay D between the end of the quenching and the beginning of the controlled pull.
  • the inventors have found that a long delay D leads to a greater heterogeneity of the mechanical characteristics between areas near the surface and areas near the mid-thickness of the material. This heterogeneity can be mainly attributed to differences in cooling rate in the thickness of the sheet.
  • the inventors have found that the variation of the residual stresses across the thickness of the alloy sheets 7xxx depends on (i) the variation of the cooling rates and the plastic deformation during quenching, (ii) the heterogeneities of the microstructure granular structure and texture that are generated during rolling, and (iii) local variations in chemical composition that result from the casting process (including solidification and homogenization). Between the end of the quenching and the beginning of the traction, a maturation is observed throughout the thickness of the sheet, but the speed of this maturation depends on the thickness: the limit of elasticity increases faster close to a surface only half thickness.
  • the method according to the invention does not give an improved result in the case of other alloys with structural hardening, such as the 2xxx and 6xxx series alloys.
  • the stored energy is very high, and the improvement obtained with the process according to the invention. invention does not appear to be significant.
  • These alloys also have difficulty responding to solution treatment.
  • R p o, 2 (L) denotes the yield strength of the finished sheet measured according to EN 10002-1 and EN 485-1.
  • the influence of the thickness on the level of residual stresses and the total elastic energy is here expressed in terms of the limited elasticity, measured as recommended by the EN 485-1 standard.
  • the method according to the invention can advantageously be applied to the manufacture of a plurality of sheets whose thickness is between about 10 mm and about 250 mm, and even more advantageously to sheets whose thickness is greater than 25 mm. , but these values are not limiting.
  • the method according to the invention also makes it possible to reduce the dispersion between the values of W for a plurality of sheets belonging to the same control lot or batch of heat treatment, so that all the plates have a standard deviation of the total elastic energy W of the various sheets around a mean value less than or equal to
  • R p o, 2 (L) denotes the average of the measurements of R P o, 2 (L) made according to the standard for each of the finished sheets of the batch, according to ENl 0002-1 and EN485-1.
  • the standard deviation between the measurements of the total elastic energy W of the different sheets of a batch can depend on the number of sheets contained in the batch. In particular, a standard deviation obtained on two measurements is weakly significant and can randomly be very high or very low. From 3 sheets, the standard deviation of the measurements can be considered, but in a preferred manner, the control or heat treatment batches used in the context of the present invention contain at least 5 sheets.
  • the use of the method according to the invention enables the manufacturer to guarantee that such a control batch or such a batch of heat treatment comprises sheets whose average total elastic energy is less than 3 kJ / m 3 .
  • this average value is less than 2 kJ / m 3 , and a value less than 1 kJ / m 3 is preferred, which requires excellent control of the critical processes and very rigorous management of the product streams at the stages of production. dissolution, quenching and traction.
  • the implementation of the method according to the invention may require an adaptation of the metal flows inside the plant, because if the producer wants to produce plates with a delay D less than a few hours, it is necessary to synchronize the tempering furnace with the traction bench.
  • Patent Application EP 1 231 290 A1 describes, in Example 1, a 7449-thick alloy sheet with a thickness of 38 mm for which the controlled pull has been carried out Ih after quenching; this document however does not give any teaching on the interest of this short duration.
  • the method according to the invention made it possible to produce control batches or heat treatment batches for which the delay D between the end of the quenching and the beginning of the controlled pull is systematically less than 2 hours, which made it possible to minimize the average and the standard deviation of the total elastic energy W of the sheets of these batches.
  • the industrial manufacture of such a control lot requires a reorganization of product flows around the machines necessary for the implementation of the method according to the invention.
  • the maturation is carried out at low temperature, that is to say at a temperature below 10 0 C and preferably at a temperature below 5 0 C, which allows obtain similar results in terms of total elastic energy W for delays D between 2h and 3h.
  • the invention is particularly advantageous for thick plates of AA7010, 7050, 7056, 7449, 7075, 7475, 7150, 7175 alloys.
  • the advantage of the process according to the invention is the overall reduction of the stress level in the heavy plates. This generally reduces the deformation during machining.
  • Another advantage of the process according to the invention is that the control of the time which elapses between the end of the quenching and the beginning of the traction also makes it possible to reduce the dispersion of the stress level which is observed between different sheets nominally. identical, even within the same manufacturing batch or batch of heat treatment. This allows a better standardization of the machining processes for a given series of products, and reduces the number of incidents during the manufacture of machined parts in the machine shop.
  • Example 1 Three AA7010 alloy rolling plates were cast by semi-continuous casting. After homogenization, they were hot-rolled to a thickness of 100 mm. At the outlet of the hot rolling mill, they were subjected to quenching followed by a controlled pull, and finally to a treatment of income.
  • the metallurgical state of the three products Al, A2 and A3 thus obtained was the T7651 state. For these three products, all manufacturing parameters were nominally identical and well controlled. The only difference was the waiting time D between the end of quenching and the beginning of tensile stress relief.
  • Table 2 shows the stored elastic energy of the various sheets obtained, determined in the final state.
  • Table 7 shows the stored elastic energy of the various sheets obtained, determined in the final state (ie after controlled pulling).
  • Two AA7449 alloy rolling plates were converted by homogenization, hot rolling to a thickness between 16.5 and 21.5 mm, quenching and controlled pulling, followed by tempering.
  • the metallurgical state of the two products D1 and D2 thus obtained was the T651 state.
  • all manufacturing parameters were nominally identical and well controlled, and the only difference was the waiting time D between the end of quenching and the beginning of tensile stress relief.
  • Table 8 shows the stored elastic energy of the various sheets obtained, determined in the final state (ie after controlled pulling).
