Matériaux & Procédés pour équipements aéronautiques

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Matériaux & Procédés pour équipements aéronautiquesApplications et perspectives

O.DELCOURT 08-06-2016

CONFERENCE A3TS / 8 juin 2016 / O.DELCOURT

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SOMMAIRE

1- Introduction2- Les exigences produits3- Choix et développements matériaux & procédés


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1- Introduction


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SAFRAN TECH … UN NOUVEAU CENTRE DE RECHERCHE

PARIS


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UN MARCHE EN FORTE CROISSANCE …


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DES ENJEUX MULTIPLES …

Maintenabilité / réparations

Directives environnementales

Gains de performance

Coûts


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- 80 %

NOX CO2 Bruit* Par rapport aux avions en 2000

- 50 % - 50 %

6

VERS UNE PERFORMANCE DURABLE …

� 70 % du budget R&D Safran est dédié au progrès de l’impact du transport aérien sur l’environnement

� Objectifs ACARE 2020* (Conseil Consultatif pour la Recherche Aéronautique en Europe)

RECHERCHE & ENVIRONNEMENT


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2- Exigences produits


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CONTRAINTES FONCTIONNELLES

EAU SABLE

NEIGE - GLACE VOLATILES


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Moteurs, quelques ordres de grandeur …


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Poussée en KW

Moteurs, quelques ordres de grandeur …


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1700°C450°C 650°C 1300°C 650°COrdre de grandeur moteur civil

� Température

� Force centrifuge

� Pression aéraulique

EXEMPLE D’UNE AUBE DE TURBINE

FATIGUE

FLUAGE

FRETTING


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Lire cette planche a pris 1 minute …

Soit 4800 tours du compresseur basse pression …

et 28 km parcourus par la tête des aubages …

0 km/h

≈ 90 km/h

≈ 520 km/h

≈ 1650 km/h

Vitesses tangentielles


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� Un environnement agressif …� Atmosphère (humidité, agents

corrosifs)

� Fluides de dégivrage et déverglaçage

� Fluides hydrauliques

� Projections (ex : gravillons)

� Des sollicitations sévères …� Contraintes statiques

� Fatigue

� Friction, fretting

� Température (proximité des freins)


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3- Choix et développements matériaux & procédés


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CRITERES DE CHOIX

Enjeux � compromis masse / résistance … en température

200 400 600 800 1000

100

200

300

Température °C

σ/d

Composites à matrice organique

titanes

Nickel

Ni monocristaux& CMC

TiAl


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CHOIX MATERIAUX MOTEURS


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ALLIAGES NICKEL POUR APPLICATIONS AUBES

Cr Co Mo W Al Ti Ta Hf Re Ru densité

AM1 (référence) 7,8 6,5 2 5,7 5,2 1,1 7,9 - - - 8,6

CMSX4 6,5 9 0,6 6 5,6 1 6,5 0,1 3 - 8,7

MC-NG 4 <0.2 1 5 6 0,5 5 0,1 4 4 8,75

High pressure turbine blades

Exemples de compositions matériaux :


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BARRIERES THERMIQUES

Enjeux :Résistance aux CMASRésistance à l’abrasionFaible conductivité thermique

Leviers : Nouvelles compositions de revêtementsNouveaux procédés d’applicationNouvelles architectures


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TIAL APPLICATION AUBES

� Application sur dernier étage turbine basse pression moteur LEAP :� Alliage 48-2-2 (48% Al ; 2% Cr ; 2% Nb)� Voie fonderie + usinage dans la masse� Plus de 20000 aubes réalisées


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PROCEDES DE MISE EN ŒUVRE DU TIAL

VAR

VAR Skull Melter

PAM

Elaboration

Fonderie

Usinage dans la masse

Forgeageisotherme

Fabrication additive (SPS, EBM,…)Atomisation


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MATERIAUX POUR DISQUES CHAUDS

� exemple d’évolution des matériaux pour disques de turbines basse pression des moteurs civils – matériau alliage nickel

CFM56-5 CFM56-7 Leap

Inco718 Rene65

1980 1990 1995 2015

CFM56-2


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Titanium

SiC

MATERIAUX POUR DISQUES CHAUDS

caractéristiques :Module 210 Gpa

Limite traction 1600 MpaDensité 4


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COMPOSITE MATRICE ORGANIQUE APPLICATION AUBES FAN

1,000 lbs weight reduction per aircraft

LEAP71” Diameter 18 blades

168 lbs.

