Brevet FR2583776A1 — publié le 19861226

PRODUITS A BASE D'AL CONTENANT DU LITHIUM UTILISABLES A L'ETAT RECRISTALLISE ET UN PROCEDE D'OBTENTION L'invention concerne des produits en alliage d'Al contenant du Li utilisables à l'état recristallisé et un procédé d'obtention de ceux-ci. Le problème posé au métallurgiste consiste à trouver les conditions d'obtention d'alliages Al-Li, contenant éventuellement d'autres éléments durcissants tels que Cu, Mg, Zn, comme additions majeures, utilisables à l'état recristallisé. En effet, la littérature technique relative à ce domaine indique que l'état recristallisé est néfaste pour les propriétés d'emploi, en particulier en ce qui concerne la ductilité -voir par exemple le tableau III (tensile properties) de l'article de Starke et Lin dans Metallurgical Trans. A. vol 13A, Décembre 1982, p. 2259-2269 - ce qui a conduit: - au remplacement du Mn par le Zr comme inhibiteur de recristallisation, plus puissant que le premier - voir les pages 4-7 et 4-8 de l'article de Sanders, Naval Air Development Centre Contract numero N62269-76-C-0271 for Naval Air Systems Command, Final Report, 14 Juin 1979 ou figure 12 et pages 1037 à 1042 de Starke, dans Strength of metals and alloys - Ed. R.C. GIFKINS, 1982, Vol. 3, p. 1025-1044, - à l'utilisation de traitements thermiques spéciaux destinés à inhiber la recristallisation - voir page 402 de l'article de Lin et Chakrabotty, dans Metallurgical Trans. A, vol. 13A, Mars 1982, page 401-410, - et enfin au développement des produits non recristallisés - voir figure 12, p. 376 et figure 17, p. 380 de l'article de PEEL et ai. Proceedings of the Al-Li Conference at Monterey 1983, The Metallurgical Society of AIME. L'alliage à base d'Al, selon l'invention, contenant (en poids) de 1 à 3,5 % Li, jusqu'à 4 % de Cu, jusqu'à 5 % de Mg, jusqu'à 3 % de Zn et des additions de Mn, Cr et/ou Zr est caractérisé par des teneurs en Mn, en Cr et/ou en Zr dans les quantités pondérales suivantes: Zr 1 et de préférence pour Zr $ 0,08 %, %Zr/0,4 + %Mn/0,5 , 0,08 %, %Zr/0,09 + %Mn/3,6 avec Cr et par une structure recristallisée dont la grosseur de grain moyenne est inférieure ou égale à 200 im. Une méthode d'obtention de l'alliage selon l'invention consiste d'une part à contrôler la teneur en éléments dispersoldes (Mn, Zr, Cr} de l'alliage, et d'autre part à pratiquer un sous-revenu final de celui-ci, les autres conditions de la gamme de fabrication étant habituelles en ce qui concerne les produits de ce type, en particulier pour les alliages à durcissement structural utilisés en aéronautique. Si les teneurs en dispersoides (Mn, Cr, Zr) dépassent les limites fixées ci-dessus, l'alliage est non recristallisé après transformation à chaud ou à froid dans les conditions habituelles, et recuit (ou mis en solution). Si les teneurs en dispersoides sont inférieures aux limites indiquées cidessus, l'alliage recristallise après transformation à chaud ou à froid et recuit (ou mise en solution), mais possède alors un grain grossier (> 200 um). La gamme de fabrication habituelle de teis produits comporte - l'obtention d'un produit densifié par une technique de coulée semi- continue en lingots, plaques ou billettes, ou par ia technique de métallurgie des poudres, - une détente éventuelle à des températures comprises enre 200 et 400'C, - une homogénéisation éventuelle, en-dessous du solidus de l'alliage, à des températures généralement comprises entre 500 et 555'C, celle-ci pouvant être précédée d'un maintien à une température