Alliage aluminium-lithium - Aluminium–lithium alloy
Les alliages aluminium-lithium ( alliages Al-Li) sont un ensemble d' alliages d' aluminium et de lithium , comprenant souvent également du cuivre et du zirconium . Le lithium étant le métal élémentaire le moins dense , ces alliages sont nettement moins denses que l'aluminium. Les alliages commerciaux Al-Li contiennent jusqu'à 2,45 % de lithium en masse.
Structure en cristal
L'alliage au lithium réduit la masse structurelle par trois effets :
- Déplacement
- Un atome de lithium est plus léger qu'un atome d'aluminium ; chaque atome de lithium déplace alors un atome d'aluminium du réseau cristallin tout en maintenant la structure du réseau. Chaque 1% en masse de lithium ajouté à l'aluminium réduit la densité de l'alliage résultant de 3% et augmente la rigidité de 5%. Cet effet fonctionne jusqu'à la limite de solubilité du lithium dans l'aluminium, qui est de 4,2 %.
- Durcissement
- L'introduction d'un autre type d'atome dans le cristal sollicite le réseau, ce qui aide à bloquer les dislocations . Le matériau obtenu est ainsi plus résistant, ce qui permet d'en utiliser moins.
- Durcissement par précipitation
- Lorsqu'il est correctement vieilli, le lithium forme une phase Al 3 Li métastable (δ') avec une structure cristalline cohérente. Ces précipités renforcent le métal en empêchant le mouvement de dislocation pendant la déformation. Les précipités ne sont cependant pas stables et il faut veiller à éviter un survieillissement avec formation de la phase stable AlLi (β). Cela produit également des zones sans précipité (PFZ) typiquement aux joints de grains et peut réduire la résistance à la corrosion de l'alliage.
La structure cristalline de l'Al 3 Li et de l'Al-Li, bien que basée sur le système cristallin FCC , est très différente. Al 3 Li présente une structure de réseau presque de la même taille que l'aluminium pur, sauf que des atomes de lithium sont présents dans les coins de la cellule unitaire. La structure Al 3 Li est connue sous le nom d'AuCu 3 , L1 2 ou Pm 3 m et a un paramètre de maille de 4,01 . La structure Al-Li est connue sous le nom de structure NaTl, B32 ou Fd 3 m, qui est composée à la fois de lithium et d'aluminium en supposant des structures en diamant et a un paramètre de réseau de 6,37 Å. L'espacement interatomique pour Al-Li (3,19 Å) est plus petit que le lithium pur ou l'aluminium.
Usage
Les alliages Al-Li intéressent principalement l' industrie aérospatiale pour leur avantage de poids. Sur les avions de ligne à fuselage étroit, Arconic (anciennement Alcoa ) revendique jusqu'à 10 % de réduction de poids par rapport aux composites , conduisant à une efficacité énergétique jusqu'à 20 % supérieure , à un coût inférieur à celui du titane ou des composites. Les alliages aluminium-lithium ont d'abord été utilisés dans les ailes et le stabilisateur horizontal de l' avion militaire nord-américain A-5 Vigilante . D'autres alliages Al-Li ont été utilisés dans les revêtements d' aile inférieurs de l' Airbus A380 , la structure de l'aile intérieure de l'Airbus A350 , le fuselage du Bombardier CSeries (où les alliages constituent 24 % du fuselage), le plancher de chargement de le Boeing 777X et les aubes de soufflante du turboréacteur à double flux Pratt & Whitney PurePower . Ils sont également utilisés dans les réservoirs de carburant et comburant dans le SpaceX Falcon 9 véhicule de lancement, Formula One étriers de frein, et la AgustaWestland EH101 hélicoptère .
La troisième et dernière version des États - Unis de la navette spatiale de réservoir externe a été réalisée principalement en Al-Li alliage 2195 . En outre, les alliages Al-Li sont également utilisés dans l' adaptateur vers l'avant Centaur de la fusée Atlas V , dans le vaisseau spatial Orion , et devaient être utilisés dans les fusées Ares I et Ares V prévues (dans le cadre du programme Constellation annulé ).
