EP2836620A1 - Alliage aluminium cuivre lithium à résistance au choc améliorée - Google Patents

Alliage aluminium cuivre lithium à résistance au choc améliorée

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EP2836620A1
EP2836620A1 EP13722480.4A EP13722480A EP2836620A1 EP 2836620 A1 EP2836620 A1 EP 2836620A1 EP 13722480 A EP13722480 A EP 13722480A EP 2836620 A1 EP2836620 A1 EP 2836620A1
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EP
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mpa
spun
less
thickness
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EP13722480.4A
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EP2836620B1 (fr
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Armelle Danielou
Mathieu MARQUETTE
Jérome PIGNATEL
Gaëlle POUGET
Timothy Warner
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Constellium France SAS
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    • B21C35/02—Removing or drawing-off work
    • B21C35/023—Work treatment directly following extrusion, e.g. further deformation or surface treatment 
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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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
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals

Definitions

  • the invention relates to spun products made of aluminum-copper-lithium alloys, more particularly, such products, their manufacturing and use processes, intended in particular for aeronautical and aerospace construction.
  • Aluminum alloy spun products are developed to produce high strength parts for the aerospace industry and the aerospace industry in particular.
  • Aluminum alloy spun products are used in the aerospace industry for many applications, such as stiffeners or fuselage rails, fuselage frames, wing stiffeners, floor profiles or beams, as well as track rails. seat.
  • the specific energy absorption capacity during an impact can be measured during a crash test in which the force provided is measured as a function of the displacement achieved. during the crash. This is the amount of energy expended to crush a unit mass of material in the stable crush phase.
  • Ductile aluminum alloys have a significant ability to absorb impact energy during impact, in particular because they deform plastically.
  • the specific energy absorption capacity during a shock of an aluminum alloy profile can be connected to the curve obtained during a tensile test of the material in question, in particular to the area under the curve deformation force. It can thus be evaluated by the product R m x A% or R p0 , 2 x A% in the direction L and in the direction TL.
  • AlCuLi alloys are known.
  • 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.
  • 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 describes 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 2009/142222 A1 discloses alloys comprising (in% by weight), 3.4 to 4.2% Cu, 0.9 to 1.4% Li, 0.3 to 0.7% of Ag, 0, 1 to 0.6% Mg, 0.2 to 0.8% of Zn, 0.1 to 0.6% Mn and 0.01 to 0.6% of at least one element for controlling the granular structure. This application also describes a process for manufacturing spun products.
  • Patent application WO 2009/036953 discloses an alloy for structural elements comprising (in% by weight) 3.4 to 6.0% Cu, 0.9 to 1.7% Li, about 0.2 to 0 , 8% Mg, about 0.1 to 0.8% Ag, about 0.1 to 0.8% Mn, up to 1.5% Zn, and one or more members selected from the group consisting of Zr, Cr, Ti, Se and Hf, with Fe ⁇ 0.15 and Si ⁇ 0.15.
  • AA2195 alloy comprising (in% by weight) 3.7 to 4.3% Cu, 0.8 to 1.2% Li, 0.25 to 0.8% Mg, O, is also known. 25 to 0.6% Ag, less than 0.25% Mn, less than 0.25% Zn 0.08 to 0.16% Zr, less than 0.10% Ti, less than 0, 15% Fe and less than 0.12% Si. 2195 alloy sections are described, for example, in the document "Friction on Welding Dissimilar Alloys for Tailoring Properties of Aerospace Parts", I. Eberl, C. Hantrais, J. C. Ehrstrom and C. Nardin, Science and Technology of Welding and Joining, 2010 Vol 15 No. 8 pp 699 - 705.
  • a first object of the invention is an aluminum alloy spun product comprising
  • Another subject of the invention is a method for manufacturing a spun product according to the invention in which:
  • Yet another object of the invention is the use of a product according to the invention for the aeronautical construction as a stiffener or smooth fuselage, fuselage frame, wing stiffener, profile or beam floor or seat rail.
  • Figure 1 Sectional view of the spun product of Example 1.
  • Figure 2 Compromise between the yield strength and the EA parameter for the spun products of Example 1. Description of the invention
  • alloys are in accordance with the regulations of The Aluminum Association, known to those skilled in the art. The density depends on the composition and is determined by calculation rather than a weight measurement method. The values are calculated in accordance with the procedure of The Aluminum Association, which is described on pages 2-12 and 2-13 of "Aluminum Standards and Data". The definitions of the metallurgical states are given in the European standard EN 515.
  • 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, the sampling and the direction of the test being defined by the EN 485-1 standard.
  • KQ stress intensity factor
  • EN 12258 Unless otherwise specified, the definitions of EN 12258 apply.
  • the thickness of the spun products is defined according to EN 2066: 2001: the cross section is divided into elementary rectangles of dimensions A and B; A being always the largest dimension of the elementary rectangle and B can be considered as the thickness of the elementary rectangle. The sole is the elementary rectangle with the largest dimension A.
