FR2561260A1 - Alliages al-cu-li-mg a tres haute resistance mecanique specifique - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION EST RELATIVE A DES ALLIAGES A BASE D'AL CONTENANT ESSENTIELLEMENT DU CU, DU LI ET DU MG, POSSEDANT UNE TRES HAUTE RESISTANCE MECANIQUE SPECIFIQUE ET UTILISABLES, EN PARTICULIER, POUR L'OBTENTION DE PIECES TRAITEES THERMIQUEMENT DE FORME COMPLEXE. LES ANALYSES SONT LES SUIVANTES (EN POIDS ):CU : 2,4 A 4 ; LI : 1,9 A 2,7; MG : DE 0 A 0,8 ET JUSQU'A:0,20 FE; 0,10 SI; 1 MN; 0,30 CR; 0,2 ZR; 0,1 I; 0,02 BEAVEC, DE PREFERENCE, LA LIMITATION SUIVANTE:4,8 CU LI MG2 6,0. CES ALLIAGES POSSEDENT A L'ETAT TRAITE UNE TRES HAUTE RESISTANCE MECANIQUE SPECIFIQUE (DURETE VICKERSDENSITE 70), MEME EN L'ABSENCE DE DEFORMATION PLASTIQUE ENTRE TREMPE ET REVENU, CE QUI JUSTIFIE LEUR EMPLOI, ENTRE AUTRES, POUR DES PIECES DE FORME COMPLEXE TELLES QUE DES PIECES MOULEES OU MATRICEES.
Description
ALLIAGES Al-Cu-Li-Mg A TRES HAUTE RESISTANCE MECANIQUE SPECIFIQUE 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 den-
sité (de 3 % par pour cent pondéral de lithium) et augmente le module d'é-
lasticité et la résistance mécanique des alliages d'aluminium. Ceci expli-
que l'intérêt des concepteurs pour ces alliages en vue d'applications dans
l'industrie aéronautique qui requièrent des alliages dotés d'une résis-
tance 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 (allongements à la
rupture) et une ténacité acceptable.
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 ré-
sistance 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 A1 - 4,5 % Cu - 1,2 % Li - 0,2 % Cd - 0,5 % Mn, et de l'alliage
soviétique VAD 93, de composition nominale A1 - 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 per-
mettre un allègement significatif des pièces de structure aéronautiques, compte tenu de la densité relativement peu diminuée de ces alliages par
rapport à celle des alliages conventionnels sans lithium.
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Plus récemment, des métallurgistes ont proposé un nouvel alliage expéri-
mental de composition nominale Al - 3 % Li - 2 % Cu - 2 % Zr (à haute résistance, faible densité et faible ductilité), ainsi que de nouveaux
alliages du système Aluminium-Lithium-Cuivre-Magnésium à moyenne résis-
tance, faible densité et ductilité améliorée. Il s'agit en particulier de l'alliage de composition moyenne A1 - 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 of State 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 résistance mécanique équivalents à celui des alliages d'aluminium conventionnels actuellement les plus résistants (7075-T 6, 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 sur 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 A1-Li-Cu, Al-Li-Mg et
Al-Li-Cu-Mlg à l'état T 651, et dont la gamme de fabrication doit obliga-
toirement comporter une traction contrôlée de 2 à 4 % entre trempe et
revenu de façon à permettre a ces alliages d'obtenir leurs meilleurs ni-
veaux de caractéristiques mécaniques.
Cette particularité des a lliages au lithium connus constitue évidemment une importante restriction pour l'utilisation d'alliages d'aluminium au lithium à haute résistance mécanique spécifique dans la fabrication de
pièces de géométrie complexe, telles que les pièces matricées ou les pro-
duits moulés, auxquelles ii 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 configurations, de très hautes caractéristiques mécaniques à l'état T 6 (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 pro-
duits 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-Li-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 sui-
vantes: Cu de 2,4 à 4 % (de préférence de 2,5 à 3,1 %) Li de 1,9 à 2,7 % (de préférence de 2 à 2,5 %) Mg de 0 à 0,8 % (de préférence de 0 à 0,5 %) 22 Fe X 0,20 % (de préférence 4 0,10 %) Si 4 0,10 % (de préférence 4 0,06 %) Cr de 0 à 0,30 % Zr de 0 à 0,20 % Ti de 0 à 0,10 % 2- yMn de 0 à 1 % Be de 0 à 0,02 % Autres (impuretés) Chacun 4 0,05 % Total 4 0,15 % -* Reste Al Il a été montré que ces alliages possèdent les caractéristiques optimales lorsque la relation: 4,8 % Cu + % Li + % Mg 4 6,0 est vérifiée, et de préférence: ,0 4 % Cu + % Li + % Mg < 5,8 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 cou-
lés et de mise en solution des produits transformés comportant au moins un palier à une température EH comprise entre 520 et 5450 C pendant une H
durée suffisante, soit pour dissoudre complètement les composés intermétal-
liques des phases riches en Cu et Li et soit pour obtenir une taille infé-
rieure à 5 pm. Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéi-
sation à température OH étaient de 0,5 à 8 heures pour les alliages éla-
borés 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'homogénéi-
sation ou de la mise en solution un ou deux paliers intermédiaires-de quelques heures à 500 C, 515 C ou 5280 C environ, de façon à éviter la
fusion commençante de l'alliage lors de son maintien à la température 0H.
