Brevet FR2561261A1 — publié le 19850920

-- 1 -- ALLIAGES A BASE D'AI CONTENANT DU LITHIUM, DU CUIVRE ET DU MAGNESIUM La présente invention est relative à des alliages à base d'Al,- contenant essentiellement du Li, du Cu et duM -et possédant de hautes caractéristi- ques spécifiques et une ductilité élevée. Il est connu des métallurgistes que l'addition de lithium diminue la den- sité et augmente le module d'élasticité et la résistance mécanique des al- liages d'aluminium. Ceci explique l'intér9t des concepteurs pour ces al- liages en vue d'applications dans l'industrie aéronautique, et plus parti- culièrement, pour les alliages d'aluminium au lithium contenant d'autres éléments d'addition tels que le magnésium ou le cuivre. Toutefois, de tels alliages au lithium devront impérativement posséder une ductilité et une ténacité au moins équivalentes, à résistance mécanique égale, à celle des alliages aéronautiques conventionnels tels que les alliages 2024-T4 ou T351, 2214T6(51), 7175-T73 (51) ou T7652 et 7150-T651 (selon la nomencla- ture de l'Aluminium Association), ce qui n'est pas le cas des alliages au lithium connus. Récemment, les métallurgistes ont proposé de nouvelles compositions d'al- liages aluminium-lithium au cuivre et au magnésium à faible densité et iaute résistance mécanique spécifique; il s'agit, en particulier, des al- liages expérimentaux faisant l'objet de la demande de brevet européen n 88511 qui revendique les alliages de composition nominale (en poids %): Li = 2,0 à 2,8; Cu = 1,0 à 1,5; Mg = 0,4 à 1; Zr 0,2; Mn( 0,5; Ni à l'état T8 et sur t6les épaisses à l'état T651 sont toutefois encore infé- rieurs à ceux des alliages aéronautiques des séries 2000 à 7000, comme pour les autres alliages des systèmes AlLiCu et AILiCuMg à teneur en lithium supé- rieure à 1,7 % connus à ce jour, qu'il s'agisse de produits obtenus par mé- tallurgie du lingot (par exemple, en coulEe semi-continue)ou par métallurgie des poudres. Au cours d'essais métallurgiques, nous avons trouvé et expérimenté de nou- velles compositions d'alliages industriels du système Al-Li-Nig-Cu (+ Cr, Mn, Zr, Ti) plus performants que les alliages des systèmes AlLiCu et -2 AlLiMg et que les alliages connus du-système AlLiCuMg du point de vue du compromis entre la résistance mécanique et la ductilité. Ces nouveaux alliages selon l'invention ont les compositions pondérales suivantes: Li 1,7 à 2,9 % Cu 1,5 à 3,4 %) Mg 1,2 à 2,7 % > avec 0,5 teneur en Zr est de préférence comprise entre 0,10 et 0,13 %. ?our obtenir le meilleur compromis, résistance mécanique-ductilité, on doit de plus observer la relation suivante: Li (% Cu + 2) + %Mg = K avec 8,5 Les alliages selon l'iDnentio possèdent leur niveau optimal de résistan- ce et de ductilité après ses traitements d'homogénéisation des produits coulés et de mise en solution des produits transformés comportant au moins un palier à une température 0 (en o C) de l'ordre de 0=535 - 5(% Mg) pendant une durée suffisante pour qu'après trempe, les composés intermé- talliques des phases Al-Cu-(Li,Mgo détectables lors d'examen micrographiîue ou par microanalyse électronique ou ionique (SIMS) soient de préférence complètement dissouts dans l'Al ou aient une taille inférieure à 5 Vm. L'homogénéisation peut se faire dans un domaine de température compris en- tre 0 + 10 (O C) et O - 20 (o C); la mise en solution est de préférence 3- effectuée entre 0 + 10 C. Il a été constaté que les alliages, pour lesquels K > 11,5, possédaient une ductilité insuffisante, et que ceux, pour lesquels K Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéisation à la tempé- rature Osont de 0,5 à 8 heures pour les alliages élaborés par solidifica- tion rapide (atomisation - splat cooling - ou tout autre moyen) et de 12 à 72 heures pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi- continue. Ces