Les alliages légers et matériaux composites

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Les alliages légers sont élaborés à  partir daluminium, les semi-légers à  partir de titane et les ultra légers à  partir de magnésium.
Les métaux principalement utilisé sont lAluminium, le Magnésium (Contrex ), le Manganèse, le Nickel, le Silicium, le Titane, le Zinc et le Cuivre.

Laluminium n'est pas utilisé à  l'état pur à  cause de ses caractéristiques mécaniques trop faible, par contre on l'utilise pour protéger certaines tôles dalliages légers contre la corrosion.

Les alliages légers non trempants

Ce sont des alliages dont les traitements thermiques (trempe par refroidissement rapide) ou chimique (immersion dans un bain de sel fondu), ne modifient pas leurs caractéristiques mécaniques.

Alliage Aluminium et Magnésium (AG)

Le Magnésium est un métal très léger, possédant de faibles caractéristiques mécaniques, daspect blanc-argenté, il se ternit légèrement une fois exposé à  l'air par formation d'un oxycarbonate. Lajout dAluminium le rend facilement malléable, permet une bonne soudure et à  une excellente tenue à  la corrosion.
Il est principalement utilisé pour les tuyauteries de conditionnement d'air, les circuits basses et moyennes pression, les tôles et les carénages.

Alliage Aluminium et Silicium (AS)

Le Silicium n'existe pas dans la nature à  l'état de corps pur, mais sous forme de dioxyde de silicium, de silice (dans le sable, le quartz....), ou d'autres silicates. Il a une bonne aptitude à  remplir correctement une empreinte dans une fonderie, une bonne résistance à  la corrosion, de bonnes caractéristiques à  l'usure et un faible cfficient de d'oeilatation. Cet alliage est principalement utiliser pour les carters des Groupes Turbo-Réacteur, Groupe Moto-propulseurs et pistons.

Les alliages légers trempants

Ce sont des alliages dont les traitements thermiques (trempe par refroidissement rapide) ou chimique (immersion dans un bain de sel fondu), leur donnent des caractéristiques maximales.

Alliage Aluminium et Cuivre (AU)

Le Cuivre est un métal de couleur rougeâtre ou rouge, il possède une exceptionnelle conductivité thermique et électrique. C'est un métal très pur est très résistant à  la corrosion, mais aussi très malléable. Le cuivre contribue fortement à  lamélioration des caractéristiques mécaniques des alliages et améliore considérablement les aptitudes à  lusinage des pièces réalisées, y compris dans le cas où elles ne sont pas traitées thermiquement. àlinverse, le cuivre est défavorable à  la tenue à  la corrosion de la pièce. Suivant le pourcentage de cuivre ajouter aux différents métaux on obtient des caractéristiques différentes. Ainsi il est principalement utiliser pour les rivets, tôles, revêtement dintrados, longerons et ailettes.

Alliage Aluminium et Zinc (AZ)

Le zinc est un métal de couleur bleu-gris, moyennement réactif, qui se combine avec loxygène et d'autres non-métaux, et qui réagit avec des acides d'oeilués en dégageant de lhydrogène. En ajoutant un pourcentage de Zinc à  lAluminium, cet alliage possède les meilleurs caractéristiques mécanique de tous les alliages légers et a une excellente résistance à  la compression. A linverse il résiste mal à  la corrosion sous fortes contraintes. Il est principalement utilisé pour la fabrication de longerons, contrefiche et revêtement extrados.

Les traitements thermiques

Les traitements thermiques appliqué sur certains métaux ou alliages permettent de modifier et d'améliorer les caractéristiques mécaniques qu'ils possèdent pour obtenir des propriétés nécessaires à  leur utilisation. Ce sont des opération délicates et précises surtout sur le choix des températures et des vitesses de variation (chauffage et refroidissement). Il existe trois traitements thermiques souvent utilisé (la trempe, le revenu et le recuit), c'est toute une alchimie car certains traitements pourraient avoir certains effets selon lalliage.

La trempe (T)

A n'utiliser que sur les alliages trempants ou à  durcissement structural, permet d'avoir des caractéristiques maximales. Le principe consiste à  chauffer lalliage jusqu'à  sa température idéal et ensuite le refroidir rapidement dans l'eau, l'air ou le brouillard. Lalliage est mou et malléable pendant une courte durée permettant ainsi une mise en forme du matériau.

