WO2019234326A1 - Toles minces en alliage d'aluminium-cuivre-lithium pour la fabrication de fuselages d'avion - Google Patents

Toles minces en alliage d'aluminium-cuivre-lithium pour la fabrication de fuselages d'avion Download PDF

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WO2019234326A1
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Pablo LORENZINO
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Constellium Issoire
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
    • C22F1/057—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 copper as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to laminated products aluminum-copper-lithium alloys, more particularly, such products, their manufacturing processes and use, intended in particular for aeronautical and aerospace construction.
  • Aluminum alloy rolled products are being developed to produce fuselage elements for the aerospace industry and the aerospace industry in particular.
  • Aluminum - copper - lithium alloys are particularly promising for this type of product.
  • U.S. Patent 5,032,359 discloses a broad family of aluminum-copper-lithium alloys in which the addition of magnesium and silver, particularly between 0.3 and 0.5 percent by weight, increases the mechanical strength. .
  • US Pat. No. 5,455,003 describes a process for manufacturing Al-Cu-Li alloys which have improved mechanical strength and toughness at cryogenic temperature, in particular through appropriate work-hardening and tempering.
  • Patent EP0584271 discloses an aluminum-based alloy useful in aeronautical and aerospace structures, having a low density, a high strength and a high fracture toughness, essentially corresponding to the formula CuaLibMgcAgdZreAlbal in which a, b, c, d, e and bal indicate the weight percentage of the alloying components, said percentages being 2.4 ⁇ a ⁇ 3.5, 1 , ⁇ B ⁇ 1, 8, 0.25 ⁇ c ⁇ 0.65, 0.25 ⁇ d ⁇ 0.65 and 0.08 ⁇ e ⁇ 0.25.
  • US Pat. No. 7,438,772 describes alloys comprising, in percentage by weight, Cu: 3-5, Mg: 0.5-2, Li: 0.01-0.9 and discourages the use of higher lithium contents due to degradation of the compromise between toughness and mechanical strength.
  • US Pat. No. 7,229,509 discloses an alloy comprising (% by weight): (2, 5-5, 5) Cu, (0.1 -2.5) Li, (0.2-1.0) Mg, (0, 2-0, 8) Ag, (0.2-0.8) Mn, 0.4 max Zr or other grain refining agents such as Cr, Ti, Hf, Se, V.
  • US patent application 201 1/0247730 discloses alloys comprising (in% by weight), 2.75 to 5.0% Cu, 0.1 to 1.1% Li, 0.3 to 2.0% Ag, 0.2. at 0.8% Mg, 0.50 to 1.5% Zn, up to 1.0% Mn, with a Cu / Mg ratio of between 6.1 and 17, this alloy being insensitive to wrought.
  • the patent application CN101967588 describes alloys of composition (in% by weight) Cu 2.8 - 4.0; Li 0.8 - 1.9; Mn 0.2-0.6; Zn 0.20-0.80, Zr 0.04-0.20, Mg 0.20-0.80, Ag 0.1-0.7, Si ⁇ 0.10, Fe ⁇ 0.10, Ti ⁇ 0.12.
  • the patent FR3014448 describes a laminated and / or forged product whose thickness is between 14 and 100 mm, of aluminum alloy of composition, in% by weight, Cu: 1.8 - 2.6 Li: 1.3 1.8 Mg: 0.1 - 0.5 Mn: 0.1 - 0.5 and Zr ⁇ 0.05 or Mn ⁇ 0.05 and Zr 0.10 - 0.16 Ag: 0 - 0.5 Zn ⁇ 0 , Ti: 0.01 - 0.15 Fe: ⁇ 0.1 Si: ⁇ 0.1 Other elements ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 in total, remains aluminum with a density of less than 2.670 g / cm3 characterized in that at mid-thickness the volume fraction of grains having a brass texture is between 25 and 40% and the texture index is between 12 and 18.
  • the patent application US2009084474 describes a recrystallized aluminum alloy having a brass texture and a Goss texture, where the amount of brass texture exceeds the Goss texture amount and the recrystallized aluminum alloy has at least about the same yield strength and the same breaking strength as an uncrystallized alloy with the same product shape and similar thickness and quenching.
  • EP 1 966 402 discloses an alloy comprising 2.1 to 2.8% by weight of Cu, 1.1 to 1.7% by weight of Li, 0.1 to 0.8% by weight of Ag. , 2 to 0.6% by weight of Mg, 0.2 to 0.6% by weight of Mn, an amount of Fe and Si of less than or equal to 0.1% by weight each, and unavoidable impurities at a rate of content less than or equal to 0.05% by weight each and 0.15% by weight in total, the alloy being substantially free of zirconium, particularly suitable for obtaining recrystallized thin sheets.
  • the toughness be high in the T-L direction. Indeed, a large part of the fuselage is sized to withstand the internal pressure of the aircraft.