  • FIG. 8 shows the values of the stored energy of the sheets according to the invention (with D ⁇ 1 hour) (open points) ("Optimized") and according to the state of the art (with D> 8 hours) (square black).
  • the stored energy is maximum.
  • the method according to the invention leads, for a given thickness, on the one hand to a reduction of the overall level of residual stresses (that is to say of the stored energy Wtotai) by about 50%, and of on the other hand, to a significant reduction in the statistical dispersion of this value.
  • the effect of the invention on the overall level of residual stresses is particularly remarkable for thicknesses of between 40 and 150 mm and even more clearly for thicknesses of between 50 and 100 or even 80 mm.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de tôles épaisses en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs ≤ 0,5% chacun, le reste aluminium, ledit procédé comprenant le laminage à chaud, la mise en solution, la trempe, la traction contrôlée avec un allongement permanent supérieur à 0,5%, ainsi que le vieillissement, caractérisé en ce que délai D entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée est inférieur à 2 heures.

Description

Tôles fortes en alliage Al-Zn-Cu-Mg à faibles contraintes internes
Domaine de l'invention Cette invention concerne une méthode pour réduire le niveau de contraintes résiduelles dans toute l'épaisseur de tôles fortes en alliage d'aluminium de la série 7xxx qui subissent une traction avec un allongement permanent.
Etat de la technique
On sait que dans les alliages d'aluminium de la série 7xxx, la maturation
(vieillissement naturel) débute immédiatement après la trempe. Le mécanisme microstructural sous-jacent est lié à la formation de zones Guinier-Preston par nucléation, et à la formation de phases métastables qui précipitent à partir d'une matrice d'aluminium sursaturée. La nucléation et croissance de ces précipités conduit à une augmentation rapide de la limite d'élasticité, car ces précipités gênent le déplacement de dislocations dans le réseau cristallin. Le degré de durcissement par ces mécanismes à un endroit donné dans une tôle épaisse dépendra de la composition chimique, de la vitesse de trempe, de la structure de grains et de sous-grains du métal, ainsi que de sa texture cristallographique.
Les tôles fortes en alliages de la série 7xxx (alliages de type Al-Zn-Mg avec ou sans cuivre) doivent être trempées rapidement après leur mise en solution pour pouvoir présenter, après revenu, des hautes caractéristiques mécaniques dans toute leur épaisseur. La présence au moment de la trempe de forts gradients thermiques proche de la surface de la tôle forte conduit à une déformation plastique inhomogène. Par conséquent, lorsque la tôle est complètement refroidie, elle renferme des contraintes résiduelles (contraintes internes). Plus précisément, on trouve des contraintes compressives à proximité de la surface, et des contraintes de traction au centre. La force de ces contraintes dépend de l'alliage et de la structure du matériau, ainsi que du procédé de mise en solution et de trempe ; l'ordre de grandeur est de 200 MPa. On trouve une description détaillée des contraintes résiduelles dans les alliages de type 7xxx dans les publications suivantes : J.C. Chevrier, F. Moreaux, G. Beck, J. Bouvaist, « Contribution à l'étude des contraintes thermiques de trempe. Application aux alliages d'aluminium. » Mémoires Scientifiques - Revue de Métallurgie vol 72, n° 1, p. 83-94 (1975) ; P. Jeanmart, J. Bouvaist, « Finite élément calculation and measurement of thermal stresses in quenched plate of high-strength 7075 aluminium alloy », Materials Science and Technology Vol. 1, n° 10, p. 765 - 769 (1985) ; D. Godard, Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Lorraine, Nancy 1999, notamment pages 285 - 290 et 209 - 250.
Les méthodes les plus répandues pour relaxer les contraintes résiduelles dans des tôles fortes en alliage de la série 7xxx font appel à la déformation plastique, soit par traction au sens L, soit par compression au sens TC. L'avantage de ces méthodes est qu'elles n'affectent pas de manière significative le potentiel de durcissement du matériau au cours d'une étape ultérieure de revenu. On considère que la traction est plus efficace que la compression, car elle conduit en général à une déformation plastique plus homogène.
Les brevets US 6,159,315 et US 6,406,567 (Corus Aluminium Walzprodukte GmbH) divulguent une méthode pour relaxer les contraintes résiduelles des tôles fortes après mise en solution et trempe, qui comporte une première étape de traction à froid au sens L, suivie par une étape de compression à froid au sens TC.
La demande de brevet WO 2004/053180 (Pechiney Rhenalu) décrit une méthode de relaxation des contraintes résiduelles d'une tôle forte par compression sur les champs. Même si elle permet d'obtenir des tôles avec des faibles énergies résiduelles, cette méthode en compression est cependant difficile à mettre en œuvre.. La déformation plastique permet typiquement de réduire les contraintes résiduelles par un facteur d'environ 10. Cela est illustré sur la figure 2. Néanmoins, en pratique, les contraintes résiduelles dans des semi-produits épais considérés comme identiques peuvent varier fortement. Cela peut être lié à la variation de leur composition chimique, mais aussi et surtout à la variation des paramètres des procédés de fabrication, tels que la coulée, le laminage, la trempe, la traction et le revenu ; l'influence de ces paramètres de procédé sur le niveau de contraintes résiduelles dans le produit fini n'est pas toujours bien compris. Certaines modifications de procédé conduisent effectivement à une réduction du niveau des contraintes résiduelles (telles que le choix d'une trempe plus lente ou d'une température de revenu plus élevée), mais elles modifient également le compromis entre certaines propriétés qui sont importantes pour les application structurales, telles que, typiquement, la résistance mécanique, la tolérance aux dommages et la résistance à la corrosion. Cet état de la technique est connu des publications suivantes : R. Habachou, M. Boivin, « Numerical prédictions of quenching and relieving by stretching of aluminium alloys cylindrical bars », Journal de Mécanique Théorique et Appliquée, Vol 4, pp. 701-723, 1985 ; J.C. Boyer et M. Boivin, "Numerical calculations of residual stress relaxation in quenched plates", Materials Science and Technology Vol. 1 1985 pp. 786-792 ; R. Vignaud, P Jeanmart, J. Bouvaist, B. Dubost (1990), « Détensionnement par déformation plastique », Physique et mécanique de la mise en forme des métaux, Ecole d'été d'Oléron, dirigée par F. Moussy et P. Franciosi, éditée aux Presses du CNRS, 1990, pp. 632- 642.
