EP0164294B1 - Alliages à base d'aluminium contenant du lithium, du cuivre et du magnésium - Google Patents

Alliages à base d'aluminium contenant du lithium, du cuivre et du magnésium Download PDF

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EP0164294B1 EP85420044A EP85420044A EP0164294B1 EP 0164294 B1 EP0164294 B1 EP 0164294B1 EP 85420044 A EP85420044 A EP 85420044A EP 85420044 A EP85420044 A EP 85420044A EP 0164294 B1 EP0164294 B1 EP 0164294B1
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Philippe Meyer
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium

Definitions

  • the present invention relates to alloys based on Al, containing essentially Li, Cu and Mg and having high specific characteristics and high ductility.
  • lithium alloys It is known to metallurgists that the addition of lithium decreases the density and increases the modulus of elasticity and the mechanical resistance of aluminum alloys. This explains the designers' interest in these alloys for applications in the aeronautical industry, and more particularly, for lithium aluminum alloys containing other addition elements such as magnesium or copper.
  • lithium alloys must imperatively have ductility and toughness at least equivalent, with mechanical strength equal to that of conventional aeronautical alloys such as alloys 2024-T4 or T351, 2214T6 (51), 7175-T73 (51 ) or T7652 and 7150-T651 (according to the nomenclature of the Aluminum Association), which is not the case for known lithium alloys.
  • the resistance and elongation levels obtained on thin sheets in the T8 state and on thick sheets in the T651 state are however still lower than those of aeronautical alloys of the 2000 to 7000 series, as for the other alloys of the AILiCu systems and AILiCuMg with a lithium content greater than 1.7% known to date, whether these are products obtained by ingot metallurgy (for example, in semi-continuous casting) or by powder metallurgy.
  • the alloy NOR-14 whose composition, depending on the type of analysis, can be: described in the article "Correlation of microstructures, aging treatments and properties of AI-Li-Cu-Mg-Zr I / M and P / M alloys" as well as the alloy C9 with the following composition: Li: 2.9; Cu: 3.0; Mg: 2.0; Fe: 0.10; If: 0.06; Zr: 0.14; AI: rest, described in the article “Development of Lithium-Containing Aluminum alloys for the ingot metallurgy production route”.
  • the Cu content is preferably kept between 1.7 and 3.0%, it can be limited between 2 and 2.7%.
  • the Zr content is preferably between 0.10 and 0.18%.
  • Iron and silicon are preferably kept below 0.10 and 0.06% respectively.
  • Homogenization can be done in a temperature range between 0 + 10 (° C) and 8-20 (° C); the solution is preferably carried out between A ⁇ 10 ° C.
  • the optimal durations of heat treatment for homogenization at temperature 8 are 0.5 to 8 hours for alloys produced by rapid solidification (atomization - splat cooling - or any other means) and 12 to 72 hours for molded products or produced in semi-continuous casting.
  • alloys have their optimal mechanical properties after tempering of durations of 8 to 48 hours at temperatures between 170 and 220 ° C (preferably between 180 and 200 ° C) and it is preferable to subject the products to adequate form (sheets, bars, widgets) work hardening giving rise to a plastic deformation of 1 to 5% (preferably 2 to 4%) between quenching and tempering, which makes it possible to further improve the mechanical resistance of the products without degrading their ductility.
  • the alloys according to the invention have a higher mechanical strength and ductility than those of the well-known alloy AILiMgMn 01420 (Ai -5% Mg -2% Li -0.6% Mn) and have a compromise between higher mechanical strength and ductility than known AILiCuMg alloys (low magnesium contents). They also have excellent resistance to laminating corrosion.
  • alloys are therefore particularly advantageous for the manufacture of molded or wrought semi-finished products (produced by semi-continuous casting, atomization or splat cooling, etc.) whether they are, for example, extruded, rolled, forged or stamped.
  • Figure 1 shows, in perspective, a stamped part relating to Example 2 given below.
  • Billet ⁇ 200 mm were poured semi-continuously and have the analyzes reported in Table T (a). Unless otherwise indicated, the Fe and Si contents of the flows used are less than 5 to 0.04% and 0.03% respectively. These correspond either to conventional alloys (C, D), or to a known lithium alloy (E), or to alloys according to the invention (A, F) or outside the invention (B). These billets were homogenized and spun into 100 ⁇ 13 mm broads. These were then dissolved, soaked in water and returned under the conditions shown in Table 1 (b). The results of the mechanical tensile characteristics obtained in the long direction and in the long direction are reported in Table I (c) with measurements of tenacity (factor Kic) in the direction (LT). * Long-term traction, crack propagation across.
  • alloys according to the invention (A and F) have higher elongations and toughness than those of the known Li alloy (E) with equivalent elastic limits.
  • the mechanical tensile properties obtained on alloys A and F are, moreover, close to those of conventional alloys.
  • Billet ⁇ 200 mm were poured semi-continuously, homogenized, then transformed by spinning and stamping into precision stamps, the shape of which is shown in fig. 1.
  • the latter consist of a flat rectangular bottom (1) of dimensions 489 ⁇ 70 ⁇ 3 mm, bordered, on its two longitudinal edges and a transverse edge, with three ribs (2) perpendicular to the bottom, 40 to 40 high 60 mm and 3 to 5 mm thick, the longitudinal edges being separated by three small spacers (3) 1.5 mm thick.
  • the heat treatments carried out are reported in Table II (b) and the results of the mechanical characteristics obtained in the long and long transverse directions are reported in Table II (c).
  • alloys according to the invention (A and F) lead on precision stamps (not hardened between quenching and tempering) at levels of mechanical resistance and ductility at least equal to those of alloy 7175 (H ) normally used for this type of product, but more dense.