  • the longitudinal direction of the sheets being generally positioned in the direction of the length of the aircraft, they are constrained in the transverse direction by the pressure. The cracks are then urged in the T-L direction. It may also be advantageous that the sheets have a low anisotropy of mechanical properties, especially between the directions L and TL.
  • An object of the invention is a process for manufacturing a thin sheet of 0.5 to 8 mm thick aluminum alloy in which, successively
  • said plate is homogenized at a temperature between 490 ° C and 535 ° C;
  • said sheet is controlledly tensile with a permanent deformation of 0.5 to
  • an income is made comprising heating at a temperature between 130 and 170 ° C and preferably between 150 and 160 ° C for 5 to 100 hours and preferably 10 to 40h.
  • Another object of the invention is a sheet obtained by the method according to the invention, the mean grain size in the thickness measured by the method of intercepts on a L / TC cut in the direction L according to the ASTM El 12 standard. and expressed in pm is less than 66 t + 200 where t is the thickness of the sheet expressed in mm.
  • Yet another object of the invention is the use of a thin sheet according to the invention in an aircraft fuselage panel.
  • Figure 1 Metallographic section of the sheet A-1.
  • Figure 2 Metallographic section of the C-2 sheet.
  • Figure 3 Relationship between the elasticity limit in the direction TF and the stress intensity factor KR60 T-F measured on samples of width 760 mm for the sheets of Example 1.
  • the static mechanical characteristics in tension in other words the tensile strength R m , the conventional yield stress at 0.2% elongation R P o, 2, and the elongation at break A%, are determined by a tensile test according to standard NF EN ISO 6892-1 (2016), the sampling and the direction of the test being defined by the standard EN 485-1 (2016).
  • the mechanical characteristics are measured in full thickness.
  • Line curve giving the effective stress intensity factor as a function of the effective crack extension is determined according to ASTM E 561.
  • the critical stress intensity factor Kc in others the intensity factor which makes the crack unstable, is calculated from the curve R.
  • the stress intensity factor Kco is also calculated by assigning the initial crack length at the beginning of the monotonic load, to the critical load . These two values are calculated for a specimen of the required form.
  • K aPP represents the Kco factor corresponding to the specimen that was used to perform the R curve test.
  • K ef r represents the Kc factor corresponding to the specimen that was used to perform the R curve test.
  • Aa c n (max) represents the crack extension of the last point of the curve R, valid according to ASTM E561.
  • the last point is obtained either at the time of the sudden rupture of the test piece, or possibly at the moment when the stress on the uncracked ligament exceeds on average the elastic limit of the material.
  • the crack size at the end of the pre-fatigue cracking stage is W / 3 for M (T) type specimens, where W is the specimen width as defined in ASTM E561 (ASTM E561-10-2).
  • the term "granular structure essentially recrystallized” is a granular structure such that the degree of recrystallization at 1 ⁇ 2 thickness is greater than 70% and preferably greater than 90%.
  • the recrystallization rate is defined as the surface fraction on a metallographic section occupied by recrystallized grains.
  • the present inventors have obtained sheets having a thickness of 0.5 to 8 mm presenting an advantageous compromise between the mechanical strength and the tenacity using the method according to the invention which notably comprises the combination of
  • the thin sheets thus obtained have particularly advantageous properties, particularly as regards the tenacity in the T-L direction and the anisotropy of the mechanical properties.
  • the copper content of the products according to the invention is between 2.3 and 2.7% by weight. In an advantageous embodiment of the invention, the copper content is at least
  • the copper content is between 2.45 and 2.65% by weight and preferably between 2.50 and 2.60% by weight. In an advantageous embodiment of the invention the copper content is at most 2.65% by weight and preferably at most 2.60% by weight. In one embodiment of the invention, the copper content is at most 2.53% by weight.
  • the copper content is too high, a very high toughness value in the TL direction may not be achieved.
  • the copper content is too low, the minimum static mechanical characteristics are not reached.
  • the lithium content of the products according to the invention is between 1, 3 and 1.6% by weight.
  • the lithium content is between 1.35 and 1.55% by weight and preferably between 1.40% and 1.50% by weight.
  • a minimum lithium content of 1.35% by weight and preferably 1.40% by weight is advantageous.
  • a maximum lithium content of 1.55% by weight and preferably 1.50% by weight is advantageous, in particular to improve the compromise between toughness and mechanical strength.
  • the addition of lithium can contribute to the increase of the mechanical strength and the toughness, a too high or too low content does not make it possible to obtain a very high value of toughness in the direction TL and / or a limit of sufficient elasticity.
  • the addition of lithium makes it possible to reduce the density.
  • the density of the products according to the invention is less than 2.65.
  • the magnesium content of the products according to the invention is between 0.2 and 0.5% by weight and preferably between 0.25 and 0.45% by weight and preferably between 0.25 and 0.35% by weight. in weight.
  • a minimum magnesium content of 0.25% by weight is advantageous.
  • a maximum magnesium content of 0.45% by weight and preferably 0.40% by weight and preferably 0.35% by weight or even 0.30% by weight is advantageous.
