Procédé de fabrication de demi-produits comportant deux alliages à base d'aluminium

Domaine de l'invention

L'invention concerne un nouveau procédé de fabrication pour des éléments de structure à base d'aluminium, comportant au moins deux alliages différents, par coulée d'une plaque ou billette comportant au moins deux alliages spatialement séparés, suivi d'une ou plusieurs étapes de transformation à chaud par laminage, filage, ou forgeage, et éventuellement d'une ou plusieurs étapes de transformation à froid, et de traitements thermiques intermédiaires et/ou finales. L'invention est particulièrement utile pour la fabrication d'éléments de structure pour construction aéronautique.

Etat de la technique

Les pièces à caractéristiques mécaniques variables dans l'espace sont très attractives pour la construction mécanique. Traditionnellement, on les obtient par assemblage de deux pièces à propriétés différentes, mais essentiellement homogènes à l'intérieur de chaque pièce. L'assemblage peut être effectué de manière mécanique (par exemple par boulonnage ou rivetage), par collage ou par une technique de soudage appropriée. On peut ainsi obtenir des pièces ou éléments de structure bi- fonctionnels ou multifonctionnels. Cette bifonctionnalisation ou multifonctionnalisation peut relever de la forme des pièces assemblées (ce qui n'est pas la signification que nous utilisons ici pour ces deux termes) ou peut être- liée à leurs propriétés mécaniques, notamment lorsque l'on assemble deux pièces en alliages différents. A titre d'exemple, on utilise en construction navale des joints de transition (voir C. Vargel, Corrosion de l'aluminium, Paris 1998 (Dunod), page 136), qui sont des éléments de structure assemblés habituellement par soudage à explosion à partir d'une pièce en acier et d'une pièce en aluminium. Le côté acier a la fonction

de servir comme base pour fixer d'autres pièces en acier, alors que le côté aluminium sert comme base pour fixer d'autres pièces en aluminium. Ces JoIiItS ₁ de transition sont donc des éléments de structure bi-fonctionnels qui évitent la corrosion galvanique qui s'installerait inévitablement en milieu humide entre deux métaux dissemblables assemblés de manière traditionnelle.

C'est dans le domaine de la protection contre la corrosion et du soudage qu'on trouve d'autres exemples pour des pièces multi-fonctionnelles à base essentiellement d'aluminium. En effet, on utilise depuis longtemps des tôles plaquées, comportant une âme protégée d'au moins un côté par un revêtement en alliage plus résistant à la corrosion et / ou plus facilement fusible, qui sert soit à protéger l'âme contre la corrosion, soit à permettre son soudage aisé sur une autre pièce. On obtient des tôles plaquées en posant sur une plaque de laminage, de préférence scalpée, en alliage (dit alliage d'âme) d'une première composition, une deuxième plaque de laminage ou une tôle, de préférence scalpée, d'épaisseur plus faible, en alliage (dit alliage de placage) d'une deuxième composition. Ensuite, on lamine à chaud et obtient une bande plaquée, le laminage à chaud assurant une liaison métallurgique forte entre les deux alliages. Les tôles plaquées sont des pièces monolithiques, au sens de la définition donnée ci-dessous. Elles peuvent être utilisées eu construction aéronautique, par exemple comme revêtement de fuselage, voir par exemple le brevet US 5,213,639 (Aluminum Company of America) ou le brevet EP 1 170 118 (Pechiney RJtienalu). Le procédé de placage permet de fabriquer des pièces de grande taille, mais la variation de la composition chimique se fait dans l'épaisseur et non pas sur la longueur ou largeur de la pièce. Ainsi, la fonctionnalisation est assez limitée : la fonction recherchée pour le placage est soit la protection contre la corrosion, soit la soudabilité.

Dans une autre approche à la fabrication d'une pièce bi-fontionnelle monolithique, on applique à chacune des deux extrémités d'un produit long en un seul alliage à base d'aluminium un traitement de revenu différent. Le brevet EP 0 630 986 (Pechiney Rhenalu) décrit un procédé de fabrication de tôles en alliage d'aluminium à durcissement structural présentant une variation continue des propriétés d'emploi selon une direction principale du produit (longueur, largeur, épaisseur), dans lequel le revenu final est effectué dans un. four de structure

spécifique comprenant une chambre chaude et une chambre froide, reliées par une pompe à chaleur. Ce procédé a permis d'obtenir des petites pièces d'une longueur d'environ un mètre en alliage 7010 dont une extrémité se trouve à l'état T651 et l'autre à l'état T7451, par un traitement de revenu isochrone. Ce procédé n'a jamais été développé à l'échelle industrielle, car il est difficile à contrôler d'une manière compatible avec les exigences de qualité que pose le domaine de la construction aéronautique ; ces difficultés industrielles augmentent avec la taille des pièces. Par ailleurs, en se limitant à une pièce en un seul alliage, l'amplitude de la variation des propriétés mécaniques sur la longueur de la pièce se trouve être assez limitée. Une amélioration significative de ce procédé est décrite dans la demande de brevet (FR2868084), mais ce procédé ne permet pas non plus de modifier la composition chimique de l'alliage.

C'est avec deux alliages d'aluminium différents que l'on peut espérer obtenir une variation importante des propriétés mécaniques.

