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TITRE : MATERIAUX POUR MOTEURS D’AVIONS DU PRESENT ET DE L’AVENIR

Temps de préparation : 2h15 Temps de présentation devant le jury : 10 mn Entretien avec le jury : 10 minutes Le dossier fourni comporte 13 pages dont 4 pages d'annexes

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LES MATERIAUX POUR MOTEURS D’AVIONS DU PRESENT ET DE L’AVENIR :

LES ALLIAGES A BASE DE NICKEL POUR DISQUES,LES COMPOSES INTERMETALLIQUES,

LES COMPOSITES CERAMIQUES.

André WALDERDépartement Matériaux et Systèmes CompositesONERA, BP ‘72 ,92322 Chatillon Cedex, France

Les moteurs aéronautiques sont des machines complexes qui font appel à des technologies avancées et à desmatériaux de pointe. Le souci principal des concepteurs est d’obtenir une grande sécurité de fonctionnementassociée à un rendement thermodynamique élevé, pour une masse du moteur la plus réduite possible. Larecherche d’une optimisation du rendement conduit, entre autres, à augmenter la température des gaz issus de lacombustion, donc celle des différents éléments du moteur, et à accroître le taux de compression de l’air devant lachambre de combustion. La nécessité de réduire la masse conduit les concepteurs vers des matériaux dont ladensité est aussi faible que possible.

Le choix des matériaux s’est donc orienté vers :

- des alliages à hautes performances pour les pièces métalliques tournantes qui interagissent avec les gazavant - compresseur HP - ou après la chambre de combustion : les superalliages à base de nickel,polycristallins pour les disques et monocristallins pour les aubes,

- des alliages nouveaux à faible densité, mais très réfractaires pour des pièces de carter : les composésintermétalliques,

- des composites réfractaires pour des pièces en contact avec les gaz en aval du moteur proprement dit :les composites céramiques,

- des composites à matrice métallique, généralement à base de titane, et à fibres de Sic, pour desdisques nouvelle génération.

Seuls les alliages à base de nickel pour disques, les composés intermétalliques et les composites céramiques,vont être décrits successivement.

1. LES SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL POUR DISQUES DE TURBOMACHINES

Les disques, sur lesquels sont fixées les aubes, font partie des pièces essentielles dont la rupture est interdite, carelle entraînerait non seulement la perte du moteur mais également celle de l’avion. En cas de rupture d’une aube,cette dernière peut être contenue à l’intérieur du moteur car sa masse est faible ; par contre un disque est unepièce massive dont les morceaux auraient une telle énergie cinétique qu’aucun renfort de taille raisonnable neserait capable de les contenir. 11 est donc impératif que les matériaux utilisés pour réaliser ces pièces présententun ensemble de propriétés qui garantissent leur parfaite intégrité pendant toute la durée de vie. La figure 1présente le disque de turbine haute pression du moteur MS8 de la SNECMA qui équipe le Rafale de Dassault.

1 . 1 . Généralités

Les alliages utilisés pour les disques les plus chauds -étages haute pression du compresseur et étages de laturbine- sont à base de nickel, du même type que ceux utilisés pour les aubes, mais avec des différences dans lanature et dans les concentrations en éléments d’addition.

Les qualités demandées à ces alliages, à des températures voisines de 650 à 700 “C, sont :

- une résistance élevée à la rupture : R = 1200 à 1300 MPa, b,Z 2 1000 MPa, associées à une ductilitésuffisante,- une bonne tenue au fluage,

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- une résistance à la propagation des fissures en fatigue - fluage (cycles du moteur) en interaction avecl’environnement,- une densité aussi basse que possible, autour de 8 (nickel = 8,s).

En résumant on peut dire que ces matériaux travaillent à température moyenne sous des contraintes élevées.

Ces alliages (1) basés sur le système Ni-Al (figure 2) sont biphasés. Ils sont constitués d’une matrice cubique àfaces centrées y, riche en nickel, dans laquelle est répartie une phase durcissante, le composé intermétalliqueordonné N&A1 (y’) de même structure. Quelques alliages sont triphasés et sont basés sur le système Ni-Al-Nb(figure 3), les phases durcissantes étant N&A1 et Ni,Nb. Dans la réalité ces alliages comportent de nombreuxautres éléments d’addition, chacun intervenant pour conférer à l’alliage les propriétés requises, à savoir d’unefaçon schématique :

- l’aluminium : formation de la phase y’, résistance à l’oxydation,- le cobalt : mise en forme, tenue au fluage,- le chrome : résistance à l’oxydation et à la corrosion, durcissement de la phase y (2)- le titane : durcissement de y’ en se substituant à l’aluminium,- le niobium et le tantale : même rôle que le titane et selon la concentration, formation de la phaseNi,Nb,- le molybdène et le tungstène : durcissement en solution solide de la phase y (2).

