EP0158571A1 - Alliages al-cu-li-mg à très haute résistance mécanique spécifique - Google Patents
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Classifications
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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
Definitions
- the present invention relates to Al-based alloys containing essentially Cu. Li and Mg. having a very high specific mechanical resistance. and usable. in particular for obtaining heat-treated parts of complex shape.
- metallurgists have proposed a new experimental alloy of nominal composition Al- 3% Li - 2% Cu - 0.2% Zr 1 with high resistance. low density and low ductility), as well as new alloys of the Aluminum-Lithium-Copper-Magnesium system with medium resistance. low density and improved ductility. It is in particular the alloy of average composition AI - 2.4% Li - 1.25% Cu - 0.75% Mg (- Cr. Mn. Zr. Ni) which was the subject of the European patent application No. 0088511 of the Secretary for Defense of the United Kingdom.
- the invention described below makes it possible to have new lithium alloys which do not have these limitations.
- These alloys give products of all configurations, very high mechanical characteristics in the T6 state (equivalent to those of alloys 7075-T 6 and 7010-T 736) combined with a density reduced by 6 to 9% compared to that of conventional alloys of the 2000 or 7000 series.
- the alloy products according to the invention have a specific mechanical resistance further improved by hardening between quenching and tempering (states T-651. T-652 or T-8) but this operation of plastic deformation can be limited, for example, to the sole holding or leveling of hardened products.
- the alloys according to the invention have their optimum level of resistance and ductility after homogenization treatments of the cast products and dissolving of the transformed products comprising at least one bearing at a temperature ⁇ H of between 520 and 54 ° C for sufficient time. either to completely dissolve the intermetallic compounds of the phases rich in Cu and Li and either to obtain a size less than 5 ⁇ m.
- the optimal durations of heat treatment for homogenization at temperature ⁇ H were 0.5 to 8 hours for alloys produced by rapid solidification (atomization - splat cooling) and 12 hours to 72 hours for products molded or produced in semi-continuous casting .
- tempering kinetics tests have shown that these alloys have their optimal mechanical properties after tempering lasting 8 hours to 48 hours at temperatures between 170 and 220 ° C (preferably between 190 and 200 ° C) and that it was preferable to subject the products of adequate shape (sheets, bars, widgets) to work hardening giving rise to a plastic deformation of 1.5 to 5% (preferably 2 to 4%) between quenching and tempering. which further improves the compromise between mechanical strength and ductility of these alloys.
- the alloys according to the invention have in the T-6 (51) state a mechanical resistance equivalent to that of the 7075 or 7010 T-6 (51) alloys.
- These high levels of elastic limit and breaking load are also combined with densities reduced by 6 to 8% compared to those of conventional aeronautical aluminum alloys (without lithium) and with satisfactory levels of ductility or elongation.
- Ingots were produced from refined aluminum (Al 99.99%). refined by adding 0.15% AT53, then cast into molds with a structure similar to that obtained by semi-continuous industrial casting.
- All these alloys contain less than 0.02% (by weight) of Fe and less than 0.02% of Si.
- alloys were homogenized under the conditions allowing an almost complete dissolution of the intermetallic compounds rich in lithium and copper, and quenched with water at 20 ° C. They underwent a maturation of at least 5 days and 24 hour treatments at temperatures of 150, 170, 190 and 210 ° C.
- Table Ib gives the heat treatments and the average Vickers hardnesses after tempering, as well as the maximum specific hardness of each of these alloys (Vickers hardness / density ratio).
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Abstract
La présente invention est relative à des alliages à base d'Al contenant essentiellement du Cu, du Li et du Mg, possèdant une très haute résistance mécanique spécifique et utilisables, en particulier, pour l'obtention de pièces traitées thermiquement de forme complexe. Les analyses sont les suivantes (en poids %) : Cu 2,4 à 3,5 % · Li 1,9 à 2,7 % · Mg de 0 à 0,8 % et jusqu'à: 0,20 % Fe · 0,10 % Si · 1 % Mn · 0,30 % Cr · 0,2 % Zr · 0,1 % Ti · 0,02 % Be avec, de préférence, la limitation suivante : 4,8 <= % Cu + % Li + % Mg /2 <= 6,0. Ces alliages possèdent à l'état traité une très haute résitance mécanique spécifique (dureté Vickers/densité > 70), même en l'absence de déformation plastique entre trempe et revenu, ce qui justifie leur emploi, entre autres, pour des pièces de forme complexe telles que des pièces moulées ou matricées.