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Description

  • La présente invention est relative à des alliages à base d'Al, contenant essentiellement du Li, du Cu et du Mg et possédant de hautes caractéristiques spécifiques et une ductilité élevée.
  • Il est connu des métallurgistes que l'addition de lithium diminué la densité et augmente le module d'élasticité et la résistance mécanique des alliages d'aluminium. Ceci explique l'intérêt des concepteurs pour ces alliages en vue d'applications dans l'industrie aéronautique, et plus particulièrement, pour les alliages d'aluminium au lithium contenant d'autres éléments d'addition tels que le magnésium ou le cuivre. Toutefois, de tels alliages au lithium devront impérativement posséder une ductilité et une ténacité au moins équivalentes, à résistance mécanique égale, à celle des alliages aéronautiques conventionnels tels que les alliages 2024-T4 ou T351, 2214T6 (51), 7175-T73 (51) ou T7652 et 7150-T651 (selon la nomenclature de l'Aluminium Association), ce qui n'est pas le cas des alliages au lithium connus.
  • Récemment, les métallurgistes ont proposé de nouvelles compositions d'alliages aluminium- lithium au cuivre et au magnésium à faible densité et haute résistance mécanique spécifique; il s'agit, en particulier, des alliages expérimentaux faisant l'objet de la demande de brevet européen no 88511 qui revendique les alliages de composition nominale (en poids %): Li = 2,0 à 2,8; Cu = 1,0 à 1,5; Mg = 0,4 à 1; Zr 0,2; Mn≤0,5; NiG0,5; Cr≤0,5. Les niveaux de résistance et d'allongement obtenus sur tôles minces à l'état T8 et sur tôles épaisses à l'état T651 sont toutefois encore inférieurs à ceux des alliages aéronautiques des séries 2000 à 7000, comme pour les autres alliages des systèmes AILiCu et AILiCuMg à teneur en lithium supérieure à 1,7% connus à ce jour, qu'il s'agisse de produits obtenus par métallurgie du lingot (par exemple, en coulée semi-continue) ou par métallurgie des poudres.
  • On connaît également du document Aluminium-Lithium Alloys Il (The Metallurgical Society of AIME) l'alliage NOR-14 dont la composition, suivant le type d'analyse, peut être:
    Figure imgb0001
    décrit dans l'article «Correlation of microstructures, aging treatments and properties of AI-Li-Cu-Mg-Zr I/M and P/M alloys» ainsi que l'alliage C9 de composition suivante: Li: 2,9; Cu: 3,0; Mg: 2,0; Fe: 0,10; Si: 0,06; Zr: 0,14; AI: reste, décrit dans l'article «Development of Lithium-contai- ning Aluminium alloys for the ingot metallurgy production route».
  • Au cours d'essais métallurgiques, nous avons trouvé et expérimenté de nouvelles compositions d'alliages industriels du système AI-Li-Mg-Cu (+ Cr, Mn, Zr, Ti) plus performants que les alliages des systèmes AILiCu et AILiMg et que les alliages connus du système AILiCuMg du point de vue de compromis entre la résistance mécanique et la ductilité.
  • Ces nouveaux alliages selon l'invention ont les compositions pondérales suivantes:
    Figure imgb0002
  • La teneur en Cu est de préférence tenue entre 1,7 et 3,0%, elle peut être limitée entre 2 et 2,7%. La teneur en Zr est de préférence comprise entre 0,10 et 0,18%. Le fer et le silicium sont tenus de préférence au-dessous de 0,10 et 0,06% respectivement.
  • Pour obtenir le meilleur compromis, résistance mécanique-ductilité, on doit de plus observer le relation suivante:
    Figure imgb0003
    avec 8,5≤ K≤11,5 et de préférence 9≤K≤11.
  • Les alliages selon l'invention possèdent leur niveau optimal de résistance et de ductilité après des traitements d'homogénéisation des produits coulés et de mise en solution des produits transformés comportant au moins un palier à une température 0 (en °C) de l'ordre de 0 = 535-5 (% Mg) pendant une durée suffisante pour qu'après trempe, les composés intermétalliques des phases AI-Cu (Li, Mg) détectables lors d'examen micrographique ou par microanalyse électronique ou ionique (SIMS) soient de préférence complètement dissouts dans l'AI ou aient une taille inférieure à 5 µm. L'homogénéisation peut se faire dans un domaine de température compris entre 0 + 10 (°C) et 8-20 (°C); la mise en solution est de préférence effectuée entre A± 10°C.
