Brevet FR3067044A1 — publié le 20181207

ALLIAGE D'ALUMINIUM COMPRENANT DU LITHIUM A PROPRIETES EN FATIGUE AMELIOREES Domaine de l'invention L'invention concerne les produits en alliage 2XXX à base d'aluminium comprenant du lithium, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, destinés en particulier à la construction aéronautique et spatiale. Etat de la technique Des produits en alliage d'aluminium sont développés pour produire des éléments structuraux destinés notamment à l'industrie aéronautique et à l'industrie spatiale. Les alliages aluminium- lithium sont particulièrement prometteurs pour fabriquer ce type de produit. Les spécifications imposées par l'industrie aéronautique pour la tenue en fatigue sont élevées et sont particulièrement difficiles à atteindre pour les produits épais. En effet, compte tenu des épaisseurs possibles des plaques coulées, la réduction d'épaisseur par déformation à chaud est assez faible et par conséquent les sites liés à la coulée sur lesquels s'initient les fissures de fatigue ne voient leur taille que faiblement réduite au cours de la déformation à chaud. Les alliages Al-Li offrent des compromis de propriétés généralement plus élevés que les alliages conventionnels, notamment en termes de compromis entre la fatigue, la tolérance au dommage et la résistance mécanique. Ceci permet en particulier de réduire l'épaisseur des produits corroyés en alliage Al-Li, maximisant ainsi plus encore la réduction de poids qu'ils apportent. Les contraintes courantes s'en trouvent cependant augmentées, induisant alors des risques plus élevés d'initiation de fissures de fatigue. Il est donc intéressant d'améliorer la résistance à la fatigue des produits en alliage Al-Li. Dans la demande WO 2012/110717, il est proposé pour améliorer les propriétés, notamment en fatigue, des alliages d'aluminium contenant en particulier au moins 0,1 % de Mg et/ou 0,1 % de Li de réaliser lors de la coulée un traitement ultrason. Cependant ce type de traitement nécessite une modification substantielle du four de coulée et reste difficile à effectuer pour les quantités nécessaires à la fabrication de tôles épaisses. 3067044 2 La demande US 2009/0142222 décrit des alliages pouvant inclure 3,4-4,2 % en poids de Cu, 0,9 - 1,4 % en poids de Li, 0,3 - 0,7 % en poids de Ag, 0,1 - 0,6 % en poids de Mg, 0,2 - 0,8 % en poids de Zn, 0,1 - 0,6 % en poids de Mn et 0,01 - 0,6 % en poids d'au moins un élément contrôlant la structure granulaire, le reste étant de l'aluminium, des 5 éléments incidents et des impuretés. La demande WO 2015/086921 décrit des alliages comprenant, en % en poids, Cu : 2,0 - 6,0 ; Li : 0,5 - 2,0 ; Mg : 0- 1,0 ; Ag : 0 - 0,7 ; Zn 0 - 1,0 ; et au moins un élément choisi parmi Zr, Mn, Cr, Sc, Hf et Ti, la quantité dudit élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,20 % en poids pour Zr, 0,05 à 0,8 % en poids pour Mn, 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr 10 et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, le reste étant de l'aluminium, des éléments incidents et des impuretés. Il existe un besoin pour des produits en alliage Al-Li présentant des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus, en particulier en termes de propriétés en fatigue tout en ayant des propriétés de ténacité et des propriétés de résistance mécanique statique 15 avantageuses. Par ailleurs, il existe un besoin pour un procédé simple et économique d'obtention de ces produits. Objet de l'invention 20 L'invention a pour objet un produit laminé, filé et/ou forgé en alliage 2XXX comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V. Selon un mode de réalisation, ledit produit corroyé selon l'invention présente une densité moyenne d de phases intermétalliques, exprimée en nombre de phases par mm2, telle que d -0,0886e + 177 avec e ---- épaisseur du produit en mm ; plus préférentiellement encore, le produit présente un tel indice de qualité fatigue, IQF, à 240 000 cycles (MPa) tel que : IQF > -0,0886e + 180. 