Brevet FR2518579A1 — publié le 19830624

Les alliages d'aluminium dans la série 7000 contenant des teneurs élevées en zinc, cuivre et magnésium, sont connus pour rapport résistance mécaniq Ie/ poids élevé, et par conséquent trouvent application dans l'industrie aéronautique. Ces applications entraînent ce-)endant l'exposition à une large variété de conditions climatiques qui nécessitent un contrôle atten- tif des conditions de fonctionnement et de vieillissement pour assurer une résistance mécanique et une résistance à la corrosion suffisantes, incluant à là fois la corrosion sous ten- sionet l'exfoliation. Les alliages conventionnels de ce type tels que le 7075, qui contient 3 à 8 % en poids de En, 1,5 à 5 % en poids de Mg et 0,75 à 2,5 % en poids de Cu, peuvent vieillir à une température d'environl O l,70 C à 121,10 C pour obtenir d'excellentes caractéristiques mécaniques par ce qui est connu comme la dureté T 6 Une haute résistance à l'exfolia- tion et à la corrosion sous tension avec quelques sacrifices pour la résistance mécanique, peut être obtenue en vieillis- sant ensuite l'alliage à des températures de 148,90 C à 176,70 C pendant une durée suffisante pour réaliser ce qui est connu comme étant un revenu T 7. Dans certains cas, des modifications des revenus ci-dessus ont été réalisées avec succés en contrôlant soi- gneusement les quantités des matériaux entrant dans les alliages, en combinaison avec la mise en oeuvre de tempéra- turesélevées Par exemple, le brevet américain 3 881 966 décrit et revendique un procédé pour obtenir un alliage de la série 7000 présentant une haute résistance mécanique et une haute résistance à la corrosion sous tension, en utili- sant une température de vieillissement de 148,90 C à 193,30 C en combinaison avec un contrôle soigneux du rapport des cons- tituants de l'alliage. Le vieillissement à des températures inférieures pour obtenir les mêmes résultats a également été réalisé en mettant en oeuvre d'autres constituants d'alliages Par exem- pie, le brevet américain 3 794 531 enseigne l'utilisa- tion d'une étape de vieillissement unique à une températu- re de 100 C à 140 C en remplaçant 2 % de la teneur en zinc par du cadmium. L'utilisation de nickel comme additif dans les alliages de la série 7000 pour obtenir une résistance suf- fisante à la corrosion sous tension est enseignée par le brevet américain 2 403 037 Cet alliage est vieilli en une seule étape à des températures de 135 C à 176,7 C. Tandis que l'utilisation d'un procédé de vieillis- sement à une seule étape présente des avantages du point de vue de l'efficacité et de la conservation de l'énergie, la recherche continue d'alliages à caractéristiques plus éle- vées de résistance mécanique soulève le problème de main- tenir la résistance souhaitée à la corrosion sous tension aussi bien que la résistance à l'exfoliation. Ainsi l'art antérieur semble indiquer que l'on peut maintenir de telles caractéristiques en utilisant des tem- pératures de vieillissement supérieures à 148,9 QC avec ou sans une étape de vieillissement antérieure à des tempéra- tures inférieures Il a été par conséquent tout à fait sur- prenant et déconcertant de découvrir q u e la mise en oeuvre d'un tel vieillissement (c'est-à-dire à plus de 148,9 C) sur un alliage à haute résistance mécanique si- milaire à celui décrit dans le brevet américain p Récité 3 881966 a abouti à une résistance inférieure à l'exfolia- tion si le viellissement à des températures supérieures à 148,90 C était exécuté sur une courte période de temps ( moins de 7 heures à 162,70 C par exemple), et abouti à une perte de résistance à la traction si la période de vieillissement était allongée. De manière tout-à-fait inattendue, il a été dé- couvert que les caractéristiques souhaitées peuvent être