  • Il a été constaté que les alliages, pour lesquels K > 11,5 possédaient une ductilité insuffisante, et que ceux, pour lesquels K < 8,5 avaient une résistance mécanique insuffisante.
  • Les durées optimales de traitement thermique d'homogénéisation à la température 8 sont de 0,5 à 8 heures pour les alliages élaborés par solidification rapide (atomisation - splat cooling - ou tout autre moyen) et de 12 à 72 heures pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi-continue.
  • Ces alliages possèdent leurs propriétés mécaniques optimales après revenus de durées de 8 à 48 heures à des températures comprises entre 170 et 220°C (de préférence entre 180 et200°C) et il est préférable de faire subir aux produits de forme adéquate (tôles, barres, largets) un écrouissage donnant lieu à une déformation plastique de 1 à 5% (préférentiellement 2 à 4%) entre trempe et revenu, ce qui permet d'améliorer encore la résistance mécanique des produits sans dégrader leur ductilité.
  • Dans ces conditions, les alliages selon l'invention possèdent une résistance mécanique et une ductilité supérieures à celles de l'alliage bien connu AILiMgMn 01420 (Ai -5% Mg -2% Li -0,6% Mn) et ont un compromis entre résistance mécanique et ductilité supérieur à celui des alliages AILiCuMg connus (à faibles teneurs en magnésium). Ils ont, par ailleurs, une excellente résistance à la corrosion feuilletante.
  • Ces alliages sont donc particulièrement intéressants pour la fabrication de demi-produits moulés ou corroyés (élaborés par coulée semi-continue, atomisation ou splat cooling, etc...) qu'il s'agisse par exemple de produits filés, laminés, forgés ou matricés.
  • L'invention sera mieux comprise et illustrée à l'aide de figures et exemples suivants.
  • La figure 1 représente, en perspective, une pièce matricée relative à l'exemple 2 donné ci-après.
    • Exemple 1
  • Des billettes ⌀200 mm ont été coulées en semi-continu et possèdent les analyses reportées au Tableau T (a). Sauf indications contraires, les teneurs en Fe et Si des coulées utilisées sont inférieures respectivement 5 à 0,04% et 0,03%. Celles-ci correspondent soit à des alliages classiques (C, D), soit à un alliage au lithium connu (E), soit à des alliages selon l'invention (A, F) ou hors de l'invention (B). Ces billettes ont été homogénéisées et filées en largets 100 × 13 mm. Ceux-ci ont ensuite été mis en solution, trempés à l'eau et revenus dans les conditions reportées au Tableau 1 (b). Les résultats des caractéristiques mécaniques de traction obtenues dans le sens long et travers long sont reportés au Tableau I (c) avec des mesures de tenacité (facteur Kic) dans le sens (L.T.).
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    *Traction sens long, propagation de fissure sur travers.
  • Les alliages selon l'invention (A et F) présentent des allongements et une ténacité supérieurs à ceux de l'alliage au Li connu (E) à limites élastiques équivalentes. Les caractéristiques mécaniques de traction obtenues sur les alliages A et F sont, par ailleurs, voisines de celles des alliages conventionnels.
    • Exemple 2
  • Des billettes ⌀200 mm, dont la composition chimique est reportée au Tableau Il (a), ont été coulées en semi-continu, homogénéisées, puis transformées par filage et matriçage en matricés de précision dont la forme est reportée à la fig. 1. Ces derniers sont constitués d'un fond plat rectangulaire (1) de dimensions 489 × 70 × 3 mm, bordé, sur ses deux rives longitudinales et une rive transversale, de trois nervures (2) perpendiculaires au fond, hautes de 40 à 60 mm et épaisses de 3 à 5 mm, les rives longitudinales étant séparées par trois petites entretoises (3) d'épaisseur 1,5 mm. Les traitements thermiques effectués sont reportés au Tableau Il (b) et les résultats des caractéristiques mécaniques obtenus dans les sens long et travers long sont reportés au Tableau Il (c).
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
  • Cet exemple montre que les alliages selon l'invention (A et F) conduisent sur des matricés de précision (non écrouis entre trempe et revenu) à des niveaux de résistance mécanique et de ductilité au moins égaux à ceux de l'alliage 7175 (H) normalement utilisé pour ce type de produit, mais plus dense.

