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CONFÉRENCE ASTECH - MOV'EO : LES NOUVEAUX CHALLENGES D E L'ALLÈGEMENTJEUDI 1ER DÉCEMBRE 2016 - ECAM EPMI, CERGY

- L’ALUMINIUM DANS LA PROPULSION ET LES ÉQUIPEMENTS AÉRONAUTIQUES -

Eric PHILIPPOT


Safran / Conférence Journée Pôle Astech 01-12-2016 / E. PHILIPPOT2

SOMMAIRE

1- Introduction

2- Alliages d’aluminium: atouts et limitations

3- Applications des alliages d’aluminium

4- Réponses aux enjeux produits



INTRODUCTION

1


�Safran Identity & Security

SAFRAN EN BREF


Sécurité

Défense

Propulsion aéronautique et spatiale

Equipements aéronautiques

�Safran Aircraft Engines�Safran Helicopter Engines�Safran Aero Boosters

�Safran Landing Systems�Safran Nacelles�Safran Electrical & Power�Safran Transmission Systems

�Safran Electronics & Defense

CA 2015: 17,4 Mds € ; 70 000 personnes dans 60 pays


DES ENJEUX MULTIPLES …

Maintenabilité / réparations

Réglementation

Performance

Coûts



CONTRAINTES FONCTIONNELLES


� Un environnement agressif …

� Atmosphère (humidité, agents corrosifs)

� Fluides de dégivrage et déverglaçage

� Fluides hydrauliques

� Projections (ex : gravillons)

� Des sollicitations sévères …� Contraintes statiques

� Chocs

� Fatigue

� Friction, fretting

� Température (moteurs, freins)



ALLIAGES D’ALUMINIUM: ATOUTS ET LIMITATIONS

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Légèreté:Densité 2.65 à 2.90; 35% de celle de l’acier, 59% de celle du titane.

Conductivité thermique et électrique:~ 2/3 de celle du Cuivre si non allié

Diversité des alliages : 8 familles selon les éléments d’alliages

Plus de 200 nuances normalisées

Recyclage : 50 à 90% selon les secteurs1t recyclée permet d’économiser 4t de bauxite

énergie 1ère fusion > 20x énergie nécessaire au recyclage

Coût par rapport aux autres matériauxEx: tôles épaisses: 5 à 10 €/Kg ; billette de forge: 3 à 5€/Kg

Elaborateurs de demi-produits:CONSTELLIUM, ALCOA, KAISER, ALERIS, …

Alliages d’Aluminium: des atouts…


0

1

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6

AlliagesAluminium

Aciers inox PH Alliages Titane Alliages Nickel Compositesépoxy/carbone

Fusion par électrolyse


Diversité des demi-produits et facilité de mise en œuvre et d’assemblage:

Mise en forme par pliage, chaudronnage, emboutissage, fluotournage, usinage, soudage, boulonnage, rivetage, collage, brasage, moulage (fonderie sable, cire-perdue, coquille) + Réparabilité.

Alliages d’Aluminium: des atouts…


Élaboration d’alliage par coulée semi-continue: plateaux, billettes

Profilés

Forgés, matricés

Fonderie

Laminage circulaire

Tôles, plaques


Résistances mécaniques à T ambiante:Série 5000 / 6000: 160 à 380 MPa

Série 2000 / 7000: 400 à 700 MPa

Température d’emploi:Série 7000: < 130°C

Série 2000: < 180°C

Tenue à la corrosion:

Couche d’oxyde protecteur=bonne résistance à la corrosion atmosphérique, mais…

…sensibilité à certaines formes de corrosion (galvanique, intergranulaire, CSC, …)

Pour les environnements aéronautiques � besoin d’une protection

Evolution des traitements de surface liée à REACH (élimination des chromates )

Peu de nuances soudables.

Sensibilité à la composition chimique et à la préparation de surface avant soudage.

Alliages d’Aluminium: … et des limitations




APPLICATIONS DES ALLIAGES D’ALUMINIUM AUX PRODUITS SAFRAN

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Base Aluminium + 5 éléments majeurs : Cu, Mg, Si, M n, Zn. Des familles de nuances définies selon les éléments d’alliage principaux.+ éléments d’additions : Cr, Ti, Zr, Li, … = Pas ou peu d’éléments rares ou stratégiques

Système de désignation international à 4 chiffres : 1er chiffre = famille d’alliage> Série 1000 : Al commercialement pur> Série 3000 : Mn (0,5-1,5%) + Mg, Cu> Série 5000 : Mg (0,5-5%) + Mn, Cr> Série 2000 : Cu (2- 6%) + Si, Mg> Série 6000 : Mg, Si (0,5-1,5%) + Cu, Cr> Série 7000 : Zn (5-7%), Mg (1-2%) + Cu> Série 4000 : Si (0,8-13%)> Alliages de fonderie : Al-Si ; Al-Si-Mg; Al-Cu-Mg

Classes d’alliages et désignation:


éléments � �

Cu Caract. mécaniques, tenue à chaud fluage, usinabilité Tenue corrosion, soudabilité, conductivité électrique