A ces éléments majoritaires, sont associés des éléments minoritaires à des concentrations généralementinférieures à 0,l % en masse, comme :

- le carbone qui forme différents carbures avec certains des élements d’addition comme le chrome, letitane et les éléments lourds,- le bore (3), le zirconium, plus rarement le hafnium qui interviennent dans la cohésion des joints degrains.

Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de la composition de ces alliages (% en masse), le nickelconstituant la base.

La figure 4 montre un exemple de microstructure d’un tel alliage, la phase y’ apparaissant en blanc.

Classiquement le taux de phase y’ est compris entre 45 % et 55 %, donc notablement plus faible que dans lesalliages pour aubes utilisés à plus haute température.

Dans la réalité les éléments d’addition se répartissent entre les deux phases, certains majoritairement dans y, lesautres dans y’. A titre d’exemple le tableau ci-dessous donne en % atomique la répartition, obtenue par analyselocale à la sonde atomique (Université de Rouen), des éléments d’addition majoritaires entre la phase y et laphase y’ en comparaison avec la composition de l’alliage.

Ni CO Cr Mo Al Ti NbAlliage 56,6 10,5 14,9 2,9 g,6 2,5 328Phase y 43,6 13,s 34,2 5,4 I,5 0,4 0,9Phase y’ 63,s 7,l 2,7 135 14,2 4,7 5,g

1 . 2 . Elaboration des alliages et fabrication des disques

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Jusqu’à un passé récent, tous les disques étaient fabriqués par coulée puis forgeage ; encore actuellement lamajorité d’entre eux sont fabriqués ainsi. Par exemple, parmi les alliages coulés forgés, I’INCO 718, utiliséjusqu’à environ 600 “C, représente à lui seul environ 50 % en masse des disques fabriqués dans le monde.

Plus récemment au cours des vingt ou trente dernières années, la demande des motoristes pour des matériauxpouvant être utilisés à plus haute température a conduit à étudier des alliages plus chargés en élémentsdurcissants donnant lieu, lors de la coulée, à de la ségrégation qui en interdisait le forgeage ou le rendaitdifficile. Par ailleurs la fabrication de pièces de plus grande taille pour de plus grosses machines conduisait, enraison de la quantité de matière mise en œuvre, à de la macrocristallisation associée à de la ségrégation.

Pour faire face à ces difficultés, les métallurgistes se sont tournés vers « la métallurgie des poudres préalliées ))(4) dont le principe consiste à transformer un lingot de l’alliage à l’état fondu, en une poudre dont chaqueélément est un microlingot, puis à densifier cette poudre pour aboutir à une pièce massive. La ségrégation deséléments, qui existe toujours, est ramenée à l’échelle de la taille de la poudre (typiquement inférieure à 100 umet même à 63 voire 45 um) dont la vitesse de solidification atteint 104 à 105 Wsec. Elle ne constitue plus unegêne pour les transformations thermomécaniques ultérieures. Par ailleurs la densification étant faite à unetempérature inférieure au solidus de l’alliage, il est possible de contrôler la taille du grain métallurgique et d’enéviter toute croissance anormale.

Industriellement les poudres sont produites par action de jets d’argon sous pression sur un écoulement d’alliageliquide dans des tours dites d’atomisation. La figure 5 montre l’aspect des poudres obtenues par ce procédé.

La densification, pour aboutir à la pièce massive, est faite en plaçant la poudre sous vide dans une enveloppemétallique scellée, généralement en acier inoxydable, puis en agissant par l’action d’une pression à hautetempérature. Actuellement le procédé utilisé pour effectuer cette opération est l’extrusion, qui a été préféré aupressage isostatique pour des raisons de microstructure du matériau obtenu. Les presses d’extrusion nécessairespour des fabrications industrielles sont dans la gamme des 20.000 à 35.000 tonnes et permettent d’obtenir desbarres de 200 mm de diamètre.