Les alliages Al-Li sont généralement assemblés par soudage par friction-malaxage . Certains alliages Al-Li, comme la Weldalite 049 , peuvent être soudés de manière conventionnelle ; cependant, cette propriété se fait au prix de la densité ; Weldalite 049 a environ la même densité que l'aluminium 2024 et un module d'élasticité 5% plus élevé . Al-Li est également produit en rouleaux aussi larges que 220 pouces (18 pieds; 5,6 mètres), ce qui peut réduire le nombre de joints.
Bien que les alliages aluminium-lithium soient généralement supérieurs aux alliages aluminium-cuivre ou aluminium-zinc en termes de rapport résistance /poids ultime, leur faible résistance à la fatigue en compression reste un problème, qui n'est que partiellement résolu à partir de 2016. En outre, des coûts élevés ( environ 3 fois ou plus que pour les alliages d'aluminium conventionnels), une faible résistance à la corrosion et une forte anisotropie des propriétés mécaniques des produits laminés en aluminium-lithium ont entraîné un manque d'applications.
Liste des alliages aluminium-lithium
Outre sa désignation formelle à quatre chiffres dérivée de sa composition en éléments , un alliage aluminium-lithium est également associé à des générations particulières, basées principalement sur le moment où il a été produit pour la première fois, mais secondairement sur sa teneur en lithium. La première génération a duré de la recherche initiale initiale au début du 20e siècle à leur première application aéronautique au milieu du 20e siècle. Composée d'alliages destinés à remplacer directement les alliages populaires 2024 et 7075 , la deuxième génération d'Al-Li avait une teneur élevée en lithium d'au moins 2 % ; cette caractéristique a produit une forte réduction de la densité mais a entraîné certains effets négatifs, en particulier dans la ténacité à la rupture. La troisième génération est la génération actuelle de produits Al-Li qui est disponible, et elle a été largement acceptée par les avionneurs, contrairement aux deux générations précédentes. Cette génération a réduit la teneur en lithium à 0,75-1,8% pour atténuer ces caractéristiques négatives tout en conservant une partie de la réduction de densité ; les densités Al-Li de troisième génération vont de 2,63 à 2,72 grammes par centimètre cube (0,095 à 0,098 livres par pouce cube).
Alliages de première génération (années 1920-1960)
Nom/numéro de l'alliage | Applications |
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1230 (VAD23) | Tu-144 |
1420 | les fuselages, les réservoirs de carburant et les cockpits du MiG-29 ; Su-27 ; Tu-156 , Tu-204 et Tu-334 ; YAK-36 et YAK-38 fuselages |
1421 | |
2020 | A-5 Vigilante ailes et stabilisateurs horizontaux |
Alliages de deuxième génération (années 1970-1980)
Nom/numéro de l'alliage | Applications |
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1430 | |
1440 | |
1441 | Be-103 et Be-200 |
1450 | An-124 et An-225 |
1460 | lanceur réutilisable McDonnell Douglas ( DC-X ); Tu-156 |
2090 (destiné à remplacer 7075 ) | bords d'attaque des A330 et A340 ; C-17 Globemaster ; Adaptateur de charge utile Atlas Centaur |
2091 (CP 274) (destiné à remplacer 2024 ) | Portes d'accès Fokker 28 et Fokker 100 dans le carénage inférieur du fuselage |
8090 (CP 271) (destiné à remplacer 2024 ) | cellule EH-101 ; bords d'attaque des A330 et A340 ; Adaptateur de charge utile Titan IV |
Alliages de troisième génération (années 1990-2010)
Nom/numéro de l'alliage | Applications |
