Compte rendu de la journée thématique sur les alliages d’aluminium organisée par la commission TECHNIQUE Matériaux 3AF

Eric Grosjean, Airbus

Comme tous les deux ans depuis quelques années, la commission matériaux de la 3AF a organisé le 24 novembre dernier sa journée thématique aluminium. Les alliages d’aluminium sont les matériaux traditionnellement utilisés dans la fabrication des aérostructures. Leur performance (alliages 2024, 7075, 7150, 7449) a progressé de manière incrémentale au siècle dernier.  En réponse aux développements des matériaux composites, les solutions Al-Cu-Li, notamment AIRWARE® développées par Constellium, marquent une rupture. Outre l’amélioration de leurs performances, les technologies de fabrication, mise en forme et d’assemblage, constituent un axe de travail essentiel afin de réduire les coûts, d’accéder à de nouveaux designs ou d’alléger les aérostructures en optimisant conjointement la technologie et l’utilisation du matériau. Cette journée, qui a rassemblé une cinquantaine de participants industriels et académiques, a permis d’échanger sur les expériences et sur les derniers développements de ces procédés d’assemblage et de mise en forme.

Organisée par Constellium avec le support d’Airbus, elle a eu lieu à Toulouse sur le site Airbus Jean-Luc Lagardère, où nous avons été accueillis par Eric Grosjean, Airbus. Le site est entièrement dédié à l’assemblage final et à la mise en vol de l’A380. Nous avons visité en début d’après-midi le hall d’assemblage d’une surface de 10 hectares et ses différentes stations : réception des sous-ensembles produits en Allemagne, Grande-Bretagne, Espagne et France puis assemblage, montage des moteurs et équipement de la cabine avant les postes de mise en peinture et d’essais.
Nous avons interrompu les présentations pour pouvoir assister en direct au décollage de l’Airbus A350/1000 pour son premier essai en vol. Cette coïncidence de calendrier était parfaite puisqu’il faut noter, qu’outre l’utilisation de matériaux composites sur cet avion, l’aluminium est majoritairement constitué d’alliages AIRWARE® (voir ci-après).

 

• Alliages d’aluminium : Nouveaux développements Constellium, Sylvain Henry, Bruno Chenal

Constellium a présenté les nouveaux développements des alliages de la famille AIRWARE®. C’est une famille de solutions qui correspondent à un juste équilibre métallurgique dans le domaine des alliages Al-Cu-Li. Les performances de ces alliages sont obtenues grâce à la maîtrise de la précipitation cohérente  de la phase T1 (Al2CuLi)  sur les plans {111}Al sous forme de plaquette hexagonale nanométrique. C’est cette structure à l’échelle nanométrique qui confère à AIRWARE® des propriétés uniques et  des compromis de propriétés inégalés entre : basse densité, résistance mécanique, ténacité, rigidité, stabilité thermique et tenue à la corrosion. En comparaison avec les solutions aluminium existantes,  il est ainsi possible d’atteindre jusqu’à 25% d’allégements en combinant les gains de densité (5-7%) et ceux liés aux caractéristiques mécaniques (+5 à 30% en moins de matière nécessaire pour une même performance). La tenue en fatigue et la résistance à la corrosion sont plus que doublées. Les intervalles d’inspection ou de maintenance peuvent ainsi être augmentés. Ces allégements et gains rendent ces solutions compétitives par rapport aux matériaux composites.

 

• HPP technologies – Applications for Helicopters parts, Mohamad El-Arab, Airbus Helicopters 

Dans cet exposé, Airbus Helicopters a montré l’intérêt industriel des techniques de Hautes Puissances Pulsées que sont l’électro-hydroformage de cuves et de moules et le magnéto-soudage/ magnéto-sertissage.

Le magnéto-sertissage permet de réaliser des soudures à froid dans des jonctions de matériaux dissimilaires (alliages d’aluminium, aciers inox et spéciaux, etc.). Ont également été réalisés des soudages à plat de 6061 et des sertissages de câbles de puissance (application à des barres de suspensions et à des arbres de transmission). Le magnétoformage peut remplacer l’étirage longitudinal pour la réalisation de bords d’attaque. L’électro hydroformage permet lui de réaliser des déflecteurs d’huile en une seule opération remplaçant un formage à la presse suivi de divers traitements thermiques, sans reprise et avec un meilleur état de surface. Airbus Helicopters a lancé la construction d’une cuve de 3 m de diamètre avec un générateur B-Max, la plus grande installation jamais construite. L’objectif est de réduire les coûts de production de 30%.

