Une technique de soudage peu courante
|
La revue spécialisée consacrée au nickel et à ses applications |
 |
|
IL FAUDRA QUE LES PIÈCES DE TURBORÉACTEURS fonctionnent à des températures plus élevées pour être plus
efficaces et pour contribuer à réduire les émissions et ainsi amoindrir l’impact d’un tel mode de combustion
sur l’environnement. |
 |
|
SEULES LES TECHNIQUES DE SOUDAGE PEU COURANTES, telles que le soudage par friction inertielle permettent
de souder les superalliages des turboréacteurs modernes. |
 |
|
LE SOUDAGE PAR FRICTION INERTIELLE consiste à faire tourner un pièce à haute vitesse sur un rotor et à la
mettre en contact avec une pièce fixe, de façon à ce que la chaleur produite par la friction forge les deux
pièces ensemble. |
|
|
|
|
Le soudage par friction inertielle permet d’éviter la microfissuration lors de l’assemblage de différents superalliages.
Par Dean Jobb
Revue Nickel, Juillet 2004 -- Pour que l’industrie aérospatiale parvienne, comme prévu, à réduire ses émissions et à amoindrir son impact sur l’environnement, il faudra que le mode de combustion des turboréacteurs de la prochaine génération soit plus efficace et se fasse à des températures plus élevées. Toutefois, la construction de pièces de moteur capables de répondre à ces critères présente un défi sur le plan technologique : les superalliages à base de nickel offrent la thermorésistance requise, mais ils sont difficiles à assembler au moyen de techniques de soudage courantes.
Les ingénieurs à l’université de Manchester et à la société Rolls-Royce plc, l’un des plus grands fabricants de turbines à gaz pour aéronefs au monde, travaillent de concert dans le but de s’attaquer à ce problème. Ils étudient ainsi des techniques de soudage par friction inertielle dans le cadre de la production de rotors de compresseurs, de disques de turbines et d’arbres de turboréacteurs. « Le soudage par friction inertielle existe depuis un certain temps », fait remarquer le professeur Philip Withers du Materials Science Centre de l’université. « Ce qui est nouveau, c’est son application aux moteurs d’aéronefs. »
Le principe du soudage par friction inertielle repose sur la transformation de la chaleur issue de la friction pour l’assemblage de différentes pièces de métal. On fait tourner une pièce à haute vitesse sur un rotor et on la met en contact avec une autre pièce, qui elle, est fixe. En quelques secondes, les pièces atteignent des températures de forgeage au point de contact et sont ainsi liées sans fusion ni ajout de métal liquide.
« Le rotor de grande taille permet d’accumuler beaucoup d’énergie cinétique, explique M. Withers, et cette énergie se dissipe graduellement à mesure que le frottement a lieu entre les surfaces. La chaleur produite amollit le métal, ce qui permet ni plus ni moins de forger à chaud les deux pièces à joindre. » La vitesse de rotation et la pression qui s’exerce, lorsque les pièces entrent en contact, sont soumises à un contrôle rigoureux visant à assurer un soudage solide et à éviter la fusion.
M. Michael Preuss, Ph.D., collègue de M.Withers à l’université de Manchester, et le métallurgiste de la société Rolls-Royce, Gavin Baxter, ont utilisé le soudage par friction inertielle pour assembler des structures tubulaires faites du superalliage RR1000, spécialement mis au point par Rolls-Royce aux fins d’utilisation dans des turbines. Il s’agit d’un mélange comprenant de 50 à 60 % de nickel, de 14 à 15 % de chrome, de 14 à 19 % de cobalt, de 4 à 5 % de molybdène, de 3 % d’aluminium et d’environ 4 % de titane. L’alliage, obtenu par la transformation de poudre métallique, résiste à la fissuration, à la corrosion et à l’oxydation lorsqu’il est soumis à une chaleur extrême, mais il est sujet à la microfissuration à mesure que le métal se solidifie, à la suite du procédé de soudage traditionnel.
En étudiant la microstructure des lignes de soudure d’essai, l’équipe de Manchester a découvert que le soudage par friction inertielle produit des propriétés supérieures, en comparaison avec le procédé de soudage par fusion avec apport de métal liquide. « La zone de soudure présente une dureté accrue, affirme M. Withers qui ajoute que, l’un des avantages de ce procédé c’est qu’il nettoie les surfaces; la soudure obtenue est ainsi composée d’un métal de grande qualité. » On a par ailleurs observé qu’un traitement thermique du joint, à une température de 50 °C supérieure à la température habituelle, effectué après le soudage, permet de réduire les contraintes résiduelles produites au cours de celui-ci.
De plus, les chercheurs ont découvert que le soudage par friction inertielle peut aussi servir à joindre le superalliage RR1000 à deux autres superalliages utilisés dans les moteurs d’aéronefs, soit le WaspaloyMD (composé de 58 % de nickel, de 19,5 % de chrome, de 13,5 % de cobalt et de 4,3 % de molybdène, qui peut supporter des températures pouvant atteindre 870 °C) et l’UdimetMD 720Li (composé de 57 % de nickel, de 15 % de chrome, de 16 % de cobalt et de 3 % de molybdène).
Au sujet de ces alliages, M. Withers fait remarquer : « Ils possèdent des propriétés distinctes et il est souvent difficile d’assembler des métaux de nature différente tout en maintenant l’homogénéité du joint de soudure. Grâce à cette technique, diverses parties de l’ensemble du disque peuvent être faites de divers alliages. »
Les chercheurs explorent également des applications aérospatiales du soudage par friction linéaire, un
procédé de soudage apparenté, selon lequel des pièces sont frottées l’une contre l’autre dans un mouvement de
va-et-vient, jusqu’à ce qu’une quantité suffisante de chaleur soit produite pour les assembler. « Cette
technique est mise au point pour le processus de fixation des pales au disque, souligne M. Withers. On
aurait recours à une soudure semblable pour fixer les pales d’un disque, de manière à éviter les assemblages
à queue d’hironde traditionnels utilisés pour fixer les aubes d’une
turbine. »
La recherche s’inscrit dans un programme de 4,7 millions de livres britanniques appelé ADAM, soit Advanced Aero-engine Materials (matériaux de pointe de moteurs d’aéronefs), dirigé par Rolls-Royce, qui réunit des scientifiques de l’université de Manchester et de cinq autres universités britanniques. Le but consiste à mettre au point des matériaux réfractaires légers et de nouvelles techniques de fabrication aux fins d’applications aérospatiales. Il se peut qu’un moteur de démonstration soit terminé dès le début de 2008.
La société Rolls-Royce s’est engagée à réduire de 50 % les émissions d’oxyde nitreux provenant de moteurs utilisés dans les aéronefs civils. De plus, elle prévoit que, d’ici 2010, les nouveaux moteurs utiliseront 10 % de moins de carburant qu’un modèle comparable produit en 1998. Il semble que l’une des clés de ces objectifs ambitieux réside dans le soudage par friction inertielle de pièces de moteurs à base de nickel.
M. Withers fait finalement remarquer : « L’aérospatiale doit progresser vers l’amélioration des émissions. Le moyen d’y arriver, au profit considérable de l’environnement, consiste à atteindre une efficacité accrue. Et pour cela, il faut qu’un moteur puisse fonctionner à une température supérieure. »
Dean Jobb est un collaborateur indépendant établi à Wolfville, en Nouvelle-Écosse.
ILLUSTRATIONS : Rolls-Royce et l'Université de Manchester
|
Manchester Materials Science Centre
Rolls-Royce International Limited |