  • the manganese content is between 0.1 and 0.5% by weight, preferably between 0.2 and 0.4% by weight and preferably between 0.25 and 0.35% by weight.
  • a minimum manganese content of 0.2% by weight and preferably 0.25% by weight is advantageous.
  • a maximum manganese content of 0.4% by weight and preferably 0.35% by weight or even 0.33% by weight is advantageous.
  • the titanium content is between 0.01 and 0.15% by weight.
  • the iron and silicon contents are each at most 0.1% by weight.
  • the iron and silicon contents are at most 0.08% and preferably at most 0.04% by weight.
  • a controlled and limited iron and silicon content contributes to the improvement of the compromise between mechanical resistance and damage tolerance.
  • the zinc content is less than 0.3% by weight, preferably less than 0.2% by weight and preferably less than 0.1% by weight.
  • the zinc content is advantageously less than 0.04% by weight.
  • the unavoidable impurities are maintained at a content of less than or equal to 0.05% by weight each and 0.15% by weight in total.
  • the method for manufacturing thin sheets according to the invention then comprises steps of casting, homogenization, hot rolling and optionally cold, dissolution, controlled pulling, quenching and tempering.
  • the elaborated liquid metal bath is cast in a form of rolling plate.
  • the rolling plate is then homogenized at a temperature between 490 ° C and 535 ° C.
  • the homogenization time is between 5 and 60 hours.
  • the homogenization temperature is at least 500 ° C. In one embodiment, the homogenization temperature is less than 515 ° C.
  • the rolling plate After homogenization, the rolling plate is generally cooled to room temperature before being preheated to be hot deformed. Preheating aims to achieve a hot rolling entry temperature of between 400 and 445 ° C and preferably between 420 ° C and 440 ° C for deformation by hot rolling.
  • the hot rolling is carried out so as to obtain a sheet typically of thickness 4 to 8 mm.
  • the hot rolling exit temperature is less than 300 ° C and preferably less than 290 ° C.
  • the specific conditions of hot rolling in combination with the composition according to the invention make it possible in particular to obtain a advantageous compromise between mechanical strength and toughness and low anisotropy of mechanical properties.
  • the sheet obtained After hot rolling, it is optionally possible to cold roll the sheet obtained in particular to obtain a final thickness of between 0.5 and 3.9 mm.
  • the final thickness is at most 7.0 mm and preferably at most 6.0 mm.
  • the final thickness is at least 0.8 mm and preferably at least 1.2 mm.
  • the sheet thus obtained is then dissolved between 450 and 515 ° C.
  • the dissolution time is advantageously between 5 min to 8 h.
  • the sheet thus dissolved is then quenched.
  • the sheet then undergoes cold deformation by controlled traction with a permanent deformation of 0.5 to 6% and preferably 3 to 5%.
  • Known steps such as rolling, planing, straightening and shaping may optionally be carried out after dissolution and quenching and before or after the controlled pull, however the total cold deformation after dissolution and quenching must remain inferior at 15% and preferably less than 10%.
  • High cold deformation after dissolution and quenching cause the appearance of many shear bands passing through several grains, these shear bands being undesirable.
  • no cold rolling is carried out after the dissolution.
  • An income is achieved comprising heating at a temperature between 130 and 170 ° C and preferably between 140 and 160 ° C and preferably between 145 and 155 ° C for 5 to 100 hours and preferably 10 to 40h.
  • the final metallurgical state is a T8 state.
  • a short heat treatment is performed after controlled pulling and before tempering so as to improve the formability of the sheets.
  • the sheets can thus be shaped by a process such as stretch-forming before being returned.
  • the thin sheets obtained by the process according to the invention have a characteristic grain size.
  • the average grain size in the thickness measured by the intercepts method on a L / TC cut in the L direction according to ASTM El 12 and expressed in ⁇ m is less than 66 t + 200 where t is the thickness the sheet metal expressed in mm, preferably less than 66 t + 150 and preferably less than 66 t + 100, for the thin sheets obtained by the process according to the invention.
  • the granular structure of the sheets is advantageously essentially recrystallized.
  • the thin sheets obtained by the process according to the invention have a toughness in the particularly advantageous TL direction.
  • the sheets according to the invention also have a low anisotropy.
  • the ratio between the yield strength difference between the directions L and TL and the yield strength in the direction L is less than 6% and preferably less than 5%.
  • the resistance to intergranular corrosion of the sheets according to the invention is high.
  • the sheet of the invention can be used without plating.
  • thin sheets according to the invention in an aircraft fuselage panel is advantageous.
  • the thin sheets according to the invention are also advantageous in aerospace applications such as the manufacture of rockets.
  • the plates were converted according to the parameters indicated in Table 2.
  • the transformation conditions used for alloy sheets A-1, A-2, B-1 and B-2 are in accordance with the invention.
  • the income conditions have been defined to obtain a T8 state.
  • the granular structure of the samples was characterized from microscopic observation of cross sections after anodic oxidation under polarized light on L / TC sections.
