Brevet FR3132306A1 — publié le 20230804

L’invention concerne une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% en poids au total, reste aluminium. Figure d'abrégé : Fig. 3 Tôle mince améliorée en alliage d’aluminium-cuivre-lithium L’invention concerne les tôles minces en alliage d’aluminium-cuivre-lithium, plus particulièrement, de tels produits, leurs procédés de fabrication et d'utilisation, destinés notamment à la construction aéronautique et aérospatiale pour les applications de tôle de fuselage. Art anterieur 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 aluminium-lithium (AlLi) 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. EP 1 891 247 divulgue un alliage à base d’aluminium de faible masse volumique utile dans une structure d’aéronef pour les applications de tôle de fuselage présentant une résistance mécanique élevée, une haute ténacité et une résistance élevée à la corrosion, contenant en % en poids, 2,7 à 3,4 de Cu, 0,8 à 1,4 de Li, 0,1 à 0,8 d'Ag, 0,2 à 0,6 de Mg et un élément tel que Zr, Mn, Cr, Sc, Hf, Ti ou une combinaison de ceux-ci, dont la quantité, dans % en poids, est de 0,05 à 0,13 pour Zr, 0,05 à 0,8 pour Mn, 0,05 à 0,3 pour Cr et Sc, 0,05 à 0,5 pour Hf et 0,05 à 0,15 pour Ti. La quantité de Cu et de Li est déterminée selon la formule Cu (% en poids) + 5/3 Li (% en poids) Le brevet US 5,455,003 décrit un procédé de fabrication d’alliages Al-Cu-Li qui présentent une résistance mécanique et une ténacité améliorées 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. US 5,455,003 encourage à développer des produits non recristallisés pour obtenir les propriétés attendues en condition cryogénique et utiliser l’addition de Zr et Ti. Les tôles de fuselage peuvent être sollicitées dans plusieurs directions et des tôles minces isotropes ayant des propriétés élevées et équilibrées en résistance mécanique dans les directions L et TL et en ténacité pour les directions L-T et T-L sont très recherchées. De plus on a constaté que des tôles minces obtenues avec certains alliages présentant des propriétés élevées à certaines épaisseurs, par exemple 4 mm peuvent dans certains cas avoir des propriétés moins élevées ou anisotropes à une autre épaisseur, par exemple 2,5 mm. Il n’est souvent pas avantageux industriellement d’utiliser des alliages différents pour différentes épaisseurs et un alliage permettant d’atteindre des propriétés élevées et isotropes quelle que soit l’épaisseur serait particulièrement avantageux. Le brevet EP 1 966 402 décrit un alliage comprenant 2,1 à 2,8 % en poids de Cu, 1,1 à 1,7 % en poids de Li, 01 à 0,8 % en poids de Ag, 0,2 à 0,6 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, l'alliage étant sensiblement exempt de zirconium, particulièrement adapté pour l’obtention de tôles minces recristallisées. WO2016/051099 décrit une tôle d’épaisseur 0,5 à 9 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant 2,8 à 3,2 % en poids de Cu, 0,5 à 0,8 % en poids de Li, 0,1 à 0,3 % en poids de Ag, 0,2 à 0,7 % en poids de Mg, 0,2 à 0,6 % en poids de Mn, 0,01 à 0,15 % en poids de Ti, une quantité de Zn inférieure à 0,2 % en poids, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % en poids chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% en poids chacune et 0,15% en poids au total, la dite tôle étant obtenue par un procédé comprenant coulée, homogénéisation, laminage à chaud et optionnellement laminage à froid, mise en solution, trempe et revenu. Il existe un besoin pour des tôles minces ayant une limite d’élasticité élevée (pour résister au flambage) ainsi qu’une ténacité sous contrainte plane élevée, en particulier présentant une valeur élevée de facteur d’intensité de contrainte apparent à la rupture (Kapp) et des valeurs de Δaeff_max élevées ; Δaeff_max représente l’extension de fissure du dernier point de la courbe R, valide selon la norme ASTM E561-20. WO2016/051099 divulgue des données de courbe R aux figures 1 et 2. Ces courbes R ne se limitent pas aux seuls points valides. Les inventeurs ont constaté que la divulgation de WO2016/051099, ainsi que les exemples ne permettent pas d’obtenir une valeur de Δaeff_max supérieure à 80 mm. L’essai de courbe R est un moyen largement reconnu pour caractériser les propriétés de ténacité. La courbe R représente l’évolution du facteur d’intensité de contrainte effective critique pour la propagation de fissure en fonction de l’extension de fissure effective, sous une contrainte monotone croissante. Elle permet la détermination de la charge critique pour une rupture instable pour toute configuration pertinente à des structures d’aéronef fissurées. Les valeurs du facteur d’intensité de contrainte et de l’extension de fissure sont des valeurs effectives telles que définies dans la norme ASTM E561-20. L’analyse classique, généralement utilisée, des essais réalisés sur des panneaux à fissure centrale, donne un facteur d’intensité de contrainte apparent à la rupture (Kapp). Cette valeur ne varie pas nécessairement de façon significative en fonction de la longueur de la courbe R. Cependant, la longueur de la courbe R – à savoir l’extension de fissure maximale de la courbe Δaeff_max – est un paramètre important en soi pour la conception de