L'influence critique des contraintes résiduelles sur la distorsion lors de l'usinage a été décrite largement dans la littérature. Dans l'industrie aéronautique, on usine souvent des pièces complexes à partir de tôles épaisses en alliage d'aluminium ; cela conduit souvent à plus de 80 % de copeaux. Une trop forte distorsion à l'usinage doit être compensée par des mesures correctives complexes et coûteuses, telles que : (a) le redressage mécanique, (b) le grenaillage (en anglais : shot peening), (c) l'optimisation de Ia localisation de la pièce visée dans l'épaisseur de la tôle forte, c'est-à-dire par rapport au profil en profondeur des contraintes résiduelles, ou (d) la modification de la forme de la pièce en vue de minimiser sa déformation (étant entendu que la déformation permanente de la pièce usinée est faible si sa forme est proche d'un forme symétrique par rapport à l'axe longitudinal de la tôle épaisse dans laquelle ladite pièce est usinée). Les constructeurs d'avions préfèrent par conséquent des tôles fortes dont les contraintes résiduelles sont non seulement plus faibles, mais aussi sous contrôle, c'est-à-dire présentant une faible variation pour un type de produits donné (alliage, épaisseur, état métallurgique).
Les brevets EP 0 731 185 et US 6,077,363 décrivent une méthode pour réduire les contraintes résiduelles dans les tôles fortes en alliage 2024. L'optimisation de la teneur en manganèse et de la température de sortie du laminoir à chaud permet d'obtenir un taux de recristallisation de plus de 50% dans toute l'épaisseur. Une telle tôle montre une meilleure homogénéité des caractéristiques mécaniques en fonction de l'épaisseur, ainsi qu'un niveau réduit de contraintes résiduelles après traction. Pour les tôles fortes en 7xxx, on préfère en général garder une microstructure largement non recristallisée, notamment pour des applications qui exigent une forte ténacité, telles que les éléments de structure pour avions. Cela ressort de la publication de F. Heymes, B. Commet, B. Dubost, P. Lassince, P. Lequeu, and G. M. Raynaud, "Development of new Al alloys for distortion free machined aluminium aircraft components", parue dans lst International Non-Ferrous Processing and Technology Conférence, St. Louis, Missouri, 1997, 249-255.
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Les contraintes résiduelles dans des tôles épaisses peuvent être déterminées par la méthode de l'usinage successif décrite dans la publication de Heymes, Commet et al., référencée ci-dessus. Une méthode basée sur cette publication est décrite en détail ci-dessous.
La présente invention a pour but de présenter une méthode pour obtenir des tôles épaisses en alliage d'aluminium de la série 7xxx qui présente, à l'état tractionné, à l'état matûré ou dans n'importe quel état de vieillissement artificiel, un niveau de contraintes résiduelles plus faible, sans dégrader la résistance mécanique et la tolérance aux dommages. Plus particulièrement, on souhaite disposer de tôles fortes qui ne se déforment pas lors de l'usinage, ce qui est observé lorsque l'énergie élastique totale stockée dans la tôle, W, est inférieure à 2 kJ/m3 et préférentiellement inférieure à 1 kJ/m3.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fabrication de tôles épaisses en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, ledit procédé comprenant le laminage à chaud, la mise en solution, la trempe, la traction contrôlée avec un allongement permanent supérieur à 0,5%, ainsi que le vieillissement, caractérisé en ce que délai D entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée est inférieur à 2 heures, et préférentiellement inférieur à 1 heure.
Un autre objet de la présente invention est une tôle épaisse en alliage de type Al- Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, laminée à chaud, mise en solution, trempée, tractionnée avec un allongement permanent supérieur à 0,5%, vieillie, caractérisée en ce son énergie élastique totale est inférieure ou égale à
W [kJ/m3] ≈ 0,54 + 0,013 (Rpo>2(L)[MPa]- 400).
Encore un autre objet de l'invention est un lot de contrôle ou un lot de traitement thermique de tôles épaisses en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, à l'état mis en solution, trempé, tractionné et vieilli, caractérisé en ce l'énergie élastique totale W (exprimée en kJ/m3) des tôles montre un écart-type inférieur ou égal à 0,20 + 0,0030 (Rp0,2(L)[MPa]- 400) autour d'une valeur moyenne.
Description des figures
La figure 1 montre de manière schématique la définition des trois directions principales dans une tôle.
La figure 2 montre de manière schématique une courbe de traction. La courbe 2 représente l'état de contraintes au cœur de la tôle. La courbe 1 montre l'état de contraintes en surface. Cette figure montre le principe du détensionnement par traction contrôlée : avant la traction contrôlée, l'écart des contraintes entre la surface et le cœur est défini par x et -x. La traction contrôlée réduit cet écart (défini par y et - y) typiquement d'un facteur 10. La figure 3 montre la définition des paramètres h, I et w d'une tôle. En bas, on voit de manière schématique la jauge de déformation (avec son fil de raccordement).
La figure 4 montre de manière schématique les séquences de la mesure et des calculs pour déterminer un profil de contraintes résiduelles dans l'épaisseur de la tôle à l'aide de la méthode par enlèvement successif de couches.
