Brevet FR3071513A1 — publié le 20190329

Alliages Al-Zn-Cu-Mg à haute résistance et procédé de fabrication Domaine de l'invention La présente invention concerne d'une manière générale les alliages à base d'aluminium et, plus particulièrement, les alliages à base d'aluminium Al-Zn-Cu-Mg, notamment pour les applications aérospatiales. Description de l'art connexe 15 Les alliages à base d'aluminium Al-Zn-Cu-Mg sont utilisés de manière intensive dans l'industrie aérospatiale depuis de nombreuses années. Avec l'évolution des structures d'avion et compte tenu des efforts visant à réduire à la fois les poids et les coûts, un compromis optimal est constamment recherché entre résistance, ténacité et résistance à la corrosion. De plus, les améliorations des techniques de fonderie, de laminage et de 20 traitement thermique apportent d'autres avantages permettant de mieux maîtriser le diagramme d'équilibre d'un alliage. Les produits épais laminés constitués d'alliages à base d'aluminium Al-Zn-Cu-Mg sont utilisés en particulier pour produire des pièces de structure à haute résistance, intégralement usinées, destinées à l'industrie aéronautique, par exemple des éléments 25 d'aile tels que nervures, longerons, châssis et autres, généralement usinées dans des sections épaisses obtenues par forgeage. Les valeurs caractéristiques obtenues pour les diverses propriétés telles que résistance mécanique statique, ténacité à la rupture, résistance à la corrosion, sensibilité à la trempe, résistance à la fatigue, ainsi que le niveau de contraintes résiduelles déterminent la 30 caractéristique d'ensemble du produit, la possibilité de l'utiliser avantageusement pour un concepteur de structures, ainsi que la facilité avec laquelle il peut être employé dans d'autres étapes de fabrication comme, par exemple, l'usinage. 10 Parmi les propriétés énumérées ci-dessus, certaines sont souvent en conflit par nature et il convient généralement de trouver un compromis. De tels conflits de propriétés peuvent 2 être, par exemple, la résistance mécanique statique par rapport à la ténacité, ou la résistance mécanique par rapport à la résistance à la corrosion. Parmi les propriétés de corrosion ou de fissuration assistée par l'environnement (FAE), il est possible de faire une distinction entre la FAE dans des conditions de fortes 5 contraintes et d'environnement humide, et la FAE dans des conditions de fissuration par corrosion sous contrainte (CSC) standard, telles que celles de l'ASTM G47, les spécimens étant testés en utilisant des cycles alternés d'immersion et de séchage dans une solution de NaCl (ASTM G44) et en utilisant typiquement des contraintes plus faibles. Il peut se produire un défaut de fissuration par CSC standard sous l'action d'un mélange de dissolution anodique due aux différences de potentiel locales et à la fragilisation par l'hydrogène, la fragilisation étant le mode de défaillance le plus probable pour la FAE dans des conditions de contraintes élevées et d'environnement humide (voir par exemple J.R.SCULLY, G.A. YOUNG JR, S.W. SMITH, « Hydrogen embrittlement of aluminum and aluminum based alloys » (fragilisation par l'hydrogène de l'aluminium et des alliages à base d'aluminium), dans « Gaseous hydrogen embrittlement of materials in energy technologies » (fragilisation des matériaux par l'hydrogène gazeux dans le domaine des technologies de l'énergie), édité par R.P. Glangloff et B.P. Somerday, Woodhead Publishing 2012, pages 707-768). La mise au point d'un alliage 7)00( à haute résistance ayant une faible sensibilité à la FAE dans des conditions de contraintes élevées et d'environnement humide représenterait une amélioration significative. On cherche en particulier à obtenir des alliages ayant une plus forte résistance que les alliages connus tels qu'AA7010 ou AA7050, mais