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 2200 C tde préférence entre 19- et 200 C), et qu'il était préférable de faire
subir aux produits de forFe adéquate (tôles, barres, largets) un écrouis-
sage donnant lieu à une déformation plastique de 1,5 à 5 % (préférentiel-
lement 2 à 4 %) entre treipe 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 T6(51) une résistance mécanique équivalente à celle des allia-
ges 7075 ou 7010 T6(51), et à l'état T 351 une résistance mécanique équi-
valente à celle de l'alliage 2024 T 351. Ces niveaux élevés de limite
élastique et de charge de rupture (équivalents à ceux des meilleurs allia-
ges 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 spéci-
fique 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'in-
vention et hors de l'invention à des alliages connus.
EXEMPLES
Des lingotins dont l'analyse est reportée au tableau Ia ont été élaborés à partir d'aluminium raffiné (Al 99,99 %), affinés par addition de 0,15 % d'AT5B, 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 trermpés à l'eau à 20 C. Ils ont subi une matura-
:ion d'au mcins 5 jours et des traitements de 24 heures à des températures de 150, 170, 190 et 210 C. Le tableau Ib donne les t- raitements thermiques et les duretés Vickers moyennes apres 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 possè-
dent un compromis résistance mécanique/densité supérieur à celui de tous
les autres alliages connus, dans pratiquement tout le domaine des tempé-
ratures de revenu et même dans le domaine des sous-revenus qui sont les
plus aptes à conduire au meilleur compromis résistance mécaniqueductilité.
Les très hauts niveaux de dureté spécifiques obtenus après trempe et revenu (sans écrouissage 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.
TABLEAU Ia - Compositions chimiques Coulée Type Composition pondérale (%) repère Cu Li Mg Zr
1 2020 4,35 1,35 - 0,11
2 VAD 93 5,05 1,30 - 0,10
3 LIN et STARKE 2,20 2,80 - 0,12
4 F92 (DTDXXXA) 1,5 2,35 0,80 0,15
Hors invention 3,1 1,9 1,2 0,12 6 Selon l'invention 3,05 2,55 0,10 0,12 7 Selon l'invention 3,45 2,05 0,48 0,12 8 Selon l'invention 2,95 2,4 0,26 0, 13 TABLEAU Ib - Traitements thermiques, duretés Vickers et duretés spécifiques iC é'i J Dureté Vickers (kg/mm2) Rapport
I Cue Homogénéisation Dureté max.
repere, Revenu 24 heures Deté I i 1150 C 1170 C 1900 C 210 C * 2 h500I C 1 + 28h 520 C 129 162 149 57,8
128 14 520,8
i i i2 h500 C 2 + 4 h 520 C 134 i 165 163 151 60,4 2 + 43 h 52000 C * l 8 h 530 C i3 + 4 8 h545 C 123 140 166 162 65,3 4 24 h 532 C i 138 i 141 160 149 62,7 48 h 530 C 148 174 148 122 66,3 4 h 51500 C 6 72 h 540 C I 156 169 185 173 71,5 i +72 h 5400 C i j 8 h 500 C 7 + 16h 5150 C 176 190 170 I 142 72,3 * + 48 h 528 C
1
48 h 5280 C 8 + 48 h 5420 C 175 188 172 154 [ 72,6 + 48 h 40
Claims (7)
1 / Alliage à base d'Al à très haute résistance mécanique spécifique con-
tenant 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 S 0,05 % Total S 0,15 % Reste A1 2 / Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de
2,5 à 3,1 % de Cu.
3-,' Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient
ce 2 à 2,5 t de Li.
4'/ Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il
contient de 3 à 0,5 % de Mg.
'/ Alliage selon l'une -es revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
4,8 < % Cu - % Li + %-Mg < 6,0 6 / Alliage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ,0 f % Cu + % Li + % Mg 5,8
7 / Alliage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il
contient 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 / Procédé de fabrication d'objets à partir des alliages revendiqués
dans l'une des revendications 1 à 8, comprenant au moins une élaboration,
une homogénéisation, une transformation à chaud, une transformation à froid éventuelle, une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé en ce que l'homogénéisation et/ou la mise en solution sont effectuées entre 520 et 545 C. / Procédé selon la revendication 9, 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 pm, limites incluses.
11 / Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, 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.
12 / Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, 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.
13 / Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que
le produit subit une déformation plastique de 1,5 à 5 % entre trempe et
revenu.
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