La figure 5 montre de manière schématique la partie critique du procédé selon l'invention. D désigne l'intervalle de temps entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée.
La figure 6 montre la cinétique de maturation de tôles épaisses en alliages 7010 et 7050 pour deux vitesses de trempe différentes. L'abscisse montre la limite d'élasticité dans le sens L, l'ordonnée le temps de maturation.
La figure 7 montre l'effet de l'augmentation de la variation des valeurs de limite d'élasticité sur les profils de contraintes résiduelles après trempe.
La figure 8 montre l'énergie élastique totale en fonction de l'épaisseur pour des lots de tôles en alliage 7xxx selon l'invention (avec D < 1 heure) (points ouverts) et selon l'état de la technique (avec D > 8 heures) (carrés noirs).
Description de l'invention a) Terminologie Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. L'expression « alliage de type Al-Zn-Cu-Mg » se réfère à un alliage à base d'aluminium qui contient les éléments d'alliage zinc, cuivre et magnésium ; un tel alliage peut contenir en plus d'autres éléments d'alliage ainsi que d'autres éléments, dont la présence peut être intentionnelle ou non, par exemple des impuretés.
Les états métallurgiques sont définis 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 Rm, 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 définis dans la norme EN 485-1. La ténacité KiC a été mesurée selon Ia norme ASTM E 399. Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent.
Dans le cadre de la présente invention, une « tôle épaisse » désigne une tôle dont l'épaisseur est supérieure au égale à 6 mm. Le terme « lot de contrôle » est défini dans la norme EN 12258-1 ; il désigne une expédition ou partie d'une expédition, soumise à un contrôle, et qui comprend des produits de même qualité ou alliage, de même forme, état métallurgique, taille, géométrie, épaisseur ou section transversale, et qui ont été produits par les même procédés. Le terme « lot de traitement thermique » désigne une quantité de produits de même qualité ou de même alliage, de même forme, épaisseur ou section transversale, et qui ont été produits de la même façon, dont le traitement thermique ou la mise en solution suivie de trempe a été effectué en une seule charge ; plusieurs lots peuvent être mis en solution dans une même charge de traitement thermique. Le terme « vieillissement » comprend le vieillissement naturel à température ambiante (appelé aussi « maturation »), ainsi que tout vieillissement artificiel (appelé aussi « revenu »).
Le terme « usinage » comprend tout procédé d'enlèvement de matière tel que le tournage, le décolletage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, P électroérosion, la rectification, le polissage, l'usinage chimique.
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 Ia 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, des 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 tracks) et les portes.
Le terme « élément de structure monolithique » se réfère à un élément de structure qui a été obtenu, le plus souvent par usinage, 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.
Les directions L (sens Long), TL (sens travers-long) et TC (sens travers-court) dans un produit laminé se réfèrent à la direction de laminage qui correspond à la direction L. Ces trois directions sont définies sur la figure 1.
b) Détermination des contraintes résiduelles
Dans le cadre de la présente invention, les contraintes résiduelles ont été déterminées à l'aide de la méthode basée sur l'enlèvement successif de couches décrite dans la publication "Development of New Alloy for Distortion Free Machined Aluminum Aircraft Components", F.Heymes, B.Commet, B.Dubost, P.Lassince, P.Lequeu, GM.Raynaud, in lst International Non-Ferrous Processing & Technology Conférence, 10-12 March 1997 - Adams's Mark Hôtel, St Louis, Missouri.
Cette méthode s'applique surtout aux tôles fortes tractionnées, dans lesquelles l'état de contrainte peut être considéré comme biaxial ; les deux composantes principales étant situées dans les directions L et TL, et il n'y a donc pas de composante dans la direction TC. Cette méthode est basée sur la détermination des contraintes résiduelles dans les directions L et TL sur des barres rectangulaires, coupées en pleine épaisseur de la tôle dans le sens parallèle aux directions indiquées. Ces barres sont usinées dans le sens TC étape par étape. Après chaque étape on mesure la contrainte et/ou la déflection et relève l'épaisseur de la barre. Une méthode particulièrement préférée consiste à fixer une jauge de déformation à mi-longueur de la barre, sur la surface opposée à celle qui est usinée. Cela permet de calculer les profils de contraintes résiduelles dans les directions L et TL. La barre doit être suffisamment longue pour éviter des effets de bord. Les dimensions recommandées en fonction de l'épaisseur de la tôle sont indiquées dans le tableau 1.
Tableau 1 Dimensions [mm] utilisées pour la méthode de l'enlèvement successif de couches
Figure imgf000011_0001
Les jauges de déformation unidirectionnelles avec une compensation de la dilatation thermique sont collées sur la surface inférieure de la barre (voir figure 3), en suivant les instructions du fabricant. Ensuite, elles sont recouvertes d'une laque isolante. La valeur lue sur chacune de ces jauges est prise pour zéro. On effectue une mesure après chaque passe d'usinage. On prend typiquement entre 18 et 25 passes pour obtenir un nombre de points suffisant pour calculer le profil de contraintes. La profondeur d'usinage ne doit pas être inférieure à 1 mm, afin d'obtenir une bonne qualité de coupe ; pour des tôles très épaisses, elle peut atteindre 10 mm. On peut aussi utiliser l'usinage chimique pour enlever une très faible épaisseur de métal. Le pas d'usinage devrait être le même pour les deux échantillons (i.e. dans le sens L et dans le sens TL).
Après chaque passe d'usinage, la barre est détachée de l'étau, et on laisse la température se stabiliser avant de mesurer la déformation. A chaque pas i, on relève l'épaisseur h(i) et la déformation ε(i). Le schéma de la figure 4 montre comment on collecte ces données.
