Alliages et procédés de mise en forme étudiés

Cette étude s’intéresse à la mise en forme d’alliages d’aluminium basse densité pour des applications aéronautiques. Deux alliages légers fournis par CONSTELLIUM, sont considérés : un matériau déjà commercialisé et un autre en cours de développement correspondant, respectivement aux références 2050 et AW551. Deux procédés de mise en forme sont envisagés : l’emboutissage poinçon/matrice à haute température (Hot Forming)) ainsi que la mise en forme par fluage (Creep Forming). Dans ce chapitre, sont présentés d’une part, les principales caractéristiques des alliages étudiés (composition chimique, microstructure, caractéristiques thermiques et mécaniques), et d’autre part les principes de chaque procédé de mise en forme (tout en soulignant leurs avantages et inconvénients). Le panneau de fuselage qui sert de cas type à cette étude est ensuite présenté, en termes de fonctions, de formes génériques et de conditions thermomécaniques de formage. L’alliage 2050 est un alliage léger à basse densité de la famille des Aluminium-Cuivre-Lithium. Sa composition chimique est donnée dans le Tableau I-1. Ses applications actuelles concernent essentiellement le domaine aéronautique. De par ses propriétés mécaniques il se positionne comme une solution intéressante pour la fabrication de panneaux de fuselage usinés dans la masse à partir de tôles fortes (METAFOR, 2012). L’alliage 2050 est un produit semi-fini obtenu par laminage sous forme d’une tôle de forte épaisseur (40 mm), à l’état T34 (mis en solution, trempe, écrouissage à 4% et revenu). Les essais mécaniques réalisés dans le cadre de cette étude ont été réalisés sur la base de cet état métallurgique.

La microstructure de l’alliage 2050-T34 est montrée en Figure I-1. Celle-ci est obtenue en observant au microscope optique trois faces d’un cube de matière (40mm3). Chaque face correspond à un plan de laminage (TC-TL, TL-L et TC-L, avec L la direction de laminage) et a été polie puis attaquée au réactif de Keller (95% H2O, 2.5% HNO3, 1.5%HCL et 1% HF dilué, en % volumique). Quelle que soit la face considérée, une microstructure constituée de grains non recristallisés (couleur foncée) et de grains recristallisés (couleur claire) est mise en évidence. Celle-ci présente aussi des grains fortement déformés dans le sens du laminage (Plans TC-TL et TC-L).  Le Tableau I-2 récapitule la longueur (direction notée (a) sur la Figure I-1) moyenne ainsi que la largeur (direction notée (b) sur la Figure I-1) moyenne des grains, déterminées en utilisant la procédure d’interception linéaire (Heyn, 1903). Un ratio (longueur/largeur) d’environ 7.6, 12.8 et 2.1 est trouvé dans le plan, respectivement, TC-TL, TC-L et TL-L. La détermination de la texture cristallographique par DRX1 est une méthode qui utilise un faisceau de rayons X impactant le cristal et provoquant la dispersion du faisceau lumineux dans des directions spécifiques. Par la mesure des angles et de l’intensité des rayons réfractés, il est possible d’obtenir une image tridimensionnelle de la densité électronique dans le cristal. À partir de cette densité, la position moyenne des atomes du cristal peut être déterminée, ainsi que leurs liaisons chimiques, leur entropie et d’autres informations. Pour un polycristal, il est possible de mesurer, par des figures de pôles, la distribution des normales d’une famille de plans cristallographiques {hkl}. Les figures de pôles sont obtenues en plaçant un échantillon du polycristal dans un goniomètre de diffraction pour lequel le détecteur est positionné de sorte à vérifier les conditions de diffraction correspondant à une famille de plans préalablement choisie ({111}, {200} et {220}).

Dans le cas présent, trois positions selon l’épaisseur ont été analysées : ¼, ½ et ¾ de la tôle. La zone analysée, représente une taille de 4 mm² et est située sur le plan défini par les directions TC et TL. Les résultats obtenus sont montrés en Figure I-2. Une texture cristallographique identique est observée au quart et aux trois quarts de l’épaisseur la tôle. Une texture différente apparait, par contre, sur la ligne médiane. Cette différence de texture devrait engendrer un comportement mécanique différent (Cho, et al., 1999) suivant la zone sollicitée dans l’épaisseur de la tôle. Il est possible de remarquer que l’ajout de lithium dans un alliage d’aluminium cuivre permet d’avoir de meilleures caractéristiques mécaniques et une densité plus faible (diminution de 3%) en les comparants avec l’alliage de référence. Une diminution de 5% de l’allongement à la rupture est aussi constatée, avec, bien évidemment, une augmentation de 11% et de 15%, respectivement, de la limite d’élasticité et de la contrainte à la rupture.