  • the microstructures observed for samples A1 and C-2 are shown in Figures 1 and 2, respectively.
  • the granular structure of the sheets was essentially recrystallized.
  • the average grain sizes in the thickness measured by the intercepts method according to ASTM El 12 are shown in Table 3.
  • Table 5 summarizes the results of the toughness tests for these samples.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une tôle mince en alliage à base d'aluminium comprenant, en % en poids, 2,3 à 2,7 % de Cu,1,3 à 1,6 % de Li,0,2 à 0,5 % de Mg,0,1 à 0,5 % de Mn,0,01 à 0,15 % de Ti,une quantité de Zn inférieure à 0,3, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % s chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total,dans lequel notamment la température d'entrée de laminage à chaud étant comprise entre 400°C et 445°C et la température de sortie de laminage à chaud étant inférieure à 300 °C. Les tôles selon l'invention présentent des propriétés mécaniques avantageuses et sont notamment utilisées pour la fabrication de panneau de fuselage d'aéronef.

Description

TOLES MINCES EN ALLIAGE D’ ALUMINIUM-CUIVRE -LITHIUM POUR LA FABRICATION DE FUSELAGES D’AVION
Domaine de l’invention
L’invention concerne les produits laminés alliages aluminium-cuivre -lithium, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, destinés notamment à la construction aéronautique et aérospatiale.
Etat de la technique
Des produits laminés en alliage d’aluminium sont développés pour produire des éléments de fuselage destinés notamment à l’industrie aéronautique et à l’industrie aérospatiale.
Les alliages aluminium - cuivre - lithium sont particulièrement prometteurs pour fabriquer ce type de produit.
Le brevet US 5,032,359 décrit une vaste famille d’alliages aluminium-cuivre-lithium dans lesquels l’addition de magnésium et d’argent, en particulier entre 0,3 et 0,5 pour cent en poids, permet d’augmenter la résistance mécanique.
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 enseigne en particulier la composition, en pourcentage en poids, Cu = 2,0 - 6,5, Li = 0,2 - 2,7, Ag = 0 - 4,0, Mg = 0-4,0 et Zn = 0 - 3,0.
Le brevet EP0584271 décrit un alliage à base d'aluminium utile dans des structures aéronautiques et aérospatiales, possédant une faible densité, une résistance élevée et une forte ténacité à la rupture, correspondant essentiellement à la formule CuaLibMgcAgdZreAlbal dans laquelle a, b, c, d, e et bal indiquent le pourcentage en poids des composants d'alliage, lesdits pourcentages étant 2,4 < a < 3,5, 1,35 < b < 1 ,8, 0,25 < c < 0,65, 0,25 < d < 0,65 et 0,08 < e < 0,25.
Le brevet US 7,438,772 décrit des alliages comprenant, en pourcentage en poids, Cu : 3-5, Mg : 0,5-2, Li : 0,01-0,9 et décourage l’utilisation de teneurs en lithium plus élevées en raison d’une dégradation du compromis entre ténacité et résistance mécanique.
Le brevet US 7,229,509 décrit un alliage comprenant (% en poids) : (2, 5-5, 5) Cu, (0,1 -2,5) Li, (0,2- 1,0) Mg, (0,2-0, 8) Ag, (0,2-0, 8) Mn, 0,4 max Zr ou d’autres agents affinant le grain tels que Cr, Ti, Hf, Se, V.
La demande de brevet US 201 1/0247730 décrit des alliages comprenant (en % en poids), 2.75 à 5.0% de Cu, 0,1 à 1 ,1 % de Li, 0,3 à 2.0 % de Ag, 0,2 à 0,8% de Mg, 0,50 à 1.5 % de Zn, jusque 1.0% de Mn, avec un rapport Cu/Mg compris entre 6,1 et 17, cet alliage étant peu sensible au corroyage.
La demande de brevet CN101967588 décrit des alliages de composition (en % en poids) Cu 2,8 - 4,0 ; Li 0,8 - 1 ,9 ; Mn 0,2-0, 6 ; Zn 0,20 - 0,80, Zr 0,04 - 0,20, Mg 0,20 - 0,80, Ag 0,1 - 0,7, Si < 0.10, Fe < 0.10, Ti < 0.12.
Le brevet FR3014448 décrit un produit laminé et/ou forgé dont l'épaisseur est comprise entre 14 et 100 mm, en alliage d'aluminium de composition, en % en poids, Cu : 1 ,8 - 2,6 Li : 1 ,3 - 1,8 Mg : 0,1 - 0,5 Mn : 0,1 - 0,5 et Zr < 0,05 ou Mn < 0,05 et Zr 0.10 - 0.16 10 Ag : 0 - 0,5 Zn < 0,20 Ti : 0,01 - 0,15 Fe : < 0,1 Si : < 0,1 15 autres éléments < 0,05 chacun et < 0, 15 au total, reste aluminium dont la densité est inférieure à 2,670 g/cm3 caractérisé en ce que à mi-épaisseur la fraction volumique des grains ayant une texture laiton est comprise entre 25 et 40 % et l'indice de texture est compris entre 12 et 18. La demande de brevet US2009084474 décrit un alliage d'aluminium recristallisé ayant une texture de laiton et une texture Goss, où la quantité de texture de laiton dépasse la quantité de texture de Goss et où l'alliage d'aluminium recristallisé présente au moins environ la même limite d'élasticité et la même résistance à la rupture qu'un alliage non -recristallisé même forme de produit et d'épaisseur et de trempe similaires.
