Domaine de l'invention

L'invention concerne des produits extrudés en alliage AlCuMg à l'état traité par mise en solution, trempe et revenu, et présentant, par rapport aux produits de l'art antérieur, un compromis amélioré entre les différentes propriétés d'emploi requises.

Etat de la technique Les produits extrudés en alliage AlCuMg trouvent de nombreuses applications notamment dans l'industrie aérospatiale, l'industrie automobile, la fabrication de camions et de trains, l'industrie de la défense et des applications générales industrielles telles que des systèmes de ventilation, des compresseurs ou des pistons.

Ces produits peuvent notamment être utilisés à l'état extrudé ou à l'état forgé d'une barre extrudée.

Les propriétés requises pour ces produits sont notamment la résistance mécanique et la tolérance aux dommages. Il est en particulier avantageux d'obtenir simultanément une résistance mécanique élevée et une ténacité élevée, ces deux propriétés étant généralement antagonistes. On parle ainsi généralement de compromis entre résistance mécanique et ténacité.

De nombreux alliages ont été développés notamment pour ces produits extrudés. Le brevet US 5,376,192 décrit des alliages ayant des combinaisons améliorées de résistance mécanique et de ténacité ayant pour composition (en % en poids) Cu : 2.5 - 5.5 ; Mg : 0.10 - 2.30 avec des additions mineurs d'affinant de grains et d'éléments dispersoïdes. Les quantités de Cu et Mg sont ajustées de telle façon que la limite de solubilité pour ces éléments n'est pas dépassée et de préférence Cu = - 0,91(Mg) + 5,2.

La demande de brevet EP 1 114 877 Al décrit un élément de structure de composition (en % en poids) Cu : 4.6 - 5.3 ; Mg : 0.10 - 0.50 ; Mn 0.15 - 0.45 ; Si < 0.10 ; Fe < 0.15 ; Zn < 0.20 ; Cr < 0.10 autres éléments < 0.05 chacun et 0.15 au total, reste aluminium traité par mise en solution, trempe, traction contrôlée à plus de 1.5 % de déformation permanente et revenu. L'alliage contient du manganèse mais ne comporte aucun autre élément anti-recristallisant tel que le vanadium ou le zirconium. La demande de brevet US 2005/0081965 décrit un produit corroyé en alliage de composition (en % en poids) Cu : 4.4 - 5.5 ; Mg : 0.3 - 1.0 ; Fe : 0 - 0.20 ; Si ; 0 - 0.20 ; Zn : 0 - 0.40 ; Mn : 0.15 - 0.8 comme élément dispersoïde en combinaison avec et ou plus élément dispersoïde choisi dans le groupe consistant en Zr, Se, Cr, Hf, Ag, Ti et V ; reste aluminium dans lequel les teneurs en Cu et Mg sont telles que - l . l [Mg]+5.38≤[Cu] < 5.5.

La demande de brevet WO 2012/140337 concerne des alliages Al-Cu-Mg de composition, en % en poids, Cu _colT : 2,6 - 3,7; Mg _corr : 1,5 - 2,6; Mn : 0,2 - 0,5; Zr : < 0,16; Ti : 0,01 - 0,15; Cr < 0,25; Si < 0,2; Fe < 0,2; autres éléments < 0,05 et reste aluminium; avec Cu _COTr > - 0,9(Mg _corr ) + 4,3 et Cu _COTr < - 0,9 (Mg _corr ) + 5,0; où Cu _COTr = Cu - 0,74 (Mn - 0,2) - 2,28 Fe et Mg _colT = Mg - 1,73 (Si - 0,05) pour Si > 0,05 et Mg _corr = Mg pour Si<0,05 et leur procédé de fabrication.

Le but de la présente invention est de fournir des produits extrudés présentant des propriétés un compromis de propriétés amélioré entre résistance mécanique élevée et ténacité.