Dans le domaine du moulage, la fabrication de pièces monolithiques comportant plusieurs alliages a été décrite. La demande internationale WO 2005/063422 divulgue ainsi un procédé de fabrication dans lequel une masse coulée formée par stratification d'alliages ayant un intervalle de solidification suffisamment différent pour éviter leur mélange est introduite à l'état semi-solide dans une coquille de manière à la remplir et obtenir un produit moulé solidifié.

Mais les présents inventeurs n'ont pas connaissance de pièces monolithiques corroyées comportant deux alliages spatialement séparés qui soient fabriquées de manière industrielle par un procédé autre que le placage impliquant un laminage à chaud. L'idée de partir de formes brutes (i.e. de pièces coulées, par exemple de billettes de filage, plaques de laminage) comportant deux alliages spatialement séparés n'est pas nouvelle. On distingue plusieurs approches.

Une première approche utilise une ou plusieurs cloisons fixes ou mobiles. Le brevet US 3,353,934 (Reynolds) décrit la coulée verticale de plaques de laminage ou d'une billette avec une cloison fixe disposée verticalement (c'est-à-dire dans le sens de la longueur de la plaque). Cette cloison fixe est en marinite, acier inoxydable ou graphite. Le brevet décrit la coulée des couples d'alliages suivants : 7075/6063,

7075/5052, 7075/5083. Le brevet JP 485 411 70 (Sumitomo) décrit un autre mode de cloisonnage vertical appliqué à une coulée de plaques. Un autre mode de réalisation d'une coulée avec cloison verticale est décrit dans la demande de brevet DE 44 20 697 (Institut fur Verformungskunde und Hûttenmaschinen). Le brevet US 6,705,384 (Alcoa, Inc.) propose d'utiliser une ou plusieurs cloisons sous forme d'une tôle mince ou épaisse en aluminium qui reste incorporée dans la plaque ou billette coulée. La coulée avec cloison a également été adaptée à la coulée continue entre bandes. Les brevets GB 1 174 764 et FR 1 505 826 (Glacier) décrivent l'utilisation d'une cloison mobile appliquée à une coulée entre bandes pour la coulée des couples d'alliages Al + 6%Sn / AS5G.

Une deuxième approche utilise le concept de la lingotière interne : un premier alliage est solidifié par une lingotière interne, et la coque solide ainsi formée sert comme un moule pour le second alliage. Ce concept est décrit dans le brevet DE 844 806 (Wieland Werke). On peut aussi utiliser simplement un tube métallique ou une billette creuse comme coque externe, dans lequel on coule un alliage liquide, comme décrit dans le brevet FR 1 516 456 (Kennecott Cooper Corporation). Ce principe a été adapté à la coulée continue verticale de plaques plaquées dans le brevet US 4,567,936 (Kaiser). La demande de brevet WO 2004/112992 (Alcan) décrit plusieurs méthodes pour former des plaques de laminage comportant deux alliages par coulée semi-continue verticale en utilisant des séparateurs verticaux. Ce procédé est particulièrement approprié pour fabriquer des plaques de laminage plaquées.

Tous ces procédés selon l'état de la technique conduisent à des produits coulés longs qui comportent deux alliages différents séparés par des cloisons ou interfaces parallèles à la direction de coulée.

Le problème que la présente invention cherche à résoudre est de proposer une nouvelle approche à la fabrication d'éléments de structure monolithiques corroyés présentant des propriétés d'usage variables dans au moins une direction autre que celle de l'épaisseur, et notamment d'éléments de structure bi-fonctionnels ou multifonctionnels corroyés permettant d'assumer au moins deux fonctions qui sont traditionnellement assurées par deux pièces différentes.

Objet de l'invention

L'invention a pour objet un procédé de coulée verticale d'un produit intermédiaire de hauteur finale dans la direction de coulée H _F , comprenant les étapes de

(a) préparation d'au moins deux alliages à base d'aluminium notamment un premier alliage de composition P et un second alliage de composition T,

(b) coulée dudit premier alliage de composition P jusqu'à une hauteur Hp voulue,

(c) coulée d'une hauteur supplémentaire HT voulue dudit second alliage de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + HT qui soit inférieure ou égale à HF.

Les préparations d'alliages lors de l'étape (a) ne sont pas nécessairement concomitantes. Les étapes de préparation (a) et de coulée (b et c) ne sont pas nécessairement successives, en particulier la préparation du second alliage ou de tout alliage supplémentaire de l'étape (a) peut être concomitante de l'une ou l'autre des étapes de coulée. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les étapes (b) et (c) sont réalisées sans interruption du flux de métal liquide. Dans ce procédé, la préparation des alliages peut être effectuée de différentes manières. Par exemple, (i) la préparation des alliages à base d'aluminium peut être effectuée de manière indépendante, ou (ii) la préparation des alliages de composition différente de P peut être effectuée à partir du premier alliage pendant la coulée en ajoutant audit premier alliage les quantités nécessaires d'éléments pour atteindre la composition des alliages de composition différente de P ₅ ou encore (iii) la préparation des au moins deux alliages à base d'aluminium peut-être effectuée au cours de la coulée à partir d'un alliage à base d'aluminium de composition B, en ajoutant audit alliage de composition B les quantités nécessaires d'éléments pour atteindre la composition desdits au moins deux alliages à base d'aluminium P et T.

