FR3147815A1 - Produit épais en alliages aluminium cuivre lithium avec une ténacité améliorée et procédé d’obtention - Google Patents
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Abstract
Produit laminé présentant un compromis Rp0.2 (L) – K1c (L-T) amélioré dont l’épaisseur est comprise de 25 mm à 50 mm en alliage d’aluminium de composition en poids, Cu 2.2-3.9 - Li 0.7-1.2 -Mg 0.1-0.8 -Mn 0.1-0.6 - Zr 0.07-0.15 - Ti 0.01-0.15 - Fe <0.1 - Si <0.1% - Ag ≤ 0.40 - Zn ≤ 0.70, Autres éléments <0.05 chacun et <0.15 au total, reste aluminium, tel qu’il présente à mi-épaisseur, une fraction volumique des grains ayant une texture laiton est inférieure à 21 %. Ce produit est obtenu par un procédé comprenant une étape de coulée, homogénéisation, laminage à chaud, mise en solution trempe, revenu tel que durant l’étape de laminage à chaud la température de sortie soit comprise de 395 à 445°C. Figure d’abrégé : 1
Description
L’invention concerne les produits épais en alliages aluminium-cuivre-lithium, plus particulièrement, de tels produits d’épaisseur comprise entre 25 mm et 50 mm, leurs procédés de fabrication et d’utilisation, destinés en particulier à la construction aéronautique et spatiale.
La plupart des applications structurelles dans l'industrie aéronautique nécessitent un niveau élevé de résistance, ainsi qu'un niveau élevé de ténacité. On recherche ainsi des produits présentant le meilleur compromis statique-ténacité.
Les produits destinés aux structures d’aile d’avion sont majoritairement issus de tôles épaisses selon la définition donnée dans EN 12258-1. Pour les produits destinés aux structures d’aile d’avion, il est avantageux de s’intéresser au compromis limite d’élasticité dans le sens longitudinal (Rp0.2(L)) et ténacité dans le sens L-T (K1c(L-T)). C’est le cas notamment des revêtements de voilure, des panneaux de caisson central ou des longerons. Dans ce cas où la sollicitation principale est selon la plus grande dimension de la tôle, les propriétés de traction dans le sens L (direction de laminage) sont de première importance, ainsi que la ténacité dans le sens L-T, cette dénomination signifiant que la contrainte est appliquée dans le sens L et la fissure se propage dans le sens T (travers long).
Les alliages d’aluminium lithium sont considérés dans le design métallique des éléments de structure d’avion., et en particulier des structures d’ailes d’avions car ils offrent un excellent compromis entre densité, caractéristiques mécaniques, ténacité, fatigue et tenue en corrosion.
Parmi les alliages à base d'aluminium-lithium, les alliages aluminium cuivre lithium sont bien connus dans l'art antérieur pour leurs propriétés intéressantes. Spécifiquement, 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, Sc, V, présentant notamment une ténacité K1C(L-T)>37,4 MPa.√m pour une limite d’élasticité Rp0,2(L) > 448,2 MPa (produits d’épaisseur supérieure à 76,2 mm) et notamment une ténacité K1C(L)>38,5 MPa√m pour une limite d’élasticité Rp0,2(L) > 489,5 MPa (produits d’épaisseur inférieure à 76,2 mm).
EP2235224 divulgue un produit laminé essentiellement non recristallisé obtenu à partir d'une tôle d'une épaisseur d’au moins 30 mm, comprenant : 2,2 à 3,9 % en poids de Cu, 0,7 à 2,1 % en poids de Li ; 0,2 à 0,8 % en poids de Mg ; 0,2 à 0,5 % en poids de Mn ; 0,04 à 0,18 % en poids de Zr ; moins de 0,05 % en poids de Zn et, éventuellement, 0,1 à 0,5 % en poids d'Ag, le reste étant de l'aluminium et des impuretés inévitables, présentant une faible propension à la bifurcation des fissures lors d'un essai de fatigue selon la direction L-S. Le produit selon EP2235224 présente un angle de déviation de fissure T d'au moins 20° sous un facteur d'intensité de contrainte équivalent Keff max10 MPa.√m pour une éprouvette fissurée S-L soumise à une contrainte en mode mixte I et II, dans laquelle l'angle Ψ entre un plan perpendiculaire à la direction de la fissure et la direction de la contrainte est de 75°.