Description
- La présente invention est relative à des alliages à base d'Al contenant essentiellement du Cu. du Li et du Mg. possédant une très haute résistance mécanique spécifique. et utilisables. en particulier, pour l'obtention de pièces traitées thermiquement de forme complexe.
- Il est connu des métallurgistes que l'addition de Lithium diminue la densité (de 3 % par pour-cent pondéral de lithium) et augmente le module d'élasticité et la résistance mécanique des alliages d'aluminium. Ceci explique l'intérêt des concepteurs pour ces alliages en vue d'applications dans l'industrie aéronautique qui requière des alliages dotés d'une résistance mécanique spécifique (rapport résistance mécanique sur densité) et d'un module spécifique aussi élevés que possible, à condition toutefois que ces alliages possèdent par ailleurs une ductilité (allongement à la rupture) et une ténacité acceptables.
- On sait que les alliages d'aluminium au lithium binaires possèdent une résistance mécanique insuffisante ainsi qu'une ductilité rédhibitoire pour applications aéronautiques. Les métallurgistes ont donc eu recours à des additions de cuivre. dont l'effet bien connu sur le durcissement structural des alliages d'aluminium est supérieur à celui du lithium et superposable à ce dernier pour obtenir des alliages Al-Li-Cu à haute résistance mécanique plus ductiles. mais aussi plus denses que les alliages au lithium binaires.
- Il s'agit en particulier, de l'alliage américain 2020. de composition nominale Al-4.5 % Cu - 1.2 % Li - 0.2 % Cd - 0.5 % Mn, et de l'alliage soviétique VAD 93. de composition nominale Al . 5,4 % Cu - 1.2 % Li -0.2 % Cd - 0.6 % Mn. Ces alliages. utilisés à l'état T651 (trempe - traction contrôlée 2 % - revenu au maximum de la résistance mécanique) possèdent des niveaux très élevés de résistance mécanique (notamment l'alliage VAD 93), mais il est apparu que les additions de Lithium, quoique faibles, entraînaient une perte appréciable de ductilité et de ténacité sans permettre un allègement significatif des pièces de structure aéronautique. compte tenu de la densité relativement peu diminuée de ces alliages par rapport à celle des alliages conventionnels sans lithium.
- Plus récemment, des métallurgistes ont proposé un nouvel alliage expérimental de composition nominale Al- 3 % Li - 2 % Cu - 0.2 % Zr 1à haute résistance. faible densité et faible ductilité), ainsi que de nouveaux alliages du système Aluminium-Lithium-Cuivre-Magnésium à moyenne résistance. faible densité et ductilité améliorée. 11 s'agit en particulier de l'alliage de composition moyenne AI - 2,4 % Li - 1.25 % Cu - 0.75 % Mg (- Cr. Mn. Zr. Ni) qui a fait l'objet de la demande de brevet européen n* 0088511 du Secretary for Defence du Royaume-Uni.
- Or. on peut constater que tous les alliages au lithium à faible densité connus et cités ci-dessus (hormis les alliages VAD 93 et 2020 très riches en cuivre) ne possèdent pas des niveaux de résitance mécanique équivalents à celui des alliages d'aluminium conventionnels actuellement les plus résistants (7075-T6. 7010-T 736) sauf si les produits subissent entre trempe et revenu au maximum de durcissement un écrouissage par déformation plastique de 2 à 4 % environ. L'effet favorable de cet écrouissage sur la limite élastique. la charge de rupture et même la ductilité. est bien connu des métallurgistes.
- Ceci explique la relative abondance des résultats récents obtenus sur tôles minces ou épaisses et produits filés en alliages AI-Li-Cu. Al-Li-Mg et Al-Li-Cu-Mg à l'état T-651. et dont la gamme de fabrication doit obligatoirement comporter une traction contrôlée de 2 à 4 % entre trempe et revenu de façon à permettre à ces alliages d'obtenir leurs meilleurs niveaux de caractéristiques mécaniques.
- Cette particularité des alliages au lithium connus constitue évidemment une importante restriction pour l'utilisation d'alliages d'aluminium au lithium à haute réistance mécanique spécifique dans la fabrication de pièces de géométrie complexe, telles que les pièces matricées ou les produits moulés. auxquelles il est généralement impossible d'imposer une déformation plastique. même par compression contrôlée, entre trempe et revenu.
- L'invention décrite ci-après permet de disposer de nouveaux alliages au lithium ne présentant pas ces limitations. Ces alliages confèrent aux produits de toutes configuration, de très hautes caractéristiques mécaniques à l'état T6 (équivalentes à celles des alliages 7075-T 6 et 7010-T 736) combinées à une densité diminuée de 6 à 9 % par rapport à celle des alliages conventionnels des séries 2000 ou 7000. A fortiori, les produits en alliages selon l'invention possèdent une résistance mécanique spécifique encore améliorée par écrouissage entre trempe et revenu (états T-651. T-652 ou T-8) mais cette opération de déformation plastique peut être limitée par exemple au seul détentionnement ou au planage des produits trempés.
