Brevet FR3080860A1 — publié le 20191108

ALLIAGE ALUMINIUM CUIVRE LITHIUM A RESISTANCE EN COMPRESSION ET TENACITE AMELIOREES Domaine de l'invention L'invention concerne les produits en alliages aluminium-cuivre-lithium, plus particulièrement, de tels produits destinés à la construction aéronautique et aérospatiale. Etat de la technique Des produits en alliage d'aluminium sont développés pour produire des pièces de haute résistance destinées notamment à l'industrie aéronautique et à l'industrie aérospatiale. 15 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 par rapport aux autres propriétés d'usage doit atteindre celle des 20 alliages couramment utilisés, en particulier en terme de compromis entre les propriétés de résistance mécanique statique (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. Pour certaines pièces telles que les extrados de voilure, la limite d'élasticité en compression est une propriété 25 essentielle. Ces propriétés mécaniques doivent de plus être de préférence stables dans le temps et présenter une bonne stabilité thermique, c'est-à-dire ne pas être significativement modifiées par un vieillissement à température d'utilisation. Ces alliages doivent également présenter une résistance à la corrosion suffisante, pouvoir être 30 mis en forme selon les procédés habituels et présenter de faibles contraintes résiduelles de façon à pouvoir être usinés de façon intégrale. Ils doivent enfin pouvoir être obtenus par des 10 2 procédés de fabrication robustes, en particulier, les propriétés doivent pouvoir être obtenues sur des outils industriels pour lesquels il est difficile de garantir une homogénéité de température à quelques degrés près pour des pièces de grandes dimensions. 5 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. Le brevet US 5,455,003 décrit un procédé de fabrication d'alliages Al-Cu-Li qui présentent une résistance mécanique et une ténacité améliorés à température cryogénique, en particulier grâce à un écrouissage et un revenu appropriés. Ce brevet recommande en particulier la composition, en pourcentage en poids, Cu = 3,0 - 4,5, Li = 0,7- 1,1, Ag = 0 - 0,6, Mg = 0,3- 0,6 et Zn = 0 - 0,75. Le brevet US 7,438,772 décrit des alliages comprenant, en pourcentage en poids, Cu : 3-5, Mg : 0,5-2, Li : 0,01-0,9 et décourage l'utilisation de teneur en lithium plus élevées en raison d'une dégradation du compromis entre ténacité et résistance mécanique. Le brevet US 7,229,509 décrit un alliage comprenant (% 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, 0,4 max Zr ou d'autres agents affinant le grain tels que Cr, Ti, Hf, Sc, V. La demande de brevet US 2009/142222 Al décrit des alliages comprenant (en % en poids), 3,4 à 4,2% de Cu, 0,9 à 1,4% de Li, 0,3 à 0,7% de Ag, 0,1 à 0,6% de Mg, 0,2 à 0,8% de Zn, 0,1 à 0,6 % de Mn et 0,01 à 0,6 % d'au moins un élément pour le contrôle de la structure granulaire. Cette demande décrit également un procédé de fabrication de produits filés. La demande de brevet W02009/036953 concerne un produit en alliage d'aluminium pour les éléments structuraux présentant une composition chimique comprenant, en poids Cu de 3,4 à 5,0, Li de 0,9 à 1,7, Mg de 0,2 à 0,8, Ag d'environ 0,1 à 0,8, Mn de 0,1 à 0,9, Zn jusqu'à 1,5, et un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe constitué par: (Zr environ 0,05 à 0,3, 3 Cr 0,05 à 0,3, Ti environ 0,03 à 0,3, Sc environ 0,05 à 0,4, Hf environ 0,05 à 0,4), Fe 590 MPa, de préférence Rcp0,2(L) > 595 MPa; ii) une ténacité Kapp (L-T) > 60 MPa.