Ces données permettent de calculer le profil de contraintes initial dans chaque barre sous la forme d'une courbe u(i), qui correspond à la contrainte moyenne dans la couche enlevée lors du pas d'usinage i, donnée par les équations suivantes :
Pour Z = I aN-I :
(<r+l)-£(0)^+l)2 W~ L[h(ï)-Ki+l)][3h(i)-h(i+l)] ύW
avec : IO — r 3h(k)(h(ι)+h(i+l)) n ûO)-^W*+l) <Wγ Qh(k)-h(k+l)-)h(k+l) )_J où E est le module de Young de la tôle épaisse. On obtient ainsi deux profiles : u(ï)ι et U(Ï)LT qui correspondent à des barres à section rectangulaire dans les directions L et TL. Les profiles de contraintes dans la tôle sont obtenus par les équations suivantes :
Pour ι = l à N-I
Figure imgf000012_0001
,„ U(Ï)LT +VU(Ï)L 1-v où v est le coefficient de Poisson de la tôle forte. On peut ensuite calculer l'énergie stockée dans la tôle (WL, WLT et W) à partir des équations :
Wι=^∑σ(i)L[σ(i)L-vσ(ï)Lτ}ih(i)
Wιτ=^∑σ(i)Lτ[σ(ï)Lτ-vσ(i)L}ih(i)
W=WL+ WLT où WL représente l'énergie élastique stockée qui résulte du profil de contraintes résiduelles dans la direction L, et WLT représente l'énergie stockée qui résulte du profil de contraintes résiduelles dans la direction TL. W est l'énergie élastique totale dans la tôle (exprimé en kJ ou kJ/m3). La méthode de mesure des contraintes et d'obtention des énergies élastiques stockées est décrite ci-dessus d'une manière précise en donnant par exemple les dimensions des barreaux qui sont utilisés en pratique. Il faut noter que ces dimensions ne sont pas obligatoires et ne limitent pas la méthode. La largeur du barreau n'a pas d'influence sur le résultat. Une longueur de deux fois h plus trois fois la longueur de la jauge est suffisante dans le cas de mesures à l'aide de jauges de déformation. Les dimensions données sont issues de l'expérience pratique et ont été adaptées aux moyens d'usinage et de mesures utilisés. L'homme du métier sera aisément en mesure de sélectionner d'autres dimensions sans altérer les résultats.
De même, d'autres techniques peuvent être utilisées pour mesurer le gradient de contraintes dans l'épaisseur des tôles. Après obtention des profils de contraintes σL et σLT dans l'épaisseur, les mêmes formules des sommes incrémentales ci-dessus permettent de calculer les énergies stockées WL et WLT- H est donc possible d'obtenir les énergies stockées par toutes techniques permettant des mesures de contraintes dans l'épaisseur.
c) Description détaillée de l'invention
La présente invention s'applique aux tôles, et surtout aux tôles fortes, en alliage d'aluminium de la série 7xxx, dont la composition chimique répond aux critères suivants : 4 < Zn < 12 ; Mg < 4 ; Cu < 4 ; éléments mineurs < 0,5 chacun le reste aluminium, et qui sont traités par mise en solution, trempe et traction contrôlée.
Selon l'invention, le problème est résolu par une modification du procédé de fabrication de manière à ce que la maturation (vieillissement naturel) entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée est minimisée de manière à ce que l'énergie élastique totale (W) à l'état revenu reste inférieure à une certaine valeur limite. Cette valeur limite représente une valeur maximale pour garder la déformation à l'usinage à un niveau qui est encore acceptable ; pour la plupart des applications, cette valeur limite est de 2 kJ/m3 pour une tôle d'une épaisseur comprise entre 60 mm et 100 mm, et préférentiellement de 1,5 kJ/m3. Pour des pièces particulièrement complexes, elle doit être de 1 kJ/m3.
La figure 5 montre le schéma du procédé de traitement thermique que subit une tôle après laminage. La mise en solution peut être effectuée en un seul palier, en plusieurs paliers, ou en rampe avec ou sans palier bien défini. Il en est de même du revenu. La phase critique dans le cadre de la présente invention est le délai D entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée. Les inventeurs ont trouvé qu'un délai D long conduit à une plus grande hétérogénéité des caractéristiques mécaniques entre les zones proches de la surface et les zones proches de la mi-épaisseur du matériau. Cette hétérogénéité peut être principalement attribuée aux différences de vitesse de refroidissement dans l'épaisseur de la tôle. La figure 6 montre l'évolution de la limite d'élasticité au sens L, déterminée proche de la surface et à mi-épaisseur, en fonction de la durée de maturation pour des tôles très fortes en alliages AA7010 et AA7050 et pour différentes vitesses nominales de trempe. Ces vitesses de trempe ont été obtenues sur des éprouvettes de traction mais elles sont représentatives des différences de vitesse de trempe observées entre la surface et le cœur d'une tôle épaisse. On voit que la différence entre les niveaux de résistance mécanique s ' accentue au cours du temps .
Les inventeurs ont constaté que la variation des contraintes résiduelles à travers l'épaisseur des tôles en alliage 7xxx dépend (i) de la variation des vitesses de refroidissement et de la déformation plastique au cours de la trempe, (ii) des hétérogénéités de la microstructure structure granulaire et de la texture qui sont générées au cours du laminage, et (iii) des variations locales de la composition chimique qui résultent du procédé de coulée (y compris la solidification et l'homogénéisation). Entre la fin de la trempe et le début de la traction, on observe une maturation dans toute l'épaisseur de la tôle, mais la vitesse de cette maturation dépend de l'épaisseur : la limite d'élasticité augmente plus vite à proximité d'une surface qu'à mi-épaisseur. Cela est probablement dû à la cinétique de précipitation : d'une part, la teneur de la solution solide sursaturée en éléments potentiellement durcissants est plus grande proche de la surface qu'à mi-épaisseur (car le procédé de coulée semi-continue adopté conduit à une macro-segrégation telle que la concentration d'éléments eutectiques, tels que Cu, Mn et Zn, est plus forte proche de la surface, et la vitesse de refroidissement au cours de la coulée y est également plus grande), et d'autre part, on trouve proche de la surface une plus grande densité de sites hétérogènes (lacunes, dislocations etc) qui facilitent la précipitation et qui résultent de la plus grande vitesse de refroidissement et de la plus grande plasticité au cours de la trempe.