présentant une résistance à la FAE au moins équivalente dans des conditions de contraintes élevées et d'environnement humide. Les alliages Al-Zn-Mg-Cu ayant une forte ténacité à la rupture, une résistance mécanique élevée et une forte résistance à la fissuration par CSC standard sont connus dans l'état antérieur de la technique. Le brevet américain 5,312,498 présente une méthode de fabrication d'un produit en alliage à base d'aluminium ayant une meilleure résistance au délaminage et une meilleure ténacité à la rupture, comprenant une composition d'alliage à base d'aluminium formée essentiellement d'environ 5,5-10,0 % de zinc en teneur pondérale, 1,75-2,6 % de magnésium en teneur pondérale et d'environ 1.8-2.75 % de cuivre en teneur pondérale, le 3 reste étant constitué d'aluminium et d'autres éléments. L'alliage à base d'aluminium est corroyé, traité thermiquement, trempé et vieilli pour fabriquer un produit ayant une meilleure résistance à la corrosion et de meilleures caractéristiques mécaniques. Les quantités de zinc, de magnésium et de cuivre sont équilibrées dans les proportions 5 stoechiométriques, de sorte qu'une fois la précipitation essentiellement terminée à la fm du processus de revenu, il ne reste plus d'éléments en excès. La corrosion exfoliante est un problème spécifique aux produits de faible épaisseur, et les produits extrudés y sont particulièrement sensibles. Le brevet américain 5,560,789 décrit des alliages de la série AA 7000 qui bénéficient 10 d'une résistance mécanique élevée, ainsi qu'un procédé permettant de les obtenir. En teneur pondérale, les alliages sont composés de 7 à 13,5 % de Zn, 1 à 3,8 % de Mg, de 0,6 à 2,7 % de Cu, de 0 à 0,5 % de Mn, de 0 à 0,4 % de Cr, de 0 à 0,2 % de Zr, d'autres éléments à hauteur de 0,05 % chacun et de 0,15 % en tout, le reste étant constitué d'Al, les propriétés de corrosion n'étant cependant pas mentionnées. 15 Le brevet américain n° 5,865,911 décrit un alliage d'aluminium composé essentiellement (teneur pondérale) d'environ 5,9 à 6,7 % de zinc, 1,8 à 2,4 % de cuivre, 1,6 à 1,86 % de magnésium, 0,08 à 0,15 % de zirconium, le reste étant constitué d'aluminium, d'éléments aléatoires et d'impuretés. Le brevet '911 mentionne particulièrement le compromis entre résistance mécanique statique et ténacité. 20 Le brevet américain n° 6,027,582 décrit des produits en alliage à base d'aluminium AlZn-Mg-Cu, laminés, forgés ou extrudés, d'épaisseur supérieure à 60 mm et ayant une composition de (teneur pondérale) Zn : 5,7 à 8,7 ; Mg : 1,7 à 2,5 ; Cu : 1,2 à 2,2 ; Fe : 0,07 à 0,14 ; Zr : 0,05 à 0,15 avec Cu + Mg Cu. Le brevet '582 décrit également des améliorations dans le domaine de la sensibilité à la trempe. 25 Le brevet américain n° 6,972,110 expose un alliage qui contient de préférence (teneur pondérale) Zn : 7 à 9,5 ; Mg : 1,3 à 1,68 et Cu 1,3 à 1,9 ; et qui conseille de maintenir Mg +Cu 3,5. Le brevet '110 présente une méthode faisant appel à un traitement de revenu comportant trois étapes, destiné à améliorer la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Un revenu en trois étapes prend du temps et est difficile à 30 maîtriser. Il serait souhaitable d'obtenir une résistance à la corrosion élevée sans avoir nécessairement besoin d'effectuer un tel traitement thermique. 