Aluminium 7475 - AL-P7475 - EN AW-7475 - EN AW-AlZn5,5MgCu(A) - AL6

Une composition Al-Zn-Mg-Cu enregistrée en 1969

Le 7475 est un alliage d’aluminium corroyé dont l’enregistrement remonte à 1969. Le zinc, le magnésium et le cuivre constituent ses principaux éléments d’alliage.

Sa composition impose des limites de fer et de silicium plus basses que celles du 7075 : respectivement 0,12 % et 0,10 %, contre 0,50 % et 0,40 % pour le 7075.

Pourquoi limiter le fer et le silicium ?

L’ASM classe le 7175 et le 7475 parmi les versions à plus grande pureté du 7075, développées notamment pour améliorer la ductilité dans le sens transverse des produits épais. La réduction du fer et du silicium participe à cette logique.

Dans les alliages d’aluminium à haute résistance, des particules intermétalliques grossières peuvent constituer des chemins préférentiels pour l’endommagement. Une réduction des teneurs en fer et en silicium peut limiter ce phénomène et améliorer la ténacité.

Cette relation apparaît aussi à l’échelle du matériau. Dans une plaque de 7475-T7351, les particules intermétalliques grossières sont associées à l’amorçage des fissures de fatigue. Les faibles limites en fer et en silicium du 7475 participent donc à la ténacité de l’alliage, sans suffire à prédire le comportement d’une plaque : microstructure, procédé de fabrication et état métallurgique sont aussi à prendre en compte.

7175 et 7050 : d’autres évolutions du 7075

Le 7475 n’est pas la seule évolution du 7075. Le 7175 suit lui aussi une logique de plus grande pureté. Le 7050 appartient à la même famille Al-Zn-Mg-Cu, mais sa conception remplace notamment le chrome et le manganèse par du zirconium afin de réduire la sensibilité à la trempe.

La comparaison avec le 7075 fait ressortir l’un des principaux avantages du 7475 : à état métallurgique équivalent, les plaques en 7475 présentent des valeurs typiques de ténacité à la rupture environ 40 % supérieures.

Et ce, sans trop de compromis avec la résistance à la corrosion et le comportement en fatigue. Ainsi, selon Alcoa, la résistance à la corrosion et le comportement en fatigue du 7475 sont comparables et, dans certains cas, supérieurs à ceux d’autres alliages aéronautiques à haute résistance, notamment les 7075, 7050 et 2024.

T651, T7351, T7651 : des propriétés distinctes

Alcoa documente les plaques T651, T7351 et T7651, ainsi que les tôles nues et plaquées Alclad T61 et T761. Le producteur préconise le T7351 pour sa résistance à la corrosion sous contrainte. Le T7651 vise la résistance à l’exfoliation et une meilleure tenue à la corrosion sous contrainte, avec une résistance mécanique légèrement inférieure au T651.

Un choix de compromis, pas une hiérarchie

Ces états ne recherchent pas exactement le même équilibre. Une étude consacrée au 7475 en T651, T7651 et T7351 montre que le T7351, plus fortement survieilli, présente une résistance mécanique plus faible mais une meilleure résistance à la propagation des fissures de fatigue et à la corrosion sous contrainte que le T7651 dans les conditions étudiées.

Le choix d’un état dépend donc du compromis attendu entre résistance statique, ténacité, propagation des fissures et comportement en corrosion.

Résistance mécanique et ténacité des plaques

L-T et T-L désignent les orientations d’essai utilisées et font partie des conditions de ces valeurs.

Ce que montre la comparaison T651/T7351

Cette comparaison met à jour de façon mesurée le compromis entre résistance et ténacité. Sur la plage d’épaisseur commune de 25,43 à 38,10 mm, le T7351 présente une résistance minimale à la traction environ 9 % plus faible que le T651 et une limite d’élasticité minimale environ 12 % plus faible.

La tendance s’inverse pour la ténacité. Entre 31,75 et 38,10 mm, le minimum de K_IC passe de 33,0 à 44,0 MPa√m en orientation L-T, soit environ 33 % de plus. En T-L, il passe de 30,8 à 36,3 MPa√m, soit près de 18 % de plus.

Ces chiffres illustrent un arbitrage : une partie de la résistance statique est abandonnée tandis que la résistance à la propagation instable d’une fissure augmente. Dans une logique de tolérance aux dommages, la résistance mécanique maximale n’est pas le seul paramètre considéré.