Le matériau densifié est ensuite forgé en conditions isothermes entre matrices de forme, afin de rapprocher sagéométrie et ses dimensions de celles de la pièce souhaitée et d’agir sur la microstructure.Dans une dernière étape, avant usinage et contrôle, la pièce est traitée thermiquement, généralement en troisétapes, pour contrôler la taille du grain, la répartition de la phase durcissante y’ dans les grains et celle descarbures dans les joints de grains.

1 .3 . Contraintes imposées par la métallurgie des poudres

L’utilisation de poudres impose un niveau de propreté élevé dans toutes les étapes où celles-ci sont mises enœuvre. Après leur production, il est nécessaire d’éviter toute contamination par des poussières de toute nature etpar des poudres d’autres alliages.Une contamination par des céramiques est néanmoins inévitable, provenant du creuset de coulée et des élémentscéramiques de la tour d’atomisation. Pour limiter l’effet de ces inclusions, susceptibles de favoriser l’amorçagede fissures, les poudres sont tamisées à des tailles de particules les plus fines possibles, compatibles avec uneéconomie raisonnable de la production, afin d’éliminer les inclusions les plus grossières. De nombreux travauxont été menés, notamment à la SNECMA, pour prévoir l’effet de ces inclusions sur l’amorçage de fissures.

1 . 4. Stabilité structurale des alliages

Lors de maintiens prolongés en utilisation à des températures supérieures à environ 600 “C, la microstructure desalliages est susceptible de se modifier, notamment la distribution de la phase y’ fine. Mais la plupart des alliagesdonnent lieu, plus ou moins selon leur composition, à des modifications microstruturales plus profondes, avecformation de phases fragilisantes, dites « topologiquement compactes », de type o ou u, Ces phases se formenten position inter ou intra-granulaire, souvent à partir de carbures. Leur cinétique de formation qui est fortementdépendante de la durée et de la température de maintien, impose des limites aux conditions d’utilisation desalliages. La figure 6 montre des phases de ce type formées à partir de carbures intergranulaires et des phasesintragranulaires.

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1 .5. Développement de nouveaux alliages

11 y a vingt ans tous les alliages pour disques étaient d’origine américaine ou anglaise, essentiellement issus destravaux menés chez General Electric, Pratt & Whitney et Wiggin, et souvent dérivés des alliages pour aubes.

Le lancement du programme MS8 par la SNECMA pour le moteur du Rafale au début des années 80, a conduit àmener des études conjointes entre la SNECMA, I¶ONER.A, le Centre des Matériaux de 1’Ecole des Mines deParis et Imphy.SA, pour mettre au point un nouvel alliage répondant aux critères de dimensionement définis parle motoriste. Parmi les critères imposés, l’alliage devait être « tolérant au dommage )X c’est-à-dire posséder unerésistance accrue à la propagation des fissures à partir d’un défaut, dans des conditions de cyclage de lacontrainte et en interaction avec l’environnement.Les travaux ont abouti à l’alliage N18 (5) de composition (% en masse) : Ni - 15,2 CO - Il,4 Cr - 4,3 Al - 4,3 Ti- 6,4 Mo - 0,5 Hf - 0,013 B - 0,03 Zr - 0 013 C, et dont le brevet (6) a été déposé en copropriété par les quatrepartenaires. Cet alliage est utilisable jusqu’à environ 700 “C ; au delà il y a formation de phases fragilisantes lorsde maintiens prolongés.

Pour accéder à des températures d’utilisation supérieures à 700 “C, de nouveaux alliages thermodynamiquementstables ont été mis au point et brevetés par I’ONERA et la SNECMA (7, 8).

1 . 6. Propriétés mécaniques des alliages

La figure 7 donne l’évolution des propriétés mécaniques en traction en fonction de la température pour diversalliages. Seuls 1’Astroloy et le N18 sont élaborés par métallurgie des poudres, les autres relèvent de la voietraditionnelle de la coulée suivie de forgeage.

La charge à rupture et la limite élastique à 0,2 % restent sensiblement constantes jusqu’à 600 “C. Au delà cespropriétés décroissent mais restent à un niveau élevé puisqu’à 700 “C ces deux paramètres sont encoresupérieurs à 1000 MPa pour les meilleurs alliages. A noter que l’allongement à rupture est proche de 20 %.