  • a selected class of aluminum-copper-lithium alloys makes it possible to manufacture spun products having improved properties with respect to those of known products, in particular in terms of energy absorption during impact, static mechanical strength properties, corrosion resistance and low density.
  • the copper content is at least 4.2% by weight, preferably at least 4.3%, and most preferably at least 4.35% by weight. In one embodiment of the invention, the copper content is at least 4.50% by weight.
  • the copper content is at most 4.8 wt.%, Preferably at most 4.7 wt.% And most preferably 4.55 wt.%.
  • the selected copper content improves in particular the static mechanical properties. A high copper content is, however, unfavorable especially for the density of the alloy.
  • the lithium content is at least 0.9% by weight and preferably at least 0.95% by weight.
  • the lithium content is at most 1.1% by weight and preferably at most 1.05% by weight. In one embodiment of the invention, the lithium content is at most 1.04% by weight.
  • the selected lithium content improves in particular the energy absorbed during an impact. An excessively low lithium content is however unfavorable, especially for the density of the alloy.
  • the addition of manganese is an important aspect of the present invention.
  • the manganese content is at least 0.2% by weight and preferably at least 0.3% by weight.
  • the manganese content is at most 0.6% by weight and preferably at most 0.5% by weight. In one embodiment of the invention, the manganese content is at most 0.40% by weight.
  • the addition of manganese in these amounts improves in particular the compromise between the desired properties.
  • the magnesium content is at least 0.2% by weight and preferably at least 0.30% by weight.
  • the magnesium content is at most 0.6% by weight and preferably at most 0.50% by weight.
  • the magnesium content is at most 0.40% by weight.
  • the silver content is at least 0.15% by weight.
  • Content silver is at most 0.25% by weight.
  • the present inventors have found that surprisingly silver addition of more than 0.25% by weight could have an adverse effect on the energy absorption during an impact. It is important to combine the silver content from 0.15% to 0.25% by weight to a controlled pull after dissolution and quenching with a permanent deformation of 2 to 4%, in particular because a controlled pull of less than 2% does not then allow to obtain the desired mechanical strength.
  • the addition of magnesium and silver is necessary to achieve the favorable compromise between static mechanical strength, absorbed energy, density and toughness.
  • the zirconium content is at least 0.07% by weight and preferably at least 0.10% by weight.
  • the zirconium content is at most 0.15% by weight and preferably at most 0.13% by weight.
  • the addition of zirconium is in particular necessary to maintain the essentially non-recrystallized structure desired for the spun products according to the invention.
  • the titanium content is between 0.01 and 0.15% by weight and preferably between 0.02 and 0.05% by weight.
  • the addition of titanium makes it possible in particular to obtain a controlled granular structure of the raw form obtained after casting.
  • the amount of Fe and Si is less than or equal to 0.1% by weight each.
  • the content of Fe and Si is less than 0.08% by weight each.
  • the Zn content is less than 0.2% by weight, preferably less than 0.15% by weight and preferably less than 0.1% by weight.
  • the presence of Zn can have an adverse effect on the compromise between static mechanical resistance, absorbed energy, density and toughness, especially since this element adversely affects the density of the alloy without having a favorable effect on the static mechanical resistance, absorbed energy and toughness.
  • 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 spun products according to the invention are prepared by means of a process in which firstly a raw form of an alloy according to the invention is cast.
  • the raw form is a spinning billet.
  • the crude form is then homogenized at 490 ° C to 520 ° C for 8 to 48 hours.
  • the homogenization can be carried out in one or more stages.
  • the raw form can be cooled to room temperature after homogenization or directly brought to the temperature of hot deformation.
  • the homogenized raw form is hot deformed by spinning with an initial hot deformation temperature of 420 ° C to 480 ° C to obtain a spun product.
  • the spinning temperature used in particular makes it possible to obtain the desired essentially non-recrystallized structure.
  • the products spun according to the invention are preferably profiles whose thickness of at least one of the elementary rectangles is between 1 mm and 30 mm, preferably between 2 to 20 mm and preferably between 5 and 16 mm.
  • Spun products used in aeronautical construction generally comprise several segments or elementary rectangles of different thicknesses. A difficulty encountered with these products is to achieve satisfactory properties in the different segments.
  • the alloy according to the invention makes it possible in particular to obtain a favorable compromise between static mechanical strength, absorbed energy, density and toughness for elementary rectangles of different thicknesses.
  • the spun product thus obtained is then dissolved at a temperature of 500 ° C to 520 ° C for 15 minutes to 8 hours and then quenched with water at room temperature. Quenching is preferably carried out with water, by spraying or immersion.
  • the spun product thus dissolved and quenched is then tractionned with a permanent deformation of 2 to 4%.
  • a permanent deformation by too weak a traction such as a deformation by traction of 1.5%, does not make it possible to reach the compromise between desired properties.
  • the spun product was finally heated back to a temperature of 100 ° C to 170 ° C for 5 to 100 hours.
  • the income can be made in one or more levels.
  • the income is carried out in a stage at a temperature between 130 ° C and 170 ° C and preferably between 150 and 160 ° C for a period of 20 to 40 hours.
  • the spun products thus obtained preferably have a substantially non-recrystallized granular structure.
