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Jul 14, 2023

Solutions de meulage pour l'aérospatiale

Les avionneurs se concentrent sur de nouveaux styles de moteurs qui consomment davantage de carburant

Les constructeurs d'avions se concentrent sur de nouveaux styles de moteurs qui consomment du carburant de manière plus économique. Ces nouveaux moteurs à combustion pauvre fonctionnent à des températures qui dépassent largement les niveaux de fonctionnement sûrs des composants de moteur en superalliage à base de nickel d'aujourd'hui. En conséquence, de nouveaux matériaux tels que l'aluminiure de titane (TiAl) émergent, qui ont une stabilité thermique ou des propriétés de fluage spécifiques plus élevées, une densité plus faible (3,9 à 4,1 g/cm3) et une résistance spécifique plus élevée que les matériaux précédents.

Ces alliages présentent également une limite d'élasticité élevée (limite d'élasticité/densité), une rigidité spécifique élevée (module d'élasticité/densité), une bonne résistance à l'oxydation, une résistance au feu du titane et de bonnes propriétés de fatigue à haute température. Par exemple, TiAl a une résistance équivalente aux superalliages jusqu'à 760 ° C (1 400 ° F), mais la densité de TiAl (4,0 g/cm3) est inférieure à la moitié de la densité de 718 Inconel (8,2 g/cm3).

Le remplacement des aubes en superalliage par des aubes en TiAl plus légères dans la section de turbine basse pression des moteurs aérospatiaux réduit le poids et augmente l'efficacité. La réduction du poids de la lame permet également l'utilisation d'un disque de support en alliage de nickel plus petit, ce qui réduit encore le poids. Les alliages TiAl peuvent fournir des réductions de poids allant jusqu'à 50 % dans les étages de turbine basse pression, améliorant les rapports poussée/poids, réduisant la consommation de carburant et les émissions d'échappement.

Le module ou rigidité spécifique élevé est précieux pour les composants et les assemblages avec des jeux réduits, tels que les supports de joint et les revêtements. Le module spécifique élevé déplace également les vibrations acoustiques vers des fréquences plus élevées, ce qui réduit le frottement et la fatigue dans d'autres zones structurelles. Les alliages de titane conventionnels frottant contre d'autres composants à des températures élevées (supérieures à 400 ° C ou 752 ° F) peuvent s'enflammer dans les moteurs à réaction, provoquant des incendies de titane. Le TiAl est presque aussi résistant aux incendies de titane que les superalliages, de sorte que les barrières en superalliage pour arrêter les incendies de titane pourraient être remplacées par du TiAl. Après le succès de TiAl dans les aubes de turbine basse pression (BP), les ingénieurs aérospatiaux mettent également en œuvre TiAl dans les aubes de compresseur haute pression (HP), les aubes et les dumpers d'aubes.

Cependant, les mêmes propriétés qui rendent le TiAl souhaitable pour les futurs moteurs d'avions le rendent également difficile à travailler. TiAl est un composé intermétallique avec une liaison mixte métallique et covalente. Les matériaux intermétalliques tels que TiAl présentent une combinaison de propriétés métalliques et céramiques. Ils ont la résistance à température élevée souhaitable pour les applications à haute température, mais ils ont généralement une ductilité et une ténacité à basse température ambiante et de mauvaises caractéristiques de fabrication. La bonne nouvelle : en étudiant ces matériaux et en redéfinissant les procédés de fabrication existants, une solution rentable est à portée de main.

TiAl contient 45 à 50 % atomiques d'aluminium. À température ambiante, les alliages TiAl sont cassants, avec une ductilité allant de 0,3 % à 4 % selon l'alliage et la microstructure spécifiques.

