Les avantages et les inconvénients de la céramique avancée

Malgré une adoption lente et à grande échelle, les céramiques avancées et les composites à matrice céramique trouvent une place dans les principales applications aérospatiales et militaires.

La céramique d'aujourd'hui a parcouru un très long chemin depuis les fours du monde antique. La céramique remonte à 24 000 ans. Cependant, leur application continue d'évoluer, en particulier pour les moteurs à réaction militaires et commerciaux à hautes performances, les missiles, les engins spatiaux et dans les composants et autres applications, y compris "une dureté élevée pour les composants d'armure et d'usure ou une résistance à haute température pour les applications réfractaires", selon à la conception de machines.

Qu'il s'agisse de céramiques structurelles ou de composites à matrice céramique, ce matériau polyvalent aide les fabricants à augmenter le rendement énergétique des moteurs à turbine à réaction tout en éliminant le besoin d'autant de refroidissement que les moteurs traditionnels. GE Aviation, par exemple, affirme que ses CMC sont deux tiers plus légers que le métal et supportent une température 20 % plus élevée.

"[A] les céramiques avancées, qui ont commencé à émerger après la découverte du procédé Bayer pour le raffinage de la bauxite en 1887, ont des propriétés mécaniques, thermiques et électroniques supérieures par rapport aux céramiques traditionnelles", écrivent Anthony Vicari et Anthony Schiavo de Lux Research, dans un article pour Machine Design.

Plusieurs des acteurs les plus importants de l'industrie ont également compris les avantages de la céramique dans la conception aérospatiale. De General Electric à United Technologies, Safran, Boeing et Rolls Royce, plus de 8 000 brevets pour la conception aérospatiale avec de la céramique ont été accordés depuis le début des années 1980, selon American Machinist.

Céramiques avancées et composites à matrice céramique :prendre le bon avec le mauvais

Malgré les avantages, cela ne signifie pas nécessairement que la céramique est la solution ultime pour les matériaux de conception aérospatiale. Comme les fabricants l'ont également découvert, les céramiques ont des problèmes d'usinage et de coût.

La céramique regorge de propriétés d'isolation thermique, ce qui en fait un outil efficace lorsqu'elle est associée aux températures élevées des turbines d'avion. Ils sont également extrêmement légers et non corrosifs, capables de résister au contact avec le carburéacteur et capables d'atteindre des vitesses plus rapides et un territoire étendu dans l'espace. Mais la mise en forme et le traitement peuvent être lents et ardus.

"[L]orsque la céramique échoue, elle le fait soudainement et de manière catastrophique, plutôt que gracieusement comme les métaux", note Lux Research. « Ce n'est pas la seule limite :les céramiques structurelles ont une résistance à la température extrêmement élevée, ce qui signifie qu'elles doivent être traitées par des méthodes à l'état solide lentes et énergivores. De plus, la dureté élevée après densification fait de l'usinage de la céramique un défi majeur.

Pour contrer une défaillance catastrophique, le renforcement des fibres est utilisé pour aider à contrôler "la propagation des fissures à travers la matrice et les charges de support après que le matériau commence à se rompre", note Lux Research, qui permet aux CMC de "se rompre progressivement, plus comme la rupture ductile du métal".

La céramique peut être difficile à usiner, mais pas impossible

Les fabricants savent que l'utilisation de la céramique dans la conception aérospatiale est un moyen infaillible de réduire le poids de leurs avions tout en utilisant un matériau durable.

"Les mêmes propriétés qui augmentent la résistance et la résistance à la température rendent également l'usinage plus difficile", écrit Don Graham, responsable des services éducatifs et techniques chez Seco Tools, dans un article pour Manufacturing Engineering. La difficulté survient pendant la période d'usinage ou de meulage final, souligne Graham, où l'intégrité de la surface de la céramique est compromise si elle est coupée de manière incorrecte. De plus, le risque d'être compromis est encore accru à un taux d'enlèvement de matière élevé.