  • the term granular structure essentially non-recrystallized a granular structure such that the recrystallization rate between 1 ⁇ 4 and 1 ⁇ 2 thickness of an elementary rectangle is less than 30% and preferably less than 10%.
  • the spun products according to the invention have particularly advantageous mechanical properties.
  • the spun products according to the invention have as properties at half thickness:
  • EA (Rm (L) + RpO, 2 (L)) 12 * A% (L) + (Rm (TL) + Rp0.2 (TL)) 12 * A% (TL) of at least 14,000 and of preferably at least 14500
  • EA (Rm (L) + RpO, 2 (L)) 12 * A% (L) + (Rm (TL) + Rp0.2 (TL)) 12 * A% (TL) at least equal to 9500 and of preferably at least 9800.
  • the products according to the invention have an advantageous tenacity.
  • the products according to the invention preferably have a Kic (LT) toughness of at least 24 MPa Vm and preferably at least 25 MPaVm for a thickness of between 5 and 16 mm and for a thickness of between 17 and 15 ⁇ m.
  • LT Kic toughness
  • 30 mm Kic toughness (LT) at least 21 MPa m and preferably at least 22 MPa m.
  • the products according to the invention have an excellent resistance to corrosion.
  • the spun products according to the invention have a resistance of at least 30 days when a stress corrosion test according to ASTM G44 and ASTM G49 standards on specimens taken in the TL direction for a voltage of 450 MPa.
  • the spun products according to the invention are particularly advantageous for aircraft construction.
  • the products according to the invention are used for aeronautical construction as a stiffener or smooth fuselage, fuselage frame, wing stiffener, profile or beam floor or seat rail.
  • the products according to the invention are used as a floor beam, in particular as a beam of the lower floor of the aircraft, or cargo floor, this floor being particularly important during the impact.
  • the raw forms were homogenized at a temperature of 490 ° C to 520 ° C adapted according to their composition, spun as spun product described in Figure 1, the thickness of the elementary rectangles is between 17 and 22 mm, with an initial hot deformation temperature of about 460 ° C.
  • the spun products obtained were dissolved at a temperature suitable for the alloy of between 500 ° C. and 520 ° C., quenched, triturated for about 3% and recovered for 30 hours at 155 ° C.
  • Table 2 The mechanical properties obtained for cylindrical samples of diameter 10 mm taken at mid-thickness and quarter-width in the 18 mm thick sole of the spun products are presented in Table 2. In order to evaluate the energy absorption during of a shock we calculated the parameter
  • the structure of the spun products obtained was essentially non-recrystallized.
  • the degree of recrystallized granular structure between 1 ⁇ 4 and 1 ⁇ 2 thickness was less than 10.
  • Figure 2 shows the tradeoff between the yield strength and the EA parameter.
  • the alloy according to the invention makes it possible to reach a particularly advantageous compromise.
  • the alloy spun product A according to the invention underwent a stress corrosion test according to ASTM G44 and ASTM G49 standards for a tension of 450 MPa on specimens taken in the TL direction. No rupture was observed after 30 days of testing.
  • the alloys A and B presented in Example 1 were spun as a spun product of a different shape and having lower elementary rectangles thicknesses between 5 and 12 mm.
  • the crude forms were homogenized 15h at 500 ° C and then 20-25 h at 510 ° C, spun as I-spun product with an initial hot deformation temperature of about 460 ° C.
  • the spun products obtained were dissolved at a temperature of approximately 510 ° C., quenched, triturated approximately 3.5% and returned for 30 hours at 155 ° C.
  • the mechanical properties in the longitudinal direction were measured on "full thickness” specimens taken from the various elementary rectangles of the spun product (thicknesses 5, 7 and 12 mm) and averaged for the different sections obtained.
  • the "full thickness” measurement underestimates the real value measured at mid-thickness on machined specimens, because of the effect of the different microstructure close to the surface.
  • a correction factor was introduced to account for this bias, however, the factor was chosen such that the actual machined test specimen value would likely be greater than the indicated corrected value.
  • the mechanical properties in the transverse direction were measured on machined specimens taken from the zone of smaller thickness, the only possible zone for this type of measurement because of the length of the specimens necessary for this measurement.
  • the toughness properties were measured on specimens taken from the thickest zone.
  • the structure of the spun products obtained was essentially non-recrystallized.
  • the degree of recrystallized granular structure between 1 ⁇ 4 and 1 ⁇ 2 thickness was less than 10%.
  • the spun product according to the invention achieves a more favorable compromise than the spun product of reference between the mechanical strength and the EA parameter.

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Abstract

L'invention concerne un produit filé en alliage à base d'aluminium comprenant 4,2 à 4,8 % en poids de Cu, 0,9 à 1,1 % en poids de Li, 0,15 à 0,25 % en poids de Ag, 0,2 à 0,6 % en poids de Mg, 0,07 à 0,15 % en poids de Zr, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, 0,01 à 0,15 % en poids de Ti une quantité de Zn inférieure à 0,2 % en poids, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05 % en poids chacune et 0,15 % en poids au total. Les profilés selon l'invention sont particulièrement utiles comme raidisseur ou lisse de fuselage, cadre de fuselage, raidisseur de voilure, profilé ou poutre de plancher ou rail de siège, notamment en raison de leur propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes d'absorption d'énergie lors d'un choc; de propriétés de résistance mécanique statique et de résistance à la corrosion, et de leur faible densité.