Claims (10)

1. Alliage à base d'AI à haute résistance et haute ductilité, caractérisé en ce qu'il contient (en poids %)
Figure imgb0008
Fe≤0,20%
Si ≤0,12%
Cr 0 à 0,3
Mn 0 à 1,0
Zr 0 à 0,2
Ti 0 à 0,1
Be 0 à 0,02
Autres éléments (impuretés)
chacun ≤0,05
total ≤0.15
reste: aluminium.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 1,7 à 3% de Cu.
3. Alliage selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il contient entre 2 et 2,7% Cu.
4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il contient au plus 0,10% de Fe et au plus 0,06% Si.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que:
% Li (% Cu + 2) + %Mg = K avec 8,5≤K≤11,5.
6. Alliage selon la revendication 5, caractérisé enceque9≤K≤11.
7. Procédé de traitement thermique des alliages selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant au moins une homogénéisation, une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé en ce que l'alliage est homogénéisé entre θ+ 10°C et θ-20°C avec 0 (°C) = 535-5 (% Mg).
8. Procédé de traitement thermique des alliages selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant au moins une homogénéisation, une mise en solution, une trempe et un revenu, caractérisé en ce que la mise en solution a lieu dans le domaine de température limité par θ+10 (°C) et 0-10 (°C) avec θ (°C) = 535-5 (% Mg).
9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la durée du traitement thermique est comprise entre 0,5 et 8 h pour les alliages élaborés par solidification rapide et de 12 à 72 h pour les produits moulés ou élaborés en coulée semi-continue.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'une déformation plastique de 1 à 5%, et de préférence entre 2 et 4%, est appliquée au produit traité entre la trempe et le revenu.
EP85420044A 1984-03-15 1985-03-13 Alliages à base d'aluminium contenant du lithium, du cuivre et du magnésium Expired EP0164294B1 (fr)

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