Compte-rendu du Forum · Compte-rendu du Forum ... Centre de Recherches de Voreppe)..... 83 Tenacité des aciers a très haute resistance, quelques apports de la métallurgie mecanique

Académie de l'Air et de l'EspaceAir and Space Academy

Compte-rendu du Forum

SommaireBesoins actuels et futurs des matériaux pour turbomachines et équipements aéronautiques par C. Quillien (SAFRAN)..................................................................................................................................................................... 3

Matériaux pour Structures Aéronautiques et Spatiales - Les Evolutions et Enjeux de Demain par Y. Barbaux (EADS-IW)................................................................................................................................................................. 21

Architectured materials: a bridge between materials and design par Y. Brechet (CEA-Grenoble Technical University).................................................................................................................. 43

Nouveaux alliages et solutions aluminium pour structures aéronautiques : évolutions et enjeux par B. Dubost, J-C. Ehrström, T. Warner (Constellium, Centre de Recherches de Voreppe)....................................... 83

Tenacité des aciers a très haute resistance, quelques apports de la métallurgie mecanique par A. Pineau (Centre des matériaux Mines ParisTech).......................................................................................................... 107

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Forum sur les Matériaux Aéronautiques d’Aujourd’hui et de Demain

30 novembre 2012

Besoins actuels et futurs des matériaux pour turbomachines et

équipements aéronautiques Claude Quillien

1 /


Nacelles

Contrôle et accessoires moteurs

Moteurs Systèmes d’atterrissage et de freinage

Cablage

CONFIDENTIEL / 30 Novembre 2012/ AAAF / Direction Matériaux & Procédés

Les équipements Safran pour l’Aéronautique

2 /


/01/

Les turbomachines Aéronautiques


3 /


Les contraintes pour la conception d’un turboréacteur

Nouveau produit

Contraintes de dimensionnement Large gamme de températures (-50 C – 2200 C)

Rapport poussée sur masse : de 1 à 4 kg pour 100 chevaux (Voiture : 80 kg)

Pièces fortement sollicitées : jusqu’à 2000 MPa Durée d’exploitation : plus de 20 000 heures (Voiture : 4000h) 0 000000000000000000 heuress00000000 heures0 00000000

Contraintes environnementales Directive ACARE ; Réduction du bruit (-6dB), des Nox (-60 à 80%) et de la

consommation spécifique (-15 à –20%) Directive REACH : REGISTRATION ,EVALUTION and AUTORISATION of

CHEMICALS Directive ROHS : RESTRICTION OF USE on HAZARDOUS SUBSTANCES

Contraintes clients Adaptabilité

Réduction des couts Opérabilité

Recyclabilité

Contraintes marché Supply chain

Réseau fournisseurs


4 /


Les réponses des Matériaux & des Procédés

Nouveau produit

Réduction de la masse Matériaux composites : CMO, CMC, CMM…

Alliages légers : Titane, Intermétalliques

Augmentation de la performance

Matériaux haute résistance : Aciers, Titane, Nickel

Matériaux haute température : Nickel et revêtements, céramiques, intermétalliques

d l

Matériaux et Procédés « verts »

Suppression des substances interdites : REACH, ROHS

Travaux sur le recyclage

Réduction des coûts Réduction du nombre de matériaux

Maturation des matériaux et procédés Innovation procédés : Fabrication

directe, usinage grande vitesse

t


5 /


Le turboréacteur aujourd’hui…


6 /


Réduction de masse : Solutions Composites et Intermétalliques base TiAl

Les composites à matrice organique pour le gain de masse dans les parties froides

Aube Fan Carter Fan

Pour les parties chaudes

Intermétallique TiAl éétalliét lli

OGV


7 /


CFM56-7 CARTER FAN ALUMINIUM

LEAP CARTER FAN COMPOSITE

CARTER COMPOSITE : GAIN DE MASSE

de -30% COMPARE A UN CARTER ALUMINIUM

Tissage Enroulement Mise en moule Injection RTM Carter fini


Carter de soufflante : du métallique au composite

8 /


Réduction de masse par l’utilisation d’alliages à très haute résistance

Aciers THR : le ML340

Alliages de Titane quasi- à haute résistance : Ti17

Superalliages base Ni forgés à microstructures optimisées

INCO718

Métallurgie des poudres : N18


9 /


Augmentation de la capacité en température des superalliages forgés pour disques et structures chaudes

Nouveaux superalliages base Ni élaborés par voie conventionnelle (lingot) • 718PLUS (ATI Allvac) • AD730 (A&D) • René 65 (GE)

Nouveau superalliage base Ni élaborés par Métallurgie des Poudres N19 : Gain de 50 C par rapport au N18 DDV en service sur moteur militaire X2 / N18


Disque TuBP en R65 Virole en 718PLUS Anneau en AD730

10 /


Amélioration de la fiabilité : la maîtrise des gammes

Elaboration Forge Usinage

11 /


L’assemblage métallurgique permet de réduire la masse initiale de matière mise en œuvre et la phase d’usinage donc conduit à des économies en fabrication

Possibilité d’assembler deux matériaux différents

Dimensionnement adapté aux zones assemblées

Soudage Friction Inertielle

Spool Ti17 / 6242 Brasage diffusion d’un distributeur bipale en AM1

Ti17 / 6242

aaaaaaaaaaaaaaaaaaa Redresseurs soudés par laser CO2

Carter d’échappement


Réduction de coût grâce à l’assemblage métallurgique

12 /


Mieux valider : la simulation des procédés

La simulation des procédés doit permettre De déterminer par calcul la robustesse des fenêtres procédés De valider rapidement des modifications D’assurer un support au dossier de validation

Exemple du forgeage Données validées sur Inco718 et TA6V

Exemple des composites CMO Support à la mise au point gamme de moulage RTM


13 /


Modélisation du forgeage de disques

Chemin thermo-mécanique (t, , p, ..) Résultats du Post Processeur métallurgique (INCO718)

Logiciel FORGE©

La modélisation de la gamme permet d’identifier en amont les problèmes potentiels de non qualité et d’apporter des solutions permettant de les éviter


14 /


Projection Laser - Démonstration de fabrication de brut suivi d’un usinage conventionnel Carter aval éch.1/2 Silvercrest en INCO718

Fusion Laser – Fabrication innovante “3 en 1” du Syst. d’Injection TOSCA en CoCr Fusion Laser

M300 pour essai aéro froid LeapX DTP TuBP

Réduction de coût par des procédés nouveau La Fabrication Directe

Fusion Laser – RD5 CoHP SaM146 en Inco718

Fusion laser RDE SaM146 en TA6V

MIM Plaquette anti-

rotation CFM56-5B en 17-4-PH

Projection laser MHP et DHP Silvercrest en CoCrMo


15 /


Les équipements aéronautiques /02/


16 /


Réduction de masse par dans les trains d’atterrissage : utilisation des composites pour la fabrication de bielles

Composite à matrice organique

Composite à matrice titane et fibres SiC

Prototype échelle réduite (faisabilité)

Pièce finale

Choix des composites pour les contrefiches en remplacement des aciers


17 /


Réduction de masse par dans les trains d’atterrissage grâce à l’introduction des alliages de titane haute résistance

Choix d’alliages de Titane à très haute résistance ( Ti10 2 3 – Ti 5553) pour remplacer les aciers sur les trains d’atterrissage d’avions gros porteurs

Besoin de Rm et K1c élevés

Nécessité de maîtriser la mise en forme et le

traitement thermique sur des pièces de grandes

dimensions et fortes épaisseurs


18 /


Réduction de masse dans les nacelles

Panneau acoustique A380 IFS A380

Composites à matrice organique Alliage de titane haute température Ti21S

Cône tuyère d’éjection


19 /


Les contraintes environnementales : REACH et ROHS

REACH REGISTRATION ,EVALUTION and AUTORISATION of CHEMICALS

RoHS RESTRICTION OF USE on HAZARDOUS SUBSTANCES (équipements électroniques et électriques)


20 /


Pour les trains d’atterrissage

Revêtements tribologiques assurant également une protection contre la corrosion Projection thermique WC/Co/Cr pour remplacement du chrome dur

Aciers inoxydables Haute résistance: MLX17 (A&D) & CUSTOM465 (Carpenter) Développement du MLX19 , du CUSTOM475

et du FERRIUMS53 (Questek)

Développement de dépôt électrolytique de substitution au cadmiage applicable aux aciers THR (300M) et moyenne résistance : Zinc Nickel

Cylindre en MLX17

Tige en CUSTOM465


Réponses aux contraintes environnementales

21 /


Réponses aux contraintes environnementales

Pour les transmissions

Développement de la « Mécanique Inoxydable » - Projet MEKINOX (FUI Astech Movéo)


22 /


Le Futur /03/


23 /


Gain de masse

Gain de performance

Les technologies Matériaux & Procédés pour répondre aux challenges du Futur

24 /


Quels matériaux au-delà des alliages de nickel pour les hautes températures ?


25 /


Gains de performance : Les nouveaux matériaux pour très haute température

Tous ces matériaux sont à des niveaux de maturité très bas (TRL 2 à 3)

Nécessité de lancer d’importantes études amont avant de pouvoir faire des choix


26 /


Pièces composites à partir de renforts textiles (tissés 2D et 3D, aiguilletés, tresses, couture, …)

Maintien de l’avance technologique nécessite Amélioration continue de la compréhension du matériau (comportement, endommagement, procédés) Développements spécifiques de modèles et méthodes (conception, procédés)

Matériaux CMO & CMC : Innovation à poursuivre

Aube FAN

BRACE

Mélangeur

TuBP

Pièces CMC Pièces CMO


27 /


Augmentation de la capacité en température : de nouvelles familles de matériaux non métalliques

Des nouvelles classes de matériaux pour le gain de

performance des aubes de turbine

Distributeur céramique

Aube intermétallique Nb Si

Carter en composite Oxyde Oxyde

Segment d’anneau de turbine en céramique


28 /


Quels nouveaux matériaux pour demain et comment les élaborer?

Les nouveaux matériaux des équipements aéronautiques, métalliques , non métalliques ou hybrides, nécessiteront certainement , pour la plupart d’entre eux, le développement de nouveaux procédés d ’élaboration et de mise en œuvre permettant de réaliser des compositions et des structures que les voies conventionnelles ( liquide + éventuellement transformation en voie solide) ne permettent pas d’obtenir.

Il est prévisible que l’association d’éléments de matière concentrée dans un petit volume, c’est-à-dire suivant une voie poudre à l’échelle micrométrique voire nanométrique sera de plus en plus utilisée.

Des réductions de coût de fabrication significatives pourront être en parallèle attendues avec ces procédés innovants que les différentes technologies de Fabrication Directe permettent déjà d’entrevoir .

Le Frittage par Etincelage (SPS ou Spark Plasma Sintering) en particulier permet d’élaborer des matériaux métalliques, céramiques ou hybrides à partir de poudres pures ce qui permet de penser à des matériaux totalement innovants qu’on ne sait pas fabriquer aujourd’hui conventionnellement


29 /


De nouveaux procédés pour élaborer les alliages de titane « Meltless »

Ces procédés de réduction des oxydes de titane pour obtenir du métal pur s’affranchissent de l’étape fusion du procédé classique « Kroll » : carbo-chloration du minerai pour obtenir TiCl4 qui est réduit ensuite par Mg liquide Eponge (voie Pyrométallurgie)

Les procédés « Meltless » part de minerai broyé (oxyde de Ti) réduit par voie électrolytique en poudre de Ti à laquelle on peut ensuite ajouter d’autres poudres pour faire des alliages (voie Hydrométallurgie)

Plusieurs brevets déposés depuis une dizaine d’années mais pas

d’installation industrielle de production opérationnelle aujourd’hui

Procédés a priori plus économiques, plus propres et plus « adaptables »


30 /


De nouveaux alliages de titane par un procédé « Meltless »?