Description

A!liage aluminium cuivre lithium à résistance au choc améliorée
Domaine de l'invention
L'invention concerne les produits filés en 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 filés en alliage d'aluminium sont développés pour produire des pièces de haute résistance destinées notamment à l'industrie aéronautique et à l'industrie aérospatiale.
Les produits filés en alliage d'aluminium sont utilisés dans l'industrie aéronautique pour de nombreuses applications, tels que les raidisseurs ou lisses de fuselage, les cadres de fuselage, les raidisseurs de voilure, les profilés ou poutres de plancher ainsi que les rails de siège.
L'incorporation progressive de davantage de matériaux composites dans les structures aéronautiques a modifié les exigences en ce qui concerne les produits filés incorporés dans les avions, notamment pour des éléments de structure tels que les poutres de plancher. Il est apparu que l'absorption d'énergie lors d'un choc, ou plus particulièrement lors d'un crash, est un critère désormais important pour sélectionner ce produit. Les autres propriétés essentielles sont des caractéristiques mécaniques les plus élevées possible, de façon à diminuer le poids des structures, et la tenue à la corrosion.
Une grandeur telle que la capacité spécifique d'absorption peut être utilisée pour caractériser l'absorption d'énergie lors d'un choc.
La capacité spécifique d'absorption d'énergie lors d'un choc peut être mesurée lors d'un test d'écrasement dans lequel on mesure l'effort fourni en fonction du déplacement réalisé lors de l'écrasement. Il s'agit de la quantité d'énergie dépensée pour écraser une unité de masse de matériau dans la phase d'écrasement stable. Les alliages d'aluminium ductiles ont une capacité importante d'absorption de l'énergie d'impact lors du choc, en particulier car ils se déforment plastiquement. En première approximation la capacité spécifique d'absorption d'énergie lors d'un choc d'un profilé en alliage d'aluminium peut être reliée à la courbe obtenue lors d'un test en traction du matériau considéré, en particulier à l'aire sous la courbe force déformation. On peut ainsi l'évaluer par le produit Rm x A% ou Rp0,2 x A% dans le sens L et dans le sens TL.
Les alliages AlCuLi sont connus.
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 recommande en particulier la composition, en pourcentage en poids, Cu = 3,0 - 4,5, Li = 0,7 - 1,1, Ag = 0 - 0,6, Mg = 0,3-0,6 et Zn = 0 - 0,75.
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 2009/142222 Al décrit des alliages comprenant (en % en poids), 3,4 à 4,2% de Cu, 0,9 à 1,4 % de Li, 0,3 à 0,7 % de Ag, 0, 1 à 0,6% de Mg, 0,2 à 0,8 % de Zn, 0,1 à 0,6 % de Mn et 0,01 à 0,6 % d'au moins un élément pour le contrôle de la structure granulaire. Cette demande décrit également un procédé de fabrication de produits filés.
La demande de brevet WO 2009/036953 divulgue un alliage pour éléments de structure comprenant (en % en poids) 3,4 à 6,0 % de Cu, 0,9 à 1,7 % de Li, environ 0,2 à 0,8 % de Mg, environ 0,1 à 0,8 % de Ag, environ 0,1 à 0,8 % de Mn, jusque 1,5 % de Zn et un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe consistent en Zr, Cr, Ti, Se et Hf, avec Fe < 0,15 et Si < 0,15.
On connaît par ailleurs l'alliage AA2195 comprenant (en % en poids) 3,7 à 4,3 % de Cu, 0,8 à 1,2 % de Li, 0,25 à 0,8 % de Mg, 0,25 à 0,6 % de Ag, moins de 0,25% de Mn, moins de 0,25% de Zn 0,08 à 0,16 % de Zr, moins de 0,10% de Ti, moins de 0,15 % de Fe et moins de 0,12 % de Si. Des profilés en alliage 2195 sont décris par exemple dans le document « Friction stir welding dissimalr alloys for tailoring properties of aerospace parts », I. Eberl, C. Hantrais, J.-C. Ehrstrom et C. Nardin, Science and Technology of Welding and Joining, 2010 vol 15 N° 8 pp 699 - 705.
