Brevet FR3065011A1 — publié le 20181012

Produits en alliage aluminium-cuivre-lithium Domaine de l'invention L'invention concerne en général les produits corroyés en alliages aluminium-cuivrelithium, et plus particulièrement de tels produits sous la forme de profilés destinés à réaliser des raidisseurs en construction aéronautique. Etat de la technique Un effort de recherche continu est réalisé afin de développer des matériaux qui puissent simultanément réduire le poids et augmenter l'efficacité des structures d'avions à hautes performances. 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. Pour que ces alliages soient sélectionnés dans les avions, leur performance doit atteindre celle des alliages couramment utilisés, en particulier en terme de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique (limite élastique, 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 de plus présenter une résistance à la corrosion suffisante, pouvoir être mis en forme selon les procédés habituels et présenter de faibles contraintes résiduelles de façon à pouvoir être usinés de façon intégrale. On connait plusieurs alliages Al-Cu-Li pour lesquels une addition d'argent est effectuée. Le brevet US 5,032,359 décrit une vaste famille d'alliages aluminium-cuivre-lithium dans lesquels l'addition de magnésium et d'argent, en particulier entre 0,3 et 0,5 pourcent en poids, permet d'augmenter la résistance mécanique. Ces alliages sont souvent connus sous 30 le nom commercial « Weldalite TM ». Le brevet US 5,198,045 décrit une famille d'alliages Weldalite TM comprenant (en % en poids) (2,4-3,5)Cu, (1,35-1,8)Li, (0,25-0,65)Mg, (0,25-0,65)Ag, (0,08-0,25) Zr. Les 3065011 2 produits corroyés fabriqués avec ces alliages combinent une densité inférieure à 2,64 g/cm3 et un compromis entre la résistance mécanique et la ténacité intéressant. Le brevet US 7,229,509 décrit une famille d'alliages Weldalite TM comprenant (en % en 5 poids) (2,5-5,5)Cu, (0,1-2,5) Li, (0,2-1,0) Mg, (0,2-0,8) Ag, (0,2-0,8) Mn, (jusque 0,4) Zr ou d'autres éléments tels que Cr, Ti, Hf, Sc et V. Les exemples présentés ont un compromis entre la résistance mécanique et la ténacité amélioré mais leur densité est supérieure à 2,7 g/cm3. 10 La demande de brevet W02007/080267 décrit un alliage Weldalite TM ne contenant pas de zirconium destiné à des tôles de fuselage comprenant (en % en poids) (2,1-2,8)Cu, (1,1-1,7) Li, (0,2-0,6) Mg, (0,1-0,8) Ag, (0,2-0,6) Mn. On connait par ailleurs l'alliage AA2196 comprenant (en % en poids) (2,5-3,3)Cu, (1,4-2,1) 15 Li, (0,25-0,8) Mg, (0,25-0,6) Ag, (0,04-0,18) Zr et au plus 0,35 Mn. La limitation de la quantité d'argent est économiquement très favorable. Cependant, on constate que les produits selon l'art antérieur faits en alliage ne contenant essentiellement pas d'argent ne permettent pas d'obtenir des propriétés aussi avantageuses que celles des 20 produits faits avec des alliages contenant de l'argent tels que l'alliage AA2196. Il existe un besoin pour des produits en alliage aluminium-cuivre-lithium, notamment des produits filés, présentant une densité réduite et des propriétés sensiblement équivalentes à celles de produits connus contenant de l'argent, en particulier en termes de compromis 25 entre les propriétés de résistance mécanique statique et les propriétés de tolérance aux dommages. La stabilité thermique, la résistance à la corrosion, l'aptitude à l'usinage et la densité de ces produits notamment doivent également être satisfaisantes par rapport à celles de produits connus contenant de l'argent. tout en ayant une faible densité. Objet de l'invention 3065011 3 Un premier objet de l'invention est un produit en alliage à base d'aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 2,5-3,4 ; préférentiellement 2,8-3,2 ; Li : 1,6-2,2 ; préférentiellement 1,65-1,8 ; 5 Mg : 0,4-0,9 ; préférentiellement 0,5-0,8 ; Mn : 0,2 - 0,6 ; préférentiellement 0,3-0,6 ; Zr : 0,08 - 0,18 ; préférentiellement 0,12-0,16 ; Zn : -0,2667*Rp0,2 (L) + 169. Encore un