- Au cours d'essais métallurgiques. nous avons en effet trouvé et expérimenté de nouvelles compositions d'alliages industriels du système Al-U-Cu-Mg - (Cr. Mn. Zr. Ti) plus résistants et plus performants que les alliages au Li connus, du point de vue du compromis résistance mécanique-densité.
- Les alliages selon l'invention possèdent les compositions pondérales suivantes :
- Cu de 2,4 à 3,5 %
- v, Li de 1.9 à 2.7 %
- Mg de 0 à 0.8 %
- Fe < 0.20 %
- Si < 0.10 %
- Cr de 0 à 0,30 %
- Zr de 0 à 0.20 %
- Ti de 0 à 0.10 %
- Mn de 0 à 1 %
- Be de 0 à 0.02 %
- autres (impuretés)
- chacun < 0.05 %
- Total < 0.15 %
- Reste Al.
- Les compositions optimales prises individuellement ou en combinaisons sont les suivantes :
- Cu entre 2.5 et 3,1 % (et de préférence entre 2.6 et 3 %)
- Mg entre 0 et 0.5 % (et de préférence entre 0.1 et 0.5 %)
- Zr entre 0.07 et 0.15 %
- Fe inférieur à 0,10 %
- Si inférieur à 0.06 %.
- Il a été montré que ces alliages possèdent les caractéristiques optimales lorsque la relation :
- Pour les valeurs inférieures à 4,8 (ou 5.0) on observe une chute notable des caractéristiques de résistance et pour les valeurs supérieures à 5,8 (ou 6) on observe une chute notable de la ductilité.
- Les alliages selon l'invention possèdent leur niveau optimal de résistance et de ductilité après des traitements d'homogénéisation des produits coulés et de mise en solution des produits transformés comportant au moins un palier à une température θH comprise entre 520 et 54°C pendant une durée suffisante. soit pour dissoudre complètement les composés intermétalliques des phases riches en Cu et Li et soit pour obtenir une taille inférieure à 5 µm. Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéisation à température θH étaient de 0.5 à 8 heures pour les alliages élaborés par solidification rapide (atomisation - splat cooling) et de 12 heures à 72 heures pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi-continue. pour lesquels il est préférable d'effectuer lors de l'homogénéisation ou de la mise en solution un ou deux paliers intermédiaires de quelques heures à 500°C, 515°C ou 528°C environ. de façon à éviter la fusion commençante de l'alliage lors de son maintien à la température θH.
- De plus, les essais de cinétique de revenu ont montré que ces alliages possèdent leurs propriétés mécaniques optimales après revenus de durées de 8 heures à 48 heures à des températures comprises entre 170 et 220°C (de préférence entre 190 et 200°C) et qu'il était préférable de faire subir aux produits de forme adéquate (tôles, barres, largets) un écrouissage donnant lieu à une déformation plastique de 1.5 à 5 % (préférentiellement 2 à 4 %) entre trempe et revenu. ce qui permet d'améliorer encore le compromis entre résistance mécanique et ductilité de ces alliages.
- Dans ces conditions, nous avons constaté que les alliages selon l'invention ont à l'état T-6(51) une résitance mécanique équivalente à celle des alliages 7075 ou 7010 T-6(51). Ces niveaux élevés de limite élastique et de charge de rupture (équivalents à ceux des meilleurs alliages actuels pour ces états de traitement thermique) sont par ailleurs combinés avec des densités diminuées de 6 à 8 % par rapport à celles des alliages d'aluminium aéronautiques conventionnels (sans lithium) et avec des niveaux de ductilité ou allongements satisfaisants. ce qui montre l'intérêt des alliages selon l'invention pour la fabrication de pièces de structure corroyées ou moulées à très haute résistance mécanique spécifique et bonnes propriétés dynamiques (ténacité, résistance à la fatigue), qu'il s'agisse de produits élaborés par coulée semi-continue, atomisation ou splat-cooling.
- L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, comparant les caractéristiques mécaniques spécifiques de divers alliages selon l'invention et hors de l'invention à des alliages connus.
- Des lingotins dont l'analyse est reportée au tableau la ont été élaborés à partir d'aluminium raffiné (Al 99,99 %). affinés par addition de 0.15 % d'AT53, puis coulés en moules avec une structure analogue à celle obtenue par coulée semi-continue industrielle.