Les inventeurs ont trouvé par un calcul basé sur un modèle à éléments finis qu'une augmentation de l'hétérogénéité des caractéristiques mécaniques (c'est-à-dire de la limite d'élasticité ou des coefficients d'écrouissage) conduit à une augmentation des contraintes résiduelles après traction. La figure 7 montre l'effet de l'augmentation de la variation des valeurs de limite d'élasticité sur les profils de contraintes résiduelles après trempe.
Cette tentative d'explication métallurgique du procédé selon l'invention n'implique cependant aucune limitation de la présente invention aux phénomènes sous-jacents. Par ailleurs, les inventeurs ont constaté que l'effet est plus grand en réalité que les valeurs obtenues par le modèle mathématique.. Enfin, un changement du procédé de fabrication qui conduirait à améliorer l'homogénéité des limites d'écoulement (Rp02) dans l'épaisseur de la tôle forte après la trempe, entraînerait une baisse des contraintes résiduelles après traction contrôlée ou après tout détensionnement par déformation plastique.
Le procédé selon l'invention ne donne pas de résultat amélioré dans le cas d'autres alliages à durcissement structural, tels que les alliages des séries 2xxx et 6xxx. Pour les alliages très chargés, c'est-à-dire présentant une teneur en Zn > 12%, Mg > 4% et Cu > 4%, l'énergie stockée est très élevée, et l'amélioration obtenue avec le procédé selon l'invention ne paraît pas être significative. Ces alliages répondent par ailleurs difficilement à un traitement de mise en solution.
Le procédé selon l'invention permet de fabriquer des tôles caractérisées par une valeur de l'énergie élastique totale qui est inférieure ou égale à
W [kJ/m3] = 0,54 + 0,013 (Rp0)2(L) [MPa]- 400). Dans cette équation, Rpo,2(L) désigne la limite élastique de la tôle finie mesurée selon les normes EN 10002-1 et EN 485-1. L'influence de l'épaisseur sur le niveau de contraintes résiduelles et l'énergie élastique totale est ici exprimée en termes de la limité d'élasticité, mesurée comme préconisé par la norme EN 485-1. Le procédé selon l'invention peut être appliqué avantageusement à la fabrication d'une pluralité de tôles dont l'épaisseur se situe entre environ 10 mm et environ 250 mm, et encore plus avantageusement à des tôles dont l'épaisseur est supérieure à 25 mm, mais ces valeurs ne sont pas limitatives.
Le procédé selon l'invention permet aussi de réduire la dispersion entre les valeurs de W pour une pluralité de tôles appartenant à un même lot de contrôle ou lot de traitement thermique, de manière à ce toutes les tôles ont un écart-type de l'énergie élastique totale W des différentes tôles autour d'une valeur moyenne inférieur ou égal a
0,20 + 0,0086 (RPo,2(L)[MPa]- 400) et de manière préférée inférieur ou égal à
0,20 + 0,0030 (Rpo>2(L)[MPa]- 400).
Dans cette équation, Rpo,2(L) désigne la moyenne des mesures de RPo,2(L) effectuées selon la norme pour chacune des tôle finies du lot, selon les normes ENl 0002-1 et EN485-1. L'écart-type entre les mesures de l'énergie élastique totale W des différentes tôles d'un lot peut dépendre du nombre de tôles contenues dans le lot. En particulier, un écart-type obtenu sur deux mesures est faiblement significatif et peut aléatoirement être très élevé ou très faible. A partir de 3 tôles, l' écart-type des mesures peut être considéré mais d'une manière préférée, les lots de contrôle ou de traitement thermique utilisés dans le cadre de la présente invention contiennent au moins 5 tôles.
L'utilisation du procédé selon l'invention permet au fabricant de garantir qu'un tel lot de contrôle ou un tel lot de traitement thermique comprend des tôles dont l'énergie élastique totale moyenne est inférieure à 3 kJ/m3. De manière préférée, cette valeur moyenne est inférieure à 2 kJ/m3, et on préfère une valeur inférieure à 1 kJ/m3, ce qui nécessite une excellente maîtrise des procédés critiques et une gestion très rigoureuse des flux de produits aux stades de la mise en solution, de la trempe et de la traction. En effet, la mise en œuvre du procédé selon l'invention peut nécessiter une adaptation des flux de métal à l'intérieur de l'usine, car si le producteur veut produire des tôles avec un délai D inférieur à quelques heures, il faut synchroniser le four de trempe avec le banc de traction. En pratique, cela implique de limiter au minimum le stock intermédiaire entre ces deux machines ; ceci s'applique notamment aux modes de réalisation particulièrement préférés avec D < 1 heure ou D < 30 minutes. La demande de brevet EP 1 231 290 Al décrit dans l'exemple 1 une tôle en alliage 7449 d'épaisseur 38 mm pour laquelle la traction contrôlée a été effectuée Ih après la trempe ; ce document ne donne cependant aucun enseignement sur l'intérêt de cette faible durée.. Le procédé selon l'invention a permis de réaliser des lots de contrôle ou des lots de traitement thermique pour lesquels le délai D entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée est de manière systématique inférieur à 2 heures, ce qui a permis de minimiser la moyenne et l'écart-type de l'énergie élastique totale W des tôles de ces lots. La fabrication industriel d'un tel lot de contrôle nécessite cependant une réorganisation des flux de produits autour des machines nécessaires pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la maturation est effectuée à basse température, c'est à dire à une température inférieure à 10 0C et de manière préférée à une température inférieure à 5 0C, ce qui permet d'obtenir des résultats semblables en terme d'énergie élastique totale W pour des délais D compris entre 2h et 3h.
