Pourquoi les pièces aérospatiales ont-elles des exigences particulièrement strictes en matière de traitement thermique ?

1. Les conditions de travail extrêmes mettent à l’épreuve les limites de l’efficacité des matériaux.
Les techniques de traitement thermique ont du mal à répondre simultanément aux nombreux besoins concurrents de performances des pièces aérospatiales.
Résistance aux températures élevées et au fluage : les aubes de turbine doivent rester solides à une température élevée de 1 300 degrés. Le traitement thermique doit former une phase de renforcement des précipitations grâce à une solution solide et un traitement de vieillissement. Cela peut permettre aux alliages à haute température à base de nickel-de durer plus de trois fois plus longtemps avant de se briser à cause du fluage. Par exemple, la résistance à haute température d'un certain type d'aube de moteur d'avion est passée de 400 MPa à 650 MPa après solidification dirigée et traitement thermique.
Pour augmenter la limite d'élasticité de 150 MPa à 350 MPa tout en maintenant la densité à seulement un-tiers de celle de l'acier, les pièces structurelles du fuselage en alliage d'aluminium doivent subir un traitement thermique T6 (solution solide plus vieillissement artificiel). 7075 l'alliage d'aluminium a une résistance spécifique de 200MPa/(g/cm³) après traitement thermique. C’est pourquoi il s’agit de l’alliage d’aluminium le plus couramment utilisé dans l’industrie aéronautique.
Le train d'atterrissage doit être capable de supporter 10 ⁷ cycles de charge, et le processus de traitement thermique doit créer une structure biphasée bainite + martensite inférieure par trempe isotherme bainite. Cela augmente la limite de fatigue de l'acier 40CrNi2MoA de 450MPa à 650MPa. Après avoir été chauffé, le taux de propagation des fractures d'un certain type de train d'atterrissage d'avion a diminué de 60 % lorsqu'il a été soumis à des conditions de service simulées.
2. Le contrôle des processus est particulièrement difficile dans le cas de structures complexes.
Les caractéristiques géométriques complexes des composants aérospatiaux présentent un obstacle important à la cohérence du traitement thermique :
Contrôler la déformation des structures à parois minces- : les pièces à parois minces-(avec des épaisseurs de paroi de 0,5 à 2 mm) dans les chambres de combustion des moteurs ont tendance à se déformer pendant la trempe car elles refroidissent à des vitesses différentes. La technologie de trempe au gaz sous vide à haute pression- gère soigneusement la pression de l'azote (2 à 6 bars) pour empêcher les pièces à parois minces-de se plier trop, de 0,3 % à 0,05 %, ce qui est nécessaire pour un assemblage de précision.
Le disque de turbine d'un certain type de moteur d'aviation a un diamètre de 800 mm et une épaisseur de 200 mm. Cela signifie que le chauffage est uniforme dans toutes les pièces. Lors du chauffage avec une fournaise à air typique, la différence de température entre le noyau et la surface peut atteindre 150 degrés Celsius. L'uniformité de la température est maintenue à ± 5 degrés après le passage à un four sous vide à contrôle de température intelligent multi-zones. Il s’agit de mettre un terme aux échecs précoces causés par une organisation inégale.
Difficile de traiter les canaux d'écoulement dans la cavité intérieure : le canal d'écoulement de refroidissement de la cavité interne de l'ensemble du disque à aubes mesure seulement 2 à 3 mm de large, il est donc difficile d'obtenir une organisation uniforme avec un traitement thermique normal. Grâce à des techniques de chauffage par induction et de trempe par pulvérisation, la différence de dureté entre la surface et le noyau du canal d'écoulement a été réduite de 15HRC à 5HRC. Cela a rendu le canal d'écoulement beaucoup plus résistant à la fatigue thermique.
3. Les exigences de traçabilité de la qualité doivent être respectées tout au long du cycle de vie.
L'industrie aérospatiale a mis en place un système complet en boucle fermée-pour vérifier la qualité du traitement thermique :
Prise en charge de la base de données sur les processus : une entreprise de construction aéronautique a créé une base de données sur les processus de traitement thermique qui comprend plus de 2 000 variétés de matériaux. Chaque processus doit appeler les bons paramètres. La température de transition de phase bêta de l'alliage de titane TC4 est de 980 ± 5 degrés. La base de données maintient avec précision la température de la solution solide entre 975 et 985 degrés pour éviter une combustion excessive ou un grossissement de la microstructure.
Traçabilité complète des enregistrements du processus : plus de 30 éléments doivent être enregistrés et conservés pendant au moins 15 ans pendant le processus de traitement thermique. Ceux-ci incluent la courbe de chauffage, la vitesse de refroidissement et le degré de vide. Après cinq ans d’utilisation, un certain type de tuyère de moteur-fusée a commencé à se briser. En examinant les enregistrements de traitement thermique, il a été constaté que l'écart de concentration du milieu de trempe était de 0,5 %. Il s'est finalement avéré que c'était la cause principale de la fissure.
Les tests non-destructifs sont indispensables : toutes les pièces importantes doivent être testées avec des ondes ultrasonores 100 % du temps, avec une sensibilité allant jusqu'à 0,2 mm pour les trous à fond plat-. Après avoir été chauffé, un test par ultrasons multiéléments a détecté une microfissure de 0,1 mm au joint de grain d'un roulement d'aviation spécifique. Les travaux ont été effectués à temps pour éviter des accidents graves.
4. Les besoins-spécifiques à l'industrie motivent l'amélioration constante de la technologie.
L'industrie aérospatiale fait pression pour faire progresser les technologies de traitement thermique dans la direction de « trois hauts et un bas » :
Environnement sous vide poussé : l'alliage de titane réagit facilement avec l'oxygène à des températures supérieures à 600 degrés. Le traitement thermique sous vide peut maintenir le niveau d'oxygène en dessous de 10 ppm, ce qui rend l'alliage de titane TC11 25 % plus résistant à la fatigue. Le traitement thermique sous vide a augmenté la durée de vie opérationnelle d'un certain type de support de satellite en orbite de 5 ans à 8 ans.
Contrôle très précis de la température : pour traiter thermiquement un type spécial de lame monocristalline de moteur d'aviation, la température doit rester à ± 1,5 degrés. Un système de surveillance de la température infrarouge et de gestion en boucle fermée-est utilisé pour réduire l'écart type du contenu initial de la phase alpha de la lame de 3 % à 0,5 %. Cela rend les performances de la lame à haute-température beaucoup plus stables.
Traitement par faisceau à haute énergie : la technologie de renforcement de surface au laser peut créer une couche durcie jusqu'à 0,5 mm de profondeur sur la pièce. Cela augmente la durée de vie en fatigue de contact d'un certain type d'équipement d'hélicoptère de 10 ⁷ fois à 10 ⁸ fois et le rend 15 % plus léger.
Le traitement thermique aéronautique a complètement éliminé les agents de trempe contenant du cyanure et est passé à une solution aqueuse d'alcool polyvinylique (PVA). Cela a abaissé la valeur DCO des eaux usées de 5 000 mg/L à 200 mg/L, ce qui est conforme aux règles environnementales.