4 La demande de brevet PCT n° W02004090183 présente un alliage comprenant essentiellement (teneur pondérale) : Zn : 6,0 à 9,5 ; Cu : 1,3 à 2,4 ; Mg : 1,5 à 2,6 ; Mn et Zr 129 constante 34,5 454 385 Charge >129 constante Contre toute attente, la résistance à la FAE dans des conditions de contraintes élevées et d'environnement humide pour la tôle forte en alliage D (conforme à l'invention) dans le sens travers court a été élevée, avec une amélioration d'au moins 80 jours par rapport aux exemples de référence pour pratiquement la même valeur de limite d'élasticité. L'alliage D conforme à l'invention a présenté d'excellentes performances de FAE dans 18 des conditions de contraintes élevées et d'environnement humide par rapport à ce que connaissait l'état antérieur de la technique. Il a été particulièrement impressionnant et inattendu de voir une tôle forte conforme à la présente invention présenter un plus haut niveau de résistance à la FAE et en même temps une résistance à la traction et une 5 ténacité à la rupture comparables aux échantillons selon l'état antérieur de la technique. La résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte a été déterminée en utilisant l'essai standard de fissuration par corrosion sous contrainte (CSC), tel que décrit dans la norme ASTM G47 et selon lequel les spécimens sont testés en les soumettant à des cycles alternés d'immersion et de séchage dans une solution neutre de NaC1 à 3,5 %, 10 conformément à la norme ASTM G44. Le produit de l'invention vieilli avec une durée de revenu totale équivalente de 30 heures à 155 °C satisfait au critère de 20 jours pour les alliages 7xxx, à la charge appliquée de 310 MPa en utilisant des spécimens sous contrainte de traction placés dans des dispositifs de « déformation constante », conformément à la norme ASTM G49. 15 Dans la présente description et dans les revendications qui suivent, dans la mesure où une valeur numérique est nommée, REVENDICATIONS1. Produit en alliage à base d'aluminium laminé d'une épaisseur d'au moins 50 mm comprenant, ou avantageusement constitué essentiellement de (pourcentage de teneur pondérale) : Zn 6,9 - 7,5 Mg 1,8 - 2,2 Cu 1,8 - 2,2, la somme Cu + Mg étant comprise entre 3,8 et 4,2 Zr 0,04 - 0,14 Mn 0 - 0,1 Ti 0 - 0,15 V 0 - 0,1 Fe 2. Produit selon la revendication 1, dans lequel la teneur en Cu est comprise entre 1,90 et 2,10. 3. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la teneur en Mg est comprise entre 1,90 et 2,10. 4. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la teneur en Zn est comprise entre 7,0 et 7,20. 5. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur en Cu est Cu > 2,7 * Mg - 0,5 * Zn. 6. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit produit présente les propriétés suivantes : a) une durée de vie minimum sans rupture après fissuration assistée par l'environnement (FAE) dans des conditions de contraintes élevées, pour un niveau de contrainte dans le sens travers court (TC) de 85 % de la limite 20 apparente d'élasticité du produit dans le sens TC, et un environnement humide à 85 % d'humidité relative à une température de 70 °C d'au moins 40 jours ; b) une limite apparente d'élasticité conventionnelle mesurée dans la direction TC à mi-épaisseur d'au moins 467 - 0,27 * t MPa et, de préférence, de 477 - 0,27 * t MPa, voire de 487 - 0,27 * t MPa (t étant l'épaisseur du produit en mm) ; c) une ténacité K1c dans la direction S-L, mesurée à mi-épaisseur, d'au moins 26 0,01 * t MPa-Vm, de préférence 28 - 0,01 * t MPa-Vm et encore plus préférablement 30 - 0,01 * t MPa-Vm (t étant l'épaisseur du produit en mm). 7. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont l'épaisseur va de 50 à 150 mm. 8. Élément de structure adapté à la construction aéronautique comprenant un produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Élément de structure selon la revendication 8, dans lequel ledit élément de structure est utilisé dans des nervures d'aile, longerons et châssis. 10. Procédé de fabrication d'un produit en alliage à base d'aluminium laminé comprenant les étapes de : a) coulée d'un lingot comprenant, ou avantageusement constitué essentiellement de (pourcentage de teneur pondérale) : Zn 6,9 - 7,5 Mg 1,8 - 2,2 Cu 1,8 - 2,2, la somme Cu + Mg étant comprise entre 3,8 et 4,2 Zr 0,04 - 0,14 Mn 0 - 0,1 Ti 0 - 0,15 V 0 - 0,1 Fe