Lighter fan diskLighter containmentLighter structureLess noiseEasy maintenance

Solid Titanium 3-D Woven RTM Composite

CFM56-5C71” Diameter 36 blades

330 lbs. (76 kg)(150 kg)


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COMPOSITE MATRICE ORGANIQUE APPLICATION AUBES FAN

tissage 3D

moulage

Contrôle tomographique

Fibre carbone

Usine de Commercy


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Carter fan

Nacelle : 60% de composite pour A380Carter fan : -30% de gain masse vs aluminium

AUTRES APPLICATIONS COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE

LEAP engine

nacelle


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MATERIAUX POUR TRANSMISSIONS DE PUISSANCE

Réducteur hélicoptère

Distribution accessoires

Réducteur turbine avion

Solutions actuelles :■ 16NCD13 cémenté basse pression■ 32CDV13 nitruré


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MATERIAUX POUR TRANSMISSIONS DE PUISSANCE

TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES

RENFORCEMENTS MECANIQUES

ACIER

■ Utilisation d’aciers à plus hautes caractéristiques

■ Intégration du grenaillage dans le dimensionnement

■ Optimisation des traitements thermochimiques

■ Optimisation forgeage

■ Roulements céramiques


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Train principal A350

Acier

Aluminium

Titane

Inox

CHOIX MATERIAUX TRAINS D’ATTERRISSAGE

Application du titane :

■ 7% de gain masse■ Corrosion : extension de

l’intervalle entre 2 révisionsTrain principal B787

Presse 65000 tonnes


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LE TITANE CHEZ SAFRAN

Ti6242 Ti685 TA6V Ti 17Ti5553

Ti 10-2-3

β21S

TITANE


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MATERIAUX POUR TUYERES

Titane à haute résistance (alliage beta)

Tuyères : un bon exemple de compétition entre les matériaux …

Matériau de référence : alliage nickel

CMC SiC / SiC � certification AIRBUS EASA obtenue en avril 2015


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NOUVEAUX DEVELOPPEMENTS

high entropy materials

new ceramicsphase MAX

nanomaterials

composite


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NOUVEAUX DEVELOPPEMENTS : CÉRAMIQUES

Binary Phase Diagram

� Caractéristiques des céramiques eutectiques : � Densité : 4,6 (rappel 8,6 pour super alliages)� Propriétés mécaniques stables jusqu’à 1500°C� Ténacité à 20°C : de 2 à 10 MPa.m1/2

� Module 350 GPa� Dureté 1700 HV

Diagramme ternaire Alumine / YAG / Zircone


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FABRICATION ADDITIVE

Redresseur

Etape 1 : Substitution procédé à iso-

définition (ex : fonderie)

• Iso-design• Propriétés mécaniques • Pas d’outillage

Etape 2 : Redéfinition (simplification

gamme et baisse coûts)

• Adaptation des formes• Intégration de fonctions• Approche multi-métiers

Etape 3 : Conception spécifique (masse,

coûts, rupture techno)

• Optimisation topologique• Optimisation fonctionnelle• Nouveaux matériaux

Collecteur moteur spatial Distributeur Turbine basse pression


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FABRICATION ADDITIVE

Poudres / MatièreNouvelles NuancesSupply ChainQualification

ConceptionOptimisation topologiqueDesign to manufacturingDesign to costIntégration de fonctions

Post-fabricationTTH / Parachèvement

CNDRelation défauthèque/performance / CND

Maitrise du procédéet simulationAutomatisation/Contrôle in processSimulation du procédéOptimisation du moyen

DM part Polished Part Final part

BRIQUES TECHNOLOGIQUES


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MODELISATION DES PROCEDES

taille de grain déformationCaractéristiques mécaniques

EXEMPLE DU FORGEAGE


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MODÉLISATION DES PROCEDES

Déformation de la pièce �libération des contraintes

résiduelles

Usure Outils

Lois de coupe

F


EXEMPLE DE L’USINAGE

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MODÉLISATION DES PROCEDES : j’ai fait un rêve …

Chaînage numérique :

▪ Caractéristiques métallurgiques▪ Caractéristiques mécaniques▪ Déformations

Finition

Transformation

Elaboration


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DESIGN NUMERIQUE DES MATERIAUX

Domaines de stabilité des phasesFractions volumiques des phases

Approches statistiques à partir de données

existantes

Ab-initio (échelle atomique)

DEVELOPPEMENT NOUVEAU MATERIAU

fraction massique des phases dans l’acier Maraging 250 entre 500°C et 1500°C,


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