Objet de l'invention

L'invention a pour objet un produit extrudé en alliage de composition (% en poids) : Cu : 5,05 - 5,35 Mg : 0,20 - 0,40 Mn : 0,20 - 0,40 Zr : 0,08 - 0,15

Ti : 0,01 - 0,10 Zn : 0 - 0,15 Si < 0,10 Fe < 0,15 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste Al, traité par mise en solution, trempe, traction contrôlée et revenu.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un produit extrudé selon l'invention comprenant :

a) la coulée d'une forme brute de la composition selon l'invention,

b) l'homogénéisation de cette forme brute,

c) la transformation à chaud par extrusion d'une billette obtenue à partir de cette forme brute ainsi homogénéisée pour obtenir un produit extrudé,

d) la mise en solution de ce produit extrudé, à une température comprise entre 525 et 540 °C,

e) la trempe du produit ainsi mis en solution,

f) la traction contrôlée du produit ainsi trempé jusqu'à une déformation permanente d'au moins 1,5%,

g) le revenu du produit ainsi tractionné à une température comprise entre 160 et 180 °C.

Description des figures Figure 1 : Compromis entre la limite d'élasticité et la ténacité pour les produits extrudés de l'exemple.

Description de l'invention Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage. L'expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l'homme du métier. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515. Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rp0,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1 , le prélèvement et le sens de l'essai étant définis par la norme EN 485-1.

Le facteur d'intensité de contrainte (KQ) est déterminé selon la norme ASTM E399.

La norme ASTM E399 donne les critères qui permettent de déterminer si KQ est une valeur valide de Ki _C . Pour une géométrie d'éprouvette donnée, les valeurs de KQ obtenues pour différents matériaux sont comparables entre elles pour autant que les limites d'élasticité des matériaux soient du même ordre de grandeur.

Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s'appliquent.

L'épaisseur des produits extrudés est définie selon la norme EN 2066:2001 : la section transversale est divisée en rectangles élémentaires de dimensions A et B ; A étant toujours la plus grande dimension du rectangle élémentaire et B pouvant être considéré comme l'épaisseur du rectangle élémentaire.

Selon l'invention, des produits extrudés en alliage Al-Cu-Mg présentant un compromis amélioré entre résistance mécanique et ténacité, en particulier dans la direction longitudinale, sont obtenus grâce à une sélection étroite de composition et un procédé de transformation approprié, comprenant mise en solution, trempe, traction contrôlée et revenu.

La teneur en cuivre est comprise entre 5,05 et 5,35 % en poids. Préférentiellement la teneur en cuivre est comprise entre 5, 10 et 5,30 % en poids. Avantageusement la teneur maximale en cuivre est de 5,25 % en poids et de manière préférée de 5,20 % en poids. La teneur en magnésium est comprise entre 0,20 et 0,40 % en poids. Préférentiellement la teneur en magnésium est comprise entre 0,25 et 0,35 % en poids. La combinaison des additions de Cu et Mg avec notamment un rapport Cu/Mg compris entre 12,625 et 26,75 contribue à atteindre un compromis avantageux entre résistance mécanique et ténacité. De manière avantageuse le rapport Cu/Mg compris entre 16 et 21. Les teneurs en manganèse et en zirconium sont contrôlées pour obtenir une structure granulaire avantageuse. Ainsi, une teneur en manganèse de 0,20 à 0,40 % en poids est associée à une teneur en zirconium de 0,08 à 0,15 % en poids. Préférentiellement la teneur en manganèse est comprise entre 0,25 et 0,35 % en poids. Avantageusement la teneur en zirconium est comprise entre 0,10 et 0,14 % en poids. Le contrôle des additions de manganèse et de zirconium permet avantageusement d'obtenir une structure non recristallisée qui est favorable à l'obtention du compromis recherché entre résistance mécanique et ténacité dans la direction longitudinale.

L'addition de 0,01 à 0,15 % en poids de titane permet notamment de contrôler la taille de grain lors de la coulée et peut contribuer à l'obtention du compromis favorable de propriété entre résistance mécanique et ténacité.

