Brevet FR2721041A1 — publié le 19951215

TOLE D'ALLIAGE ALUMINIUM-SILICIUM DESTINEE A LA CONSTRUCTION MECANIQUE, AERONAUTIQUE ET SPATIALE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des tôles en alliages d'aluminium à moyenne et haute résistance utilisées dans la construction mécanique, aéronautique et spatiale et dans l'armement. ART ANTERIEUR Depuis de nombreuses années, on utilise dans la construction aéronautique et spatiale des alliages d'aluminium à haute résistance, essentiellement des alliages Al-Cu de la série 2000 (selon la désignation de l'Aluminum Association aux USA), par exemple les alliages 2014, 2019 et 2024, et des alliages Al-Zn-Mg et Al-Zn-Mg-Cu de la série 7000, par exemple les alliages 7020 et 7075. Le choix d'un alliage et d'une gamme de transformation, en particulier de traitement thermique, résulte d'un compromis souvent délicat entre diverses propriétés d'emploi telles que les caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la rupture, limite élastique, module d'élasticité, allongement), la résistance à la fatigue, importante pour des avions soumis à des cycles répétés de décollage-atterrissage, la tenacité, c'est-à-dire la résistance à la propagation de fissures et la corrosion sous tension. Il faut en plus tenir compte de l'aptitude de l'alliage à être coulé, laminé et traité thermiquement dans de bonnes conditions, de sa densité et éventuellement de sa soudabilité. Depuis plus de trente ans, des progrès continus ont été accomplis pour améliorer les propriétés des alliages 2000 et 7000 utilisés en tôles minces pour le fuselage des avions et en tôles moyennes et épaisses pour les voilures ou les réservoirs cryogéniques des lanceurs et missiles, dans le but, en particulier, d'alléger les structures sans compromettre les autres propriétés. Un pas important dans l'allégement a été accompli avec le développement des alliages aluminium-lithium. Ainsi, un alliage 8090 à 2,6% de lithium conduit à un module spécifique (rapport du module d'élasticité à la densité) supérieur d'environ 20% à celui du 2024 et de 24% à celui du 7075. Les alliages à plus forte teneur en cuivre et à plus faible teneur en lithium, comme le 2095, ont été aussi développés à cause de leur bon compromis entre la densité, le module d'élasticité et la soudabilité. Dans ce cas, le gain sur le module spécifique est d'environ 12% par rapport au 2219. Cependant, ces alliages restent encore peu utilisés, essentiellement en raison de leur coût de fabrication élevé. OBJET DE L'INVENTION La demanderesse, poursuivant ses recherches d'alliages pour alléger les structures des avions, s'est aperçu qu'une autre categorie d'alliages utilisés habituellement sous forme moulée, les alliages Al-Si de la série 4000, permettait non seulement d'améliorer de manière sensible, entre 5 et 10%, le module spécifique par rapport aux alliages 2000 et 7000, mais présentait aussi un faisceau de propriétés en matière de tenacité, résistance à la fatigue et corrosion sous tension repondant aux exigences sévères de la construction aéronautique, sans poser de problème difficile à la coulée, au laminage et au traitement thermique. De plus, ces alliages présentent une soudabilité bien meilleure que la plupart des 2000 et 7000, et au moins équivalente aux alliages de ces séries spécialement dédiés au soudage, comme les alliages 2219 et 7020. Ils présentent enfin une résistance à la température bien meilleure que celle de la plupart des alliages 2000 et 7000, et au moins équivalente à celle d'alliages de ces séries spécialement étudiés pour leur tenue en température, tels que les alliages 2019 et 2618. Les alliages Al-Si sont utilisés très largement pour la fabrication de pièces moulées. Ils présentent cependant, sous cette forme, des propriétés de résistance mécanique, de fatigue et de tenacité bien inférieures à celles des alliages 2000 et 7000 corroyés et transformés utilises en pièces de structure. Dans de rares cas, ils peuvent être utilisés sous forme laminée, notamment pour la couverture de tôles plaquées destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés. On utilise ainsi, par exemple, les alliages 4343, 4104, 4045 et 4047, les propriétés recherchées dans ce cas étant essentiellement une température de fusion faible et une bonne mouillabilité. Les alliages Al-Si peuvent également être filés sous forme de barres ou profilés qui, en raison de leur bonne résistance à l'usure et la température, sont utilisés dans des pièces mécaniques telles que bielles, maîtres-cylindres de freins, arbres de transmission, paliers et divers composants de moteurs et de compresseurs. Un des alliages utilise à cette fin est le 4032. Mais jamais personne jusqu'à présent n'a eu l'idée d'utiliser les alliages Al-Si en tôles pour la construction mécanique ou aéronautique par assemblages mécaniques ou soudés. L'invention a ainsi pour objet des tôles destinées à la construction mécanique, aéronautique ou spatiale en alliage de