inférieure en vue de résorber les phases métastables éventuellement présentes, une déformation & chaud par laminage, forgeage, matriçage, filage ou toute autre technique, à une température inférieure ou égale & 500 C, de préférence comprise entre 470-C et 200 C, jusqu'à des dimensions finales ou intermédiaires, - Si le produit obtenu est un produit intermédiaire, les transformations ultérieures se font à froid avec un ou plusieurs recuits intermédiaires à des températures comprises entre 200 et 500'C selon le corroyage appliqué et la nature de l'alliage, - Le produit brut de transformation à chaud ou obtenu après transformation à froid est alors mis en solution à des températures comprises entre 500 et 550'C environ, trempé à l'eau froide (e et revenu. Les produits recuits ou mis en solution ont une taille moyenne de grain mesurée d'après la norme NF A 04-503, méthode des intersections, inférieure à 200 pm. Le revenu selon l'invention est pratiqué dans les conditions suivantes: le revenu est effectué dans le domaine de températures (T) inférieures ou égales à la température du revenu isotherme conduisant au maximum de durcissement (TM), la durée de maintien t(T) d'un revenu isotherme à la température (T) est inférieure ou égale à la durée du maintien isotherme tm(T) qui conduit au durcissement maximal à cette température T. La plage préférentielle des revenus est définie par T ('C t (T) L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants illustrés par les figures 1 à 8. La figure I représente la microstructure d'un alliage non recristallisé (coulée A, exemple 1). La figure 2 représente la microstructure d'un alliage recristallisé (coulée B, exemple 1). La figure 3 représente l'évolution de la dimension d'une fissure de fatigue en fonction du nombre de cycles pour trois conditions de revenu sur alliage recristallisé. - La figure 4 représente la microstructure d'un alliage non recristallisé (coulée C, exemple 2). La figure 5 représente la microstructure d'un alliage recristallisé (coulée D, exemple 2). 15. La figure 6 représente les microstructures obtenues selon les gammes A et B de l'exemple 3. La figure 7 représente la microstructure recristallisée d'une tôle relative à l'exemple 4. La figure 8 représente de façon schématique les courbes de revenu isothermes et la définition des paramètres: t(T), tm(T), T, TM. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne des tôles minces en alliage AI-Li-Cu-Mg dont la teneur en Zr est hors (ou selon) l'invention et le revenu final pratiqué hors (ou selon) les conditions de l'invention. Deux alliages de composition suivante (% en poids) A/ Li: 2,5 - Cu: 1,30 Mg:0,90 - Zr: 0,12 - Fe: 0,05 - Si: 0,04 B/ Li: 2,5 - Cu: 1,35 - Mg:0,90 Zr: 0,05 - Fe: 0,05 - Si: 0,05 reste AI, ont été coulés en semi-continu sous forme de plaques de 800 x 300 mm2 de section et de 1200 kg chacune. Les plaques ont été homogénéisées 24 h à 535 C, scalpées à une section de 770 x 270 mm2, réchauffées à 470-C pendant 12 heures, laminées à chaud à partir de 460-C jusqu'à 4,6 mm d'épaisseur. Les bandes brutes de laminage à chaud ont été recuites en bobines avec un maintien de 1 h à 450 C (montée et descente en température de l'ordre de 'C/h), laminées à froid jusqu'à 3,2 mm d'épaisseur, recuites à nouveau (comme précédemment) et relaminées à froid jusqu'à 2,3 mm d'épaisseur. Les tôles ainsi obtenues ont été mises en solution dans un four à air: 20 mn à 533'C, trempées à l'eau froide (O d'allongement, avant de subir divers