Comment les traitements thermiques des plaques d'aluminium sont classés
Le traitement thermique est l'étape qui transforme une plaque d'aluminium laminée d'un produit mou et travaillé en un matériau structurel. Quatre groupes sont utilisés en pratique.
Les traitements thermomécaniques combinent déformation et cycle thermique. L'étirement ou la compression d'une plaque après la trempe pour soulager les contraintes résiduelles est l'exemple le plus courant.
Le traitement thermique en solution dissout les phases d'alliage solubles à haute température, puis trempe la plaque suffisamment rapidement pour les maintenir dans une solution solide sursaturée. Le tempérament instable produit de cette manière est désigné par W.
Le durcissement par précipitation, ou vieillissement artificiel, maintient la plaque trempée à une température intermédiaire de sorte que de fins précipités de renforcement se forment. On obtient ainsi les familles d'états T6 et T7.
Le recuit, désigné par O, ramollit la plaque par recristallisation et permet de restaurer la formabilité entre les opérations de formage.
| Caractère | Signification | Utilisation typique |
|---|---|---|
| O | recuit, entièrement doux | formage lourd avant durcissement par vieillissement |
| W | solution traitée, instable | former ou redresser avant le vieillissement |
| T4 | solution traitée et vieillie naturellement | Plaque 2xxx formée après vieillissement |
| T6 | solution traitée et vieillie artificiellement | plaque structurelle générale |
| T651 | T6 plus soulagement du stress par étirements | plaque usinée, planéité serrée |
| T73 | solution traitée et vieillie | Plaque 7xxx exposée à la corrosion sous contrainte |
| T7451 | vieilli, stress soulagé par compression | plaque épaisse 7xxx pour l'aérospatiale |
Un point est souvent mal rapporté : le T651 n’augmente pas la force de 10 à 15 % par rapport au T6. Les deux états atteignent le même état de précipitation et donc presque les mêmes propriétés de traction. La différence est la contrainte résiduelle. L'étirement de 1,5 à 3 % appliqué entre la trempe et le vieillissement élimine la majeure partie de la contrainte de trempe, ce qui maintient une pièce usinée plate et dimensionnellement stable.
Traitement en solution et trempe
La température de traitement de la solution est définie par la série d'alliages et est délibérément maintenue en dessous de la température eutectique ou de fusion naissante-, car la surchauffe à ce stade est irréversible.
| Série | Température de la solution | Parcours trempe et vieillissement |
|---|---|---|
| 2xxx (Al-Cu) | environ 495-505°C | trempe à l'eau froide; vieillissement naturel à T4 ou vieillissement artificiel proche de 175-190 C à T6 |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | environ 529-541°C | éteindre à un rythme modéré ; vieillissement artificiel à T6 |
| 7xxx (Al-Zn-Mg) | environ 466-482°C | trempe rapide; vieillissement en une ou deux-étapes selon le tempérament |
| 5xxx (Al-Mg) | sans objet | non-traitable thermiquement- ; renforcé par écrouissage uniquement |
La trempe est la partie du cycle qui pose le plus souvent des problèmes. La plaque doit être refroidie suffisamment rapidement pour supprimer les précipitations pendant l'automne dans la plage de température sensible ; les sections épaisses 7xxx nécessitent généralement des vitesses de refroidissement bien supérieures à 100 °C par seconde en surface pour conserver une bonne réponse au vieillissement. Étant donné que la surface refroidit toujours plus rapidement que le noyau, la trempe bloque également un gradient de contrainte qui se manifeste plus tard sous forme de distorsion. L'uniformité de la trempe est donc aussi importante que la vitesse de la trempe. La trempe par pulvérisation, les trempes de polymères et les trempes interrompues avec un court délai d'air avant l'étape d'eau sont utilisées pour échanger un peu de dureté contre une réduction importante du choc thermique et de la déformation.
Horaires de vieillissement et tempéraments qui en résultent
La température et la durée du vieillissement artificiel sélectionnent la taille du précipité qui donne l’équilibre requis entre résistance, ductilité et résistance à la corrosion.
| Alliage et trempe | Calendrier de vieillissement typique | Résultat |
|---|---|---|
| 6061-T6 | environ 175 C pendant 8 heures | environ 310 MPa en traction, 12 % d'allongement |
| 2024-T6 | vieillissement artificiel proche de 190 C | environ 450 MPa en traction, allongement inférieur à celui du T4 |
| 7075-T6 | environ 121 C pendant 24 heures | environ 505-540 MPa en traction, précipités de MgZn2 êta-prime |
| 7075-T73 | deux étapes, environ 107 C suivies de 163 C, chacune maintenue pendant plusieurs heures | résistance inférieure mais résistance à la corrosion sous contrainte fortement améliorée |
La base physique est simple. Le vieillissement maximal, qui produit du T6, donne la densité numérique maximale de précipités cohérents et donc la résistance la plus élevée, mais il laisse également l'alliage sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte et à l'exfoliation dans les environnements chlorés. Le vieillissement excessif, qui produit du T73 et du T7451, grossit les précipités et sacrifie une certaine résistance au profit d'un gain important en résistance à la corrosion. Dans la série 7xxx, les précipités sont de la famille MgZn2, et des ajouts à l'état de traces comme le zirconium sont utilisés pour ralentir la recristallisation afin que la structure travaillée survive au cycle thermique.