alliages possèdent leurs propriétés mécaniques optimales après reve- nus de durées de 8 à 48 heures à des températures comprises entre 170 et 220 C (de préférence entre 180 et 200 C) et il est préférable de faire subir aux produits de forme adéquate (tbles, barres, largets) un écrouis- sage donnant lieu à une déformation plastique de 1 à 5 % (préférentielle- ment 2 à 4 %) entre trempe et revenu,ce qui permet d'améliorer encore la résistance mécanique des produits sans dégrader leur ductilité. Dans ces conditions, les alliages selon l'invention possèdent une résis- tance mécanique et une ductilité supérieures à celles de l'alliage bien connu AlLi}g} 01420 (Ai - 5 % Mg - 2 % Li - 0,6 % Mn) et ont un compromis =entre résistance mécani-m-e et ductilité supérieur à celui des alliages 2-5 iu connus (à faibles teneurs en magnésium). Ils ont, par ailleurs, ne excellante résistance à la corrosion feuilletante. -es alliages sont donc Darticulièrement intéressants pour la fabrication de demi-produits moulés ou corroyés (élaborés par coulée semi-continue, 3 atomisation ou splat cooling, etc...) qu'il s'agisse par exemple de pro- duits filés, laminés, forges ou matrices. L'invention sera mieux comprise et illustrée à l'aide des figures et exem- ples suivants. La figure 1 représente, en perspective, une pièce matricée relative à l'exemple 2 donné ci-après. - 4 - EXEMPLE 1 Des billettes 0 200 mm ont été coulées en semi-continu et pendant les analyses reportées au Tableau I (a). Sauf indications contraires, les te- neurs en Fe et Si des coulées utilisées sont inférieures respectivement à 0,04 % et 0,03 %. Celles-ci correspondent soit à des alliages classiques (C,D), soit à un alliage au lithium connu (E), soit à-des alliages selon l'invention (A, F) ou hors de l'invention (B). Ces billettes ont été homogénéisées et filées en largets 0 100 x 13 mm. Ceux-ci ont ensuite été mis en solution, trempés à l'eau et revenus dans les conditions repor- O10 tées au Tableau I (b). Les résultats des caractéristiques mécaniques de traction obtenues dans le sens long et travers long sont reportés au Ta- bleau I (c). Tableau I Ia- Compositions chimiques Coulée ___ Teneurs _pondérales_.. repre Alliage % Li % Cu % Mg % Mn %Zr % Ti Autres t. Selon l'in-: A vention 1,90 2,38 1,30 0,01 0,12 0,01 - K = 9,6 j 0 B invention 2,45 | 2,22 1,01 0,01 0,11 0,01 _ iinvention C 2024 0 i 4,38 1,33 0,75 0,11 0,02 7A75 - Fe--0,0510 Cr=0,21 eD Fe=0,050. 1,32 2,36 0,02 0 0,02 Cr=0,21 Si=0,03 Zn=5,7 Si=-0,03 F92 :E i (D_,--_v) i228 1,32 0,75 ?r ' 2i i Selon l'in-. iF vention,2' , - 2,13 1,57 (K=10,O) 2561261- -- 5-- Ib - Traitements thermiques Coulée H Mise en - Traction Revenu repère Homogneisation solution contrôlée A 526 C- 24 h. 530 C -.2 h. 2 % 190 C - 48 h. B 535 C- 24 h. 535 C - 2 h. 2 Z 190 C- 48 h. C 490 C- 8 h. 495 C- 2 h. 2,1 % T351 T7351 D 470 C- 16 h. 475 'C - 2 h. 2,0 % 6 h. 107 C + 24 h. 160 C E 538 C- 24 h. 538 C - 2 h. 3,5 Z 190 C - 12 h. F 527 C- 24 h. 526 C -1,5 h. 2,0 Z 190 C - 48 h. Ic - Caractéristiques mécaniques de traction Sens long Sens travers long I Coulée repree Rp 0,2 Rm A Rp 0,2 Rm A (ipea) (-a) Z (MPa) (MPa) Z A 455 495 11,6 419 461 8,5 B 460 520 6,5 427 475 5,8 C 401 530 12,3 342 491 19,0 D 460 530 11,6 4&6 517 13,1 I E 462 523 4,6 399.487 7,0 IF 442 488 9,7 411 452 7,7 Les alliages selon l'invention (A et F) présentent des allongements supé- rieurs à ceux de l'allege au Li connu (E) à limites élastiques équivalen- tes.Les caractéristiques mécaniques de traction obtenues sur les alliages A et F sont, par ailleurs, voisines de celles des alliages conventionnels. EXEMPLE 2 Des billettes 0 200 mm, dont la composition chimique est reportée au Tableau II (a), ont été coulées en semi-continu, homogénéisées, puis trans- formées par filage et matriçage