Tendances du marché aérospatial et composants d'avions de précision

Les temps ont changé. Un avion typique en construction aujourd'hui ne contient que 20 % d'aluminium pur. La plupart des matériaux non critiques — panneaux et intérieurs esthétiques — sont maintenant en polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) et matériaux alvéolaires encore plus légers. Pendant ce temps, pour les pièces moteurs et composants critiques de précision, on met l'accent simultanément sur poids réduit et résistance thermique accrue pour meilleur rendement carburant, introduisant de nouveaux métaux ou précédemment impossibles à usiner dans le mélange aérospatial.

L'aérospatial, unique parmi les industries

La fabrication aérospatiale est unique, surtout pour les moteurs. Le moteur est le composant le plus complexe, contenant le plus de pièces individuelles et déterminant la consommation. L'avènement de moteurs à mélange pauvre avec potentiels de température jusqu'à 3 800 °F (2 100 °C) a accru la demande pour ces nouveaux matériaux. Sachant que les superalliages actuels fondent vers 1 850 °C (3 360 °F), trouver des matériaux supportant des températures plus élevées devient un défi.

Pour répondre à ces exigences, les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) sont introduits : alliages de titane, nickel, et matériaux composites non métalliques comme céramiques. Ces matériaux semblent plus difficiles à usiner que l'aluminium traditionnel, signifiant durée de vie d'outil plus courte et sécurité de processus moindre.

Il y a aussi un risque de processus élevé dans l'usinage aérospatial. Comme les marges d'erreur sont inexistantes à 35 000 ft, les tolérances sont plus précises que dans presque toute autre industrie. Cette précision prend du temps. Temps d'usinage plus longs par composant, et plus de temps par pièce rend la reprise relativement chère, factorisant l'investissement temporel. Aussi, comparé à d'autres industries, les commandes aérospatiales sont souvent de petites séries avec longs délais, rendant la planification pour productivité, débit et rentabilité difficile.

Contrairement à toute autre industrie sauf pétrole/gaz (hautes température, pression, corrosion), les matériaux aérospatiaux impactent eux-mêmes la conception des composants. La conception pour la fabricabilité (DFM) est l'art d'équilibrer fonction du composant et exigences de fabrication. Cette approche s'applique de plus en plus dans la conception aérospatiale, car les composants doivent supporter certaines charges et résistances thermiques, et certains matériaux ne tiennent que jusqu'à un certain point. Les designs de matériaux et composants s'entraînent mutuellement, pas l'un après l'autre. Cette relation est cruciale pour les matériaux de nouvelle génération. Pour toutes ces raisons, les fabricants aéronautiques sont uniques. Leur gamme de matériaux l'est aussi.

Un nouveau paysage matériel

Les alliages d'aluminium aéronautiques standards — 6061, 7050, 7075 — et métaux traditionnels — nickel 718, titane 6Al4V, inox 15-5PH — sont encore utilisés. Mais ils cèdent du terrain à de nouveaux alliages conçus pour améliorer coût et efficacité. Précision : ces métaux ne sont pas toujours nouveaux, certains existent depuis des décennies. Ils sont nouveaux pour la fabrication pratique car machines-outils, technologies d'outillage et revêtements de plaquettes sont assez avancés pour usiner des alliages difficiles.

Bien que la quantité d'aluminium dans les avions diminue, son usage ne disparaît pas. En fait, l'aluminium revient, surtout quand la transition vers PRFC s'est avérée prohibitive ou inefficace. Mais cet aluminium n'est pas celui de votre père. Par exemple, les aluminures de titane (TiAl) et aluminium-lithium (Al-Li), existants depuis les années 1970, ne gagnent du terrain dans l'aviation que depuis le tournant du siècle.

Comme les alliages de nickel pour la résistance thermique, le TiAl conserve résistance et résistance à la corrosion jusqu'à 600 °C (1 112 °F). Mais il est plus facile à usiner, avec usinabilité similaire aux titanes alpha-bêta comme Ti6Al4V. Surtout, le TiAl améliore le rapport poussée/poids des moteurs car il est deux fois moins dense que les alliages de nickel. Exemple : aubes de turbine basse pression et aubes de compresseur haute pression, traditionnellement en superalliages nickel denses, sont maintenant usinées en alliages TiAl. General Electric a été pionnier et utilise des aubes TiAl basse pression dans son moteur GEnx, première utilisation à grande échelle dans un réacteur commercial — le Boeing 787 Dreamliner.

Autre réintroduction : l'Al-Li léger, conçu pour améliorer les 7050 et 7075. L'ajout de lithium renforce l'aluminium avec densité et poids inférieurs, deux catalyseurs de l'évolution des matériaux aéronautiques. Haute résistance, faible densité, rigidité élevée, tolérance aux dommages, résistance à la corrosion et soudabilité font de l'Al-Li un meilleur choix que l'aluminium traditionnel pour les fuselages de jets commerciaux. Airbus utilise AA2050. Alcoa utilise AA2090 T83 et 2099 T8E67. L'alliage est aussi dans les réservoirs de carburant/oxydant de SpaceX Falcon 9, et utilisé intensivement dans les projets fusées/navettes NASA.

Titane 5553 (Ti-5553) : métal relativement nouveau en aviation, haute résistance, léger, bonne résistance à la corrosion. Composants structurels principaux, devant être plus résistants et légers que les aciers inoxydables précédents, sont les points d'application idéaux. Connu comme triple 5-3, il était extrêmement difficile à usiner — jusqu'à récemment. R&D extensive pour le rendre pratique, et le triple 5-3 s'est avéré très prévisible grâce à une consistance d'usinage similaire aux alliages traditionnels comme Ti6Al4V. Les différences exigent des données de coupe différentes pour durée d'outil similaire. Mais avec paramètres appropriés, le triple 5-3 s'usine de façon prévisible. Clé : opération un peu plus lente et optimisation chemin d'outil et refroidissement pour équilibrer durée d'outil et sécurité.

Certains composants structurels (fixations, châssis, cylindres) exigent résistance brute, légèreté moins prioritaire. Dans ces cas, l'acier Ferrium S53 offre propriétés mécaniques égales ou supérieures aux aciers ultra-résistants conventionnels (300M, SAE 4340), avec résistance à la corrosion globale en bonus. Cela élimine le besoin de revêtement cadmium et traitements associés.

Les composites prennent leur essor

Les matériaux composites représentent une part croissante du gâteau aérospatial. Ils réduisent poids et consommation carburant, sont faciles à manipuler, concevoir, former et réparer. Jadis limités aux éléments structurels légers ou cabines, les composites aérospatiaux s'étendent maintenant aux composants vraiment fonctionnels : peaux d'aile et fuselage, moteurs, trains d'atterrissage.

Important : les éléments composites peuvent être formés en formes complexes qui nécessiteraient usinage et assemblage pour pièces métalliques. Les composants composites préformés sont non seulement légers et résistants, mais réduisent le nombre de fixations et joints lourds — points de défaillance potentiels — sur un avion. Ainsi, les composites pilotent la tendance mondiale de réduction du nombre de composants dans les ensembles, utilisant des designs monobloc quand possible.

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