composition suivante (en poids): Si: 6,5 à 11% Mg: 0,5 à 0,8% Cu: Fe: Mn: Sr: Ti: La teneur préférentielle en silicium est, de préférence, comprise entre 6,5 et 8%, correspondant à celle de l'alliage AS7G. Un autre objet de l'invention est l'utilisation de tôles moyennes ou épaisses de cet alliage pour les intrados d'ailes d'avions, de tôles minces de revêtement de fuselages d'avions, de tôles pour la fabrication de réservoirs cryogéniques de fusées, de planchers et bennes de véhicules industriels. DESCRIPTION DE L'INVENTION Les tôles selon l'invention ont des teneurs en silicium correspondant globalement aux domaines des alliages AS7G et AS9G selon la norme française NF A 57-702 ou les désignations A 357 et A 359 de l'Aluminum Association. Le magnésium ne doit pas dépasser 0,8% pour éviter la formation de composé intermétallique Mg2Si insoluble. Le cuivre doit être limité à 0,3% pour éviter la formation de phases insolubles Mg2Si et Q (AlMgSiCu). Cette teneur permet également de limiter la sensibilité à la corrosion intercristalline. Le fer est également limité à 0,08% comme il l'est dans les alliages 7000 pour tôles fortes. La présence de titane est liée à l'affinage des plaques au titane, identique à celui qui est pratiqué pour les alliages actuels à moyenne et haute résistance. Comme celà se fait habituellement pour les alliages de moulage de qualité, il est nécessaire de modifier l'alliage pour éviter la formation de silicium primaire et obtenir une structure eutectique fibrée finement dispersée. Pour cette opération, le strontium est préférable au sodium qui pourrait engendrer une fragilité à chaud à la transformation. Les tôles selon l'invention peuvent être obtenues par coulée verticale de plaques, homogénéisation entre 530 et 550"C d'une durée inférieure à 20h , suffisamment courte pour eviter une globulisation de l'eutectique fibreux et une coalescence marquée des dispersoides au manganèse, un laminage à chaud jusqu'à 6 mm, éventuellement un laminage à froid dans le cas de tôles minces, une mise en solution incomplète entre 545 et 555"C, une trempe à l'eau froide et éventuellement un revenu entre 6 et 24 h à une température comprise entre 150 et 195"C. On peut ainsi obtenir à l'état T6 une limite élastique supérieure à 340 MPa, un allongement supérieur à 4 % et une tenacité, mesurée par le facteur critique d'intensité de contraintes Klc, supérieure à 21 MPaVn. Dans ces conditions, l'alliage est soudable par des procédés conventionnels TIG ou MIG, continus ou pulsés, selon qu'il s'agit d'une tôle mince ou épaisse, et sa densité est toujours inférieure à celle des alliages 2000 et 7000 traditionnels ainsi qu'aux alliages Al-Li à teneur en lithium inférieure à 1% EXEMPLE On a élaboré par coulée verticale des plaques d'alliage de composition suivante (en poids): Si: 7% Mg: 0,7% Cu: 0,25% Fe: 0,06% Mn: 0,3% Sr: 0,016% Ti: 0,01% le total des autres éléments étant inférieur à 0,2% et le reste étant de l'aluminium. L'alliage a été homogénéisé à 550"C pendant 7h, après une montée en température de 4h, puis laminé à chaud jusqu'à 20 mm d'épaisseur sur un laminoir réversible. Des tôles découpées ont été mises en solution, trempées et soumises à un revenu de 12h à 190 C. On a alors obtenu une limite élastique à 0,2% supérieure à 340 MPa, un allongement à la rupture de plus de 5% et une tenacité LT supérieure à 24 MPaXm. Dans cet état, l'alliage présente un module spécifique, rapporté à la densité, amélioré de 5% par rapport au 2024 et une résistance à l'usure élevée. A des températures cryogéniques (de l'ordre de -196 C), la limite élastique et la charge de rupture sont supérieures à celles obtenues à la température ambiante. REVENDICATIONS 1) Tôle en alliage d'aluminium destinée à la construction mécanique, aéronautique ou spatiale, caractérisée par la composition (en poids): Si: 6,5 à 11% Mg: 0,5 à 0,8% Cu: 0,3% Fe: Mn: Sr: 0,008 à 0,025% Ti: total autres éléments: balance aluminium. 2) Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Si est comprise entre 6,5 et 8%. 3) Utilisation de tôles moyennes ou épaisses selon l'une des revendications 1 ou 2 pour la fabrication d'intrados d'ailes d'avions. 4) Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 ou 2 pour le revêtement de fuselage d'avions. 5) Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 ou 2 pour la fabrication de réservoirs cryogéniques de fusées. 6) Utilisation de tôles selon l'une des revendications 1 ou 2 pour la fabrication de planchers ou de bennes de véhicules industriels. 7) Procédé de fabrication de tôles selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant les étapes suivantes: - coulée d'une plaque, - homogénéisation entre 530 et 550 C d'une durée inférieure à 20h - laminage à chaud et éventuellement à froid, - mise en solution entre 545 et 555"C, - trempe à l'eau froide et maturation. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est suivi d'un revenu de 6h à 24 h entre 150 et à 195"C.