Il existe un besoin pour des produits filés en alliage aluminium-cuivre-lithium présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes d'absorption d'énergie lors d'un choc, de propriétés de résistance mécanique statique et de résistance à la corrosion, tout en ayant une faible densité. Simultanément il convient de maintenir une ténacité satisfaisante pour ces produits.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un produit filé en alliage à base d'aluminium comprenant
4,2 à 4,8 % en poids de Cu,
0,9 à 1,1 % en poids de Li,
0,15 à 0,25 % en poids de Ag,
0j2 à 0,6 % en poids de Mg,
0,07 à 0,15 % en poids de Zr, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn,
0,01 à 0,15 % en poids de Ti une quantité de Zn inférieure à 0,2 % en poids, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un produit filé selon l'invention dans lequel :
(a) on coule une forme brute en alliage selon l'invention,
(b) on homogénéise ladite forme brute à une température de 490°C à 520 °C pendant 8 à 48 heures,
(c) on déforme à chaud par filage ladite forme brute avec une température initiale de déformation à chaud de 420 °C à 480 °C pour obtenir un produit filé,
(d) on met en solution ledit produit filé à une température de 500 °C à 520 °C pendant 1 minutes à 8 heures,
(e) on trempe,
(f) on tractionne de façon contrôlée ledit produit filé avec une déformation permanente de 2 à 4%,
(g) optionnellement on effectue un dressage dudit produit filé,
(h) on réalise un revenu dudit produit filé par chauffage à une température de 100 °C à 170°C pendant 5 à 100 heures.
Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un produit selon l'invention pour la construction aéronautique comme raidisseur ou lisse de fuselage, cadre de fuselage, raidisseur de voilure, profilé ou poutre de plancher ou rail de siège.
Description des figures
Figure 1 : Vue en coupe du produit filé de l'exemple 1.
Figure 2 : Compromis entre la limite d'élasticité et le paramètre EA pour les produits filés 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. L'expression 1 ,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l'homme du métier. La densité dépend de la composition et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de mesure dé poids. Les 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 ». Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
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 , le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme EN 485-1.
Le facteur d'intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E399. La norme ASTM E399 donne les critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de Kic- Pour une géométrie d'éprouvette donnée, les valeurs de KQ obtenues pour différents matériaux sont comparables entre elles pour autant que les limites d'élasticité des matériaux soient du même ordre de grandeur.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent.
L'épaisseur des produits filés est définie selon la norme EN 2066:2001 : la section transversale est divisée en rectangles élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension du rectangle élémentaire et B pouvant être considéré comme l'épaisseur du rectangle élémentaire. La semelle est le rectangle élémentaire présentant la plus grande dimension A.
Selon la présente invention, une classe sélectionnée d'alliages d'aluminium-cuivre-lithium permet de fabriquer des produits filés présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes d'absorption d'énergie lors d'un choc, de propriétés de résistance mécanique statique, de résistance à la corrosion et ayant une faible densité.
L'addition simultanée de manganèse, de titane, de zirconium, de magnésium et d'argent, permet pour les teneurs en cuivre et en lithium sélectionnées, d'obtenir un compromis entre un paramètre représentatif de l'absorption d'énergie lors d'un choc et la limite d'élasticité particulièrement avantageux.
La teneur en cuivre est au moins de 4,2 % en poids, de préférence au moins 4,3 % èt de manière préférée au moins 4,35 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en cuivre est au moins de 4,50 % en poids. La teneur en cuivre est au plus de 4,8 % en poids, de préférence au plus 4,7 % en poids et de manière préférée au plus 4,55 % en poids. La teneur en cuivre sélectionnée améliore notamment les propriétés mécaniques statiques. Une teneur en cuivre élevée est cependant défavorable notamment pour la densité de l'alliage.
La teneur en lithium est au moins de 0,9 % en poids et de préférence au moins 0,95 %.en poids. La teneur en lithium est au plus de 1, 1 % en poids et de préférence au plus 1,05 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en lithium est au plus de 1,04 % en poids. La teneur en lithium sélectionnée améliore notamment l'énergie absorbée lors d'un choc. Une teneur en lithium trop faible est cependant défavorable notamment pour la densité de l'alliage.
L'addition de manganèse est un aspect important de la présente invention. La teneur en manganèse est au moins de 0,2 % en poids et de préférence au moins 0,3 % en poids. La teneur en manganèse est au plus de 0,6 % en poids et de préférence au plus 0,5 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en manganèse est au plus de 0,40 % en poids. L'addition de manganèse dans ces quantités améliore en particulier le compromis entre les propriétés recherchées.
La teneur en magnésium est au moins 0,2% en poids et de préférence au moins 0,30% en poids. La teneur en magnésium est au plus de 0,6 % en poids et de préférence au plus de 0,50 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en magnésium est au plus de 0,40 % en poids. La teneur en argent est au moins de 0,15 % en poids. La teneur en argent est au plus de 0,25 % en poids. Les présents inventeurs ont constaté que de manière surprenante une addition d'argent de plus de 0,25% en poids pouvait avoir un effet défavorable sur l'absorption d'énergie lors d'un choc. Il est important de combiner la teneur en argent de 0,15% à 0,25% en poids à une traction contrôlée après mise en solution et trempe avec une déformation permanente de 2 à 4%, notamment car une traction contôlée inférieure à 2% ne permet pas alors d'obtenir la résistance mécanique souhaitée. L'addition de magnésium et d'argent est nécessaire pour atteindre le compromis favorable entre résistance mécanique statique, énergie absorbée, densité et ténacité.