EP3384061 divulgue un produit laminé et/ou forgé en alliage à base d’aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 3,2 – 4,0 ; Li : 0,80 – 0,95 ; Zn : 0,45 – 0,70 ; Mg : 0,15 – 0,7 ; Zr : 0,07 – 0,15 ; Mn : 0,1 – 0,6 ; Ag : < 0,15 ; Fe + Si ≤ 0,20 ; au moins un élément parmi Ti : 0,01 – 0,15 ; Sc : 0,02 – 0,1 ; Cr : 0,02 – 0,1 ; Hf : 0,02 – 0, 5 ; V : 0,02 – 0,1 autres éléments ≤ 0,05 chacun et ≤ 0,15 au total, reste aluminium. Les produits selon EP3384061 sont obtenus à partir d’un procédé dans lequel on élabore un bain de métal liquide à base d’aluminium en alliage selon l’invention, on coule une forme brute à partir dudit bain de métal liquide ; on homogénéise ladite forme brute à une température comprise entre 450°C et 550°; on déforme à chaud et optionnellement à froid ladite forme brute préférentiellement jusqu’à une épaisseur d’au moins 15 mm : on met en solution entre 490 et 530 °C pendant 15 min à 8 h et on trempe ledit produit ; on tractionne de façon contrôlée ledit produit avec une déformation permanente de 1 à 7 % et on réalise un revenu dudit produit. Le produit est avantageux pour la fabrication d’élément de structure d’avion.
EP2675933 divulgue des produits corroyés en alliage d'aluminium lithium d’une épaisseur d'au moins 12,7 mm et contenant de 3,00 à 3,80 % en poids de Cu, de 0,05 à 0,35 % en poids de Mg, de 0,975 à 1,385 % en poids de Li, où -0,3*Mg-0,15Cu +1,65 = Li = -0,3*Mg-0,15Cu +1,85, de 0,05 à 0,50 % en poids d'au moins un élément servant à contrôler la structure du grain choisi dans le groupe constitué de Zr, Sc, Cr, V, Hf, d'autres éléments de terres rares, et des combinaisons de ceux-ci, jusqu'à 1,0 % en poids de Zn, jusqu'à 1,0 % en poids de Mn, jusqu'à 0,12 % en poids de Si, jusqu'à 0,15 % en poids de Fe, jusqu'à 0,15 % en poids de Ti, jusqu'à 0,10 % en poids de tout autre élément, le total de ces autres éléments ne dépassant pas 0,35 % en poids, le reste étant de l'aluminium.
Il existe un besoin pour des tôles d’épaisseur supérieure à 25 mm d’alliage aluminium cuivre lithium présentant un compromis amélioré Rp0.2(L))- K1c(L-T) par rapport aux produits existants tout en conservant des propriétés de stabilité thermique, de résistance à la corrosion et d’endurance à la fatigue.
L’objet du brevet porte sur un procédé de fabrication d’un produit laminé dans lequel on coule une plaque en alliage d’aluminium de composition en % en poids, Cu 2.2-3.9 ; Li 0.7-1.2 ; Mg 0.1-0.8 ; Mn 0.1-0.6 ; Zr 0.07-0.15 ; Ti 0.01-0.15 ; Fe <0.1 ; Si <0.1% ; Ag ≤0.40 ; Zn ≤0.70 ; autres éléments <0.05 chacun et <0.15 au total, reste aluminium.
De préférence, la teneur en Zn est comprise de 0.05 à 0.25 % en poids et la teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids.
Dans un autre mode préféré, la teneur en Zn est comprise de 0.45 à 0.70 % en poids et la teneur en Ag est inférieure ou égale 0.15 % en poids.
On homogénéise ensuite ladite plaque coulée à une température comprise de 510°C à 540°C pendant 5 à 50 heures. De préférence, la température d’homogénéisation est comprise de 515°C à 540 °C.
On déforme à chaud par laminage ladite plaque homogénéisée, de façon à obtenir un produit laminé, de telle sorte que la température finale de déformation à chaud est comprise de 395°C à 445°C pour obtenir un produit laminé dont l’épaisseur est comprise de 25 mm à 50 mm. De préférence, l’épaisseur finale du produit est comprise de 30 mm à 40 mm. De préférence, la température de sortie de laminage est comprise de 410 °C à 445°C.