L'invention a également pour objet un premier produit intermédiaire solide, destiné à être laminé, filé ou forgé, susceptible d'être obtenu selon le procédé de coulée verticale défini ci-dessus. Ce produit montre pour au moins un élément d'alliage au moins un gradient de concentration dans la direction de coulée qui est le plus souvent

le sens dé sa hauteur (i.e. de sa plus grande dimension) Ce produit intermédiaire peut être par exemple une plaque ou une billette.

Un autre objet de l'invention est un procédé d'élaboration d'une tôle, d'un profilé ou d'une pièce forgée à partir d'une plaque ou d'une billette élaborée selon le procédé de coulée verticale défini ci-dessus.

Encore un autre objet de l'invention est un second produit intermédiaire solide tel qu'une tôle, un profilé ou une pièce forgée susceptible d'être élaboré par le procédé d'élaboration décrit ci-dessus.

Encore un autre objet de la présente invention est un élément de structure susceptible d'être fabriqué à partir d'un second produit intermédiaire tel que défini ci-dessus. Cet élément de structure peut être bi-fontionnel ou rnulti-fonctionnel.

Description des figures

La figure 1 montre de manière schématique un longeron selon l'invention.

La figure 2 montre de manière schématique une tôle, selon l'invention, à partir de laquelle le longeron selon l'invention peut être élaboré.

La figure 3 montre de manière schématique une plaque de laminage selon l'invention, à partir de la quelle la tôle forte selon l'invention peut être élaborée.

La figure 4 schématise une passe de laminage dans le sens perpendiculaire à la longueur de la plaque.

La figure 5 montre de manière schématique un panneau de fuselage selon l'invention obtenu par laminage perpendiculairement au sens de coulée.

La figure 6 montre l'évolution dans le sens de la hauteur de la teneur en Zn pendant une coulée selon l'invention.

La figure 7 montre des mesures de conductivité à mi-épaisseur et à différentes positions dans le sens de la largeur pour une tôle selon l'invention laminée perpendiculairement au sens de coulée.

Description de l'invention

a) Définitions

Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une expression mathématique, « 0,4 Zn » signifie : 0,4 fois la teneur en zinc, exprimée en pourcent massique ; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture R _m , la limite élastique R _p o, ₂ , et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant définis dans les normes EN 485-1 (produits laminés) ou EN 755-1 (produits filés). La ténacité Kic est mesurée selon la norme ASTM E 399.

Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent. Le terme « tôle » est utilisé ici pour des produits laminés de toute épaisseur.

Le terme « usinage » comprend tout procédé d'enlèvement de matière tel que le tournage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, l' électroérosion, la rectification, le polissage.

On appelle ici « installation de coulée » l'ensemble des dispositifs permettant de transformer des métaux sous forme quelconque en demi-produit de forme brute en passant par la phase liquide. Une installation de coulée peut comprendre un ou plusieurs fours nécessaires à la fusion des métaux ou à leur maintien en température, un ou plusieurs fours destinés à effectuer des opérations de préparation du métal liquide et d'ajustement de la composition, une ou plusieurs cuves (ou « poches ») destinées à effectuer un traitement d'élimination des impuretés dissoutes ou en suspension dans le métal liquide, ce traitement pouvant consister à filtrer le métal liquide sur un média filtrant et / ou à introduire dans le bain un gaz dit « de traitement » pouvant être inerte ou réactif, un dispositif permettant la solidification

δ du métal liquide (ou « métier de coulée ») comprenant au moins les dispositifs suivants : un moule (ou « lingotière »), au moins un dispositif d' approvisionnement du métal liquide (ou « busette »), ces différents dispositifs étant reliés entre eux par des chenaux appelés « goulottes » dans lesquels le métal liquide peut être transporté et un système de refroidissement

On appelle ici « élément de structure » ou « élément structural » d'une construction mécanique une pièce mécanique dont la défaillance est susceptible de mettre en danger la sécurité de ladite construction, de ses utilisateurs, de ses usagers ou d' autrui.

Pour un avion, ces éléments de structure comprennent notamment les éléments qui composent le fuselage (tels que la peau de fuselage (fuselage skin en anglais), les raidisseurs ou lisses de fuselage (stringers), les cloisons étanches (bulkheads), les cadres de fuselage (circumferential frames), les ailes (tels que la peau de voilure (wing skin), les raidisseurs (stringers ou stiffeners), les nervures (ribs) et longerons (spars)) et l'empennage composé notamment de stabilisateurs horizontaux et verticaux (horizontal or vertical stabilisers), ainsi que les profilés de plancher (floor beams), les rails de sièges (seat tracks) et les portes.

Le terme « élément de structure monolithique » ou « pièce monolithique » se réfère ici à un élément de structure ou une pièce qui a été obtenu, le plus souvent par usinage, à partir d'une seule pièce de demi-produit laminé, filé, forgé ou moulé, sans assemblage, tel que rivetage, soudage, collage, avec une autre pièce.