Le revenu

A n'utiliser que sur les alliages trempants ou à  durcissement structural, permet le durcissement structural sur des alliages sur une très courte période. Le principe consiste à  chauffer lalliage à  une température précises mais inférieur à  celle de la trempe suivi d'un lent refroidissement.

Le recuit (O)

Peut être appliquer à  tous les alliages daluminium, permet une malléabilité maximale, lannulation de la trempe et la suppression des effets de lécrouissage. Le principe consiste à  chauffer et maintenir cette chaleur puis de refroidir en fonction des résultats que lon veut obtenir.

• T1 refroidi après transformation à  chaud et mûri
• T2 refroidi après transformation à  chaud, écroui et mûri
• T3 mis en solution, écroui et mûri
• T4 mis en solution et mûri
• T5 refroidi après transformation à  chaud puis revenu
• T6 mis en solution puis revenu
• T7 mis en solution puis sur revenu
• T8 mis en solution, écroui puis revenu
• T9 mis en solution, revenu puis écroui
• T10 écroui après refroidissement et transformation à  chaud et mûri

Le classement des alliages (Quelques exemples du système américain/européen)

Il existe plus de 400 alliages daluminium et plus de 200 alliages de fonderie donc je ne vais pas tous les faire juste donner des exemples.

Exemple dalliages destinés au corroyage (l'aminage, forgeage, filage) :

1 pour Aluminium
2 pour Cuivre
3 pour Manganèse
4 pour Silicium
5 pour Magnésium
6 pour Magnésium + Silicium
7 pour Zinc

A pour Aluminium
G pour Magnésium
M pour Manganèse
N pour Nickel
S pour Silicium
T pour Titane
U pour Cuivre
Z pour Zinc

AZ7M = base Aluminium/métal dalliage Zinc/7% de Zinc/métal dalliage en faible quantité Manganèse.
AG2M = base Aluminium/métal dalliage Magnésium/2% de Magnésium/métal dalliage en faible quantité Manganèse.

La première lettre est celle qui est le plus important dans la composition et permet de désigner le métal de base AZ7M
La deuxième lettre est celle qui indique le métal dalliage principale AZ7M
Le troisième chiffre indique le pourcentage du métal dalliage principale AZ7M
La quatrième lettre indique le métal qui a la plus faible quantité AZ7M

Exemple dalliages destinés à  la fonderie (lingot, pièces moulés) :

254.0 = Cuivre/Magnésium/Silicium/en pièce moulé
Le premier chiffre est celui de lélément de lalliage principale 254.0
Le deuxième et troisième chiffre est celui de lalliage spécifique 254.0
et le quatrième chiffre indique la forme de la pièce 254.0

Note : .0 = pièce moulée; .1 ou .2 = lingot

Alliages de la série 1000 (durcissement par écrouissage) Aluminiums non alliés.
Alliages de la série 2000 (durcissement structural) Alliages aluminium-cuivre.
Alliages de la série 3000 (durcissement par écrouissage) Alliages aluminium-manganèse.
Alliages de la série 4000 (durcissement structural) Alliages aluminium-silicium.
Alliages de la série 5000 (durcissement par écrouissage) Alliages aluminium-magnésium.
Alliages de la série 6000 (durcissement structural) Alliages aluminium-magnésium-silicium.
Alliages de la série 7000 (durcissement structural) Alliages aluminium-zinc.
Alliages de la série 8000 (durcissement par écrouissage) Autres alliages daluminium.

 

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Un matériau composite est un assemblage de ou ou plusieurs éléments de forme et structures différentes qui ne peuvent pas se mélanger mais dont la qualité se complètent pour donner un matériau hétérogène dont les performances globales sont grandement améliorées.

Ce matériau composite a de bonnes résistance mécanique, une bonne tenue à  la fatigue, à  la corrosion, à  une faible d'oeilatation thermique et une fabrication peu chère. Lorsque lon nomme un composite, on cite en premier le matériau armature/fibres et après le matériau liant/matrice. Par exemple dans la construction de bâtiment le béton armé est un matériau composite constitué de béton et de barres dacier (armature fer, liant béton) ou les pneumatiques (armature fer ou toile, liant caoutchouc).