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2050 (AirWare I-Gauge) | Lanceur d' équipage Ares I – étage supérieur ; Nervures d' aile de l' A350 ; Renfort d'aile inférieure de l' A380 |
2055 | |
2060 (C14U) | |
2065 | |
2076 | |
2096 | |
2098 | |
2099 (C460) | Limons, traverses extrudées, poutres longitudinales et rails de siège de l' A380 ; Boeing 787 |
2195 | Lanceur d' équipage Ares I – étage supérieur ; Dernière révision des réservoirs de propergol Super Lightweight External Tank Falcon 9 de la navette spatiale |
2196 | Traverses, longerons et rails de siège extrudés A380 |
2198 (AirWare I-Form) | Peau de fuselage des A350 et CSeries ; Fusée du deuxième étage Falcon 9 |
2199 (C47A) | |
2296 | |
2297 | cloisons F-16 |
2397 | cloisons F-16 ; Panneaux de poussée inter- réservoirs super légers pour réservoirs externes de la navette spatiale |
Al-Li TP-1 | |
C99N |
Autres alliages
- Alliage d'aluminium 1424
- Alliage d'aluminium 1429
- Alliage d'aluminium 1441K
- Alliage d'aluminium 1445
- Alliage d'aluminium V-1461
- Alliage d'aluminium V-1464
- Alliage d'aluminium V-1469
- alliage d'aluminium 2094
- Alliage d'aluminium 2095 ( Weldalite 049 )
- alliage d'aluminium 2097
- 2197 alliage d'aluminium
- alliage d'aluminium 8025
- alliage d'aluminium 8091
- alliage d'aluminium 8093
- CP 276
Sites de production
Les principaux producteurs mondiaux de produits en alliage aluminium-lithium sont Arconic , Constellium et Kamensk-Uralsky Metallurgical Works .
- Centre technique Arconic (Upper Burrell, Pennsylvanie, États-Unis)
- Arconic Lafayette (Indiana, États-Unis) ; capacité annuelle de 20 000 tonnes métriques (22 000 tonnes courtes ; 20 000 000 kg ; 44 000 000 lb) d'aluminium-lithium et capable de couler des lingots ronds et rectangulaires pour des applications laminées, extrudées et forgées
- Arconic Kitts Green (Royaume-Uni)
- Usine Rio Tinto Alcan Dubuc (Canada); capacité 30 000 t (33 000 tonnes courtes ; 30 000 000 kg ; 66 000 000 lb)
- Constellium Issoire (Puy-de-Dôme), France ; capacité annuelle de 14 000 t (15 000 tonnes courtes; 14 000 000 kg; 31 000 000 lb)
- Usine métallurgique de Kamensk-Ouralsky (KUMZ)
- Aleris (Coblence, Allemagne)
- Société FMC
- Aluminium du Sud-Ouest (PRC)
Voir également
- Alliage d'aluminium
- Alliages magnésium-lithium
- ÉBLOUISSEMENT
- Plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP)
Les références
Bibliographie
- Grushko, Olga; Ovsyannikov, Boris; Ovchinnokov, Viktor (2016). Eskin, DG (éd.). Alliages aluminium-lithium : métallurgie des procédés, métallurgie physique et soudage . Avancées dans les alliages métalliques. 8 . CRC Press/Taylor & Francis Group. doi : 10.1201/9781315369525 . ISBN 9781498737173. OCLC 943678703 . Résumé de laïcs .
- Eswara Prasad, N.; Gokhale, Amol A. ; Wanhill, RJH, éd. (2014). Alliages aluminium-lithium : traitement, propriétés et applications . Elsevier/Butteworth-Heinemann (publié le 20 septembre 2013). doi : 10.1016/C2012-0-00394-8 . ISBN 978-0-12-401698-9. OCLC 871759610 . Résumé de laïcs .
Liens externes
- Richardson, Mike (14 octobre 2012). "Le lithium guérit les malheurs des producteurs d'aluminium" . Fabrication aérospatiale . OCLC 907578912 . Archivé de l'original le 9 mars 2019.
- « Est-ce que l'aluminium-lithium battra les composites pour les avions de ligne à fuselage étroit ? » . Nouvelles de GLG. 18 octobre 2010. Archivé de l'original le 7 mars 2019 . Récupéré le 7 mars 2019 - via AirInsight Group, LLC.