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Le projet MOSAIQUE – Deux nouveaux matériaux en vue pour l’aéronautique

Le projet MOSAIQUE – Deux nouveaux matériaux en vue pour l’aéronautique

by Gaëtan Lefèvre20 février 2016
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Le projet MOSAIQUE (Mise en OEuvre par fabrication laSer de mAtériaux et archItectures avancés pour l’aéronautiQUE) explore de nouveaux matériaux : les fabriquer mais aussi démontrer que ceux-ci étaient aussi performants en terme de résistance mécanique que les matériaux issus des procédés classiques. Ce défi, le consortium MOSAIQUE l’a relevé en sélectionnant un matériau intermétallique à base de titane et un superalliage à base de nickel.

Par Marc Thomas, ingénieur chef de projet à l’ONERA.

L’ONERA accompagne depuis de nombreuses années les entreprises aéronautiques et spatiales françaises dans la recherche et le développement de matériaux métalliques. Elle vise à la fois l’amélioration à isomasse des performances des matériaux existants et l’exploration de nouveaux matériaux avancés. Il s’avère que les procédés conventionnels souffrent de limitations qui constituent, aujourd’hui, des freins pour la fabrication de certains composants aéronautiques. De plus, la conception doit remplir des fonctions contradictoires, qu’un seul matériau ne peut pas assumer. Ainsi, la fabrication additive de pièces métalliques « bonne matière » présentent pour les industriels du secteur aérospatial des potentialités technologiques et économiques très intéressantes en termes :

  • de réduction des coûts, notamment par l’absence d’outillage,
  • de délais de réalisation de pièces mécaniques de petites séries,
  • de conceptions nouvelles de pièces : nouveau « design », nouvelles fonctionnalités…,
  • d’allègement de structures : matériaux architecturés multifonctionnels,
  • et d’amélioration des propriétés mécaniques.

Le consortium MOSAIQUE a été coordonné par l’ONERA associée au centre des matériaux ARMINES, à l’École nationale d’ingénieurs de SaintÉtienne (ENISE), aux Arts et Métiers ParisTech et à la société Poly-Shape. Il s’est concentré sur deux défis. Le premier s’attache à la fabrication d’un alliage intermétallique avec une bonne santé métallurgique, le second à la fabrication de matériaux architecturés avec une bonne tolérance dimensionnelle en utilisant un superalliage à base de nickel.

Défi n°1 : matériau intermétallique complexe via le procédé Direct Metal Deposition (DMD)

Une étude paramétrique effectuée aux Arts et Métiers sur environ 160 cordons (figure ci-dessous) a permis de définir les relations entre les paramètres du procédé et le matériau intermétallique TiAl (voir l’encadré à la fin de l’article). Nous avons ainsi établi qu’une puissance élevée et un débit massique de poudre modéré permettaient de limiter les contraintes résiduelles et de réduire la tendance à la fissuration. En réalité, un élargissement du bain liquide va dans le sens d’une diminution du risque de fissuration. Ces mesures n’étaient toutefois pas suffisantes pour supprimer toute fissuration.

Figure1

Figure1ter a3dm magazine

Les efforts du consortium se sont alors focalisés sur les divers moyens thermiques permettant d’atténuer les fortes vitesses de refroidissement du bain. Ainsi, un préchauffage par laser défocalisé s’avère être un paramètre clé pour réussir à ne pas fissurer le matériau TiAl. Un post-chauffage réalisé à la fin de la construction de chaque couche des murs est également bénéfique. Le principe était de continuer à chauffer la matière en haut du mur par des passes laser sans poudre, tout en montant progressivement la tête laser à chaque couche afin de reproduire un refroidissement lent du mur. Au final, une combinaison de précautions tels que le chauffage à 300 °C du substrat, le recours à des refusions initiales du substrat et à un post-chauffage, a été déterminante pour éliminer les fissures

à l’interface avec le substrat et augmenter l’adhésion [1]. L’outil idéal a finalement été de choisir une seconde source laser afin de pouvoir à la fois préchauffer le substrat, maintenir le matériau chaud durant la construction, et assurer, si besoin est, le post-chauffage pour garantir un refroidissement lent (schéma ci-dessous).