Le terme « élément de structure bi-fonctionnel ou multi-fonctionnel » se réfère ici principalement aux fonctions conférées par les caractéristiques métallurgiques et / ou mécaniques du produit et non pas par sa forme géométrique.

b) Description détaillée de l'invention

Selon l'invention, le problème est résolu par laminage, filage ou forgeage d'une plaque de laminage ou une billette dont la composition est variable dans la direction de coulée et avantageusement dont le pied a une composition différente de celle de la tête. Les termes « pied » et « tête » se réfèrent respectivement à la partie coulée en premier et en dernier, c'est-à-dire à la partie qui se trouve respectivement,

lors d'une coulée verticale, en bas et en haut. Le procédé de coulée verticale d'une pièce de hauteur finale H _F selon l'invention comporte la préparation et la,coulée d'un alliage à base d'aluminium de première composition P jusqu'à une hauteur Hp voulue, la coulée d'une hauteur supplémentaire HT voulue du second alliage de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + HT inférieure ou égale à H _F , et optionnellement la coulée d'autres alliages à base d'aluminium ou de l'alliage P jusqu'à la hauteur finale Hp. Dans un mode de réalisation préféré, on n'interrompt pas le flux de métal liquide lorsque l'on passe de la coulée de l'alliage de première composition P à celle de l'alliage de seconde composition T, et avantageusement lorsque l'on passe de la coulée de l'alliage de composition T à celle d'autres alliages.

Ce procédé de coulée verticale génère des produits intermédiaires solides destinés à être laminés, filés ou forgés, présentant au moins deux alliages spatialement séparés dans la direction de coulée. Les produits intermédiaires solides selon l'invention présentent pour au moins un élément d'alliage un gradient de concentration dans la direction de coulée.

Ce procédé de coulée verticale génère le plus souvent entre deux alliages coulés successivement une « zone de transition » Z de composition intermédiaire. Le contrôle de cette zone de transition entre les alliages est important. Dans une variante préférée, on réalise une zone de transition aussi courte que possible, c'est-à-dire une transition aussi abrupte que possible. Mais pour certaines applications, on peut également envisager une zone plus large, en contrôlant les gradients de concentration de manière à pouvoir garantir leur répétabilité d'une coulée à l'autre. Afin d'obtenir une transition abrupte entre alliages, il est préférable d'effectuer la transition de manière à ce que le mélange entre les alliages successifs se fasse dans une partie de l'installation de coulée présentant un faible volume et proche du métier de coulée. Typiquement cette transition peut être effectuée dans une goulotte à l'aide d'un barrage. Afin d'obtenir une transition abrupte, on peut également élaborer le métal de composition T à partir du métal de composition P en ajoutant les éléments nécessaires dans une poche de traitement du métal liquide. Si la transition est effectuée dans une partie de l'installation présentant un volume élevé, telle qu'une poche de traitement du métal liquide pour le dégazage ou la filtration, ou en amont d'une telle partie de l'installation, la transition obtenue sera plus large car les deux alliages successifs peuvent se mélanger dans des proportions plus importantes. Dans

une réalisation préférée de l'invention visant à obtenir une zone de transition courte, la transition entre alliages est effectuée dans une goulotte ou une POcIIe ₁ de traitement de faible volume

Le procédé de coulée selon l'invention peut être mis en œuvre selon plusieurs modes de réalisation différents, qui se distinguent par la manière dont sont préparés les alliages et par la manière d'effectuer la(les) transition(s) entre alliages. La figure 3 montre un exemple de plaque coulée selon l'invention. La direction de coulée définit la direction de la hauteur H de la plaque. La plaque a une hauteur totale HF- II est habituel de scier (« ébouter ») les extrémités de la plaque après la coulée sur une hauteur HEP en pied et H _E T en tête de façon à éliminer les parties correspondant au début et à la fin de la forme coulée qui n'ont pas la qualité requise pour être transformées. La longueur utile Hu de la forme coulée, typiquement une plaque ou billette, est donc égale à Hp - (HEP + H _E T)- Dans les modes de réalisation les plus avantageux, la hauteur Hp est supérieure à la hauteur de plaque ou de billette éboutée en pied HEP. La hauteur Hp dépend de l'application visée, cependant dans le cadre de l'invention, la hauteur Hp est en général supérieure à HEP + Hu /4 et parfois supérieure H _E P + Hu /2. La zone de transition a une hauteur Hz. Dans l'exemple de la Figure 3 deux alliages ont été coulés et on a donc la relation Hp = Hp + HT.

Dans un premier mode de réalisation, on élabore au moins deux alliages (appelés ici : « alliage de pied » ou « alliage P » et « alliage de tête » ou « alliage T ») indépendamment, par exemple dans au moins deux fours séparés. On coule d'abord l'alliage de pied, en versant le métal liquide provenant du premier four dans la goulotte. Lorsque la hauteur de métal Hp voulue dans le métier de coulée est atteinte, on interrompt le flux de métal provenant du premier four, et on le remplace par un flux provenant du second four. Ce basculement d'un four à l'autre se fait de manière préférée sans interrompre le flux de métal liquide dans la goulotte qui se vide dans le métier de coulée. Ainsi, on coule une hauteur supplémentaire HT de l'alliage de composition T de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + H _T inférieure ou égale à Hp. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la somme Hp + HT est égale à H _F . Optionnellement la coulée d'autres alliages à base d'aluminium T', T" à partir d'un troisième ou d'un quatrième four ou de l'alliage P à partir du premier four jusqu'à la hauteur finale HF permet de réaliser des plaques ou des billettes plus

complexés avec par exemple des séquences de composition telles que P/T/P, P/T/T' ou P/T/T7T". Ce mode de réalisation convient pour toutes les combinaisons d'alliages, que les alliages appartiennent à la même famille, par exemple des alliages de la famille 7XXX, ou à des familles différentes comme par exemple un alliage 2XXX et un alliage 7XXX.