D'autres modes de réalisation préférés de l'invention sont indiqués dans les revendications dépendantes. L'invention est particulièrement avantageuse pour des tôles épaisses en alliages AA7010, 7050, 7056, 7449, 7075, 7475, 7150, 7175.
L'avantage du procédé selon l'invention est la diminution globale du niveau de contraintes dans les tôles fortes. Cela diminue globalement la déformation à l'usinage.
Un autre avantage du procédé selon l'invention est que le contrôle du temps qui s'écoule entre la fin de la trempe et le début de la traction permet également de diminuer la dispersion du niveau de contrainte que l'on observe entre différentes tôles nominalement identiques, même à l'intérieur d'un même lot de fabrication ou lot de traitement thermique. Cela permet une meilleure standardisation des procédés d'usinage pour une série de produits donnée, et diminue le nombre d'incidents lors de la fabrication de pièces usinées dans l'atelier d'usinage.
Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif.
Exemples Exemple 1 : Trois plaques de laminage en alliage AA7010 ont été coulées par coulée semi- continue. Après homogénéisation, on les a laminées à chaud jusqu'à une épaisseur de 100 mm. A la sortie du laminoir à chaud, on les a soumis à une trempe suivie d'une traction contrôlée, et finalement à un traitement de revenu. L'état métallurgique des trois produits Al, A2 et A3 ainsi obtenus était l'état T7651. Pour ces trois produits, tous les paramètres de fabrication étaient nominalement identiques et bien contrôlés. La seule différence était le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction.
Par un procédé analogue, on a transformé trois plaques de laminage en alliage
AA7050 par homogénéisation, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 100 mm, trempe, traction contrôlée et revenu. L'état métallurgique des trois produits Bl, B2 et B3 ainsi obtenus était l'état T7451. Pour ces trois produits, tous les paramètres de fabrication étaient nominalement identiques et bien contrôlés, et la seule différence était le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction.
Le tableau 2 montre l'énergie élastique stockée des différentes tôles obtenues, déterminée à l'état final. Lorsque l'on réduit le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction, on observe une réduction du niveau global de contraintes tel que mesuré par WL, WLT and W.
Tableau 2
Energie élastique stockée (à l'état final) en fonction de la durée de maturation pour trois tôles fortes en alliages 7010 et 7050.
Figure imgf000018_0001
Les caractéristiques mécaniques statiques ont été mesurées à l'état de traitement thermique final dans les directions L, TL et TC à 1A, 1A et 3A épaisseur. Les résultats sont rassemblés dans les tableaux 3, 4 et 5. On observe que la durée de maturation D n'a pas d'influence significative sur les caractéristiques mécaniques statiques.
Tableau 3 :
Caractéristiques mécaniques statiques (sens L) à l'état final en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliages 7010 et 7050
Figure imgf000019_0001
Tableau 4 :
Caractéristiques mécaniques statiques (sens TL) à l'état final en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliages 7010 et 7050
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000020_0001
Tableau 5:
Caractéristiques mécaniques statiques (sens TC) à l'état final en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliages 7010 et 7050
Figure imgf000020_0002
On a également mesuré la ténacité Kic dans les direction L-T et T-L à 1A épaisseur. Les résultats, rassemblés dans le tableau 6, montrent que la maturation n'a pas d'influence significatif sur la ténacité.
Tableau 6 Ténacité (à l'état final) à l'état final en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliages 7010 et 7050
Figure imgf000021_0001
Exemple 2
On a transformé trois plaques de laminage en alliage AA7475 par homogénéisation, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 46 mm, trempe et traction contrôlée. L'état métallurgique des trois produits Cl, C2 et C3 ainsi obtenus était l'état W51. Pour ces trois produits, tous les paramètres de fabrication étaient nominalement identiques et bien contrôlés, et la seule différence était le temps d'attente D entre la fin de Ia trempe et le début du détensionnement par traction.
Le tableau 7 montre l'énergie élastique stockée des différentes tôles obtenues, déterminée à l'état final (i.e. après traction contrôlée). Lorsque l'on réduit le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction, on observe une réduction du niveau global de contraintes WL, WLT and W.
Tableau 7
Energie élastique stockée en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliage 7475 W51 plates
Figure imgf000021_0002
Exemple 3
On a transformé deux plaques de laminage en alliage AA7449 par homogénéisation, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur comprise entre 16,5 et 21,5 mm, trempe et traction contrôlée, suivi d'un revenu. L'état métallurgique des deux produits Dl et D2 ainsi obtenus était l'état T651. Pour ces deux produits, tous les paramètres de fabrication étaient nominalement identiques et bien contrôlés, et la seule différence était le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction.
Le tableau 8 montre l'énergie élastique stockée des différentes tôles obtenues, déterminée à l'état final (i.e. après traction contrôlée). Lorsque l'on réduit le temps d'attente D entre la fin de la trempe et le début du détensionnement par traction, on observe une réduction du niveau global de contraintes WL, WLT and W. La faible différence entre les épaisseurs des deux produits ne conduit pas en tant que telle à une différence significative entre leurs niveaux de contraintes.
Tableau 8
Energie élastique stockée (à l'état final) en fonction de la durée de maturation D pour des tôles fortes en alliage 7449 T651
Tôle Allia ge / Epaisseur Durée de W WL WLT état [mm] maturation D M [kJ/m: ] [kJ/m3] [kJ/m3]
Dl 7449 T651 16.5 10.5 6.3 5.56 0.74
D2 7449 T651 21.5 3 4.17 3.66 0.51
Ce résultat confirme que même pour un alliage de type Al-Zn-Mg à haute teneur en zinc comme le 7449, on peut diminuer l'énergie élastique totale de manière très significative en diminuant la durée de maturation D.