obtenues dans cet alliage en diminuant la température de vieillissement plutôt qu'en élevant la température, comme enseigné dans l'art antérieur. Ainsi, selon le mode de réalisation préféré de l'invention, un alliage à base d'aluminium présentant des caractéristiques de résistance mécanique-T 6 et une résis- tance accrue à l'exfoliation est proposé, avec comme constituants d'alliage et impuretés: - ,9 à 8,2 % en poids de zinc, 1,5 à 3,0 % en poids de cuivre, 1,5 à 4,0 % en poids de magnésium, 0,08 à 0,15 % en poids de zirconium, 0,5 à 0,10 % en poids de manganèse, 0 à 0,04 % en poids de chromer 0 à 0,06 % en poids de ti- tane, O à 0,12 % en poids de silicium et O à 0,15 % en poids de fer, pas plus de 0,05 % enpoids d'impuretés par- ticulières non identifiées et pas plus de 0,15 % en poids d'un total d'impuretés non identifiées, le reste consistant en aluminium L'alliage produit est soumis à un traitement à chaud,à untraitement thermique en solution et à une trem- pe suivie d'un processus de vieillissement consistant à maintenir l'alliage à une température supérieure à 132 j 2 C jusqu'à 140,6 C pendant une période de 6 à 30 heures. L'invention sera décrite ci-après plus en détails en référence aux dessins annexés sur lesquels: la Fig 1 est un graphique représentant la résis- tance à la traction longitudinale en fonction de diffé- rentes conditions de vieillissement. la Fig 2 est un graphique illustrant la limite élastique longitudinale d a N S d i f f é r e-n t e s conditions de vieillissement. la Fig 3 est un graphique illustrant la limite élastique à la compression longitudinale obtenue en uti- lisant différentes conditions de vieillissement. La Fig 4 est un graphique illustrant la résistance à l'exfoliation obtenue après un test EXCO de 24 heures dans différentes conditions de vieillissement. la Fig 5 est un graphique illustrant la résistan- ce à l'exfoliation après un test EXCO de 48 heures uti- lisant différentes conditions de vieillissement. La Fig 6 est un graphique illustrant la perte de poids après un test EXCO de 48 heures dans différentes conditions de vieillissement. La Fig 7 est une photographie montrant des échan- tillons de 3,96 mm après exposition d'une année, préparés suivant l'invention ainsi qu'un échantillon de contrôle ou de référence. La Fig 8 est une photographie montrant des échan- tillons de 20,32 mm après exposition d'une année préparés suivant l'invention, ainsi qu'un échantillon de référence. Suivant l'invention, on réalise un alliage d'alu- minium de la série 7000 à haute résistance mécanique amélio- rée, ayant des teneurs contrôlées-spécifiques en constituants d' aliiage, et vieilli isothermiquement en un procédé à une seule étape. L'alliage selon l'invention contient les éléments suivants: 5,9 à 8,2 % en poids de zinc, de préférence 5,9 à 6,9 % en poids, 1,5 à 4,0 % en poids de magnésium, de. préférence 2,0 à 2,7 % en poids; 1,5 à 3,0 % en poids de cuivre; de préférence 1,9 à 2,5 % en poids; 0,05 à 0,25 % en poids de zirconium, de préférence 0,08 à 0,15 % en poids; et pas plus que les quantités suivantes d'autres matériaux d'alliages et impuretés: 0,1 % en poids de manganèse, 0,04 % en poids de chrome, 0,06 % en poids de titane, 0,12 % en poids de silicium, 0,15 % en poids de fer ét 0,05 % en poids d'impuçetés individuelles non identifiées avec un total maximum de 0,15 % en poids d'impuretés non identifiées. L'alliage présente une résistance améliorée à l'exfoliation par vieillissement à une température supérieure à 132,2 C jusqu'à 140,6 C pendant une période de 6 à 30 heures. Ceci signifie que la résistance améliorée est caractérisée par une diminution importante du degré a u q u e 1 a lieu l'exfoliation, comme on le verra en comparant les échantillons selon l'invention et l'échantillon de