La teneur en zirconium est au moins de 0,07 % en poids et de préférence au moins de 0,10% en poids. La teneur en zirconium est au plus de 0,15% en poids et de préférence au plus de 0,13 % en poids. L'addition de zirconium est notamment nécessaire pour maintenir la structure essentiellement non-recristallisée souhaitée pour les produits filés selon l'invention.
La teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,15 % en poids et de préférence entre 0,02 et 0,05 % en poids. L'addition de titane permet notamment d'obtenir une structure granulaire contrôlée de la forme brute obtenue après la coulée.
La quantité de Fe et de Si est inférieure ou égale à 0, 1 % en poids chacun. De préférence la teneur en Fe et en Si est inférieure à 0,08 % en poids chacun.
La teneur en Zn est inférieure à 0,2 % en poids, de préférence inférieure à 0, 15 % en poids et de manière préférée inférieure à 0,1 % en poids. La présence de Zn peut avoir un effet défavorable sur le compromis entre résistance mécanique statique, énergie absorbée, densité et ténacité, notamment car cet élément nuit à la densité de l'alliage sans apporter d'effet favorable sur la résistance mécanique statique, l'énergie absorbée et la ténacité. Les impuretés inévitables sont maintenues à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total.
Les produits filés selon l'invention sont préparés à l'aide d'un procédé dans lequel tout d'abord on coule une forme brute en alliage selon l'invention. De préférence, la forme brute est une billette de filage. La forme brute est ensuite homogénéisée à une température de 490°C à 520 °C pendant 8 à 48 heures. L'homogénéisation peut être réalisée en un ou plusieurs paliers. La forme brute peut être refroidie jusqu'à température ambiante après homogénéisation ou directement amenée à la température de déformation à chaud. La forme brute homogénéisée est déformée à chaud par filage avec une température initiale de déformation à chaud de 420 °C à 480 °C pour obtenir un produit filé. La température de filage utilisée permet notamment d'obtenir la structure essentiellement non-recristallisée souhaitée.
Les produits filés selon l'invention sont de préférences des profilés dont l'épaisseur d'au moins un des rectangles élémentaires est comprise entre 1 mm et 30 mm, de préférence entre 2 à 20 mm et de manière préférée entre 5 et 16 mm. Les produits filés utilisés en construction aéronautique comprennent généralement plusieurs segments ou rectangles élémentaires d'épaisseurs différentes. Une difficulté rencontrée avec ces produits est d'atteindre des propriétés satisfaisantes dans les différents segments. L'alliage selon l'invention permet notamment d'obtenir un compromis favorable entre résistance mécanique statique, énergie absorbée, densité et ténacité pour des rectangles élémentaires d'épaisseurs différentes.
Le produit filé ainsi obtenu est ensuite mis en solution à une température de 500 °C à 520 °C pendant 15 minutes à 8 heures puis trempé avec de l'eau à température ambiante. La trempe est effectuée de préférence à l'eau, par aspersion ou par immersion.
Le produit filé ainsi mis en solution et trempé est ensuite tractionné avec une déformation permanente de 2 à 4%. Une déformation permanente par traction trop faible, telle qu'une déformation par traction de 1,5%, ne permet pas d'atteindre le compromis entre propriétés souhaité. Une déformation permanente par traction trop élevée, telle qu'une déformation de 6 % ne permet notamment pas de garantir les caractéristiques dimensionnelles du produit filé, typiquement en ce qui concerne les angles entre les différents rectangles élémentaires. Il peut être nécessaire de réaliser une opération de dressage du produit filé pour obtenir les propriétés souhaitées d'un point de vue dimensionnel.
Le produit filé est enfin revenu par chauffage à une température de 100 °C à 170°C pendant 5 à 100 heures. Le revenu peut être effectué en un ou plusieurs paliers. De manière préférée, le revenu est effectué en un palier à une température comprise entre 130 °C et 170 °C et avantageusement entre 150 et 160 °C pendant une durée de 20 à 40 h.
Les produits filés ainsi obtenus ont de préférence une structure granulaire essentiellement non-recristallisée. Dans le cadre de la présente invention, on appelle structure granulaire essentiellement non-recristallisée une structure granulaire telle que le taux de recristallisation entre ¼ et ½ épaisseur d'un rectangle élémentaire est inférieur à 30% et de préférence inférieur à 10%.
Les produits filés selon l'invention ont des propriétés mécaniques particulièrement avantageuses.
Ainsi de manière préférée, les produits filés selon l'invention ont comme propriétés à mi- épaisseur :
pour une épaisseur comprise entre 5 et 16 mm
une limite d'élasticité moyenne Rp0,2 dans le sens L d'au moins 630 MPa et de préférence d'au moins 635 MPa et
une limite d'élasticité moyenne Rp0,2 dans le sens TL d'au moins 625 MPa et de préférence d'au moins 630 MPa et
un facteur EA
EA = (Rm(L) + RpO,2(L)) 12 * A%(L) + (Rm(TL) + Rp0,2(TL)) 12 * A%(TL) au moins égal à 14000 et de préférence au moins égal à 14500
et/ou
pour une épaisseur comprise entre 17 et 30 mm
une limite d'élasticité moyenne Rp0,2 dans le sens L d'au moins 655 MPa et de préférence d'au moins 660 MPa et
une limite d'élasticité moyenne Rpo,2 dans le sens TL d'au moins 600 MPa et de préférence d'au moins 605 MPa et
un facteur EA
EA = (Rm(L) + RpO,2(L)) 12 * A%(L) + (Rm(TL) + Rp0,2(TL)) 12 * A%(TL) au moins égal à 9500 et de préférence au moins égal à 9800.