On met en solution ledit produit laminé ayant une épaisseur comprise de 25 mm à 50 mm, à une température comprise de 490°C à 530°C pendant 15 minutes à 8 heures. On trempe avec de l’eau ledit produit mis en solution. De préférence, l’eau de trempe est à température ambiante. On tractionne ensuite de façon contrôlée ledit produit trempé avec une déformation permanente de 1 à 6%. On réalise ensuite un revenu dudit produit par chauffage à une température comprise de 120°C à 170°C pendant 5 à 100 heures.
L’invention porte également sur un produit laminé dont l’épaisseur est comprise de 25 mm à 50 mm, de préférence de 30 mm à 40 mm, en alliage d’aluminium de composition en % poids, , Cu 2.2-3.9 ; Li 0.7-1.2 ; Mg 0.1-0.8 ; Mn 0.1-0.6 ; Zr 0.07-0.15 ; Ti 0.01-0.15 ; Fe <0.1 ; Si <0.1% ; Ag ≤0.40 ; Zn ≤0.70 ; autres éléments <0.05 chacun et <0.15 au total, reste aluminium et tel qu’à mi-épaisseur, la fraction volumique des grains ayant une texture laiton est inférieure à 21 %, préférentiellement inférieure à 20%, encore plus préférentiellement inférieure à 19%. .
De préférence, le produit laminé à mi-épaisseur est tel que à mi-épaisseur la somme des fractions volumiques des grains ayant une texture cuivre, laiton et S, est inférieure ou égale à 60 %, préférentiellement inférieure ou égale à 55%.
De manière préféré, la composition du produit comprend une teneur en Zn comprise de 0.05 à 0.25 % en poids et une teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids.
Dans un autre mode préféré, la composition du produit comprend une teneur en Zn comprise de 0.45 à 0.70 % en poids et une teneur en Ag est comprise de 0.05 à 0.15 % en poids.
Préférentiellement le produit laminé présente une limite d’élasticité à mi épaisseur dans le sens long Rp0.2(L) au moins égale à 505 MPa et une ténacité K1c(L-T) d’au moins de 45.5 MPa.√m.
La représente montre l’évolution du facteur d’intensité de contrainte K1c(T-L) en fonction de la température finale de laminage à chaud des produits de l’exemple 1.
La montre le compromis limite d’élasticité Rp0.2-sens L – facteur d’intensité de contrainte K1c(L-T) (L-T) des produits de l’exemple 1.
La représente montre l’évolution du facteur d’intensité de contrainte K1c(L-T) en fonction de la température finale de laminage à chaud des produits de l’exemple 2.
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. 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 de 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.
Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d’autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d’élasticité en traction Rp0,2et l’allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1 ou NF EN ISO 6892-1, l'emplacement auquel les pièces sont prises et leur sens étant définis par la norme EN 485-1.
Le facteur d’intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E 399. Ainsi, la proportion des éprouvettes définie au paragraphe 7.2.1 de cette norme est toujours vérifiée de même que la procédure générale définie au paragraphe 8. La norme ASTM E 399 donne aux paragraphes 9.1.3 et 9.1.4 des critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de K1C. Ainsi, une valeur K1Cest toujours une valeur KQ la réciproque n’étant pas vraie.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent.
La texture cristallographique peut être décrite par une fonction mathématique en 3 dimensions. Cette fonction est connue dans le métier comme Fonction de Densité des Orientations (FDO). Elle est définie comme la fraction volumique du matériau dV/V ayant une orientation g à dg près :
où (φ1, Φ, φ2) sont les angles d’Euler décrivant l’orientation g.
La texture cristallographique peut être décrite par une fonction mathématique en 3 dimensions. Cette fonction est connue dans le métier comme Fonction de Densité des Orientations (FDO). Elle est définie comme la fraction volumique du matériau dV/V ayant une orientation g à dg près :
où (φ1, Φ, φ2) sont les angles d’Euler décrivant l’orientation g.
Les présents inventeurs ont calculé la FDO de chaque tôle par la méthode des harmoniques sphériques à partir de quatre figures de pôles mesurés par diffraction de rayons X sur un goniomètre de textures traditionnel. Dans le cadre de l’invention les mesures des figures de pôles ont été réalisées sur des échantillons découpés à la mi- épaisseur des tôles. De même, dans le but d’obtenir des mesures statistiquement représentatives, la taille des échantillons a été adaptée à la taille de grain. De manière préférée, la taille des échantillons est choisie de telle sorte à pouvoir analyser au moins 3000 grains, préférentiellement 5000.