Les caractéristiques nécessaires pour les tôles d’aluminium destinées aux applications de fuselage sont notamment décrites par exemple dans le brevet EP 1 891 247. Il est souhaitable notamment que la tôle ait une limite d’élasticité élevée (pour résister au flambage) ainsi qu’une ténacité sous contrainte plane élevée, caractérisée notamment par une valeur élevée de facteur d’intensité de contrainte apparent à la rupture (KaPP) et une longue courbe R.
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, 0, 1 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.
Pour certaines applications de fuselage, il est particulièrement important que la ténacité soit élevée dans la direction T-L. En effet, une grande partie du fuselage est dimensionnée pour résister à la pression interne de l’avion. La direction longitudinale des tôles étant en général positionnée dans la direction de la longueur de l’avion, celles-ci sont contrainte dans la direction transverse par la pression. Les fissures sont alors sollicitées dans la direction T-L. Il peut être également avantageux que les tôles présentent une faible anisotropie de propriétés mécaniques, notamment entre les directions L et TL.
Il est connu du brevet EP 1 891 247 que pour les tôles dont l’épaisseur est comprise entre 4 et 12 mm, il peut être avantageux que la microstructure soit complètement non- recristallisée. Cependant l’effet de la structure granulaire sur les propriétés peut être différent à différentes épaisseurs. Il existe un besoin pour des tôles minces, d’épaisseur 0,5 à 8 mm, en alliage aluminium- cuivre-lithium présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes de ténacité dans la direction T-L, de propriétés de résistance mécanique statique et de résistance à la corrosion, tout en ayant une faible densité et une faible anisotropie des propriétés mécaniques. Par ailleurs il existe un besoin pour un procédé simple et économique d’obtention de ces tôles minces.
Objet de l’invention
Un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur 0,5 à 8 mm en alliage à base d'aluminium dans lequel, successivement
a) on élabore un bain de métal liquide comprenant
2.3 à 2,7 % en poids de Cu,
1.3 à 1 ,6 % en poids de Li,
0,2 à 0,5 % en poids de Mg,
0,1 à 0,5 % en poids de Mn,
0,01 à 0,15 % en poids de Ti,
une quantité de Zn inférieure à 0,3 % 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,
b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide ;
c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise entre 490°C et 535 °C ;
d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement par laminage à froid en une tôle ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 8 mm, la température d’entrée de laminage à chaud étant comprise entre 400°C et 445 °C et la température de sortie de laminage à chaud étant inférieure à 300 °C ;
e) on met en solution à une température comprise entre 450 °C et 515 °C et on trempe ladite tôle ;
f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à
6 %, la déformation à froid après mise en solution étant inférieure à 15% ; g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise entre 130 et l70°C et de préférence entre 150 et l60°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 40h.
Un autre objet de l’invention est une tôle obtenue par le procédé selon l’invention dont la taille de grain moyenne dans l’épaisseur mesurée par la méthode des intercepts sur une coupe L/TC dans la direction L selon la norme ASTM El 12 et exprimée en pm est inférieure à 66 t + 200 où t est l’épaisseur de la tôle exprimée en mm.
Encore un autre objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince selon l’invention dans un panneau de fuselage pour aéronef.
Description des figures
Figure 1 : Coupe métallo graphique de la tôle A-l .
Figure 2 : Coupe métallographique de la tôle C-2.
Figure 3 : Relation entre la limite d’élasticité dans le sens TF et le facteur d’intensité de contrainte KR60 T-F mesuré sur des échantillons de largeur 760 mm pour les tôles de l’exemple 1.
Description de l’invention
Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l’alliage. F’expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1 ,4. Fa désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l’homme du métier. Fa densité dépend de la composition et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de mesure de poids. Fes valeurs sont calculées en conformité avec la procédure de The Aluminium Association, qui est décrite pages 2-12 et 2-13 de « Aluminum Standards and Data ». Sauf mention contraire les définitions des états métallurgiques indiquées dans la norme européenne EN 515 (1993) s’appliquent.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d’autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d’élasticité conventionnelle à 0,2% d’allongement RPo,2, et l’allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1 (2016), le prélèvement et le sens de l’essai étant définis par la norme EN 485-1 (2016).
Dans le cadre de l’invention, les caractéristiques mécaniques sont mesurées en pleine épaisseur.
