Perspectives de développement des technologies de fonderie de haute précision

De la collection de M. Chen Bing

Pièces moulées de haute précisionou à forte valeur ajoutée Pièces moulées de précisionDans les secteurs de l'aérospatiale, de l'armement, des turbines à gaz industrielles et autres secteurs clés, les exigences en matière de qualité, qu'elle soit métallurgique ou esthétique, sont de plus en plus élevées, tant en termes de variété que de spécifications. Cet article présente brièvement l'historique et les tendances de cette évolution à travers quelques exemples typiques.

Industrie de la défense

 1. Aubes de turbine de moteur d'avion

Le cœur d'un moteur d'aviation moderne (ou turboréacteur) se compose principalement de trois parties : le pressuriseur, la chambre de combustion et la turbine (Figure 1). Après plusieurs étages de moulage de précision, le pressuriseur fabrique des aubes de turbine, notamment des aubes fixes (ou aubes directrices) et des aubes dynamiques (ou aubes actives). Les exigences relatives au moteur varient selon le type et l'utilisation de l'aéronef, mais un objectif demeure : améliorer constamment le rapport poussée/poids et réduire la consommation de carburant. Pour ce faire, l'amélioration du rendement thermique est essentielle. La principale mesure technique pour y parvenir consiste à maximiser le taux de pressurisation du pressuriseur et la température d'entrée de la turbine (Figure 1). Il en résulte inévitablement une augmentation de la température globale du système, et notamment de la température de fonctionnement des aubes de turbine. La température de fonctionnement des aubes de turbine de première classe est à peu près équivalente à la température d'entrée de la turbine, et la température d'entrée de la turbine actuelle du moteur aéronautique le plus avancé atteint un incroyable 1700 °C, dépassant d'environ 300 °C le point de fusion des alliages haute température à base de nickel.

Selon les principes fondamentaux de la métallurgie, les joints de grains constituent des points faibles à haute température. Par conséquent, la surface des joints de grains du matériau d'alliage des aubes de turbine est amenée à diminuer progressivement, passant du développement de cristaux équiaxes (années 1950) à la direction de la contrainte principale du cristal colonnaire orienté parallèlement à la direction de la contrainte principale (années 1970). La température de fonctionnement des aubes a également augmenté, passant de 900 à 1000 °C à 1000 à 1100 °C, et les méthodes de coulée ont également évolué en conséquence, passant de la fusion sous vide ordinaire à la solidification directionnelle jusqu'à la coulée monocristalline (figures 2 et 3).

Les alliages monocristallins développés par différents pays présentent des compositions chimiques différentes, mais leur microstructure reste fondamentalement la même : une solution solide à base de nickel (phase γ) sert de substrat, dans laquelle est incrustée une phase γ' cubique renforcée à haute température (Figure 4). La recherche et le développement des alliages monocristallins ont connu trois générations et entrent désormais dans une quatrième, voire une cinquième, voire une sixième génération, avec pour objectif une température d'utilisation de 1150 °C. Malgré des décennies d'efforts soutenus, la température de service des alliages seuls n'a pas encore dépassé 1150 °C. Or, les exigences les plus récentes en matière de température d'entrée des turbines de moteurs d'avion atteignent 1700 °C, soit un écart de près de 600 °C. Comment combler cet écart ? Actuellement, deux solutions techniques principales sont mises en œuvre : le refroidissement par air à l'intérieur des aubes et le revêtement de barrière thermique externe. Afin d'améliorer continuellement l'efficacité du refroidissement par air, le canal de refroidissement interne de l'aube doit être sinueux, assurant ainsi un refroidissement uniforme de l'ensemble de la pale, notamment au niveau des bords d'entrée et de sortie. Ceci se traduit par des formes structurelles de plus en plus complexes pour les noyaux en céramique formant les cavités internes (Figure 5). Compte tenu des faibles propriétés de forgeage et d'usinage de la quasi-totalité des alliages haute température, en particulier ceux présentant des cavités internes complexes (canaux de refroidissement), la fonderie de précision demeure, à juste titre, la seule méthode de moulage utilisée à ce jour pour les aubes de turbines de moteurs d'avion.

