CONFÉRENCE ASTECH - MOV'EO : LES NOUVEAUX CHALLENGES DE L'ALLÈGEMENT JEUDI 1ER DÉCEMBRE ECAM EPMI, CERGY

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Henri Carrière
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1 CONFÉRENCE ASTECH - MOV'EO : LES NOUVEAUX CHALLENGES DE L'ALLÈGEMENT JEUDI 1ER DÉCEMBRE ECAM EPMI, CERGY - L ALUMINIUM DANS LA PROPULSION ET LES ÉQUIPEMENTS AÉRONAUTIQUES - Eric PHILIPPOT

2 SOMMAIRE 1- Introduction 2- Alliages d aluminium: atouts et limitations 3- Applications des alliages d aluminium 4- Réponses aux enjeux produits 2

3 1 INTRODUCTION 3

SAFRAN EN BREF CA 2015: 17,4 Mds ; 70 000 personnes dans 60 pays Propulsion aéronautique et

Engines Safran Aero Boosters Safran Landing Systems Safran Nacelles Safran Electrical &

4 SAFRAN EN BREF CA 2015: 17,4 Mds ; personnes dans 60 pays Propulsion aéronautique et spatiale Equipements aéronautiques Défense Safran Aircraft Engines Safran Helicopter Engines Safran Aero Boosters Safran Landing Systems Safran Nacelles Safran Electrical & Power Safran Transmission Systems Safran Electronics & Defense Sécurité Safran Identity & Security 4

5 DES ENJEUX MULTIPLES Performance Maintenabilité / réparations Réglementation Coûts 5

6 CONTRAINTES FONCTIONNELLES Un environnement agressif Atmosphère (humidité, agents corrosifs) Fluides de dégivrage et déverglaçage Fluides hydrauliques Projections (ex : gravillons) Des sollicitations sévères Contraintes statiques Chocs Fatigue Friction, fretting Température (moteurs, freins) 6

7 2 ALLIAGES D ALUMINIUM: ATOUTS ET LIMITATIONS 7

nuances normalisées 6 5 Recyclage : 50 à 90% selon les secteurs 1t recyclée permet d économiser 4t de bauxite 4 énergie 1 ère fusion > 20x énergie nécessaire au recyclage 3 Coût par

8 Alliages d Aluminium: des atouts Légèreté: Densité 2.65 à 2.90; 35% de celle de l acier, 59% de celle du titane. Conductivité thermique et électrique: ~ 2/3 de celle du Cuivre si non allié Fusion par électrolyse Diversité des alliages : 8 familles selon les éléments d alliages Plus de 200 nuances normalisées 6 5 Recyclage : 50 à 90% selon les secteurs 1t recyclée permet d économiser 4t de bauxite 4 énergie 1 ère fusion > 20x énergie nécessaire au recyclage 3 Coût par rapport aux autres matériaux 2 Ex: tôles épaisses: 5 à 10 /Kg ; billette de forge: 3 à 5 /Kg 1 Elaborateurs de demi-produits: CONSTELLIUM, ALCOA, KAISER, ALERIS, 0 Alliages Aluminium Aciers inox PH Alliages Titane Alliages Nickel Composites époxy/carbone 8

9 Alliages d Aluminium: des atouts Diversité des demi-produits et facilité de mise en œuvre et d assemblage: Forgés, matricés Fonderie Élaboration d alliage par coulée semicontinue: plateaux, billettes Laminage circulaire Tôles, plaques Profilés Mise en forme par pliage, chaudronnage, emboutissage, fluotournage, usinage, soudage, boulonnage, rivetage, collage, brasage, moulage (fonderie sable, cire-perdue, coquille) + Réparabilité. 9

Alliages d Aluminium: et des limitations Résistances mécaniques à T ambiante: Série 5000 / 6000: 160 à 380

la corrosion: Couche d oxyde protecteur=bonne résistance à la corrosion atmosphérique, mais sensibilité à

besoin d une protection Evolution des traitements de surface liée à REACH (élimination des chromates ) Peu

10 Alliages d Aluminium: et des limitations Résistances mécaniques à T ambiante: Série 5000 / 6000: 160 à 380 MPa Série 2000 / 7000: 400 à 700 MPa Température d emploi: Série 7000: < 130 C Série 2000: < 180 C Tenue à la corrosion: Couche d oxyde protecteur=bonne résistance à la corrosion atmosphérique, mais sensibilité à certaines formes de corrosion (galvanique, intergranulaire, CSC, ) Pour les environnements aéronautiques besoin d une protection Evolution des traitements de surface liée à REACH (élimination des chromates ) Peu de nuances soudables. Sensibilité à la composition chimique et à la préparation de surface avant soudage. 10

11 3 APPLICATIONS DES ALLIAGES D ALUMINIUM AUX PRODUITS SAFRAN 11

12 Classes d alliages et désignation: Base Aluminium + 5 éléments majeurs : Cu, Mg, Si, Mn, Zn. Des familles de nuances définies selon les éléments d alliage principaux. + éléments d additions : Cr, Ti, Zr, Li, = Pas ou peu d éléments rares ou stratégiques éléments Cu Caract. mécaniques, tenue à chaud fluage, usinabilité Tenue corrosion, soudabilité, conductivité électrique Mn Aptitude déformation, tenue corrosion, aptitude brasage Si Coulabilité Usinabilité, CTE Mg Caract. mécaniques, tenue corrosion, soudabilité Déformabilité à chaud Zn (+Mg) Caract. mécaniques, usinabilité Tenue corrosion, soudabilité 12 Système de désignation international à 4 chiffres : 1er chiffre = famille d alliage > Série 1000 : Al commercialement pur > Série 3000 : Mn (0,5-1,5%) + Mg, Cu > Série 5000 : Mg (0,5-5%) + Mn, Cr > Série 2000 : Cu (2-6%) + Si, Mg > Série 6000 : Mg, Si (0,5-1,5%) + Cu, Cr > Série 7000 : Zn (5-7%), Mg (1-2%) + Cu > Série 4000 : Si (0,8-13%) > Alliages de fonderie : Al-Si ; Al-Si-Mg; Al-Cu-Mg Alliages utilisés par SAFRAN 2000, 6000, 7000, fonderie: durcissement par précipitation 1000, 3000, 5000: durcissement par écrouissage