contrôle ou de référence après exposition comme représenté aux Fig 7 et 8. L'alliage selon I'invention est utile dans la production de produits extrudés, de matériaux laminés tels que feuille ou plaque, ou sous la forme de piè- ces forgées, le plus grand bénéfice étant obtenu dans les produits extrudés, en particulier par rapport à l'alliage du type 7150 Il peut être utilisé sous la forme de produits fins, tels que des feuilles ainsi que sous des épaisseurs plus fortes telle qu'une plaque, sans diffé- rences appréciables de la limite élastique consécutivement à des allures de trempe différentes. L'alliage selon l'invention, qui présente une ré- sistance améliorée à l'exfoliation, peut être fabriqué avec des configurations et des formes différentes en uti- lisant des procédés conventionnels,comme décrit dans le brevet américain précité 3 881 966 Par exemple, la compo- sition de l'alliage peut résulter d'un lingot coulé direc- tement en coquille de manière continue, qui est d'abord' soumis à une température élevée d'environ 455,50 C à 482,10 C pendant une durée suffisante pour homogénéiser sa structure interne et distribuer uniformément dans ce lingot les constituants de l'alliage La matière est en- suite travaillée à chaud et si on le désire,travaillée à froid pour obtenir le produit désiré Comme indiqué précé- demment, ces conditions de travail peuvent comprendre le laminage, l'extrusion ou le forgeage ainsi que tous autres procédés de travail du métal utiles dans la fabrication des structures d'aluminium Un recuit ou un réchauffement intermédiaire peut également être utilisé si on le désire, pendant les étapes du travail du métal si cela est néces- saire pour aboutir au produit final désiré Le produit final peut avoir une section transversale relativement épaisse, par exemple 50,8 mm à 101, 6 mm d'épaisseur ou davantage, ou bien il peut avoir une section relativement mince de moins 6,35 mm Indépendamment de l'épaisseur, l'alliage produit présentera une limite élastique très satisfaisante et une résistance accrue à l'exfoliation- lorsqu'il est vieilli suivant l'invention, et à peu de frais ou sans frais pour ce qui concerne la résistance à la corrosion sous tension. Le produit, par exemple une plaque, une feuille ou un produit extrudé est traité thermiquement en solu- tion de façon typique à une température de 460 C ou plus, pendant un temps suffisant pour que la solution agisse afin d'approcher l'équilibre, puis ce produit est refroi- di par trempe La trempe peut être réalisée d'un certain nombre de manières compte tenu du manque surprenant de sen- sibilité à la trempe présenté par les alliages préférés, par exemple du type 7150, utiles dans l'invention Par exemple, le produit peut être trempé par pulvérisation d'eau froide ou immergé dans de l'eau à la température ambiante Le produit traité thermiquement est trempé et ensuite vieilli pour développer sa résistance mécanique et pour améliorer sa résistance à l'exfoliation Le vieillissement est exécuté pendant une période de 6 a 30 heures à une température comprise entre 132,20 C à 14 c, C, de préférence 132,76 C à 137,80 C, la valeur préféreitiel- le étant de 135 + 10 C Ceci veut dire que le vieillissement est fait en une seule étape dans des 'conditions isothermes. Les exemples ci-dessous vont illustrer davantage l'invention. EXEMPLE 1 Des produits extrudés de 3,96 mm, 6,35 mm et Z 0,32 mm ont été préparés et soumis à différentes périodes de vieil- lissement e t températures, incluant un procéd& de trai- tement à deux étapes illustrant l'art antérieur, tandis que l'échantillon est vieilli pendant des durées allant jusqu'à 20 heures à une température de 121,1 C ou nxins, suivies par une seconde étape à une température de 162,7 C pendant environ 5 heures L'alliage utilise