FR2981666A1 - Alliage d'aluminium resistant a des temperatures elevees - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (Al), de 250 ppm en poids à 1200 ppm en poids de scandium (Sc), et des impuretés inévitables.

Description

Alliage d'aluminium résistant à des températures élevées La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, ainsi qu'à 5 un procédé de fabrication dudit alliage et à un procédé de fabrication dudit câble. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme "Overhead Lines (OHL) cable ». 10 Ces câbles se composent classiquement d'un élément central de renforcement, entouré par au moins une couche électriquement conductrice. L'élément central de renforcement peut être un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique. 15 La couche électriquement conductrice peut quant à elle comprendre typiquement un assemblage de brins métalliques, de préférence torsadés autour de l'élément central. Les brins métalliques peuvent être des brins en aluminium, en cuivre, en alliage d'aluminium ou en alliage de cuivre. Ceci étant, la couche électriquement conductrice est généralement fabriquée à base 20 d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, puisque ce matériau présente un poids assez faible par rapport à d'autres matériaux électriquement conducteurs. Du document US 4 402 763 est connu un alliage d'aluminium utilisé en tant que conducteur électrique, résistant à des températures élevées et 25 présentant une bonne conductivité. Cet alliage se compose de 0,23 à 0,35 % en poids de zirconium (Zr), le reste de l'alliage étant de l'aluminium et des impuretés inévitables (i.e. alliage Al-Zr). Toutefois, une fois l'alliage Al-Zr du type brut de coulée obtenu, il est nécessaire de le traiter thermiquement à une température de 310-390°C 30 pendant une durée de 50 à 400 heures, pour former au sein de l'alliage Al-Zr des précipités de Zr, et obtenir ainsi une bonne résistance mécanique à haute température de l'alliage.

Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant notamment un câble électrique, notamment de type OHL, comprenant au moins un élément conducteur allongé en alliage d'aluminium, facile à fabriquer, tout en présentant une bonne résistance mécanique à haute température. La présente invention a pour premier objet un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium, de 250 ppm (i.e. au moins 0,025% en poids de scandium) à 1200 ppm en poids (i.e. au moins 0,1200% en poids de scandium) de scandium (Sc), et des impuretés inévitables. Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique selon le premier objet peut en outre comprendre un élément allongé de renforcement. La présente invention a pour second objet un câble électrique 15 comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que le câble électrique comprend en outre un élément allongé de renforcement, l'alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, du scandium (Sc), et des impuretés inévitables. Dans la présente invention, la présence d'un élément allongé de 20 renforcement permet notamment de former un câble OHL. De préférence, l'élément allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur, l'élément allongé de renforcement étant notamment un élément central. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la quantité de 25 scandium dans l'alliage d'aluminium peut être avantageusement d'au moins 250 pm en poids. Lorsque la quantité de scandium est inférieure à 250 ppm en poids, l'alliage d'aluminium peut ne pas comprendre assez de précipités de Sc pour conserver de bonnes propriétés mécaniques à hautes températures. Dans un second mode de réalisation de l'invention, la quantité de 30 scandium dans l'alliage d'aluminium peut être est avantageusement d'au plus 1200 ppm en poids. Au-delà de 1200 ppm en poids de scandium, la conductivité électrique de l'alliage peut chuter de façon significative.

Plus particulièrement, il est préférable que la quantité de scandium dans l'alliage d'aluminium soit d'au plus 1000 ppm en poids, de préférence d'au plus 800 ppm en poids, et de préférence d'au plus 600 ppm en poids. En outre, pour une quantité de scandium de 600 ppm en poids, la 5 conductivité électrique de l'alliage d'aluminium est de 60% IACS, pour un coût limité. De façon particulièrement avantageuse, l'alliage d'aluminium de l'invention comprend de 250 ppm à 1200 ppm en poids de scandium (Sc), et de préférence de 250 à 600 ppm en poids de scandium. 10 Dans la présente invention, l'abréviation « ppm » signifie « parties par million massiques ». En d'autres termes, la teneur en ppm d'un élément est exprimée par rapport au poids total de l'alliage. L'alliage d'aluminium de l'invention étant un alliage comprenant de l'aluminium (AI) et du scandium (Sc), on pourra utiliser dans la suite de la 15 description la mention « alliage Al-Sc ». Grâce à la présente invention, le câble électrique, notamment l'élément électriquement conducteur, présente une bonne résistance mécanique à haute température en utilisation continue, tout en garantissant une bonne conductivité électrique et de bonnes propriétés mécaniques. 20 Cette résistance à haute température en utilisation continue correspond aux spécifications mentionnées dans la norme IEC 62004 en page 12, Annexe A, à savoir passer un test de vieillissement thermique à 280°C pendant 1 heure, sans perdre plus de 10% de résistance à la traction. Ainsi, après ce test de vieillissement, le câble électrique, notamment 25 l'élément électriquement conducteur de l'invention, présente une perte de résistance à la traction d'au plus 10% par rapport au même câble n'ayant pas subi ledit test de vieillissement. Un autre avantage est que le câble électrique, notamment l'élément électriquement conducteur de l'invention, présente une résistance à la traction 30 d'au moins 162 MPa, après ledit test de vieillissement. Cette valeur minimum de résistance à la traction correspond notamment à un élément électriquement conducteur d'un diamètre de 3,3 mm.