Propriétés physiques et thermiques

L’état métallurgique ne modifie pas uniquement les caractéristiques mécaniques. Le T7351 présente aussi des conductivités thermique et électrique supérieures à celles du T651.

Une même composition nominale peut ainsi présenter des propriétés physiques différentes selon son état de traitement.

Usinage et formage en fonction de l’état

Pour les produits plats 7175/7475 en T651 et T7351, Kaiser attribue une cote B à l’usinabilité et D au travail à froid. La cote D constitue le dernier niveau de l’échelle utilisée par Kaiser pour le travail à froid, tandis que B place l’usinabilité dans le haut de son classement relatif.

L’étude d’Ohnistova porte plus précisément sur le fraisage d’éprouvettes issues d’une plaque T7351 de 70 mm. Les essais de fatigue sont réalisés en traction cyclique, à 10 Hz et avec un rapport de charge R = 0,1. Les auteurs observent une influence des conditions de coupe et de l’inclinaison de l’outil, mais les grosses particules intermétalliques restent les principaux sites d’amorçage des fissures.

Le comportement d’une pièce en 7475 après usinage dépend de la microstructure du matériau et des conditions dans lesquelles la surface a été produite.

Fatigue et corrosion : plusieurs voies d’amorçage

Les travaux consacrés au 7475 mettent en évidence plusieurs voies d’amorçage des fissures, qui ne doivent pas être confondues. Sous chargement mécanique, l’étude précitée observe l’amorçage au niveau de grosses particules intermétalliques fragiles.

Ces particules peuvent également intervenir dans les phénomènes de corrosion localisée. Une étude menée sur du 7475-T7351 a observé une dissolution de la matrice autour de particules Al₇Cu₂Fe, associée à la formation de piqûres.

Dans d’autres essais en solution aqueuse de chlorure de sodium, les piqûres constituent à leur tour des sites d’amorçage sous faible contrainte alternée. Les auteurs rapportent aussi une réduction de la durée de vie et une accélération de la propagation des fissures dans le milieu corrosif étudié.

Composition, microstructure et environnement peuvent donc intervenir à des étapes différentes du processus d’endommagement. Ces études utilisent cependant des éprouvettes et des protocoles différents : leurs résultats ne constituent pas une chaîne causale unique applicable à toute pièce en 7475 et ne donnent pas une durée de vie directement transposable à une pièce en service.

Soudage : distinguer les procédés et les résultats d’essai

Dans la fiche Kaiser 7175/7475, le T7351 reçoit la cote D pour le soudage au gaz et à l’arc : aucune méthode couramment utilisée n’est développée dans ce classement. Le soudage par points reçoit la cote B, qui suppose des techniques particulières ou des applications justifiant des essais préalables.

Pourquoi distinguer le FSW du soudage par fusion ?

Le soudage par friction-malaxage, ou FSW, ne pose pas exactement la même question que le soudage au gaz ou à l’arc. Il s’agit d’un procédé d’assemblage à l’état solide : le matériau est chauffé et malaxé sans passer par une fusion complète. TWI souligne que cette caractéristique évite plusieurs défauts associés à la fusion et à la solidification et permet d’assembler des alliages 2xxx et 7xxx qui sont difficiles à souder par fusion.

Des essais FSW ont été réalisés sur des tôles 7475-T76 de 2 mm assemblées bout à bout. Dans cette étude, l’outil tourne à 950 tr/min et avance à 110 mm/min.

Sur quatre éprouvettes prélevées dans les zones sans défaut, les essais à l’état brut de soudage donnent une résistance à la traction de 465 MPa, soit 92 % de celle du métal de base. L’étude relève toutefois des défauts internes au début de certaines soudures.

Pourquoi ces propriétés intéressent-elles l’aéronautique ?

Revêtements de fuselage et de voilure, longerons et cloisons de fuselage font partie des applications pour les tôles et plaques 7475.

Ces usages donnent leur sens aux propriétés précédentes. Dans les structures aéronautiques critiques, la résistance statique n’est pas le seul critère considéré. La fatigue et la tolérance aux dommages prennent aussi en compte les chargements répétés, la mécanique de la rupture et les effets de l’environnement sur les matériaux et les structures.

Le profil du 7475 devient alors plus lisible. Il associe une résistance mécanique élevée à une ténacité contrôlée et à plusieurs états permettant de déplacer le compromis vers la corrosion sous contrainte, l’exfoliation ou une résistance mécanique supérieure. Son intérêt ne repose donc pas sur une propriété isolée, mais sur la combinaison de ces caractéristiques.