Poudre de Ti (Meltless) + addition d’autres éléments

Le procédé « Meltless »permet d’ajouter des éléments que la voie conventionnelle ne permet pas

Des perspectives de nouvelles nuances très innovantes à propriétés augmentées (résistance mécanique , température…)


31 /


L’Ingénierie des Matériaux avec Modélisation Intégrée

Une nouvelle approche se développe aux Etats Unis pour concevoir des produits les matériaux dont ils sont constitués et les procédés de mise en œuvre associés. Integrated Computational Materials Engineering (ICME) Application Industrielle Intégration de Modèles à diverses échelles • Echelle de la structure codes EF • Echelle macro (comportement) codes rhéologiques • Echelle Méso (milieux continus) méthode d’Eshelby (tensorielle), homogénéïsation • Echelle micro (dislocations , phases) Codes de champs de phase ,CALPHAD, THERMOCALC • Echelle nano (atomistique) Monte Carlo , dynamique moléculaire • Echelle électronique Equations de Schrödinger

Cette approche a été appliquée plus ou moins partiellement depuis plusieurs années chez GE , Lockheed Martin, QuesTek , Ford Motors…avec des résultats concrets aux Etats unis . Elle nécessite des compétences multiples de haut en physique , chimie , mécanique , numérique , mathématiques …mais sera sans doute un outil indispensable pour imaginer les matériaux du futur


32 /


Conclusions /04/


33 /


Réfract. Céram.

Ti Al

990 2000 2010

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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1950 1960 1970 1980 19

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2010

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203

0

CMC

Ni / Co

Ni PM

Ni monocristallin

Ti

Ti CMM

CMO

Alu

Acier

Et au-delà : quelles perspectives Matériaux dans les turboréacteurs ?


?

34 /


Enjeux matériaux et procédés pour safran

Les matériaux et procédés sont des technologies clés pour le groupe Les nouveaux programmes comportent tous des matériaux et procédés nouveaux dont la maturation est longue : 20 ans pour l’aube FAN Composite Les nouveaux programmes doivent permettre de renforcer nos travaux d’harmonisation et d’améliorer la robustesse de notre documentation technique

La supply-chain est mondiale et doit être maîtrisée Il faut fiabiliser encore plus le retour d’expérience fabrication, qualité et achats La mise en œuvre de qualifications robustes doit permettre de gagner en temps et d’améliorer la qualité des produits

Renforcer les partenariats scientifiques et industriels pour les futurs challenges

Les matériaux et procédés font de plus en plus appel à de nouvelles compétences et à de nouveaux moyens La maîtrise de la simulation doit permettre de gagner du temps et d’améliorer la robustesse de nos technologies


35 /


And to drive the future,

the key is… materials


Matériaux pour Structures Aéronautiques et Spatiales Les Evolutions et Enjeux de Demain

Yann Barbaux

EADS-IW

Journée Matériaux de l’Académie de l’Air et de l’Espace, 3AF et l’Académie des Technologies Paris le 30 novembre 2012

© EADS 2011

Les contraintes du concepteur Performance / coût / sécurité

Compétitivité (le coût)

Performance(le poids)

L’axe Performance / Compétitivité est l’élément déterminant du choix des

matériaux & Procédé et de leurs évolutions.

Sécurité & Sûreté de fonctionnement (les Exigences)

2

© EADS 2011

Compétitivité (le coût)

Performance(le poids)

L’axe Performance / Compétitivité est l’élément déterminant du choix des

matériaux & Procédé et de leurs évolutions.

Sécurité & Sûreté de fonctionnement (les Exigences)

Les contraintes du concepteur s’élargissent … Performance / coût / sécurité

Industrielles

Stratégiques

Liées à la Maintenance

Environnementales

3

© EADS 2011 ©©©©©©©©©© ©©©© EADSEADSEADSEADSADSEADSEADSEADSEADSADSEADSEADSSEADSD 2012010120120120120120120120120120120120 111111111111

Coû

t de

la s

truc

ture

Amélioration des Matériaux & Procédés

État de l’art du constructeur Développement TRL 6 à 8 Tendance à faire

léger et cher

Tendance à faire lourd et pas cher

Masse de la structure

Pente = taux d’échange € par Kg

D

Amélioration des matériaux

Amélioration Des Procédés

4

© EADS 2011

Amélioration Des Procédés

Amélioration des matériaux

Coû

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État de l’art du constructeur Développement TRL 6 à 8

Tendance à faire léger et cher

Tendance à faire lourd et pas cher

Masse de la structure

Pente = taux d’échange € par Kg

Industrialisation: Niveau de TRL

Robustesse Temps de cycle

Stratégiques: Position de la concurrence

Externalisation

Maintenabilité: Contrôlabilité

Réparation

Environnementales: REACH

Cycle de vie

Architecturales: Assemblage

Intégration de fonction

Approvisionnement: Pérennité

Disponibilité Concurrence

© EADS 2011

Amélioration DesProcédés

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État de l’art du constructeÉtat de l art du con

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Industrialisation:Niveau de TRL

RobustesseTemps de cycle

Stratégiques:Position de la concurrence

Externalisation

Maintenabilité:Contrôlabilité

Réparation

Environnementales:REACH

Cycle de vie

Architecturales:Assemblage

Intégration de fonction

AApprovisionnement:Pérennité

DisponibilitéConcurrence

Amélioration des Matériaux & Procédés Les évolutions des contraintes:

5

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TerraSAR-X

Year of first flight

% o

f str

uctu

ral w

eigh

t

50

25

75

100

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Tiger (EC)

NH90 (EC)

B0 105

AS 355

EC 135 Civil Helicopters

EC 175

CH-53K Military Helicopters

? Future

Heavy Transport

?

BK 117

BA609/V-22

SK75/76

?

Stuctures Hélicoptères, les Tendances d’Evolution Compétition : Métal / Composite

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Stuctures Avions, les Tendances d’Evolution Compétition : Métal / Composite

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Parties épaisses: Voilure & Caisson central Dimensionnement: Statique & Fatigue CFRP

Partie minces : Fuselage Dimensionnement : Fatigue & Statique & Conductivité & Mini techno … Compétition CFRP / Métal C

Evolutions de Matériaux vs Types de Structure.

© EADS 2011

Evolution des Matériaux & Procédés La Compétition Métal / Composite, un des moteur de l’évolution

Axes d’évolution des Matériaux Métalliques : - Nouveaux alliages ( CMM, Al-Li, Al Mg Sc …….) - Technologies d’assemblage ( Soudage par friction, Automatisation, …) - Technologies de fabrication (ALM, Nlles techniques de formage, ….)

Axes d’évolution des Matériaux Composites : - Intégration de fonctions & Automatisation : Placement de fibres sèches (RTM & Infusion & RFI) - Matériaux Thermoplastiques - Matériaux multifonctionnels - Développement durable (REACH, Recyclabilité …)

© EADS 2011 Page 10

Alliages d’Aluminium Des Nouvelles Nuances

Propriétés Spécifiques

Δ attendu vs Solution actuelles

Applications

CMM

Résistance Raideur Fatigue Fatigue/fretting K1c da/dn

Alu-Li Alu-Cu-Li Alu-Mg-Li

Résistance Raideur Fatigue K1c da/dn

++

Alu-Mg-Sc

Résistance Raideur Fatigue / K1c da/dn Corrosion Soudabilité Mise en forme

+++

= ++

+++

-

++

≈

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Technologie d’Assemblage Principe du procédé FSW (soudage par friction malaxage)

Procédé de soudage en phase solide

Consiste à déplacer un outil rotatif comportant un pion et un épaulement le long du joint à souder

− Génération de chaleur par frottement sous l’épaulement

− Malaxage du matériau rendu pâteux sous l’effet du pion

− Consolidation du joint soudé par application d’un effort de forge

1991 : Invention et brevet par The Welding Institute (TWI, GB)

1996 : Premières applications industrielles (industrie navale scandinave)

1999 : Première application aérospatiale : réservoirs cryogéniques du lanceur Delta 2

2010 : Première application Airbus : panneaux plancher A400M

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Soudage d’alliages différents Robotisation Soudage d’élément de sous ensembles Assemblage de sous ensembles Gains de masses et de coûts Réduction du temps de cycle Robustesse (vs soudage traditionnel)

Les attraits : Les difficultés :

Industrialisation: Outillages conséquents Robustesse (vs assemblage):

Technologie d’Assemblage Le soudage FSW des alliages d’aluminium

sses

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Parties minces (fuselage): - Soudage d’éléments de sous ensembles - Assemblage de sous ensembles Temps de cycle Coût & Masse Difficultés: Contrôle & Robustesse

Parties épaisses: - Soudage d’éléments de sous ensembles Temps de cycle Coût & Masse Difficulté : Efforts importants, robots dédiés


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FSW

LBW

/ E

XT.

Stringer

FSW: Application fuselage

Réduction de coût et gain de masse: Le gain de masse serait de l’ordre de 0.7 Kg par m de jonction.


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Le CND du défaut de pénétration : Kissing Bond 2 solutions Bobbin Tool ou Maitrise du process

Page 15

Hau

teur

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Distance: Backing bar / extrémité d’outil

Collage

Paramètres (v1,a1)

Paramètres (v2,a2)

gRobustesse

CollagC gee

Technologie d’Assemblage Le soudage FSW des alliages d’aluminium Etude de la Robustesse

éfaut de pé B

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Projet ROCT : Jonction voilure / fuselage Nervure 1 Airbus


re / fuselageus

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ROCT concept: Rib One with Crux and Tees integrated using FSW (Airbus patent filling #0755228) – Welding of Rib One blank

(close to final dimensions) – Four butt welds, between die-forgings

and wrought plate – Material: 2050 T3 Al-Li alloy,

thickness to be welded 15.5 mm (final thickness of welds 12 mm)

Objectives – Cost savings, reduction of cycle time – weight savings and/or improved performance – To propose this concept for Rib 1 of New Short Range (NSR)

Tees integrated using FSW

gs

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Technologie d’Assemblage Le soudage FSW des alliages d’aluminium: Projet ROCT

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Est envisagé sur les futurs lanceurs

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Un atout Majeur dans la compétition Métal / Composite Des applications en forte croissance Comparé au soudage traditionnel - Performance / Robustesse/Coût Comparé à l’assemblage - Performance / coût - Temps de cycle Cas de Remplacement de Forgés ou Tôles épaisses usinées - Coût


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Technologie de Fabrication La Fabrication Directe : Différents Procédés

Additive Manufacturing Processes

Direct Deposition Layer Deposition

21


Technologie de Fabrication La Fabrication Directe & Les Différentes Technologies

Laser TIG & Plasma Faisceau d’électrons

Lit de Poudre X NON Applicable X

Projection de Poudre X NON

Applicable NON

applicable

Fil (Ebauches) X X X

Laser TIG & Plasma Faisceau

L

P

Productivité

Prod

uctiv

ité

Pd

tiité

Prod

uctiv

ité

Com

plex

ité &

Fin

ition

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Réalisation rapide dès la conception Réalisation de pièces non usinables / moulables Possible fonctionnalisation Réduction du temps de cycle Gains de masses Gain de coûts (petites séries) Eco-Procédé

Les attraits : Les difficultés : Axes à améliorer: Distorsions / Rugosité / σR Faible maturité sur les Alu Industrialisation: Temps de fabrication Peu adapté aux grandes séries Peu adapté aux grandes dimensions

Technologie de Fabrication La Fabrication Directe

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Activities with Astrium ST

200x100x170 mm

2007, manufacturing of a Ti6Al4V fitting by EBM (2K€/part) – IW F/AS ST/MK contract. → beginning of conversion of the Design Office to ALM

135x115x100 mm

2009, specification of HRM/ADPM fittings for antenna reflector to deliver to IW F for preliminary technical-economical analysis

1 ADPM Ti6Al4V fitting manufacturing and technical- economical study by IW UK according bio mimetic lightweight principle

24


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Titanium ALM Part now Flying in Space

Large potential of application to other parts efficient production !