En résumé, un revêtement barrière thermique est un revêtement isolant, une technologie récente apparue à la fin du XXe siècle. Sa structure de base se compose de deux couches : une couche supérieure en céramique à faible conductivité thermique et une couche adhésive conçue pour prévenir l’oxydation du substrat et assurer une forte adhérence (Fig. 6). La première est principalement formée par dépôt physique en phase vapeur (PVD), par exemple par faisceau d’électrons ou par plasma, tandis que la seconde est formée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le coefficient de dilatation thermique global du revêtement doit correspondre à celui du matériau du substrat afin d’éviter tout décollement ou fissuration à une température élevée de 1 700 °C. Le revêtement doit également être appliqué sur le matériau du substrat. La figure 7 illustre une aube de turbine creuse dotée d’un revêtement barrière thermique.

2. Composants structuraux intégrés de grande taille

La figure 8 présente le profil typique d'un turboréacteur. Le carter est constitué de plusieurs compartiments, souvent appelés « magazine ». Après la chambre de combustion, il n'y a généralement pas de moulage, tandis que la partie pressurisée du magazine, dont la forme est parfois très complexe, est souvent réalisée par moulage. Le taux de suralimentation et la température de fonctionnement du compresseur d'air ne cessent d'augmenter, ce qui explique l'évolution des méthodes de moulage de ces magazines : du moulage en sable d'alliages d'aluminium et de magnésium (développement des années 1950-1960 de la tôle d'acier inoxydable soudée) à la fonderie de précision actuelle en alliage de titane ou en alliages haute température. La figure 9 montre un grand magazine en alliage de titane produit par PCC, et les figures 10 et 11 montrent respectivement un magazine en alliage de titane et un moule en cire produits par Howmet.

Étant donné que les alliages de titane ont une résistance et une rigidité spécifiques plus élevées que les autres alliages, les grands composants structuraux complexes à parois minces en alliages de titane ont également été largement utilisés dans les grands composants structuraux porteurs de charge des avions (Fig. 12) et des coques de missiles (Fig. 13) depuis les années 1970.

3. Pièces moulées de précision en alliage d'aluminium à structure intégrée

Ces pièces moulées sont largement utilisées dans les supports, les châssis, les socles et les radiateurs pour les équipements électroniques et de télécommunications, etc. La figure 14 montre quelques exemples typiques. Pièces moulées de précision en alliage d'aluminium à structure intégrée.

  turbines à gaz industrielles

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est devenue un enjeu majeur pour l'humanité. La plus grande quantité de dioxyde de carbone est sans conteste émise par les centrales thermoélectriques (thermiques) du monde entier. La production d'électricité thermique est généralement classée en trois catégories : centrales au charbon, au fioul et au gaz, selon le combustible utilisé. Les émissions de dioxyde de carbone par unité de chaleur produite par ces trois systèmes sont très différentes, avec des valeurs relatives respectives de 1,00, 0,76 et 0,53. Cela signifie que les émissions de dioxyde de carbone pourraient être réduites de moitié environ si toute la production d'électricité conventionnelle au charbon était remplacée par une production d'électricité au gaz. Comme chacun sait, en Chine, les équipements de production d'électricité thermique sont encore principalement constitués de turbines à vapeur alimentées au charbon. Dans un souci d'amélioration de l'efficacité énergétique des équipements de production d'électricité, les pays industrialisés sont passés depuis longtemps aux turbines à gaz alimentées au fioul ou au gaz. Outre les centrales électriques, les turbines à gaz alimentent également la propulsion des navires, ainsi que certaines pompes et pressurgeurs mécaniques de forte puissance et d'autres équipements. Par conséquent, dans presque tous les pays industrialisés, les turbines à gaz constituent l'un des principaux marchés de la fonderie de précision, leurs ventes représentant environ un tiers des parts de marché. Malheureusement, pour diverses raisons, l'industrie chinoise des turbines à gaz demeure encore peu développée ; les aubes de turbines et de nombreux composants clés sont encore au stade de la conception, ce qui explique sa part négligeable dans le marché de la fonderie de précision.

