EP0162096B1 - Alliages a base d'aluminium contenant du lithium, du magnesium et du cuivre - Google Patents
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Classifications
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- C22C21/00—Alloys based on aluminium
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Definitions
- the present invention relates to alloys based on AI, containing Li, Mg and Cu and having mechanical characteristics equivalent to those of aluminum alloys with conventional structural hardening at medium strength with a density reduced by at least minus 9% compared to these conventional alloys.
- lithium alloys It is known to metallurgists that the addition of lithium decreases the density and increases the modulus of elasticity and the mechanical resistance of aluminum alloys. This explains the designers' interest in these alloys for applications in the aeronautical industry, and more particularly, for lithium aluminum alloys containing other addition elements such as magnesium or copper.
- lithium alloys must imperatively have ductility and toughness at least equivalent, with mechanical strength equal to that of conventional aeronautical alloys such as alloys 2024-T4 or T351, 2214-T6 (51), 7175-T73 (51) or T7652 and 7150-T651 (according to the nomenclature of the Aluminum Association), which is not the case for known lithium alloys.
- This alloy gives thin sheets and spun products treated in the T6 state (16 h at 170 ° C) moderately high mechanical tensile properties (FRIDLYANDER et al. Met. Science and Heat Treatment n ° 3-4, April 1968, page 212 - Metalov Translator I. Term Obrab Metallov No. 3, page 5052, March 1968) and lower than those of conventional aeronautical alloys.
- the content of main elements is preferably held individually or in combination between 2.3 to 3.3% for Li, 1.4 and 2.4% for Mg and 0.25 and 1.2% for Cu.
- the Zr content is preferably between 0.08 and 0.18%.
- Homogenization can be done in a temperature range between 8 + 10 (° C) and 0 ⁇ 20 (° C); the dissolution is preferably carried out between 0 + - 10 ° C.
- the optimal durations of heat treatment for homogenization at temperature 0 are 0.5 to 8 hours for alloys produced by rapid solidification (atomization - splat cooling - or any other means) and 12 to 72 hours for molded products or produced in semi-continuous casting.
- alloys have their optimal mechanical properties after tempering of durations of 8 to 48 hours at temperatures between 170 and 220 ° C and it is preferable to subject the products of adequate shape (sheets, bars, widgets) to work hardening giving rise to plastic deformation of 1 to 5% (preferably 2 to 4%) between quenching and tempering, which further improves the mechanical strength of the products.
- the alloys according to the invention have a higher mechanical strength than that of the alloy AILiMgMn 01420, which did not make it possible to predict the results of the studies available on the system.
- the alloys according to the invention have a compromise between mechanical characteristics and density greater than that of the known AILiCuMg alloys (with low magnesium contents). They also have a satisfactory resistance to intergranular or laminating corrosion much higher than that of the known alloys AICuMg, AILiCu, and AILiCuMg.
- alloys are therefore particularly advantageous for the manufacture of molded or wrought semi-finished products (produced by semi-continuous casting, rapid atomization or solidification, etc.) whether they are, for example, spun, rolled, forged or matrixes used in particular in the aeronautical or space industries.
- the alloys according to the invention very loaded with Li and Mg, were pourable without major difficulty in semi-continuous casting in the form of billets or trays of industrial format (absence of cracks and porosities).
- Table 1 gives the chemical compositions of the alloys measured by atomic absorption and spark emission spectrometry, and their characteristics (coefficient K) with respect to the domains according to the invention.
- Table II gives the mechanical traction characteristics and the density as a function of the chemical composition of the widgets, for the various heat treatments carried out and the rate of work hardening between quenching and tempering.
- the elastic limit (Rp 0.2), the breaking load (Rm) and the elongation at break (A%) are given.
- Table III gives the results obtained during the corrosion tests.
- the alloys according to the invention have mechanical strengths of levels comparable to those of the alloys of the 2000 series without lithium currently used in aeronautics, and greater than those of known AI-Li-Mg alloys. (eg alloy 01420) with the advantage of a significantly lower density than that of conventional alloys and lower than that of the known lithium alloys of the AI-Li-Cu, AI-Li-Cu-Mg systems. They also show the advantage of hardening between quenching and tempering on the mechanical properties.