Dans un deuxième mode de réalisation on coule l'alliage de pied jusqu'à la hauteur Hp voulue, et on ajoute au moment voulu le ou les éléments d'alliages dont la teneur dans l'alliage T est supérieure par rapport à celle de l'alliage P sous forme de fil ou toute autre forme appropriée. Ainsi, on coule une hauteur supplémentaire HT de l'alliage de composition T de façon à atteindre une hauteur coulée Hp + Hx inférieure ou égale à HF. A titre d'exemple, si l'alliage P est un alliage de type Al- Zn 5,0 - Cu 1,5 - Mg 1,5 et l'alliage T un alliage de type Al - Zn 5,0 - Cu 1,5 - Mg 2,5, on élabore un alliage liquide dont la composition correspond à celle de l'alliage P, et au moment voulu lors de la coulée, on ajoute du fil de magnésium dans le métal liquide dans une partie appropriée de l'installation de coulée comme le four de coulée, une goulotte ou une poche de traitement.

Dans un troisième mode de réalisation, on coule un alliage de base de composition B auquel on ajoute, typiquement sous forme de fils, les éléments d'alliage en quantité nécessaire pour obtenir la composition P puis la composition T, puis les éventuelles autres compositions. On modifie la quantité d'éléments d'alliage ajoutés par unité de masse de métal coulée lorsque la hauteur voulue Hp est atteinte, et on arrête la coulée lorsque la hauteur finale HF voulue est atteinte. A titre d'exemple, on peut utiliser du fil de zinc, du fil de magnésium et du fil de cuivre que l'on ajoute à un aluminium pur ou à un aluminium qui contient, le cas échéant, d'autres éléments dont la concentration visée est approximativement la même pour l'alliage P, l'alliage T et les éventuels autres alliages. On peut également utiliser du fil en alliage mère, par exemple à base d'aluminium. Ce fil est typiquement approvisionné sous forme de bobines, et introduit dans le métal liquide par l'intermédiaire d'un dérouleur dans une partie appropriée de l'installation. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, ce fil est approvisionné dans une goulotte, en aval des poches de traitement, de façon à obtenir lors du changement de quantité de fil approvisionnée par unité de temps une transition abrupte entre alliages. Dans un autre exemple de ce troisième mode de réalisation, l'alliage de composition P est

obtenu par ajout des éléments d'alliage en quantité nécessaire à l'alliage de composition B dans une poche de traitement et l'alliage de composition T a la même composition que l'alliage de composition B.

Le premier mode de réalisation a l'inconvénient de nécessiter au moins deux fours de coulée. Afin de faciliter une transition abrupte entre les alliages, il peut être avantageux de disposer d'au moins deux lignes indépendantes de traitement du métal liquide (poches de filtration et de dégazage).

Les modes de réalisation basés sur l'ajout de fil ont l'inconvénient de nécessiter un contrôle du procédé très strict. Un paramètre critique est le contrôle de la température, car la fusion d'un fil métallique consomme de l'énergie, ce qui entraîne le refroidissement du métal liquide. On trouve par exemple que l'ajout de fil en zinc non préchauffé à un bain d'aluminium liquide d'une température de 720 ⁰ C conduit à une baisse de température du métal liquide d'environ 15°C pour un débit massique d'environ 2,8 kg/s. Selon les constatations des inventeurs, cette baisse de température peut néanmoins être compensée par une augmentation rapide de la température du four de maintien lorsque la température de liquidus de l'alliage T est plus basse que celle de l'alliage P.

Un autre inconvénient des modes de réalisation basés sur l'introduction de fil est que l'amplitude de variation de la composition chimique entre l'alliage P, l'alliage T et les éventuels autres alliages est limitée par la vitesse de dissolution du fil dans le métal liquide. Ce problème peut être résolu au moins partiellement en préchauffant le fil avant son introduction dans le métal liquide. Ce préchauffage peut être réalisé à l'aide d'un tube chauffé inerte immergé dans le métal liquide qui assure à la fois le déroulage du fil et sa dispersion dans le métal liquide. Un tel dispositif a été décrit dans la demande de brevet EP 819 772 Al (Alusuisse). Les présents inventeurs ont trouvé que l'on peut utiliser ce dispositif de manière à ce que le fil entre dans le métal liquide pratiquement à l'état liquide. Un autre inconvénient des modes de réalisation basés sur l'introduction de fil se fait sentir lorsque la composition de .'alliage de base est éloignée de celle des alliages de composition P, T ou autres : il iaut dérouler une longueur importante de fil avec une vitesse de déroulement assez mportante ou installer plusieurs dispositifs de déroulement de fil ce qui n'est pas oujours aisé.

Un avantage des modes de réalisation basés sur l'introduction de fil est de permettre une grande souplesse quant à la transition entre les deux alliages : on peut obtenir une transition brusque, mais surtout on peut étaler cette transition plus facilement sur la longueur de la plaque ou billette pour obtenir une transition graduelle. Cela suppose de pouvoir varier la vitesse de défilement du fil (ou des fils, si l'on en utilise plusieurs, de même composition ou de compositions différentes) et/ou le nombre de fils introduits.