First ALM commercial application in GEO on ATLANTIC BIRD 7, an ASTRIUM Satellite, launched on September the 27th, operational since October 23rd (Eutelsat): Titanium mast node.

(under ASTRIUM Space Transportation technical authority)

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4. Further FE analysis

Topology Optimisation Process

5. Further loop of topology optimisation if required

1. Existing design – FE analysed

2. Data used to create optimised design interpretation

La Fabrication Directe ouvre la voie à l‘optimisation topologique

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Technologie de Fabrication La Fabrication Directe: Une Technologie en forte croissance

Axes d’amélioration: Distorsions / Rugosité / σR Faible maturité sur les Alu Développements prometteurs: La Technologie Fil L’Optimisation Topologique La Fonctionnalisation

© EADS 2011 © EADS 2011

Les Matériaux Métalliques Un effort continu pour le Développement Durable

Alliages d’Aluminium: REACH Protections & Traitements de Surface sans Cr6 - Remplacement de l’OAC: TSA & OAS & PSA … - Traitements hors bain: Voie Aspersion & Voie Sol-gel - Peintures structurales sans chromates

Pro Su

Traitement par Aspersion

InhibiSpheresTM [IS] Ceramisphere’s tech

Controlled releasing of entrapped inhibitor

Sol-Gel « cage » for green inhibitors

ISTM from nm to μm

SEM cross-section ISTM-loaded primer

Pre-treated Surface

Cr-free Pr / IS

Top Coat

IS as alternative to Cr6+ in structural paints

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Evolution des Matériaux & Procédés La Compétition Métal / Composite, un des moteur de l’évolution

Axes d’évolution des Matériaux Métalliques : - Nouveaux alliages ( CMM, Al-Li, Al Mg Sc …….) - Technologies d’assemblage ( Soudage par friction, Automatisation, …) - Technologies de fabrication (ALM, Nlles techniques de formage, ….)

Axes d’évolution des Matériaux Composites : - Intégration de fonctions & Automatisation : Placement de fibres sèches (RTM & Infusion & RFI) - Matériaux Thermoplastiques - Matériaux multifonctionnels - Développement durable (REACH, Recyclabilité …)

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Future trends in composites structures for aeronautic and space structures - AMPT 2010

Page 30

October 26, 2010

Les Matériaux Composites (Thermodurs) Un Effort continu vers l’Automatisation

Automatic assy

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dry fibers placement Braiding of frames

Z pinning testing Sine web frame Page 31

Les Matériaux Composites (Thermodurs) Préformes Automatisées (Infusion, RTM RFI)

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• Tenue en Tolérance aux Dommages

• Conservation à θambiante • Péremption • Vieillissement Humide • Soudabilité • Consolidation Hors Autoclave • Eco-matériaux (REACH & Recyclable)

Les attraits : Les difficultés :

•Coût (aujourd’hui) •Consolidation à 400 C

Les Matériaux Composites (Thermoplastiques Haute Performance) De nombreux avantages.

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Fiber Placement Machine : FLASH-TP Partners for development

• EADS IW, Airbus, ASTRIUM, Coriolis composites, IREPA Laser, ECN

Objectives • Development of a multi tows effector (16

tows * ¼ inch) • Realize a laser heating head for better

lay-up (better accuracy for temperature and production rate)

Characteristics • Lmax = 6 m • max = 4 m • Tooling systems : 5T et 20T

Industrial prototype in service from Aug 2011

Page 33

Les Matériaux Composites (Thermoplastiques) L’automatisation

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Page 34

Process

Welding technologies - Ultrasonic - Induction - Electric resistance

Les Matériaux Composites (Thermoplastiques) Le Soudage

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Page 35

- Demonstrators

High thickness panel (176 plies) -

Double curvature panel

Double curvature panel

Cylindrical part -

Les Matériaux Composites (Thermoplastiques)

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Composites Multifonctionnels

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Feu Fumée Toxicité

Conductivité électrique

Amortissement Vibration & Acoustique

Surfaces fonctionnelles

Antigivre & Auto nettoyantes …

Détection des Dommages Intégration de capteurs

Tolérance aux Dommages

Matériaux Composites Multifonctionnels


Matériaux Composites Multifonctionnels A quelle échelle ?

Macro ? Micro ? Nano ?

Conductivité: Grillage / Métal expansé Métallisation de surface

- Nodules de TP - Encapsulation: Auto réparation …

Nano Tubes de Carbone: Conductivité,Tol dom …

…


Matériaux Composites Multifonctionnels La Tenue à la Foudre : Les effets Directs & conductivité de Surface

Solutions utilisée & envisagées

Aluminium Cuivre Bronze

Grillage Métallique x x Métal Expansé x x x Feuille Métalliques (Perforées ou non)

x x Métallisation x x x

Essais Foudre visualisés en caméra ultra rapide

4,8 μs between each picture


Merging condition on electrical conductivity

1,0E-09

1,0E-08

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0,001 0,01 0,1 1

CNT content by weight (%)

cond

uctiv

ity (S

/m)

50 rpm 500 rpm 2000 rpm

Matériaux Composites Multifonctionnels Des CNT pour la conductivité électrique ?

© EADS 2011

Métal en Surface &

Une Résine Conductrice

Page 40

Matériaux Composites Multifonctionnels La Tenue à la Foudre

Conductivité de surface

Conductivité dans l’épaisseur (étincelage)

de s

Matériaux Conductivité S/m Cuivre 59 106 Fibres de Carbone ≈ 20 104 Résine ≈ 10-12 / 10-10

ΔV Etincelage

© EADS 2011

142,93

70,14

50,58

7,67 6,47

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

Peak

Hea

t Rel

ease

Rat

e [k

W/m

²]

Reference0.2wt% Nanoclay0.4wt% Nanoclay0.6wt% Nanoclay0.7wt%Nanoclay

Nanoclays (Süd-Chemie/Rockwood dispersed in Phenoxy foils

Page 41

Matériaux Composites Multifonctionnels Amélioration de la tenue au feu Nano-argiles ?


Matériaux Composites Les axes de progrès

Productivité & Fonctionnalisation - Cuisson Hors Autoclave - Automatisation - Augmentation de la taille des Eléments - L’intégration de Fonction (Conductivité, SHM ………)

Le Développement Durable - Effort continu pour le remplacement des produits visés par REACH - Le Cycle de vie: Très favorable à l’allègement - Les matériaux Bio-sourcés


Conclusions

Matériaux Métalliques / Alliages Aluminium Marge de progression réduite mais qu’il convient d’exploiter Une révolution possible avec l’ALM Effort à soutenir contrairement à la tendance de ces dernières années

Composites

Enjeux : le coût et la productivité Multi fonctionnalité : des idée à développer La protection foudre : de nouveaux concepts sont nécessaires

Des pistes prometteuses pour les matériaux et procédés Un effort à soutenir avec nos partenaires industriels et académiques

© EADS 2011

Merci pour votre attention

Page 44

Architectured materials: a bridge between materials and design

Yves Brechet Grenoble Technical University

And Haut commissariat of Atomic Energy

[email protected]

Materials Families

Context

• Increased requirements on materials – Extreme conditions ( temperature, load, irradiation, corrosion…)

– Integrity with weight saving

• Structural Materials with a function – Acoustic, thermal insulation, shock absorption… – Self healing solutions, integrated sensors…

• Functional Materials with structural properties – Durability of materials in energy applications – Life duration in microelectronics…

In many industrial applications, finding the appropriate material/ process for

a given set of requirements is often the limiting factor

.

Available Materials

Optimised Materials

Selected Materials

Taylored Materials

Increasing Multifunctionnality

Increasing importance Of modelling

Toward a mixed approach: “architectured materials”

Scale

nm

μm

mm

m

Microstructure

Superstructure

cm

Outline

• The case for architectured materials

• Microstructure gradients

• Tayloring materials with geometry

• Designing multifunctionnal materials

• Conclusions

The case for architectured materials

Resolving contradictions

Cable architectures

.

Alternative to materials design

Stiff and light?

• Materials solution? – Polymers : can play on chemical bond

– Ceramics, metals..not so easy to change E

– Composites

Light and stiff: composite materials?

Ideal for homogeneisation techniques….

Shapes that add stiffness Beams

Samemass/length

Panels

Same area andmass/area

Mechanical solution to improve stiffness

Shape and materials solution : toward a mixed approach

a)

b)

c) d)

a) Improve E playing on the microstructure b) Improve stiffness by the shape factor c) Combine shape factor and microstructure d) Architecture the microstructure within a macroscopic shape

Microstructure gradient

Filling the gap : microstructural road

Materials Microstructures variable in space

The Principle of Decarburisation Experiments

%C

T

OC

iC

iCSCferrite

austenite

v(t)

CJ

CJ

Sample H2

Phillion, Zurob, Hutchinson, Guo, Malakhov, Nakano and Purdy, Metall Trans., 35A, 1237-1242, 2004.

Playing with thermodynamics : carbon in steels

Controlled growth of a ferrite layer Resulting from decarburisation

Possibility of a sharp/diffuse interphase

Functionnaly Graded Steels : process and microstructures

Martensite/ferrite CGM.