De plus les produits selon l'invention ont une ténacité avantageuse.
Ainsi les produits selon l'invention ont de préférence pour une épaisseur comprise entre 5 et 16 mm une ténacité Kic(L-T), d'au moins 24 MPa Vm et de préférence d'au moins 25 MPaVm et pour une épaisseur comprise entre 17 et 30 mm une ténacité Kic(L-T), d'au moins 21 MPa m et de préférence d'au moins 22 MPa m .
Enfin les produits selon l'invention présentent une excellente résistance à la corrosion. Ainsi les produits filés selon l'invention présentent une résistance d'au moins 30 jours lors d'un test de corrosion sous contrainte selon les normes ASTM G44 et ASTM G49 sur des éprouvettes prélevées dans le sens TL pour une tension de 450 MPa.
Les produits filés selon l'invention sont particulièrement avantageux pour la construction aéronautique. Ainsi, les produits selon l'invention sont utilisés pour la construction aéronautique comme raidisseur ou lisse de fuselage, cadre de fuselage, raidisseur de voilure, profilé ou poutre de plancher ou rail de siège. Dans un mode de réalisation préféré on utilise les produits selon l'invention comme poutre de plancher, notamment comme poutre du plancher inférieur des avions, ou plancher cargo, ce plancher étant particulièrement important lors du choc.
Exemples Exemple 1.
Dans cet exemple, cinq alliages dont la composition est donnée dans le tableau 1 ont été préparés et coulés sous une forme brute.
Tableau 1. Composition en % en poids des alliages
inv : invention - ref : référence
Les formes brutes ont été homogénéisées à une température de 490°C à 520 °C adaptée selon leur composition, filées sous forme de produit filé décrit dans la Figure 1, dont l'épaisseur des rectangles élémentaires est comprise entre 17 et 22 mm, avec une température initiale de déformation à chaud d'environ 460 °C. Les produits filés obtenus ont été mis en solution à une température adaptée à l'alliage comprise entre 500 °C et 520 °C, trempés, tractionnés environ 3 % et revenus 30h à 155 °C. Les propriétés mécaniques obtenues pour des échantillons cylindriques de diamètre 10 mm prélevés à mi-épaisseur et quart-largeur dans la semelle d'épaisseur 18 mm des produits filés sont présentées dans le tableau 2. Afin d'évaluer l'absorption d'énergie lors d'un choc on a calculé le paramètre
EA = (Rra(L) + Rp0,2(L)) 12 * A (L) + (Rm(TL) + Rp0,2(TL)) 12 * A%(TL)
La structure des produit filés obtenus était essentiellement non-recristallisée. Le taux de structure granulaire recristallisée entre ¼ et ½ épaisseur était inférieur à 10 .
Tableau 2. Propriétés mécaniques obtenues pour les différents alliages.
La figure 2 présente le compromis entre la limite d'élasticité et le paramètre EA. L'alliage selon l'invention permet d'atteindre un compromis particulièrement avantageux.
Le produit filé en alliage A selon l'invention a subit un test de corrosion sous contrainte selon les normes ASTM G44 et ASTM G49 pour une tension de 450 MPa sur des éprouvettes prélevées dans le sens TL. Aucune rupture n'a été observée après 30 jours de test.
Exemple 2
i l Dans cet exemple, les alliages A et B présentés dans l'exemple 1 ont été filés sous forme d'un produit filé d'une forme différente et présentant des épaisseurs de rectangles élémentaires plus faibles, comprises entre 5 et 12 mm. Les formes brutes ont été homogénéisées 15h à 500 °C puis 20 à 25h à 510 °C, filées sous forme de produit filé en I avec une température initiale de déformation à chaud d'environ 460 °C. Les produits filés obtenus ont été mis en solution à une température d'environ 510 °C, trempés, tractionnés environ 3,5 % et revenus 30h à 155 °C.
Les propriétés mécaniques dans la direction longitudinale ont été mesurées sur des éprouvettes « pleine épaisseur », prélevées dans les différents rectangles élémentaires du produit filé (épaisseurs 5, 7 et 12 mm) et moyennées pour les différents profilés obtenus. La mesure « pleine épaisseur » sous estime la valeur réelle mesurée à mi-épaisseur sur des éprouvettes usinées, à cause de l'effet de la microstructure différente proche de la surface. Un facteur de correction a été introduit pour tenir compte de ce biais, cependant le facteur a été choisi de telle façon que la valeur réelle sur éprouvette usinée serait sans doute supérieure à la valeur corrigée indiquée. Les propriétés mécaniques dans la direction transverse ont été mesurées sur des éprouvettes usinées prélevées dans la zone de plus faible épaisseur, seule zone possible pour ce type de mesure en raison de la longueur des éprouvettes nécessaire pour cette mesure. Les propriétés de ténacité ont été mesurées sur des éprouvettes prélevées dans la zone de plus forte épaisseur.