La figure 8 présente les propriétés en fluage pour une rupture au bout de 500 heures, en fonction de latempérature pour plusieurs alliages et la figure 9 la résistance comparée à la propagation des fissures à l’air à650 OC pour un cycle de chargement qui présente un palier de 300 secondes à la contrainte maximale,représentatif des conditions de fonctionnement d’une turbine aéronautique.

2. LES COMPOSES INTERMETALLIQUES

Les composés intermétalliques (9) sont constitués par la combinaison de deux ou plusieurs métaux. Ilscorrespondent à une composition définie ou à une fourchette de composition plus ou moins large, avec desrapports de concentrations atomiques simples (50150, 67133, 75125, 50/25/25) en raison de l’agencementcristallographique ordonné des atomes. Le réseau cristallin n’est généralement pas en rapport avec celui deséléments constituants.

Des exemples types de ces matériaux sont N&A1 et Ni,Nb qui sont des phases renforçantes des alliages à base denickel, NiAl qui est utilisé pour la protection des aubes, TiAl, Ti,Al, MoSi,...Ceux qui sont cités ici sont desbinaires mais il en existe dans les ternaires et dans la combinaison de plusieurs éléments métalliques, sauf dansle cas où ils forment entre eux une solution solide continue. Le nombre des composés possibles est donc trèsgrand.

Leurs atouts sont un haut point de fusion, une faible diffusivité des éléments constituants, un module d’élasticitéélevé. Leur défaut principal est, à l’état polycristallin, une fragilité importante à la température ambiante, prochede celle des céramiques, si l’on excepte le composé CuZn qui est utilisé en brasage, mais avec une transitionfragile-ductile à une température qui permet de les mettre en œuvre au delà de cette transition. Ils allient larésistance en température des céramiques à la malléabilité des métaux.

Le but des recherches qui sont menées actuellement est de trouver des matériaux possédant des propriétésmécaniques meilleures que celles des alliages existants, à moyenne température, jusqu’à 800 “C. Pour l’instant ce

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sont surtout ceux contenant de l’aluminium qui sont étudiés, en raison de leur faible densité associée à unebonne résistance à l’oxydation, notamment les aluminiures de titane, de fer et de nickel.

2. 1 . Alliages étudiés

Les études qui sont conduites sur ces matériaux visent à leur conférer des propriétés mécaniques élevéesassociées à une ductilité compatibles avec une application industrielle, surtout en aéronautique. Elles consistent àmodifier leur composition par ajout d’éléments métalliques comme Nb, Ta, Cr, C O, Mo, W, Fe, Re, à desconcentrations de 2 à 10 % atomiques (additions majeures), dont le rôle consiste à les durcir en solution solideou à développer la présence de plusieurs phases (multiphasage). Une autre voie, qui peut être utiliséeparallèlement à la précédente, consiste à ajouter des éléments à ségrégation intergranulaire comme le bore, à defaibles concentrations (additions mineures). Par exemple la ductilité de N&A1 polycristallin est notablementaméliorée par de faibles additions de bore.

Dans le domaine de TiAl, beaucoup de travaux ont été effectués aux USA, en particulier par Général Electric,qui a développé un alliage pour applications dans les turbomachines, dont la composition atomique est : Ti-48Al-2Cr-2Nb. Sur cette base de nombreuses études (10) ont été menées pour étudier l’effet des élémentsmétalliques sur les propriétés de ce composé.

2.2. Propriétés d’usage

Dans le tableau ci-dessous sont présentées les propriétés les plus courantes des aluminiures de titane, fer etnickel, qui constituent les matériaux qui ont donné lieu au plus grand nombre d’études ; les propriétésmécaniques sont données pour la température ambiante. Il faut noter que celles-ci dépendent fortement de lamicrostructure du matériau. Ceci constitue un moyen d’action pour optimiser ces propriétés et obtenir le boncompromis requit par une application.

Massevolumique

g/cm’Point defusion “CModuled’Young

GPa%,z MPaRm MPa

K,,MPa.m”2

Ti,AI TiAI

4,23 3,81

1600 1440

120-145 160-175

700-1000 300-600800-l 150 400-800

13-30 1 o-22

TiAI, Fe,Al

3,35 672

1367 1540

170-230 140

170-600 400-800170-600 700-1000

FeAl N&A1 NiAI

5,56 7,45 5,91

1250 1395 1638

260 170-180 190

500-800 200-350 200-700600-I 100 300-1400 250-700

30-55 4-6

L’évolution de R,,* en MPa, en fonction de la température, pour six de ces composés, est donnée dans le tableausuivant.