Les fibres ou armature

Leurs rôles sont de donner au matériau les caractéristiques mécaniques maximale par utilisation de fibres longues et continues ayant de bonnes performances et de reprendre la plus grande partie des efforts par orientation précises des fibres, pour supporter les charges et contraintes appliquer à  la pièce.

Il existe différents types de fibres et darmature :

• métallique (propriété mécanique, bonne tenu à  chaud, excellente conductivité mais densité et corrosion importante) (acier, aluminium, titane, tungstène...)
• minérale (fibre de verre voir plus bas)
• s'ynthétique (Kevlar voir plus bas)
• métalloïdes (dont les propriétés physiques et chimiques sont intermédiaires entre celles d'un métal et d'un non-métal) (fibre de carbone)

En aéronautique on utilise surtout :

La fibre de verre GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) permet des réductions de poids en améliorant les performances et alléger des structures denviron 30 % par rapport à  l'acier, rapport performance mécaniques/prix intéressants, bonne adhérence avec la résine, faible d'oeilatation et conductibilité thermique, bonne résistance à  lhumidité et à  la corrosion mais faible résistance à  la flexion.

Utiliser principalement pour les planchers, plafonds cabines et soutes, les portes et cloisons des cuisines (galleys), les capots légers Groupe turbo réacteur et les carénages.

Fabrication de la fibre de verre

Le verre est chauffée et devient visqueux vers 800 °C, puis liquide, et finalement se vitrifie. à1 500 °C, il est homogène, et les dernières bulles et impuretés disparaissent. Le verre en fusion se transforme en filament en étant étiré à  grande vitesse ; la filature des filaments sapparente en fait à  la filature textile classique pour produire un fil. Ce fil de verre se bobine ensuite autour d'une broche. Létirage et le bobinage nont pas suffisamment deffet pour rassembler durablement les centaines de filaments en un fil (le verre est trop lisse pour sagglomérer). Lensimage consiste à  ajouter un revêtement protecteur pour permettre lagglomération des filaments et faciliter lintégration dans les polymères, les fils sont ensuite bobinés ou coupés selon les finalités. Enfin les fils sont finalement séchés à  des températures de 700 à  800 °C.

La fibre daramide (Exemple le Kevlar) AFRP (Aramid Fiber-Reinforced Plastic) permet de résister à  la chaleur et/ou présentant de bonnes propriétés mécaniques. Excellentes résistance à  la rupture en traction, faible densité, bonne absorption des vibrations, résistant au cisaillement, ne dégage pas de fumée mais mauvaise résistance à  la compression, absorbe lhumidité, faible adhérence aux résines, sensible au Ultra violet, ne fond pas mais se décompose vers 480°C.

Utiliser principalement pour les armatures pneumatiques, les capots groupe turbo réacteur, les carénages mâts support, les panneaux fixes (dérives, bords dattaque et de fuite), les tubes ou réservoirs à  fortes pressions

Fabrication du Kevlar

Ce matériau fut découvert accidentellement en 1965 par Stephanie Kwolek et Herbert Blades, chercheurs de la société Du Pont de Nemours. Au cours du 20e siècle cette société a été un pionnier dans la révolution des matières plastiques , avec la découverte du Nylon, puis en développant des matériaux tels que les polymères (Néoprène, Teflon, Kevlar ou Lycra).

Une réaction de condensation avec la diamine, un acide téréphtalique et lacide sulfurique crée la substance qui deviendra le produit final. Afin de faire le Kevlar, cette substance appelée aussi intermédiaire doit être tirer. Une fois que lintermédiaire est tirée, le Kevlar 29 est créer. Le Kevlar peut être tiré encore à  400°C pour faire le Kevlar 49, le type de Kevlar le plus fort.

Une fois que le Kevlar est tiré, il doit être tourné pour produire les filaments. Afin de faire ça, les filaments sont expulsés avec une filière. Après ceci, ils sont lavés et neutralisés avec de lhydroxide de sodium, puis sécher. Létape finale du processus de fabrication est lenroulement du Kevlar dans des bobines.