Plusieurs variantes de TiAl sont disponibles dans le commerce, avec des compositions et une microstructure adaptées aux différentes méthodes de traitement. Le TiAl à structure duplex contient un mélange de colonies lamellaires gamma et de phases hexagonales alpha-deux (Ti₃Al). Le TiAl duplex a tendance à avoir une meilleure ductilité à température ambiante, mais la résistance au fluage n'est que de 70 % des superalliages de nickel actuels. L'aluminure de titane gamma entièrement lamellaire et presque lamellaire (γ-TiAl) a une ténacité à la rupture et une résistance à la propagation des fissures plus élevées avec des propriétés de fluage équivalentes aux superalliages jusqu'à 1 000 ° C. Le bêta TiAl cubique a une plus grande déformabilité, de sorte que les alliages γ-TiAl à solidification bêta peuvent être laminés à chaud ou forgés après pressage isostatique à chaud, extrusion spécialisée et traitement thermique.

Les formes brutes de γ-TiAl fabriquées par forgeage, coulée et métallurgie des poudres sont converties en formes finies répondant aux dimensions, à la finition et à l'intégrité de surface requises par usinage, meulage ou par des méthodes non traditionnelles. Le traitement complexe et les traitements thermiques nécessaires pour obtenir des microstructures ductiles à température ambiante et des propriétés à haute température entraînent un rapport achat / vol plus élevé ou des coûts de matériau élevés pour TiAl par rapport aux superalliages conventionnels.

La faible ductilité ou fragilité (faible déformation à la rupture), la haute résistance, la faible conductivité thermique, le faible module d'élasticité et la réactivité du TiAI en font un matériau extrêmement difficile à usiner ou à rectifier. Les outils de coupe se dégradent rapidement, entraînant de faibles taux d'enlèvement de matière et affectant la qualité de surface des composants TiAI usinés, ce qui peut détériorer la résistance à la fatigue du matériau. Les outils de coupe ont tendance à réagir avec le TiAI et à provoquer un grippage, un maculage, une arête rapportée et une usure rapide de l'outil. TiAI a une sensibilité élevée à la vitesse de déformation et a tendance à durcir, créant des puces en dents de scie. L'usure de l'outil est accélérée par des phases abrasives avec la microstructure TiAI. La faible conductivité thermique du TiAI concentre la chaleur sur le tranchant et la résistance à haute température du TiAI a tendance à écraser le tranchant de l'outil de coupe surchauffé. Le chauffage concentré à l'interface outil-pièce accélère les réactions titane-outil ainsi que l'usure et la formation de cratères des flancs de l'outil.

Par conséquent, le TiAl est difficile à usiner, n'atteignant qu'une fraction de l'usinabilité de l'aluminium, des alliages de titane conventionnels ou du superalliage 718 Inconel. Lors des tests effectués par Seco Tools, l'usinabilité du TiAl était un tiers de celle de l'Inconel 718 et sept fois inférieure à celle de l'alliage Ti-6Al-4V. Vingt plaquettes ont été nécessaires pour réaliser les tests d'usinage du TiAl, contre 6,6 pour l'Inconel 718. L'écaillage des pièces fragiles en TiAl est un problème courant dans la coupe et le fraisage à grande vitesse en raison de la mauvaise usinabilité du matériau et de l'usure élevée de l'outil.

Les métallurgistes considèrent le titane comme le "solvant universel" car le titane à l'état fondu ou à haute température réagit avec et dissout pratiquement tous les métaux et céramiques. Lors du meulage abrasif, la réactivité du titane entraîne le développement de méplats d'usure ou de grains émoussés, et le coiffage ou le collage de TiAl sur les grains abrasifs. La brûlure, la fissuration, la déformation sous la surface ou les contraintes résiduelles et autres dommages de surface sont des défis qui doivent être traités de manière adéquate lors du meulage de TiAl. Le titane capte facilement l'oxygène, l'azote et d'autres contaminants interstitiels, ce qui peut entraîner une décoloration ou une brûlure et un durcissement, ou une fragilisation.