TempératureOC400500600800

T&A1 TiAl Fe,Al FeAI NiSA1 NiAl

600-900 300-600 300-600 500-650 500-800 200-1000600-850 300-600 300-500 500-550 550-850 200-1000600-800 300-600 250-450 350-450 600-900 150-900500-600 300-500 50-120 75-150 500-900 100-800

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2 .3 . Mise en œuvre

A l’heure actuelle trois voies d’élaboration principales sont utilisées pour la mise en œuvre de ces matériaux : lafonderie (1 l), le corroyage et la métallurgie des poudres.

2 .3 . 1 . Filière fonderie

L’intérêt du procédé repose sur la variété des formes et des dimensions des pièces pouvant être obtenues et surson faible coût de revient. 11 peut être utilisé pour la réalisation de pièces aéronautiques telles que carters etredresseurs. Toutefois les structures obtenues ne sont pas aussi favorables que pour la voie corroyage ; il estégalement préférable de fermer les porosités de solidification par une opération de pressage isostatique à chaud.

2.3 .2. Filière corroyage

La filière corroyage utilise le forgeage, de préférence isotherme (12), avec des vitesses de déformation voisinesde 10” s-’ et des températures comprises entre 1000 et 1300 “C. Le laminage, qui reste délicat à mettre en œuvre,est également utilisé pour produire des produits minces ; il est souvent précédé d’une étape de forgeage. Dans lecas des alliages TiAl, il conduit à des matériaux dont la taille du grain est comprise entre 10 et 30 um. Danscelui de Fe,AI, à partir d’un produit filé ou forgé dans un domaine de température compris entre 900 et 1200 “C,il est possible d’obtenir des tôles entre 500 et 600 “C, dont la ductilité à température ambiante atteint 15 à 20 %.Enfin le filage est utilisé à des températures supérieures à 1000 “C pour Ti,Al, de 1100 à 1350 “C pour TiAl et900 *C pour NiAl.

2 .3 .3 . Filière métallurgie des poudres

Comme pour les alliages à base de nickel pour disques, la métallurgie des poudres permet d’obtenir desstructures fines et exemptes de macroségrégations. Les poudres préalliées sont produites soit par pulvérisationd’alliage préalablement coulé, soit par mécanosynthèse ; on peut également opérer par simple mélange depoudres suivi d’un frittage réactif. La densification est ensuite réalisée en plaçant la matière sous vide dans desgaines étanches, puis en effectuant une opération de filage ou de pressage isostatique.

2 . 4 . Applications

A l’heure actuelle les applications de ces nouveaux matériaux restent encore limitées.

Parmi les divers matériaux évoqués, c’est surtout TiAI qui fait l’objet d’un développement en aéronautique. Ilest envisagé pour des carters de compresseurs HP, des carters diffuseurs, des redresseurs et des aubes et rotors deturbine BP. Des études en ce sens sont menées en France à la SNECMA (MSS et AMET franco-britannique) etchez Turbomeca (démonstrateur ATHENA) ; aux USA chez General Electric (rotor de turbine BP du CF6-SOCet dans l’avenir sur le GE90), Pratt et Whitney en association avec MTU (aubes en Ti,,Al,,Cr,). Il est égalementenvisagé de fabriquer des structures nids d’abeilles à partir de tôle minces.FeAl est envisagé pour des pièces de boulonnerie, certains éléments de trains d’atterrissage, des arbres depuissance (Turbomeca), des buses et des canalisations d’injection. Des aubes monocristallines en NiAl ont étéélaborées par GE. Enfin la seule application connue de Ni,Al concerne un distributeur d’aubes fixes.

Dans les domaines hors aéronautiques, TiAl a été utilisé en essais avec succès pour des soupapes par GE, GM,Volvo, DB et Ford. Les constructeurs japonais utilisent en essais ou vont utiliser TiAl pour des soupapes, desrotors de turbocompresseurs, des pistons.Les aluminiures de fer sont applicables pour des systèmes de conversion du charbon en raison de leur excellentetenue à la corrosion, et d’une façon générale sont des alliages susceptibles de remplacer les aciers inoxydablesdans de nombreuses applications.Enfm Ni,AI, sous une forme multiphasée, dont la résistance à l’oxydation et à la corrosion est excellente, estenvisagé pour des rotors de turbines hydrauliques, des soupapes et des pistons, des composants de fours, desmoules de fonderie...