fuselage, en particulier pour des panneaux comportant des raidisseurs fixés. Un premier objet de l’invention est une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12.7 mm, de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% en poids au total, reste aluminium. Un deuxième objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12.7 mm, en alliage d’aluminium dans lequel, successivement a) on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d’aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium. b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide, c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise de 480°C à 535 C ; d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement à froid en une tôle ayant une épaisseur inférieure à 12,7 mm, de préférence une épaisseur de 0,5 mm à 9 mm ; e) on met en solution à une température comprise de 450 °C à 535 °C et on trempe ladite tôle ; f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à 5 %, g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise de 130 à 170°C et de préférence de 150 à 160°C pendant 5 à 100 heures et de préférence de 10 à 60 heures. Encore un autre objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince selon l’invention ou obtenue selon le procédé de l’invention pour des éléments de structure de fuselage. Figures La représente l’évolution de la limite d’élasticité en traction Rp0.2 en fonction de la durée de revenu à 155°C pour différentes tôles selon l’exemple 1. La représente le compromis Rp0.2-TL - Kapp (T-L) des tôles testées dans les exemples 1 et 3. La représente le compromis Rp0.2 -TL- Δaeff_max des tôles testées dans les exemples 1 et 3. Tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm de structure granulaire essentiellement recristallisée en alliage à base d'aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium. Tôle mince selon la revendication 1 dont la teneur en argent Ag est inférieure ou égale à 0,05 % en poids, préférentiellement inférieure ou égale à 0,04% en poids, encore plus préférentiellement inférieure ou égale à 0,03 % en poids. Tôle mince selon la revendication 1 ou 2 dont la teneur en magnésium Mg est comprise de 0,30% à 0,45% en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dont la teneur en lithium Li est comprise de 0,7 % à 0,8% en poids, préférentiellement de 0,70 à 0,80% en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dont la teneur en cuivre Cu est comprise de 2,8 à 3,1 % en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dont la teneur en manganèse Mn est comprise de 0,20 à 0,45% en poids et de préférence de 0,25 à 0,45 % en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dont la teneur en zinc Zn est comprise de 0,45% à 0,65% en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 présentant à l’état T8 : - une ténacité en contrainte plane Kapp dans la direction L-T et dans la direction T-L, mesurée sur des éprouvettes de type CCT760 avec un pré-fissuration 2ao égale à 253 mm, d’au moins 120 MPa√m, préférentiellement d’au moins 125 MPa√m, encore plus préférentiellement 130 MPa√m, - une limite d’élasticité en traction R P0,2 dans la direction L et dans la directionTL d’au moins 380 MPa, de préférence d’au moins 385 MPa, - une valeur de Δaeff_max valide mesurée dans la direction L-T et dans la direction T-L sur des éprouvettes de type CCT760 avec un pré-fissuration 2ao égale à 253 mm, d’au moins 80 mm, préférentiellement 90mm, encore plus préférentiellement 100 mm. Procédé de fabrication d’une tôle mince d’épaisseur inférieure à 12,7 mm, préférentiellement une épaisseur comprise de 0,5 à 9 mm dans lequel, successivement a) on élabore un bain de métal liquide de façon à obtenir un alliage d’aluminium comprenant en % en poids, 2,5 à 3,5 % de Cu, 0,7 à 0,9 % de Li, 0,3 à 0,5 % de Mg, 0,2 à 0,5 % de Mn, 0,25 à 0,65 % de Zn, 0,01 à 0,15 % de Ti, 0 à 0,07 % d’Ag, une quantité de Fe et de Si inférieure ou égale à 0,1 % chacun, et des impuretés inévitables à une teneur inférieure ou égale à 0,05% chacune et 0,15% au total, reste aluminium, b) on coule une plaque à partir dudit bain de métal liquide, c) on homogénéise ladite plaque à une température comprise de 480°C à 535°C; d) on lamine ladite plaque par laminage à chaud et optionnellement à froid en une tôle ayant une épaisseur inférieure à 12,7 mm, de préférence une épaisseur de 0,5 mm à 9 mm; e) on met en solution à une température comprise de 450°C à 535°C et on trempe ladite tôle ; f) on tractionne de façon contrôlée ladite tôle avec une déformation permanente de 0,5 à 5 %, g) on effectue un revenu comprenant un chauffage à une température comprise de 130 à 170°C, de préférence de 150 à 160°C, pendant 5 à 100 heures, de préférence de 10 à 60 heures. Procédé de fabrication d’une tôle mince selon la revendication 9 tel que le revenu réalisé à l’étape g) a une durée équivalente comprise de 10h à 80h, préférentiellement de 40h à 75h, durée équivalente calculée à la température de 150°C selon la formule Où (en °C) est la température instantanée de la tôle qui évolue avec le temps t (en secondes). Utilisation d’une tôle selon l’une des revendications 1 à 8 ou obtenue selon l’une des revendications 9 à 10 pour des éléments de structure de fuselage.