Brevet FR3026410A1 — publié le 20160401

Produit corroyé en alliage aluminium magnésium lithium Domaine de l'invention L'invention concerne des produits corroyés en alliage aluminium-magnésium-lithium, plus particulièrement de tels produits au compromis de propriétés amélioré, notamment un compromis amélioré entre limite d'élasticité en traction et ténacité desdits produits. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication ainsi que l'utilisation de ces produits destinés en particulier à la construction aéronautique et aérospatiale. Etat de la technique Des produits corroyés en alliage d'aluminium sont développés pour produire des pièces de haute résistance destinées notamment à l'industrie aéronautique et à l'industrie aérospatiale. Les alliages d'aluminium contenant du lithium sont très intéressants à cet égard, car le lithium peut réduire la densité de l'aluminium de 3 % et augmenter le module d'élasticité de 6 % pour chaque pourcent en poids de lithium ajouté. En particulier, les alliages d'aluminium contenant simultanément du magnésium et du lithium permettent d'atteindre des densités particulièrement faibles et ont donc été extensivement étudiés. Le brevet GB 1,172,736 enseigne un alliage contenant 4 à 7% en poids Mg, 1,5 - 2,6 % Li, 0,2 - 1% Mn et/ou 0,05 - 0,3 % Zr, reste aluminium, utile pour l'élaboration de produits présentant une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à la corrosion, une faible densité et un module d'élasticité élevé. Lesdits produits sont obtenus par un procédé comprenant une trempe optionnelle puis d'un revenu. A titre d'exemple, les produits issus du procédé selon GB 1,172,736 présentent une résistance à la rupture allant d'environ 440MPa à environ 490 MPa, une limite d'élasticité en 1 traction allant d'environ 270 MPa à environ 340 MPa et un allongement à la rupture de l'ordre de 5-8%. La demande internationale WO 92/03583 décrit un alliage utile pour les structures aéronautiques ayant une faible densité et de formule générale MgaLibZncAgdAlbab dans lequel a est compris entre 0,5 et 10%, b est compris entre 0,5 et 3%, c est compris entre 0,1 et 5%, d est compris entre 0,1 et 2% et bal indique que le reste est de l'aluminium. Ce document divulgue également un procédé d'obtention dudit alliage comprenant les étapes : a) couler d'un lingot de composition ci-avant décrite, b) retirer les contraintes résiduelles dudit lingot par traitement thermique, c) homogénéiser par chauffage et maintien en température puis refroidir le lingot, d) laminer à chaud ledit lingot jusqu'à son épaisseur finale, e) mettre en solution puis tremper le produit ainsi laminé, f) tractionner le produit et g) réaliser un revenu dudit produit par chauffage et maintien en température. Le brevet US 5,431,876 enseigne un groupe d'alliages ternaire d'aluminium lithium et magnésium ou cuivre, incluant au moins un additif tel que le zirconium, le chrome et/ou le manganèse. L'alliage est préparé selon des procédés connus de l'homme du métier comprenant, à titre d'exemple, une extrusion, une mise en solution, une trempe, une traction du produit de 2 à 7 % puis un revenu. Le brevet US 6,551,424 décrit un procédé de fabrication de produits laminés en alliage aluminium-magnésium-lithium de composition (en % en poids) Mg: 3,0 - 6,0; Li : 0,4 - 3,0; Zn jusqu'à 2,0; Mn jusqu'à 1,0; Ag jusqu'à 0,5; Fe jusqu'à 0,3; Si jusqu'à 0,3; Cu jusqu'à 0,3 ; 0,02 - 0,5 d'un élément sélectionné dans le groupe consistant en Sc, Hf, Ti, V, Nd, Zr, Cr, Y, Be, ledit procédé incluant un laminage à froid dans le sens de la longueur et dans le sens de la largeur. Le brevet US 6,461,566 décrit un alliage de composition (en % en poids) Li: 1,5 - 1,9; Mg : 4,1 - 6,0 ; Zn 0,1 - 1,5 ; Zr 0,05 - 0,3 ; Mn 0,01 - 0,8 ; H 0,9 x 10-5 - 4,5 x 10-5 et au moins un élément sélectionné dans le groupe Be 0,001 - 0,2; Y 0,001 - 0,5 et Sc 0,01 -0,3. La demande de brevet WO 2012/16072 décrit un produit corroyé en alliage 30 d'aluminium de composition en % en poids, Mg: 4,0 - 5,0 ; Li: 1,0 - 1,6 ; Zr: 0,05 - 0,15 ; Ti : 0,01 -0,15 ; Fe : 0,02- 0,2 ; Si : 