En réalité, le principe de fonctionnement et la structure d'une turbine à gaz industrielle sont fondamentalement les mêmes que ceux d'un moteur d'aviation, et son élément central se compose également de trois parties : le pressuriseur, la chambre de combustion et la turbine (Fig. 15). De ce fait, de nombreuses technologies de fonderie de précision utilisées dans les moteurs d'aviation, telles que la solidification dirigée, la coulée monocristalline, le refroidissement des aubes et le revêtement de barrière thermique, ont été largement appliquées aux turbines à gaz. À l'instar des moteurs d'avion, le rendement thermique des turbines à gaz est directement lié à la température d'entrée de la turbine. Par exemple, pour un groupe électrogène à cycle combiné classique, très répandu dans le monde, la température d'entrée de la turbine est de 1 100 à 1 300 °C, et le rendement thermique est de 43 à 48 % ; tandis que pour une turbine à gaz de nouvelle génération, cette température atteint 1 500 °C, et le rendement thermique s'élève à 52 %. et la valeur cible du rendement thermique de la turbine à gaz à très haut rendement dans le processus de recherche et développement est de 56 % à 60 %, et la température d'entrée avant de la turbine sera encore augmentée à 1700 ℃.

Bien que les exigences des turbines à gaz industrielles en termes de rapport poussée/poids soient moins élevées que celles des turboréacteurs, leur taille importante constitue un défi majeur. La figure 16 présente les aubes primaires et secondaires de la turbine à gaz industrielle MS9001FA de GE, d'une longueur respective de 43 cm et 56 cm, et d'une masse respective de 13,5 kg et 12,6 kg. La figure 17 illustre la section de soufflante de l'aube directrice de la turbine, d'une longueur de 60 cm et d'une masse supérieure à 60 kg. Il a également été rapporté que la longueur des aubes de turbines à gaz industrielles atteignait même 90 cm. La figure 18 présente une aube de turbine monocristalline de 30 cm de long, développée avec succès par Mitsubishi Heavy Industries au Japon en 2011. La figure 19 montre un moule en cire en cours de pressage. La figure 20 montre un noyau en céramique (ébauche) en cours d'usinage.

  turbocompresseur pour moteur automobile

L'objectif initial de l'installation d'un turbocompresseur dans une automobile est d'utiliser pleinement les gaz d'échappement du moteur pour faire tourner la turbine du turbocompresseur, qui à son tour entraîne la roue du compresseur coaxial pour comprimer l'air et l'acheminer vers le moteur, augmentant ainsi la puissance et le couple du moteur afin de réduire la consommation de carburant et de rendre les gaz d'émission plus propres (figures 21 et 22).

Les moteurs diesel des voitures particulières émettent généralement des gaz d'échappement à une température maximale d'environ 850 °C, tandis que les moteurs à essence peuvent atteindre 1 050 °C. Par conséquent, les turbines sont généralement moulées avec précision à partir d'alliages haute température à base de nickel, tels que le 713C ou le MarM. La technologie brevetée de moulage sous vide (moulage antigravité) de Hitchiner Manufacturing Co., Inc. aux États-Unis (Fig. 23) est considérée comme la méthode la plus efficace pour la production de ces pièces. Les roues du compresseur avant, quant à elles, ne fonctionnent pas à haute température et sont généralement fabriquées par moulage de précision en plâtre d'alliage d'aluminium. Les roues et turbines de suralimentation sont généralement de petite taille, mais présentent des vitesses de rotation très élevées, jusqu'à 250 000 tr/min, voire plus, ce qui impose des exigences de qualité très strictes. Bien que plusieurs fabricants nationaux produisent également ces deux types de roues, leur production reste marginale par rapport à la demande totale.