en matrices de précision dont la forme est reportée à la fig. 1. Ces derniers sons constitués d'un fond plat -6 - rectangulaire (1) de dimensions 489 x 70 x 3 mm, borde, sur ses deux ri- ves longitudinales et une rive transversale, de trois nervures (2) per- pendiculaires au fond, hautes de 40 à 60 mm et épaisses de 3 à 5 sm, les rives longitudinales étant séparées par trois petites entretoises (3) d'épaisseur 1,5 mm. Les traitements thermiques effectués sont reportés au Tableau II (b) et les résultats des caractéristiques mécaniques obte- nus dans les sens long et travers long sont reportés au Tableau II (c). Tableau II IIa - Compositions chimiques Coulére e ige Teneurs pondérales repère % Li |% Cu Z Mg X % E Zr % Ti |Autres ZMgZMn %Zr % Ti te Selon l'in- A vention 1,90 2,38 1,30 0,01 0,12 0,01 - K = 9,6 B Hors 2,45 2,22 1,01 0,01 0,11 0,01 - invention G Horsinventin2,68 1,36 0,92 Selon l'in- F vention 2,05 2,13 1,57 (K=10,0) Zn--5,85 H E7175 1,43 2,47 0,02 0,02 Fe=-0,17 iS= K-I ___ - ____ ____I Si=oo8 IIb - Trairenents ther-icues Coule i. ise en Traction ! EoMog9nii-a-iOaise en Revenu -1repète i solution i contr6lée - A T 526" C - h. 530 C - 2 h. non 190 C - 24 h. ! B 5350 C- 2 h. I 535 C 2h. non 190 C- 24 h. G& 533 C - 24 h. 533" C - 1,5 h. non 210 C - 18 h. F 5260 C - 24 h. 526 C - 1,5 h. non 1900 C - 12 h. H 4700 C - '0O h. 4750 C - 2 h. non 1070 C - 6 h. ___________.I + 175 C- 8 h. -7- IIc Caractéristiques mécaniques de traction Coulée Sens long Sens travers long repère Rp 0,2 Rm A Rp 0,2 Rm A (MPa) (MPa) % (MPa) (MPa)- % A 488 590 10,2 450 561 10,8 B 495 598 6,5 462 553 7,2 G 507 582 5,0 446 528 7,2 F 484 583 9,8 492 555 10,2 H 485 555 10,8 471 490 10,7 Ce; exemple montre que les alliages selon l'invention (A et F)conduisent sur des matrices de précision (non écrouis entre trempe et revenu) à des niveaux de résistance mécanique et de ductilité au moins égaux à ceux de l'alliage 7175 (H) normalement utilisé pour ce type de produit, mais plus dense. -8- REVENDICATIONS 1 / Alliage à base d'Al à haute résistance et haute ductilité, caractéri- sé en ce qu'il contient (en poids %): Li 1,7 à 2,9 Cu 1,5 à 3,4) ) avec 0, 5e mg ) C Cr 0 à 0,3 Mn O à 1,0 Zr 0 à 0,2 Ti 0 à 0,1 Be O à 0,02 Autres éléments (impuretés) chacun V'/ Alliage selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 1,3 à 2,4 % Mg. 5/ f Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que: % Li (% Cu + 2) t m = K avec 8,5 6 / Alliage selon la revendication 5, caractérisé en ce que 9t K4 11. 7 / Procédé de traitement thermique des alliages selon l'une des revendi- cations 1 à 6, comprenant au moins une homogénéisation, une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé en ce que l'alliage est homogénéisé et mis en solution à une température (en C) de l'ordre de O = 535 - 5 (% Mg). -9- / Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée de l'homogénéisation et de la mise en solution est suffisamment longue pour qu'après la trempe, les phases intermétalliques de type Al-Cu-(Li,Mg) aient une taille comprise entre 0 et 5 lim, limites incluses. 9 / Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'homo- éenéisation a lieu dans le domaine de température limité par + 10 (O C) et 0 - 20 ( C). 10 / Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la mise en solution a lieu dans le domaine de température limité par 0 + 10 (o C) et 0 - 10 (O C). 11 / Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le revenu est effectué entre 170 et 220 C pendant une durée allant de 8 à 48 heures. 12 / Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le revenu est effectué entre 180 et 200 C. 13 '/ Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce cu'une dfDration plasticue de 1 à 5 %, et de préference entre 2 et _ Z, est appliquée au produit traité entre la trempe et le revenu.