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Nov 30, 2023

Joyau de la couronne : Rolls

Le moulage est l'une des méthodes les plus anciennes et les plus élémentaires de travail des métaux. Si vous le pouvez

Le moulage est l'une des méthodes les plus anciennes et les plus élémentaires de travail des métaux. Si vous pouvez faire un feu assez chaud pour faire fondre un métal et fabriquer un creuset pour le faire fondre et un moule qui peut résister à la chaleur, vous pouvez couler des formes métalliques complexes ; et nous le faisons depuis des millénaires. La fonte la plus ancienne connue est une grenouille en cuivre fabriquée il y a 6 000 ans en Mésopotamie. De nombreuses sculptures en marbre étincelantes de la Grèce antique sont en fait des copies romaines plus récentes d'originaux qui avaient été coulés en bronze : les quelques originaux survivants, tels que les bronzes de Riace de guerriers grecs trouvés dans la mer au large de la Sicile, montrent l'incroyable sophistication et le niveau de détail atteint par ces maîtres des métaux morts depuis longtemps.

Pourtant, ce savoir-faire des plus anciens est encore utilisé aujourd'hui et, en fait, toujours en cours de développement. Son incarnation la plus récente est sans doute la procédure la plus avancée qui ait jamais été entreprise dans les métaux, et est vitale pour l'une des activités emblématiques du monde moderne : les voyages aériens de routine. Il se trouve dans le centre historique de la métallurgie du Royaume-Uni, Sheffield, au Rolls-Royce Advanced Blade Casting Facility (ABCF), une installation construite à cet effet près du centre de recherche sur la fabrication avancée de l'Université de Sheffield à Rotherham.

Les composants produits par l'ABCF ne sont pas ceux que la plupart des gens voient : ce sont les aubes de turbine qui sont cachées dans la partie la plus chaude des moteurs à réaction. Loin de l'éclat décoratif des bronzes grecs, ils combinent un aspect utilitaire avec une complexité de forme et de fonction et une perfection interne de bijou : pesant seulement environ 300 g et assez petits pour tenir dans la paume d'une main, ce sont en fait de parfaits monocristaux d'un alliage métallique dont la composition a été affinée au fil de nombreuses années pour fonctionner dans les conditions infernales de la partie la plus rapide d'un moteur à réaction.

"À la naissance du moteur à réaction, les prototypes de Sir Frank Whittle étaient entièrement en acier", a déclaré le chef des matériaux de Rolls-Royce, Neil Glover. "L'acier est excellent pour la résistance et la dureté de surface, mais si vous avez besoin de performances à haute température, ce n'est pas vraiment très bon ; 450-500°C est à peu près sa limite."

Son inadéquation a conduit à la recherche d'un matériau plus résistant à la température, et les fabricants de jets se sont tournés vers les alliages de nickel. Relativement abondant, avec d'importants gisements en Australie et à bas prix, le nickel fond à 1 728 K (1 455 °C) et résiste à la corrosion – deux propriétés précieuses pour les composants qui fonctionnent à l'intérieur d'un moteur à réaction. Plus importante encore est sa capacité à former des alliages, et la propriété particulière de l'un de ces alliages, un composé connu sous le nom de gamma-prime dans lequel le nickel se combine avec l'aluminium, pour conserver sa résistance à des températures élevées. "Dans l'acier ou même le titane, la résistance diminue rapidement lorsque vous atteignez 40 à 50% du point de fusion", a déclaré Glover. "Les alliages de nickel conservent leur résistance jusqu'à 85 % du point de fusion.

Et les motoristes exploitent pleinement cette propriété. Les moteurs à réaction fonctionnent en positionnant des aubes de turbine, qui tournent dans le courant de gaz chauds qui s'échappent de la chambre de combustion, sur le même arbre que les aubes de compresseur qui forcent l'air dans le moteur à haute pression. Ainsi, à l'arrière du moteur, les aubes de turbine basse pression, qui fonctionnent dans un flux de gaz quelque peu refroidi, sont sur le même arbre que les grandes aubes de soufflante à l'avant du moteur, qui accélèrent l'air pour générer la poussée du moteur. Cet arbre traverse le milieu de l'arbre de pression intermédiaire (IP) plus court et plus large, qui a à nouveau des aubes de turbine à l'arrière et des aubes de compresseur à l'avant. À l'extérieur se trouve l'arbre à haute pression, qui fait fonctionner le compresseur qui force l'air dans la chambre de combustion elle-même. La chambre de combustion est annulaire, avec un anneau de sortie à l'arrière contrôlant le flux des gaz d'échappement, et c'est là que se trouvent les aubes monocristallines. Les gaz, frais de combustion, sont à environ 1700°C ; et l'arbre tourne à des vitesses supérieures à 12 000 tr/min.