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Abstract
Alliages à base d'Al contenant essentiellement des additions de Li, Mg et Cu, et éventuellement des additions mineures de Cr, Zr, Ti, Mn qui possèdent des hautes caractéristiques mécaniques spécifiques, une faible densité et une bonne résistance à la corrosion. Les alliages selon l'invention contiennent (en poids %): Li 1,8 à 3,5; Mg 1,4 à 6,0; Cu 0,2 à 1,6 avec Mg/Cu >= 1,5; Cr jusqu'à0,3; Mn jusqu'à 1; Zr jusqu'à 0,2; Ti jusqu'à 0,1 et/ou Be jusqu'à 0,02, Fe jusqu'à 0,20; Si jusqu'à 0,12; Zn jusqu'à 0,35%. Les traitements d'homogénéisation et de mise en solution doivent être suffisamment poussés pour dissoudre les phases intermétalliques quaternaires (Al, Li, Mg, Cu) de grosseur supérieure à 5mum. Ces alliages présentent un compromis caractéristiques mécaniques-densité supérieur à celui des alliages connus Al Cu Mg, et ceux contenant du Li.
Description
- La présente invention est relative à des alliages à base d'AI, contenant du Li, du Mg et du Cu et possédant des caractéristiques mécaniques équivalentes à celles des alliages d'aluminium à durcissement structural conventionnels à moyenne résistance avec une densité diminuée d'au moins 9% par rapport à ces alliages conventionnels.
- Il est connu des métallurgistes que l'addition de lithium diminue la densité 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, et plus particulièrement, pour les alliages d'aluminium au lithium contenant d'autres éléments d'addition tels que le magnésium ou le cuivre. Toutefois, de tels alliages au lithium devront impérativement posséder une ductilité et une ténacité au moins équivalentes, à résistance mécanique égale, à celle des alliages aéronautiques conventionnels tels que les alliages 2024-T4 ou T351, 2214-T6(51), 7175-T73(51) ou T7652 et 7150-T651 (selon la nomenclature de l'Aluminium Association), ce qui n'est pas le cas des alliages au lithium connus.
- Dans le système Aluminium-Lithium-Magnésium, le seul alliage industriel connu est l'alliage soviétique 01420, de composition nominale (en poids %) : Li = 2,0 à 2,2 ; Mg = 5,0 à 5,4 ; Mn = 0 à 0,6 ; Zr = 0 à 0,15. Cet alliage confère aux tôles minces et produits filés traités à l'état T6 (16 h à 170 °C) des caractéristiques mécaniques de traction moyennement élevées (FRIDLYANDER et coll. Met. Science and Heat Treatment n° 3-4, Avril 1968, page 212 - Traduct. de Metalov. i. Term. Obrab. Metallov n° 3, page 5052, mars 1968) et inférieures à celles des alliages aéronautiques conventionnels. Par ailleurs, l'étude des lois statistiques de modification de caractéristiques des alliages du système AI-Li-Mg-Zr en fonction de leurs teneurs en Li et Mg (I.N. FRIDLYANDER et coll. « Zavod. Lab. •, juillet 1974, T7, page 847) montre qu'il n'est pas possible d'augmenter le compromis entre résistance mécanique et allongement de cet alliage jusqu'au niveau des alliages aéronautiques classiques, par diminution des teneurs en Lithium et en Magnésium. Ces tendances sont confirmées par les résultats de SANDES (rapport final NADC Contract n° N 622 69-74-C-0438, juin 1976) montrant que le compromis entre limite élastique et ténacité des produits filés en alliages AI-Li-Mg est d'autant plus élevé que la teneur en lithium et, dans une moindre mesure, la teneur en magnésium sont faibles. En particulier, les auteurs montrent que les alliages à teneurs globales en lithium-magnésium élevées possèdent à l'état trempé-revenu un compromis entre résistance mécanique, ductilité et ténacité très inférieur à celui des alliages conventionnels des séries 2000 et 7000.