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3. LES COMPOSITES A MATRICE CERAMIQUE

Les composites céramiques sont des matériaux nouveaux qui ont commencé à être étudiés au début des années80 (et même des années 50 pour les C / C) et qui ont fait l’objet de nombreux travaux au cours des dix dernièresannées. Comme les autres composites, organiques notamment, ils sont composés d’un renfort constitué de fibres,le plus souvent longues mais quelquefois courtes, liées entre elles par une matrice qui transmet l’effort appliquéa la pièce. Toutefois dans ces composites, destinés à être utilisés à haute température, les fibres et la matrice sonttoutes deux des céramiques, identiques ou différentes.

Les céramiques monolithiques sont connues pour leur fragilité qui réserve leur application à des pièces dont larupture n’aura pas de conséquences graves en utilisation. Le « paradoxe » des composites céramiques est que le(( mariage » de deux composés fragiles conduit à un matériau à caractère ductile, sans atteindre lescaractéristiques des alliages métalliques. Ceci est dû au fait qu’en présence de fibres longues, l’endommagementdu composite se caractérise, au delà de la limite élastique de la matrice, par une multifissuration de celle-ci sansrupture des fibres. Ceci ne se produit que si les fibres et la matrice peuvent se désolidariser le long de l’interface,ce qui suppose que leur liaison n’est pas trop forte.

L’intérêt de ces matériaux (13, 14) réside dans une densité proche de 2,5, alors que celle des superalliages estsituée autour de 8, et dans leur réfractairité qui permet d’envisager de les utiliser à haute température, pourl’instant jusqu’à environ 1000 ou 1200 “C, mais avec des perspectives jusqu’à 14OO’C et au-delà, c’est à diredans un domaine de température totalement inaccessible aux meilleurs alliages actuels dont le point de fusion sesitue vers 1300 “C. A ceci s’ajoutent les autres caractéristiques des céramiques, à savoir leur faible conductivitéthermique et leur bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion chimique.Dans certaines applications, ces matériaux ne sont pas utilisés pour leur réfractairité mais pour leur résistancemécanique associée à une faible densité.

3. 1 . Nature des fibres et des matrices utilisées

Le développement de ces composites a été contrôlé par celui des fibres dont la thermostabilité limite latempérature d’utilisation du composite, les fabricants de fibres s’attachant à améliorer cette propriété.

Les fibres disponibles (15) sont en nombre limité et sont réparties en deux catégories : les tissables et les nontissables.Dans la première on peut citer les fibres de carbone, de Sic et de type SiBN,C, toutes de petit diamètre, de 6 à 15um selon le composé, obtenues par décomposition d’un polymère précurseur et qui se présentent sous forme demèches comprenant de 500 à 12000 fibres selon leur nature. Ces fibres sont utilisées dans des tissusbidimensionnels, satin par exemple, ou tridimensionnels, mais aussi sous la forme de plis obtenus par bobinagepuis empilés pour obtenir des composites unidirectionnels ou bidirectionnels, voire multidirectionnels.Dans la seconde on trouve des fibres monocristallines d’alumine et des fibres de Sic déposé sur une âme de

tungstène, dont le diamètre est supérieur à 100 um. Ces fibres sont exclusivement utilisées par bobinage pourobtenir des plis qui sont ensuite empilés comme ci-dessus.

En ce qui concerne les matrices, cinq types sont actuellement utilisés : le carbone, le carbure de silicium, lenitrure de silicium, des oxydes comme l’aiumine, des verres céramiques. Des études amonts sont égalementmenées sur MoSi, mélangé à Si,N,.

