Nouveaux matériaux pour les moteurs d'avion. Passons-les au peigne fin

Le 15 juin 2020

La fabrication aéronautique est le domaine le plus concentré de hautes et nouvelles technologies dans l’industrie manufacturière, qui appartient à la technologie de fabrication avancée. Le moteur F119 développé par HP aux États-Unis, le moteur F120 par GE, le moteur M88-2 par SNECMA en France et le moteur EJ200 développé conjointement par la Grande-Bretagne, l'Allemagne, l'Italie et l'Espagne. La caractéristique commune de ces moteurs d'avion de haute performance, qui représentent le niveau avancé mondial, est l'adoption généralisée de nouveaux matériaux, de nouveaux procédés et de nouvelles technologies. Aujourd'hui, nous allons examiner de nouveaux matériaux pour les moteurs d'avion hautes performances.

Alliage haute température

Les superalliages sont développés pour répondre aux exigences exigeantes des moteurs à réaction en matière de matériaux. Jusqu’à présent, les superalliages sont devenus une sorte de matériau clé qui ne peut être remplacé pour les composants chauds des moteurs à turbine à gaz militaires et civils. À l'heure actuelle, dans les moteurs d'avion avancés, la quantité de superalliage représente plus de 50 %.

Le développement du superalliage est étroitement lié au progrès technique des moteurs d'avion, en particulier le disque de turbine, le matériau des aubes de turbine et le processus de fabrication des composants chauds du moteur sont des symboles importants du développement du moteur. En raison des exigences élevées en matière de résistance aux températures élevées et de tolérance aux contraintes des matériaux, l'alliage Nimonic80 renforcé par Ni3 (Al, Ti) a été développé en Grande-Bretagne à un stade précoce pour être utilisé comme matériau d'aubes de turbine pour les turboréacteurs. Entre-temps, les alliages de la série Nimonic ont été successivement développés. Aux États-Unis, des alliages à base de nickel renforcés par dispersion contenant de l'aluminium et du titane ont été développés, tels que les séries d'alliages Inconel, Mar-M et Udmit développées respectivement par les sociétés Pratt & Whitney, GE et Special Metal.

Dans le développement des superalliages, le processus de fabrication joue un rôle important dans la promotion du développement des alliages. En raison de l'apparition de la technologie de fusion sous vide, de l'élimination des impuretés et des gaz nocifs dans l'alliage, en particulier du contrôle précis de la composition de l'alliage, les performances du superalliage sont constamment améliorées. Par la suite, la recherche réussie de nouvelles technologies telles que la solidification directionnelle, la croissance monocristalline, la métallurgie des poudres, l'alliage mécanique, le noyau céramique, la filtration céramique, le forgeage isotherme, etc., a favorisé le développement rapide des superalliages. Parmi eux, la technologie de solidification directionnelle est la plus importante. L'alliage directionnel et monocristallin produit par le processus de solidification directionnelle est utilisé à une température proche de 90 % du point de fusion initial. Par conséquent, toutes les pales de moteurs d’avion avancées dans le monde sont constituées d’un alliage monocristallin directionnel. Du point de vue international, les superalliages de coulée à base de nickel ont formé des systèmes de cristaux équiaxiaux, de cristaux colonnaires solidifiés directionnellement et d'alliages monocristallins. Le superalliage en poudre est également développé à partir de la première génération de disque de turbine à poudre de 650 ℃ à 750 ℃, de 850 ℃ et de disque de poudre à double performance pour les moteurs avancés hautes performances.

Développement de superalliages en Chine avec le développement des exigences de recherche et de production de moteurs d'avion. L'alliage à haute température et l'entrepreneuriat en Chine ont commencé dans les années 1970, en raison de la demande de moteurs de première et deuxième génération dans notre pays, la recherche et le développement de notre pays, la déformation de la série GH de l'alliage à haute température et la série K de coulée à haute température alliage, a développé en même temps de nombreuses nouvelles technologies de fabrication, telles que la fusion et le moulage sous vide, le moulage à lame creuse, le forgeage isotherme, etc.