"En raison de la nature fragile, de la dureté élevée, de la résistance au fluage et de la résistance élevée, les méthodes d'usinage conventionnelles telles que le tournage, le fraisage et le perçage sont difficiles à bien exécuter sur les céramiques avancées en raison des fissures, des fractures fragiles et de l'écaillage des bords", expliquent Alexander Gorin et M. Mohan Reddy dans son article, Advanced Ceramics:Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

La difficulté de l'usinage avec la céramique ne peut pas être entièrement éliminée, mais les ateliers ont trouvé des moyens d'atténuer les défis avec une sélection d'outils appropriée, selon Graham. Les outils avec des arêtes de coupe vives et des râteaux positifs réduiront les efforts de coupe, tandis que les plaquettes avec des substrats à grain fin conviennent parfaitement aux conditions de coupe abrasives.

"Le renforcement des fibres a largement surmonté les problèmes de fragilité, mais l'usinabilité souffre en raison de la faible conductivité thermique, de la dureté et de l'abrasivité élevées des CMC", écrit Graham. "En plus des méthodes d'usinage traditionnelles, les fabricants expérimentent d'autres moyens de traiter les pièces CMC telles que le jet d'eau, l'EDM, l'usinage assisté par laser, le meulage et l'utilisation d'outils insérés PCBN."

Lorsque la céramique est usinée de manière incorrecte, la structure perd de sa résistance 

Si une pièce de céramique est mal usinée, la résistance de la structure elle-même diminuera considérablement. Lorsque le matériau composite en sandwich est coupé avec des bords irréguliers, irréguliers ou déformés, la structure entière perdra une quantité importante de rigidité.

"Un matériau composite en sandwich coupé de manière inégale ou déformé perd de sa résistance, tout comme le froissement du carton ondulé détruit sa rigidité", écrit Graham. "Pour l'usinage de finition, les ateliers doivent utiliser des fraises en bout à grande vitesse spécialement conçues pour ces composites en sandwich."

Lors de l'usinage de la céramique dans la conception aérospatiale, il est crucial d'éviter tout type de flexion ou d'effilochage. La solution, souligne Graham, consiste à utiliser une machine de découpe avec des arêtes très vives et des vitesses de coupe rapides.

La céramique coûte cher, mais les innovations sont bénéfiques

Avec un tel accent sur une coupe solide et efficace lors de l'usinage de la céramique, il n'est pas étonnant que de nombreux ateliers soient connus pour contribuer jusqu'à 80 % de leurs dépenses globales au maintien de l'intégrité de leurs structures à base de céramique, selon Gorin/Reddy. papier. Naturellement, cela peut poser un problème lors du maintien d'un budget ou de la tentative d'allouer des fonds à d'autres aspects du travail.

"[D]es designers qui veulent utiliser les propriétés mécaniques supérieures des CMC devront payer pour ce privilège", note Lux Research dans l'article de MachineDesign. « Les CMC en graphite/fibre de carbone les moins chers coûtent environ 30 $/lb pour des formes simples, ce qui augmente considérablement avec l'usinage. Les CMC à matrice de carbure de silicium/fibres de carbure de silicium pour les applications à haute température exigent des fibres de haute pureté, avec des prix commençant à plus de 4 000 $/lb, ce qui entraîne des prix de préformes de plus de 9 000 $/lb."

Les experts notent que l'adoption de la céramique a été lente et souvent soutenue par des subventions et des incitations du gouvernement, donc pour vraiment décoller, le coût doit baisser. Lux Research souligne que "les technologies qui réduisent le coût des intermédiaires comme les fibres peuvent débloquer de nouveaux marchés, et les avancées de traitement peuvent rendre les pièces CMC plus fiables, facilitant ainsi la qualification."

Votre atelier a-t-il déjà usiné de la céramique ? Si oui, à quels défis vous et votre équipe avez-vous été confrontés ? Faites le nous savoir!