3 .2 . Types de composites élaborés et applications

A partir de ces fibres et de ces matrices divers composites sont fabriqués, le taux volumique de fibres étantautour de 40 %. Certaines des applications sont déjà réelles, d’autres sont potentielles. On peut citer :

- fibres de C / matrice C : coiffes de rentrée de missiles, freins à disques pour avions et véhicules deF 1 (SEP), prothèses de hanche (pas encore opérationnelles),- fibres de C / matrice Sic : volets de post-combustion sur le moteur SNECMA M88 du Rafale(élaboration par SEP),- fibres de Sic / matrice Sic : anneaux accroche flammes et volets internes du moteur M88(développement exploratoire),

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- fibres de Sic / matrice verre : pièces de moteurs de véhicules spatiaux (ONERA, SNECMA,Dassault, SEP, Aérospatiale), blindage de sièges de pilotes d’avions de combat. Un exemple de piècedéfmie par l’Aérospatiale et densifîée à I’ONERA est présenté sur la figure 10 ; il s’agit d’un panneauautoraidi (dimensions réelles 250 mm x 250 mm), qui pourrait être utilisé dans la structure de certainsengins,- fibres de Sic / matrice Si,N,-SiC : moules de coulée d’alliages d’aluminium (USA),- tïbres de Sic / matrice MoSi,-S&N, : pièces pour moteurs (NASA),- fibres d’alumine / matrice alumine : chambres de combustion de turbomachines (ONERA,SNECMA, Volvo, Rolls-Royce) (16),- fibres d’alumine ou de mullite / matrice aluminosilicate : chambres de combustion, tuyères, nez demissiles (USA).

3.3 . Principaux procédés d’élaboration

Plusieurs procédés sont utilisés pour élaborer ces matériaux. Sans entrer dans le détail de ces procédés on peutciter les principaux, à savoir :

- l’infiltration gazeuse (CV1 : Chemical Vapor Infiltration) qui consiste à introduire, à l’intérieur de lapréfonne fibreuse, un gaz ou un mélange de gaz précurseurs de la matrice qui réagissent au contact desfibres. En France, la SEP élabore des composites C / C, Sic / Sic et C / Sic par ce procédé.

- la voie liquide qui consiste à infiltrer une architecture fibreuse par une poudre submicronique, Sic ouoxyde, à lier la poudre par formation de Sic ou d’oxyde issu de la décomposition d’un précurseur(polymère pour le Sic, alcoolate pour les oxydes / voie sol-gel) préalablement injecté. Le matériauconsolidé possède une porosité voisine de 15 %. En France I’ONERA a développé ce type de procédé.

- la voie pâteuse pour les matrices vitrocéramiques qui consiste à apporter le verre sous forme depoudre, soit sur une fibre qui est bobinée pour former une nappe, soit sur un tissu. Après mise en forme,le matériau est consolidé par infiltration sous pression de l’architecture fibreuse par le verre renduvisqueux par élévation de la température, typiquement de 900 à 1 400 “C selon les cas. Des études surces types de matériaux ont été menees en coopération dans le cadre du programme PREPHA par laSNECMA, la SEP, l’Aérospatiale, Dassault et I’ONERA (figure 10).

3.4. Contrôle de l’interface entre fibre et matrice

Dans la réalité un composite céramique ne comporte pas seulement des fibres et une matrice. Si c’était le cas ilpourrait se former, lors de l’élaboration, une liaison forte entre les deux phases, rendant impossible uneséparation des deux éléments sous sollicitation mécanique et la multifissuration de la matrice. Cette liaison forteconférerait au matériau des propriétés voisines de celles des céramiques monolithiques quant à la fragilité.

Un troisième composé, que l’on appelle l’interphase joue un rôle important dans les caractéristiques descomposites en étant une sorte de « fusible mécanique ». Cette interphase peut se former spontanément lors de lafabrication des composites ; c’est le cas de la couche de carbone formée par réaction entre la fibre de Sic et lesverres au cours du pressage à chaud. Dans d’autres cas il faut préalablement revêtir la fibre, soit de carbone, soitd’un composé de type oxyde, zircone poreuse par exemple. Ces derniers sont préférés en raison de leurrésistance à l’oxydation en service, alors que le carbone peut être progressivement consommé par diffusiond’oxygène le long des fibres, conduisant à une liaison fibre-matrice et à une rupture fragile.

A l’heure actuelle un grand nombre d’études portent sur le développement d’interphases stables en milieuoxydant et compatibles avec la fibre et la matrice.

3 . 5. Propriétés mécaniques des composites

A titre indicatif, quelques valeurs de propriétés mécaniques sont données dans les tableaux ci-dessous, pour descomposites C/SiC et SiCSiC, puis SiC/verres céramiques.