con- tener (en partiesen poids) 5,9 à 6,9 parties de zinc,, 2,0 à 2,7 parties de magnésium, 1,9:à 2,5 parties de icui- vre, 0,1 partie de manganèse, 'moins de 0,04 partie de chrome, moins de 0, 08 à 0,15 partie de zirconium, mi Lns de 0,06 partie de titane, moins de 0,12 partie de suli- cium,mnoins deo,15 partie de fer et moins de 0,15 partie d'impuretés non identifiées,le reste étant de l'aluminium. Les produits extrudés ont tous été traités thermiquement en solution à des températures comprises entre 496,60 C et 482,10 C, trempés à l'eau froide et ensuite étirés de' 1 -1/2 à 2 % avant l'étape de vieillissement après vieillissement on a mesuré les caractéristiques de résis- tance à la traction et à la compression des échantillons, qui ont ensuite été soumis au test d'exfoliation EXCO défi- ni dans les normes ASTM G 34-79 Les résultats sont présen- tés dans les tables I, II et III,qui différencient les trois épaisseurs d'échantillons et aux Fig 1 à 6 dans lesquelles les résultats pour les trois épaisseurs ont été représentés sous forme de moyennes Les résultats indiquent clairement que les échantillons 3 à 6, qui ont été vieillis suivant l'invention indépendamment de l'épaisseur, maintien- nent des caractéristiques physiques de résistance mécanique au moins comparables à celles obtenues en utilisant le procédé de vieillissement de l'art antérieur en deux étapes, tandis qu'on obtient une amélioration marquée pour les ca- ractéristiques d'exfoliation, comme cela est mis en évidence à la fois par les classements visuels du test EXCO et par, les mesures de perte de poids. EXEMPLE 2 Pour illustrer davantage l'invention, des échan- tillons préparés selon l'exemple 1 et vieillis pour faire varier les périodes de temps de 8 à 24 heures à 135 DC con- formément à l'invention, ont été exposés pendant 12 mois dans une atmosphère de côte maritime à Point Judith, Rhode Island Comme dans l'exemple 1, des paniers de référence utilisant de même alliage mais utilisant le procédé de - vieillissement conventionnel en deux étapes décrit dans l'exemple l ont également été exposés Comme références-Qu témoins supplémentaires, des échantillons d'alliage 7075-T 6511 ayant une épaisseur de 6,35 mm et de 20,32 mm ont éga- lement été exposés Cet alliage, tout en ne présentant pas les caractéristiques mécaniques de l'alliage utilisé dans- l'invention, est connu pour présenter-une bonne résistance à l'exfoliation Les paniers ont été exposés sous un angle de 45 avec la surface d'essai dirigée vers le bas vers le sol, car'la corrosion par exfoliation est connue pour se développer plus rapidement sur des surfaces abri- tées L'examen visuel des paniers-après 12 mois a montré une attaque par exfoliation sur les paniers vieillis en deux étapes selon l'art antérieur, du degré E-C ou E-D, tandis que les paniers vieillis suivant l'invention mon- traient une attaque par exfoliation plus douce du degré E-A ou E-B. Les figures 7 et 8 montrent respectivement les résultats de cette exposition de 12 mois sur les échan- tillons de 3,9 6 mm et de 20,32 mm Les échantillons mon- trés à la Fig 7 sont mentionnés respectivemient dans la table I comme échantillon N 4, échantillon N 5 et réfé- rence-l (ou témoin-l) Les échantillons de la Fig 8 cor- respondent respectivement à l'échantillon -N 4, l'échan- tillon N 5 et l'échantillon de référence-l (ou témoin-l) mentionnés dans la table III La résistance accrue à l'exfoliation est marquee de manière évidente d'après l'examen des Fig 7 et 8. Ainsi, les résultats des essais montrent que des alliages composés des éléments mentionnés ci-dessus peuvent être vieillis en une-seule étape à une tempéra- ture supérieure à 132,2 C et allant jusqu'à 140,6 C, pour aboutir-A un produit ayant des caractéristiques mécaniques et des caractéristiques