Brevet FR3065012A1 — publié le 20181012

Produits en alliage aluminium-cuivre-lithium à faible densité Domaine de l'invention L'invention concerne en général les produits corroyés en alliages aluminium-cuivre-lithium, 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 le nom 30 commercial « Weldalite TM ». 2 3065012 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 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. 5 Le brevet US 7,229,509 décrit une famille d'alliages Weldalite TM comprenant (en % en 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 10 g/cm3. 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. 15 On connait par ailleurs l'alliage AA2196 comprenant (en % en poids) (2,5-3,3)Cu, (1,4-2,1) 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 20 constate que les produits selon l'art antérieur faits en alliage ne contenant essentiellement pas d'argent, par exemple AA2099, ne permettent pas d'obtenir des propriétés aussi avantageuses que celles des produits faits avec des alliages contenant de l'argent tels que l'alliage AA2196. Notamment le compromis avantageux entre la résistance mécanique et la ténacité n'est pas atteint, tout en maintenant une résistance à la corrosion satisfaisante. 25 Il existe un besoin pour des produits en alliage aluminium-cuivre-lithium présentant une densité particulièrement réduite et des propriétés améliorées par rapport à celles des produits connus ne contenant essentiellement pas d'argent, en particulier en termes de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique et les propriétés de tolérance aux dommages, de résistance à la corrosion. Ces produits en alliage aluminium-cuivre-lithium doivent en outre pouvoir être fabriqués à l'aide de procédés robustes et économiquement 3 3065012 avantageux, c'est-à-dire générant peu de rebuts liés en particulier à des problèmes de fentes à chaud et permettant l'utilisation d'une quantité importante d'alliage recyclé. Objet de l'invention 5 Un premier objet de l'invention est un produit en alliage à base d'aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 2,4-3,2 ; préférentiellement 2,5-3,0 ; Li : 1,6-2,3 ; préférentiellement 1,7-2,2 ; 10 Mg : 0,3-0,9 ; préférentiellement 0,5-0,7 ; Mn : 0,2 - 0,6 ; préférentiellement 0,3-0,6 ; Zr : 0,12 - 0,18 ; préférentiellement 0,13-0,15 ; et tel que Zr > -0,06*Li + 0,242. 15 Zn : -0,06*Li + 0,242 ; Zn : - 0,06*Li + 0,242, préférentiellement telle que telle que Zr > -0,06*Li + 0,2575. 10 3065012 La teneur en magnésium est de 0,3 à 0,9% en poids et, de manière préférée, de 0,5 à 0,7% en poids. Le magnésium, dans la composition particulière d'alliage de la présente invention, contribue à favoriser l'obtention d'un grain de coulée fin. 5 La teneur en manganèse est de 0,2 à 0,6% en poids, préférentiellement de 0,3 à 0,6% en poids et, plus préférentiellement encore de 0,4 à 0,5% en poids. Le manganèse permet en particulier d'atteindre un compromis de propriétés satisfaisant pour le produit corroyé. La teneur en argent est inférieure à 0,15% en poids, préférentiellement inférieure à 0,1% en poids et, plus préférentiellement encore inférieure à 0,05% en poids. Les présents inventeurs 10 ont constaté que le compromis avantageux entre la résistance mécanique et la tolérance aux dommages connu pour des alliages contenant typiquement environ 0,3 % en poids d'argent peut être obtenu pour des alliages ne contenant essentiellement pas d'argent avec la sélection de composition effectuée. La teneur en zinc est inférieure à 1,0% en poids, préférentiellement inférieure à 0,9% en 15 poids. Selon un premier mode de réalisation particulier, la teneur en zinc est comprise entre 0,1 et 0,5% en poids et de préférence entre 0,2 et 0,4 % en poids. Selon un second mode de réalisation particulier, la teneur en zinc est inférieure à 0,05% en poids. L'alliage contient également au moins un élément pouvant contribuer au contrôle de la taille de grain choisi parmi Ti, Cr, Sc, Hf et V, la quantité de l' élément, s'il est choisi, étant de 20 0,01 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,01 à 0,05% pour Ti, de 0,01 à 0,15 % en poids, préférentiellement 0,02 à 0,1 % en poids pour Sc, de 0,01 à 0,3% en poids et préférentiellement de 0,02 à 0,1 % en poids pour Cr et V et de 0,01 à 0,5 % en poids pour Hf. Selon un mode de réalisation avantageux, on choisit le titane dans les teneurs précitées et encore plus avantageusement dans une teneur allant de 0,01 à 0,03% en poids. 