autre objet de l'invention est un élément de structure incorporant au moins un 10 produit selon l'invention. Description des figures Figure 1. Forme du profilé W de l'exemple. Les cotes sont indiquées en mm. Les échantillons utilisés pour les caractérisations mécaniques ont été prélevés dans la zone 15 indiquée par les pointillés. Figure 2. Forme du profilé Z de l'exemple. Les cotes sont indiquées en mm. Les échantillons utilisés pour les caractérisations mécaniques ont été prélevés dans la zone indiquée par les pointillés. Figure 3. Compromis entre ténacité et résistance mécanique obtenu pour les profilés de 20 l'exemple Description de l'invention 25 Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l'homme du métier. La densité dépend de la composition et est déterminée par calcul plutôt que par une méthode de mesure de poids. Les valeurs sont 30 calculées en conformité avec la procédure de The Aluminium Association, qui est décrite 3065011 5 pages 2-12 et 2.13 de « Aluminum Standards and Data ». Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515 (2009). Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, en d'autres termes la 5 résistance à la rupture Ri., la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rp0,2 (« limite d'élasticité ») et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme EN 485-1. Le facteur d'intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E 399. Ainsi, 10 la proportion des éprouvettes définie au paragraphe 7.2.1 de cette norme est toujours vérifiée de même que la procédure générale défmie au paragraphe 8. La norme ASTM E 399 donne aux paragraphes 9.1.3 et 9.1.4 des critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de Kic Ainsi, une valeur Kic est toujours une valeur KQ la réciproque n'étant pas vraie. Dans le cadre de l'invention, les critères des paragraphes 9.1.3 et 9.1.4 de 15 la norme ASTM E399 ne sont pas toujours vérifiés, cependant pour une géométrie d'éprouvette donnée, les valeurs de KQ présentées sont toujours comparables entre elles, la géométrie d'éprouvette permettant d'obtenir une valeur valide de Kic n'étant pas toujours accessible compte tenu des contraintes liées aux dimensions des tôles ou profilés. 20 Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent. L'épaisseur des profilés 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. 25 On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d'une construction mécanique une pièce mécanique pour laquelle les propriétés mécaniques statiques et/ou dynamiques sont particulièrement importantes pour la performance de la structure, et pour laquelle un calcul de structure est habituellement prescrit ou réalisé. Il s'agit typiquement 30 d'éléments dont la défaillance est susceptible de mettre en danger la sécurité de ladite construction, de ses utilisateurs, des ses usagers ou d'autrui. Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments qui composent le fuselage (tels que la peau 3065011 6 de fuselage (fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons étanches (bulkheads), les cadres de fuselage (circumferential frames), les ailes (tels que la peau de voilure (wing skin), les raidisseurs (stringers ou stiffeners), les nervures (ribs) et longerons (spars)) et l'empennage composé notamment de stabilisateurs 5 horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams), les rails de sièges (seat tracks) et les portes. Selon l'invention, une classe sélectionnée d'alliages d'aluminium contenant des teneurs spécifiques et critiques de cuivre, de lithium, de magnésium, de zinc, de manganèse et de 10 zirconium mais ne contentant essentiellement pas d'argent permet de préparer des produits corroyés présentant notamment un compromis amélioré entre ténacité et résistance mécanique par rapport à celui de produits ne contenant essentiellement pas d'argent. Les présents inventeurs ont constaté que de manière surprenante, il est possible pour des produits d'obtenir un compromis au moins équivalent entre les propriétés de résistance 15 mécanique statique et les propriétés de tolérance aux dommages que celui obtenu avec un alliage aluminium-cuivre-lithium contenant de l'argent, tels que notamment l'alliage AA2196, en réalisant une sélection étroite des quantités de lithium, de cuivre, de magnésium, de manganèse, de zinc et de zirconium . 