Il est possible de simplifier l’information contenue dans la FDO. Ceci est fait couramment dans le métier afin de décrire des aspects choisis de la distribution des orientations dans le matériau. Un exemple de cette pratique est le calcul de la fraction volumique de cristallites qui possèdent une orientation spécifique. Pour ce faire, on définit de façon arbitraire l’orientation de référence ainsi qu’un angle de désorientation maximale autour de cette orientation. On intègre ensuite la FDO dans le domaine ainsi défini, ce qui permet de déduire le volume relatif d’orientations contenues dans ce domaine par rapport au volume total.
Les présents inventeurs ont utilisé une tolérance de 15° autour des orientations « cuivre », « laiton », « S » dans le but de décrire la texture obtenue. Les orientations cristallographiques « cuivre », « laiton », « S » sont connues de l’homme du métier et décrites par exemple dans le document de référence de U. F. Kocks, C. N. Tomé, et H.-R. Wenk, « Texture and anisotropy: preferred orientations in polycrystals and their effect on materials properties ». Cambridge University Press, 2000.
Les orientations « cuivre », « laiton », « S » sont reproduites dans le tableau ci-dessous.
| Nom | Indices | Bunge (φ1,Φ, φ2) | Kocks (Ψ,Θ,ϕ) |
| Cuivre | {112}<11 | 90,35,45 | 0,35,45 |
| Laiton | {110}< | 35,45,0 | 55,45,0 |
| S | {123}<63 | 59,37,63 | 149,37,27 |
Les inventeurs ont constaté qu’il est possible d’améliorer le compromis Rp0.2(L) - K1c(L-T), sur des produits laminés d’épaisseur comprise de 25 mm à 50 mm, de préférence au moins 30 mm, et au plus 45 mm ou 40 mm si on maintient une texture à mi- épaisseur telle que la fraction volumique des grains ayant une texture laiton est inférieure à 21 %, préférentiellement inférieure à 20%, ou 19%. De manière préférée, il est possible d’améliorer le compromis Rp0.2(L) - K1c(L-T), sur des produits laminés d’épaisseur comprise de 25 mm à 50 mm, si la somme des fractions volumiques des grains ayant une texture de compression, c’est-à-dire la somme des fractions volumiques des grains de texture cuivre, laiton, et S, est inférieure ou égale à 60 %, de préférence inférieure ou égale à 55%.
De manière préférée, les produits laminés d’épaisseur comprise de 25 mm à 50 mm, de préférence au moins 30 mm, et au plus 40 mm ou 45 mm selon l’invention présentent une limite d’élasticité à mi épaisseur dans le sens long Rp0.2(L) d’au moins 505 MPa et une ténacité K1c(L-T) d’au moins 45.5 MPa.√m.
De manière préférée, les produits laminés pour lesquelles la composition est telle que la teneur en Zn est inférieure ou égale à 0.25 % en poids, de préférence comprise de 0.05% à 0.25% et la teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids ont une limite d’élasticité dans le sens long Rp0.2(L) d’au moins 510 MPa et une et une ténacité K1c(L-T) d’au moins 46 MPa.√m.
Les produits laminés selon l’invention sont obtenus par un procédé comprenant les étapes de coulée, homogénéisation, laminage à chaud, mise en solution, détensionnement, revenu.
On coule une plaque en alliage d’aluminium selon l’invention.
L’alliage d’aluminium selon l’invention comprend en % en poids Cu 2-3.9, Li 0.7-1.2, Mg 0.1-0.8, Mn 0.1-0.6, Zr 0.07-0.15, Ti 0.01-0.15, Fe <0.1, Si <0.1%, Ag ≤0.40, Zn ≤0.70, autres impuretés <0.05, total 0.15, reste aluminium.
La teneur en cuivre est comprise de 2% à 3.9% en poids. Dans une réalisation avantageuse, la teneur en cuivre est au moins de 2.1%,2.2%, 2.3%, 2.4%, 2.5%, 2.6%, 2.7%, 2.8%, 2.9%, 3.0%, 3.1%, 3.2%, 3.3%. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en cuivre est au plus de 3.8%, 3.7%. Toute combinaison des valeurs en Cu précédemment décrites constituent une réalisation avantageuse de l’invention.