Après les années 1970, dans le développement des superalliages, la Chine a introduit la technologie européenne et américaine, selon les normes techniques étrangères pour le développement et la production, la pureté des matériaux et la performance globale des exigences plus élevées, le développement de superalliages de déformation à haute performance et de superalliages de coulée. En particulier, la recherche et le développement de l'alliage colonnaire solidifié directionnel de la série DZ et de l'alliage monocristallin de la série DD ont amené la technologie de production et le contrôle de la qualité des produits des superalliages chinois à un nouveau niveau.

Acier à très haute résistance

L'acier à ultra haute résistance est utilisé comme matériau pour les trains d'atterrissage des avions. Le matériau du train d'atterrissage d'avion de deuxième génération est l'acier 30CrMnSiNi2A, résistance à la traction de 1700MPa, ce train d'atterrissage a une courte durée de vie, environ 2000 heures de vol.

La troisième génération d'avions de combat est conçue pour avoir une durée de vie du train d'atterrissage de plus de 5,000 300 heures de vol. Dans le même temps, en raison de l'augmentation des équipements aéroportés, le coefficient de poids de la structure de l'avion diminue, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de sélection des matériaux et de technologie de fabrication des trains d'atterrissage. Les avions américains et chinois de troisième génération utilisent la technologie de fabrication de trains d'atterrissage en acier 1950M (résistance à la traction XNUMX MPa).

Il convient de noter que l’amélioration de la technologie d’application des matériaux entraîne également une prolongation supplémentaire de la durée de vie des trains d’atterrissage et une expansion de l’adaptabilité. Par exemple, le train d'atterrissage de l'Airbus A380 adopte une technologie de forgeage intégrale de très grande taille, une nouvelle technologie de traitement thermique de protection de l'atmosphère et une technologie de pulvérisation à la flamme à grande vitesse, afin que la durée de vie du train d'atterrissage puisse répondre aux exigences de conception. Ainsi, les progrès des nouveaux matériaux et technologies de fabrication ont permis le remplacement des avions.

L'acier AerMet100 a le même niveau de résistance que l'acier 300M, tandis que la résistance générale à la corrosion et la résistance à la corrosion sous contrainte sont nettement meilleures que l'acier 300M. La technologie de fabrication de trains d'atterrissage correspondante a été appliquée aux F/A-18E/F, F-22, F-35 et à d'autres avions avancés. L'acier Aermet310, à plus haute résistance, a une ténacité à la rupture inférieure et est à l'étude. L'acier à ultra haute résistance AF1410 à tolérance aux dommages a un taux de croissance des fissures très lent et est utilisé comme joint de cylindre d'actionneur d'aile d'avion b-1, qui est 10.6 % plus léger que le TI-6al-4V, 60 % plus élevé en performances d'usinage et 30.3 % de coût inférieur. Le MIG-1.42 russe UTILISE jusqu'à 30 % d'acier inoxydable à haute résistance. Le Ph13-8mo est le seul acier inoxydable martensitique à haute résistance trempé par précipitation, largement utilisé comme composants résistants à la corrosion. Des résultats préliminaires ont été obtenus en explorant l’acier inoxydable à ultra haute résistance en Chine.

Des aciers pour engrenages (roulements) à très haute résistance, tels que CSS-42L et GearmetC69, ont été développés à l'étranger et testés dans les moteurs, les hélicoptères et l'aérospatiale. La technologie des matériaux de transmission des moteurs et des hélicoptères est très en retard en Chine. L'Institut de recherche sur les matériaux aéronautiques de Pékin a étudié et développé de manière indépendante une sorte d'acier pour engrenages à roulements à ultra haute résistance.