Dans tous ces trois modes de réalisation, on peut avantageusement utiliser une poche de traitement du métal liquide (par exemple avec un mélange Ar - Cl ₂ ) de type connu et/ou une poche de filtration de type filtre à gravier, filtre à dalle ou tout autre mode de filtration approprié, afin de minimiser la teneur en hydrogène du métal liquide et d'obtenir une qualité inclusionnaire satisfaisante. De façon avantageuse dans le cas où l'on chercherait à obtenir une transition abrupte, la transition entre alliages est effectuée en aval des poches de traitement.

Dans un quatrième mode de réalisation, on utilise une poche de traitement du métal liquide de grande taille, qui agit comme réservoir d'alliage P pour élaborer l'alliage T. Ce mode de réalisation a l'avantage de ne pas nécessiter un four additionnel par rapport aux modes de coulée habituellement utilisés. En revanche, la quantité de métal disponible pour la coulée de l'alliage T est limitée au volume de poche.

Ces quatre modes de réalisation, qui peuvent être aisément combinés entre eux, permettent d'élaborer un premier produit intermédiaire solide destiné à être laminé, filé ou forgé, et notamment une plaque ou une billette à composition variable dans la direction de coulée. Ce premier produit intermédiaire solide a de préférence une section constante sur au moins 95% de sa longueur.

Ensuite, le premier produit intermédiaire, par exemple la plaque ou billette, ainsi obtenu est transformé par corroyage, typiquement à chaud, en une ou plusieurs étapes, suivi possiblement d'une ou plusieurs étapes de transformation par corroyage à froid pour obtenir un second produit intermédiaire, tel qu'une tôle, un profilé, une barre filée ou une pièce forgée.

Les billettes peuvent être utilisées pour filer des profilés ou des barres ayant sur eur longueur une composition variable, ou comme ébauche de forge. Les plaques

peuvent être utilisées comme ébauches de forge ou comme plaques de laminage. Le problème de fabriquer des produits laminés qui montrent des caractéristiques mécaniques variables dans l'espace peut être résolu en utilisant une plaque de laminage selon l'invention et en la laminant pour obtenir une tôle. Le laminage dans le sens de la longueur (c'est à dire dans la direction de coulée H) conduit à allonger la zone de transition Z ce qui peut être avantageux pour certaines applications. Dans un mode de réalisation de l'invention on soumet la plaque à au moins une passe de laminage dans la direction de coulée. On préfère cependant généralement le laminage dans le sens de la largeur (c'est à dire perpendiculairement à la direction de coulée H), car cela permet de ne pas allonger la zone de transition. Cela induit des contraintes dans le choix de la dimension des plaques pour atteindre la dimension de tôle souhaitée. La figure 4 illustre le laminage d'une plaque selon l'invention dans le sens de la largeur. La direction de laminage L est perpendiculaire à la direction de coulée H .

On peut élaborer ainsi des tôles épaisses utilisables pour la fabrication de longerons de composition variable, dont un coté est compatible avec la fonction d'un extrados, orientée vers la partie supérieure de l'aile et particulièrement dimensionnée en compression, alors que l'autre coté est compatible avec la fonction d'intrados, orientée vers la partie inférieure de l'aile et particulièrement dimensionnée en ténacité. Pour cette application, il est préférable d'avoir une transition aussi courte que possible entre les deux alliages dans la plaque de laminage coulée.

Un tel produit est susceptible d'être utilisé comme élément de structure en construction aéronautique. Plus particulièrement, on peut l'utiliser comme longeron, nervure ou peau de voilure.

Il peut également être avantageux d'utiliser l'invention pour réaliser des tôles de fuselage de propriétés variables, adaptées aux contraintes de la partie supérieure et de la partie inférieure du fuselage. Pour cette application on peut avantageusement choisir de laminer en partie ou totalement perpendiculairement à la direction de coulée c'est à dire dans le sens de la largeur de la plaque initiale (Figure 5).

L'invention peut s'appliquer à tous les alliages d'aluminium et avantageusement, on utilise des alliages à durcissement structural provenant des familles 2XXX, 6XXX, 7XXX ou 8XXX. Dans un mode de réalisation préféré, les alliages utilisés sont tous issus de la famille 7XXX. Dans un autre mode de

réalisation avantageux, les alliages utilisés sont tous issus de la famille 2XXX et/ou sont tous des alliages de type aluminium-lithium (c'est-à-dire les alliages contenant au moins 0,1 % en poids de lithium et de préférence au moins 0,5% en poids de lithium). A titre d'exemple, les couples d'alliages P et T (ou inversement) sont 7040 et 7449 ou 2024A et 2027 ou 2050 et 2195. Dans le cas d'une séquence de composition P/T/T' on utilise avantageusement l'alliage 7475 pour P, l'alliage 7040 pour T et l'alliage 7449 pour T'.

Un alliage 7XXX comprenant 4,1 à 5,1% de Zn, 1,5 à 2,5 % en poids de Cu et 1,2 à 1,8 % en poids de Mg s'est avéré particulièrement avantageux dans le cadre de l'invention. Cet alliage permet d'atteindre des ténacités très élevées en minimisant la perte de caractéristiques mécaniques statiques par rapport à un alliage comme le 7040. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, l'alliage P est ainsi un alliage comprenant 4,1 à 5,1% de Zn, 1,5 à 2,5 % en poids de Cu et 1,2 à 1,8 % en poids de Mg et l'alliage T est un alliage comprenant 7 à 10% de Zn, 1,0 à 3,0 % en poids de Cu et 1,0 à 3,0 % en poids de Mg. La combinaison entre les alliages 7040 et 7449 est particulièrement favorable pour les applications de type longeron tandis que la combinaison entre les alliages 7475 et 7449 est particulièrement favorable pour les applications de type peau de voilure.