25 Selon ce mode de réalisation avantageux, le produit laminé et/ou forgé présente une épaisseur comprise entre 30 à 140 mm, préférentiellement encore de 40 à 110 mm et plus préférentiellement encore entre 40 et 75 mm. Selon un mode de réalisation, le produit selon l'invention, dans un état laminé, mis en 30 solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant au moins un, préférentiellement au moins deux, et plus préférentiellement encore trois, des compromis de propriétés suivants améliorés par rapport à un produit en alliage de même composition à l'exception de sa teneur en Cr et/ou V: - Rp0,2 (L) et K1C (L-T), 3067044 14 - Rp0,2 (TL) et K1C (T-L) - Rp0,2 (TC) et K1C (TC-L). L'alliage selon l'invention est particulièrement destiné à la fabrication de produits 5 laminés et/ou forgés et, plus particulièrement, de produits laminés. Les produits selon l'invention peuvent de manière avantageuse être utilisés dans des éléments de structure, en particulier des éléments de structure d'avion. L'utilisation d'un élément de structure incorporant au moins un produit selon l'invention est avantageuse, en particulier pour la construction aéronautique. Les produits selon 10 l'invention sont particulièrement avantageux pour la réalisation de produits usinés dans la masse, tels que notamment des éléments intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d'un même produit de départ, des longerons et des nervures, de même que toute autre utilisation où les présentes propriétés pourraient être avantageuses 15 Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détails à l'aide des exemples illustratifs et non limitants suivants. Exemples Exemple 1 Des plaques d'épaisseur d'environ 400 mm dont la composition est donnée dans le tableau 1 ont été coulées. Tableau 1 : Composition en % en poids des alliages Al-Cu-Li coulés sous forme de plaque. Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr Li Ag V Cr A 0,02 0,03 3,60 0,38 0,34 - 0,03 0,08 0,92 0,36 0,04 - B 0,02 0,04 3,60 0,35 0,34 - 0,03 0,08 0,93 0,37 - 0,04 C 0,03 0,04 3,60 0,38 0,33 - 0,03 0,09 0,90 0,35 - - (2050) D 0,03 0,04 3,50 0,35 0,33 - 0,04 0,08 0,92 0,35 - - (2050) Des échantillons ont été prélevés à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) de certaines plaques de coulée afin de mesurer la taille des grains de coulée et les paramètres p* et s* caractérisant la finesse et l'uniformité de la microségrégation. Le paramètre s* est plus 20 25 30 3067044 15 significatif pour décrire la régularité de la distribution de particules tandis que le paramètre p* est plus significatif pour décrire la finesse de leur distribution spatiale. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 et comparés aux valeurs moyennes d'un alliage typique AA2050. 5 Tableau 2 : Taille de grains et paramètres s* et p* évalués à mi-épaisseur (t/2) et à quart-épaisseur (t/4) des plaques de coulée en alliages Al-Cu-Li. Alliage P* (11m) s* (pni-i) Taille de grains (iim) t/2 t/4 t/2 t/4 t/2 t/4 A 58 53 1,3 1,5 305 212 B 81 76 1,1 1,2 281 215 AA2050 120 115 0,68 0,82 200 150 10 La microstructure de ces échantillons a également été évaluée de façon semi-quantitative sur les échantillons prélevés selon un score de 0 à 2 : score 0 = grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement dendritiques. L'évaluation semi-quantitative a été réalisée à partir de micrographies des 15 échantillons après oxydation anodique (solution d'HBF4 diluée, tension à vide de 30V, temps d'attaque entre 60 et 180 s). Le tableau 3 récapitule les scores attribués aux différents échantillons. Les figures 3 et 4 présentent des micrographies obtenues pour les échantillons prélevés à mi-épaisseur (Fig. 3) et à quart-épaisseur (Fig. 4) des plaques de coulée en alliage A (Fig. 3b et 4b), B (Fig. 20 3c et 4c) et C (Fig. 3a et 4a). Tableau 3 : Microstructure des grains évaluée à mi-épaisseur (e2) et à quart-épaisseur (t/4) des plaques de coulée en alliages Al-Cu-Li (score 0 = grains majoritairement globulaires, score 1 = grains faiblement dendritiques, score 2 = grains fortement 25 dendritiques). Alliage Microstructure (score) t/2 t/4 A 2 2 B 1 1 C 0 0 (2050) 3067044 16 Les plaques A et B présentent des grains de coulée plus gros et plus dendritiques par rapport à ceux de la plaque C. Exemple 2 5 Certaines plaques de coulée de l'exemple 1 ont été homogénéisées à 505 °C pendant environ 12 heures puis scalpées. Les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des