Line 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. 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 Kco 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 Kco correspondant à l’éprouvette qui a été utilisée pour effectuer l’essai de courbe R. Kefr représente le facteur Kc correspondant à l’éprouvette qui a été utilisée pour effectuer l’essai de courbe R. KR6O représente le facteur d’intensité de contrainte correspondant à l’extension de fissure Aaeff = 60 mm. Aacn(max) représente l’extension de fissure du dernier point de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561. 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. 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 (ASTM E561-10-2).
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 (2012) s’appliquent.
Dans le cadre de la présente invention, 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 présents inventeurs ont obtenus des tôles d’épaisseur 0,5 à 8 mm présentant un compromis avantageux entre la résistance mécanique et la ténacité en utilisant le procédé selon l’invention qui comprend notamment la combinaison de
une sélection étroite de la composition,
une déformation par laminage à chaud dans des conditions rigoureusement contrôlées.
Les tôles minces ainsi obtenues ont des propriétés particulièrement avantageuses, notamment en ce qui concerne la ténacité dans la direction T-L et l’anisotropie des propriétés mécaniques.
Dans le procédé selon l’invention, on élabore un bain de métal liquide dont la composition est la suivante :
2.3 à 2,7 % en poids de Cu,
1.3 à 1 ,6 % en poids de Li,
0,2 à 0,5 % en poids de Mg,
0,1 à 0,5 % en poids de Mn,
0,01 à 0,15 % en poids de Ti,
une quantité de Zn inférieure à 0,3 % 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 teneur en cuivre des produits selon l’invention est comprise entre 2,3 et 2,7 % en poids. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention la teneur en cuivre est au moins de
2,4 % en poids, de préférence au moins 2,45% en poids et préférentiellement au moins 2,50% en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, la teneur en cuivre est comprise entre 2,45 et 2,65 % en poids et de préférence entre 2,50 et 2,60 % en poids. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention la teneur en cuivre est au plus de 2,65 % en poids et préférentiellement au plus 2,60% en poids. Dans un mode de réalisation de l’invention la teneur en cuivre est au plus de 2,53 % en poids. Lorsque la teneur en cuivre est trop élevée, une valeur très élevée de ténacité dans la direction T-L peut ne pas être atteinte. Lorsque la teneur en cuivre est trop faible, les caractéristiques mécaniques statiques minimales ne sont pas atteintes.
La teneur en lithium des produits selon l’invention est comprise entre 1 ,3 et 1.6 % en poids. Avantageusement, la teneur en lithium est comprise entre 1,35 et 1 ,55 % en poids et de préférence entre 1 ,40 % et 1 ,50 % en poids. Une teneur minimale de lithium de 1 ,35 % en poids et de préférence 1,40 % en poids est avantageuse. Une teneur maximale de lithium de 1 ,55 % en poids et de préférence 1 ,50 % en poids est avantageuse, notamment pour améliorer le compromis entre ténacité et résistance mécanique. 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 très élevée de ténacité dans la direction T-L et/ou une limite d’élasticité suffisante. Par ailleurs l’addition de lithium permet de diminuer la densité. Avantageusement la densité des produits selon l’invention est inférieure à 2,65.
La teneur en magnésium des produits selon l’invention est comprise entre 0,2 et 0,5 % en poids et de manière préférée entre 0,25 et 0,45 % en poids et de préférence entre 0,25 et 0,35 % en poids. Une teneur minimale de magnésium de 0,25 % en poids est avantageuse. Une teneur maximale de magnésium de 0,45 % en poids et de préférence 0,40 % en poids et préférentiellement 0,35 % en poids ou même 0,30 % en poids est avantageuse.
La teneur en manganèse est comprise entre 0,1 et 0,5 % en poids, de préférence entre 0,2 et 0,4% en poids et préférentiellement entre 0,25 et 0,35 % en poids. Une teneur minimale de manganèse de 0,2 % en poids et de préférence 0,25 % en poids est avantageuse. Une teneur maximale de manganèse de 0,4 % en poids et de préférence 0,35 % en poids ou même de 0,33 % en poids est avantageuse.
La teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,15 % en poids. L’addition de titane, éventuellement combiné avec du bore et/ou du carbone, contribue à contrôler la structure granulaire, notamment lors de la coulée. De préférence, 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.
La teneur en zinc est inférieure à 0,3 % en poids, préférentiellement inférieure à 0,2 % en poids et de préférence inférieure à 0,1 % en poids. La teneur en zinc est avantageusement inférieure à 0,04 % en poids.
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 procédé de fabrication des tôles minces selon l’invention comprend ensuite des étapes de coulée, homogénéisation, laminage à chaud et optionnellement à froid, mise en solution, traction contrôlée, trempe et revenu.
Le bain de métal liquide élaboré est coulé sous une forme de plaque de laminage.
La plaque de laminage est ensuite homogénéisée à une température comprise entre 490°C et 535°C. De préférence, la durée d’homogénéisation est comprise entre 5 et 60 heures. Avantageusement, la température d’homogénéisation est au moins 500 °C. Dans un mode de réalisation, la température d’homogénéisation est inférieure à 515 °C.