Exemple 4 :
Par des procédés industriels qui ne se distinguaient que par le temps d'attente, on a préparé des lots de tôles de contrôle selon l'invention. On a mesuré l'énergie stockée. Ensuite, on a développé un modèle mathématique qui permet de calculer cette énergie stockée en fonction des paramètres critiques du procédé de fabrication. Les valeurs de l'énergie stockée mesurées pour les tôles selon l'invention ont été utilisées pour valider ce modèle mathématique. Ensuite, on a appliqué ce même modèle mathématique à des lots de tôles en alliages de type Al-Zn-Mg obtenues par des procédés selon l'état de la technique. La figure 8 montre les valeurs de l'énergie stockée des tôles selon l'invention (avec D < 1 heure) (points ouverts) (« Optimized ») et selon l'état de la technique (avec D > 8 heures) (carrés noirs).
On constate que pour une épaisseur comprise entre environ 60 mm et environ 100 mm, l'énergie stockée est maximale. Le procédé selon l'invention conduit, pour une épaisseur donnée, d'une part à une réduction du niveau global de contraintes résiduelles (c'est-à-dire de l'énergie stockée Wtotai) d'environ 50%, et d'autre part à une réduction significative de la dispersion statistique de cette valeur. L'effet de l'invention sur le niveau global de contraintes résiduelles est particulièrement remarquable pour des épaisseurs comprises entre 40 et 150 mm et il encore plus net pour des épaisseurs comprises entre 50 et 100 ou même 80 mm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de tôles épaisses en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, ledit procédé comprenant le laminage à chaud, la mise en solution, la trempe, la traction contrôlée avec un allongement permanent supérieur à 0,5%, ainsi que le vieillissement, caractérisé en ce que le délai D entre la fin de la trempe et le début de la traction contrôlée est inférieur à 2 heures.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le délai D est inférieur ou égal à 1 heure, et préférentiellement inférieur à 30 minutes.
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel ledit alliage est sélectionné dans le groupe constitué par les alliages AA7010, 7050, 7056, 7449, 7075, 7475, 7150, 7175.
4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite tôle a une épaisseur supérieure à 20 mm et préférentiellement supérieure à 40 mm.
5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite tôle a une épaisseur comprise entre 40 et 80 mm.
6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite tôle a une épaisseur comprise entre 40 et 150 mm.
7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite tôle a une énergie élastique totale inférieure ou égale à
W [kJ/m3] = 0,54 + 0,013 (Rp0,2(L) [MPa]- 400).
8. Tôle épaisse en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, laminée à chaud, mise en solution, trempée, tractionnée avec un allongement permanent supérieur à 0,5%, vieillie, caractérisée en ce que son énergie élastique totale est inférieure ou égale à
W [kJ/m3] = 0,54 + 0,013 (RPO,2(L) [MPa]- 400).
9. Tôle selon la revendication 8, caractérisée en ce que son épaisseur est comprise entre 60 et 100 mm et son énergie élastique totale est inférieure à 2 kJ/m3.
10. Tôle selon la revendication 9, caractérisée en ce que son énergie élastique totale est inférieure à 1,5 kJ/m3.
11. Tôle selon la revendication 8, caractérisée en ce que son épaisseur est supérieure à 100 mm et son énergie élastique totale est inférieure à 1,5 kJ/m3, et préférentiellement inférieure à 1,0 kJ/m3.
12. Tôle épaisse susceptible d'être obtenue selon le procédé de la revendication 7.
13. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique de tôles épaisses en alliage de type Al-Zn-Cu-Mg comprenant entre 4 et 12% de zinc, moins de 4% de magnésium et moins de 4% de cuivre, éléments mineurs < 0,5% chacun, le reste aluminium, à l'état mis en solution, trempé, tractionné et vieilli, caractérisé en ce que l'énergie élastique totale W (exprimée en kJ/m3) des tôles montre un écart-type inférieur ou égal à 0,20 + 0,0030 (Rpo;2(L)[MPa] - 400) autour d'une valeur moyenne.
14. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique de tôles épaisses selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite valeur moyenne de l'énergie élastique totale est inférieure à W [kJ/m3] ≈ 0,54 + 0,013 (Rp0j2(L)[MPa]- 400).
15. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique de tôles épaisses selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite valeur moyenne de l'énergie élastique totale est inférieure à 3 kJ/m3.
16. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique selon la revendication 13 caractérisé en ce que ladite valeur moyenne de l'énergie élastique totale est inférieure à 2 kJ/m3, et préférentiellement inférieure à 1 kJ/m3.
17. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique selon une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que l'épaisseur nominale des tôles est comprise entre 40 et 100 mm.
18. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique selon une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que les tôles sont en alliage sélectionné dans le groupe composé de AA7010, 7050, 7056, 7449, 7075, 7475, 7150, 7175.
19. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique selon une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins 3 tôles et préférentiellement d'au moins 5 tôles.
20. Lot de contrôle ou lot de traitement thermique selon une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce que les dites tôles ont été obtenues par un procédé comprenant le laminage à chaud, la mise en solution, la trempe, la traction contrôlée avec un allongement permanent supérieur à 0,5% dans un délai après trempe inférieur à 2 heures.
21. Utilisation de tôles selon une quelconque des revendications 8 à 12 ou d'un lot de contrôle ou d'un lot de traitement thermique de tôles selon une quelconque des revendications 13 à 20 pour la fabrication de pièces usinées.
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