Les procédés selon la présente invention permettent la fabrication d'éléments de structure monolithiques bi-fonctionnels ou multi-fonctionnels.

Les procédés selon la présente invention permettent notamment d'élaborer des éléments de structure appropriés pour une utilisation dans la construction aéronautique comprenant des longerons ou nervures de voilure d'avions de grande capacité. La figure 1 montre de manière schématique un longeron bi-fonctionnel selon l'invention. Sa hauteur HL peut atteindre 1 000 mm ou plus, sa longueur L peut atteindre dix mètres ou plus, son épaisseur E est typiquement de l'ordre de 100 mm, mais peut être plus grande. Les longerons sont fabriqués par usinage à partir de tôles fortes. Ils peuvent comporter une semelle inférieure (4), une semelle supérieure (1), une âme (2) et des raidisseurs usinés dans la masse (3). La zone de transition Z peut être positionnée à égale distance des semelles ou plus proche de l'une ou de l'autre, en fonction des besoins de dimensionnement. La figure 2 montre de manière schématique la tôle forte dans laquelle ces longerons ont été usinés. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la tôle forte a été obtenue par laminage dans

le sens de la largeur de la plaque selon l'invention de façon à ce que la hauteur HL soit légèrement inférieure à Hu- Le laminage en sens travers est illustré sur la Figure 4.

Les procédés selon la présente invention permettent également d'élaborer des éléments de structure appropriés pour une utilisation dans la construction aéronautique comprenant des éléments de fuselage. La Figure 5 illustre schématiquement l'utilisation d'une tôle selon l'invention pour réaliser un panneau de fuselage (6), renforcée par des raidisseurs rivetés, collés ou soudés (5). Dans chacune des figures, on a indiqué de manière schématique les deux alliages utilisés. On peut également réaliser d'autres éléments de structure appropriés pour une utilisation dans la construction aéronautique, susceptibles d'être obtenus à partir de produits intermédiaires selon l'invention, comprenant par exemple un raidisseur de voilure ou un panneau de voilure, appropriés pour une utilisation dans la construction aéronautique.

La gamme de transformation réalisée qui peut comporter dans le cas d'une plaque les étapes d'homogénéisation, de laminage à chaud, de laminage à froid, de mise en solution, trempe, déformation à froid (par exemple traction) et revenu doit être compatible avec les alliages contenus dans la plaque selon l'invention. Cette condition peut être limitante quant au choix des alliages car les températures optimales sont parfois très différentes entre les alliages et un compromis de température peut conduire à ne pas obtenir les propriétés souhaitées. L'homme du métier tente d'adapter au mieux la gamme de transformation aux alliages en présence.Des problèmes similaires se posent à l'homme du métier mutatis mutandis dans le cas du procédé de transformation d'une billette de filage, ou d'une ébauche de forge.

Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, on lamine la plaque de laminage principalement ou exclusivement dans le sens de sa longueur, c'est-à-dire dans la direction de coulée. On obtient ainsi des tôles de grande longueur dont l'une des extrémités géométriques est en alliage de composition P, et l'autre extrémité géométrique est en alliage de composition T. Ces tôles montrent un gradient dans leurs propriétés mécaniques dans le sens de leur longueur. Ce mode de réalisation s'applique en particuler à la réalisation de tôles de voilure.

D'autres modes de réalisation de la présente invention sont décrits dans les revendications dépendantes.

Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif.

Exemples

Exemple 1

Dans cet exemple, on a coulé une plaque (repère A) de laminage dont le pied (repère P) était en alliage Al- Zn 5% - Cu 1,8% - Mg 1,5% et la tête (repère T) en alliage Al- Zn 8% - Cu 1,8% - Mg 1,9%. On a élaboré les deux alliages dans deux fours séparés. Le tableau 1 indique la composition des deux alliages mesurée sur des pions obtenus par solidification de métal liquide prélevés dans chacun des deux fours.

Tableau 1. Compositions mesurées (% en poids)

Les deux alliages liquides ont été traités pendant 90 minutes avec un mélange Ar - Cl ₂ dans une poche de traitement de type IRMA ®. La transition entre alliages a été effectuée dans une goulotte. On a prélevé dans la goulotte du métal liquide pour la fabrication de pions spectrométriques avant, pendant et après la transition de composition, environ tous les 50 mm de descente. On a ainsi constaté que la transition de la composition s'opère sur une hauteur de descente d'environ 200 mm. La hauteur Hp était de 2100 mm, la hauteur HT était d'environ 1600 mm et la hauteur totale de la plaque HF était d'environ 3700 mm. On a ébouté une longueur de pied HEP de 750 mm et une longueur de tête HET de 300 mm, ce qui donne une longueur utilisable Hu d'environ 2600 mm.

Exemple 2

On a coulé une plaque comme indiqué dans l'exemple 1. Les compositions des alliages sont indiquées dans le tableau 2.