Figure2 Onera - a3dm magazine

Suite à un choix adapté de post-traitements thermiques visant à homogénéiser la structure, des essais de traction ont été réalisés à partir d’éprouvettes prélevées dans des échantillons massifs. En comparaison des résultats de traction en fonderie conventionnelle pour le même alliage, nous avons constaté une très faible dispersion des résultats. De plus, une ductilité de près de 2 % à température ambiante a pu être obtenue, un maximum pour ce type de matériau. L’objectif a donc été atteint avec des propriétés de traction supérieures à celles obtenues par la voie classique de fonderie après traitement thermique optimisé.

Défi n°2 : architecture complexe via le procédé Laser Beam Melting (LBM)

En ce qui concerne l’alliage Nimonic C263 (voir encadré), une première tâche a été de modéliser les propriétés mécaniques et acoustiques d’architectures complexes. L’objectif était de sélectionner une architecture poreuse présentant le meilleur compromis propriétés mécanique/acoustique en relation avec les limitations des machines LBM. Une modélisation mécanique et acoustique a été entreprise sur deux types d’architectures, pavages carré et triangulaire, afin de déterminer la taille optimisée des cellules de l’architecture et l’épaisseur des murs. La caractérisation géométrique de ces architectures a permis de montrer que les épaisseurs de parois étaient constantes ainsi que la taille et la géométrie des cellules (figure 3). Les espacements étaient bien reproductibles avec une épaisseur de mur comprise entre 115 et 150 mm pour une valeur nominale de 130 mm. À l’issue de ces travaux, le modèle acoustique a été validé par des essais réalisés au tube à impédance. Ceux-ci ont permis de vérifier que l’absorption acoustique était bonne sur une plage de fréquence étroite centrée sur 2 500 Hz, avec un taux d’absorption de 88 %.

Figure3 bd Onera -a3dm magazine

Une retombée inattendue sur l’étude du matériau Nimonic C263 a été de découvrir la capacité de ce matériau à retenir à l’état brut de fabrication une densité de dislocations très importante. Ce résultat a motivé l’approfondissement de la microstructure obtenue. La forte densité de dislocations a l’avantage essentiel de contribuer au durcissement de l’alliage, d’autant que celui-ci est dépourvu de phases renforçantes de type gamma’ et M23C6. La question qui se posait alors était de déterminer l’origine de cette forte densité de dislocations. Des investigations complémentaires au microscope électronique à transmission, en particulier à l’École des Mines de Paris (Thèse Cifre Armines-Poly-Shape de Thomas VILARO) [2], ont révélé les deux causes suivantes.

  • Un fort gradient thermique en phase solide provoqué par une vitesse de solidification de l’ordre de VR ~105 K/s, ainsi que leur multiplication au cours des passes successives.
  • Le maintien en dessous d’une certaine température de recuit dans la partie consolidée, qui évite l’annihilation des dislocations.

Ainsi pour le post-traitement, contrairement à la stratégie du double traitement de mise en solution + recuit habituellement utilisé pour les superalliages à base de nickel, ce qui aurait inévitablement fait disparaître les dislocations, la stratégie du « simple recuit » (600 °C/8h) pour le Nimonic C263 s’est avérée gagnante. Elle a permis en effet de relaxer intégralement les contraintes résiduelles d’origine thermique tout en garantissant une bonne stabilité dimensionnelle. De plus, les propriétés mécaniques sont vraiment très proches de celles du matériau forgé grâce à la forte densité de dislocations.

Conclusion

Le fait de travailler sur l’intermétallique TiAl qui est sensible à la fissuration et avide d’oxygène a permis de faire évoluer les techniques (préchauffage, atmosphère) pour mieux surmonter les modifications chimiques et structurales qui sont induites par les traitements couche par couche et l’environnement de travail. Le projetMOSAIQUE permettra ainsi de maîtriser dans le futur la fabrication additive d’un plus grand nombre de matériaux. Quant au Nimonic C263, il peut être destiné à des pièces complexes et architecturées de par sa facilité de mise en oeuvre en fabrication additive. Mais il offre aussi des perspectives de durcissement in situ qui permettent de simplifier le post-processing. Le projet confirme clairement des perspectives de développement de la fabrication additive, tout particulièrement pour ces deux matériaux pour l’aéronautique.

Référence

[1] T. VILARO, V. KOTTMANN-REXERODT, M. THOMAS, P. BERTRAND, L. THIVILLON, C. COLIN, S. ABED, V. JI, P. AUBRY, T. MALOT, P. PEYRE, Direct fabrication of a Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy by selective laser melting and direct metal deposition processes, Advanced Materials Research Vols. 89-91, (2010) pp.586-591.