- Plus récemment, les métallurgistes ont proposé de nouvelles compositions d'alliages aluminium-lithium au cuivre (Cu = 1,5 à 3 %) et au magnésium (Mg = 0,5 à 1,4 %) à faible densité et haute résistance mécanique. Il s'agit, en particulier, de l'alliage expérimental F92 (spécification britannique DXXXA) de composition nominale (en poids %) : Li = 2,5 ; Cu = 1,2 ; Mg = 0,7 ; Zr = 0,12, dont les compromis de caractéristiques mécaniques types annoncées en 1983 par British ALCAN sur tôles minces à l'état T8 (Rm = 500 MPa ; Rp 0,2 = 420 MPa ; A = 6 %) et sur tôles épaisses à l'état T651 (Rm = 520 MPa ; Rp 0,2 = 460 MPa ; A = 7 %) montrent que cet alliage possède un compromis entre résistance mécanique et ductilité encore inférieur à celui des alliages aéronautiques des séries 2000 et 7000, comme tous les autres alliages des systèmes AILiCu et AILiCuMg à teneur en lithium supérieure à 2 % connus à ce jour.
- Au cours d'essais métallurgiques, nous avons trouvé et expérimenté de nouvelles compositions d'alliages industriels du système AI-Li-Mg-Cu (-Cr, Mn, Zr, Ti) plus performants que les alliages des systèmes AICuMg (2024). AILiCu et AILiMg, et que les alliages connus du système AILiCuMg, du point de vue du compromis entre la résistance mécanique, la densité et la résistance à la corrosion intergranulaire ou feuilletante.
- Ces nouveaux alliages selon l'invention ont les compositions pondérales suivantes :
- La teneur en éléments principaux est de préférence tenue individuellement ou en combinaison entre 2,3 à 3,3 % pour Li, 1,4 et 2,4 % pour Mg et 0,25 et 1,2 % pour Cu. La teneur en Zr est de préférence comprise entre 0,08 et 0,18 %.
- Pour obtenir un meilleur compromis, résistance mécanique-densité, on doit de plus observer la relation suivante :
- 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 θ (en °C) de l'ordre de 0 = 535-5 (% Mg) pendant une durée suffisante pour qu'après trempe, les composés intermétalliques des phases quaternaires (AILiCuMg) détectables lors d'examen micrographique ou par microanalyse électronique ou ionique (SIMS) aient une taille inférieure à 5 µm. L'homogénéisation peut se faire dans un domaine de température compris entre 8 + 10 (°C) et 0 ―20 (°C) ; la mise en solution est de préférence effectuée entre 0 + - 10 °C.
- Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéisation à la température 0 sont de 0,5 à 8 heures pour les alliages élaborés par solidification rapide (atomisation - splat cooling - ou tout autre moyen) et de 12 à 72 heures pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi-continue.
- Ces alliages possèdent leurs propriétés mécaniques optimales après revenus de durées de 8 à 48 heures à des températures comprises entre 170 et 220 °C et il est préférable de faire subir aux produits de forme adéquate (tôles, barres, largets) un écrouissage donnant lieu à une déformation plastique de 1 à 5 % (préférentiellement 2 à 4 %) entre trempe et revenu, ce qui permet d'améliorer encore la résistance mécanique des produits.
- Dans ces conditions, les alliages selon l'invention possèdent une résistance mécanique supérieure à celle de l'alliage AILiMgMn 01420, ce qui ne permettait pas de prévoir les résultats des études disponibles sur le système. Nous avons constaté que les alliages selon l'invention ont un compromis entre caractéristiques mécaniques et densité supérieur à celui des alliages AILiCuMg connus (à faibles teneurs en magnésium). Ils possèdent aussi une résistance à la corrosion intergranulaire ou feuilletante satisfaisante très supérieure à celle des alliages AICuMg, AILiCu, et AILiCuMg connus.
- Ces alliages sont donc particulièrement intéressants pour la fabrication de demi-produits moulés ou corroyés (élaborés par coulée semi-continue, atomisation ou solidification rapide, etc...) qu'il s'agisse par exemple de produits filés, laminés, forgés ou matricés utilisés en particulier dans les industries aéronautique ou spatiale.
- En particulier, il a été constaté de façon surprenante que les alliages selon l'invention, très chargés en Li et Mg, étaient coulables sans difficulté majeure en coulée semi-continue sous forme de billettes ou de plateaux de format industriel (absence de criques et de porosités).