La fibre de carbone CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymere) permet une très bonne tenue à  la température, très grand rigidité, faible densité, peu sensible aux rayures, d'oeilatation thermique nulle, bonne conductivité thermique et électrique mais pas trop résistant aux chocs, prix élevés, craint labrasion.

Utiliser principalement pour les surfaces fixes et mobiles (ailerons, spoilers, direction, dérive, volets hypersustentateurs, trappes pantalon capots turbo réacteurs...).

Fabrication de la fibre de carbone

Les fibres de carbone sont produites à  partir de précurseurs à  base de polyacrylonitrile. Tout d'abord, on effectue loxydation des fibres de polyacrylonitrile pendant 1 à  2 heures, à  l'air et à  une température de 200 à  300 °C. Puis, la carbonisation a lieu sous une atmosphère de diazote, à  une température de 1 000 à  1 500 °C pendant seulement quelques minutes. Une fois ces étapes compl'étées, on obtient des fibres de carbone, un matériau composé à  90 % de carbone, environ 8 % dazote, 1 % doxygène et moins de 1 % dhydrogène. Il est aussi possible de faire une étape supplémentaire, celle de la graphitation. Elle nécessite une température de 2 500 à  3 000 °C pour une durée denviron une minute. Cette dernière étape sert à  obtenir un matériau composé à  99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus rigide (constante qui relie la contrainte de traction (ou de compression) et le début de la déformation plus élevé), mais aussi moins résistant.

Les matrices ou liant

Leurs rôles sont de permettre la liaison entre les fibres et les maintenir en position pour donner la forme à  la pièce. Ils séparent et protègent les fibres afin que la rupture de l'une nentraîne pas l'autre et enfin répartissent et transmettent les contraintes.

Il existe différents types de matrices et de liant :

• métallique (propriété mécanique, bonne tenu à  très hautes température, excellente conductivité mais densité et corrosion importante) (alliages légers, titane+fibres de bore...)
• organiques ou résines (grandes adhérences avec les fibres, isolant à  hautes températures, propriété mécanique, résiste à  la corrosion, loxydation et à  labrasion) (résines époxydes, phénoplaste, thermostables)
• pyro-carbone (très bonne tenue à  la chaleur, utilisation thermique jusqua 3500°C) (plaquettes de freins, tuyères)

Mise en forme des composites

La mise en forme des matériaux composites peut avoir lieu par des procédés manuels ou mécanisés.

Parmi les procédés manuels on distingue :

• la projection simultanée à  laide d'un pistolet de fibres coupées et de résines
• le drapage de préimprégnés
• le moulage au contact
• le moulage sous vide
• linfusion

De manière générale, la mise en forme des composites à  matrices organiques s'effectue par moulage et comporte deux grandes étapes, la 1ère est de disposer les fibres et la matrice liquide dans un moule, la 2ème solidifier la matrice.

Les problématiques associées à  ces procédés sont donc celles du moulage (assurer le remplissage sans bulles ou vides, limiter le retrait, garantir la forme de la pièce...), auxquelles sajoute le dosage correct des deux constituants, primordinateural pour assurer de bonnes propriétés mécaniques. Pour y répondre, de nombreux procédés ont été proposés, qui diffèrent par la nature du moule (ouvert ou fermé), le principe utilisé pour le remplir, l'ordre des différentes opérations...

Certains procédés sont entièrement manuels, et utilisent un moule ouvert dans lequel un opérateur dépose les fibres et la matrice. Le plus simple dentre eux est le moulage au contact : il sagit de réaliser un stratifié en déposant, alternativement, des couches de résine liquide et des couches de tissu. Lopérateur comprime le tout avec un roul'eau, ce qui permet dimprégner le tissu de résine et de chasser l'air. Une fois la stratification terminée, l'ensemble est mis à  solidifier dans une étuve ou à  température ambiante.