Depuis 2011, Norton | Saint Gobain Abrasifs a effectué des tests pour déterminer les meilleurs produits abrasifs et les meilleurs paramètres de processus pour broyer et finir ce matériau et des matériaux similaires. Lorsqu'il est correctement appliqué, l'usinage abrasif ou le meulage surmonte de nombreux problèmes de fissuration et d'endommagement de surface qui se produisent avec l'usinage conventionnel en un seul point. La technologie de meulage avancée est généralement la meilleure méthode pour obtenir les dimensions finales de la pièce et les caractéristiques de surface sur le γ-TiAl et d'autres composants intermétalliques tout en maintenant l'intégrité de la surface.

Au départ, un meulage grossier est nécessaire pour éliminer les bavures des pièces forgées ou les portes des pièces moulées. Les bandes abrasives appliquées jouent ici un rôle clé en raison de la rapidité d'enlèvement du métal et de la facilité d'accès. Les alliages de titane peuvent être rectifiés à la main ou, lorsque les quantités de production le justifient, avec une automatisation robotisée.

Norton a réussi à meuler à sec des grilles en titane à l'aide de courroies à grains d'alumine-zircone avec une couche surdimensionnée. Cette découverte sera pertinente pour les clients lorsqu'ils commenceront à fabriquer avec du TiAl, car le comportement des matériaux devrait être cohérent dans cette application. Les grains abrasifs en zircone et d'autres additifs exclusifs dans l'abrasif réduisent le coiffage des arêtes de coupe des grains abrasifs. Les produits chimiques dans la couche surdimensionnée suppriment la combustion du titane et inhibent en outre le coiffage ou l'adhésion du titane aux grains abrasifs. Lors de plusieurs tests sur le terrain de meulage de bande sur des machines à dos, les produits de bande Norton BlueFire R801 ont surpassé les produits concurrents deux contre un. De plus, le produit de ceinture Norton BlueFire R801P offre des performances d'enlèvement de métal encore plus élevées, tout en préservant les pièces en titane des dommages (fissures et brûlures).

Alors que les fabricants passent de la production à petite échelle à la production de masse, ces tests sur le terrain définissent une spécification de départ critique pour le retrait de la jauge TiAI. Norton recommande des tests supplémentaires pour identifier les paramètres de spécification exacts.

Les tests de façonnage et de finition de surface se sont concentrés sur l'évaluation des meules avec trois types d'abrasifs à noyau, dans le but d'identifier la bonne solution pour un meulage efficace et sans dommage. Les trois noyaux abrasifs testés étaient le carbure de silicium (SiC), le nitrure de bore cubique (cBN) et le diamant. Les roues en SiC nécessitaient une puissance et des forces plus élevées, et présentaient le plus haut niveau de coiffage ou d'adhérence du métal au grain, entraînant la fissuration et la brûlure des pièces en TiAl. La meule cBN présentait moins de bouchage et une augmentation de puissance plus faible lors du meulage. Les meules diamantées superabrasives ont constamment tiré la puissance la plus faible avec un recouvrement minimal. Les meules diamantées présentaient également la courbe de puissance la plus stable en fonction du stock enlevé et étaient capables d'enlever 48 000 mm3 de matériau sans endommager les composants.

L'efficacité de la technologie de meulage avec la meule diamantée Norton Winter Paradigm a également été évaluée. Les meules Paradigm combinent les technologies de liant métallique et d'abrasif, ce qui est idéal pour maintenir un profil précis lors du meulage de matériaux difficiles à abraser tels que le TiAl. La galvanoplastie (EP) ou la monocouche métallique surpassent initialement les meules diamantées Paradigm, mais les meules ne peuvent pas être dressées. Une fois que les abrasifs diamantés sont émoussés sur les meules EP, ils sont retirés de la machine et envoyés pour remise à neuf. Les temps d'arrêt et la manutention associés sont coûteux. Les roues Paradigm ont des performances nettement meilleures, avec un taux d'enlèvement de matière deux fois supérieur à celui du SiC. Le coût total de l'outillage de la meule Paradigm représente également une fraction du prix des meules diamantées SiC ou EP lors du meulage de TiAl.

Une fois la géométrie de précision meulée, une dernière étape d'ébavurage et de polissage lisse et mélange les marques ou les couches des produits à gros grains précédents, et génère la finition de surface requise. Des disques à changement rapide, des bandes de polissage NoRax et des abrasifs non tissés sont utilisés pour les opérations d'ébavurage et de polissage.