de résistance à l'exfoliation amé- liorées comparables à celles obtenues en utilisant des procédés de vieillissement en deux étapes de l'art anté- rieur. TABLEAU I Essais de caractéristiques n-écanigoes et d'exfoli Jation acc 6 lérée, échantillons d' épaisseur 3,96 mm Traiteierit e Caractéristiques longitudinales Echantillon N O vieillisseflent (heures) (OC) Traction Iésistance à la trac- tion en 6 Pa Limite % Allon- élaeti qoe ( 1) geien 106 Pa 1 ésistance à la coepres- Sion ( 1) 106 Pa AS.TM' Classemnt visuel ( 2) Tl EST EXCO O 48 Hr. Classen-ent visuel ( 2) P,éférenoe-1 i Référenoe-2 G 3.0 il Remar 4 oes ( 2 > dlécalage égalt à 0, 2 % T classenents basés sur les noroes AST dlexfoliation (Désignation G-34-79) avec les catégories A à D, D étant la plus sévère de poids M/n 2 3.2 * 121, 1 12 1,1 , 148,9 148,9 14.8,9 148,9 148,9 635,02, 635,71 655,71 655,71 635,71 637,09 636,40 639,85 634,34 623,30 625,37 628,82 641,23 594, 34 596,41 590,21 597,79 580,55 577,80 581,24 581,24 574,35 563,32 567,45 574,35 588,14 iO 2 3.10 O 13 2 43 2 1.2 2 a 13 2 12 2 12 2 14 2 12.2 1 2 2 12 * 2 13 2 601, 24 598,4 C 1 568,14 577,80 570,21 576,42 574,35 576,42 572,28 572,97 575,04 584,69 590,21 E-D E-C E-B E-A E-A E-A E-A E-B E-B E-B E-B E-B E-C E-D E-D E-C E-C E-C EC E-C E-D E-D E-C E-C E-C E-D w col Ili o TABIEAU II Essais de caractéristiques m 3 xcaniqoes et d'exfoliation accélérée, échantillons d'&paisseur 3,96 ionn Caractéristiques longitudinales Echantill On X O Traitextenlt êke vieillis sexonrt 1 erps:M (heures) ( 0, C) Traction Iésistance à la trac-. *tion en. 106 Pa. Limite % Allon- que ( 1) g 9 " 106 Pa résistance à la con pres- sion ( 1) 6 Pa TEST EXLDO 24 Hr. ASTM Classen-nt visoel ( 2) TEST Ex Co 48 Hr. AST 4 Perte Classemoent de poids visuel ( 2) 2 gà F:éférenoe-l Référenoe2 :1 G a IO' il. remarques: ( 1) ( 2) décalage égal à 0,2 % classextents basés sur les norxoes ASTIM d'exfoliation (Désignation G-3479) vec les catégories A à D, D étant la plus sévère s 12- * 121,1 121, i 148,9 148,9 148,9 148,9 148,9 637, 78 646,06 648,81 657,78 640,54 638,47 634, 34 646,06 623,99 627,44 627, 44 632,27 635,71 596, 41. 607,44 594,34 602,62 588,14 588,83 586,07 597,i'10 575,73 575,73 572,97 581,24 589,52 11.0 12 2 13 2 14 2 12 2 13 3 tl 2 14 2 13 2 :14 2 13 2 14 2 3.5 2 607,44 612,96 570,90 570,90 569,52 565,39 581,24 588, 14 594,34 572,28 582,62. 595, 72 590,90 E-C E-C E-B E-A. E-B E-A E-B E-B E-B EI-B E-B E-C s-J o E-D E-D E-D E-B EC E-B E-C E-C E-C E-C E-C E-D E-D l'o 00 hj un TABLEAU III Essais de caractéristiques rrécanicrues et d'exfoliation Caractéristiques longitudlna les accélérée,échanitillons d'éraisseur 3,96 nm Echantillon N O Traijtexient, de vie illissexrent TÉnps '>P (heures) ( 0,C) Traction- Insistance à la trac- tion en 106 Pa - Lintite % Allon- élas-ti grn que ( 1) gnn 106 Pa 1 êsistance, à la cornpres- Sion ( 1) 106 Pa JEST EXCO 24 Hr. ASTM' Classenent visuel ( 2) TEST E= ASTM Perte Classem Tent de poids visuel ( 2) 2 Raférence-l pfférence-2 G * 8 2.0 i 12 1.6 2.6 121, 1 121, 1 148,9 148,9 148,9 148,9 148,'9 647,44 646, 75 688,81 690,87 675,71 678,46 678,46 661,23 674; 33 669,50 672,26 668,12 666,74 16 i 0, 89 616,41 639, 16 644,68 635,71 637,78 639,85 622,63. 634,34 630,20 635,71 628,82 626,06 11.5 12.0 13.2 13.2 12.5 12.5 12.5 il 8 12.5 11.8 il G il 1 il * 8 611,58 616,41 588,83 604,69 603,31 608,13 610,20 648,81 603,31 603,31 610,20 612,27 612,27 E-C - E-C E-B E-B E-B 3 E-B E-C E-A E-A E-A E-B E-B E-C E-C E-D E-C E-D) E-C E-D E-C E-C t-C E-C E-C E-c E-C 3 G si. F 1- lremarqoes,: ( 1) décalage égal à 0,2 % ( 2) classenents basés sur les norires ASTM d'exfoliation (Désignation G-34-79) a-%c les catégories A à D, D étant la plus sévère 1 %) Ln -à Co Ln -4 %O 12 -. REVENDICATIONS 1 Procédé pour fabriquer un alliage d'aluminium