L'alliage peut comporter jusqu'à 0,15% en poids de zinc, cette addition pouvant avoir un effet favorable sur la résistance mécanique, sans risque pour d'autres propriétés, comme la résistance à la corrosion. Dans un mode de réalisation de l'invention la teneur en zinc est cependant inférieure à 0,05 % en poids.

Les teneurs en fer et en silicium sont maintenues respectivement en dessous de 0,15 et 0,10% en poids, et de préférence en dessous de 0,09 et 0,08%> en poids.

Les teneurs des autres éléments sont maintenues en dessous de 0,05 % en poids chacun et 0,15 % au total. Ces autres éléments sont des impuretés inévitablement présentes dans l'aluminium et leur teneur doit être limitée pour ne pas affecter les propriétés de l'alliage. De façon avantageuses, les teneurs en chrome est en vanadium sont maintenues en dessous de 0,02 % en poids.

La gamme de fabrication du produit extrudé selon l'invention comprend la coulée d'une forme brute, l'homogénéisation de cette forme brute, la transformation à chaud par extrusion de cette forme brute homogénéisée, la mise en solution, la trempe, la traction contrôlée et le revenu.

La forme brute est avantageusement une billette mais elle peut également être différente dans la mesure où il est possible d'obtenir une billette à partir de cette forme brute, par exemple par usinage. La forme brute est homogénéisée. Dans un mode de réalisation avantageux, la forme brute est homogénéisée à une température comprise entre 490 et 540 °C.

La transformation à chaud d'une billette obtenue à partir de cette forme brute homogénéisée est effectuée par extrusion. Avantageusement la température de sortie du produit extrudé est au moins 440 °C. Le produit extrudé ainsi obtenu est mis en solution à une température comprise entre 525 et 540 °C. Dans un mode de réalisation de l'invention, la mise en solution est effectuée directement grâce à la chaleur générée lors de l'extrusion. Le produit extrudé ainsi mis en solution est ensuite trempé, par exemple par aspersion ou immersion avec de l'eau froide.

Le produit extrudé ainsi mis en solution et trempé subit ensuite une traction contrôlée jusqu'à une déformation permanente d'au moins 1,5%, avantageusement d'au moins 2%. Cette étape de traction contrôlée permet de détensionner le produit et contribue également aux propriétés mécaniques.

Le produit ainsi obtenu subit enfin un revenu artificiel à une température comprise entre 160 et 190 °C pendant une durée typiquement comprise entre 5 et 40 heures. Avantageusement la température du revenu artificiel est comprise entre 165 et 180 °C pendant une durée typiquement comprise entre 10 et 35 heures. Préférentiellement la température de revenu est au moins 170 °C. L'état métallurgique ainsi obtenu est typiquement un état T8511.

La structure métallurgique obtenue est de préférence essentiellement non- recristallisée, avec un taux de recristallisation inférieur à 30%>, et le plus souvent inférieur à 10%>, sur toute l'épaisseur.

Les produits extrudés selon l'invention présentent avantageusement une limite d'élasticité Ro,2 (L) mesurée à quart-diamètre d'au moins 365 MPa, de préférence au moins 375 MPa, et de manière préférée d'au moins 380 MPa.

Les produits extrudés selon l'invention présentent avantageusement une ténacité KQ mesurée selon la norme ASTM E399 dans le sens L-R ou dans le sens L-T pour des éprouvettes C(T) d'épaisseur B = 40 mm et de largeur W = 80 mm prélevées à mi- diamètre d'au moins 63 MPaVm et de préférence d'au moins 65 MPaVm. Les produits extrudés selon l'invention peuvent avantageusement être utilisés dans l'industrie aérospatiale, l'industrie automobile, la fabrication de camions et de trains, l'industrie de la défense et des applications générales industrielles telles que des systèmes de ventilation, des compresseurs ou des pistons, sous forme de pièce mécanique usinée ou forgée.