tôles ayant une épaisseur de 60 mm. Elles ont été mises en solution à 527 °C et trempées avec de l'eau froide. Les tôles ont ensuite été tractionnées avec un allongement permanent 10 de 3,7%. Les tôles ont subi un revenu à 155 °C pendant environ 20h. Des échantillons ont été prélevés à quart-épaisseur (t/4) pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction dans les directions L et TL et la ténacité dans les directions L-T et T-L, à mi-épaisseur (t/2) pour mesurer les caractéristiques mécaniques 15 statiques en traction dans la direction TC et la ténacité dans la direction TC-L. Les éprouvettes utilisées pour la mesure de ténacité étaient des éprouvettes de géométrie CT et avaient les dimensions suivantes : directions L et TL / L-T et T-L, éprouvettes CT25 : épaisseur B = 25 mm, largeur W = 50 mm ; 20 direction TC / TC-L, éprouvettes CT20 : épaisseur B = 20 mm, largeur W = 40 mm. Les résultats obtenus sont présentés dans les tableaux 4 et 5. 25 Tableau 4 : Propriétés mécaniques statiques obtenues pour les différentes tôles. Alliage Rm Rp02 A Rm Rp02 (MPa) A Rm Rp02 A (MPa) (MPa) (%) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) Direction L Direction TL Direction TC A 513 537 11,8 490 531 10,1 461 528 6,3 B 511 539 11,1 491 533 10,1 465 532 5,7 3067044 17 C 490 516 10,7 473 513 10,1 451 513 5,5 (2050) D 492 518 11 484 525 9,4 448 514 7,5 (2050) Tableau 5 : Propriétés de ténacité K1C obtenues pour les différentes tôles. Alliage K1C K1C K1C L-T T-L S-L (MPa Nin.1) (MPa .Vm) (MPa .Nim) A 44,9 35 33,6 B 42,9 32,5 31,7 C 46 36 28 (2050) D 40 31 28 (2050) 5 Les tôles A et B présentent globalement un compromis de propriétés résistance mécanique Rp0.2 / ténacité K1C amélioré par rapport à celui des tôles C et D en alliage 2050 selon l'art antérieur. Les propriétés en fatigue ont été caractérisées sur des éprouvettes à trou prélevées à mi- 10 épaisseur. La Figure 1 reproduit les éprouvettes utilisées dont la valeur Kt est 2,3. Les éprouvettes ont été testées à une fréquence de 50 Hz à l'air ambiant avec une valeur R =- 0,1. L'indice de qualité de fatigue IQF a été calculé et est présenté dans le tableau 6. Tableau 6 : Résultats des essais en fatigue (éprouvettes à trou) Alliage IQF (MPa), 50% rupture pour 240 000 cycles L-T T-L A 182 180 B 184 186 D 172 157 (2050) 15 Les tôles en alliages A et B présentent des propriétés en fatigue améliorées par rapport à la tôle D. 3067044 18 Exemple 3 Dans cet exemple, plusieurs plaques d'épaisseur environ 400 mm dont la composition est 5 donnée dans le tableau 7 ont été coulées. Tableau 7 : Composition en % en poids Al-Cu-Li coulés sous forme de plaque. Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr Li Ag V E 0,03 0,04 3,57 0,34 0,44 0,52 0,03 0,10 0,87 0,026 0,041 F 0,03 0,05 3,58 0,34 0,43 0,60 0,03 0,11 0,86 0,002 0,040 G 0,02 0,04 3,61 0,34 0,43 0,61 0,03 0,11 0,85 0,010 0,042 H 0,03 0,04 3,45 0,33 0,34 0,56 0,03 0,10 0,86 0,079 0,038 I 0,02 0,05 3,55 0,34 0,33 0,60 0,03 0,10 0,93 0,110 0,039 J 0,02 0,04 3,55 0,34 0,33 0,60 0,03 0,11 0,87 0,090 0,039 Les plaques ont été homogénéisées à 505 °C pendant 12 heures puis scalpées. Elles ont 10 été laminées à chaud jusqu'à une épaisseur finale de 20 et 50 mm (tôle en alliages E et J), ou 102 et 130 mm (tôle en alliage G) ou 150 mm (tôle en alliages F et!) puis ont été mises en solution à 527 °C et trempées avec de l'eau froide. Les tôles ont ensuite été tractionnées avec un allongement permanent de 6% et ont subi un revenu à 150 °C pendant environ 20h. 15 Les propriétés en fatigue ont été caractérisées sur des éprouvettes à trou prélevées à mi-épaisseur. La Figure 1 reproduit les éprouvettes utilisées dont la valeur Kt est 2,3. Les éprouvettes ont été testées à une fréquence de 50 Hz à l'air ambiant avec une valeur R = 0,1. L'indice de qualité de fatigue IQF a été calculé. Les résultats sont présentés à la figure 20 2 et comparés à la courbe de tendance (régression polynomiale) des résultats obtenus pour des produits en alliage AA2050 de l'art antérieur, cet alliage étant exempt de V et de Cr (V et Cr REVENDICATIONS1. Produit laminé, filé et/ou forgé en alliage 2,00( à base d'aluminium comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou de V. 2. Produit selon la revendication 1 ayant une densité moyenne d de phases intermétalliques, exprimée en nombre de phases par MM2, telle que : d 3. Produit selon la revendication 1 ou 2 comprenant de 1,0 à 6,0% en poids de Cu, préférentiellement de 3,2 à 4,0% en poids de Cu. 4. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant de 0,5 à 1,5% en 15 poids de Li, préférentiellement de 0,7 à 1,2% en poids de Li et, plus préférentiellement encore de 0,80 à 0,95% en poids de Li. 5. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant moins de 0,8% en poids de Zn, préférentiellement moins de 0,7% en poids de Zn. 20 6. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre de 0,07 à 0,15% en poids de Zr, préférentiellement de 0,07 à 0,11% en poids de Zr et, plus préférentiellement encore de 0,08 à 0,10% en poids de Zr. 25 7. Produit selon l'une quelconque des revendications comprenant de 0,010 à 0,044 % en poids de Cr et/ou de V, préférentiellement de 0,015 à 0,044% en poids de Cr et/ou de V et, plus préférentiellement encore de 0,035 à 0,043% en poids de Cr et/ou de V. 8. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes tel que l'alliage à base 30 d'aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 3,2 - 4,0 ; Li: 0,80 - 0,95; Zn: 0,45 - 0,70 ; Mg : 0,15 - 0,7 ; 35 Zr : 0,07 - 0,15 ; 10 3067044 22 Mn : 0,1 - 0,6 ; Ag: 9. Produit selon les revendications 1 à 5 tel que l'alliage à base d'aluminium est un alliage AA2050. 10. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes tel qu'il ne contient substantiellement pas de dispersoïdes au V et/ou Cr. 11. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes dont l'épaisseur est de 12 à 175 mm, préférentiellement de 30 à 140 mm et, plus préférentiellement encore de 40 à 110 mm. et plus préférentiellement encore entre 40 et 75 mm. 12. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un état laminé, mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant, pour des épaisseurs comprises entre 12 et 175 mm, un indice de qualité fatigue, IQF, à 240 000 cycles exprimé en MPa tel que : IQF > -0,0886e + 177 avec e épaisseur du produit en mm. 13. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un état laminé, 30 mis en solution, trempé, détensionné, préférentiellement par traction, et revenu présentant au moins un, préférentiellement au moins deux, des compromis de propriétés suivants améliorés par rapport à un produit en alliage de même composition à l'exception de sa teneur en Cr et V: - Rp0,2 (L) et K1C (L-T), 35 - Rp0,2 (TL) et K1C (T-L) 25 3067044 23 - Rp0,2 (TC) et K1C (TC-L). 14. Produit brut de coulée en alliage 2XXX à base d'aluminium comprenant de 0,05 à 1,9 % en poids de Li et de 0,005 à 0,045 % en poids de Cr et/ou V, caractérisé en ce qu'il 5 présente des grains plus dendritiques par rapport à ceux d'un produit brut de coulée en alliage de même composition à l'exception de sa teneur en V et Cr. 15. Produit brut de coulée selon la revendication 14 tel qu'il présente, à quart-épaisseur dudit produit, un paramètre s* supérieur à 1,0 gm-1 et par un paramètre p* inférieur à 10 100 wm, où le paramètre p* est défini par l'équation A - A - A = A + ma x min mm (1+ exp(a(p*-i))) et où le paramètre s* est défini par l'équation 15 s* = a x (Am ax - ) 4 dans lesquelles A désigne la fraction surfacique d'objets après transformation, Amin désigne la fraction surfacique initiale de particules intermétalliques après 20 seuillage, Amax désigne leur fraction surfacique correspondant au remplissage conventionnel auquel on arrête l'algorithme afin d'éviter les problèmes de convergence lente en fin de remplissage, i est le nombre de pas de calcul, et a est un coefficient d'ajustement de la pente de la sigmoïde. 16. Produit brut de coulée selon la revendication 14 ou 15 tel que la taille de grains à la coulée évaluée par la méthode des interceptes est comprise entre : - 250 et 350 iam à mi-épaisseur et - 175 et 275 1.im à quart-épaisseur. 3067044 24 17. Elément de structure d'avion, de préférence élément intrados ou extrados dont la peau et les raidisseurs proviennent d'un même produit de départ, un longeron ou une nervure, comprenant un produit selon une quelconque des revendications 1 à 13.