0,02 - 0,2 ; Mn : Les produits corroyés en alliage aluminium-magnésium-lithium présentent une faible densité et sont donc particulièrement intéressants dans le domaine extrêmement exigeant de l'aéronautique. Pour que de nouveaux produits soient sélectionnés dans un tel domaine, leur performance doit être significativement améliorée par rapport à celle des produits existants, en particulier leur performance en terme de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique (notamment limite d'élasticité en traction et en compression, résistance à la rupture) et les propriétés de tolérance aux dommages (ténacité, résistance à la propagation des fissures en fatigue), ces propriétés étant en général antinomiques. Ces alliages doivent également présenter une résistance à la corrosion suffisante, 20 pouvoir être mis en forme selon les procédés habituels et présenter de faibles contraintes résiduelles de façon à pouvoir être usinés sans distorsion substantielle lors dudit usinage. Il existe donc un besoin pour des produits corroyés en alliage aluminium-magnésiumlithium présentant une faible densité ainsi que des propriétés améliorées par rapport à 25 celles des produits connus, en particulier en termes de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique et les propriétés de tolérance aux dommages. Concernant les propriétés de tolérance aux dommages, les produits corroyés doivent en particulier présenter une ténacité élevée ainsi qu'une faible propension au délaminage. De tels produits doivent de plus pouvoir être obtenus selon un procédé de fabrication fiable, 30 économique et facilement adaptable à une ligne de fabrication conventionnelle. 3 Objet de l'invention Un premier objet de l'invention est un produit corroyé en alliage d'aluminium de composition, en % en poids, Mg : 4,0 - 5,0; Li : 1,0 - 1,8 ; Mn : 0,3 - 0,5 ; Zr: 0,05 - 0,15 ; Ag : Le procédé de fabrication des produits selon l'invention comprend les étapes successives d'élaboration d'un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage AlMg-Li de composition particulière, la coulée dudit alliage sous forme brute, optionnellement l'homogénéisation de ladite forme brute ainsi coulée, la déformation à chaud de ladite de forme brute pour obtenir un produit déformé à chaud, optionnellement la mise en solution séparée du produit ainsi déformé à chaud, la trempe dudit produit déformé à chaud, optionnellement le dressage/planage du produit déformé et trempé, optionnellement la déformation à froid de façon contrôlée du produit déformé et trempé pour obtenir une déformation permanente à froid de 1 à 10 %, de préférence de 2 à 6%, plus préférentiellement encore de 3 à 5%, le revenu dudit produit déformé et trempé. Selon un mode de réalisation avantageux, l'étape de revenu est réalisée avant l'étape de déformation à froid de façon contrôlée. Le procédé de fabrication consiste donc tout d'abord à la coulée d'une forme brute en alliage Al-Mg-Li de composition, en % en poids : Mg : 4,0 - 5,0; Li : 1,0 -1,8; Mn: 0,3 - 0,5 ; Zr : 0,05 - 0,15; Ag : Les produits corroyés selon l'invention présentent des caractéristiques particulièrement avantageuses en comparaison à des produits corroyés identiques mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. On entend par « produits corroyés identiques » des produits en alliage d'aluminium de même composition, en % en poids, à l'exception du Mn et obtenus selon le même procédé de fabrication, en particulier des produits corroyés dans le même état métallurgique selon la norme EN515 et présentant le même taux de déformation en traction permanente en traction obtenu par traction de façon contrôlée. Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés selon l'invention présentent un moindre délaminage sur les surfaces de rupture des éprouvettes K1 c 15 obtenues suivant la norme ASTM E399 que des produits corroyés identiques mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. Selon un mode de réalisation compatible avec le mode précédent, les produits corroyés selon l'invention ont à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, une limite d'élasticité en traction Rm (L) supérieure à celle de produits corroyés 20 identiques mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. Selon un mode de réalisation compatible avec les modes précédents, les produits corroyés selon l'invention ont, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) supérieure à celle de produits 25 corroyés identiques mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés à l'état T8, avantageusement à l'état T8 avec une déformation permanente à froid supérieure à 4%, selon l'invention présentent, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 30 mm, au moins une propriété de résistance mécanique statique parmi les propriétés (i) à 12 (iii) et au moins une propriété de tolérance aux dommages parmi les propriétés (iv) à (y) (i) une limite d'élasticité en traction Rm (L) > 450 MPa, de préférence Rm (L) > 455 MPa; (ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) > 330 MPa et de préférence Rp0,2 (L) > 350 MPa; (iii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (TL) > 300 MPa et de préférence Rp0,2 (TL)? 320 MPa; (iv) une ténacité, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8 mm, KQ (L-T) > 24 MPelm, de préférence KQ (L-T)? 26 MPa-Vm ; (y) un facteur d'intensité de contrainte correspondant à la force maximale Pmax, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8mm, Kmax (L-T) > 30 MPa-\lm, de préférence Km. (L-T) > 32 MPelm. Selon un mode de réalisation avantageux, les produits corroyés à l'état T9, avantageusement à l'état T9 avec une déformation permanente à froid supérieure à 4%, selon l'invention présentent, à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, au moins une propriété de résistance mécanique statique parmi les propriétés (i) à (iii) et au moins une propriété de tolérance aux dommages parmi les propriétés (iv) à (y) (i) une limite d'élasticité en traction Rm (L) > 450 MPa, de préférence Rm (L) > 460 MPa; (ii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) > 380 MPa et de préférence Rp0,2 (L) 410 MPa; (iii) une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (TL) > 320 MPa et de préférence Rp0,2 (TL)? 340 MPa; (iv) une ténacité, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8 mm, KQ (L-T) > 20 MPa-Vm, de préférence KQ (L-T) 22 MPa-Jm ; 13 (y) un facteur d'intensité de contrainte correspondant à la force maximale Pmax, mesurée selon la norme ASTM E399 avec des éprouvettes CT8 de largeur W = 16 mm et d'épaisseur = 8mm, Km ax (L-T) 222 MPaNlm, de préférence Kmax (L-T)? 25 MPa-Vm. Les produits filés selon l'invention présentent des caractéristiques particulièrement avantageuses. Les produits filés ont de préférence une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 15 mm, mais des produits d'épaisseur supérieure à 15 mm, jusque 50 mm ou même 100 mm ou plus peuvent avoir également des propriétés avantageuses. L'épaisseur des produits filés est définie selon la norme EN 2066 : 2001 : la section transversale est divisée en rectangles élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension du rectangle élémentaire et B pouvant être considéré comme l'épaisseur du rectangle élémentaire. La semelle est le rectangle élémentaire présentant la plus grande dimension A. Les produits corroyés selon l'invention sont avantageusement utilisés pour réaliser des éléments de structure d'aéronef, notamment d'avions. Des éléments de structure d'aéronef préférés sont notamment une peau de fuselage, un cadre de fuselage, un raidisseur ou une lisse de fuselage ou encore une peau de voilure, un raidisseur de voilure, une nervure ou un longeron. Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détails à l'aide des exemples illustratifs et non limitatifs suivants. Exemples Exemple 1 Plusieurs formes brutes en alliage Al-Mg-Li dont la composition est donnée dans le tableau 1 ont été coulées. L'alliage B présente une composition selon l'invention. La densité des alliages A et B, calculée en conformité avec la procédure de The Aluminium Association décrite en pages 2-12 et 2-13 de « Aluminum Standards and Data », est de 2,55. 