Composé intermétallique

Le développement de moteurs d’avion à hautes performances et à rapport poussée/poids élevé favorise le développement et l’application de composés intermétalliques. Aujourd'hui, les composés intermétalliques se sont développés en diverses familles, généralement composées d'éléments métalliques binaires, ternaires ou multiéléments. Les composés intermétalliques ont un grand potentiel dans les applications structurelles à haute température, avec une température de service élevée, une résistance spécifique et une conductivité thermique, en particulier à haute température, ainsi qu'une excellente résistance à l'oxydation, une résistance à la corrosion et une résistance élevée au fluage. De plus, le composé intermétallique étant un nouveau matériau entre le superalliage et le matériau céramique, il comble le vide entre ces deux matériaux, devenant ainsi l'un des matériaux idéaux pour les composants haute température des moteurs d'avion.

À l’heure actuelle, les composés intermétalliques tels que le ti-Al et le Ni-Al sont principalement destinés à la recherche et au développement de structures de moteurs d’avion. Ces composés titane-aluminium ont à peu près la même densité que le titane, mais ont des températures plus élevées. Par exemple, la température de fonctionnement était respectivement de 816 ℃ et 982 ℃. En raison de la forte force de liaison entre les atomes et de la structure cristalline complexe, le composé intermétallique est difficile à déformer et apparaît dur et cassant à température ambiante. À l'heure actuelle, après de nombreuses années de recherche expérimentale, un nouvel alliage présentant une résistance à haute température, une plasticité et une ténacité à température ambiante a été développé et installé avec de bons résultats. Par exemple, le moteur F119 haute performance aux États-Unis UTILISE des composés intermétalliques dans son carter externe et son disque de turbine, tandis que les aubes et le disque du compresseur du moteur F120 dans la machine de vérification adoptent de nouveaux composés intermétalliques en titane et en aluminium.

Composites à matrice céramique

Lorsqu’il s’agit de céramique, il est naturel de penser à des éléments fragiles. Il y a plus de dix ans, s'il est utilisé dans le domaine de l'ingénierie des pièces de roulements, personne ne peut l'accepter, jusqu'à présent pour les matériaux composites céramiques, peut-être que certaines personnes ne le savent pas, et ne pensent pas non plus que la céramique et le métal étaient à l'origine deux matériaux de base liés, mais depuis que les gens ont recherché la combinaison ingénieuse de la céramique et du métal, des changements fondamentaux ont eu lieu dans le concept du matériau, à savoir les composites à matrice céramique.

Les composites à matrice céramique sont de nouveaux matériaux structurels prometteurs dans l’industrie aéronautique, en particulier dans la fabrication de moteurs d’avion. Les composites à matrice céramique présentent non seulement les avantages d'une légèreté et d'une dureté élevée, mais présentent également une excellente résistance à la corrosion à haute température et à haute température. À l’heure actuelle, les composites à matrice céramique sont plus résistants aux températures élevées que les matériaux métalliques et possèdent d’excellentes propriétés mécaniques et stabilité chimique. Ce sont des matériaux idéaux pour les zones à haute température des turbomachines hautes performances.

À l'heure actuelle, tous les pays du monde se concentrent sur la recherche de matériaux céramiques renforcés de nitrure de silicium et de carbure de silicium en fonction des exigences matérielles de la prochaine génération de moteurs avancés, et de grands progrès ont été réalisés. Par exemple, le moteur F120 du vérificateur américain, son dispositif d'étanchéité de turbine haute pression et certaines parties haute température de la chambre de combustion sont constitués de matériaux céramiques. La chambre de combustion et la tuyère du moteur français M88-2 sont également constituées de composites à matrice céramique.