Pearlite/ferrite CGM

Spherodite/ferrite CGM

Hatem Zurob, Dave Embury, Bechir Chehab, Post Doc McMaster (2008)

Improved ductility

Ductilising a brittle material

Creating a layer of nanocrystalline copper

Compromise between yield stress and ductility

K.Lu, (2010)

Tayloring Materials with the help of geometry

Shape optimisation

PhD Laurent Laszczyk

shape at an intermediate scale:

“architectured materials”

Scale

nm

μm

mm

m Superstructure

cm

Interlocked structures

Interlocked Structures

flèche [mm]

cont

rain

te [M

Pa]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 0.1 0.2 0.3 0.4

plaque monolithique

structure autobloquante (précontrainte faible)

structure autobloquante (précontrainte forte)

flèche [mm]

cont

rain

te [M

Pa]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 0.1 0.2 0.3 0.4

plaque monolithique

structure autobloquante (précontrainte faible)

structure autobloquante (précontrainte forte)

VERY FEW EXPERIMENTS, A RUNNING NUMERICAL MODEL

Charles Brugger PhD Grenoble 2008

Indentation test on a small structure

1

11

2

2

2

1

11

2

2

2

perforation

deconsolidation

Effo

rt su

r l’ in

dent

eur F

[kN

]

Profondeur d’indentation p [mm]

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10

Effo

rt su

r l’ in

dent

eur F

[kN

]


0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10

Effo

rt su

r l’ in

dent

eur F

[kN

]


0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10

Effo

rt su

r l’ in

dent

eur F

[kN

]


0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10

Negative stiffness

Effo

rt su

r l’in

dent

eur [

N]

0 6 42 12108 140

700

600

500

400

300

200

100

Profondeur d’indentation [mm]

Effo

rt su

r l’in

dent

eur [

N]

0 6 42 12108 140

700

600

500

400

300

200

100



Forc

e [k

N]

0

2

4

6

0 1 2 3 4


Forc

e [k

N]

0

2

4

6

0 1 2 3 4

Parabolic master curve

Effo

rt su

r l’in

dent

eur n

orm

alis

éF

/ Fm

ax

Profondeur d’indentation normalisée p / p(Fmax)

f = 0f = 0.1f = 0.2f = 0.3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Courbe maitresse

Effo

rt su

r l’in

dent

eur n

orm

alis

éF

/ Fm

ax

Profondeur d’indentation normalisée p / p(Fmax)

f = 0f = 0.1f = 0.2f = 0.3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Courbe maitresse

Influences of friction, prestress, size

• Friction

• Prestress

• Size

Disordered structures

Wools

x1 x2

x3

23 cm

Steel Wool , J.Ph.Masse, PhD Grenoble (2009)

45

In situ compression / Loading scans

ESRF ID 19

MATEIS (INSA LYON)

3 mm

= 1.84% = 2.02% = 2.37% = 3.76% = 5.30% = 9.03% = 13.43% = 2.94%

X-Ray Tomography

Structural Characterization

Designing Multifunctionnal Architectured Materials

Designing a Sound Absorber

Hollow spheres Stacking

A LOT OF EXPERIMENTAL DATA, A NUMBER OF MODELS…

State of the art

Acoustic absorption (S.Gasser) Elastic behaviour (F.Mammoud)

Fatigue (O.Caty) Plasticity (A.Fallet)

Integration in sandwiches (P.Lhuissier)

Stephane Gasser PhD ONERA (2004)

Designing a Radiant Burner

Constraints Objectives Free variables

Materials: resisting at high

temperature, in oxidative atmospheres,

and to thermal choc.

Functioning: the flame front inside the

porous zone

High radiation emission

Low pollutant emission

Wide range of in-flux

Architectural

properties

Constitutive

materials

Modelling tools

• Combustion modelling – Fluid transport, heat transport – Radiative transfer – Reaction rates fct(T), chemical products

• Materials modelling

– Permeability – Thermal properties ( thermal capacity, conductivity, radiative power)

Preselection for the constitutive materials

.

Base materials (purity ratio)

(bulk density)

Current

acronym

Cells/Volume

(1/mm3)

Relative

density

Alumina (99.8%) (1.2) Alumina 300-6 x10+4 0.297-0.328



Alumina (99.5%) (0.745) Alumina 0.20-88 0.17-0.22

Alumina (92%) (0.61) Alumina 0.28-110 0.13-0.18

Alumina (99%) (0.825) Alumina 0.10-15 0.205-0.215

Cordierite (0.5) Cordierite 0.10-15 0.16-0.18

Mullite (0.70) Mullite 0.10-15 0.23-0.24

Mullite (0.65) Mullite 0.10-15 0.215-0.225

Mullite (NCL) (0.46) Mullite-NCL 0.20-42 0.15-0.16

Silicon Carbide (0.5) SiC 0.10-15 0.15-0.16

Zirconia (Partly Stabilized) (1.28) PSZ 0.10-15 0.205-0.215



Zirconia Mullite Alumina (0.63) ZrO2-Al2O3-

SiO2 0.33-57 0.15-0.19

Zirconia with Calcia (Fully

Stabilised)(0.74) ZrO2-CaO 2.30-38 2.24

Zirconia with Magnesia (Partly

Stabilised)(0.81) ZrO2-MgO 0.50-60 0.123-0.147

Additional materials Porosity Cell size-Strut

size, mm

Specific area,

mm-1

FeCrAlY 0.951 1.27-0.23 2.00

NiCrAl 0.928 1.30-0.26 2.45

Mullite 0.809 1.25-0.19 3.60

PSZ 0.832 0.83-0.19 4.43

Pre-Selection

On the operating Temperature,

On the oxydising

Atmosphere

On the ability to make a foam, A felt…

CO2/NOx emission

7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.626

27

28

29

30

31

32

33

ZrO2-MgO

(0.87,1.61)ZrO

2-MgO

(0.85,0.32) Corderite(0.81,0.50)

SiC(0.85,2.72)

Mullite(0.80,1.25)ZrO

2-Al

2O

3 -SiO

2(0.81,0.32)Mullite

(0.77,2.63) PSZ(0.83,0.83)

Alumina(0.67,0.17)

NiCrAl(0.92,1.30)

FeCrAlY(0.95,1.27)

CO

con

cent

ratio

n, m

g/kW

h

NOx concentration, mg/kWh

In-flux: P=100 kW/m2

32 33 34 35 36 37 38

330

340

350

360

370ZrO

2-MgO

(0.85,0.32)

ZrO2-Al2O

3-SiO

2(0.81,0.32) Corderite(0.82,0.50)

Mullite(0.77,2.63)

SiC(0.85,2.72)

Alumina(0.67,0.17)

Mullite(0.80,1.25)

NiCrAl(0.92,1.30)

FeCrAlY(0.95,1.27)

ZrO2-MgO

(0.87,1.61)

CO

con

cent

ratio

n, m

g/kW

h

NOx concentration, mg/kWh


Less pollution FeCrAlY, NiCrAlY Cell size 1.2mm, porosity 90%

Radiative power

0

5

10

15

20

25

30

SiC

(0.8

5,2.

72)

PS

Z (0.8

3,0.

83)

Cor

derit

e (0.8

1,0.

50)

Mul

lite (0

.77,

2.63

)

ZrO

2-Al 2O

3-SiO

2(0.

81,0

.32)

ZrO

2-MgO

(0.8

7,1.

61)

ZrO

2-MgO

(0.8

5,0.

32)

Alu

min

a (0.6

7,0.

17)

Mul

lite (0

.80,

1.25

)

NiC

rAl (0

.92,

1.30

)

FeC

rAlY

(0.9

5,1.

27)

Rad

iativ

e em

itted

pow

er, k

W/m

2

Material constituting the burner


materials from CES additional materials

0

5

10

15

20

25

30

35

ZrO

2-M

gO(0

.85,

0.32

)

SiC

(0.8

5,2.

72)

Cor

derit

e (0.8

2,0.

50)

Mul

lite (0

.77,

2.63

)

ZrO

2-A

l 2O3-

SiO

2(0.

81,0

.32)

ZrO

2-M

gO(0

.87,

1.61

)

Alu

min

a (0.6

7,0.

17)

Mul

lite (0

.80,

1.25

)

NiC

rAl (0

.92,

1.30

)

FeC

rAlY

(0.9

5,1.

27)

Rad

iativ

e em

itted

pow

er, k

W/m

2

Material constituting the burner


materials from CES additional materials

Best energy efficienty Mullite

Best energy efficienty FECrAlY

Cell size 1.2mm, porosity 90%

Designing a Rocket thermal insulator

z

R

L/2

For large cryogenic reservoirs disconnected glued panels as the TPS

Half part of large cryogenic reservoir

Insulating panel

Introduction

e.g. Cryogenic Main Stage (EPC) of Ariane 5

Height

L = 23 m

Diameter

2R = 5.4 m

• and a cooling of T -270 K, leading to thermal stresses

After the fuelling, the structure is subjected to:

P

P

T

The insulation should be also dimensioned to withstand the combined pressure and thermal loads !!!

• the fuel pressure, P 3 Bars

Introduction

Half part of large cryogenic reservoir

Polymer foams are attractive engineering materials for light weight structural insulation application.

Thermal insulation of rocket cryogenic tanks is an example where the foam panels are glued on the metallic shells.

The requirements imposed on the insulation system are:

light-weight; strength to withstand thermal stresses and structure loads; resistant to aero-thermal ablation; thermally resistant to minimize fuel boil-off.

Objective

Predict the LH2 boil-off during ground and ascent phases and the insulation degradation resulting from the polymer foam ablation by the aero-thermal flux in flight. Identify insulation features enabling us to better meet the design requirements.

Hypothesis • The fluid/wall heat exchanges modeled through

convection coefficients. • Foam ablation takes place above degradation

temperature due to shear force of air flow. • Ablation processes modeled as phase change

phenomenon with propagation front tracking.

Temperature profile within walls. Insulation of uniform density

• During the ground phase (left figure), only the regions close to the internal boundary (x = 0) are warmed.

• In flight (right figure), the regions with quasi-constant temperatures above 500 K at time t mimics the ablated part of the insulation.

• The evolution of degradation front with time is given by the instantaneous positions of inflection points at 523 K.

Insulation ablation velocity, fuel temperature, boil-off

• The degradation starts some time after flight (t > 5 min) . It stops when the insulation becomes inefficient causing a total penetration of external flux.

• The lower the density, the faster the degradation is.

• The fuel temperature increases with time especially just after launch during which the incoming heat is removed slowly be the natural fuel flow.

• Then, nucleate fuel boiling removes heat rapidly and as result the maximum temperature increases moderately but in disfavor of the fuel boil-off.

Evolution of boil-off ratio for different insulation density profiles

Boil-off ratio, RBO:

Density profiles of average density 0.03

)( 0int satxvap TThSLmM

tdmR

t

BO0 with

• The lower the density, the higher the boil-off ratio there is a minimum density below which the boil-off exceeds the allowed valued of 0.5 % of initial mass M.

• Insulation having graded density is more efficient than insulation of uniform density.

• Among the three graded density profiles, piecewise law provides the lowest boil-off ratio over the flight duration.

Conclusions

Toward a mixed approach: “architectured materials”

Scale

nm

μm

mm

m

Microstructure

Superstructure

cm

• Microstructure design is just one possible route to « taylored materials »

• Millimetric shapes « architectures » are a powerfull design variable for multifunctionnal requirements

• The immense variety of possibilities opened by the combination « architecture + microstructure » requires the development of models as guides for designing new materials

• Architectured Materials expand the spectrum of possibilities , allow solving intrinsic contradictions, permit a « materials by design » approach

• Modelling plays a key role in this approach to materials design

• It bridges the gap between design and materials science

• Process engineering challenges are open…

Take home messages

What is CEMAM ?