Ce procédé est peu coûteux, bien adapté aux petites séries, et permet la fabrication de très grandes pièces (réservoirs...). Un de ses inconvénients est qu'il est difficile de bien doser et de bien répartir la résine ; la qualité de la pièce dépend donc fortement de lhabileté de lopérateur, et est dans tous les cas assez peu contrôlable. Il est possible dy remédier en utilisant une bâche à  vide pour aspirer lexcès de résine et d'air ; il sagit de recouvrir le stratifié, avant solidification, d'un tissu absorbant et de placer le tout sous une bâche (ou dans un sac) étanche dans lequel on fait un vide partiel à  laide d'une pompe. Cela plaque la bâche contre le stratifié et chasse partiellement lexcès de résine et les bulles. On parle alors de moulage sous vide.

Malgré lassistance par le vide, il reste néanmoins difficile de doser précisément les proportions de fibres et de matrice ; de plus, le moulage au contact peut exposer les opérateurs à  des conditions de travail difficiles (gestes et postures pénibles) et à  des émanations nocives, polluantes et demandant le port déquipements de protection. Une technique permettant déviter ces inconvénients est linfusion, qui utilise elle aussi un moule ouvert et une bâche à  vide ; sa particularité est que lopérateur ne positionne que les différentes couches de tissus, et que la bâche à  vide est reliée à  un ou plusieurs pots de résine par des canaux d'alimentation. Une fois le vide créé, la résine est aspirée sous la bâche et sinfiltre lentement dans les tissus. Cette technique nécessite une résine peu visqueuse ; bien maîtrisée, elle permet d'obtenir des pièces de qualité très correcte avec un outillage réduit, de manière relativement propre.

Enfin, pour une qualité optimale, il est possible d'utiliser des pré-imprégnés, eux aussi disposés à  la main dans un moule ; lopérateur na alors plus à  se soucier de contrôler le taux de résine, qui est en principe connu avec précision. La solidification s'effectue à  haute température et sous pression, dans un sac à  vide mis au four ou à  l'autoclave. Le coût élevé de ce procédé le réserve aux applications exigeantes (éléments structurels en aéronautique...)

Parmi les procédés mécanisés on distingue :

• moulage par compression SMC/BMC
• moulage par injection de résine ou de pré-imprégné RTM/RRIM
• imprégnation en continu
• pultrusion
• pull-winding
• formage de plaque,
• estampage
• enroulement filamentaire
• centrifugation

D'autres procédés utilisent des outillages plus lourds et sont donc réservés aux séries plus importantes. Par exemple, la RTM, pour Resin Transfer Molding, consiste à  disposer les fibres au sein d'un moule fermé dans lequel on injecte la résine sous pression, à  laide d'une pompe. Il en existe deux variantes : la RTM "standard" qui utilise un moule très rigide et lourd, et la RTM "éco" ou "light" qui utilise un moule semi-rigide et s'effectue donc à  des pressions moins élevées ; une pompe à  vide fournit alors une assistance supplémentaire pour aspirer la résine. Par rapport à  linfusion, lemploi d'un moule fermé permet un meilleur contrôle de lépaisseur des pièces, moyennant un outillage nettement plus coûteux.

Il existe en outre des procédés complètement automatisés, fonctionnant de manière ininterrompue mais dédiés à  des géométries particulières. Citons par exemple lenroulement filamentaire, destiné à  fabriquer des tubes creux (souvent cylindriques de révolution), qui consiste à  enrouler des fibres imprégnées de résine autour d'un mandrin jouant le rôle d'un moule intérieur. Un autre exemple important est la pultrusion, destinée à  créer des profilés de sections quelconques, qui consiste à  faire passer des fibres imprégnées de résine à  travers une filière dextrusion, en les "tirant" à  laide de roul'eaux.
Ces procédés donnent des pièces de bonne qualité et sont adaptés aux productions en grande série. Leurs principales limitations, outre les contraintes sur la géométrie des pièces, portent sur les directions des renforts ainsi mis en place. En effet, la pultrusion installe des renforts axiaux, tandis que lenroulement filamentaire installe des renforts obliques ou circonférentiels. Le choix de l'un de ces procédés doit donc dépendre de l'application visée.