La teneur en lithium est comprise de 0.7% à 1.2% en poids. Dans une réalisation avantageuse, la teneur en lithium est au moins de 0.80%, 0.85%, 0.90%. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en lithium est au plus de 1.15%, 1.10%, 1.05%, 1.0%. Toute combinaison des valeurs en Li précédemment décrites constituent une réalisation avantageuse de l’invention.
La teneur en magnésium est comprise de 0.1 à 0.8% en poids. Dans une réalisation avantageuse, la teneur en magnésium est au moins de 0.2%, 0.3%, 0.35%, 0.40%. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en magnésium est au plus de 0.6%, 0.5%. Toute combinaison des valeurs en Mg précédemment décrites constituent une réalisation avantageuse de l’invention.
La teneur en argent est inférieure ou égale à 0.40% en poids. Dans une réalisation avantageuse, la teneur en argent est au moins de 0.05%, 0.10%, 0.15%, 0.20%. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en argent est au plus de 0.35%, 0.30%, 0.25%, 0.20%, 0.15%. Toute combinaison des valeurs en Mg précédemment décrites constituent une réalisation avantageuse de l’invention.
La teneur en zinc est inférieure ou égale à 0.70% en poids. Dans une réalisation avantageuse, la teneur en zinc est au moins de 0.05%,0.10%, 0.15%, 0.20%, 0.25%, 0.30%, 0.35%, 0.40%, 0.45%, 0.50%. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en zinc est au plus de 0.65%, 0.60%, 0.55%, 0.50%, 0.45%, 0.40%, 0.35%, 0.30%, 0.25%, 0.20%, 0.15%.
De manière avantageuse, la teneur en Zn est inférieure ou égale à 0.25 % en poids, de préférence comprise de 0.05% à 0.25% et la teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids. Dans une autre réalisation avantageuse, la teneur en Zn est comprise de 0.45% à 0.70% en poids et la teneur en Ag est inférieure ou égale à 0.15%, de préférence comprise de 0.05% à 0.15% en poids.
La teneur en zirconium est comprise entre 0,07 et 0,15 % et de préférence entre 0,09 et 0,12%.
La teneur en manganèse est comprise entre 0,1 et 0,6 % en poids. Avantageusement la teneur en manganèse est comprise entre 0,2 et 0,4 % afin d’améliorer la ténacité sans compromettre la résistance mécanique. En l’absence d’addition de manganèse, le compromis recherché n’est pas atteint.
La teneur en titane est comprise de 0,01 à 0,15 % en poids. De manière préférée, on choisit entre 0,02 et 0,10 % en poids de titane.
Il est préférable de limiter la teneur des impuretés de l’alliage. Ces éléments comprennent le fer et le silicium et toutes autres impuretés inévitables. La teneur en fer et de la teneur en silicium est au plus de 0,1 % en poids chacun. De préférence, les teneurs en fer et en silicium sont chacune au plus de 0,08 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de l’invention, les teneurs en fer et en silicium sont au plus de 0,06 % et 0,04 % en poids, respectivement. Les autres impuretés ont une teneur inférieure à 0.05% en poids chacune et 0.15% en poids au total. Le reste correspond à l’aluminium.
La plaque coulée est ensuite homogénéisée. La température d’homogénéisation est de préférence comprise de 510°C à 540°C pendant 5 à 50 heures. De manière préférée, la température est au moins de 515°C. De manière préférée, la température est au plus de 530°C, ou de 525°C. Dans un autre mode de réalisation préféré, l’homogénéisation est réalisée en deux paliers, avec au moins un des deux paliers à une température comprise de 510°C à 540°C ou de 510°C à 525°C ou de 515°C à 525°C.
Après homogénéisation, la plaque est usuellement refroidie à température ambiante avant d’être réchauffée afin d’être laminée à chaud. Le réchauffage a pour objectif de permettre la déformation à chaud du produit. Il est toutefois possible de ne pas réaliser ce réchauffage si on peut laminer la plaque homogénéisée sans qu’elle soit refroidie. De manière préférée, la température initiale de laminage à chaud est comprise de 420°C à 520°C, de façon préférée, la température initiale de laminage est au plus de 510°C, 500°C, ou 490°C.
La plaque est ensuite laminée à chaud de façon à obtenir un produit laminé d’épaisseur comprise de 25 mm à 50 mm, de préférence au moins 30 mm, et au plus 40 mm ou 45 mm.