Dans la présente invention, la résistance à la traction est classiquement déterminée selon la norme NF-EN-ISO-6892-1-2099 « Matériaux métalliques / Essais de traction ». L'alliage Al-Sc de l'invention, notamment du type brut de coulée, ne 5 nécessite pas de traitement thermique pour former des précipités de Sc au sein dudit alliage Al-Sc, ledit traitement thermique étant long et coûteux. De plus, lors d'un traitement thermique post brut de coulée, que ce soit notamment après laminage ou après tréfilage, les alliages ont de façon générale tendance à se « recuire », induisant une baisse de leurs propriétés 10 mécaniques. La conductivité électrique de l'alliage Al-Sc peut être d'au moins 55% IACS (International Annealed Copper Standard), de préférence d'au moins 58% IACS, et de préférence d'au moins 60% IACS. Il est préférable que l'alliage Al-Sc de l'invention ne comprenne 15 uniquement que de l'aluminium, du scandium, et des impuretés inévitables. En effet, si on rajoute d'autres éléments dans l'alliage, la conductivité électrique peut fortement baisser. Pour les applications électriques, il est important de conserver l'alliage d'aluminium le plus pur possible. La teneur en aluminium de l'alliage de l'invention peut être d'au moins 20 95,00% en poids, de préférence d'au moins 98,00% en poids, de préférence d'au moins 99,00% en poids, de préférence d'au moins 99,50% en poids, et de préférence d'au moins 99,70% en poids. La teneur en impuretés dans l'alliage d'aluminium selon l'invention peut être d'au plus 1,00% en poids, de préférence d'au plus 0,60% en poids, 25 de préférence d'au plus 0,40% en poids, et de préférence d'au plus 0,30% en poids. On entend par impuretés inévitables » la somme des éléments métalliques ou non métalliques compris dans l'alliage, hors aluminium, scandium, et éventuellement oxygène, lors de la fabrication dudit alliage. 30 Ces impuretés peuvent être par exemple un ou plusieurs des éléments suivants : Ag, Cd, Cr, Fe, Mg, Mn, Pb, S, Si, Ti, V, Ni, S, Fe et/ou Zn. Dans le cadre de l'invention, l'élément électriquement conducteur peut être un ou plusieurs brin(s) métallique(s) en alliage Al-Sc.