de haute résistance mécanique et présentant une résistance_ accrue à l'exfoliation, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on réalise un alliage à base d'aluminium comprenant 5,9 à 8,2 % en poids en zinc, 1,5 à 4,0 % en poids de magnésium, 1,5 à 3,0 % en poids de cuivre et 0,5 % en poids maximum d'autres éléments d'alliage et d'impuretés, le reste étant constitué d'aluminium; b) on travaille l'alliage pour le transformer en un produit de profil prédéterminé; c) on traite à chaud le produit profilé; d) on trempe et on vieillit le produit traité à chaud, à une température comprise entre 132,2 C et 140,6 C environ, pendant une période de 6 à 30 heures 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le vieillissement est exécuté à une température comprise entre 132,76 C et 137,8 C environ. 3 Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le vieillissement est exécuté à' une températu- re de 135 C plus ou moins 1 . 4 Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le produit est traité thermiquement à une température d'environ 454,44 C. 5 Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que l'alliage ne contient pas plus de 0,04 % en poids de chrome - 6 Procédé selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que l'alliage contient 0,08 à 0,15 % en poids de zirconium. 7 Procédé selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que l'alliage ne contient pas plus de 0,06 % en poids de titane, 0,12 % en poids de silicium, 0,15 % en J_ poids de fer comme élémentsd'alliage, et 0,05 % en poids d'impuretés individuelles non identifiées, la somme de oes impuretés individuelles non identifiées n'excédant pas 0,15 % en poids. 8 Procédé pour fabriquer un alliage d'aluminium à haute résistance mécanique et présentant une résistance accrue à l'exfoliation, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on réalise un alliage à base d'aluminium contenant, comme éléments de l'alliage, 5,9 à 8,2 % en poids de zinc, 1,5 à 4,0 % en poids de magnésium, 1,5 à 3,0 % de cuivre, 0,08 à 0,15 % en poids de zirconium, 0,10 % en poids de manganèse, pas plus que les pourcentages maximum: ci-dessous d'autres éléments d'alliage: 0,04 % en poids de chrome, 0,06 % en poids de titane, 0, 12 % en poids de silicium, 0,15 % en poids de fer, et pas plus que 0,05 % en poids de chacune des impuretés individuelles non identi- fiées, le reste étant 'constitué d'aluminium; b) on travaille cet alliage pour obtenir un produit ayant le profil désiré; c) on traite à chaud le produit; d) on soumet ce produit à une trempe et, e) on vieillit le produit à une température comprise entre 132,2 C et 140,6 C environ pendant une période de 6 à 60 heures. 9 Alliage d'aluminium amélioré présentant une limite élastique à la compression d'au moins 530,91. 106 Pascals et une résistance accrue à l'exfoliation, caractérisé en ce qu'il comprend un alliage à base d'aluminium contenant, comme éléments d'alliage, 5,9 à 6,9 % en poids de zinc, 1,9 à 2,5 % en poids de cuivre, 2,0 à 2,7 % en poids de magnésium, 0,08 à 0,15 % en poids de zirconium, 0, 10 % en poids maximum de manganèse, pas plus que 0,04 % en poids de chrome, pas plus que 0,06 % en poids de titane, pas plus que 0,12 % en poids de silicium, pas-plus que 0,15 % en poids de fer, pas plus que 0,05 % en poids d'impuretés individuelles et pas plus que 0,15 % en poids au total d'autre-impuretés, le reste étant constitué d'aluminium, cet alliage étant initialement travaillé à chaud pour obtenir la forme finale désirée, puis soumis à un traitement thermique en solution pour mettre les constituants solides en solution solide, puis trempé pour retenir la solution solide, et finalement vieilli à une température comprise entre 132,2 C et 140,6 OC environ pendant une période de 6 à 30 heures.