- Tous ces alliages contiennent moins de 0.02 % (en poids) de Fe et moins de 0.02 % de Si.
- Ces alliages ont été homogénéisés dans les conditions permettant d'obtenir une dissolution quasi complète des composés intermétalliques riches en lithium et en cuivre, et trempés à l'eau à 20°C. Ils ont subi une maturation d'au moins 5 jours et des traitements de 24 heures à des températures de 150, 170. 190 et 210°C.
- Le tableau Ib donne les traitements thermiques et les duretés Vickers moyennes après revenu, ainsi que le maximum de dureté spécifique de chacun de ces alliages (rapport dureté Vickers/densité).
- Ces résultats montrent que les nouveaux alliages selon l'invention possèdent un compromis résistance mécanique/densité supérieur à celui de tous les autres alliages connus. dans pratiquement tout le domaine des températures de revenu et même dans le domaine des sous-revenus qui sont les plus aptes à conduire au meilleur compromis résistance mécanique-ductilité.
- Les très hauts niveaux de dureté spécifiques obtenus après trempe et revenu (sans écroaissage intermédiaire par traction ou compression contrôlée) justifient l'intérêt particulier de ces alliages légers pour les pièces de forme complexe telles que les pièces moulées ou matricées.
- On a coulé en semi-continu sous forme de billettes Ø 200 mm. les alliages dont la composition est reportée au Tableau IIa. Les billettes ont été homogénisées à 515°C pendant 16 h + 24 h à 535°C, écroûtées et filées en largets50x20 mm à 430°C (soit avec un rapport de filage de 12). Les largets ont été mis en solution à 539°C et trempés à l'eau et ont subi divers revenus.
- Les caractéristiques mécaniques obtenues, dans le sens long. au pie de résistance après revenu adapté, sont reportées dans le tableau Hb. comparativement aux caractéristiques des alliages classiques 7075 et 7150. selon les désignations de l'Aluminium Association.
- On constate qu'une addition modérée de Mg conduit aux résistances mécaniques maximales, supérieures ou équivalentes à celles des alliages classiques (sans Li) les plus durs actuellement connus. Le tableau montre qu'il est préférable de tenir la teneur en Mg à une valeur légèrement inférieure à 0.5 % pour obtenir les meilleures caractéristiques mécaniques.
Claims (14)
1. Alliage à base d'Al à très haute résistance mécanique spécifique contenant essentiellement du Cu, du Li et du Mg, caractérisé en ce qu'il contient (en poids %) :
Cu de 2.4 à 3,5 %
Li de 1,9 à 2,7 %
Mg de 0 à 0,8 %
Fe < 0,20 %
Si < 0,10 %
Mn de 0 à 1 %
Cr de 0 à 0,30 %
Zr de 0 à 0,20 %
Ti de 0 à 0,10 %
Be de 0 à 0.02 %
autres (impuretés)
chacun < 0,05 %
total < 0,15 %
reste Al.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 2,5 à 3.1 % de Cu et de préférence entre 2.6 et 3 %.
3. Alliage selon la revendication 1 ou 2. caractérisé en ce qu'il contient de 2 à 2,5 % de Li.
4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 0 à 0,5 % de Mg et de préférence entre 0,1 et 0.5 %.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : 
6. Alliage selon la revendication 5. caractérisé en ce que : 
7. alliage selon l'une des revendications 1 à 6. caractérisé en ce qu'il contieat au plus 0.10 % de Fe.
8. Alliage selon l'une des revendications 1 à 7. caractérisé en ce qu'il contient au plus 0.06 % de Si.
9. Allliage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,07 et 0,15 % Zr.
10. Procédé de fabrication d'objets à partir des alliages revendiqués dans l'une des revendication 1 à 9, comprenant au moins une élaboration, une homogénéisation, une transformation à chaud. une transformation à froid éventeulle, une mise en solution. une trempe et un revenu. caractérisé en ce que l'homogénéisation et/on la mise en solution sont effectuées entre 520 et 545°C.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la durée de l'homogénéisation doit être telle que la taille des particules riches en Li et en Cu soit comprise entre 0 et 5 µm. limites incluses.
12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11. caractérisé en ce que l'homogénéisation proprement dite est précédée de paliers à 500°. 515° et/ou 528°C environ en vue d'éviter la fusion commençante de l'alliage.
13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12. caractérisé en ce que le revenu est effectué dans le domaine de température allant de 170 à 220°C pendant une durée de 8 à 48 heures.
14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13. caractérisé en ce que le produit subit une déformation plastique de 1.5 à 5 % entre trempe et revenu.
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