11Teams from 4 Labs in Grenoble: 70 EC (University) + 55 C ( CNRS)

Project Program on 5/10 years

20PhD 19Post Docs

3 "core competences"

6 "Interdisciplinary research projects"

• Interdisciplinary:

– connecting teams from different labs, experts from different materials, modelling and experiments

• Associated with a precise "engineering challenge" – 6 cases where multifunctionality and severe requirements are an issue

for "standard materials"

• Requiring fundamental science developments – For each project, some fundamental locks have to be addressed and

require long term research

• Evolutive set of projects to be discussed with the « external advisory committee » involving industrial partners – Reactivity of the Labex to societal and industrial demand

Some field of application in which "materials by design" is necessary

Matériaux aéronautiques - Académie Air et Espace, 3AF, Académie des technologies - Paris 30/11/2012 - 1

Nouveaux alliages et solutions aluminium pour structures aéronautiques : évolutions et enjeuxBruno Dubost, Jean-Christophe Ehrström, Tim Warner

Constellium, Centre de Recherches de Voreppe

Matériaux aéronautiques d’aujourd’hui et de demain30 Novembre 2012, Paris

Académie de l’Air et de l’Espace - 3AF - Académie des technologies


Des exigences élargies pour les matériauxdans le contexte d’avions désormais hybrides

Produits

Opérations

Durabilité

Performance– Poids & coût

Maintenance– Corrosion – Fatigue & tolérance au

dommage– Réparation

Risques limités– Fiabilité– Prédictabilité

FabricationIntégration de la

chaîne de sous-traitanceMontée en cadence“Right first time”Emission de CO2Bruit Consommation- Eau, énergie

Recyclage complet- Déchets, avions

Empreinte carbone

Défis

Prix du pétrole

Environnement

Nouveaux modèles

industrielsSpécifications

avion

Croissance économique & évolution du marché

Composites & titane/Al

Allégement

Facilité de fabrication

Durabilité

Exigences

Augmentation des intervalles de maintenance

Réduction des coûts et des cycles de fabrication des aérostructures

Recyclabilité


Co-optimiser matériaux métalliques avancés base Al, solutions de conception et technologies de fabrication des aérostructures :démarche holistique d’innovation et de co-développements

Aérostructuresoptimales

Conception (“Design”)

Matériau

Technologie de fabrication

(“Manufacturing”)

Soudabilité

Facilité d’usinage

Formabilité

Recyclabilitétotale/cycle de vie

Alliage/état

Forme de produit(laminé, profilé, forgé)

Reduction du ratio “buy to fly”

Multi-fonctionnalité(impact, conductivitéélectrique, surfaces fonctionnelles, architecturation)

Structure intégrale ou àassemblages mécaniques

Pas (“pitch”) inter-raidisseurset -cadres

Sous-raidisseurs

Nouvellessolutions potentiellespour réduire la masse

Multi-fonctionnalité

Aérostructureshaute

performance


Métallurgie des alliages et produits


Alliages d’aluminium pour structures aéronautiques : évolution

R&D années ‘80 : objectifs alliages Al-Li-Cu-(Mg) à densité réduite de 7-10%Références : 2024 (tolérance au dommage), 7050 (haute résistance méca.)

Haute teneur en Li (1.8 à 2.7 p%) + Cu, Mg + Zr (dispersoïdes) : 2090, 2091, 8090

Verrous techniques : durcissement par forte fv de phase ’-Al3Li cohérente > fragilité, ténacité, instabilité thermique (vieillissement long à T modérée)

Verrous technologiques (élaboration) et économiques (sauf applications spatiales d’alliages soudables dédiés à haut Cu : Weldalite Martin Marietta, Reynolds /McCook )

R&D années ‘90 au début années 2000 : nouveaux alliages Al-Zn-Mg-Cu-Zr, Al-Cu-Mg et Al-Cu-Li à haute résistance

Alliages 7XXX, 6056, 2024A, 2027 : gain d’allègement ~10% sur A380 par rapport àgénération A320

Alliages haut Cu bas Li pour spatial enregistrés AA par Martin Marietta (>Lockheed Martin/Reynolds), McCook (>Pechiney) : 2195 (Shuttle), 2196, 2297, 2098

R&D années 2000 : définition d’alliages Al-Cu-Li-Ag-Mg tolérants au dommage pour avions civils

Technologie AIRWARETM annoncée en 2010 (Constellium), dont 2050, 2198

Années 2010’ : R&D procédé, industrialisation, qualifications avionneurs en coursConstellium : fonderie pilote production /R&D (Voreppe, 2011) et fonderie industrielle dédiées AIRWARETM (Issoire, 2012)

Conclusion


Les nouveaux alliages proposés sont différents de ceuxdes années ’80 : Li, Cu, Ag

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5Cu concentration (wt%)

Li c

once

ntra

tion

(wt%

)

solubility limit at 500°C

Cible = bassedensité, mais pbcoulée, stabilitéthermique

2x95 (shuttle)

Très hauterésistance

2099

“Optimisation” des alliages des années‘80

2198 2050

Cible= propriétés(résistance mécanique, tolérance au dommage, stabilité) et densité

Les propriétés sont privilégiées par rapport à la densité

Al-Cu-Li-Mg-Ag

Alliages Al-Cu-Li-(Mg) des années ‘80

20902091

= offre ConstelliumEhrström et al, 2010

Solution solide Li , Cu (+Mg) dans Al

Domaine multi-phasé Al+ intermét.


Conception d’alliages Al-Cu-Li

Mécanismes métallurgiques et évolution des propriétés des produits

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Cu concentration (wt%)

Li c

once

ntra

tion

(wt%

)

solubility at 500°C

decreasing densityincreasing modulus

increasing strength potentialincreasing thermal stability

multi-phase region

increasing strength potentialdecreasing toughness

decreasing strength potentialincreasing toughness

All Cu and Li in solution

Warner et al, 2006


0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2 2.5 3 3.5 4 4.5

%Cu (wt)

%Li

(wt)

solubility limit at 510°C

T1

T1 + δ’ + ’

T1+ ’

Alliages haute performance : Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr

Plaquettes de T1(Al2CuLi) : fort durcissement

Précipités sphériquesδδδδ’ (Al3Li) :

faible durcissement

Durcissement structural par précipitation de phase T1 (+ co-précipitation ’-Al2Cu)Précipitation hétérogène (dislocations) > Importance de l’écrouissage après trempe


AIRWARETM : durcissement par (co)-précipitation

Conception métallurgique

Conception métallurgique

’ (Al2Cu) plaquettes structure quadratiques sur plans {100}Al

Dubost & Sainfort, 1991

T1 (Al2CuLi) plaquettes structure hexagonale sur plans {111}Al

Van-Smaalen et al, 1990

Cassada et al, 1991

’ (Al3Li) précipités sphériques phase ordonnés (surstructure)

50 nm

Decreus

AIRWARETM :Microstructures complexes avec précipitésnanométriquesde différentstypes (phase T1 majoritaire)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1000 2000 3000Exposure duration (h)

TYS

[ksi

]

20

30

40

50

60

70

200°F/RT

250°F/RT

300°F/RT

KIc(L-T)

TYS(L)

AIRWARETM : excellente stabilité thermique

AIRWARETM 2050, tôle 40 mm

Performance Résistance mécanique– ténacité d’AIRWARETM 2050 and 2198

AIRWARETM 2198, tôle 3.2 mm

Propriétés mécaniques stables après 3000 heures de maintien en T

R-curve, T-L, W760(30")

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80ΔΔΔΔaeff (mm)

Kr (

MPa

.m^1

/2)

lot 25241, T8

lot 25241, T8+1000h@85°C

lot 25241, T8+2000h@85°C

lot 25241, T8+3000h@85°C

T8T8+1000h@85°C (185°F) T8+2000h@85°C (185°F)T8+3000h@85°C (185°C)

T8T8+1000h@85°C (185°F)T8+1000h@85°C (185°F)T8+1000h@85°C (185°F)


AIRWARETM 2198-T8: résistance mécanique et tolérance au dommage élevées pour fuselage Ténacité améliorée des tôles minces pour panneaux de revêtement de fuselage, Fissuration en fatigue plus lente

6156 T6 clad2098 T8

2198 T8

PA257std T8

7475 T76 clad

2024HDT T3 clad

2024 T3 clad

60

80

100

120

140

160

180

200

250 300 350 400 450 500 550

TYS(LT) in MPa

Kap

p(T-

L) in

MPa

√√ √√m 2xxxVLD T8

Very low density

Fusion weldable High strength

Nombre de cycles de pressurisation

Demi-longueur de fissure (in)

1E-5

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+01 10 100

DK MPaVmda

/dN

mm

/cyc

le

2198-T82024-T32056-T3

CCT400, T-L

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150

D aeff (m m )

Kr M

PaVm

2056-T32024-T32198-T8

C C T 760 T-L


Tôles fortes AIRWARETM 2050-T84 : haute résistance mécanique (statique et fatigue) et tolérance au dommage

Longerons et nervures,

revêtementsd’extrados

Cadres et poutres àusinage intégral

Combine une résistance d’un alliage 7000 à haute résistance avec une tenue en fatigue d’un alliage 2000 à haute tolérance au dommage (+ densité et corrosion)

(7050 T7451)


Durée de vie en fatigue améliorée du 2050 vs 7050 : propagation plus lente, moins de sites d’amorçage

2050-T84: vitesse de fissuration en fatigue plus basse, également observée sur les facies de stries

2050-T84 : fraction volumique de gros composés intermétalliques (sites d’amorçage en fatigue) plus faible que dans le 7050

0.00001

0.0001

0.001

0.01

10 100ΔK Kujawski (MPa√m)

da/d

N (m

m/c

ycle

s)

7050-T74, surface crack, open hole sample2050-T8, surface crack, open hole sample7050-T74, striation measurement2050-T8, striation measurement7050-T74, Paris law2050-T8, Paris law

C(2050) 2.39E-09m(2050) 3.6C(7050) 3.47E-08m(7050) 3

Paris law

( )mKCdNda Δ=

20507050

Daniélou, Ehström

OH Fatigue - 2050 vs 7050 - Kt2,3, T-L, R0,1, t/2 - Th=75-125mm

50

100

150

200

250

300

350

400

1000 10000 100000 1000000 10000000

Nb of cyclesM

ax N

ett S

tres

s (M

Pa)

705020500

20

40

60

80

22.

5 33.

5 44.

5 55.

5 66.

5 77.

5 88.

5 99.

5 10m

ore

Equivalent diamater (μm)

num

ber o

f par

ticle

s /m

m²

7050-T742050-T8


Résistance àla Corrosion

Revenu

T351 - INTERgranulaire

Coupe du 2050 T351– 50 mm après test ASTM G110

Mi-épaisseur

CSC (direction TC) = Rupture à 350 MPa

Exfoliation EB

Revenu

Résistance mécanique

Aspect viuel du 2050 T351 après test MASTMAASIS (ASTM G85 A2)

Mi-épaisseur

T8

Coupe du 2050 T84– 50 mm Après test ASTM G110

Mi-épaisseur

T84 - INTRAgranulaire

CSC (ST direction) = No Rupture at 350 MPa

Piqûration P

Visual aspect of 2050 T84 afterMASTMAASIS test (ASTM G85 A2)

Mid thickness tested

AIRWARETM 2050 : excellente résistance à corrosion intergranulaireet feuilletante avec le revenu au pic de durcissement (état T84)

Hénon et al, 2012


Haute résistance à la corrosion du 2050-T8 : homogénéisation de la concentration en Cu de la solution solide par revenu à l’état T8

T351 - INTERgranulaireT851 - TRANSgranulaire

Al- 3.5%CuAl- 0.2%Cu

Phases riches en Cu

Al- 3.5%CuAl- 0.2%Cu

Phases riches en Cu

Corrosion localisée de la zone appauvrie en Cu au joint de grain

Corrosion généralisée de la matrice appauvrie en

Cu

Evolution du Potentiel en circuit ouvert avec la cinétique de revenu

-0.76

-0.72

-0.68

-0.64

-0.60

-0.56

Ageing

Eocp

(V) /

SC

EAlloy 2050

EOCP avec revenu, ∼Epit Al

T8

T3

Hénon et al, ICAA 2012


AIRWARETM : excellente résistance à la corrosion

AA6082AA2011

AA2618AA2001

AIRWARE 2050

AA2139

AA2214

AA2519

AA2219

AA2124

AA2024

AA8090

AA2099

AA2090

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

200 250 300 350 400 450 500 550 600Limite d’élasticité (MPa) L or LT

Stre

ss (M

Pa) l

oade

din

ST

adm

issi

ble

perm

ittin

gno

SC

C ro

ptur

eac

c. T

o AS

TM G

44

75%

50%

25%Warner, Aeromat 2012

Excellent comportementen corrosion du 2198-T851 non plaqué(application pour fuselage)

Essai en atmosphère marine

Corrosion sous contraintePerformance du 2050-T8supérieure au compromisrésistance mécanique / CSC des autres 2xxx-T8

Essai en laboratoire

200 μm

2024 T3 nu (ép. 2 mm) 60 mois à Salins de Giraud, face terre

2198 T851 (ép. 5mm) 18 mois à Brest, face terre


Technologie de coulée industrielle dédiée AIRWARETM :qualité de produit équivalente ou supérieure à celle des alliagesd’aluminium de référence sans Li, même en forte épaisseur.