Soulagement du stress et contrôle de la distorsion
Le contrôle de la distorsion est un problème de conception de processus, et non un problème d'inspection finale, et les mesures ci-dessous sont utilisées ensemble.
Décharge mécanique des contraintes : étirement jusqu'à 1,5-3 % pour le T651, ou compression pour le T7451, appliqué après trempe et avant vieillissement.
Conception des fixations : fixations de redressage rigides et, pour les plaques longues, gabarits de support qui maintiennent la plaque pendant les étapes de mise en solution et de trempe.
Uniformité de la trempe : jets contrôlés, agitation uniforme et, lorsque l'alliage le permet, trempe interrompue.
Surépaisseur d'usinage : laisser suffisamment de matière pour que les deux faces puissent être nettoyées après tout mouvement résiduel.
Simulation de processus : des modèles par éléments finis de la trempe sont utilisés pour prédire le modèle de distorsion afin que la tolérance puisse être intégrée aux dimensions de la plaque.
Dans la pratique aérospatiale, un maintien cryogénique contrôlé après la trempe est parfois utilisé comme étape supplémentaire de réduction des contraintes avant l'usinage final, ce qui réduit la tolérance nécessaire sur les tôles épaisses.
Normes, tests et vérification
Les paramètres de traitement thermique sont spécifiés et vérifiés par rapport aux normes publiées plutôt que convenus de manière informelle entre l'usine et le client. Les principaux documents sont l'AMS 2772 pour le traitement thermique en solution des pièces en alliage d'aluminium, l'AMS 2770 pour le traitement thermique des alliages d'aluminium corroyé, l'ASTM B918 pour la pratique du traitement thermique des produits en aluminium corroyé et la norme de pyrométrie AMS 2750, qui définit la classe d'uniformité de la température du four qu'exige une tolérance donnée. NADCAP AC7102 fournit la voie d'accréditation pour les fournisseurs de traitement thermique de l'industrie aérospatiale.
Les tests d'acceptation couvrent normalement la dureté à plusieurs endroits de la plaque, les tests de traction selon ASTM B557 et ASTM E8, la mesure de la taille des grains selon ASTM E112 et, le cas échéant, les contrôles métallographiques ou par microscopie électronique à transmission de la taille et de l'espacement des précipités. Une correction à une déclaration largement copiée : les tests de fragilisation par l'hydrogène ne font pas partie des normes de traitement thermique de l'aluminium. Il s'applique aux aciers à haute résistance et le citer pour les tôles d'aluminium est une erreur de spécification.
Foire aux questions
Q : Le T651 offre-t-il une résistance supérieure à celle du T6 ?
Les numéros T651 et T6 atteignent le même état de précipitation, donc les propriétés de traction sont essentiellement égales. Le T651 est soulagé par étirement, ce qui améliore la planéité et la stabilité de l'usinage.
Q : Pourquoi le taux d’extinction est-il si critique ?
Une trempe lente permet au soluté de précipiter pendant le refroidissement, ce qui consomme les éléments nécessaires plus tard au durcissement par vieillissement. Les sections épaisses nécessitent des vitesses de refroidissement de surface élevées, c'est pourquoi la vitesse et l'uniformité doivent être contrôlées.
Q : La plaque 5xxx peut-elle être traitée thermiquement ?
Non. Les alliages Al-Mg ne peuvent pas-traiter thermiquement-. Ils sont renforcés par écrouissage et un cycle thermique supérieur à la plage de recuit ne fait que les adoucir.
Q : Quelle plage de température est utilisée pour le vieillissement artificiel ?
La plupart des alliages corroyés sont vieillis entre 120 °C et 200 °C environ. Des températures plus basses et des durées plus longues favorisent la résistance maximale, tandis que des températures plus élevées et un vieillissement excessif améliorent la résistance à la corrosion au détriment de la résistance.
Q : Pourquoi dépasser une plaque en T73 ou T7451 ?
Le vieillissement grossit les précipités et améliore considérablement la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte et à l'exfoliation, ce qui est essentiel pour les plaques 7xxx utilisées à l'extérieur ou dans les structures aérospatiales.
Q : Comment la qualité du traitement thermique est-elle vérifiée ?
Grâce à des études de dureté, des tests de traction des échantillons du lot selon ASTM B557, une détermination de la taille des grains selon ASTM E112 et des enregistrements de processus montrant que les températures du four et de trempe étaient conformes aux exigences de pyrométrie AMS 2750.