La clé du succès dans la fabrication de pièces en TiAl est de contrôler et de réduire la génération de chaleur pendant le meulage. Le refroidissement et l'application optimaux de la meule éliminent la chaleur de la zone de meulage. Des méthodes appropriées de dressage des meules maintiennent l'affûtage des meules afin de minimiser la génération de chaleur par friction. Pour les produits abrasifs appliqués, l'utilisation de courroies surdimensionnées et de faibles vitesses peut réduire l'échauffement et la combustion des pièces.

Des vitesses de bande lentes sont essentielles pour minimiser l'échauffement par friction à l'interface grain-pièce lors du meulage d'alliages de titane. Des vitesses de bande dans une plage de 2 500 à 3 500 SFPM sont recommandées, soit la moitié des 5 000 à 6 000 SFPM typiques pour le meulage d'acier ou de superalliage. Des vitesses de bande lentes permettent une meilleure pénétration des bords des grains abrasifs dans les pièces en titane. Cette coupe plus profonde abrase les gros copeaux ou les particules de copeaux, réduisant l'accumulation de chaleur et la combustion des pièces pour produire une pièce de haute qualité. Les faibles vitesses et la grande taille des copeaux créent un environnement de meulage sûr, car les petites particules de titane et la chaleur augmentent le risque d'inflammation et d'incendie du titane.

Une inondation de liquides de refroidissement à base d'eau pendant le meulage de précision maintient les pièces au frais et réduit les dommages causés par la chaleur aux pièces en TiAl. L'acheminement correct du liquide de refroidissement dans la zone de la pièce abrasive maximise la durée de vie de la meule et évite les brûlures sur les pièces. Norton recommande d'utiliser une buse de récurage haute pression supplémentaire (> 800 psi) avec la buse de liquide de refroidissement ordinaire avec les roues Paradigm, ce qui aide à garder la roue plus propre en éliminant les copeaux. Les hautes pressions et le flux de liquide de refroidissement dirigé doivent également correspondre à la vitesse de roue de 6 000 SFPM.

Le dressage rotatif continu réduit les temps d'arrêt et maintient l'affûtage des meules, ce qui élimine les brûlures partielles. Le dressage rotatif est optimisé en ajustant le rapport des vitesses entre le rouleau de dressage et la meule, qui varie selon le grain abrasif et les types de liants. Les meules SiC doivent être dressées avec une fréquence beaucoup plus élevée pour maintenir la netteté par rapport aux meules diamantées superabrasives.

Norton | Saint-Gobain Abrasifs dispose de quatre centres mondiaux de R&D où le broyage des matériaux actuels et nouveaux est continuellement étudié. L'accès à ces centres de recherche, ainsi qu'au programme Norton Process Solutions (PSP), se traduit par la solution de meulage optimale pour les clients. Le programme PSP offre aux clients de Norton un accès privilégié à des experts techniques et à une collection de données historiques de meulage et de finition. Il s'agit d'un avantage clé pour une fabrication et une productivité optimales avec des matériaux émergents tels que TiAl. Une évaluation PSP va également au-delà des recommandations de produits abrasifs et évalue l'ensemble de l'opération de fabrication.

Le TiAl ne représente qu'un des changements de matériaux introduits dans l'industrie aérospatiale. D'autres intermétalliques tels que les siliciures de molybdène et de niobium, les composites à matrice métallique, les composites à matrice céramique à base de nitrure, de carbure et d'oxyde sont en cours de développement pour améliorer l'efficacité du moteur et les rapports poussée / poids. Fort du succès des meules diamantées Paradigm dans le meulage du TiAl, ainsi que des outils de coupe en carbure et en céramique, Norton | Saint Gobain Abrasives évolue avec les exigences des clients de l'aéronautique pour répondre à ces nouveaux matériaux émergents.

Cet article apparaît dans Engineering360 de GlobalSpec. Reproduit avec permission.

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