Technologies spécifiques de fusion et coulée/solidification du fait de l’oxydabilité et l’affinité pour l’hydrogène des alliages au Li à l’état liquide.

42.5 M€ d’investissement à Issoire (fonderie industrielle démarrée en 2012) et Voreppe (fonderie pilote pour production à échelle 1 et R&D, démarrée en 2011) pour répondre aux exigences en capacité.

Bonne qualité de fonderie : durée de vie en fatigue sur éprouvette lisse du 2050-T851 en très forte épaisseur (jusqu’à 165mm) excède les exigences des normes industrielles pour alliages sans Li (ex. AMS 4050 : 7050-T7451)

Qualifications par avionneurs acquises ou en cours selon produits

Poursuite en cours de la R&D sur procédé : Constellium (Voreppe), ProjetANR PRINCIPIA (Constellium, St Gobain , CNRS/IJL Nancy et ICMPE Thiais).

AMS 4050 runout


Durabilité : des produits recyclables “à l’infini” …Procédés améliorés et brevetés pour recycler AIRWARETM

Récupération des chutes et copeaux chez les avionneurs

Refusion de déchets 5% de l’énergie pour faire du métal neuf

Pré-usinage dans les usines comme Issoire :


Optimiser la boucle de recyclage impose de maximiser la valeur des copeaux d’usinage

La qualité du lingot (Sow) quality dépend des paramètres d’usinage, de la capabilité de trier les copeaux, conditions de , transport, atmosphère du four de refusion

Projet FUI OFELIAFilière éco-efficiente fonderie Al-Li

(Constellium, Aubert&Duval, Rexiaa-Lusina, Mines St Etienne, IFMA, CEMEF) - Label Pôle de

compétitivité ViaMéca


AIRWARETM : même type de gammes pour avionneur (mise en œuvre aval)

Mêmes infrastructures qu’actuellementUsinage (meilleure usinabilité que les 7000)

Formage

Rivetage, collage

Traitements de surface

Soudabilité :par fusion Laser (LBW):

auparavant, seuls les alliages 6000 étaient soudables

par friction malaxage (FSW) :

paramètres, usures d’outils, tolérances meilleures que pour les alliages 2000 et 7000; optimisation possible des propriétés d’emploi

(alliages voisins ou différents 2XXX/7XXX)


Technologie AIRWARE™de Constellium : famille compétitive d’alliages Al-Cu-Li à faible densité

Alliages faible densité*

AIRWARETM 2050

AIRWARETM 2098

AIRWARETM 2195

AIRWARETM 2196

AIRWARETM 2198

AIRWARETM 2297

Formes de produits:

Tole épaisse et moyenne

Tôle mince

Profilé

Plaque/billette de forge et au matriçage

TM

Des alliages et produits complémentaires pour l’ensemble de l’aérostructure


AIRWARE™a déjà été adopté par des avionneurs leadersavec applications en tôles épaisses, tôles minces et profilés

Exemples d’applications actuelles en aviation civile, militaire et industrie spatiale

2050 2196

2198

2098

A380A350 XWB

A380A350 XWB

CSeries

A380A350 XWB

CSeries

B787

F16Falcon


Production industrielle d’ AIRWARETM 2050Exemples d’ applications pour Airbus A350XWB

Main landing gear bay

Wing ribs Courtesy of AirbusEberl et al, Aeromat 2011


Production industrielle d’ AIRWARETM 2198

Haute résistance mécanique et haute tolérance au dommage

Applications pour Bombardier CSeries : fuselage

AIRWARETM

Composites

Titanium

Standard Materials

Steel

Courtesy of Bombardier


Perspectives métallurgiques : alliages à base aluminium pour les solutions à hautes performances du futur

Alliages Al-Li-Cu-X :Mécanismes de durcissement par précipitation (germination)

Relation entre structure granulaire et comportement mécanique des produits corroyés (texture/anisotropie des propriétés)

Mécanismes de corrosion structurale (notamment après soudage FSW)

Alliages Al-Li-Mg-X : Faible densité

Utilisation potentielle en parties minces (« mini. techno.» )

Nouveaux alliages avancés sans Li


Les alliages Al-Cu-Li montrent un potentield’amélioration du compromis ténacité - résistance

Résistance mécanique

AIRWARETM :

2050, 2198 : solutions actuelles (2012)2050, 2195 : offre produit

(Gain de densité = 4 à 5%)

A320

Intradosde voilure,fuselage

Extrados de voilure

A380

A3502050, 2198

cible

cible

7XXX, 2195

2024A, 2050

7150

2024

7010

7040

Tolérance au dommage(ténacité, propagation en fatigue)


Design


Conception : exemple d’un extrados de voilureRaidissement par profilés “Omega” de section optimisée, faisables seulementen Al-Cu-Li au niveau de résistance requis (filabilité en parois minces)

Omegas = -15% en poids par rapport à JCollage = + 15 % charge d’effondrement

16%15101303Omegas 2195

section réduitede 15%

14%14391266Classique: J

2195 T8

Δ (%)Δ (%)Δ (%)Δ (%)ColléRivetéCharge d’effondrement(kN)

Omega : Ehrström 2008

Raidisseurs profilésJ (réf.) :


Potentiel des sous-raidisseurs : retarder la fissuration en fatigue

Intérêt démontré des créneaux et autres sous-raidisseurs pour réduire globalement la vitesse de fissuration en fatigue

Amélioration~90% durée de vie !

~150% améliorationdurée de vie !

GKSS – ALCAN WIAS ProgramFCP Performances of flat and crenellated stiffened (welded) panels,RT, a0/W = 0.1Al 2139-T8, M(T) 740, Beq = 2.9 mmSpectrum FCP (Modified Mini-Twist)


Potentiel des sous-raidisseurs : améliorercomportement en compression et réponse aéroélastique

Doublement ou plus de la charge de flambement de peauJusqu’à 18% d’accroissement de la charge d’effondrement

Quinn, et al (Belfast U)

2024 T351 e=50mm


Technologies de fabrication


Co-optimisation du matériau (propriétés/formabilité) et duprocessus de fabrication : formage “lean”

AIRWARETM I-FORM (2198) facilite la mise en forme complexe 3D de tôlespour panneaux de fuselage

T3S-temper process schedule

artificial ageing

stretchforming

2198-T3S

O-temper process schedule

natural ageing

calibration stretch

SHT/quench

stretchforming

2024-O

Référence actuelle

AIRWARETM I-FORM (2198)

Pas besoin de traitementthermique de mise en solutionPas besoin de fourPas de stock intermediaire

AIRWARETM

I-FORM

Warner, Aeromat 2012

Nouveau procédé “lean”“Stretchforming” : formage par étirage

Application: panneau de fuselage Bombardier CSeriesFormage par étirage des tôles

Assemblage de tölesminces, cadres filés et sections de fuselage


Soudage par Friction Malaxage (Friction Stir Welding) :réduction des coûts et ingénierie locale des matériauxOptimisation de l’utilisation du matériau :

Produits plus près des cotes finales

Optimisation locale des matériaux : soudageFSW d’alliages différents (ex: 7XXX/2050)

Réduction des coûts et durées d’assemblageExemples

Nervures

Revêtements

de voilure

Technologie en cours d’industrialisation en aéronautique, 20 ans après invention (TWI), et applications navales, ferroviaires et spatiales

20 mm14 mm

6 mm

16 mm

Tôle 17m ( Institut de Soudure)


Soudage par Friction Linéaire (Linear Friction Welding) : technologie rapide et efficace pour soudures courtes

Pas de préparation speciale (idem FSW)

Durée de soudage : quelques secondes

Pas de surlongueurs

Potentiel démontré sur 2050 : efficacité de joint 70%, ZAT <5 mm

Warner, Aeromat 2012


Synthése : allégement


Allègement : gain de masse jusqu’à 25% par remplacementd’alliage actuel sans Li par AIRWARETM et optimisation de géométrie

Exemple : revêtement d’extrados de voilure intégral,

optimisation incluantchangement d’alliage etoptimisation géométrique

selon le type de chargement

Gain de masse 5 à 17 % par optimisation géométriqueseule

Gain de masse 16 à 24% pour AIRWARE 2050

-17

-24

-5

-16

-25

-20

-15

-10

-5

0

7050

-T745

1 (ref)

7050

-T745

1 (ref)

7050

-T745

1 T-100

2050

-T84 T-1

00

Wei

ght r

educ

tion

(%)

Faible flux de charge1.75 kN/mm

Fort flux de charge4.4 kN/mm

Bron 2011

Gains de masse : évaluations typiques internes et en partenariat avec avionneurs3-6% par effet de densité seul (sans réduire les épaisseurs)

5-10% par optimisation des épaisseurs grâce aux propriétés

15-25% avec re-design des pièces

Multi-functionnalité dans les aérostructures métalliques

Aeromat 2010, Seattle


Des fonctions additionnelles potentielles pour les voilures des avions de ligne…

Structural health monitoring,

Multi-couches (EML)

Adaptation de la combinaison résistance-tolérance au dommage

Adaptation de la réponseaéroelastique


… et le fuselage

Structural health monitoring

Texturationet

traitementsde surface

75μm75μm

75μm150μm

75μm75μm

75μm150μm


Propriétés locales : matériaux hétérogènes ou à gradient Des solutions d’ingénierie des propriétés /matériauxperformantes en coût et allègement

Soudage FSW d’alliages ou matériaux différents

Usinage intégral pour action sur la réponse élastique

Corroyage différentiel

Traitement de revenu différentiel de panneaux de voilures : intérieurà haute ténacité, extérieur à haute résistance

Area 1:Fatigue and Damage Tolerance Driven

Rib 20

Rib 25

Rib 33

Area 4

Area 3

Area 2

Root Joint

Areas 2,3 and 4:Static Strength Driven

Area 1:Fatigue and Damage Tolerance Driven

Rib 20

Rib 25

Rib 33

Area 4

Area 3

Area 2

Root Joint

Areas 2,3 and 4:Static Strength Driven

Graded panel - 7056 alloy - Strength evolution along panel length

480

500

520

540

560

580

600

620

640

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Panel Length (mm)

Tens

ile Y

ield

Str

engt

h (M

Pa)

30

35

40

45

50

Frac

ture

Tou

ghne

ss

(MPa

Vm)

Strength

Toughness

Area 1 Area 2 Area 3 Area 4


Agir sur la réponse aéroélastique de voilures métalliques(rigidité torsion/flexion) pour des gains de masse potentiels

Par orientation des nervures :

Vitesse de “flutter” accrue de 3%

à masse constante

Example de caisson de voilure réaliste

Par orientation des créneaux sur les panneaux de revêtement de voilure

Harmin et al. 2011. Liverpool U.