13 Alliages d Aluminium: Applications SAFRAN Température croissante Increasing UTS ALLIAGES AS7G06 Résistance mécanique croissante AS7U1G AU5NKZr 2618,

14 Protections des alliages d Aluminium: Anodisations: Anticorrosion, préparation avant collage ou peinture. Oxydations anodiques sulfurique, chromique, phosphorique, avec ou sans colmatage. Aptitude et performance très dépendantes des alliages Moyenne pour les 2000 et 7000 contenant du Cuivre. Conversions chimiques: Anticorrosion, conduction électrique, préparation avant collage, vernis, peinture Conversion «historique» à base de Chrome hexavalent: Alodine 1200 Systèmes de peinture: Primaire anticorrosion et finition La performance anticorrosion (barrière et cicatrisation) est assurée, sur les systèmes historiques, par le Chrome hexavalent. Placage des tôles: Appliqué sur tôles minces, sur 1 ou 2 faces, obtenu par colaminage, épaisseur du clad de 2 à 8 % de la tôle. Alliages concernés: série 2000 essentiellement. 14

15 4 RÉPONSES AUX NOUVEAUX ENJEUX PRODUITS 15

16 Enjeux produits en alliages d Aluminium: Gains en performance ciblés sur: La masse: Améliorer le compromis masse/résistance: typiquement Résistance mécanique >600 MPa Améliorer la tenue en fatigue via les alliages et les procédés de mise en compression des surfaces. La tenue à l environnement: Durée de vie: exposition et fonctionnement de l ordre de h Corrosion : performance et réglementation: La majorité des protections historiques sont impactées par REACH. L effort R&T est important pour identifier et déployer les solutions techniques de substitution. Température de fonctionnement: >200 C Les coûts: Evolution des procédés de conception et de mise en œuvre 16

Aluminium-Scandium: AlMgScZr Alliages 2xxx, 7xxx hautes performances Métallurgie non conventionnelle (long

17 Réponses aux nouveaux enjeux produits: Allègement par le gain de performance via l ingénierie d alliage Métallurgie conventionnelle (court, moyen terme) Aluminium-Lithium: -4% densité, +7% rigidité / 1% de Li Aluminium-Scandium: AlMgScZr Alliages 2xxx, 7xxx hautes performances Métallurgie non conventionnelle (long terme): Composites à matrice métalliques Métallurgie des poudres Solidification rapide Matériaux nanostructurés 17

Réponses aux enjeux produits: Allègement par la maîtrise de la

appliquée à la fonderie: coulée et santé de la pièce.

des points chauds, des microstructures Santé pièce: influence des

18 Réponses aux enjeux produits: Allègement par la maîtrise de la conception et du dimensionnement: Modélisation / simulation appliquée à la fonderie: coulée et santé de la pièce. Coulée: remplissage, solidification, prédiction des retassures, des points chauds, des microstructures Santé pièce: influence des défauts de fonderie sur les caractéristiques mécaniques (travaux avec l institut PPrime) 18

19 Réponses aux enjeux produits: >10 opérations Allègement par la maîtrise de la conception et du dimensionnement: Modélisation / simulation appliquée au forgeage: Aide à la définition de la gamme de forgeage (opérations de frappe et traitements thermiques) Prévision des risques d apparition de défauts Prévision des taux de compression sur trempe fraîche Prévision des contraintes résiduelles Post trempe Post compression Simulation de remplissage d une matrice 19

Réponses aux enjeux produits: Allègement et maîtrise des coûts via les procédés de mise en œuvre:

Exemple 1: Usinage de tôles épaisses Besoin d avoir des nuances disponibles en forte épaisseur

déformation à l usinage Exemple 2: Fabrication additive + : Intérêt de l optimisation topologique,

20 Réponses aux enjeux produits: Allègement et maîtrise des coûts via les procédés de mise en œuvre: Evolution des procédés existants ou nouveaux procédés de fabrication. Exemple 1: Usinage de tôles épaisses Besoin d avoir des nuances disponibles en forte épaisseur (> mm) Travaux de simulation / modélisation pour prendre en compte les problèmes de déformation à l usinage Exemple 2: Fabrication additive + : Intérêt de l optimisation topologique, du potentiel des structures «réseaux», de l intégration de fonctions - :Maturité de la technologie et catalogues d alliages d Aluminium disponibles 20

21 Conclusion: Les alliages d Aluminium sont largement utilisés dans le domaine de la propulsion et des équipements aéronautiques. La compétition avec les matériaux composites et les alliages de Titane existe, mais les récents développements de nuances et de procédés permettent aux alliages d Aluminium de conserver leur juste place dans les applications SAFRAN. Il existe une grande variété de nuances et de procédés de mise en œuvre: Placer le bon couple nuance / procédé au bon endroit. Axes de gain en performance: Les alliages élaborés par métallurgie classique et non conventionnelle L amélioration des procédés existants et le déploiement des nouvelles technologies Étendre les pratiques de modélisation des procédés, maîtrisées sur d autres matériaux métalliques, aux alliages d Aluminium. 21

22 Merci pour votre attention. 22

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