Brevet FR2314260A1 — publié le 19770107

La présente invention qui résulte des travaux de Messieurs Surendar Kumar MARYA et Gérard WYON concerne de nouveaux alliages bbse d'alu- minium superplastiques. Plus particikiierement, elle concerne des alliages a base d'aluminium susceptibles de subir sans fissuration ou rupture des taux de déformation au voisinage de la température ambiante pouvant atteindre et même dépasser 200 % moyennant de faibles taux de contrainte. L'invention concerne aussi des alliages a base d'aluminium traités thermiquement a partir d'un état superplastique, ce traitement ayant pour effet de faire cesser cet état et d'obtenir un accroissement considérable des caractéristiques mécaniques.Enfin, l'invention concerne un nouveau procédé de formage d'alliages a -base d'aluminium qui consiste dans un premier stade a les rendre superplastiques a température voisine de l'am- biante, tout en abaissant a une valeur faible leur résistance a la déformation Dans cet état, les alliages sont mis en forme, sans élévation importante de la température par tout procédé connu de travail sans enlevement de matiere tel que laminage, filage, étirage, emboutissage etc..Dans un deuxieme stade, les alliages ainsi formés subissent un traitement thermique qui fait disparaître la superplasticité et permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques tout a fait comparables a celles des alliages d'aluminium classiques et susceptibles de varier dans de larges limites en fonction des additions que ces alliages contiennent par ailleurs. La superplasticité est une propriété, aujourd'hui bien connuedes métallurgistes, qui caractérise certains alliages présentant des structures bien déterminées Cette propriété, se traduit par la possibilité de faire subir a ces alliages des taux de déformation considérables sans rupture, C'est ainsi que les allongements en traction des alliages superp-lastiques atteignent plusieurs centaines de Z. On caractérise de façon classique les alliages SUtplas eS- par la valeur de l'exposant "m" dans la relation 6= K f ( yoir W.A. BACKOFEN et al. Trains A,S,M, 57, k984 page 980) dans laquellecr est le taux de contrainte qu'on fait subir au métal, K une constante et j la vitesse de déformation. Une série d'essais dans des conditions différentes de vitesse et de contrainte permet de calculer la valeur de "m". On constate de façon générale que la superplasticité apparait lorsque la valeur de "m" atteint ou dépasse 0,25. On observe alors, par exemple dans des essais de traction, des allongements qui atteignent et dépassent même 200 %. Une telle ductilité peut présenter un intérêt considérable pour la mise en forme du métal a l'état solide et sans enlevement de matiere. Parmi les métaux ou alliages présentant le phénomène de superplasticité, on peut citer Le binaire zinc aluminium à 22 Z d'aluminium qui est superpAastique à une température d'environ 250-300 C, des alliages aluminium cuivre à environ 6 Z de cuivre, avec addition d'une. petite quantité d'un élément affinant du grain, qui sont superplastiques vers 450 C. A plus haute température, on peut citer le cas du fer pur qui est superplastique vers 9O00C. A température ambiante, le phénomène de superplasticité n' est connu que dans le cas d'alliages à très bas point de fusion tels que des alliages binaires : étain, bismuth ou certains alliages à base de plomb. Les inventeurs ont découvert de façon tout à fait inattendue qu'ii est possible de rendre superplastiqes de très nombreux alliages à base d'aluminium en introduisant dans leur structure une phase enrichie en gallium répartie suivant des règles bien précises. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la phase enrichie en gallium entoure sous forme d'un film très mince chaque cristallite constituant la structure de l'alliage à base d'aluminium, Les analyses ont montré que cette phare enrichie en gallium contient approximativement 15 à 20 Z de gallium en poids. Comme le montre le diagramme de phase aluminium gallium (R.P. ELLIOTT Constitution of binary alloys first supplement McGRAW-HILL 1965), les binaires Al ba présentent un début de fusion eutectique un peu au-dessus de 260C pour une teneur en Ca égale ou supérieure à 9,5 atomes % de Ca soit environ 21 Z en poids.Le binaire à 20 % de Ca en poids fond vers 60 C environ et celui à 15 Z de Ca en poids au-dessus de 2000C. L'experience a montré que en déformant l'alliage à température ambiante ou à température peu supérieure à celle-ci,il se comporte de façon superplastique à condition toutefois que les cristallites qui le composent soient de dimensions voisines et relativement petites. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des cristallites ayant des dimensions ne dépassant pas sensiblement 50 micromètres et ayant une structure sensiblement équiaxe. Dans ces conditons, la superplasticité résulte semble-t-il du rôle en quelque sorte de lubrifiant que joue le film d'alliage d'aluminium enrichi en gallium qui favorise le glissement des cristallites d'alliage à base d'aluminium les uns par rapport aux autres sans apparition de fissures. Il est cependant possible d'obtenir des alliages conformes à l'invention ayant un comportement de très grande ductilité, sans atteindre tout à fait la superplasticité dans le cas de cristallites ayant une dimension supérieure à 50 micromètres ; des résultats très favorables en ce qui concerne la ductilité sont aussi obtenus même dans le cas ou les cristallités ont des dimensions hétérogènes et par'conséquent une structure qui n'est pas équiaxe, Il est possible également de travailler les alliages suivant l'invention à l'étant superplastique à des températures supérieures à l'ambiante et même jusqu'à des températures pouvant atteindre 100 et même 2000C. Mais, alors que à l'ambiante l'état superplastique est stable, lorsqu'on élève la température il se produit une diffusion du gallium à l'intE- rieur des cristallites. Cette diffusion en volume très lente au-dessous de 1000C devient de plus en plus rapide au-dessus de cette température, et à 2000C audelà de quelques minutes de maintien la superplasticité commence à disparaître. Lorsqu'on désire faire disparaître l'étant superplastique des alliages qui font l'objet de l'invention les inventeurs ont constaté qu'il suffit de traiter thermiquement lesdits alliages à une température- suffisante pour que le gallium-diffuse à l'intérieur des cristallitesi A ce moment-là, le film d'alliage entourant les cristallites qui contenait initialement 15 à 20 Z de gallium s'appauvrit peu à peu en gallium et devisant beaucoup plus résistant mécaniquement, L'alliage retrouve alors une grande résistance à la déformation et l'état de superplasticité cesse complètement La diffusion du gallium est d'autant plus rapide que la température est plus élevée Le plus souvent7 il est souhaitable d'éviter que le traitement thermique de diffusion entraîne un fort grossissement du grain et on effectue de préférence ce traitement à des températures de l'ordre de 100 à 3000 C, les durées nécessaires e dépassant pas quelques heures à 200"C. Il faut cependant remarquer que ce temps de diffusion est fonction de la grosseur des cristailites. La quantité de gallium qui doit être introduite dans l'alliage d'aluminium pour réaliser l'invention dépend directement de la grosseur des cristallites, étant donné que l'état superplastique résulte de leur enrobage par une couche mince enrichie en gallium. Il n'est donc pas nécessaire, ni même souhaitable d'introduire davantage de gallium que la quantité nécessaire pour obtenir cet enrobage. C > n verra par les exemples que ces quantités de gallium représentent dans la pratique quelques pourcent en poids de l'alliage obtenu. Dans le cas de cristallites de fortes dimensions, cette teneur en gallium peut être réduite à des valeurs plus faibles qui peuvent être de l'ordre du pourcent et meme audessous. Pour créer la phase enrichie en gallium entourant les eristallites les inventeurs ont découvert une méthode qui consiste à faire pénétrer du gallium liquide par mouillage de la surface de l'alliage à base d'aluminium à une température égale ou légèrement supérieure au point de fusion du gallium. On constate dans ces conditions que le gallium pénètre entre les joints des cristallites et traverse facilement des épaisseurs de l'ordre de qael ques millimètres et même davantage. Cette introduction doit être faite de préférence à une température inférieure à 1000 C pour limiter la diffusion en volume et favoriser la diffusion superficielle. I1 y a intérêt en geafiral à introduire le gallium par petite quantité à la fois pour éviter une attaquetrop importante de l'alliage d'aluminium en surface qui provoquerait des fissurations. Pour faciliter la pénétration, il y a intérêt à éliminer la couche d'oxyde le plus possible et à favoriser le mouillage de l'alliage d'aluminium par le gallium liquide par exemple, par frottement. Après pénétration du gallium l'alliage est le plus eouvent fragile car la phase qui entoure les cristallites est trop riche en gallium et contient soit du gallium pur, soit de l'eutectique aluminium gallium. Il est donc nécessaire de faire un traitement thermique pour éliminer toute trace d'eutectique et enrichir la phase riche en gallium, en aluminium --usqut ce que la teneur en gallium devienne égale ou inférieure à la limite de solubilité du gallium dans l'alliage d'aluminium de base cette limite de solubilité est de 9,5 atomes pour cent, soit environ 21 Z en poids, dans le cas de l'aluminium pur, et lle peut varier sensiblement s'il s'agit d'un alliage d'aluminium comportant d'autres éléments d'addition. Le traitement thermique nécessaire pour éliminer cette fragilité après imprégnation et obtenir l'alliage à l'état superplastique est effectué de préférence entre 30 et 1000C pendant des durées qui peuvent atteindre plusieurs dizaines d'heures au voisiaage de 500C par exemple mais qui peuvent etre réduites en montant à température plas élevée. Pour accélérer le processus avec sEeuritE, il y a intéret à commenc8r le traitement à température relativement basse : 500 C par exemple et à le terminer à température plus élevée par exemple vers 100 