\lm, de préférence Kapp (L-T) > 75 MPa-\lm, avec 15 Kapp (L-T) la valeur du facteur d'intensité de contrainte apparent à la rupture définie selon la norme ASTM E561 (2015) mesurée sur des éprouvettes CCT de largeur W=406 mm et d'épaisseur B = 6,35 mm; iii) ) une différence entre la limite d'élasticité en traction R0,2(L) et la limite d'élasticité en compression Rcpo,2(L), Rpo,2(L) - Rcp0,2(L), inférieure ou égale à 10 20 MPa, de préférence 4. En particulier, l'affinage AlTiC dans l'alliage de la présente invention permet une amélioration du compromis entre la ténacité Kapp L-T et la limite d'élasticité en compression Rcp0.2 L. 30 II est possible de sélectionner la teneur des éléments d'alliage pour minimiser la densité. De préférence, les éléments d'additions contribuant à augmenter la densité tels que Cu, Zn, Mn 11 et Ag sont minimisés et les éléments contribuant à diminuer la densité tels que Li et Mg sont maximisés de façon à atteindre une densité inférieure ou égale à 2.73 g/cm3 et de préférence inférieure ou égale à 2.72 g/cm3. La teneur des autres éléments est au plus de 0,05 % en poids chacun et 0,15% en poids au 5 total. Les autres éléments sont typiquement des impuretés inévitables. Le procédé de fabrication des produits selon l'invention comprend les étapes d'élaboration, coulée, homogénéisation, déformation à chaud, mise en solution et trempe, traction entre 2 et 16% et revenu. Dans une première étape, on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage 10 d'aluminium de composition selon l'invention. Le bain de métal liquide est ensuite coulé sous forme de forme brute, préférentiellement sous forme de plaque de laminage ou de billette de filage. La forme brute est ensuite homogénéisée de façon à atteindre une température comprise entre 450°C et 550° et de préférence entre 480 °C et 530°C pendant une durée comprise entre 5 et 15 60 heures. Le traitement d'homogénéisation peut être réalisé en un ou plusieurs paliers. Après homogénéisation, la forme brute est en général refroidie jusqu'à température ambiante avant d'être préchauffée en vue d'être déformée à chaud. La déformation à chaud peut notamment être une extrusion ou un laminage à chaud. De manière préférée, il s'agit d'une étape de laminage à chaud. Le laminage à chaud est réalisé jusqu'à une épaisseur comprise 20 de préférence entre 8 et 50 mm et de manière préférée entre 15 et 40 mm. Le produit ainsi obtenu est ensuite mis en solution par traitement thermique permettant d'atteindre une température comprise entre 490 et 530 °C pendant 15 min à 8 h, puis trempé typiquement avec de l'eau à température ambiante. Le produit subit ensuite une déformation à froid avec une déformation de 2 à 16 %. Il peut 25 s'agir d'une traction contrôlée avec une déformation permanente de 2 à 5%, préférentiellement de 2,0% à 4,0%. Dans un mode de réalisation avantageux alternatif, la déformation à froid est réalisée en deux étapes : le produit est tout d'abord laminé à froid avec un taux de réduction d'épaisseur compris entre 8 à 12% puis ultérieurement tractionné de façon contrôlée avec une déformation permanente comprise entre 0,5 et 4%. 12 Le produit est ensuite soumis à une étape de revenu réalisée par chauffage à une température comprise entre 130 et 170°C et de préférence entre 140 et 160°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 70h. Les présents inventeurs ont constaté que, de manière surprenante, les teneurs spécifiques et 5 critiques de l'alliage de la présente invention permettent d'atteindre d'excellentes propriétés, notamment un compromis entre la limite d'élasticité en compression Rcp0,2(L) et de ténacité en contraintes planes Kapp particulièrement amélioré. Avantageusement, ces propriétés peuvent être obtenues, pour les alliages de l'invention, quel que soit le temps de revenu entre 15h et 25h à 155°C, ce qui garantit une robustesse du procédé de fabrication. 10 Avantageusement, la structure granulaire des produits obtenus est majoritairement non-recristallisée. Le taux de structure granulaire non-recristallisé à mi-épaisseur est de préférence d'au moins 70% et préférentiellement d'au moins 80%. Les produits obtenus par le procédé selon l'invention, en particulier les produits laminés 15 ayant une épaisseur comprise entre 8 et 50 mm, à mi-épaisseur présentent les caractéristiques suivantes : i) une limite d'élasticité en compression Rcp0,2(L) > 590 MPa, de préférence Rcp0,2(L) > 595 MPa, avec Rcp0,2(L) la limite d'élasticité en compression mesurée à 0,2% de compression selon la norme ASTM E9 (2018) dans la direction longitudinale; 20 ii) une ténacité Kapp (L-T) > 60 MPa..