Les deux alliages liquides ont été traités avec un mélange Ar - CI ₂ dans une poche de traitement de type ALPUR ®. De façon à obtenir une transition abrupte, le métal de composition T a été élaboré à partir du métal de composition P dans la poche ALPUR ®, puis la poche a été alimentée par le métal liquide provenant du second four. On a prélevé dans la goulotte du métal liquide pour la fabrication de pions spectrométriques avant, pendant et après la transition de composition, environ tous les 50 mm de descente. La figure 6 illustre les résultats obtenus. La transition de la composition s'opère sur une hauteur de descente de moins de 100 mm. La hauteur Hp était de 2100 mm. La hauteur finale Hp de la plaque était d'environ 3850 mm. On a ébouté une longueur de pied HE _P de 800 mm et une longueur de tête HET de 300 mm, ce qui donne une longueur utilisable Hu d'environ 2750 mm.

Exemple 3

Dans cet exemple, on fabrique une tôle forte susceptible d'être utilisée pour la fabrication d'un longeron d' aile d'avion.

On utilise la plaque issue de l'exemple 2. Cette plaque a une hauteur Hu d'environ 2750 mm ce qui est suffisant pour un longeron d'une hauteur d'environ 2000 mm. La plaque est homogénéisée pendant 48 heures à 470 ⁰ C. Elle est laminée à chaud dans le sens travers (i.e. perpendiculairement à la direction de coulée H de la plaque) jusqu'à une épaisseur finale de 80 mm. La température de laminage à chaud est comprise entre 400°C et 46O ⁰ C. La tôle ainsi obtenue est mise en solution à 473 ⁰ C pendant 12 heures. Après trempe, la tôle est soumise à une traction contrôlée avec une déformation permanente d'environ 2%.

Une caractérisation de la tôle obtenue par mesure de conductivité est alors effectuée.

La figure 7 illustre le profil de conductivité obtenu à mi-épaisseur dans la direction de coulée H. La zone de transition entre alliage s'étend sur une hauteur d'environ 400 mm. Cette hauteur est supérieure à la hauteur de transition de 100 mm mesurée par prélèvement de pions en cours de coulée car elle intègre la forme de l'interface entre solide et liquide (« le marais ») qui n'est pas un plan perpendiculaire à la direction de coulée mais une surface dont la forme dépend des conditions de refroidissement lors de la solidification. Ensuite, la tôle est soumise à un traitement de revenu en deux paliers : 6 heures à 120 ⁰ C suivi de 20 heures à 155°C. Le tableau 3 ci-dessous illustre les caractéristiques mécaniques statiques, la ténacité et la tenue à la corrosion obtenues pour des prélèvements effectués à mi-épaisseur et à quart d'épaisseur.

Tableau 3

On obtient ainsi une tôle présentant à l'extrémité T une valeur de R _p o. ₂ supérieure à 510 MPa et une valeur de Kic supérieure à 32 MPaVm ₅ et à l'extrémité P une valeur de Rpo. ₂ supérieure à 410 MPa et une valeur de Kic supérieure à 54 MPaVm. Dans cette tôle, on peut usiner un élément de structure bi-fontionnel pour construction aéronautique, à savoir un longeron, de manière à avoir le côté extrados en alliage de composition T, et le côté intrados en alliage de composition P. Ce longeron, est schématiquement représenté sur la figure 1.

Exemple 4

Dans cet exemple, on coule une plaque de laminage en alliage à base d'aluminium dont la composition de tête T (alliage de type AA 7449) comprend 8% de zinc, 1,9%

de magnésium et 1,8% de cuivre, et dont la composition de pied P (alliage de type

AA7040) comprend 5% de zinc, 1,5% de magnésium et 1,8% de cuivre. La teneur en zirconium est de 0,11%. Pour couler cette plaque, on prépare un alliage de composition P, on traite le métal par un gaz (Ar + Cl ₂ ) dans une poche de traitement, on coule avec l'alliage de composition P la plaque jusqu'à la hauteur Hp voulue, qui est la mi-hauteur finale Hp de la plaque visée, et ensuite on continue la coulée jusqu'à la hauteur finale Hp en ajoutant à l'alliage en cours de coulée, après la poche de traitement, la quantité nécessaire de métal solide riche en zinc et magnésium pour amener l'alliage de composition P à la composition T. Cet apport de métal solide est fait en déroulant, par l'intermédiaire d'un dérouleur, deux fils avec des teneurs en zinc et magnésium appropriées, qui sont fournis en bobines.

Exemple 5

Dans cet exemple, on coule une plaque de laminage en alliage à base d'aluminium dont la composition de pied P comprend 1,8% de magnésium, 7,8% de zinc et 1,8% de cuivre et dont la composition de tête T comprend 1,3% de magnésium, 7,8% de zinc et 1,8% de cuivre. La teneur en zirconium est de 0,10 %. Pour couler cette plaque, on prépare un alliage de la composition T, on ajoute dans une poche de traitement la quantité de Mg nécessaire pour atteindre la composition P visée puis on coule. La transition entre les deux compostions est progressive, la composition T étant atteinte pour une hauteur coulée de 800 mm. La plaque est ensuite transformée par homogénéisation, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 100 mm, mise en solution, trempe et revenu.

Les résultats obtenus en pied et en tête sont présentés dans le Tableau 4 pour 4 conditions différentes de revenu.

Tableau 4