ou même 2000 C. Les exemples non limitatifs ci-après décrivent des modes de mise enoeuvre de l'invention, Exemple 1 Une tôle d'alliage aluminium titane contenant 0,26 Z de titane a été laminée à froid, à partir d'un état brut de filage à chaud, par laminage croisé avec des réductions de 3 % d'épaisseur par passe. L'épaisseur initiale qui était de 10 mm a été ainsi ramenée à 1,5 mm La dimension des cristallités de cette tôle écrouie etait de 1 à 3 micromètres environ. Dans ces conditions, les caractéristiques mécaniques de la tôle mesurées en traction étaiaflt tes suivantes - limite élastique h 0,2 Z = 11 hbar - charge de rupture -=11,5 hbar - allongement Z = 8 On a alors mouillé superficiellement la tbme par une quantité de gallium liquide égale à 1 % du poids de la tôle et on a fait pénétrer ce gallium dans la tôle à une température d'environ 300 C par léger frottement superficiel. La tôle a ensuite été traitée 25 h à 500C puis on a mesuré de nouveau ses carac téristiques mécaniques et on a trouvé - limite élastique à 0,2 Z = 4,5 hbar - charge de rupture = il bhar - allongement % = 70 On a ensuite effectué un traitement de diffusion de 25 heures à 500C suivi de 25 à 1000C puis on a mesuré à nouveau les caractéristiques mécaniques et on a trouvé alors - limite élastique à 0,2 % = 9,5 hbar - charge de rupture = 12 hbar - allongement % = 35 On voit donc que l 1-addition de 1 % de Ca seulement a permis d'obtenir suivant l'invention un état de très grande ductilité et faible résistance à la déformation, et que le traitement de diffusion qui a suivi a permis de reeupéèr une limite élastique élevée voisine de la valeur initiale tout en ayant une ductilité encore importante. Exemple 2 On a introduit dans une tôle du meme alliage que celui de ltexemple I et preparée de la même façon une teneur en gallium de 10 % par la même méthode, Après introduction du gallium et traitement de 150 heures à 50 C on a mesuré les caractéristiques en traction et on a trouvé - limite élastique à 0,2 % = 4 hbar - charge de rupture = 5,5 hbar - allongement Z = 300 Cette tôle a ensuite été traitée une heure à 2000 C et la mesure, faite à nouveau, des caractéristiques mécaniques a donné les résultats suivants - limite élastique à 0,2 Z = 8,5-hbar - charge de rupture = 10,5 hbar - allongement % = 60 On voit que dans ce cas, lsaddition d'une plus forte quantité de gallium a permis d'obtenir un alliage superplastique à température ambiante. il convient de noter en effet que tous les essais de traction rapportés dans les deux exemples sont faits à température ambiante. Le traitement de diffusion fait à température relativement élevée a donné une limite élastique et une charge de rupture sensiblement plus faibles que dans l'exemple précédent mais une ductilité exceptionnellement élevée. Ces deux exemples montrent le très grand intérêt de l'invention qui permet de disposer d'alliages d'aluminium conformables à l'état superplastique avec une treks grande facilité, dont les caractéristiques après traitement de diffusion sont comparables à celles de l'alliage de départ. Le procédé qui a été appliqué à un alliage aluminium titane faiblement allié peut s'appliquer aussi à toutes sortes d'alliages d'aluminium, et en parti culier aux alliages à haute résistance, dans la mesure où il est possible de les obtenir avec une structure suffisamment fine. Ltinvention peut s'appliquer aussi aux alliages à base d'aluminium renforcés par des phases dispersées. REVENDICATIONS 1 - Alliages à base d'aluminium présentant à température ambiante une ductilité considérablement accrue et une résistance à la déformation très réduite par rapport aux caractéristiques de mêmes alliages exempts de gallium, caractérisés en ce que leur microstructure est constituée par des cristallites de petites dimensions entourés par une couhhe mince de phase enrichie en gallium. 2 - Alliages suivant 1 dans lesquels la phase enrichie en gallium contient 15 à 20 Z environ de gallium, 3 - Alliages suivant 1 dans lesquels les cristallites ont des dimensions inférieures à 100 micromètres. 4 - Procédé de préparation d'un alliage suivant 1 caractérisé en ce que on fait pénétrer du gallium liquide de façon intergranulaire dans un alliage d'aluminium à température ne dépassant pas sensiblement 1000 C et en ce que après pénétration on chauffe l'alliage à une température de l'ordre de 50 à 200 C jusqu'à élimination de toute quantité notable d'eutectique aluminium gallium. 5 - Procédé pour donner à des alliages conformes à la revendication 1 des caracteristiques mécaniques du meme ordre de grandeur que celles de mêmes alliages exempts de gallium, caractérisé en ce que on fait subir à l'alliage un traitement de diffusion dans des conditions de temps et de température telles que le gallium diffuse à l'intérieur des cristallites de façon sensiblement homogène, 6 - Procédé suivant 5 dans lequel le traitement est effectué entre 100 et 3000 C, 7 - Alliages suivant 1 caractérisés en ce qu'ils sont renforcés par une phase dispersée. 8 - Alliages obtenus par le procédé suivant l'une des revendications 4, 5 ou 6.