De façon particulièrement préférée, l'élément électriquement conducteur peut comprendre un assemblage de brins métalliques en alliage Al-Sc. Cet assemblage peut notamment former au moins une couche du type enveloppe continue, par exemple de section transversale circulaire ou ovale ou encore carrée. Lorsque le câble électrique de l'invention comprend un élément allongé de renforcement, ledit assemblage peut être positionné autour de l'élément allongé de renforcement. Les brins métalliques peuvent être de section transversale ronde, 10 trapézoïdale ou en forme de Z. Lorsque les brins sont de section transversale ronde, ils peuvent avoir un diamètre pouvant aller de 2,25 mm à 4,75 mm. Lorsque les brins sont de section transversale non ronde, leur diamètre équivalent en section ronde peut également aller de 2,25 mm à 4,75 mm. 15 Bien entendu, il est préférable que tous les brins constitutifs d'un assemblage aient la même forme et les mêmes dimensions. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément allongé de renforcement est entouré par au moins une couche d'un assemblage de brins métalliques en alliage Al-Sc. 20 L'élément allongé de renforcement peut être typiquement un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique. L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être torsadé autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque ledit élément 25 électriquement conducteur est un assemblage de brins métalliques. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication dudit alliage d'aluminium comprenant les étapes suivantes : i. former un alliage d'aluminium en fusion, comprenant de l'aluminium (AI), du scandium (Sc) et des impuretés inévitables, 30 ii. couler l'alliage en fusion de l'étape i, pour obtenir un alliage brut de coulée, iii. laminer à chaud l'alliage brut de coulée de l'étape ii, pour obtenir un alliage laminé, et iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, ledit procédé de fabrication ne comprenant pas, après l'étape ii, et plus particulièrement après l'étape iii, une étape de traitement thermique consistant à chauffer l'alliage à une température de 310 à 390°C, pendant une durée de 50 à 400 heures, telle que celle mentionnée dans le document US4402763. Plus généralement, ledit procédé ne comprend pas, après l'étape ii, une étape de traitement thermique en tant que telle, différente de l'étape iii de laminage, dont notamment la température est d'au moins 310°C et la durée 10 d'au moins 50 heures. Le procédé de fabrication de l'invention utilisant l'alliage Al-Sc est un procédé facile à mettre en oeuvre puisqu'il évite l'étape contraignante et longue du traitement thermique, après obtention du brut de coulée. L'étape i peut être classiquement réalisée en incorporant un 15 alliage mère (i.e. « master alloy » en anglais) d'aluminium et de scandium, dans un bain d'aluminium fondu, sensiblement pur. L'étape ii permet notamment de former, par refroidissement du brut de coulée (i.e. solidification), un barreau d'alliage Al-Sc brut de coulée. La section transversale du barreau peut aller par exemple de 500 mm2 à 20 2500 mm2, voire plus. L'étape iii permet de laminer ledit barreau d'alliage Al-Sc. Le barreau obtenu après laminage a une section transversale ronde de préférence. Le diamètre de la section transversale peut être par exemple de l'ordre de 10 mm. 25 L'étape iv de travail à froid peut être de préférence une étape de tréfilage de l'alliage laminé, et permet notamment d'obtenir des brins (ou fils) métalliques d'alliage Al-Sc, notamment de section transversale ronde ou trapézoïdale ou en forme de Z. Le diamètre de la section transversale peut aller de 2,25 mm à 4,75 mm. 30 Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du câble électrique comprenant un élément allongé de renforcement, les étapes suivantes : a. fabriquer un alliage d'aluminium selon ledit procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium, mentionné ci-avant, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur, et b. positionner ledit élément électriquement conducteur obtenu à 5 l'étape a autour de l'élément allongé de renforcement, pour former le câble électrique. Plus particulièrement, lorsque l'élément électriquement conducteur est un assemblage de brins métalliques d'alliage Al-Sc, l'étape a consiste à obtenir lesdits brins métalliques, et l'étape b consiste à positionner les brins 10 métalliques autour de l'élément de renforcement de sorte à former au moins une couche desdits brins métalliques autour dudit élément de renforcement. De préférence, les brins métalliques sont torsadés autour dudit élément de renforcement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 15 apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une première variante d'un câble électrique selon 20 l'invention. La figure 2 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une seconde variante d'un câble électrique selon l'invention. La figure 3 représente l'évolution de la résistance à la traction par 25 rapport à la température d'un brin d'aluminium, et d'un brin d'un alliage Al-Sc selon l'invention. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et 30 ceci sans respect de l'échelle. La figure 1 représente une première variante d'un câble OHL 100A selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur 10A composé de trois couches d'un assemblage de brins métallique 1A d'alliage Al-Sc. Ces trois couches entourent un élément central 20A allongé de renforcement. Les brins métalliques 1A constitutifs desdites couches ont une section transversale de forme ronde. La figure 2 représente une seconde variante d'un câble OHL 100B selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur 10B de deux couches d'un assemblage de brins métallique 1B d'alliage Al-Sc. Ces deux couches entourent un élément central 20B allongé de renforcement. Les brins métalliques 1B constitutifs desdites couches ont une section transversale de forme trapézoïdale.

L'élément central 20A, 20B allongé de renforcement représenté dans les figures 1 et 2 peut être par exemple des brins d'acier 2A, 2B, ou des brins composites 2A, 2B d'aluminium dans une matrice organique. Des essais comparatifs ont été réalisés pour montrer les propriétés mécaniques de l'alliage Al-Sc selon l'invention, à hautes températures.

