Céramiques avancées : avantages, défis et applications industrielles

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

Les céramiques d'aujourd'hui ont fait un long chemin depuis les fours du monde antique. La céramique remonte à 24 000 ans. Son application, cependant, continue d'évoluer, surtout pour les moteurs à réaction militaires et commerciaux à haute performance, les missiles, les engins spatiaux, et dans les pièces et autres applications incluant « haute dureté pour blindage et composants d'usure ou résistance haute température pour applications réfractaires », selon Machine Design.

Qu'il s'agisse de céramiques structurales ou de composites à matrice céramique, ce matériau polyvalent aide les fabricants à augmenter l'efficacité énergétique des turbines 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 offrent une capacité de température 20 % supérieure.

« 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 aux céramiques traditionnelles », écrivent Anthony Vicari et Anthony Schiavo de Lux Research, dans un article pour MachineDesign.

Plusieurs des plus grands acteurs de l'industrie ont saisi les avantages des céramiques 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 céramiques ont été déposés depuis le début des années 1980, selon American Machinist.

Céramiques avancées & Composites à matrice céramique : prendre le bon avec le mauvais

Malgré les avantages, cela ne signifie pas nécessairement que les céramiques sont la solution ultime pour les matériaux de conception aérospatiale. Comme les fabricants l'ont aussi découvert, les céramiques posent des défis en usinage et en coût.

Les céramiques regorgent de propriétés isolantes thermiques, ce qui en fait un outil efficace associé aux hautes températures dans les turbines d'avion. Elles sont aussi extrêmement légères et non corrosives, capables de résister au contact avec le kérosène et d'atteindre des vitesses plus élevées et une portée étendue dans l'espace. Mais le formage et le traitement peuvent être lents et ardus.

« Lorsque les céramiques échouent, elles le font de façon soudaine et catastrophique, plutôt que gracieusement comme les métaux », note Lux Research. « Ce n'est pas la seule limitation : les céramiques structurales ont une résistance à la température extrêmement élevée, ce qui signifie qu'elles doivent être traitées par des méthodes d'état solide lentes et énergivores. De plus, la dureté élevée après densification rend l'usinage des céramiques pour leur donner forme un défi majeur. »

Pour contrer la rupture catastrophique, le renforcement par fibres est utilisé pour aider à contrôler « la propagation des fissures à travers la matrice et le support des charges après que le matériau commence à faillir », note Lux Research, ce qui permet aux CMC d' « échouer graduellement, plus comme la rupture ductile du métal. »

Les céramiques peuvent être difficiles à usiner, mais pas impossibles

Les fabricants savent qu'utiliser les céramiques dans la conception aérospatiale est un moyen sûr de réduire le poids de leurs avions tout en utilisant un matériau durable.

« Les mêmes propriétés qui renforcent la résistance et la résistance thermique rendent aussi l'usinage plus difficile », écrit Don Graham, responsable de l'éducation et des services techniques chez Seco Tools, dans un article pour Manufacturing Engineering. La difficulté survient lors de l'usinage final ou de la période de rectification, souligne Graham, où l'intégrité de surface des céramiques est compromise si la coupe est mal faite. De plus, le risque de compromission 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 réaliser sur les céramiques avancées à cause des fissures, fractures fragiles et ébréchures de arête », expliquent Alexander Gorin et M. Mohan Reddy dans leur article, Advanced Ceramics: Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

La difficulté d'usinage des céramiques ne peut être éliminée entièrement, mais les ateliers ont trouvé des moyens d'atténuer les défis avec une sélection d'outil appropriée, selon Graham. Les outils avec arêtes de coupe tranchantes et dépouilles positives réduiront les forces de coupe, tandis que les plaquettes à substrat à grain fin sont bien adaptées aux conditions de coupe abrasives.

« Le renforcement par fibres a largement surmonté les préoccupations de fragilité, mais l'usinabilité souffre de la faible conductivité thermique, de la dureté élevée et de l'abrasivité des CMC », écrit Graham. « En plus des méthodes d'usinage traditionnelles, les fabricants expérimentent des façons alternatives de traiter les pièces CMC telles que le jet d'eau, l'électroérosion, l'usinage laser assisté, la rectification et l'utilisation d'outils à plaquettes PCBN. »

Quand les céramiques sont usinées incorrectement, la structure perd sa résistance

Si une pièce en céramique est usinée incorrectement, la résistance de la structure elle-même diminuera grandement. Lorsque du matériau composite sandwich est coupé avec des arêtes irrégulières, inégales ou déformées, l'ensemble de la structure perdra une quantité significative de rigidité.

« Le matériau composite sandwich coupé de manière inégale ou déformée perd sa résistance, tout comme le pliage de carton ondulé détruit sa rigidité », écrit Graham. « Pour l'usinage de finition, les ateliers doivent utiliser des fraises à bout à grande vitesse spécifiquement conçues pour de tels composites sandwich. »

Lors de l'usinage avec des céramiques dans la conception aérospatiale, il est crucial d'éviter tout type de pliage ou d'effilochage. La solution, souligne Graham, est d'utiliser une machine de coupe avec des arêtes très tranchantes et des vitesses de coupe rapides.

Les céramiques sont coûteuses, mais les innovations sont bénéfiques

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

« Les concepteurs qui veulent profiter des propriétés mécaniques supérieures des CMC devront payer pour ce privilège », note Lux Research dans l'article MachineDesign. « Les CMC graphite/fibre de carbone les moins chers s'échangent à environ 30 $/lb pour des formes simples, ce qui augmente considérablement avec l'usinage. Les CMC matrice carbure de silicium/fibre carbure de silicium pour applications haute température exigent des fibres de haute pureté, avec des prix commençant à plus de 4 000 $/lb, menant à des prix de préforme de plus de 9 000 $/lb. »

Les experts notent que l'adoption des céramiques a été lente et souvent soutenue par des subventions et incitations du financement public, 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 des céramiques ? Si oui, quels défis vous et votre équipe avez-vous rencontrés ? Dites-le-nous !