Orientation standard


Multicouches métalliques à base Al (EML) : une solution potentielle à haute performance pour intrados de voilure

Excellent comportement publié des matériaux hybrides en fissuration en fatigue

Jusqu’à 3 fois la durée de vie du métal de base

Des enjeux pour l’architecturation des matériaux multi-couches à base aluminium

Roebrooks et al, DTAS 2007


Potentiel des SHM intégré via fibres optiquesutilisant la bonne filabilité des alliages Al-Cu-Li

Des fibres optiques sont incluses dans des profilés (ex: 2196)Cofilage ou collage dans des cavitésAptitude à: à détecter la rupture mesurer la déformation

10

15

20

25

30

35

0 10000 20000 30000 40000

Number of cyles N

Cra

ck le

ngth

(mm

) Optical signal (0/1)

crack length aoptical signal

0

1

frames

opticalfiber

crackskin


ConclusionsAlliages Al-Cu-Li alloys (technologie AIRWARETM) produits aujourd’hui àéchelle et dans des conditions industrielles par Constellium

Application dans des programmes d’avions majeurs

Maîtrise industrielle

Compréhension des paramètres techniques

Gisement d’innovation pour les aérostructures métalliques à hautesperformances du futur

Des performances en rupture sont accessibles par co-optimisation de matériau), du design et des technologies de fabrication

La performance des alliages constitue seulement la moitié du potentieldes nouvelles aérostructures

Une nouvelle focalisation sur l’aptitude à la fabrication (“manufacturing”) est nécessaire pour accompagner les productions futures à hautes cadences.

Importance des programmes de R&D collaboratifs (avionneurs, laboratoirespublics) : matériaux et procédés, technologies


PerspectivesDes défis scientifiques et technologiques pour aller plus loin selon une approche holistique (métallurgie produits - procédés - technologies de mise en œuvre)

Métallurgie des alliages au lithium : mécanismes (durcissement, éléments mineurs, texture/ anisotropie, corrosion), alliages à très basse densité

Design (nouveaux concepts), assemblage (FSW, LFW, collage), formage

Solutions multi-fonctionnelles et architecturation des matériaux

Des efforts de R&D soutenus de ConstelliumA moyen terme, portefeuille d’alliages et technologies disponibles pour les avions dérivés des avions existants

A long terme, de nouvelles conceptions pour de nouvelles générations d’avions

De nouveaux moyens (plates - formes technologiques, démonstrateurs) en France et de nouvelles perspectives de projets de R&D et co-développements innovants avec les constructeurs :

Instituts de Recherche Technologique (IRT)

Programmes de R&D collaboratifs (France, international), Laboratoires

MERCI POURVOTRE

ATTENTION

1

TENACITE DES ACIERS A TRES HAUTE RESISTANCE QUELQUES APPORTS DE LA METALLURGIE MECANIQUE

A. Pineau

Centre des matériaux Mines ParisTech – UMR CNRS 7633

[email protected]

• I - INTRODUCTION : Importance pratique de la ténacité – Enjeux des Aciers THR - Logique de l’ exposé

• II - EVITER LE CLIVAGE – Mécanismes

• III - RUPTURE DUCTILE – Importance de l’ écrouissage

• IV - COMMENT AUGMENTER LE COEFFICIENT D’ECROUISSAGE

IV-I - Austénite résiduelle et de réversion

IV-2 – Aciers « Dual – Phase »

IV-3 – « Partitioning » des éléments d’alliage

• V - ADDITIONNER LES EFFETS DE DURCISSEMENT : Aciers « AusMarAging »

• VI - CONCLUSIONS et AUTRES ELEMENTS DE REFLEXION et DISCUSSION

AAE – 3AF – Matériaux Aéronautiques – 30 – 11 – 2012 A. Pineau

2

TENACITE DES ACIERS A TRES HAUTE RESISTANCE QUELQUES APPORTS DE LA METALLUGIE MECANIQUE

A. Pineau


[email protected]

• I - INTRODUCTION : Importance pratique de la ténacité – Enjeux des alliages THR - Logique de l’exposé


• III – RUPTURE DUCTILE – Importance de l’ écrouissage

• IV – COMMENT AUGMENTER LE COEFFICIENT D’ECROUISSAGE




• V – ADDITIONNER LES EFFETS DE DURCISSEMENT : Aciers AusMarAging

• VI – CONCLUSIONS et AUTRES ELEMENTS DE REFLEXION et DISCUSSION


3


4

NARITA TOKYO Boeing 767- 300

20 Juin 2012


5

MD83 - Manchester, 27 April 1995


6

1.5 mm


7

INTRODUCTION P. Joly, A. Tronche, H. Schaff, 21st AAAF colloquium, November 22-23 2005


8

INTRODUCTION

Acier 0.2% YS (MPa)

UTS (MPa)

KIC (MPa m1/2)

4340 1482 1965 71 300M 1689 1965 71

HY 180 1276 1344 203 AF 1410 1551 1689 187

HP 9-4-20 1276 1344 192 HP 9-4-30 1413 1586 121 PH 13-8 1434 1551 81 15-5 PH 1089 1124 132

AerMet 100 1724 1965 126 Marval 18 1850 1910

MLX 17 > 1520 ou 1650

> 105 ou 77

MLX 19 >1850 > 50

Sources

- Z. Guo, Berkeley , 2001

- H. Schaff , 2011 Propriétés mécaniques à 20 °C de quelques aciers à très haute résistance

OBJECTIF :

Aciers inoxydables

~ 2000 MPa et

> 50-150 MPa m1/2


9

C Cr Ni Co Mo Al Ti

AerMet 100 0.23 3.10 11 13.5 1.20

MLX 17 11.8 10.5 2.0 1.5 0.30

12 Cr – Caractère inoxydable des aciers

Addition Ni favorable

Durcissement par précipitation en phase martensitique

- Carbures ( Mo)

- Intermétalliques ( Al, Ti, Mo, etc…)


10

INTRODUCTION

Logique de la présentation

1. Se prémunir contre la rupture fragile par clivage. Comment ?

2. Rupture Ductile. Eléments théoriques en faveur de l’augmentation du coefficient d’écrouissage (n).

3. Comment augmenter n ?

4. Faire des structures métallurgiques biphasées – Comment ?

- Nouveaux Traitements Thermiques des années « 2000- 2020 »

- Austénite résiduelle ou de réversion bien pensée

- Traitements « Dual Phase »

- Partitioning

5. AusMarAging – ( Beaucoup plus prospectif )

6. Conclusions


11


A. Pineau


[email protected]











12

Temperature

σC GG

σC PG

EVITER LE CLIVAGE et DIMINUER LA DBT TEMPERATURE

Une idée simple voire simpliste

σY PG σY GG

ΔT Transition

σY ~ d-1/2

σC ~ d-1/4

Effet de la composition

Cleavage stress as function of Ni and Si in iron

( Gerberich, 1981) ; Ni Floreen et al. 1971

C, M

Pa


13

Autre Facteur Favorable aux Aciers au Nickel:

Plus faible sensibilité de Rp0.2 à la température


Variation de la limite d’élasticité des aciers au nickel avec la température Variation de la résilience des aciers au

nickel avec la température

Floreen, Hayden, Devine, Met. Trans. , 2, 1971, 1402-1406

Ni

Ni


14

5 μm

5 μm

1/

10

4 40 ,

0

1 exp ;

1 exK 0.95

2.764K 0.05

p

mmmw

R wu PZ

mIC m n

RR

Rmu

dVPV

K B CP

PVP

1/ md

mm

1 exp1 exp w; w;w ;;u

wwu

;PZ 0PZ

4 KK B4 Cm 4 C4

1 expK B ,n0 , RK Rm n0 ,n0 C0ICICK BIC 0 950.95

2.764V u KV Km

um

0V0 0.050 05K R

dVdV1m dVdV1 V1 V1 V0V0

Beremin Met. Trans. 1983

Andrieu et al. EFM 2012

No criterion for crack initiation.

Modifications, See e.g. B. Margolin


15

Ener

gie

Volu

miq

ue /

Ener

gie

Surfa

ciqu

e

Triaxialité

Fissure

0 500MPa0 500MP

0 750MPa0 750MP

0 1000MPa0 1000MP

h / 2c = 1

h / 2c = 3

h / 2c = 6

22

1

2

,eq eqeq eq,

h 3 2R

2R

c=a

33

1111

Carbures ou Intermétalliques ?

16

Arrêt des fissures aux jdg A. Lambert- Perlade, 2001


17


FRANCHISSEMENT DIFFICILE DES JOINTS DES GRAINS

AYANT UNE FORTE COMPOSANTE DE TWIST


18

Grain Boundary

RIDGES & CLEAVAGE FACETS

Intergranular

Rivers

ACIER 18 MND5

Tongues


19

Tilt=13 Twist=7

Tilt=12 Twist=25

Tilt=17 Twist=10

18 MND5 –Stéréoscopie Quantitative A. Andrieu


20


A. Pineau


[email protected]











21

RUPTURE DUCTILE et ECROUISSAGE

2 Classes de Mécanismes de Rupture :

- Endommagement par Cavitation

- Localisation Plastique sur Structure

Zone de striction en déformation plane – Influence du coefficient d’écrouissage, n

Striction diffuse et bande de localisation

α =h / l

σ = K εnε•m εh = n /(1-m)

CLF


22


- Localisation Plastique sur Fissures

-Transition Rupture Plate / Biseau

-Tôles Minces

-Ex : Alliages Al

Rupture plate favorisée par les fortes valeurs du coefficient

d’écrouissage:augmentation de la ténacité ( J –Rcurve)


23


Ideal modes of crack initiation mechanisms - Two extreme situations: multiple void interaction and single void / crack process

δ ≈ 0.5 K2 / E σ0

Calculated Crack resistance curves for a) different initial porosities ; b) different strain hardening coefficient,n. Xia and Shih JMPS 43,1995, 233-259

f0

n


24


A. Pineau


[email protected]











25

COMMENT AUGMENTER LE COEFFICIENT D’ ECROUISSAGE DANS LES ACIERS

n

- Dans Aciers Ferriques beaucoup plus difficile que dans Aciers Austénitiques

- Compétition écrouissage et restauration

- Restauration dynamique dans CC facile . Forte EFE. Glissement dévié facile

- Augmenter les forces de réseau par solution solide. Peu d’espoir . Quid du Co ?

- Précipitation – Cisaillement des particules >> contournement

- Implique des phases cohérentes et ordonnées.