Mn Aptitude déformation, tenue corrosion, aptitude brasage

Si Coulabilité Usinabilité, CTE

Mg Caract. mécaniques, tenue corrosion, soudabilité Déformabilité à chaud

Zn (+Mg) Caract. mécaniques, usinabilité Tenue corrosion, soudabilité

2000, 6000, 7000, fonderie: durcissement par précipitation1000, 3000, 5000: durcissement par écrouissage

Alliages utilisés par SAFRAN


13 Safran / Conférence Journée Pôle Astech 01-12-2016 / E. PHILIPPOT

Alliages d’Aluminium: Applications SAFRAN

Incr

easi

ng U

TS

ALLIAGES

5083 5086 6061

AS7G06

7175 701070507040

AS7U1G 2024 20142214

AU5NKZr 2618, 2219

Résistance mécanique croissante

Tem

péra

ture

cro

issa

nte


Anodisations:Anticorrosion, préparation avant collage ou peinture.

Oxydations anodiques sulfurique, chromique, phosphorique, avec ou sans colmatage.

Aptitude et performance très dépendantes des alliages� Moyenne pour les 2000 et 7000 contenant du Cuivre.

Conversions chimiques:Anticorrosion, conduction électrique, préparation avant collage, vernis, peinture

Conversion « historique » à base de Chrome hexavalent: Alodine 1200

Systèmes de peinture:Primaire anticorrosion et finition

La performance anticorrosion (barrière et cicatrisation) est assurée, sur les systèmes historiques, par le Chrome hexavalent.

Placage des tôles:Appliqué sur tôles minces, sur 1 ou 2 faces, obtenu par colaminage, épaisseur du clad de 2 à 8 % de la tôle.

Alliages concernés: série 2000 essentiellement.

Protections des alliages d’Aluminium:




RÉPONSES AUX NOUVEAUX ENJEUX PRODUITS

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Gains en performance ciblés sur:

La masse:

Améliorer le compromis masse/résistance: typiquement Résistance mécanique >600 MPa

Améliorer la tenue en fatigue via les alliages et les procédés de mise en compression des surfaces.

La tenue à l’environnement:

Durée de vie: exposition et fonctionnement de l’ordre de 100 000 h

Corrosion : performance et réglementation:�La majorité des protections historiques sont impactées par REACH. �L’effort R&T est important pour identifier et déployer les solutions techniques de substitution.

Température de fonctionnement: >200°C

Les coûts:

Evolution des procédés de conception et de mise en œuvre

Enjeux produits en alliages d’Aluminium:



Allègement par le gain de performance via l’ingénie rie d’alliage

Métallurgie conventionnelle (court, moyen terme)

Aluminium-Lithium: -4% densité, +7% rigidité / 1% de Li

Aluminium-Scandium: AlMgScZr

Alliages 2xxx, 7xxx hautes performances

Métallurgie non conventionnelle (long terme):

Composites à matrice métalliques

Métallurgie des poudres

Solidification rapide

Matériaux nanostructurés

Réponses aux nouveaux enjeux produits:



Allègement par la maîtrise de la conception et du d imensionnement:

Modélisation / simulation appliquée à la fonderie: coulée et santé de la pièce.

Réponses aux enjeux produits:


Coulée: remplissage, solidification, prédiction des retassures, des points chauds, des microstructures…

Santé pièce: influence des défauts de fonderie sur les caractéristiques mécaniques (travaux avec l’institut PPrime)


Allègement par la maîtrise de la conception et du d imensionnement:

Modélisation / simulation appliquée au forgeage:

Aide à la définition de la gamme de forgeage (opérations de frappe et traitements thermiques)

Prévision des risques d’apparition de défauts

Prévision des taux de compression sur trempe fraîche

Prévision des contraintes résiduelles



Simulation de remplissage d’une matricePost trempe Post compression

>10 opérations


Allègement et maîtrise des coûts via les procédés d e mise en œuvre:

Evolution des procédés existants ou nouveaux procéd és de fabrication.

Exemple 1: Usinage de tôles épaisses

Besoin d’avoir des nuances disponibles en forte épaisseur (>150-200 mm)

Travaux de simulation / modélisation pour prendre en compte les problèmes de déformation à l’usinage

Exemple 2: Fabrication additive

+ : Intérêt de l’optimisation topologique, du potentiel des structures « réseaux », de l’intégration de fonctions

- :Maturité de la technologie et catalogues d’alliages d’Aluminium disponibles




Les alliages d’Aluminium sont largement utilisés da ns le domaine de la propulsion et des équipements aéronautiques.

La compétition avec les matériaux composites et les alliages de Titane existe, mais les récents développements de nuances et de procédés permettent aux alliages d’Aluminium de conserver leur juste place dans les applications SAFRAN.

Il existe une grande variété de nuances et de procé dés de mise en œuvre:

�Placer le bon couple nuance / procédé au bon endroit.

Axes de gain en performance:

Les alliages élaborés par métallurgie classique et non conventionnelle

L’amélioration des procédés existants et le déploiement des nouvelles technologies

Étendre les pratiques de modélisation des procédés, maîtrisées sur d’autres matériaux métalliques, aux alliages d’Aluminium.

Conclusion:




Merci pour votre attention.

Documents

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