revenus, comme reportés dans le tableau 1. Les caractéristiques mécaniques de traction, dans diverses directions et les résultats d'essais de pliage et d'emboutissage (essai Erichsen) sont reportés au tableau 1. La figure 3 représente l'évolution de la longueur d'une fissure de fatique de l'alliage B sous contrainte sinusoïdale avec contrainte maximale de 130 MPa, contrainte minimale de 50 MPa, à la fréquence de 30 Hz, sur une éprouvette à fissure centrale de 160 mm de large et de 2,3 mm d'épaisseur, dans 3 états de revenu: A 12 h à 210'C - B: 24 h à 190 C - C: 24 h à 150 C. Cet exemple montre que seule la conjonction d'une teneur en Zr faible (0,05 %) et d'un sous-revenu (24 h à 150'C) permet d'obtenir un produit recristallisé possédant une bonne ductilité et relativement isotrope (A % > 10 %, rayon de pliage 3e et flèche Erichsen > 3 mm). EXEMPLE 2 Cet exemple concerne un tube étiré à froid avec zirconium élevé (hors l'invention) et un zirconium faible (selon l'invention). Deux alliages de composition suivante (% en poids) C/ Li: 2,60 - Cu: 1,30 - Mg: 1,05 - Zr: 0,13 - Fe: 0,04 - Si: 0,02 D/ Li: 2,65 - Cu: 1,35 - Mg: 1,00 - Zr: 0,08 - Fe: 0,04 - Si: 0,03 reste Ai ont été coulés en semicontinu sous forme de billettes 0 200 mm, de 150 kg chacune. Les lopins de filage ont été écroités à 0 138 mm, filés à 400'C en ébauche de tube % 50/40 mm, recuits & 450-C-1 h. refroidis à l'air calme, étirés à froid de 100 %, mis en solution à 535-C pendant lh30 mn, trempés à l'eau froide et revenus soit 24 h à 190'C (coulée C, revenu hors l'invention), soit 24 h à 170'C (coulée D, revenu selon l'invention). l Les caractéristiques mécaniques en long obtenues sur d'épaisseur ainsi obtenu sont les suivantes: Coulée C le tube de 3 mm D R 0,2 (MPa) Rm (MPa) A% sur 5,65 495 (rupture fragile) non recritallisée (fig.4) recristallisée (fig.5) EXEMPLE 3 (selon l'invention) Un alliage contenant (en poids) 2,00 % Li - 2,05 % Cu - 1,45 % Mg - 0,08 % Zr - 0,06 % Fe - 0, 03 % Si, reste AI, a été coulé en semi-continu en plateau de section 800 x 300 mm2 d'un poids de 1200 kg, homogénéisé 24 h à 525-C, découpé, scalpé à 770 x 270 mm2 de section, réchauffé 12 h à 470-C, laminé à chaud jusqu'à 3,8 mm (à partir de 460-C), recuit 1 h à 450'C avec montée et descente en température à ± 25 C/h (gamine A) ou recuit 1 h à 450'C suivi d'une trempe à l'eau froide (gamme B), laminé à froid jusqu'à 1,6 mm, mis en solution 20 mn à 528'C, trempé à l'eau froide, plané, tractionné de 2 % et revenu 12h à 170'C. Les résultats d'essais de traction dans les sens long et travers long sont reportés ci-après Structure 6,7 Gamme A B 1 0 Les structures obtenues sont recristallisées, la taille de grain étant de l'ordre de 40urm pour la gamme A et de 80 pm pour la gamme B (voir fig. 6). EXEMPLE 4 (selon l'invention) Un alliage contenant (en poids) 2,5 % Li - 1,45 % Cu - 1 % Mg - 0,05 % Fe - 0,03 % Si - 0,05 % Zr - 0,20 % Mn a été coulé en semi-continu sous forme d'un plateau de 300 x 100 mm2 scalpé à 270 x 70 mm2 de section, réchauffé 6 h à 470 C, laminé entre 460 C et 300 C jusqu'à 3,2 mm, recuit 1 h à 450 C (refroidissement air calme), laminé à froid jusqu'à 1,6 mm, mis en solution 20 minutes à 536-C, trempé à l'eau froide, tractionné de 2 %, revenu 12 h à 150 C. Les résultats d'essais de traction dans les sens long (L), travers long (TL), et à ' de la direction de laminage, sont reportés ci-après Sens R 0, 2 (MPa) Rm (MPa) A % sur 5,65 \| Long 12,7 T. Long ,1 12,0 La structure obtenue est recristallisée