Les inventeurs ont constaté qu’en contrôlant la température de fin de laminage de 395°C à 445°C pour cette gamme d’épaisseur finale de 25 à 50 mm, de préférence au moins 30 mm, et au plus 40 mm ou 45 mm il était possible d’augmenter la ténacité K1c (L-T), aussi appelé facteur d’intensité de contrainte critique et d’améliorer le compromis entre la limite d’élasticité à mi épaisseur dans le sens long Rp0.2(L) et la ténacité K1c(L-T).
La température de fin de laminage est comprise de 395°C à 445°C. La température de fin de laminage est de préférence au moins de 400°C, ou 405°C ou 410°C ou 415°C ou 420°C ou 425°C ou 435°C. De préférence, la température de fin de laminage est au plus de 440°C. Il existe plusieurs moyens de contrôler la température finale de laminage. On peut par exemple agir sur la vitesse de laminage ou le taux de réduction par passe, ou l’attente entre passes ou les moyens de refroidissement/réchauffage tels que la température des rouleaux de travail du laminoir ou la quantité d’émulsion apportée, voire par un arrosage. La mesure de la température de laminage peut être faite par des pyromètres à infrarouge.Il est aussi possible d’utiliser un modèle de laminage. Les forces et couples de laminage sont reliées à la température du produit laminé, si bien qu’en connaissant les déformations et vitesses de déformation imposées au cours d’une passe de laminage, les efforts mesurés sur le laminoir permettent de déduire la température du métal, moyennant un modèle implémenté dans le logiciel de pilotage du laminoir.
Le produit ainsi obtenu est ensuite mis en solution de préférence par traitement thermique de 490 à 530 °C pendant 15 min à 8 h, puis trempé typiquement avec de l’eau.
Les inventeurs ont constaté que le temps équivalent total pour l’homogénéisation et la mise en solution t(eq) peut dépasser 40h, préférentiellement 50h , où T (en Kelvin) est la température instantanée de traitement, qui évolue avec le temps t (en heures), et Tref est une température de référence fixée à 773 K. Le temps équivalent à 500°C (773K) est défini par la formule
dans laquelle T est la température instantanée exprimée en Kelvin qui évolue avec le temps t (en heures) et Trefest une température de référence de 500 °C (773 K). t(eq) est exprimé en heures. La constante Q/R = 26100 K est dérivée de l’énergie d’activation pour la diffusion du Mn, Q = 217000 J/mol.
Le produit mis en solution subit ensuite une traction contrôlée de 1 à 6 % et préférentiellement d’au moins 2%, ou 3%, typiquement d’environ 4%.
Un revenu est réalisé sur le produit tractionné à une température comprise de 120 à 170°C pendant 5 à 100 h préférentiellement de 140 à 160°C pendant 10 à 60 h.
Exemple 1
Cinq plaques en alliage Al-Cu-LI référencées A, B, C, D, E ont été coulées. Leur composition est donnée dans le Tableau 1
[Table 1] – Composition (% en poids) des différentes plaques.
| Reference | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | Li | Ag |
| A | 0,03 | 0,05 | 3,63 | 0,38 | 0,31 | 0,14 | 0,03 | 0,09 | 0,89 | 0,35 |
| B | 0,03 | 0,06 | 3,59 | 0,38 | 0,34 | 0,16 | 0,03 | 0,08 | 0,89 | 0,34 |
| C | 0,03 | 0,05 | 3,59 | 0,38 | 0,31 | 0,13 | 0,03 | 0,08 | 0,89 | 0,35 |
| D | 0,03 | 0,05 | 3,65 | 0,38 | 0,33 | 0,12 | 0,03 | 0,08 | 0,88 | 0,35 |
| E | 0,03 | 0,05 | 3,59 | 0,38 | 0,33 | 0,15 | 0,03 | 0,08 | 0,90 | 0,35 |
Les plaques ont été homogénéisées pendant 12h 508°C+15h30 518°C. Elles ont ensuite été laminées à chaud après avoir été réchauffées à une température de 525°C pendant une durée de 20h environ pour atteindre une épaisseur finale d’environ 31 mm. L’épaisseur initiale et finale de laminage, la température initiale et finale de laminage à chaud de chacune des tôles sont indiquées dans le Tableau 2.