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 d’entrée de laminage à chaud comprise entre 400 et 445 °C et de préférence comprise entre 420°C et 440°C permettant la déformation par laminage à chaud.
Le laminage à chaud est effectué de manière à obtenir une tôle d’épaisseur typiquement 4 à 8 mm. La température de sortie de laminage à chaud est inférieure à 300 °C et de préférence inférieure à 290 °C. Les conditions spécifiques de laminage à chaud en combinaison avec la composition selon l’invention permettent notamment d’obtenir un compromis avantageux entre la résistance mécanique et la ténacité et une faible anisotropie des propriétés mécaniques.
Après laminage à chaud, on peut optionnellement laminer à froid la tôle obtenue notamment pour obtenir une épaisseur finale comprise entre 0,5 et 3,9 mm. Préférentiellement, l’épaisseur finale est au plus de 7,0 mm et de manière préférée au plus de 6,0 mm. Avantageusement l’épaisseur finale est au moins de 0,8 mm et de manière préférée au moins de 1 ,2 mm.
La tôle ainsi obtenue est ensuite mise en solution entre 450 et 515 °C. La durée de mise en solution est avantageusement comprise entre 5 min à 8 h. La tôle ainsi mise en solution est ensuite trempée.
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 6 % et préférentiellement de 3 à 5%. Des étapes connues telles que le laminage, le planage, le redressage la mise en forme peuvent être optionnellement réalisées après mise en solution et trempe et avant ou après la traction contrôlée, cependant la déformation à froid totale après mise en solution et trempe doit rester inférieure à 15% et de préférence inférieure à 10%. Des déformations à froid élevées après mise en solution et trempe causent en effet l’apparition de nombreuses bandes de cisaillement traversant plusieurs grains, ces bandes de cisaillement n’étant pas souhaitables. De préférence on ne réalise pas de laminage à froid après la mise en solution.
Un revenu est réalisé comprenant un chauffage à une température comprise entre 130 et l70°C et de préférence entre 140 et l60°C et de manière préférée entre 145 et 155 °C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 40h. De manière préférée, l’état métallurgique final est un état T8.
Dan un mode de réalisation de l’invention, un traitement thermique court est réalisé après traction contrôlée et avant revenu de façon à améliorer la formabilité des tôles. Les tôles peuvent ainsi être mises en forme par un procédé tel que G étirage-formage avant d’être revenues. Les tôles minces obtenues par le procédé selon l’invention ont une taille de grain caractéristique. Ainsi, la taille de grain moyenne dans l’épaisseur mesurée par la méthode des intercepts sur une coupe L/TC dans la direction L selon la norme ASTM El 12 et exprimée en pm est inférieure à 66 t + 200 où t est l’épaisseur de la tôle exprimée en mm, de préférence inférieure à 66 t + 150 et de manière préférée inférieure à 66 t + 100, pour les tôles minces obtenues par le procédé selon l’invention. La structure granulaire des tôles est avantageusement essentiellement recristallisée.
Les tôles minces obtenues par le procédé selon l’invention ont une ténacité dans la direction T-L particulièrement avantageuse. En particulier, les tôles minces obtenues par le procédé selon l’invention présentent avantageusement une limite d’élasticité Rpo,2 dans la direction TL d’au moins de 370 MPa, préférentiellement d’au moins 380 MPa et de manière préférée d’au moins 390 MPa, et une ténacité en contrainte plane KR6O, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 (2ao = 253 mm), d’au moins 170 MPaVm, préférentiellement d’au moins 175 MPaVm et de manière préférée d’au moins 180 MPaVm. Les performances les plus favorables des tôles selon l’invention, notamment pour une épaisseur comprise entre 2 mm et 7 mm à savoir une limite d’élasticité Rpo,2 dans la direction TL d’au moins de 393 MPa, une ténacité en contrainte plane KR6O, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 (2ao = 253 mm), dans la direction T-L d’au moins 180 MPa Vm sont notamment obtenues lorsque la teneur en lithium est comprise entre 1 ,40 et 1 ,50 % en poids, la teneur en cuivre est comprise entre 2,45 et 2,55 % en poids et la teneur en magnésium est comprise entre 0,25 et 0,35 % en poids.
Les tôles selon l’invention présentent également une faible anisotropie. Ainsi, le rapport entre la différence de limite d’élasticité entre les directions L et TL et la limite d’élasticité dans la direction L est inférieur à 6% et de préférence inférieur à 5%.
La résistance à la corrosion intergranulaire des tôles selon l’invention est élevée. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la tôle de l’invention peut être utilisée sans placage.
L’utilisation de tôles minces selon l’invention dans un panneau de fuselage pour aéronef est avantageuse. Les tôles minces selon l’invention sont également avantageuses dans les applications aérospatiales telles que la fabrication de fusées. Exemple Dans cet exemple, 8 tôles minces ont été préparées.