Les structures Sandwich

Ces structures sont le résultat d'un assemblage de panneaux métalliques ou composites sur un matériau de remplissage (nid dabeille) par collage ou soudure. On obtient ainsi un matériau de faible densité, résistant à  la compression, qui peut supporter des charges très lourdes, qui amorti les vibrations et isole contre le bruit et la chaleur mais difficile à  réparer et sensible à  l'impact. Il peut être en carton ou tissu de verre imprégné de résine ou réalisé par des bandes métalliques très fines collées ou soudés. Principalement utilisé pour les commandes de vol, empennages, carénages, radômes...

Les structures Monolitique

Ces structures se différencient par le caisson multi-nervures qui est formé par deux plaques multiplis sur lesquelles on fixe les nervures et longerons et le revêtement auto-raidi qui est formé par deux plaques auto-raidies, les longerons et les nervures.

 

[Skyb737]

ça t'as pris combien de temps pour écrire tout ça? Le kevlar est aussi utiliser pour fabriquer des gilets par balles, c'est effectivement très solide.

Bah ca va t'as pas trop fait de fautes dorthographe...

 

[Leonick]

Bonjour, comment les ingénieurs, léquipe de maintenance, etc. font pour savoir si la structure d'un avion est fatiguée?

 

[Fcoq]

Bravo,quel courage Windy!

 

[Silverstar]

Salut, avec les données constructeurs sur des tests de résistance effectués suivant le type de matériaux, ils savent où et quand regarder. Maintenant il est possible que la structure entière soit fatigué mais généralement c'est plutôt une pièce à  part qui est changée, recyclée ou réparée. Il ya des matériaux qui chauffent plus que d'autres, qui sont plus fragile que d'autres parce quelles offrent des propriétés mécaniques différentes.

Linspection peut être visuelle, auditive, par ondes sonores, par rayons X, par colorant, par ressuage de pénétrants fluorescents Zyglo, par poudres magnétiques, par thermographie, ...

 

[Leonick]

Très intéressant, j'ai une autre question en quoi consiste le ressuage de pénétrants fluorescent, comment ils traîtent un avion entier?

 

[Silverstar]

Le ressuage est un contrôle non destructif c'est à  dire qu'il permet de vérifier l'état d'un composant sans le dégrader. Les rayon X sont par exemple aussi un contrôle non destructif.

La pièce à  contrôler est démontée et plongée dans un bain de pénétrant ou par pulvérisation (fluorescent par exemple ou liquide rouge) ensuite on applique un révélateur en poudre. On peut ainsi voir les fissures non visible à  lil nu avant traitement de ressuage.

https://youtube.com/watch?v=QAx-J-R1lv8

 

[Silverstar]

J'ai oublié de préciser que l'utilisation du pénétrant fluorescent est reveler par ultraviolet.
https://youtube.com/watch?v=1cl2ULh0_ss

 

[Leonick]

Explications claires et nettes, merci beaucoup.

 

[rêveur]

Hello,

Jolie s'ynthèse Silverstar.

@Leonik : Comment traiter l'avion entier ? : Certainement pas par ressuage Mais un avion de ligne est totalement inspecté lors de la visite de type D (il y a quatre types de visites de maintenance; A,B,C,D) communément appelée "grande visite". Lappareil est alors entièrement démonté, chaque pièce est inspectée, testée (avec les différentes méthodes expliquées précédemment) et certaines sont s'ystématiquement remplacées (c'est le bon moment pour apporter les dernières améliorations de l'avionneur).

Ca se fait environ tous les quatre ou cinq ans (dépend du nombre d'heures de vol, mais surtout des cycles encaissés durant la période), ça dure, le temps que ça dure (plusieurs semaines) et autant dire que ça coûte bonbon (déjà , le boulot requis ... plusieurs dizaines de milliers d'heures + les pièces et le fait que l'avion soit immobilisé).

Quant à  savoir si un élément est fatigué, on ne peut que déplorer que, malgré les visites, ce soit le plus souvent lors de lenquête après un crash. Fort heureusement, les constructeurs se trompent rarement avec leurs normes et les Cies sont (en principe ... Atchoum ) sérieuses avec la maintenance, mais rien n'est parfait dans la vie.

Aéromicalement

 

[Silverstar]

Jolie complément d'information rêveur

@Fcoq merci j'avais pas lu ton message, eh oui des heures de dact'ylo.