Les matériaux et la fabrication

La fabrication d’aubes de soufflante de grand diamètre, nécessaires à la conception de moteurs à fort taux de dilution, a été rendue possible par l’utilisation de titane. Ce matériau

7L’un des principaux inconvénients des turbopropulseurs est la perte rapide de rendement pour des vitesses de vol supérieures à 650 km.h−1due, notamment, aux ondes de choc créées autour de la pale lorsque l’extrémité de celle-ci approche Mach 1. Cependant, les pales actuelles, dont le profil aérodynamique s’est beaucoup amélioré, peuvent avoir une vitesse supérieure à Mach 1 sans que cela entraîne une perte de rendement de propulsion. En utilisant ces pales dans une configuration contrarotative, qui permet de réduire les pertes dues aux turbulences ainsi que de répartir l’augmentation de pression à réaliser sur deux rangées d’aubages, il est possible d’obtenir un très bon rendement de propulsion pour des vitesses de vol supérieures à 800 km.h−1

4.1. GÉNÉRALITÉS SUR LES AUBES DE SOUFFLANTE

convient tout à fait pour des applications aéronautiques de part sa faible masse volumique et ses excellentes propriétés mécaniques. Pour les aubes fan du CFM56-7B, fabriquées à partir d’un alliage de titane TA6V contenant 6% d’aluminium et 4% de vanadium, les propriétés sont les suivantes :

• un rapport résistance mécanique sur masse volumique bien supérieur à celui des autres métaux (Rm = 900MPa,ρ= 4460 kg.m−3) ;

• une excellente résistance à la corrosion8;

• une bonne ténacité et tenue au fluage jusqu’à 550 ◦C ; • une résistance satisfaisante à la propagation des criques ;

• une bonne limite de fatigue à 108 cycles située à la moitié de sa résistance en traction (Re=830 MPa).

Néanmoins, les caractéristiques mécaniques ne sont stables que jusqu’à 700◦C, ce qui réserve les alliages de titane (hors supers alliages) aux parties froides du moteur fortement sollicitées : la soufflante et le booster.

Du fait de sa forme complexe9, les techniques de fabrication pouvant être mises en œuvre sont, a priori, limitées à l’usinage, le moulage et le forgeage. Cependant, l’usinage, souvent onéreux, n’est en général pas utilisé pour fabriquer des pièces mais seulement pour réaliser des opérations de finition de surface et pour améliorer la précision dimensionnelle des pièces après moulage ou forgeage, de plus le titane s’usine mal. Quant aux procédés de fonderie, ils ne sont pas utilisés à cause de la mauvaise moulabilité des alliages de titane. C’est donc le forgeage, qui désigne l’ensemble des procédés de formage, par chocs ou pression, d’une pièce massive entre deux outillages, qui est le procédé de fabrication utilisé pour les aubes de soufflante.

Plus précisément, ces aubes sont obtenues par forgeage à chaud de barres ou de lopins10 portés à environ 1000◦C sur presse à filer ou machine à forger de 600 à 1600 tonnes. La mise en forme des lopins est ensuite réalisée par chocs entre deux matrices montées sur presses à vis de 2300 à 8000 tonnes. Les matrices de presse utilisées aujourd’hui permettent d’obtenir des pièces dont la précision après frappe atteint quelques millimètres. Le travail par choc permet une meilleure remontée dans la matrice supérieure que le travail à la presse ; les gravures fines sont donc plus facilement remplies. Quant au matriçage, il est réalisé à l’aide d’une presse hydraulique dont la vitesse est inférieure à 1 m.s−1. La pièce offre ainsi une résistance à la déformation moins grande que dans le cas d’un travail réalisé à l’aide d’un marteau-pilon dont l’outil est animé d’une vitesse supérieure à 5 m.s−1 lors de la frappe. Les pièces obtenues sont plus résistantes aux contraintes mécaniques car la déformation des métaux engendre un grand nombre de phénomènes métallurgiques, tant au niveau microscopique que macroscopique. Parmi ces phénomènes, il y a notamment le corroyage, qui lui même est à l’origine du fibrage du métal. La santé métallurgique des pièces forgées est très bonne et contrairement à l’usinage, le fibrage de la pièce est favorable.

Après matriçage et ébavurage, les aubes subissent un décapage chimique avant polissage. L’attache des aubages, ou pied, est finie par fraisage. En fin de gamme, une couche de vernis de quelques microns d’épaisseur est déposée sur le pied afin d’en limiter l’usure.

