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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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CONTRAINTES FONCTIONNELLES
Moteurs, quelques ordres de grandeur …
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CONTRAINTES FONCTIONNELLES
Poussée en KW
Moteurs, quelques ordres de grandeur …
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CONTRAINTES FONCTIONNELLES
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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CONTRAINTES FONCTIONNELLES
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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CONTRAINTES FONCTIONNELLES
� 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
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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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