14 Tableau 1 - Composition en % en poids et densité des alliages Al-Mg-Li utilisés Alliage Ag Li Si Fe Cu Ti Mn Mg Zn Zr Na Ca Densité (PPm) (PPm) A 0,10 1,39 0,04 0,05 0,01 0,03 0,14 4,56 0,03 0,12 8 22 2,55 B 0,11 1,39 0,03 0,06 0,01 0,03 0,41 4,57 0,03 0,11 8 15 2,55 Des billettes de 358 mm de diamètre ont été réalisées dans les formes brutes. Elles ont été réchauffées à 430-440°C puis déformées à chaud par filage sur une presse sous forme d'un profilé pour cadre de fuselage tel que représenté à la figure 1. Les produits ainsi filés ont été trempés à l'air (trempe sur presse). Ils ont ensuite subi : - pour les produits à l'état final T6 : un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C; - pour les produits à l'état final T8: une traction contrôlée avec déformation 10 permanente de 3 ou 5% (respectivement T8-3% et T8-5%) puis un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C; - pour les produits à l'état final T9 : un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C puis une traction contrôlée avec déformation permanente de 3 ou 5% (respectivement T9-3% et T9-5%). 15 Des échantillons ont été testés pour déterminer leurs propriétés mécaniques statiques (limite d'élasticité Rp0,2 en MPa, résistance à la rupture Rin en MPa, et allongement A en % ). Les résultats obtenus sont donnés dans les tableaux 2 (sens L) et 3 (sens TL) ci- 20 dessous. Ces résultats sont les moyennes de 4 mesures effectuées sur des échantillons prélevés sur 4 positions sur le cadre de fuselage (postions référencées a, b, c et d sur la figure 1) pour le sens L et de 2 mesures effectuées sur des échantillons prélevés sur 1 position unique, référencée c sur la figure 1, pour le sens TL. 25 Tableau 2 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens L) Alliage Propriété T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%) mécanique A Rm (MPa) 427 447 449 449 460 15 Rp0,2 (MPa) 298 330 346 382 409 A (%) 12 11 10 9 9 B Rm (MPa) 441 453 459 460 468 Rp0,2 (MPa) 321 340 354 398 418 A (%) 11 10 9 8 7 Tableau 3 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens TL) Alliage Propriété T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%) mécanique A Rm (MPa) 441 441 439 441 454 Rp0,2 (MPa) 308 308 302 335 371 A (%) 14 14 13 11 9 B Rm (MPa) 444 456 459 456 467 Rp0,2 (MPa) 298 309 333 328 347 A (%) 15 14 14 10 11 Une teneur en Mn de l'alliage Al-Mg-Li d'environ 0,4 % en poids (alliage B) permet d'améliorer significativement la résistance mécanique de alliage (Rp0,2 et Rm), notamment la résistance mécanique dans le sens L, par rapport à celle d'un alliage présentant une teneur en Mn d'environ 0,14 % en poids (alliage A). Par ailleurs, les propriétés mécaniques, en particulier pour l'alliage B, augmentent avec l'augmentation de la traction contrôlée (T6 Exemple 2 Plusieurs formes brutes en alliage Al-Mg-Li dont la composition est donnée dans le tableau 1 de l'exemple précédent ont été coulées. L'alliage B présente une composition selon l'invention. Des billettes de 358 mm de diamètre ont été réalisées dans les formes brutes. Elles ont été réchauffées à 430-440°C puis déformées à chaud par filage sur une presse sous 16 forme d'une barre plate (100 mm x 10 mm). Les produits ainsi filés ont été trempés à l'air (trempe sur presse). Ils ont ensuite subit : - pour les produits à l'état final T6 : un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C; - pour les produits à l'état final T8: une traction contrôlée avec déformation permanente de 3 ou 5% (respectivement T8-3% et T8-5%) puis un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C; - pour les produits à l'état final T9 : un revenu bi-palier effectué pendant 30h à 120°C suivi de 10h à 100°C puis une traction contrôlée avec déformation permanente de 3 ou 10 5% (respectivement T9-3% et T9-5%). Des échantillons ont été testés pour déterminer leurs propriétés mécaniques statiques (limite d'élasticité, Rp0,2, en MPa ; résistance à la rupture, Rm, en MPa et allongement, A, en % ). 