- Phases intermétalliques, en particulier NiAl >> Carbures

- Sans doute meilleure solution : introduire un peu de phase austénitique ou de « désordre » dans la microstructure de la martensite

0.20 0.40 0.30 100

150

200

JIC

(KJ/m2)

Malakondaiah, Srinivas et al. Bull. Mater. Sci., 17, 1994, 73-86

Fer Armco

Fe-0.5Co

Fe-5.0Co


26

COMMENT AUGMENTER LE COEFFICIENT D’ ECROUISSAGE DANS LES ACIERS

• Austénite résiduelle ou de réversion

• Effet « Dual- Phase »

• « Partitioning » des éléments d’alliage


27

AUSTENITE RESIDUELLE ou de REVERSION

- Raabe et al. Advanced Eng. Materials , vol.11, 2009, pp. 547-549 (Maraging et TRIP)

- Song, X.Li, Rong,Y. Li MSE A528, 2011, pp. 4075-4079 13Cr-4Ni-O.5Mo

- Schnitzer et al; Materials Chemistry and Physics 122, 2010, pp. 138-145

- F. Roch Traitement Thermique , N° 390, 2008, pp. 51-58 MLX 19

Idée ancienne. Voir par ex Brevet US Steel 1977, R. Grange & R. Miller

Aciers au Mn ( 3.0 to 5.0%)


28


Y. Song, X. Li, L. Rong, Y. Li, MSE A528, 2011, 4075-4079 Acier 0.05C -13 Cr - 4 Ni - 0.45 Mo

680°C

TEM

590°C - 30 mn

TEM

α

γrev Carbides γrev

APT


29


Y. Song, X. Li, L. Rong, Y. Li, MSE A528, 2011, 4075-4079 Acier 0.05C – 13 Cr - 4 Ni - 0.45 Mo

Effet à manipuler avec soin dans les aciers au Carbone ( Pb des zones MA)


30

AUSTENITE RESIDUELLE ou de REVERSION Raabe D. et al., Adv. Eng. Materials, 11, 2009, 547-555 TRIP – Maraging – 9 à 12Mn – 2 Ni – 1 Mo

Durcissement par vieillissement 450 °C dans 9 et 12 Mn accompagné par augmentation de la ductilité


31

AUSTENITE RESIDUELLE ou de REVERSION Raabe D. et al., Adv. Eng. Materials, 11, 2009, 547-555 TRIP – Maraging – 9 à 12Mn – 2 Ni – 1 Mo


32


MLX 17 (AD) – 540 °C F. Roch, Trait. Thermique, 390, 2008, 51-58

X 100 000

X 40 000

540 C Feuillets d’austénite

inter-lattes indiqués sur la figure par des flèches rouges


33

ACIERS HAUTE RESISTANCE (HR) – EFFET DUAL- PHASE (DP)

Principe Traitements Thermiques

Tem

pera

ture

Alloying elements

1

2

3

1 : Revenu normal

2 : Revenu intercritique

3: Austénitisation

Aciers THR au Carbone

- Recuit Intercritique + Trempe

Aciers THR Alliés

- Possibilité de réausténitiser après recuit intercritique + Trempe + Revenu


34



35


-Sha, Li, Wilson , MST, Vol.27, 2011, pp.983-989

- Sha, Ye, Malinov, Wilson , MSE A536, 2012, pp.129-135

- Guo Z. et al. TMS Warrendale, PA, 2000, P.51

- Sha, Guo Z. , Maraging steels, Woodhead Publishing, Cambridge, 2009

- Guo Z. Thesis Berkeley, 2001

- Sato K. Thesis Berkeley 2002


36


Guo et al. 2003 Acier PH 13 Cr -8 Ni- 2.15 Mo

Ac3 = 800°C

Ac1 = 511°C

927°C-30 min

510°C-4h

Q

927°C-30 min

760°C-2h 510°C-4h

LQ

927°C-30 min

760°C-2h 760°C-2h

LQ LQ

927°C-30 min

510°C- 4h


37

10 μm 10 μm

dγ = 28 μm

dγ = 25 μm

dγ = 15 μm


Guo et al. 2003 Acier PH 13 - 8 – 2.15 Mo

Q LQ LQLQ

1O μm


38


AerMet 100 ( Carpenter) : 0.23C-13.4Co- 11.1Ni- 3.1Cr- 1.2Mo Koji SATO, 2002

Traitement Standard Sans DF Preaged 510°C-15min

Preaged 510°C-30min

YS (MPa) UTS (MPa)

Ah (%) AR (%)

(%) KJC (MPa m1/2)

1860 2025 1.66 12.3 67.4 178

1590 2040 3.09 14.7 67 160

1867 1978 1.46 13.5 66.5 185

1810 1960 1.80 14 68 195

γR (%) après aging 480°C

1.3 1.8 1.9

UTS / YS 1.09 1.28 1.06 1.08

- 73 °C

482 °C – 5h 482 °C – 5h

885 °C – 1h

510°C - 15 ou 30 mn 677°C – 10h


39


MECANISMES (1)

Aciers 12 à 18 Ni et type AerMet 100 et (sans doute) MLX (AD)

Guo, 2001 – AerMet 100 – Recuit intercritique 677°C - 1h – Distribution Ni et Co

13.4 Co 11.1 Ni

Trempé+

Revenu

Recuit intercrique+ Trempe

+ Revenu

40


MECANISMES (2)

Guo 2001 – AerMet 100 – Recuit intercritique 677°C - 1h

Q dγ= 28 μm(13-8-Mo)

KCV= 5.5 J dfacettes= 20μm

LQ dγ= 25 μm(13-8-Mo)

KCV=10 J dfacettes= 6 μm

LQLQ dγ= 15 μm(13-8-Mo)

KCV 22= 12 J dfacettes= 3 μm


41

ACIERS HAUTE RESISTANCE (HR) – EFFET DUAL- PHASE (DP) MECANISMES (3)

- Gourgues A-F. et al. Mat. Sci. Technol. , 13, 2000, 26-40

- Lambert A. et al. Acta Mater. 52, 2004, 2337-2348

- Guo Z. et al. Acta Mater. 52, 2004, 5511- 5518

- Guo Z., Morris J.W. Scripta Mater. 23, 2005, 933-936

- Suikkanen P.P. et al., J. Mater. Sci. Technol., 27, 2011, 920-930


42

PARTITIONING

- M.J. Santofimia, L. Zhao, J. Sietsma . Scripta Mater. 59, 2009, pp. 159-162

- M.J. Santofimia, J.G. Speer. A.J. Clarke, L. Zhao, J.Sietsma. Acta Mater. 57, 2009,pp. 4548-57

- M.J. Santofimia, L. Zhao, R; Petrov, C. Kwakenaak, W.G; Sloof, J. Sietsma; Acta Mater., 59, 2011, pp. 6059

- M.J. Santofimia , L; Zhao , J; Sietsma. Metall. Trans. A, April 2011

- S.C. Hong et al. Metals and Materials international. 13, 2007, pp. 439-445

- O. Dmitrieva, D. Ponge, G. Inden, J. Millian, P. Choi, J; Sietsma, D. Raabe. Acta Mater. 2011, pp. 364-374

- Y. Takahama, M.J. Santofimia, M.G. Mecazzi, L. Zhao, J; Sietsma. Acta Mater. 60, 2012, pp. 2916-2926

- K. Zhang, M. Zhang, Z. Guo, N. Chen, Y. Rong. Mat;Sci; Eng. A552, 2012, pp. 288-294

- L. Yuan, D. Ponge, J. Wittig, P.Choi, J.A. Jimenez, D. Raabe; Acta Mater. 60, 2012, pp. 2790-2804


43

CARBON PARTITIONING

MS = 332 °C

EBSD – Quenching 275°C & Partitioning at 450°C for 10s

Retained austenite & C content after quenching to different temperatures and partitioning at 400°C for 100s

Santofimia et al (2011) 0.20C- 2.5 Mn – 1.47Ni- 1 Cr- 1.5 Si (1)


44

ALLOY PARTITIONING O. Dmitriava et al. Acta Mater.,(2011) 12 Mn – 1.9 Ni – 0.6 Mo – 1.2Ti (1)

c) a)

b)

Quench + Aging 450°C - 48h ; a) EBSD imaging ; b) SEM micrograph , d) APT reconstruction


45

ALLOY PARTITIONING O. Dmitriava et al. Acta Mater.,(2011) 12 Mn – 1.9 Ni – 0.6 Mo – 1.2Ti (2)

Enrichment in the layer : Mn X 2.1 ; Ni X 1.2

Experimental composition profiles agree with Dictra simulations provided that the mobilities of all alloying elements in martensite are increased , compared to ferrite, by a factor of about 50 !


46

COMBINER EFFET DP + AUSTENITE REVERSION + DURCISSEMENT STRUCTURAL

Koji Sato, 2002 Acier AerMet 100 : 0.23 C – 13.4 Co – 11.1 Ni - 3.1 Cr - 1.2 Mo

Traitement Standard Sans DF Preaged 510°C - 15’

Preaged 510°C - 30’

YS (MPa) 1860 1590 1867 1810

UTS (MPa) 2025 2040 1978 1960

All. Réparti (%)

1.66 3.09 1.46 1.8

All.Rupture(%)

12.3 14.7 13.5 14

Σ (%) 67.4 67 66.5 68

KJC

(MPa m1/2) 178 160 185 195

γR (%) 482 C

1.3 ND 1.8 1.9

Standard : Intercritical annealing 677°C – 16h + Solution treatment 885 °C + Quenching

+ Deep Freeze (DF) – 73°C or below / 1h + 510 °C 15’ or 30’ + 482 °C - 5h


Voir ci-dessus

47


A. Pineau


[email protected]








•

• V – ADDITIONNER LES EFFETS DE DURCISSEMENT : Aciers « AusMarAging »



48

AusMarAging

- Combiner vieillissement en phases γ et α

- Vieillissement en phase γ - soit avec trempe interrompue (si MS > 20 C) (Possibilité d’abaisser MS par confinement des « germes » de α)

- soit par addition de Ni pour que MS avant vieillissement < 20 C (~ 25 à 28% Ni) ( Nécessité d’un traitement cryogénique après précipitation en phase γ)

- Durcissement en phase γ : - par γ’ ( addition de Ti et / ou Al)

- par γ’’ ( addition de Nb et / ou Ta)

- Solubilité de Ti, Al, Nb, Ta plus faible en phase α que en phase γ , ce qui permet un durcissement structural de la martensite

- Possibilité d ‘un effet TRIP en contrôlant la teneur en austénite résiduelle

- Essais préliminaires au début des années 70 avec M. Laverroux sur Fe-Ni-Co-Ta


49

M. Laverroux , 1973 – Composition des alliages pour étude du AusMarAging

Etude sur petites coulées de l’ordre de 1Kg


50

Durcissement par précipitation de γ’’ en phase γ à 5 températures

Dureté mesurée en phase martensitique avant revenu en phase α’


51

AusMarAging – Variation de la dureté en fonction de la durée de revenu en phase α’ après HT et 2 vieillissements en phase γ (625 C -10h et 625 C - 30h)

400 °C 425 °C 450 °C


52

Alliages A, B et Z – AusMarAging - Evolution de la limite d’élasticité après vieillissement en phase γ puis revenu ( 400 C et 425 C) en phase α’

100hbar = 1000 MPa

Alliages B et Z

KCV = 10 Joules

Rm = 2200 MPa


53


A. Pineau


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54

CONCLUSIONS

• Objectifs quasiment atteints :

• Aciers « Composites » - Rôle phase molle très finement dispersée

• Diminution taille des facettes de clivage par développement de structures granulaires adéquates ( jdg Torsion ; sélection variants martensite RO KS et NW) Aménagement des traitements thermiques

• Stabilité thermique et sous déformation de l’austénite résiduelle et des microstructures?

• Corrosion sous contrainte - Pièges Hydrogène – Carbures (interfaces incohérentes) vs Phases intermétalliques ( interfaces plus cohérentes)

2000 ;75 150MPa MPa m501 0MPa150


55

Merci Pour Votre Attention

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Documents

Compte-rendu du Forum · Compte-rendu du Forum ... Centre de Recherches de Voreppe)..... 83 Tenacité des aciers a très haute resistance, quelques apports de la métallurgie mecanique