Des alliages dont la composition est donnée dans le Tableau 1 ont été coulés :
Tableau 1 - Composition (%en poids)
Figure imgf000014_0001
Les plaques ont été transformées selon les paramètres indiqués dans le tableau 2. Les conditions de transformation utilisées pour les tôles en alliage A-l , A-2, B-l et B-2 sont conformes à l’invention. Les conditions de revenu ont été définies de façon à obtenir un état T8.
Tableau 2. Paramètres de transformation des tôles
Figure imgf000014_0002
La structure granulaire des échantillons a été caractérisée à partir de l’observation microscopique des sections transversales après oxydation anodique, sous lumière polarisée sur des coupes L/TC. Les microstructures observées pour les échantillons A-l et C-2 sont présentées sur les Figures 1 et 2, respectivement. La structure granulaire des tôles était essentiellement recristallisée. Les tailles de grain moyennes dans l’épaisseur mesurées par la méthode des intercepts selon la norme ASTM El 12 sont présentées dans le Tableau 3.
Tableau 3. Tailles de grain mesurées sur des coupes L/TC
Figure imgf000015_0001
Les échantillons ont été testés mécaniquement afin de déterminer leurs propriétés mécaniques statiques ainsi que leur résistance à la propagation des fissures. La limite d'élasticité en traction, la résistance à la rupture et l'allongement à la rupture sont fournis dans le tableau 4.
Tableau 4- Caractéristiques mécaniques exprimées en MPa (RPo,2, Rm) ou en pourcentage (A%)
Figure imgf000016_0001
Le tableau 5 résume les résultats des essais de ténacité pour ces échantillons.
Tableau 5 résultats des courbes R pour les éprouvettes de largeur 760 mm.
Figure imgf000016_0002

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur 0,5 à 8 mm en alliage à base d'aluminium dans lequel, successivement
a) on élabore un bain de métal liquide comprenant
2.3 à 2,7 % en poids de Cu,
1.3 à 1 ,6 % en poids de Li,
0,2 à 0,5 % en poids de Mg,
0,1 à 0,5 % en poids de Mn,
0,01 à 0,15 % en poids de Ti,
une quantité de Zn inférieure à 0,3 % 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,
b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide ;
c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise entre 490°C et 535 °C ;
d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement par laminage à froid en une tôle ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 8 mm, la température d’entrée de laminage à chaud étant comprise entre 400°C et 445°C et la température de sortie de laminage à chaud étant inférieure à 300 °C ;
e) on met en solution à une température comprise entre 450 °C et 515 °C et on trempe ladite tôle ;
f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à
6 %, la déformation à froid après mise en solution étant inférieure à 15% ;
g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise entre 130 et l70°C et de préférence entre 150 et l60°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 40h.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la teneur en cuivre est comprise entre 2,45 et 2,65 % en poids et de préférence entre 2,50 et 2,60 % en poids.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel la teneur en lithium est comprise entre 1 ,35 et 1 ,55 % en poids et de préférence entre 1,40 % et 1 ,50 % en poids.
4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en magnésium est comprise entre 0,25 et 0,45 % en poids et de préférence entre 0,25 et 0,35 % en poids.
5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la teneur en manganèse est comprise entre 0,2 et 0,4 % en poids et de préférence entre 0,25et 0,35 % en poids.
6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la teneur en zinc est inférieure à 0,1 % en poids et de préférence inférieure à 0,05 en poids.
7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la température d’entrée de laminage à chaud est comprise entre 420°C et 440°C et/ou la température de sortie de laminage à chaud est inférieure à 290 °C .
8. Tôle mince obtenue par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7 dont la taille de grain moyenne dans l’épaisseur mesurée par la méthode des intercepts sur une coupe L/TC dans la direction L selon la norme ASTM El 12 et exprimée en pm est inférieure à 66 t + 200 où t est l’épaisseur de la tôle exprimée en mm, de préférence inférieure à 66 t + 150 et de manière préférée inférieure à 66 t + 100.
9. Tôle mince selon la revendication 8 dont la limite d’élasticité Rpo,2 dans la direction TL est au moins de 370 MPa et dont la ténacité en contrainte plane KR6O, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 (2ao = 253 mm), d’au moins 170 MPaVm dans la direction T-L et dans la direction L-T.
10. Tôle mince selon la revendication 8 ou la revendication 9 ayant une limite d’élasticité Rp0,2 dans la direction TL d’au moins de 393 MPa, une ténacité en contrainte plane KRÔO, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 (2ao = 253 mm), dans la direction T-L d’au moins 180 MPa Vm une teneur en lithium comprise entre 1 ,40 et 1,50 % en poids, une teneur en cuivre comprise entre 2,45 et 2,55 % en poids et une teneur en magnésium comprise entre 0,25 et 0,35 % en poids.
1 1. Tôle mince selon une des revendications 8 à 10 dont le rapport entre la différence de limite d’élasticité entre les directions L et TL et la limite d’élasticité dans la direction L est inférieure à 6% et de préférence inférieur à 5%.
12. Utilisation d’une tôle mince selon une quelconque des revendications 8 à 1 1 dans un panneau de fuselage pour aéronef.
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