Composites carbone/carbone

Ces dernières années, le composite à matrice C/C est un nouveau matériau plus résistant aux hautes températures. Jusqu'à présent, seul le matériau composite C/C est considéré comme le seul matériau successeur pour les pales de rotor de turbine avec un rapport poussée/poids supérieur à 20 et une température d'entrée du moteur allant jusqu'à 1930-2227℃. Il s’agit du matériau résistant aux hautes températures développé par les États-Unis au 21e siècle et de l’objectif le plus élevé poursuivi par les pays industriels avancés du monde. Les composites à matrice C/C, composites de base en carbone renforcés de fibres de carbone, combinent les propriétés fusibles du carbone avec la haute résistance et la rigidité de la fibre de carbone pour présenter une rupture non fragile. En raison de son poids léger, de sa haute résistance, de sa stabilité thermique supérieure et de son excellente conductivité thermique, c'est le matériau haute température le plus idéal de nos jours. Surtout dans un environnement à haute température de 1000 1300 à 1,650 XNUMX ℃, sa résistance ne diminue pas, mais augmente. Il conserve la résistance et la grâce d’un environnement à température ambiante à des températures inférieures à XNUMX XNUMX degrés Celsius. Par conséquent, les composites à matrice C/C ont un grand avenir dans l’industrie aérospatiale.

Le principal problème de l’application du composite à matrice C/C dans les moteurs d’avion est sa faible performance antioxydante. Ces dernières années, les États-Unis ont pris une série de mesures technologiques pour résoudre ce problème et les ont progressivement appliquées aux nouveaux moteurs. Par exemple, la tuyère de postcombustion du moteur F119 aux États-Unis, la tuyère et la tuyère de la chambre de combustion du moteur F100 et certaines parties de la chambre de combustion de la machine de vérification F120 ont été constituées de matériaux composites à matrice C/C. Le moteur français M88-2, la tige de combustible de postcombustion du moteur Mirage 2000, le bouclier thermique, la tuyère et d'autres matériaux composites à matrice C/C sont également utilisés.

Composites à matrice de résine

La recherche sur les composites à matrice de résine dans les applications aérospatiales de la recherche sur les turboréacteurs à double flux a commencé dans les années 1950, après plus de 60 ans de développement, GE, PW, RR et MTU et la société SNECMA ont investi beaucoup d'énergie dans la recherche et le développement de matériaux composites à matrice de résine, de grands progrès a été réalisé, aura son application technique aux turboréacteurs à double flux d'avion actifs, ainsi que les tendances de développement ultérieures de ceux-ci.

La température de service des composites à matrice de résine ne dépasse généralement pas 350 ℃. Par conséquent, les composites à matrice de résine sont principalement utilisés dans la partie froide des moteurs d’avion. Les principales applications des composites à matrice de résine dans les moteurs d'avions avancés étrangers sont présentées sur la figure.

Pale de ventilateur : La pale de ventilateur du moteur est la partie la plus représentative et la plus importante du moteur à double flux. Les performances des turboréacteurs à double flux sont étroitement liées à leur développement. Par rapport aux pales de ventilateur en alliage de titane, les pales de ventilateur en composite à matrice de résine présentent des avantages évidents en matière de perte de poids. En plus de l'avantage évident en matière de perte de poids, les pales de ventilateur composites à matrice de résine ont moins d'impact sur le boîtier du ventilateur après avoir été impactées, ce qui favorise l'amélioration du caractère inclusif du boîtier du ventilateur.

À l'heure actuelle, les principaux représentants des pales de soufflante composites utilisées commercialement à l'étranger sont les moteurs de la série GE90 pour le B777, les moteurs GEnx pour le B787 et les moteurs Leap-X pour le ComAC C919. En 1995, le moteur GE90-94B doté de pales de soufflante en composite à matrice de résine a été mis en service commercial, marquant la réalisation formelle des applications techniques des composites à matrice de résine dans les moteurs d'avion modernes de haute performance. Sur la base d'une prise en compte approfondie de l'aérodynamique, du cycle de fatigue à cycle élevé et faible et d'autres facteurs, GE a développé de nouvelles pales de ventilateur composites pour les moteurs GE90-115B ultérieurs.

Au 21ème siècle, la forte demande de matériaux composites à haute tolérance aux dommages dans les moteurs d'avion stimule le développement de la technologie des matériaux composites. Cependant, il est difficile de répondre à l’exigence d’une tolérance élevée aux dommages en améliorant la ténacité du préimprégné de fibre de carbone/résine époxy. Dans ce contexte, les pales de ventilateur composites tressées 3D ont vu le jour.