\lm, de préférence Kapp (L-T) > 75 MPa-\lm, avec Kapp (L-T) la valeur du facteur d'intensité de contrainte apparent à la rupture définie selon la norme ASTM E561 (2015) mesurée sur des éprouvettes CCT de largeur W=406 mm et d'épaisseur B = 6,35 mm; iii) une différence entre la limite d'élasticité en traction R0,2(L) et la limite d'élasticité 25 en compression Rcpo,2(L), Rpo,2(L) - Rcp0,2(L), inférieure ou égale à 10 MPa, de préférence -0,48 Rcp0,2(L) + 355,2, avec Kapp (L-T) exprimé en MPa-\/m, la valeur du facteur d'intensité de contrainte apparent à la rupture définie selon la norme ASTM E561 (2015) mesurée sur des éprouvettes CCT de largeur W=406 mm et d'épaisseur B = 6,35 mm, et Rcp0,2(L) exprimé en MPa, la 5 limite d'élasticité en compression mesurée à 0,2% de compression selon la norme ASTM E9 (2018). Les produits en alliage selon l'invention permettent en particulier la fabrication d'éléments de structure, notamment d'éléments de structure d'avion. Dans un mode de réalisation 10 avantageux, l'élément de structure d'avion préféré est un élément extrados d'aile d'avion. Ces aspects, ainsi que d'autres de l'invention sont expliqués plus en détails à l'aide des exemples illustratifs et non limitatifs suivants. 15 Exemples Exemple 1. Dans cet exemple, des plaques de section 406 x 1520 mm en alliage dont la composition est 20 donnée dans le tableau 1 ont été coulées. Tableau 1. Composition en % en poids des alliages n°1 à 8 Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr Li Ag 1 0,02 0,03 4,6 0,32 0,62 0,62 0,03 0,13 0,91 0,01 2 0,02 0,03 4,3 0,31 0,60 0,35 0,03 0,12 0,91 0,24 3 0,03 0,05 4,5 0,34 0,71 0,04 0,04 0,11 1,03 0,21 4 0,03 0,04 4,3 - 0,33 0,03 0,02 0,15 1,13 0,21 5 0,03 0,04 4,2 0,33 0,54 - 0,03 0,13 0,88 0,19 6 0,02 0,04 4,4 0,02 0,21 0,04 0,02 0,14 1,05 0,21 7 0,03 0,04 3,9 - 0,36 - 0,03 0,11 1,31 0,36 8 0,04 0,06 4,1 0,42 0,42 0,02 0,02 0,15 1,18 0,29 14 Pour chaque composition, la plaque a été homogénéisée avec un l' palier de 15h à 500°C, suivi d'un second palier de 20h à 510°C. La plaque a été laminée à chaud à une température supérieure à 440 °C pour obtenir des tôles d'épaisseur 25 mm pour les alliages 2 à 8 et 28 mm pour l'alliage 1. Les tôles ont été mises en solution à environ 510 °C pendant 3h, 5 trempées avec de l'eau à 20 °C. Les tôles ont ensuite été tractionnées avec un allongement permanent compris entre 2% et 6%. Les tôles ont subi un revenu mono palier tel qu'indiqué dans le tableau 2. Des échantillons ont été prélevés à mi-épaisseur pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en 10 traction et en compression dans la direction longitudinale. La ténacité en contrainte plane a également été mesurée à mi-épaisseur lors d'essais de courbe R avec des éprouvettes CCT de largeur 406 mm et d'épaisseur 6.35 mm dans la direction L-T. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 et à la figure 1. 15 La structure des tôles obtenues était majoritairement non-recristallisée. Le taux de structure granulaire non-recristallisée à mi-épaisseur était de 90%. Tableau 2. Conditions de traction contrôlée et de revenu et propriétés mécaniques obtenues pour les différentes tôles à mi-épaisseur. Alliage Revenu Allongement Rp0,2 (L) RCp0,2 (L) Kapp (L-T) permanent Traction Compression (MPe/m) lors de la (Mpa) (Mpa) traction contrôlée 1 15h 155°C 3.0 593 585 71 20h 155°C 3.0 604 610 59 2 15h 155°C 3.0 591 593 76 20h 155°C 3.0 601 599 69 25h 155°C 3.0 613 63 3 15h 155°C 3.3 612 607 60 4 15h 155°C 3.1 619 614 59 20h 155°C 3.1 636 637 55 5 20h 155°C 3.2 574 570 105 25h 155°C 3.2 585 580 79 6 20h 155°C 3.1 628 628 51 7 24h 150°C 4.5 606 590 64 15 8 24h 150°C 4.0 594 587 72 Exemple 2 5 Dans cet exemple, outre la plaque en alliage 2 de l'exemple 1, une plaque de section 406 x 1520 mm dont la composition est donnée dans le tableau 3 a été coulée. Tableau 3, Composition en % en poids des alliages 2 et 10, Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr Li Ag 2 0,02 0,03 4,3 0,31 0,60 0,35 0,03 0,12 0,91 0,24 10 0,04 0,02 4,3 0,31 0,64 0,33 0,03 0,14 0,90 0,35 10 Les plaques ont été homogénéisées à environ 510 °C puis scalpées. Après homogénéisation, les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des tôles ayant une épaisseur de 25 mm. Les tôles ont été mises en solution 3h à environ 510 °C, trempées à l'eau froide et tractionnées avec un allongement permanent de 3%. 