25 Il est préférable de limiter la teneur des impuretés inévitables de l'alliage de façon à atteindre les propriétés de tolérance aux dommages les plus favorables. Les impuretés inévitables comprennent le fer et le silicium, ces impuretés ont une teneur totale inférieure à 0,20 % en poids et de préférence respectivement une teneur inférieure à 0,08 % en poids et 0,06 % en poids pour le fer et le silicium ; les autres éléments sont des impuretés qui ont de préférence 30 une teneur inférieure à 0,05 % en poids chacune et 0,15 % en poids au total. 11 3065012 Le procédé de fabrication des produits bruts de coulée selon l'invention comprend des étapes d'élaboration, de coulée et de solidification de la forme brute. Ces étapes sont suivies, pour l'élaboration des produits corroyés selon l'invention, des étapes de laminage ou extrusion et/ou forgeage, mise en solution, trempe, détensionnement et optionnellement revenu. 5 Dans un premier mode de réalisation des produits bruts de coulée, on élabore un bain de métal liquide, on coule une forme brute à partir dudit bain de métal liquide et on réalise une solidification de la forme brute en une billette, une plaque de laminage ou une ébauche de forge. Dans ce premier mode de réalisation, l'étape de coulée est réalisée sans ajout d'affinant 10 du grain ou en ajoutant un affinant comprenant (i) Ti et (ii) bore, B, ou carbone, C, et tel que : - la teneur en B provenant de l'agent affinant est inférieure à 45 ppm, préférentiellement inférieure à 20 ppm, préférentiellement inférieure à 10 ppm et, plus préférentiellement encore, inférieure à 5 ppm, - la teneur en C est inférieure à 6 ppm, préférentiellement inférieure à 3 ppm, 15 préférentiellement inférieure à 2 ppm et, plus préférentiellement encore, inférieure à 1 ppm. Dans un second mode de réalisation des produits bruts de coulée, on élabore un bain de métal liquide, on coule une forme brute à partir dudit bain de métal liquide et on réalise une solidification de la forme brute en une billette, une plaque de laminage ou une ébauche de 20 forge. Dans ce second mode de réalisation, la coulée est réalisée, pour une forme brute de coulée d'épaisseur ou de diamètre D supérieur à 150 mm à une vitesse de coulée v (en mm/min) supérieure à : - 30 pour une forme brute de coulée type plaque, - 9000/D pour une forme brute de coulée type billette. 25 Ces deux modes de réalisation peuvent avantageusement être combinés. De préférence, la taille de grain de l'alliage A1CuLiMgMnZr selon l'invention à l'état brut de coulée, obtenu par l'un des procédés selon l'invention, est inférieure à 110 lam, préférentiellement inférieure ou égale à 105 1.tm et, plus préférentiellement encore inférieure à 90 1.tm pour des formes brutes de coulée d'épaisseur ou de diamètre supérieur à 150 mm, 30 de préférence supérieur à 250 mm et préférentiellement encore supérieur à 300 mm. 12 3065012 Les produits bruts de coulée selon l'invention permettent l'élaboration de produits corroyés, c'est-à-dire de produits filés, laminés et/ou forgés. Le procédé de fabrication des produits corroyés selon l'invention comprend les étapes de laminage, extrusion et/ou forgeage, mise en solution, trempe, détensionnement et optionnellement revenu en un ou plusieurs paliers. 5 Préférentiellement, les produits corroyés selon l'invention sont des produits filés. Le procédé de fabrication du produit filé selon l'invention comprend les étapes : a) homogénéisation de la billette ; b) déformation à chaud et optionnellement à froid de la billette en un produit filé ; c) mise en solution et trempe dudit produit filé ; 10 d) optionnellement, traction de façon contrôlée dudit produit filé avec une déformation permanente de 1 à 15%, préférentiellement d'au moins 2% ; e) optionnellement, revenu à 140 - 170°C pendant 5 à 70 heures. Les produits selon l'invention peuvent de manière avantageuse être utilisés dans des éléments 15 de structure, en particulier d'avion. Ainsi, un objet de l'invention est un élément 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 ou 20 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 de fuselage ou de voilure, les poutres de plancher et les rails de siège. 