La structure des produit filés obtenus était essentiellement non-recristallisée. Le taux de structure granulaire recristallisée entre ¼ et ½ épaisseur était inférieur à 10 %.
Les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont présentées dans le Tableau 3.
Tableau 3. Propriétés mécaniques obtenues pour les différents alliages.
EA I 14540 I 13840 |
* facteur de correction 1,033 appliqué au résultat obtenu sur éprouvette pleine épaisseur
A nouveau, le produit filé selon l'invention atteint un compromis plus favorable que le produit filé de référence entre la résistance mécanique et le paramètre EA.

Claims

Revendications
1. Produit filé en alliage à base d'aluminium comprenant
4,2 à 4,8 % en poids de Cu,
0,9 à 1, 1 % en poids de Li,
0,15 à 0,25% en poids de Ag,
0,2 à 0,6 % en poids de Mg,
0,07 à 0, 15 % en poids de Zr,
0,2 à 0,6 % en poids de Mn,
0,01 à 0,15 % en poids de Ti,
une quantité de Zn inférieure à 0,2 % en poids, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total.
2. Produit filé selon la revendication 1, comprenant 4,3 % à 4,7 % en poids de Cu et de préférence 4,35 % à 4,55 % en poids de Cu.
3. Produit filé selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant 0,95 à 1,05 % en poids de Li.
4. Produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant 0,30 à 0,50 % en poids de Mg et/ou 0,10 à 0,13 % en poids de Zr.
5. Produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant 0,3 à 0,5 % en poids de Mn.
6. Produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant moins de 0, 15% de Zn et de préférence moins de 0, 1 % de Zn.
7. Produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il s'agit d'un profilé dont l'épaisseur d'au moins un rectangle élémentaire est comprise entre 1 mm et 30 mm, de préférence entre 2 à 20 mm et de manière préférée entre 5 et 16 mm.
8. Produit selon une quelconque des revendications 1 à 7 dont le taux de recristallisation entre ¼ et ½ épaisseur d'un rectangle élémentaire est inférieur à 30% et de préférence inférieur à 10%.
9. Produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 8 ayant à mi-épaisseur
pour une épaisseur comprise entre 5 et 16 mm
une limite d'élasticité moyenne Rp0,2 dans le sens L d'au moins 630 MPa et de préférence d'au moins 635 MPa et
une limite d'élasticité moyenne Rp0,2 dans le sens TL d'au moins 625 MPa et de préférence d'au moins 630 MPa et
un facteur EA
EA = (Rm(L) + RpO,2(L)) 12 * A%(L) + (Rm(TL) + RpO,2(TL)) 12 * A%(TL) au moins égal à 14000 et de préférence au moins égal à 14500
et/ou
pour une épaisseur comprise entre 17 et 30 mm
une limite d'élasticité moyenne Rpo,2 dans le sens L d'au moins 655 MPa et de préférence d'au moins 660 MPa et
une limite d'élasticité moyenne Rpo,2 dans le sens TL d'au moins 600 MPa et de préférence d'au moins 605 MPa et
un facteur EA
EA = (Rm(L) + RpO,2(L)) 12 * A%(L) + (Rm(TL) + RpO,2(TL)) 12 * A%(TL) au moins égal à 9500 et de préférence au moins égal à 9800.
10. Produit selon la revendication 9 ayant
pour une épaisseur comprise entre 5 et 16 mm une ténacité Kic(L-T), d'au moins 24
MPa Vm et de préférence d'au moins 25 MPa Vm et
pour une épaisseur comprise entre 17 et 30 mm une ténacité Kic(L-T), d'au moins 21
MPa Vm et de préférence d'au moins 22 MPa m .
11. Procédé de fabrication d'un produit filé selon une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel :
(a) on coule une forme brute en alliage selon une des revendications 1 à 6,
(b) on homogénéise ladite forme brute à une température de 490°C à 520 °C pendant 8 à 48 heures,
(c) on déforme à chaud par filage ladite forme brute avec une température initiale de déformation à chaud de 420 °C à 480 °C pour obtenir un produit filé,
(d) on met en solution ledit produit filé à une température de 500 °C à 520 °C pendant 15 minutes à 8 heures,
(e) on trempe,
(f) on tractionne de façon contrôlée ledit produit filé avec une déformation permanente de 2 à 4%,
(g) optionnellement on effectue un dressage dudit produit filé,
(h) on réalise un revenu dudit produit filé par chauffage à une température de 100 °C à 170°C pendant 5 à 100 heures.
Utilisation d'un produit selon une quelconque des revendications 1 à 10 pour la construction aéronautique comme raidisseur ou lisse de fuselage, cadre de fuselage, raidisseur de voilure, profilé ou poutre de plancher ou rail de siège.
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