15 La structure des tôle obtenues était majoritairement non-recristallisée. Le taux de structure granulaire non-recristallisé à mi-épaisseur était de 90%. Les tôles ont subi un revenu compris entre 15 h et 50 h à 155 °C. Des échantillons ont été 20 prélevés à mi-épaisseur pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en compression dans la direction longitudinale ainsi que la ténacité KQ dans la direction L-T. Les éprouvettes utilisées pour la mesure de ténacité avaient une largeur W=40 mm et une épaisseur B = 20 mm. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 4 et les figures 2 et 3. 25 16 Tableau 4 : Conditions de revenu et propriétés mécaniques obtenues pour les tôles 2 et10. Propriétés en Propriété en compression Ténacité Différence traction entre Rpo ,2 (MPa) en tension et Rpo ,2 (MPa) en compression Alliage Durée de revenu à 155°C RpO ,2 Rm A Rcpo,2 (L) (MPa) KQ (L) (L) (%) (MPeim) L-T (MPa) (MPa) N°2 10h 560 598 10 565 -5 15h 591 617 8.3 593 30,6 -2 20h 601 625 8.5 599 29,9 2 25h 613 27,6 30h 609 632 7.9 615 -6 N°10 10h 587 620 10 559 28 15h 604 632 8.5 588 30,7 16 20h 620 644 8.2 607 25,1 13 25 h 609 24,8 30h 621 645 7.5 609 12 Exemple 3 5 Dans cet exemple, outre la plaque en alliage 2 de l'exemple 1, une plaque de section 406 x 1700 mm dont la composition est donnée dans le tableau 3 a été coulée en utilisant un affinage AlTiC (fil affinant contenant des germes de type TiC). Tableau 5. Composition en % en poids des alliages 2 et 9. Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr Li Ag 2 0,02 0,03 4,3 0,31 0,60 0,35 0,03 0,12 0,91 0,24 9 0,02 0,04 4,3 0,14 0,61 0,36 0,05 0,13 0,88 0,25 Les plaques ont été homogénéisées à environ 510 °C puis scalpées. Après homogénéisation, les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des tôles ayant une épaisseur de 25mm. Les tôles ont été mises en solution 3h à environ 510°C, trempées à l'eau froide et tractionnées avec un allongement permanent de 3%. 10 15 Les tôles ont subi un revenu compris entre 15 h et 25 h à 155 °C. Des échantillons ont été prélevés à mi-épaisseur pour mesurer les caractéristiques mécaniques statiques en traction, 17 en compression dans la direction longitudinale ainsi que la ténacité KQ dans la direction L-T. Les éprouvettes utilisées pour la mesure de ténacité avaient une largeur W=40 mm et une épaisseur B = 20 mm. Les critères de validité de Kic ont été remplis pour certains échantillons. Des mesures de ténacité en contraintes planes ont également été obtenues sur 5 des échantillons CCT de largeur 406 mm et d'épaisseur 6.35 mm. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 6 et à la figure 4. Tableau 6 : Conditions de revenu et propriétés mécaniques obtenues pour les tôles 2 et 9 à mi-épaisseur Propriétés en tension Propriété en compression Ténacité Alliage Durée de revenu à 155°C Rm (L) (MPa) Rpo ,2 A Rcp0,2 (L) KQ Kapp (L) (%) (MPa) L-T L-T en (mpa.m1/2) (mpa.min) tension (MPa) N°2 15h 591 617 8.3 593 30,6 76 20h 601 625 8.5 599 29,9 69 25h 613 27,6 63 N°9 15h 597 622 9.1 599 28,7 84 20 h 603 26,8 80 25 h 602 626 8.5 607 26,9 REVENDICATIONS1. Produit à base d'alliage d'aluminium comprenant, en pourcentage en poids, 4,0 à 4,6 % en poids de Cu, 0,7 à 1,2 % en poids de Li, 0,5 à 0,65 % en poids de Mg, 0,10 à 0,20 % en poids de Zr, 0,15 à 0,30 % en poids d'Ag, 0,25 à 0,45 % en poids de Zn, 0,05 à 0,35% en poids de Mn, au plus 0,20 % en poids de Fe + Si, au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, Hf, V et Ti, la quantité dudit élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3 % en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et pour V et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, impuretés au plus 0,05% en poids chacun et 0,15% en poids au total, reste aluminium. 