[Table 2] – Conditions de laminage
| Ref. | Température initiale (°C) | Température Finale (°C) | Epaisseur initiale (mm) | Epaisseur finale (mm) | |
| A | Inv. | 490 | 419 | 362 | 31 |
| B | Inv. | 480 | 432 | 365 | 31 |
| C | Inv. | 488 | 441 | 363 | 31 |
| D | Ref. | 477 | 452 | 366 | 31 |
| E | Ref. | 499 | 492 | 366 | 31 |
Les tôles ainsi obtenues ont ensuite été mises en solution pendant 2h à 515°C et trempées avec de l’eau froide. Les tôles ainsi mises en solution et trempées ont été tractionnées de façon contrôlée, avec un allongement permanent de 3.75% et ont subi un revenu de 18 heures à 155°C. Les tôles épaisses A, B, C sont réalisées selon l’invention. Les tôles épaisses D et E correspondent à des exemples de référence.
Les tôles épaisses ont été testées mécaniquement de telle sorte à déterminer leurs propriétés mécaniques statiques dans le sens long de laminage (L) et leur facteur d’intensité de contrainte (K1C) dans le sens L-T selon la norme E 399 (voir Tableau 3).
[Table 3] – Propriétés mécaniques statiques et facteur d’intensité de contrainte (K1C) mesurés à mi-épaisseur (T/2)
| Rm L | Rp02 L | A% L | K1C L-T | ||
| MPa | MPa | MPa | MPa.√m | ||
| A | Inv. | 552 | 525 | 11,7 | 46,9 |
| B | Inv. | 550 | 524 | 11,1 | 46,2 |
| C | Inv. | 545 | 516 | 11,7 | 47,6 |
| D | Ref. | 555 | 524 | 11,1 | 44,7 |
| E | Ref. | 551 | 519 | 10,7 | 44,6 |
La montre l’évolution du facteur d’intensité de contrainte en fonction de la température finale de laminage à chaud. La montre le compromis limite d’élasticité (sens L) – facteur d’intensité de contrainte (sollicitation L-T), c’est-à-dire le compromis (Rp0.2 _L) – K1C (L-T). Ces essais montrent que le facteur d’intensité de contrainte K1C (L-T) augmente si la température de fin de laminage est comprise entre 395°C et 445°C, de préférence entre 410°C et 445°C. Cette augmentation du facteur d’intensité de contrainte est obtenue sans dégradation de la limite d’élasticité du produit. Les produits selon l’invention A, B, C présentent une limite d’élasticité supérieure à 505 MPa dans le sens long et une ténacité K1c(L-T) supérieure à 45.5 MPa.√m.
Exemple 2
Deux plaques constituées du même alliage H ont été coulées. La composition H est indiquée dans le tableau 4. Les plaques ont été homogénéisées en deux paliers de 12h 508°C puis 15h30 525°C. Elles ont ensuite été laminées à chaud après avoir été réchauffées à une température de 525°C pendant une durée de 20h environ pour atteindre une épaisseur finale d’environ 40 mm. La tôle épaisse H-1 a été laminée à chaud de telle sorte à atteindre une température finale de 480°C. La tôle H-2 a été laminée à chaud de telle sorte à atteindre une température finale de laminage de 403°C.
[Table 4] – Composition (% en poids) des différentes plaques.
| Reference | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | Li | Ag |
| H | 0,027 | 0,039 | 3,42 | 0,33 | 0,36 | 0,58 | 0,033 | 0,086 | 0,9 | 0,09 |
Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution pendant 2h à 515°C et trempées avec de l’eau froide. Les tôles ainsi mises en solution et trempées ont été tractionnées de façon contrôlée, avec un allongement permanent de 3.75% et ont subi un revenu de 18 heures à 155°C.
Les tôles épaisses ont été testées mécaniquement de telle sorte à déterminer leurs propriétés mécaniques statiques dans le sens long de laminage (L) et leur facteur d’intensité de contrainte (K1C) dans le sens L-T selon la norme E 399 (voir Tableau 5).
[Table 5] – Propriétés mécaniques statiques et facteur d’intensité de contrainte (K1C) mesurés à mi-épaisseur (T/2)
| Rm L | Rp02 L | A% L | K1C L-T | ||
| MPa | MPa | MPa | MPa.√m | ||
| H-1 | Ref. | 550 | 517 | 11,8 | 41,1 |
| H-2 | Inv. | 536 | 507 | 11,3 | 45,7 |
Ces essais montrent que le facteur d’intensité de contrainte K1C (L-T) augmente si la température de fin de laminage est comprise entre 395°C et 445°C ( ). Le produit selon l’invention H-2 présente une limite d’élasticité supérieure à 505 MPa dans le sens long et une ténacité K1c(L-T) supérieure à 45.5 MPa.√m.