Ces dernières années, le remplacement des gros moteurs atmosphériques par des petits moteurs turbocompressés s'est largement répandu en Europe, en raison de la demande croissante de réduction de la consommation de carburant et d'amélioration de la qualité de l'air urbain. Par rapport à 2011, le taux d'installation de turbocompresseurs devrait doubler, voire plus, d'ici 2016, pour atteindre 76 % du total. Cependant, les véhicules européens étant majoritairement équipés de moteurs diesel, la simple installation d'un turbocompresseur ne suffit pas à satisfaire aux normes d'émissions de l'UE, constamment mises à jour. Il est également indispensable d'équiper les moteurs de systèmes d'admission et d'échappement afin de minimiser les émissions de PM2,5, de NOx et autres polluants. De nombreuses pièces du système, majoritairement en acier inoxydable, présentent une géométrie complexe, des parois fines et des exigences de précision dimensionnelle élevées. Elles se prêtent donc parfaitement au moulage par fonderie de précision, ce qui explique la croissance rapide de la part de marché des pièces moulées de précision pour l'automobile, passée de 5 % en 2004 à 16 % en 2011. Au Japon, sur la même période, cette part a bondi de 24 % à 43 %. Bien que les pièces moulées de précision pour les systèmes d'admission et d'échappement des compresseurs automobiles soient généralement considérées comme des produits de milieu de gamme sur le marché de la fonderie de précision, la demande du marché offre une opportunité exceptionnelle au développement de l'industrie chinoise de la fonderie de précision. Au XXIe siècle, de nombreuses entreprises de fonderie de précision implantées dans le delta du Yangtsé, la mer de Bohai et d'autres régions de Chine, profitant des avantages politiques et géographiques liés à la réforme et à l'ouverture, n'ont pas hésité à saisir cette opportunité pour développer ce secteur. Produits de fonderie Dans ces régions, l'activité s'est instaurée et a rapidement donné naissance à un nouveau marché de produits. Parallèlement, tous les aspects, de la gestion d'entreprise aux technologies et équipements de production, ont été améliorés, en s'appuyant sur les acquis existants. Il convient de noter que, si les moteurs à essence dominent encore le marché automobile chinois, les moteurs diesel prédominent quant à eux pour les véhicules utilitaires. Avec l'amélioration progressive des normes de qualité de l'air en Chine, les turbocompresseurs et leurs équipements associés devraient rapidement constituer un nouveau marché intérieur, insufflant ainsi une nouvelle dynamique au secteur chinois de la fonderie de précision.

La réduction de la densité des pièces rotatives du compresseur a un effet positif sur le rendement du moteur et sa réactivité. L'alliage titane-aluminium (TiAl) a une densité de 4,2, tandis que celle de l'alliage à base de nickel (713C) est de 7,9. En remplaçant le TiAl par le 713C, la masse est réduite de près de moitié (47 %), ce qui diminue l'inertie de la turbine et raccourcit le temps de réponse à l'augmentation du couple. Les caractéristiques de réponse transitoire du turbocompresseur s'en trouvent ainsi améliorées. Selon la société japonaise Daido Casting Co., la fabrication de turbines de turbocompresseur en alliage titane-aluminium a été réalisée avec succès grâce à une combinaison de fusion par suspension et de coulée sous vide, et leur production en série a pu démarrer. La figure 24 illustre le principe de la fusion par suspension (à gauche) et le bain de fusion (à droite). La figure 25 présente le schéma du dispositif de fusion par suspension et de coulée sous vide.

   Aluminium titane moulage de précision en alliage

L'alliage titane-aluminium est un composé intermétallique de faible densité, présentant de bonnes propriétés mécaniques à haute température et une excellente résistance à l'oxydation. Il peut remplacer certains alliages haute température et autres matériaux résistants aux hautes températures dans les secteurs de l'aérospatiale, des turbines à gaz industrielles et de l'automobile. Les essais mécaniques démontrent sa haute résistance au fluage et son excellente résistance à la fatigue à 760 °C. Cependant, ce matériau est fragile : son allongement à température ambiante est inférieur à 2 %, sa résistance aux chocs et sa tenue à la propagation des fissures sont faibles. Le moulage sous pression s'avère donc le procédé de fabrication le plus approprié. Depuis les années 1990, son utilisation s'est largement répandue, en remplacement des alliages haute température à base de nickel, pour la fabrication d'aubes de turbines à gaz industrielles (figure 26a), de turbines complètes (figure 26b), d'aubes de turboréacteurs (figure 26c), de soupapes d'admission et d'échappement de moteurs à combustion interne automobiles, et d'autres pièces.