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-1400 “C350

100700

Traction MPa 200 200 1502D SiC/SiC El. rupt. % 0,3 024 0,5

E GPa 230 200 170Flexion MPa 300 400 280

Composites Propriétés 20 “C 600 OC 800 “C2D SiC/MLAS Traction MPa 270 270 270

Flexion MPa 500 500 3002D Sic /IIMASinterphase Fluage 1200 “C Temps rupture 15000 hBN+SiC (UTRC) 140 MPa

4. CONCLUSION

Les trois catégories de matériaux qui ont été brièvement décrits, correspondent à des produits de hautetechnologie, dont l’utilisation est à des degrés d’avancement très différents.

Les superalliages à base de nickel sont très largement utilisés, beaucoup en aéronautique, mais aussi dans dessecteurs comme celui de la production d’énergie. Ils sont étudiés depuis plusieurs décennies et sans cesseaméliorés, soit par des modifications de composition, soit par le développement de nouveaux procédésd’élaboration. A l’heure actuelle ils sont les composants incontournables des turbomachines aéronautiques et desappareillages utilisés dans le domaine de la production d’énergie.

Les composés intermétalliques sont des alliages beaucoup plus récents, que les métallurgistes, jusqu’à il y a deuxou trois décennies, évitaient soigneusement, sauf comme phases durcissantes, en raison de leur fi-agilité. C’est lademande de matériaux toujours plus résistants à chaud et de densité aussi faible que possible qui a motivé leurétude, notamment celle de la famille des aluminiures. A ceci se sont ajoutés, les nouvelles possibilités offertespar les progrès réalisés dans la connaissance de la matière, les moyens d’investigation et d’analyse toujours plusperformants et des procédés d’élaboration variés, permettant d’obtenir des matériaux plus sains et plus propres,avec des structures contrôlées. Les applications potentielles de ces nouveaux alliages sont déjà nombreuses,surtout dans le secteur aéronautique mais aussi dans ceux de l’énergie et de l’automobile, même si beaucoup deprogrès restent à faire pour développer toutes leurs possibilités.

Les composites à matrice céramique sont les derniers nés de ces matériaux nouveaux et les moins avancés quantà leur développement. Ils répondent également à la demande des industries aéronautiques en matière depropriétés et de densité. Beaucoup de travaux seront encore nécessaires pour porter leurs performances vers destempératures plus élevées, notamment par le développement de fibres plus thermostables et par la mise au pointde composés d’interphase inertes vis à vis de l’environnement. Les technologies de fabrication devrontégalement être améliorées pour répondre aux contraintes de fabrication industrielle. D’ores et déjà desapplications de ces matériaux existent comme les freins à disques d’avions, des volets de post-combustion demoteurs aéronautiques, mais aussi de moules de coulée d’alliages légers.

Ces trois familles de matériaux doivent être considérées comme complémentaires, les nouveaux trouvant une oudes applications, en fonction de leurs performances, sans pour autant totalement remplacer les matériauxexistants.

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domaine monophasésolution solide

Al dans Ni

domaine biphaséY + Y’

Fig. 1 : Disque de turbine HP du moteur SNECMAM88 (photo SNECMA)

Fig.2 : Diagramme de phases Ni-Al

Fig.3 : Diagramme de phases Ni-Al-Nb (coupe à 115OT)Fig.4 : Microstructure d’un alliage à base de nickel

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Fig.5 : Poudres d’alliage à base de nickelobtenues par atomisation par argon

Fig.6 : Formation de phases fragilisantes de type <rou p dans un alliage à base de nickel

1200 B tMpa)r , //

1200

1100

1000/ I I

9Oor Température (“C)\Y\1

100 200 300 400 500 600 700

1100

1000

900

800

7 0 0

6 0 0

5 0 0

4 0 0

3 0 0

2 0 0

100Température (“C) r I

5 5 0 6 5 0 7 5 0

Fig. 7 : Evolution des propriétés mécaniques en tractionen fonction de la température (résultats SNECMA)

Fig. 8 : Résistance au nuage-rupture à 500 h, de plusieursalliages en fonction de la température (résultats SNECMA)

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10 da/dNmmhycle

10-l

Fig.9 : Résistance comparée à la propagation defissures à l’air à 650°C (résultats SNECMA)

Fig. 10 : Panneau auto-raidi en composite Sic / verre(coopération Aérospatiale-ONEXA)

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