 

• High Energy Hydroforming, Damien Guilloteau, Airbus

L’hydroformage à haute énergie se pratique dans une cuve au fond de laquelle repose le moule de la pièce, l’explosion se produisant à partir d’un explosif tenu par un système de cordes placé au–dessus de la plaque de métal à déformer.

La principale application étudiée est le nez de fuselage. L’hydroformage s’intègre dans une gamme comportant un roulage, des traitements thermiques ou/et de détensionnement, un usinage. Des prototypes ont été réalisés sur des types A320 et A350. Airbus vise la fabrication d’un démonstrateur échelle 1 pour 2017.

Cette méthode a permis de réduire les coûts de fabrication, notamment au travers du buy-to-fly et des coûts d’assemblage. En outre, le choix de l’alliage 2139, particulièrement adapté à ce type de déformation, permet de supprimer des traitements thermiques.

 

• Modeling and optimization of stretching for double curvature fuselage panel, AIRWARE 2198, Damien Sireude, Stelia Aerospace

L’ensemble des travaux a été réalisé dans le cadre du projet collaboratif METAFOR à l’IRT Jules Verne avec de nombreux partenaires (Airbus, Constellium, ACB, ENSAM Angers). On présente ici les résultats obtenus en étirage d’un panneau de fuselage double-courbure en alliage d’aluminium Airware®2198 de grande dimension.

Damien Sireude, Stelia Aerospace
Le procédé d’étirage a été modélisé dans une chaîne numérique complète, de la détermination des lois de comportement du matériau, à l’opération d’étirage en passant par la modélisation complète de la cinétique de la machine d’étirage. Des essais grandeur nature instrumentés ont fourni des relevés expérimentaux permettant de valider les résultats numériques.

Stelia a montré que l’alliage Airware® 2198, grâce à un formage en une seule passe et un revenu, offre une réduction de temps de cycle de 30% par rapport à la solution actuelle en 2024 comportant deux passes avec trempe intermédiaire. La pièce obtenue a été usinée et est avionable.

 

• Simulation numérique du formage au revenu, Gilles Surdon, Dassault Aviation

Dassault Aviation vise à disposer d’un outil de simulation numérique d’aide à la mise au point des procédés de transformation de matière et au choix des paramètres procédés, l’objectif étant de réduire les gains de cycle sur les évolutions et de réduire les essais expérimentaux par des essais numériques.

L’application présentée ici se base sur l’opération de formage au revenu de l’alliage d’aluminium 7050 pour des panneaux d’extrados arrière, au cours de laquelle le panneau usiné dans une tôle brute de trempe est mis en forme dans une matrice portée à la température de revenu. La matrice est conçue de telle sorte qu’après retour élastique la géométrie est conforme à la forme avion. 

Le modèle numérique développé comprend une loi de comportement visco-élasto-plastique intégrant les phénomènes de fluage et de plasticité à chaud. La cartographie des déformations finales a montré une bonne adéquation entre les résultats de calcul et les relevés expérimentaux.


• Assemblage d’alliages à hautes performance par procédés de soudage par friction FSW/LFW, Julien Laye, Constellium

Les techniques de FSW (Friction Stir Welding) et de LFW (Linear Friction Welding) offrent la possibilité d’assembler des alliages d’aluminium hautes performances dont certains sont réputés non soudables. Elles permettent de s’affranchir de certains défauts métallurgiques, d’améliorer la productivité et la qualité de la liaison.

Ces procédés sont complémentaires, chacun répondant à des morphologies différentes de joints : FSW est plutôt adapté à des soudages de pièces de plus grande section type longeron, alors le LFW convient mieux au soudage de pièces rapportées de type ailette. 

Des alliages de nouvelle génération comme Airware® 2050 ont été soudés avec les deux procédés et présentent d’excellentes performances avec une efficacité de joint remarquable tant en statique qu’en fatigue, ce qui ouvre des opportunités d’assemblage dissymétrique et de réduction de coût (buy-to-fly, temps de cycle). 

La journée s’est terminée par une discussion entre les participants à cette journée. Il est souligné que les alliages d’aluminium de nouvelle génération pour application à des structures aéronautiques et spatiales, en particulier de grande taille, ont certainement un bel avenir. Les efforts portés actuellement sur les procédés de mise en oeuvre , objets des présentations de la journée, doivent conduire à une fiabilisation de ceux ci tout en apportant une réduction des coûts significative qui est une des clés du succès.

La commission Matériaux tient enfin à remercier Airbus pour la qualité de l’accueil et du soutien logistique à cette journée. ■

 

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