Le marché des composants aérospatiaux et des composants aéronautiques de précision

Les temps ont changé. Un jet typique en construction aujourd'hui se compose de seulement 20% d'aluminium pur. La plupart des matériaux de construction non critiques - panneaux et intérieurs esthétiques - sont désormais constitués de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) et de matériaux en nid d'abeille encore plus légers. Pendant ce temps, pour les pièces de moteur et les composants critiques des composants d'avions de précision, l'accent est mis simultanément sur un poids inférieur et une résistance à la température plus élevée pour une meilleure efficacité énergétique, en introduisant des métaux nouveaux ou auparavant peu pratiques à usiner dans le mélange de matériaux aérospatiaux.

Aéronautique unique parmi les industries

La fabrication aérospatiale est unique parmi les autres secteurs de production de masse, en particulier dans la production de moteurs d'avion. Le moteur est le composant le plus complexe d'un avion, il contient le plus de composants individuels et détermine en fin de compte la consommation de carburant. L'avènement des moteurs à mélange pauvre avec des potentiels de température allant jusqu'à 3 800 ° F (2 100 ° C) a contribué à augmenter la demande pour ces nouveaux matériaux. Étant donné que les superalliages actuels ont un point de fusion d'environ 1 850 °C (3 360 °F), trouver des matériaux capables de résister à des températures plus élevées devient un défi.

Pour répondre à ces exigences de température, les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) sont désormais introduits dans l'équation des matériaux, notamment les alliages de titane, les alliages de nickel et certains matériaux composites non métalliques tels que la céramique. Ces matériaux semblent être plus difficiles à usiner que l'aluminium traditionnel, ce qui signifie historiquement une durée de vie de l'outil plus courte et une sécurité de processus moindre.

Il existe également un risque de processus élevé dans l'usinage de pièces aérospatiales. Étant donné que les marges d'erreur sont inexistantes à une altitude de croisière de 35 000 pieds, les tolérances dans l'aérospatiale sont plus précises que dans presque toutes les autres industries. Ce niveau de précision prend du temps. Des temps d'usinage plus longs sont nécessaires pour chaque composant, et plus de temps par pièce rend les rebuts relativement coûteux, compte tenu de l'investissement en temps. De plus, par rapport à d'autres industries, les commandes de composants aérospatiaux consistent souvent en de courtes quantités et de longs délais, ce qui rend difficile la planification de la productivité, du débit et de la rentabilité.

Contrairement à toute autre industrie, à l'exception du pétrole et du gaz, qui ont également des exigences élevées en matière de température, de pression et de corrosion, les matériaux aérospatiaux eux-mêmes ont un impact sur la conception des composants. La conception pour la fabricabilité (DFM) est l'art de concevoir des composants avec une approche équilibrée, en tenant compte à la fois de la fonction du composant et de ses exigences de fabrication. Cette approche est de plus en plus appliquée dans la conception de composants aérospatiaux et de plus en plus dans la conception de composants aérospatiaux et de composants d'avions de précision, car leurs composants doivent résister à certaines charges et résistance à la température, et certains matériaux ne peuvent en contenir que autant. Les conceptions des matériaux et des composants se conduisent vraiment les unes après les autres. Cette relation entre matériau et design est particulièrement importante lors de l'étude des matériaux de nouvelle génération. Pour toutes ces raisons, les constructeurs aéronautiques sont différents les uns des autres. Pas étonnant que leur gamme de matériaux soit unique.

Un nouveau paysage matériel

L'aluminium aéronautique standard - 6061, 7050 et 7075 - et les métaux aéronautiques traditionnels - nickel 718, titane 6Al4V et inoxydable 15-5PH - sont toujours utilisés dans l'aviation. Cependant, ces métaux cèdent maintenant le terrain à de nouveaux alliages conçus pour améliorer le coût et l'efficacité. Pour être clair, ces nouveaux métaux ne sont pas toujours nouveaux, certains existent depuis des décennies. Ils sont plutôt nouveaux pour les applications de fabrication pratiques, car les machines-outils, la technologie d'outillage et les revêtements de plaquettes sont suffisamment avancés pour traiter les alliages difficiles à usiner. .

Bien que la quantité d'aluminium dans les avions diminue, son utilisation ne disparaît pas complètement. En fait, l'aluminium revient, en particulier dans les cas où la transition vers le CFRP s'est avérée prohibitive ou inefficace. Mais l'aluminium qui réapparaît n'est pas l'aluminium de ton père. Par exemple, les argiles de titane (TiAl) et de lithium aluminium (Al-Li), qui existent depuis les années 1970, ne gagnent du terrain dans l'aviation que depuis le début du siècle.