20 La teneur en cuivre des produits selon l'invention est comprise entre 2,5 et 3,4 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la teneur en cuivre est au moins de 2,8 ou préférentiellement au moins de 2,9 % en poids et/ou au plus de 3,2 et préférentiellement au plus de 3,1 % en poids. 25 La teneur en lithium des produits selon l'invention est comprise entre 1,6 et 2,2 % en poids. Avantageusement, la teneur en lithium est comprise entre 1,65 % et 1,8 % en poids. De manière préférée, la teneur en lithium est au plus de 1,75 % en poids. La teneur en magnésium des produits selon l'invention est comprise entre 0,4 et 0,9 % en 30 poids et de manière préférée elle est d'au moins 0,5% en poids et, plus préférentiellement encore supérieure à 0,6 % en poids. Avantageusement, la teneur en magnésium est d'au plus 0,8% en poids. Les présents inventeurs ont constaté que lorsque la teneur en 3065011 7 magnésium est inférieure à 0,30 % en poids le compromis avantageux entre la résistance mécanique et la tolérance aux dommages n'est pas obtenu. La teneur en manganèse des produits selon l'invention est comprise entre 0,2 et 0,6 % en 5 poids et, de manière préférée, elle est d'au moins 0,3% en poids et, plus préférentiellement encore d'au moins 0,33% en poids et plus préférentiellement d'au moins 0,4% en poids. Les présents inventeurs ont constaté que lorsque la teneur en manganèse est inférieure à 0,2 % en poids, la ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, avantageuse selon l'invention n'est pas obtenue. 10 La teneur en zirconium des produits selon l'invention est comprise entre 0,08 et 0,18 % en poids et, de manière préférée, elle est de 0,12 à 0, 16% en poids et, plus préférentiellement encore, de 0,14 à 0,15% en poids. 15 La teneur en zinc est inférieure à 0,4% en poids, préférentiellement elle est de 0,05 et 0,35 % en poids. Avantageusement, la teneur en zinc est 0,2 à 0,3 % en poids ce qui peut contribuer à atteindre le compromis recherché entre la ténacité et la résistance mécanique. La teneur en argent est inférieure à 0,15 % en poids, de préférence inférieure à 0,10 % en 20 poids et, plus préférentiellement encore inférieure à 0,05 % en poids. Les présents inventeurs ont constaté que le compromis avantageux entre la résistance mécanique et la tolérance aux dommages connu pour des alliages contenant typiquement 0,2 à 0,4 % en poids d'argent peut être obtenu pour des alliages ne contenant essentiellement pas d'argent avec la sélection de composition effectuée. 25 La somme de la teneur en fer et de la teneur en silicium est au plus de 0,20 % en poids. De préférence, les teneurs en fer et en silicium sont chacune au plus de 0,08 % en poids. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les teneurs en fer et en silicium sont au plus de 0,06 % et 0,04 % en poids, respectivement. 30 L'alliage contient également au moins un élément pouvant contribuer au contrôle de la taille de grain choisi parmi Ti, Sc, Cr, Hf et V, la teneur de l'élément, s'il est choisi, étant 3065011 8 de 0,01 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,01 à 0,05% en poids pour Ti ; de 0,01 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,02 à 0,1% en poids pour Sc ; 0,01 à 0,5 % en poids, préférentiellement 0,02 à 0,1% en poids pour Hf et de 0,01 à 0,3 % en poids, préférentiellement de 0,02 à 0,1% en poids pour Cr et de 0,01 à 0,3% en poids, 5 préférentiellement 0,01 à 0,05% en poids pour V. De manière préférée, on choisit entre 0,02 et 0,04 % en poids de titane. L'alliage selon l'invention est particulièrement destiné à la fabrication de produits laminés, 10 filés et/ou forgés et, plus particulièrement encore, de produits filés. Les produits selon l'invention présentent un compromis entre résistance mécanique et ténacité particulièrement avantageux. Les produits selon l'invention, présentent dans un état filé, mis en solution, trempé, 15 tractionné et revenu, notamment pour des épaisseurs jusqu'à 50 mm, une limite d'élasticité conventionnelle mesurée à 0,2% d'allongement dans le sens L, Rp0,2 (L), d'au moins 510 MPa et une ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, d'au moins 21 MPa et telle que KQ (L-T) > -0,2667*Rp0,2 (L) + 169. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ils présentent, dans les conditions ci-avant décrites, une limite d'élasticité conventionnelle 20 mesurée à 0,2% d'allongement dans le sens L, Rp0,2 (L), d'au moins 525 MPa et une ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, d'au moins 23 MPa et telle que KQ (L-T) > - 0,2667*Rp0,2 (L) + 171. Dans la présente invention, les éprouvettes utilisées pour les mesures de KQ sont de type CT d'épaisseur 20mm et de largeur 50mm. 25 Le procédé de fabrication des produits selon l'invention comprend des étapes d'élaboration, coulée, laminage, extrusion et/ou forgeage, mise en solution, trempe, détensionnement et revenu. Dans une première étape, on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d'aluminium de composition selon l'invention. 30 Le bain de métal liquide est ensuite coulé sous une forme brute typiquement une plaque de laminage, une billette d'extrusion ou une ,ébauche de forge. 3065011 9 La forme brute est ensuite homogénéisée à une température comprise entre 450°C et 550° et de préférence entre 520°C et 530°C pendant une durée comprise entre 6 et 15 heures. Après homogénéisation, la forme brute est optionnellement refroidie jusqu'à température ambiante avant d'être préchauffée en vue d'être déformée à chaud. La déformation à chaud 5 est effectuée par laminage, extrusion et/ou forgeage de façon à obtenir un produit laminé, filé et/ou forgé, préférentiellement un produit filé. Le produit ainsi obtenu est ensuite mis en solution par traitement thermique entre 490 et 550 °C pendant 15 min à 8 h, puis trempé typiquement avec de l'eau à température ambiante. 10 Le produit subit ensuite un détensionnement contrôlé, préférentiellement par traction, avec une déformation permanente de 1 à 15 % et préférentiellement de 2 à 4%. Un revenu est réalisé comprenant un chauffage à une température comprise entre 140 et 170°C pendant pendant 5 à 70 heures de façon à ce que ledit produit ait une limite d'élasticité conventionnelle mesurée à 0,2% d'allongement dans le sens L, Rpo,2 (L), d'au 15 moins 510 MPa et une ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, d'au moins 21 MPa .NFn et telle que KQ (L-T) > -0,2667*Rp0,2 (L) + 169. Les présents inventeurs ont constaté que le compromis entre résistance mécanique et ténacité peut être amélioré en réalisant le revenu à une température comprise entre 150 à 165 °C pendant un temps à équivalent t à 160°C compris entre 15 et 28h, préférentiellement entre 20 et 27h, t étant défini par la formule : 20 t lexp(-16400 / T) dt exp(-16400/ Tref) où T (en Kelvin) est la température instantanée de traitement du métal, qui évolue avec le temps t (en heures), et Tref est une température de référence fixée à 433 K. 25 Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le produit filé avec une limite d'élasticité conventionnelle mesurée à 0,2% d'allongement dans le sens L, Rp0,2 (L), d'au moins 525 MPa et une ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, d'au moins 23 MPa et tel que KQ (L-T) > -0,2667*Rp0,2 (L) + 171. 