avec une grosseur de grain voisine de 60 vm (voir fig. 7). Sens Long T.Long Long T.Long R 0,2 (MPa) 351 363 352 349 Rm MPa) 432 468 437 455 A% sur 5,65 vso 16,5 15,0 15,4 15 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ -- - - - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - w ui w CD o TABLEAU I LM o ui Flache CouléeRevenu Direction R 0.2 Rm Rayon de Eriche CuléeRevenu prélèvement (MPa) (MPa) A pliage (++)hse Observatis (mm) 12 h à 150 C L 364 439 4,8 impossible Structure non re- (sous revenu) 60 338 469 10,1 - 1,5 cristallisée (fig. 1) TL 380 451 3,7 impossible 24 h à 190 C L 451 489 6,1 impossible Structure non re- (durcissement 60 435 513 9,8 - 1,5 cristallisée (fig. 1) maximum) TL 482 523 3,8 impossible A------------------------------------------------------ - - - ---- 12 h à 210 C L 440 491 7,0 impossible Structure non re- (sur-revenu) 60 415 497 8,9 - 1,2 cristallisée (Fig. 1) TL 454 505 3,8 impossible 24 h à 150 C L 371 462 13,5 2,7 e Structure recristal- (sous revenu) 60 305 431 14,0 - 3,3 lisee (grain,50Oum) TL 338 458 10,5 3,1 e (fig. 2) 24 h à 190 C L 432 476 5,3, 7 e Structure recristal- (durcissement 60 390 452 6,5 - 1,5 lisée (fig. 2) maximum) TL 420 477 4, 5 7 e B - - - -- - - - - - - - à- - -- - - - - - - - -à-- - - à--- -- -- - - - - -- - - - - - - - - - - - 12 h à 210 C L 406 458 6,0 casse Structure recristal- (sur-revenu) 60 356 447 7,4 1,2 lisée (fig. 2) TL 386 458 3,9 casse 1. L: TL: : ++ sens long (direction de laminage) sens travers (à 90 de la direction de laminage) (à 60 de la direction de laminage) pliage à 180 (é: épaisseur) oe o - + REVENDICATIONS 1. Produit à base d'AI contenant (en poids) de 1 à 3,5 % Li, jusqu'à 4 % de Cu, jusqu'à 5 % de Mg, jusqu'à 3 % de Zn et des additions de Mn, Cr et/ou Zr caractérisé en ce qu'il contient jusqu'à 0,10 % Zr, jusqu'à 0,8 % Mn, jusqu'à 0,2 % Cr avec %Zr/0,03 + %Mn/0,3 + %Cr/0,07 > 1, et en ce que sa structure est recristallisée avec une grosseur moyenne de grain inférieure ou égale à 200 Pm. 2. Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour Zr et pour Zr 4 0,09 % on a Cr 3. Méthode d'obtention d'un alliage recristallisé à base d'Al, selon l'une des revendications 1 ou 2 contenant (en poids) de 1 à 3,5 % Li, jusqu'à 4 % de Cu, jusqu'à 5 % de Mg, jusqu'à 3 % de Zn et des additions de Mn, Cr, et/ou Zr comprenant la coulée, une densification éventuelle, une détente éventuelle, une homogénéisation éventuelle, une transformation à chaud et éventuellement à froid avec recuits intermédiaires si nécessaire, une mise en solution, une trempe, un écrouissage à froid éventuel, et un revenu, caractérisée en ce que les teneurs en Zr, Mn et Cr sont comprises dans les limites suivantes Zr. 0,10 % Mn \ 0,8 % Cr 1, et en ce que le revenu est effectué dans un domaine de températures (T) inférieures ou égales à la température de revenu isotherme (TM) conduisant au maximum de dureté, la durée du maintien isotherme t(T) à (T) étant inférieure ou égale à la durée du maintien isotherme tm(T) qui conduit à la dureté maximale à cette température (T). 4. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que pour Zr a , 0,08 % on a %Zr/0.09 + %Mn/3,6 et pour Zr 5. Méthode selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisée en ce que les températures de revenu sont inférieures ou 6gales & TM -15 C. 6. Méthode selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisée en ce que la durée t(T) de maintien lors du revenu à la température T est inférieure ou égale à tm(T)/2. I-