Des améliorations en matière de moulage et de soudage pourraient empêcher l’apparition de nombreuses fissures dans les turbines
Réduire l’empreinte environnementale tout en améliorant la sécurité et la fiabilité est l’objectif fondamental du partenariat public-privé Clean Sky 2 entre la Commission européenne et l’industrie aéronautique européenne. Les démonstrateurs technologiques intégrés aux moteurs du programme, qui comportent de nombreuses pièces innovantes dans un ensemble moteur complet, sont essentiels pour atteindre ces objectifs. Les structures des turbines y sont soumises à des charges structurelles importantes et à des températures élevées. Le projet HiperTURB, financé par l’UE, a pour objectif de réduire les modes de défaillance et de prolonger la durée de vie des structures de turbine, contribuant ainsi de manière globale aux objectifs de Clean Sky 2.
Science des matériaux et paramètres de traitement forment une équipe gagnante
Les structures des turbines sont fabriquées à partir de superalliages soudables à base de nickel. Les sous-parties sont coulées dans des moules (les alliages sont fondus et coulés, puis refroidis et solidifiés) et soudées ensemble pour assembler la forme finale. Le coulage, en particulier la phase de solidification, est responsable d’une prédisposition à la fissuration due au développement de microstructures grossières et de séparations pendant le refroidissement. Ceci, à son tour, affecte l’aptitude au soudage. Le coordinateur d’HiperTURB, Fernando Santos Barrena, d’AZTERLAN, explique: «HiperTURB a pour objectif d’améliorer l’aptitude au soudage des superalliages à base de nickel grâce à des avancées dans les technologies et les processus de coulée et de soudage. Nous avons enrichi ce travail par le développement de nouveaux alliages aux propriétés améliorées. Des outils de simulation de la microstructure ont contribué à notre réussite.» En ce qui concerne les matériaux, une nouvelle variante du superalliage IN718 à base de nickel a été développée avec de meilleures propriétés de «rupture sous contrainte». Fernando Santos Barrena ajoute: «Notre travail a permis de clarifier l’effet d’éléments chimiques spécifiques sur les propriétés mécaniques et, plus généralement, de montrer à quel point le déroulement de la solidification d’un composant peut être critique pour les activités de prétraitement qui suivent et pour l’aptitude au soudage.» Le nouvel alliage pourrait prolonger la durée de vie des composants des turbines et réduire les modes de défaillance. L’équipe a pu déterminer le mécanisme clé de la génération et de la propagation des fissures dans les composants moulés pendant le processus de soudage, ce qui a permis d’optimiser les conditions et les paramètres de soudage en vue de limiter ce phénomène. Cela devrait permettre de réduire les coûts de réparation et d’inspection pour les fabricants de moteurs et d’augmenter la durée de vie des composants du moteur. Un nouveau traitement thermique permettant d’ajuster les différences de vitesse de refroidissement durant la phase de solidification des pièces moulées devrait assurer un soudage homogène et de meilleures performances à haute température. Enfin, l’équipe a mis au point un nouveau système de réparation des fissures, plus rapide et plus précis.
Voler haut et bien vieillir
Fernando Santos Barrena résume: «HiperTURB a permis d’approfondir notre compréhension des microstructures et de mettre en lumière les corrélations entre les processus de coulage et de soudage. Cela nous a permis de développer de nouveaux alliages et de modifier les conditions de coulage et de soudage afin de réduire les causes de rupture par fissuration. Il en résultera des composants plus sûrs bénéficiant de durées de vie plus longues.» Bien que l’impact ne puisse être qu’estimé à l’heure actuelle, les résultats de HiperTURB pourraient réduire le poids des composants d’environ 5 %, le coût de fabrication de 10 % et les coûts de maintenance de 20 %. Plus important encore, ils devraient prolonger d’au moins 30 % la durée de vie des moteurs d’aéronefs écologiques de prochaine génération, ce qui profitera aux constructeurs d’aéronefs, aux voyageurs et à la planète.
Mots‑clés
HiperTURB, moulage, soudage, turbine, superalliage à base de nickel, Clean Sky 2