Boîtier de ventilateur : Le boîtier de ventilateur est le plus grand composant statique d'un moteur d'avion, et sa réduction de poids affectera directement le rapport poussée/poids et l'efficacité du moteur d'avion. Par conséquent, les équipementiers étrangers de moteurs d’avion avancés se sont engagés à réduire le poids et à optimiser la structure du carter de soufflante. Comme le montre la figure, la tendance de développement du carter de soufflante des moteurs d'avion avancés étrangers est illustrée.

Capuchon de ventilateur : Comme il ne s'agit pas du principal composant porteur, le capuchon de ventilateur est l'un des premiers composants composites utilisés dans les moteurs d'avion. Le capuchon de ventilateur composite offre un poids plus léger, une structure anti-givre simplifiée, une meilleure résistance à la corrosion et une meilleure résistance à la fatigue.

À l'heure actuelle, des composites à matrice de résine ont été utilisés pour préparer les capuchons de ventilateur des moteurs RR RB211, PW PW1000G et PW4000.

Par rapport au moteur principal, les composites à matrice de résine ont un espace d'application plus large dans les nacelles des moteurs d'avion, comme le montre la figure. Selon les données, les fabricants étrangers ont utilisé le matériau composite à matrice de résine dans l'entrée d'air nacl, le carénage, le dispositif de poussée et la doublure de réduction du bruit.

Autres pièces selon les données, dans la plaque de guidage du ventilateur du moteur aéronautique, le couvercle du joint de roulement, la plaque de recouvrement et d'autres pièces également à différents degrés d'application du composite à matrice de résine.

Composites à matrice métallique

Comparés aux composites à matrice de résine, les composites à matrice métallique ont une bonne ténacité, aucune absorption d'humidité et peuvent résister à des températures élevées. Les fibres renforcées des composites à matrice métallique comprennent des fibres métalliques, telles que l'acier inoxydable, le tungstène, le quilt, le ni, les composés intermétalliques ni-Al, etc. Les fibres céramiques, telles que l'alumine, l'oxyde de silicium, le carbone, le bore, le carbure de silicium, le nitrure de bore, etc.

Les matériaux de matrice des composites à matrice métallique sont l'aluminium, l'alliage d'aluminium, le magnésium, l'alliage Qinhe Qinhe, l'alliage résistant à la chaleur, l'alliage de forage, etc. L'alliage aluminium-keng, le ferro-alliage Qinhe comme matériau composite de base, est actuellement le principal choix. Par exemple, des composites à matrice en alliage renforcé de fibres de carbure de silicium peuvent être utilisés pour fabriquer des aubes de compresseur. Des composites à matrice de magnésium ou d'alliage de magnésium renforcés de fibres de carbone ou de fibres d'alumine peuvent être utilisés pour fabriquer des aubes de ventilateur de turbine. Par exemple, des composites à matrice en alliage à base de nickel renforcés de fibres de nickel-chrome-aluminium-iridium peuvent être utilisés pour fabriquer des éléments d'étanchéité pour turbines et compresseurs.

D'autres pièces, telles que le carter du ventilateur, le rotor, le disque du compresseur, etc., sont fabriquées à l'étranger en composite à matrice métallique. Cependant, l'un des plus gros problèmes de ce type de matériau composite est que la réaction entre la fibre renforcée et le métal de la matrice produit facilement une phase fragile, ce qui aggrave les performances du matériau. Surtout à des températures plus élevées et pendant une longue période, la réaction d'interface est plus importante. À l'heure actuelle, la solution consiste à ajouter un revêtement approprié sur la surface des fibres en fonction des différentes fibres et des différentes matrices, et à allier le métal de la matrice pour ralentir la réaction d'interface et maintenir la fiabilité des propriétés du composite.