Ce procédé de fabrication est adapté à la moyenne série11 et permet de produire des soufflantes dont la taille varie de 200 mm pour un réacteur Adour à 920 mm pour le moteur

8Le titane devient passif par la formation d’un film TiO2insensible à la corrosion caverneuse ou par piqûres. 9Les aubes sont vrillées (angle le plus grand en tête) avec un extrados convexe et un intrados concave, afin de répartir le travail des gaz et d’assurer un écoulement uniforme en sortie.

10Bloc de métal débité dans un demi-produit ou une barre, et dont le volume correspond à celui de la pièce à obtenir, majoré de celui nécessaire au forgeage.

11entre 15000 et 20000 aubes de soufflante sont forgées chaque année par la Snecma sur le site de Gennevil-liers.

civil CF6-80E. Une aube fan de CFM56-7B a une masse de 5 kg environ pour une longueur de 520 mm.

(a) La technologie métallique

Les dernières avancées sur les aubes métalliques datent de 1999. Des tests ont été réalisés sur une nouvelle forme d’aube en flèche à large corde et deux versions de soufflante, de 1.5 (61”) et 1.7 (68”) mètre ont été étudiées. Les aubes en titane de la première sont pleines, celles de la seconde, plus grandes, sont creuses pour compenser l’augmentation de masse. Les essais ont commencé en 2000 sur le fan de 61”, monté sur un moteur CFM56-7B adapté. Ils ont démontré une nette augmentation de la poussée et du débit, ainsi qu’une diminution correspondante de la consommation de carburant. Les aubes creuses du fan de 68” ont été testées dans le courant de l’année 2001 sur un CFM56-5C modifié. Les premiers résultats montrent également une augmentation de débit comparable. Les travaux menés sur les aubes creuses concernaient surtout le procédé de fabrication par formage superplastique12, aujourd’hui maîtrisé. Les essais ont continué par des essais d’ingestion et le programme s’est terminé par un essai majeur en 2004 sur un second démonstrateur : l’essai de perte d’aube moteur, qui valide la conception de l’aube.

(b) La technologie composite

La technologie composite supplante progressivement la technologie métallique, pour les parties froides, car elle permet des gains de masse importants et autorise la conception de soufflantes plus grandes dont les dimensions atteignent 1.60 m. Bien que la réalisation de ces aubes coûte plus chère qu’une aube métallique13, les gains de masse donnent accès à des économies sur d’autres modules. De plus, les soufflantes composites de grande taille permettent de réaliser des moteurs double-corps/double-flux de forte puissance comme le GE90, le GEnx et le Leap-X et de réduire la consommation et le bruit de manière importante. Il est certain que des progrès seront faits dans le domaine des aubes en composite et que leur coût de fabrication rejoindra celui des aubes métalliques.

Deux modèles d’aube fan en composite existent et sont en concurrence :

• l’aube pleine en composite de CFAN, co-entreprise GE-Snecma. Celle-ci est fabriquée à partir d’un empilement de plis unidirectionnels, ou tissés préimprégnés, de fibre de carbone placées dans un moule en orientant différemment les plis successifs avant com-pactage et polymérisation à l’autoclave. Le bord d’attaque est renforcé par une lame de titane afin d’augmenter la résistance thermomécanique et dissiper l’énergie d’éven-tuels chocs avec des volatils. La forme complexe du profil de l’aube donne un très bon rendement et la légèreté du carbone (une aube pèse 27 kg) permet des gains de masse également importants (300 kg sur un GE90). Cependant, le procédé de fabrication est difficilement automatisable car il repose sur la superposition de centaines de plis de carbone et par plusieurs passages en autoclave ;

• l’aube RTM tissée 3D. La Snecma a développé une technique de fabrication spécifique où la pièce est réalisée par infiltration d’une résine thermodurcissable dans une ébauche fibreuse sèche placée dans un moule fermé. Ce procédé de moulage par injection basse pression de résine liquide14 est couramment appelé procédé RTM (Resin Transfer Mol-ding). Les résultats d’essais sont très bons, car l’aube est formée d’une seule pièce

com-12Le procédé de formage superplastique exploite la capacité du titane à subir de grandes déformations lorsqu’il est porté à haute température (950◦C).

13Le rapport de coût entre la dernière technique "métal" et les techniques composites serait de 3. 14La viscosité de la résine se situe entre 0.2 et 0.6 Pa.s et la pression entre 1 et 4 bar.