25 Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détails à l'aide des exemples illustratifs et non limitants suivants. Exemple 1 30 Dans cet exemple, plusieurs billettes en alliage A1CuLiMgMnZr de 384 mm de diamètre ont été coulées. La coulée a été réalisée en présence de 4 kg/tonne d' AT5B, à une vitesse de 25 à 13 3065012 mm/min et une température comprise entre 675 et 700°C. La composition des alliages et leur densité sont données dans le tableau 1. Tableau 1 : Composition en % en poids et densité des alliages AlCuLiMgMnZr Alliage Cu Li Mg Zn Ag Mn Zr Ti Densité (g/cm3) AA2196 2,5- 1.4- 0.25- REVENDICATIONS1) Produit en alliage à base d'aluminium comprenant, en % en poids, Cu : 2,4-3,2 ; préférentiellement 2,5-3,0 ; Li : 1,6-2,3 ; préférentiellement 1,7-2,2 ; Mg : 0,3-0,9 ; préférentiellement 0,5-0,7 ; Mn : 0,2 - 0,6 ; préférentiellement 0,3-0,6 ; Zr : 0,12 - 0,18 ; préférentiellement 0,13-0,15 ; et tel que Zr > -0,06*Li + 0,242. Zn : 2) Produit selon la revendication 1 dans lequel la teneur en lithium est de 2,0 à 2,2% en poids. 3) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la teneur en manganèse est de 0,4 à 0,5% en poids. 4) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en zirconium est de 0,14 à 0,15% en poids. 5) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la teneur en zirconium est telle que Zr > -0,06*Li + 0,2575 . 18 3065012 6) Produit selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la teneur en titane est comprise entre 0,01 et 0,03% en poids. 5 7) Procédé de fabrication d'un produit brut de coulée en alliage d'aluminium selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant les étapes : a) élaboration d'un bain de métal liquide ; b) coulée d'une forme brute à partir dudit bain de métal liquide ; c) solidification de la forme brute en une billette, une plaque de laminage ou une 10 ébauche de forge ; caractérisée en ce que la coulée est réalisée sans ajout d'affinant du grain ou en ajoutant un affinant comprenant (i) Ti et (ii) B ou C et tel que la teneur en B provenant de l'agent affinant est inférieure à 45 ppm, préférentiellement inférieure à 20 ppm et, plus préférentiellement encore, inférieure à 10 ppm et celle de C inférieure à 6 ppm, préférentiellement inférieure à 15 3 ppm et, plus préférentiellement encore, inférieure à 2 ppm. 8) Procédé de fabrication d'un produit brut de coulée en alliage d'aluminium selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant les étapes : a) élaboration d'un bain de métal liquide ; 20 b) coulée d'une forme brute à partir dudit bain de métal liquide ; c) solidification de la forme brute en une billette, une plaque de laminage ou une ébauche de forge ; caractérisée en ce que la coulée est réalisée, pour une forme brute de coulée d'épaisseur E ou de diamètre D supérieur à 150 mm à une vitesse de coulée v, en mm/min, supérieure à : 25 - 30 pour une forme brute de coulée type plaque, - 9000/D pour une forme brute de coulée type billette. 9) Produit brut de coulée d' épaisseur ou de diamètre supérieur à 150 mm, de préférence 30 supérieur à 250 mm et préférentiellement encore supérieur à 300 mm, obtenu par le procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8 caractérisé en ce que sa taille de 19 3065012 grain est inférieure à 110 lam, préférentiellement inférieure ou égale à 105 1.tm et, plus préférentiellement encore inférieure à 90 lam. 10) Procédé de fabrication d'un produit corroyé comprenant les étapes de fabrication d'un 5 produit brut de coulée selon les revendications 7 et 8 et des étapes de laminage ou extrusion et/ou forgeage, mise en solution, trempe, détensionnement et optionnellement revenu. 11) Procédé de fabrication d'un produit filé selon la revendication 10 comprenant la coulée 10 d'une billette et les étapes : a) homogénéisation de la billette en un produit filé ; b) déformation à chaud et optionnellement à froid de la billette en un produit filé ; c) mise en solution et trempe dudit produit filé ; d) traction de façon contrôlée dudit produit filé avec une déformation permanente de 1 15 à 15%, préférentiellement d'au moins 2% ; e) revenu dudit produit filé par chauffage à 140 à 170°C pendant 5 à 70 heures. 12) Elément de structure incorporant au moins un produit obtenu par le procédé selon la revendication 11 ou fabriqué à partir d'un produit selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 6. 13) Elément de structure selon la revendication 12 utilisé en tant que raidisseur ou de cadre, caractérisé en ce qu'il est utilisé en tant que raidisseur ou de cadre pour la fabrication d'éléments intrados ou extrados d'aile d'avion, préférentiellement des raidisseurs, des 25 longerons et des nervures, ou de poutres de plancher et rails de siège.