Une mesure de texture par diffractométrie de rayons X a été réalisée sur les tôles H-1 et H-2 à mi-épaisseur. La surface analysée est d’environ 50 x 50 mm². La fraction volumique en % des orientations, laiton, cuivre et S, pour chacun des échantillons est donnée dans le tableau 6.
[Table 6] – Fraction volumique des composantes Cuivre, Laiton et S mesurée à mi-épaisseur
| Cuivre | Laiton | S | Somme (Cuivre+Laiton+S) | ||
| % | % | % | % | ||
| H-1 | Ref. | 9.9 | 22.7 | 33.5 | 66.1 |
| H-2 | Inv. | 7.4 | 17.7 | 26.1 | 51.2 |
On observe que le produit H-2 selon l’invention présente une texture laiton inférieure à 21%, précisément inférieure ou égale à 18%. La somme des textures cuivre, laiton et S est inférieure ou égale à 60%, précisément inférieure ou égale à 51%.
Claims (10)
- Procédé de fabrication d’un produit laminé dans lequel :
a) on coule une plaque en alliage d’aluminium de composition en % en poids,
Cu 2.2-3.9
Li 0.7-1.2
Mg 0.1-0.8
Mn 0.1-0.6
Zr 0.07-0.15
Ti 0.01-0.15
Fe <0.1
Si <0.1%
Ag ≤0.40
Zn ≤0.70
Autres éléments <0.05 chacun et <0.15 au total, reste aluminium,
b) on homogénéise ladite plaque à une température comprise de 510°C à 540°C pendant 5 à 50 heures,
c) on déforme à chaud par laminage ladite plaque homogénéisée de telle sorte que la température finale de déformation à chaud est comprise de 395°C à 445°C pour obtenir un produit laminé dont l’épaisseur est comprise de 25 mm à 50 mm,
d) on met en solution ledit produit à une température comprise de 490°C à 530°C pendant 15 minutes à 8 heures,
e) on trempe avec de l’eau,
f) on tractionne de façon contrôlée ledit produit avec une déformation permanente de 1 à 6%,
g) on réalise un revenu dudit produit par chauffage à une température comprise de 120°C à 170°C pendant 5 à 100 heures. - Procédé de fabrication d’un produit laminé selon la revendication 1 dans lequel la teneur en Zn est comprise de 0.05 à 0.25 % en poids et la teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids.
- Procédé de fabrication d’un produit laminé selon la revendication 1 dans lequel la teneur en Zn est comprise de 0.45 à 0.70 % en poids et la teneur en Ag est inférieure ou égale 0.15 % en poids.
- Procédé de fabrication d’un produit laminé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel lors de l’étape c) la température de sortie de laminage est comprise de 410 °C à 445°C.
- Procédé de fabrication d’un produit laminé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel lors de l’étape c) l’épaisseur finale du produit est comprise de 30 mm à 40 mm.
- Produit laminé dont l’épaisseur est comprise de 25 mm à 50 mm en alliage d’aluminium de composition en % en poids,
Cu 2.2-3.9
Li 0.7-1.2
Mg 0.1-0.8
Mn 0.1-0.6
Zr 0.07-0.15
Ti 0.01-0.15
Fe <0.1
Si <0.1%
Ag ≤ 0.40
Zn ≤ 0.70
Autres éléments <0.05 chacun et <0.15 au total, reste aluminium,
caractérisé en ce qu’à mi-épaisseur, la fraction volumique des grains ayant une texture laiton est inférieure à 21 %. - Produit laminé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu’à mi-épaisseur la somme des fractions volumiques des grains ayant une texture cuivre, laiton et S, est inférieure ou égale à 60 %.
- Produit laminé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que la teneur en Zn est comprise de 0.05 à 0.25 % en poids et la teneur en Ag est comprise de 0.20 à 0.40 % en poids.
- Produit laminé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que la teneur en Zn est comprise de 0.45 à 0.70 % en poids et la teneur en Ag est comprise de 0.05 à 0.15 % en poids.
- Produit laminé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que la limite d’élasticité à mi épaisseur dans le sens long Rp0.2(L) est au moins égale à 505 MPa et en ce que la ténacité K1c (L-T) est au moins de 45.5 MPa.√m.
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