- L'invention sera mieux comprise et illustrée à l'aide des exemples suivants :
- Nous avons élaboré par coulée semi-continue des billettes de diamètre 200 mm constituées d'alliages d'aluminium aéronautiques de compositions connues et de différents alliages au lithium selon l'invention. Ces billettes ont subi des homogénéisations de longue durée à température suffisante pour dissoudre la quasi-totalité des phases eutectiques et transformées, après écroûtage, en largets de largeur 100 mm et d'épaisseur 13 mm.
- Les largets ont subi une mise en solution dans les conditions jugées optimales du point de vue de la dissolution des phases riches en éléments d'addition principaux (Li, Cu, Mg, Zn), puis trempés à l'eau froide (20 °C), avant de subir une traction contrôlée à 2 % de déformation rémanente et différentes températures de revenu en four ventilé pendant une durée de 24 heures. Certains largets filés n'ont pas été tractionnés entre trempe et revenu, de façon à mettre en évidence l'influence de l'écrouissage entre trempe et revenu sur les propriétés mécaniques.
- Tous les largets ainsi fabriqués ont été caractérisés par essais de traction et mesure de densité. Des tests de sensibilité à la corrosion intergranulaire selon la norme AIR 9048 (immersion continue 6 heures en solution NaCI- H2O2) et à la corrosion feuilletante selon le test EXCO (immersion continue 96 heures selon la norme ASTM G 34-79) ont également été effectués.
- Le tableau 1 donne les compositions chimiques des alliages mesurées par absorption atomique et spectrométrie d'émission à étincelles, et leurs caractéristiques (coefficient K) par rapport aux domaines selon l'invention.
- Le tableau Il donne les caractéristiques mécaniques de traction et la densité en fonction de la composition chimique des largets, pour les différents traitements thermiques effectués et le taux d'écrouissage entre trempe et revenu. On donne la limite élastique (Rp 0,2), la charge de rupture (Rm) et l'allongement à rupture (A%).
- Le tableau III donne les résultats obtenus lors des essais de corrosion.
- Les résultats des tests de sensibilité à la corrosion intergranulaire et à la corrosion feuilletante effectués, pour certains états de revenu à l'état T651, montrent que les alliages selon l'invention possèdent une résistance améliorée à la corrosion par rapport aux alliages conventionnels de la série 2000 et aux alliages au lithium connus, qui sont moins chargés en Mg.
- L'ensemble des résultats obtenus montre donc que les alliages selon l'invention possèdent des résistances mécaniques de niveaux comparables à celles des alliages des séries 2000 sans lithium actuellement utilisés dans l'aéronautique, et supérieurs à ceux des alliages AI-Li-Mg connus (par ex. alliage 01420) avec l'avantage d'une densité nettement plus faible que celle des alliages conventionnels et inférieure à .celle des alliages au lithium connus des systèmes AI-Li-Cu, AI-Li-Cu-Mg. Ils montrent également l'intérêt d'un écrouissage entre trempe et revenu sur les propriétés mécaniques.
Claims (12)
1. Alliage à base d'AI à haute résistance et haute ductilité, caractérisé en ce qu'il contient (en poids %):
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 2,3 à 3,3 % Li
3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 0,25 à 1,2 % Cu.
4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 2,3 à 3,3 % Li, de 0,25 à 1,2 % Cu et de 1,4 à 2,4 % Mg.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : 
avec 8,5 ≤K≤ 11,5
6. Alliage selon la revendication 5, caractérisé en ce que 9 ≤ K ≤11.
7. Procédé'de traitement thermique des alliages selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant une homogénéisation, une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé en ce que l'alliage est homogénéisé et mis en solution à une température (en °C) de l'ordre de θ = 535 - 5 (% Mg).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée de l'homogénéisation et de la mise en solution est suffisamment longue pour qu'après la trempe, les phases intermétalliques quaternaires (AI, Li, Mg, Cu) résiduelles aient une taille inférieure à 5 µm.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'homogénéisation a lieu dans le domaine de température limité par θ + 10 (°C) et 0 - 20 (°C).
10. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la mise en solution a lieu dans le domaine de température limité par θ + 10 (°C) et θ - 10 (°C).
11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le revenu est effectué entre 170 et 220 °C pendant une durée allant de 8 à 48 heures.
12. Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'une déformation plastique de 1 à 5 %, et de préférence, entre 2 et 4 %, est appliquée au produit traité entre la trempe et le revenu.
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