Comme l'alliage de nickel dans ses propriétés de résistance à la chaleur, TiAl conserve sa résistance et sa résistance à la corrosion à des températures allant jusqu'à 600 ° C (1 112 ° F). Mais TiAl est plus facile à usiner, présentant des propriétés d'usinabilité similaires à celles du titane alpha-bêta, tel que Ti6Al4V. Plus important encore, le TiAl peut améliorer le rapport poussée/poids dans les moteurs d'avion car il est deux fois moins volumineux que les alliages de nickel. Par exemple, les aubes de turbine basse pression et les aubes de compresseur haute pression, traditionnellement constituées de superalliages denses à base de nickel, sont désormais usinées à partir d'alliages à base de TiAl. General Electric a été un pionnier dans ce développement et utilise des aubes de turbine basse pression TiAl dans son moteur GEnx, la première utilisation à grande échelle du matériau dans un moteur à réaction commercial - dans ce cas, le Boeing 787 Dreamliner.

Une autre réintroduction de l'aluminium dans l'industrie aérospatiale peut être trouvée dans l'Al-Li léger, spécialement conçu pour améliorer les propriétés de l'aluminium 7050 et 7075. Globalement, l'ajout de lithium renforce l'aluminium avec une densité et un poids moindres, deux catalyseurs de l'évolution du matériel aéronautique. La haute résistance des alliages Al-Li, la faible densité, la rigidité élevée, la tolérance aux dommages, la résistance à la corrosion et la nature favorable aux soudures en font un meilleur choix que l'aluminium traditionnel dans les cellules d'avions à réaction commerciaux. Actuellement, Airbus utilise l'AA2050. Pendant ce temps, Alcoa utilise le AA2090 T83 et le 2099 T8E67. L'alliage se trouve également dans les réservoirs de carburant et d'oxydant des fusées spatiales SpaceX Falcon 9 et est largement utilisé dans les projets de fusées et de navettes de la NASA.

Le titane 5553 (Ti-5553) est un autre métal relativement nouveau dans l'aviation, présentant une résistance élevée, un poids léger et une bonne résistance à la corrosion. Les principaux composants structurels, qui doivent être plus résistants et plus légers que les alliages d'acier inoxydable utilisés auparavant, sont les points d'application idéaux pour cet alliage de titane. Connu sous le nom de triple 5-3, c'était un matériau extrêmement difficile à usiner - jusqu'à récemment. Des recherches et développements approfondis ont été menés pour rendre le métal pratique pour l'usinage, et le triple 5-3 s'est récemment révélé très prévisible en raison de la cohérence d'usinage similaire aux alliages de titane plus traditionnels tels que le Ti6Al4V susmentionné. Les différences entre les deux matériaux nécessitent l'utilisation de paramètres de coupe différents afin d'obtenir une durée de vie d'outil similaire. Mais lorsque l'opérateur a défini les paramètres appropriés, un nombre triple de machines 5-3 peut être prédit. La clé avec le Triples 5-3 est un fonctionnement un peu plus lent et une optimisation de la trajectoire de l'outil et du système de refroidissement pour obtenir un bon équilibre entre la durée de vie de l'outil et la sécurité.

Certains composants structurels, tels que les fixations, le châssis et les cylindres, nécessitent une résistance brute, et la légèreté est moins une priorité. Dans de tels cas, l'acier allié Ferrium S53 offre des propriétés mécaniques égales ou supérieures à celles des aciers à ultra-haute résistance conventionnels tels que 300M et SAE 4340, avec l'avantage supplémentaire d'une résistance globale à la corrosion. Cela peut éliminer le besoin de revêtement de cadmium et le traitement connexe ultérieur.

Les composites ont pris leur envol

Les matériaux composites constituent également une part croissante du gâteau des matériaux aérospatiaux. Ils réduisent le poids et la consommation de carburant tout en étant faciles à manipuler, à concevoir, à façonner et à réparer. Autrefois considéré uniquement pour les éléments structurels légers ou les composants de cabine, la gamme de composites aérospatiaux s'étend désormais aux composants véritablement fonctionnels - revêtements d'ailes et de fuselage, moteurs et trains d'atterrissage.

Également important, les éléments composites peuvent être formés dans des formes complexes qui nécessiteraient un usinage et un collage dans le cas de pièces métalliques. Les composants composites préformés sont non seulement légers et solides, mais réduisent également le nombre de fixations et de joints lourds - qui sont des points de défaillance potentiels - sur un avion. De cette manière, les matériaux composites contribuent à la tendance mondiale à réduire le nombre de composants dans des assemblages entiers, en utilisant des conceptions monoblocs dans la mesure du possible.

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