30 Les produits selon l'invention peuvent de manière avantageuse être utilisés dans des éléments de structure, en particulier d'avion. Ainsi, un objet de l'invention est un élément 3065011 10 de structure incorporant au moins un produit selon l'invention ou un produit fabriqué à partir d'un procédé selon l'invention. L'utilisation, d'un élément de structure incorporant au moins un produit selon l'invention 5 ou fabriqué à partir d'un tel produit est avantageux, en particulier pour la construction aéronautique. Les produits selon l'invention sont particulièrement avantageux pour la réalisation d'éléments de structure tels que les raidisseurs ou les cadres pour la fabrication d'éléments intrados ou extrados d'aile d'avion, préférentiellement des raidisseurs, des longerons et des nervures, ou également les poutres de plancher et les rails de siège. 10 Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détails à l'aide des exemples illustratifs et non limitants suivants. 15 Exemple Dans cet exemple, plusieurs billettes (384 mm de diamètre) en alliage Al-Cu-Li dont la composition est donnée dans le tableau 1 ont été coulées (alliages 67, 74 a et b, 66, 68 et 69). La composition de deux alliages de l'art antérieur AA2196 ont également été données 20 dans le tableau 1 ci-après. Tableau 1. Composition en % en poids et densité des alliages Al-Cu-Li utilisés Alliage Cu Li Mg Zn Ag Mn Zr Ti 67 3.02 1.68 0.60 0.25 0.04 0.33 0.14 0.04 74a 2.98 1.67 0.56 0.05 0.03 0.32 0.15 0.04 74b 2.98 1.67 0.70 0.05 0.03 0.32 0.15 0.04 66 3.00 1.69 0.60 0.47 0.04 0.32 0.13 0.04 68 3.00 1.67 0.35 0.52 0.02 0.06 0.14 0.04 69 3.00 1.66 0.33 0.52 0.05 0.31 0.144 0.04 3065011 11 2 2.83 1.59 0.36 0.02 0.38 0.33 0.11 0.02 (Art antérieur) 5 2.90 1.67 0.40 0.01 0.38 0.31 0.1 0.03 (Art antérieur) . .. our tous es alliages 67, 74a et b, 66, 68 et 69, Fe et Si REVENDICATIONS1) Produit en alliage à base d'aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 2,5-3,4 ; préférentiellement 2,8-3,2 ; Li : 1,6-2,2 ; préférentiellement 1,65-1,8 ; Mg : 0,4-0,9 ; préférentiellement 0,5-0,8 ; Mn : 0,2 - 0,6 ; préférentiellement 0,3-0,6 ; Zr : 0,08 - 0,18 ; préférentiellement 0,12-0,16 ; Zn : 2) Produit selon la revendication 1 dans lequel la teneur en cuivre est de 2,9 à 3,1% en poids. 3) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la teneur en lithium est de 1,65 à 1,75% en poids. 4) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en manganèse est de 0,4 à 0,6% en poids. 5) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en zirconium est de 0,14 à 0,15% en poids. 3065011 14 6) Procédé de fabrication d'un produit filé, laminé et/ou forgé à base d'alliage d'aluminium comprenant les étapes : a) élaboration d'un bain de métal liquide comprenant, en pourcentage en poids, Cu : 5 2,5-3,4 ; Li : 1,6-2,2 ; Mg : 0,4-0,9 ; Mn : 0,2 - 0,6 ; Zr : 0,08 - 0,18 ; Zn : - 0,2667*Rp0,2(L) + 169. 7) Procédé selon la revendication 6 dans lequel la température d'homogénéisation est comprise entre 520 °C et 530°C et la durée de traitement est comprise entre 6 et 15 25 heures. 8) Procédé selon une quelconque des revendications 6 à 7 dans lequel le revenu est réalisé une température comprise entre 150 à 165 °C pendant un temps à équivalent t, à 160°C compris entre 15 et 28h, préférentiellement entre 20 et 27h, t, étant défini 30 par la formule : 3065011 15 t exp(-16400/ T)dt exp(-16400/ Tref) où T (en Kelvin) est la température instantanée de traitement du métal, qui évolue 5 avec le temps t (en heures), et Tref est une température de référence fixée à 433 K. 9) Produit obtenu selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce qu'il présente une limite d'élasticité conventionnelle mesurée à 0,2% d'allongement dans le sens L, Rp0,2 (L), d'au moins 525 MPa et une ténacité KQ (L-T), dans le sens L-T, 10 d'au moins 23 MPa et telle que KQ (L-T) > -0,2667*Rp0,2 (L) + 171. 10) Elément de structure incorporant au moins un produit selon une quelconque des revendications 1 à 5 ou fabriqué à partir d'un produit obtenu selon l'une quelconque des revendications 6 à 8. 11) Elément de structure selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il est utilisé tant que raidisseur ou de cadre pour la fabrication d'éléments intrados ou extrados d'aile d'avion, préférentiellement des raidisseurs, des longerons et des nervures, ou de poutres de plancher et rails de siège. 15 20