15 Les résultats obtenus sont donnés dans les tableaux 4 (sens L) et 5 (sens TL) ci- dessous. Tableau 4 - Propriétés mécaniques des produits obtenus (sens L). Alliage Propriété T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%) mécanique A Rm (MPa) 421 439 441 444 453 Rp0,2 (MPa) 286 319 330 381 398 A (%) 13 11 11 9 10 B Rm (MPa) 439 453 456 451 462 Rp0,2 (MPa) 309 337 352 383 424 A (%) 11 10 8 9 6 20 Tableau 5 - Pro riétés mécani ues des oroduits obtenus sens TL . Alliage Propriété T6 T8 (3%) T8 (5%) T9 (3%) T9 (5%) mécanique A Rm (MPa) 400 428 417 430 438 Rp0,2 (MPa) 267 300 303 334 345 A (%) 16 17 15 14 14 B Rm (MPa) 423 437 447 448 449 Rp0,2 (MPa) 290 315 323 339 371 A (%) 16 16 16 14 12 17 Une teneur en Mn de l'alliage Al-Mg-Li d'environ 0,4 % en poids (alliage B) permet d'améliorer significativement la résistance mécanique de alliage (Rp0,2 et Rm), notamment la résistance mécanique dans le sens L, par rapport à celle d'un alliage présentant une teneur en Mn d'environ 0,14 % en poids (alliage A). Par ailleurs, les propriétés mécaniques, en particulier Rp0,2, augmentent avec l'augmentation de la traction contrôlée (T6 La ténacité des produits a été caractérisée par l'essai de K1 c suivant la norme ASTM E399. Les essais ont été effectués avec une éprouvette CT8 (B = 8mm, W = 16 mm). Les valeurs de KQ ont toujours été invalides selon la norme ASTM E399, en particulier par rapport au critère Pmax/PQ REVENDICATIONS1. Produit corroyé en alliage d'aluminium de composition, en % en poids, Mg : 4,0 - 5,0; Li : 1,0 - 1,8 ;Mn : 0,3 - 0,5 ; Zr : 0,05 - 0,15 ; Ag : 2. Produit corroyé selon la revendication 1 présentant une teneur en Mn, en % en poids, de 0,35 à 0,45. 3. Produit corroyé selon la revendication 1 ou 2 présentant une teneur en Zn, en % en poids, inférieure à 0,04%, préférentiellement inférieure ou égale à 0,03%. 4. Produit corroyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 présentant une teneur en Fe, en % en poids, inférieure à 0,08%, préférentiellement inférieure ou également à 0,07%, préférentiellement encore inférieure ou égale à 0,06%. 5. Produit corroyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 présentant une teneur en Li, en % en poids, inférieure à 1,6%, préférentiellement inférieure ou également à 1,5%, préférentiellement encore inférieure ou égale à 1,4%. 6. Produit corroyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 présentant un moindre délaminage sur les surfaces de rupture des éprouvettes K 1 c obtenues suivant la norme ASTM E399 qu'un produit corroyé identique mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. 7. Produit corroyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ayant à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, une limite d'élasticité en traction Rm (L) supérieure à celle d'un produit corroyé identique mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. 21 3026410 8. Produit corroyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ayant à mi-épaisseur, pour une épaisseur comprise entre 0,5 et 15 mm, une limite d'élasticité en traction Rp0,2 (L) supérieure à celle d'un produit corroyé identique mais présentant pour seule différence une teneur en Mn, en % en poids, inférieure à 0,3. 9. Procédé de fabrication d'un produit corroyé dans lequel : (a) on coule une forme brute en alliage d'aluminium de composition, en % en poids : Mg: 4,0 - 5,0 ; Li : 1,0 -1,8; Mn : 0,3 - 0,5 ; Zr : 0,05 - 0,15; Ag : 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'étape de revenu (h) est réalisée avant l'étape de déformation à froid de façon contrôlée (g). 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel la déformation à chaud de l'étape (c) est une déformation par filage de la forme brute. 12. Procédé selon l'une quelconques des revendications 9 à 11 dans lequel la trempe de l'étape (e) est une trempe sur presse. 13. Utilisation d'un produit corroyé selon l'une quelconques des revendications 1 à 8 ou obtenu selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, pour réaliser un élément de structure 22 , 3026410 d'aéronef, préférentiellement une peau de fuselage, un cadre de fuselage, un raidisseur ou lisse de fuselage ou une nervure.