2. Produit à base d'alliage d'aluminium selon la revendication 1 dans lequel la teneur en Cu est comprise entre 4,2 et 4,5% en poids, préférentiellement entre 4,2 et 4,4% en poids. 3. Produit à base d'alliage d'aluminium selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel la teneur en Li est comprise entre 0,8 et 1,0% en poids, préférentiellement entre 0,85 et 0,95 % en poids. 4. Produit à base d'alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en Zn est comprise entre 0,30 et 0,40 % en poids. 5. Produit à base d'alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la teneur en Mn comprise entre 0,10 et 0,35% en poids. 6. Produit à base d'alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la somme des teneurs en Zn, Mg et Ag comprise entre 0,95 et 1,35% en poids, 19 préférentiellement entre 1,00 et 1,30% en poids, plus préférentiellement encore entre 1,15 et 1,25% en poids. 7. Produit à base d'alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 6 dans 5 lequel la teneur en Zr est 0,10 à 0,15 % en poids, préférentiellement entre 0,11 et 0,14% en poids. 8. Produit à base d'alliage d'aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la teneur en Ti est comprise entre 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti, 10 préférentiellement entre 0,01 et 0,08% en poids, plus préférentiellement entre 0,02 et 0,06% en poids. 9. Produit à base d'alliage d'aluminium selon la revendication 8 dans lequel le Ti est présent notamment sous la forme de particules TiC. 15 10. Procédé de fabrication d'un produit à base d'alliage d'aluminium dans lequel, successivement, b) on élabore un bain de métal liquide à base d'aluminium comprenant 4,0 à 4,6 % en poids de Cu ; 0,7 à 1,2 % en poids de Li ; 0,5 à 0,65 % en poids de Mg; 0,10 20 à 0,20 % en poids de Zr; 0,15 à 0,30 % en poids d'Ag ; 0,25 à 0,45 % en poids de Zn ; 0,05 à 0,35% en poids de Mn ; au plus 0,20 % en poids de Fe + Si; au moins un élément choisi parmi Cr, Sc, Hf, V et Ti, la quantité dudit élément, s'il est choisi, étant de 0,05 à 0,3% en poids pour Cr et pour Sc, 0,05 à 0,5 % en poids pour Hf et pour V et de 0,01 à 0,15 % en poids pour Ti; impuretés au plus 0,05% 25 en poids chacun et 0,15% en poids au total et reste aluminium ; b) on coule une forme brute à partir dudit bain de métal liquide ; c) on homogénéise ladite forme brute à une température comprise entre 450°C et 550°C et de préférence entre 480°C et 530°C pendant une durée comprise entre 5 et 60 heures ; 30 d) on déforme à chaud, préférentiellement par laminage, ladite forme brute homogénéisée ; e) on met en solution le produit déformé à chaud entre 490 et 530 °C pendant 15 min à-8 h et on trempe ledit produit mis en solution; 20 f) on déforme à froid ledit produit avec une déformation de 2 à 16%; g) on réalise un revenu dans lequel ledit produit atteint une température comprise entre 130 et 170°C et de préférence entre 140 et 160°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 70h. 5 11. Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou susceptible d'être obtenu par le procédé selon la revendication 10, d'épaisseur comprise entre 8 et 50 mm ayant, à mi-épaisseur : i) une limite d'élasticité en compression Rcpo,2(L) > 590 MPa, de préférence Rcp0,2(L) 10 > 595 MPa; ii) une ténacité Kapp (L-T) > 60 MPaVm, de préférence Kapp (L-T) > 75 MPeim, avec Kapp (L-T) la valeur du facteur d'intensité de contrainte apparent à la rupture défmie selon la norme ASTM E561 (2015) mesurée sur des éprouvettes CCT de largeur W=406 mm et d'épaisseur B = 6,35 mm; 15 iii) une différence entre la limite d'élasticité en traction Rpo,2(L) et la limite d'élasticité en compression Re1,o,2(L), Rpo,2(L) - Rcp0,2(L), inférieure ou égale à 10 MPa, de préférence 12. Elément de structure d'avion, de préférence un élément extrados d'aile d'avion, 20 comprenant un produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou selon la revendication 11.