[2] T. VILARO, Thèse de doctorat, Fabrication de pièces aéronautiques et spatiales en Nimonic 263 et A360 par le procédé de fusion sélective de lits de poudre: approche thermique, métallurgique et mécanique, Ecole des Mines de Paris, 20 avril 2011.

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L’INTERMÉTALLIQUE TiAl/L’ALLIAGE NIMONIC C263

L’intermétallique TiAl présente d’excellentes propriétés spécifiques à chaud (densité 4). En revanche, son élaboration est difficile et chère et sa ductilité est faible à température ambiante. La fabrication additive de l’intermétallique TiAl était jugée particulièrement difficile en raison de sa sensibilité à la contamination par l’oxygène, d’une perte potentielle d’aluminium, et du risque de fissuration et de formation de structures hétérogènes non compatibles avec les propriétés espérées.

L’alliage Nimonic C263 est un alliage de fonderie qui a été développé par Rolls-Royce en 1960 pour remplacer le Nimonic 80A qui présentait quelques difficultés lors du soudage. Ses applications aéronautiques concernent les chapes de suspensions ou les sommets de bras du carter d’échappement du Silvercrest. Jusqu’à présent, il n’avait jamais été fabriqué sous forme de poudre.

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L’ONERA, EPIC ET CARNOT

L’ONERA est le centre français de recherche aérospatiale et de défense. EPIC, il est un Établissement Public à caractère Industriel et Commercial sous tutelle du ministère de la Défense. Parallèlement, l’ONERA a aussi une vocation commerciale et travaille sous contrat pour des industriels tels que Safran, Dassault ou des PME. Depuis 2007, il est un institut Carnot, gage de sa volonté de favoriser la recherche partenariale entre laboratoires publics et entreprises. Stéphane Andrieux, directeur scientifique général de l’ONERA, nous présente le centre.

Quel travail fournit l’ONERA sur la F.A. ?

Notre mission est de regarder les besoins de la filière aéronautique, spatiale et défense. Nous observons les évolutions technologiques qui pourraient répondre aux besoins de nos clients. Ces derniers sont intéressés par la fabrication additive. La question est : que peut apporter la fabrication additive au monde de l’aéronautique, du spatial et de la défense dans des conditions où l’emploi des matériaux est extrêmement contraignant ? Quelle sera la durée de vie de ces matériaux ? Sont-ils suffisamment sécurisés ? Quelle sera la certification ? De nombreuses questions auxquelles il faudra penser dans le futur. Dans cette démarche, différents projets ont été lancés par l’ONERA.

Quelles sont donc les recherches porteuses ?

La recherche porte sur les questions suivantes : quels verrous la fabrication additive permet-elle de lever ? Quelles perspectives cette technologie ouvre-t-elle ? La fabrication additive est une nouvelle manière de concevoir et produire. Les matériaux sont différents de ceux que l’on connaît. Quels gradients de propriété possèdent ces matériaux ? Résistance mécanique, conductivité, revêtements ? Cette technologie permet aussi des possibilités d’hybridation des matériaux avec des assemblages différents, comme des systèmes de combinaison de matériaux élémentaires. Un champs est ouvert ! Est-ce que l’on pourrait, aussi, dépasser une fonctionnalité purement mécanique ? Par exemple, un matériau qui sache tenir une résistance mécanique mais aussi des propriétés électromagnétiques particulières pour la furtivité. Enfin, la fabrication additive permet de concevoir des pièces très compliquées que l’on ne pourrait pas usiner, comme des pièces sans assemblages, points de faiblesse des pièces traditionnelles. Évidemment, les industriels sont très intéressés par ces possibilités.

Quelles sont les contraintes qui en découlent ?

La principale difficulté est le temps. Il est très long de produire un nouveau matériau car il faut valider son domaine d’emploi, connaître ses mécanismes de dégradation, ses fragilités, etc. Le retour d’expérience est encore trop restreint. Quel défaut mettons-nous à l’intérieur de la pièce ? Il faut accompagner la production de ces pièces et de ces matériaux avec une démarche scientifique pour comprendre comment ils se comportent dans le temps. La surveillance de la pièce pendant sa fabrication sera donc un élément important. C’est une révolution de pouvoir assister à la naissance d’une pièce.

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Gaëtan Lefèvre

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