Ces produits peuvent notamment être utilisés à l'état extrudé ou à l'état forgé d'une barre extrudée. L'épaisseur des produits extrudés selon l'invention, ou le diamètre dans le cas de barres de section circulaire, est avantageusement d'au moins 50 mm et de préférence d'au moins 100 mm. Les produits selon l'invention se prêtent particulièrement bien à l'utilisation comme piston dans un moteur à combustion interne de véhicule et en particulier de voiture de course. A titre d'exemple, les produits selon l'invention peuvent être utilisés comme pistons dans des moteurs à combustion interne pour voiture de course Formule 1. Le concept de « Formule 1 » se réfère à un règlement de concours sportif particulier, et implique l'utilisation de voitures de course spécifiquement adaptées à cette compétition.

Les produits selon l'invention peuvent également être utilisés en tant que pistons dans d'autres véhicules de course, notamment dans des voitures, motos ou navires de course. Les produits selon l'invention selon l'invention peuvent également être utilisés dans des véhicules destinés au grand public ainsi que dans des véhicules utilitaires et tout autre véhicule utilisant un moteur à combustion interne. Ils peuvent également servir dans des installations hydrauliques ou pneumatiques, notamment à température élevée, typiquement comprise entre 200 et 350 °C.

Exemple

On a préparé 2 alliages dont la composition est indiquée au tableau 1. L'alliage B est un alliage entrant dans le domaine de composition selon l'invention. Les alliages ont été coulés sous forme de billettes et homogénéisés à 530 °C pendant 6 heures. Tableau 1

Composition des alliages (% en poids) Alliage Si Fe Cu Mn Mg Ti Zr Zn

A 0.04 0.08 5.18 0.34 0.21 0.11 0.02 0.08

B 0.06 0.06 5.14 0.33 0.26 0.02 0.12 0.08

Des barres extrudées de section circulaire de diamètre 150 mm ont été obtenues à partir des billettes. Les barres ainsi obtenues ont été mises en solution pendant 6 heures à 533 °C, trempées par immersion dans l'eau, détensionnées par traction contrôlée avec un taux de déformation permanente de 3% et revenues pendant 24 heures à 173 °C. L'état métallurgique ainsi obtenu était T8511.

On a mesuré les caractéristiques mécaniques : résistance à la rupture R _m (en MPa), limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% Rpo _,2 (en MPa) et allongement à la rupture A (en %), sur des éprouvettes de traction de section circulaire selon la norme ASTM B 557, prélevées à quart-diamètre dans les sens L et R (4 éprouvettes par cas).

On a mesuré également la ténacité par le facteur d'intensité critique de contrainte Ki _c (en MPaVm) mesuré, selon la norme ASTM E 399, sur des éprouvettes C(T) d'épaisseur B=40 mm et de largeur W = 80 mm prélevées à mi-diamètre dans les sens L-R et R-L (2 éprouvettes par cas), où L est la direction de déformation principale, ici la direction d'extrusion et R est la direction radiale.

L'ensemble des résultats est regroupé au tableau 2. Les valeurs de K _Q ne sont pas des valeurs de Klc valides selon la norme ASTM E 399, le critère P _max /PQ < 1.10 n'étant pas vérifié ainsi que le critère 2.5(KQ/RP ₀ .2) ² > W-a dans certains cas.

Tableau 2 Propriétés mécaniques obtenues

Alliage Rm Rpo,2 A % Rm Rpo,2 A % KQ

(L) (L) (L) (R) (R) (R) (L-R)

MPa MPa MPa MPa MPaVm

A 402 352 16 432 361 11 62

B 439 387 14 442 368 7 67 On constate que l'alliage B selon l'invention conduit à une amélioration simultanée de la résistance mécanique dans le sens L, soit une augmentation de 10% de la limite d'élasticité R _P0,2 (L) et de 9% de la charge à rupture R _m (L), et de la ténacité dans le sens L-R, soit une augmentation de 7% de K _Q (L-R). Ces propriétés étant antagonistes cette amélioration simultanée est surprenante.

La structure granulaire de l'alliage B était essentiellement non-recristallisée avec un taux de recristallisation inférieur à 10% alors que celle de l'alliage A était partiellement recristallisée.