Pour ce faire, l'alliage Al-Sc préparé comprend 350 ppm en poids de scandium, le reste de l'alliage étant uniquement de l'aluminium et au plus 0,3% en poids d'impuretés inévitables. Cet alliage Al-Sc a été fabriqué de la façon suivante : après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium et de scandium, dans un bain fondu d'aluminium pur à plus de 99,7% en poids, on mélange le tout pour homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage Al-Sc en fusion, on coule ensuite l'alliage Al-Sc en fusion dans une filière cylindrique pour former un barreau d'un alliage dit « brut de coulée », que l'on solidifie par refroidissement : le barreau cylindrique formé à un diamètre de 30 mm, on lamine à chaud le barreau d'alliage Al-Sc, pour obtenir un barreau de plus petit diamètre, à savoir un barreau d'un diamètre de 10 mm, et on tréfile enfin à froid le barreau de 10 mm de diamètre pour obtenir des fils d'alliage Al-Sc de 3,3 mm de diamètre.

Lors de la fabrication de cet alliage Al-Sc, ce dernier n'a subit aucune étape de traitement thermique consistant à soumettre l'alliage Al-Sc, une fois l'étape de coulée terminée, à une température de l'ordre de 310-390°C pendant une durée de 50 à 400 heures.

Le fils d'alliage Al-SC de 3,3 mm de diamètre a été soumis à un test de vieillissement thermique aux températures suivantes : 180°C, 210°C, 230°C, 250°C et 280°C, pendant 1 heure. A titre de comparaison, on a également soumis un fil d'aluminium pur à 99,7% en poids, de 3,3 mm de diamètre, auxdites températures.

Les résultats sont rassemblés sous forme de courbes dans le graphique de la figure 3. Le ratio UTS (« Ultimate Tensile Stress »), mentionné sur l'ordonnée du graphique de la figure 3, correspond, pour un fils métallique donné et pour une température de vieillissement donnée, au rapport suivant : Résistance à la traction après vieilliss ement Ratio UTS - Résistance à la traction avant vieillissement La résistance à la traction a été déterminée selon la norme NF-EN-ISO6892-1-2099 « Matériaux métalliques / Essais de traction ».

Au regard des courbes de la figure 3, il est clair que l'alliage Al-Sc de l'invention (référencé par « Alliage AlSc » sur la figure 3) satisfait à la norme IEC 62004, puisqu'à 280°C, le ratio UTS est de l'ordre de 0,95, ce qui correspond à une perte de 5% en résistance à la traction (i.e. moins de 10% de perte en résistance à la traction), contrairement au fils d'aluminium pur à 99,7% en poids (référencé par « Al » sur la figure 3) dont le ratio UTS tombe à moins de 0,8 à 280°C.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (AI), de 250 ppm en poids à 1200 ppm en poids de scandium (Sc), et des impuretés inévitables.
2. 2. Câble électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément (20A, 20B) allongé de renforcement.
3. 3. Câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément (20A, 20B) allongé de renforcement, et en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (AI), du scandium (Sc), et des impuretés inévitables.
4. 4. Câble électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 250 ppm en poids de scandium (Sc).
5. 5. Câble électrique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au plus 1200 ppm en poids de scandium (Sc).
6. 6. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de 250 ppm à 600 ppm en poids de scandium (Sc).
7. 7. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 98% en poids d'aluminium (AI).
8. 8. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur comprend un assemblage de brins métalliques (1A, 1B).
9. 9. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B).
10. 10.Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (10A, 10B) est torsadé autour de l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement.
11. 11.Procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : i. former un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (AI), du scandium (Sc), et des impuretés inévitables, ii. couler l'alliage en fusion de l'étape i, pour obtenir un alliage brut de coulée, iii. laminer à chaud l'alliage brut de coulée de l'étape ii, pour obtenir un alliage laminé, et iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B), ledit procédé de fabrication ne comprenant pas, après l'étape ii, une étape de traitement thermique consistant à chauffer l'alliage à une température de 310 à 390°C, pendant une durée de 50 à 400 heures.
12. 12.Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape iv de travail à froid est une étape de tréfilage de l'alliage laminé.
13. 13.Procédé de fabrication d'un câble électrique selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. fabriquer un alliage d'aluminium selon le procédé de fabrication tel que défini dans la revendication 11 ou 12, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B), etb. positionner ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B) obtenu à l'étape a autour de l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement, pour former le câble électrique (100A, 100B).