Cela signifie que les lames fonctionnent dans un environnement plusieurs centaines de degrés plus chaud que le point de fusion de l'alliage de nickel. Pour les empêcher de fondre, le métal doit être refroidi. Cela se fait via deux mécanismes : les lames sont recouvertes d'une céramique à faible conductivité ; et ils sont criblés d'une structure complexe et ramifiée de canaux internes. "L'air est aspiré du compresseur HP, acheminé à travers le noyau du moteur et dans la racine des pales", a expliqué Glover.

"Il passe à travers les canaux de refroidissement et sort par une myriade de trous à la surface de la pale, pour créer une enveloppe d'air frais autour de la pale. Ainsi, le métal n'est jamais au-dessus de son point de fusion, même si l'environnement l'est. 150°C."

La chaleur est vitale pour les jets ; plus ils peuvent fonctionner à chaud, plus ils peuvent extraire d'énergie de leur carburant. C'est le principal point de concurrence entre les fabricants de moteurs, donc au cours des six décennies, les jets ont été en fonctionnement, forçant la température plus élevée, et le développement d'aubes de turbine capables de résister à la chaleur, a été l'une des courses technologiques les plus importantes du secteur. Ce fut un processus graduel, a déclaré Glover, qui a abouti au développement de lames monocristallines à la fin des années 1980.

La structure monocristalline n'est cependant pas destinée à faire face à la température; il s'agit de rendre les pales résistantes aux énormes charges mécaniques qui résultent de leur vitesse de rotation. "Chaque pale extrait la puissance du flux de gaz équivalent à un moteur de voiture de Formule 1", a déclaré Glover. "Et la force centrifuge sur eux équivaut au poids d'un bus à impériale."

Normalement, les métaux sont composés de nombreux cristaux - des structures ordonnées d'atomes disposés dans un réseau régulier, qui se forment naturellement lorsque le métal refroidit à partir d'un état fondu. Ces cristaux ont typiquement une taille de l'ordre de dizaines de microns, positionnés dans de nombreuses orientations. À des températures élevées et sous contrainte, les cristaux peuvent glisser les uns contre les autres et les impuretés peuvent diffuser le long des limites entre les grains. Ceci est connu sous le nom de fluage et a gravement affecté les premières aubes de turbine, qui ont été forgées à partir de barres d'acier et plus tard de nickel.

La première étape du développement consistait à éliminer les joints de grains perpendiculaires à la charge centrifuge, ce qui a conduit au développement de lames coulées de manière à ce que les cristaux métalliques courent tous de haut en bas. Plus tard, cela a été encore optimisé en coulant des monocristaux, sans joints de grains du tout. C'est un processus très complexe : non seulement les aubes doivent être coulées avec les canaux de refroidissement internes déjà en place, mais les cristaux ne sont pas homogènes. Au lieu de cela, des zones de composition et de structure cristallographique différentes existent à l'intérieur de la lame.

"Vous pouvez considérer les superalliages de nickel comme ceux-ci comme des composites", a déclaré Neil D'Souza, technologue en matériaux pour turbines à profil aérodynamique chez Rolls-Royce. "C'est un mélange de deux phases, dont l'une - gamma-prime - donne lieu à l'augmentation soutenue de la résistance à haute température."

Lorsqu'il cristallise, le nickel forme une structure dite cubique face centrée (fcc) ; chaque cube a une face avec cinq atomes, un à chaque coin et un au milieu. Lorsque des alliages sont fabriqués, généralement les atomes entrent et sortent du réseau fcc. Mais dans de bonnes conditions, l'aluminium et le nickel se combinent de telle manière que le nickel va au centre des faces et l'aluminium aux angles. C'est ce qu'on appelle un précipité; il forme des îlots de plus grand ordre dans la masse de l'alliage, d'environ un demi-micron de dimension, serrés les uns contre les autres dans une formation rectiligne. Parce que la taille des réseaux du précipité et de l'alliage en vrac moins ordonné sont presque identiques, ils font tous partie du même cristal.

"Vous pouvez imaginer construire un modèle de treillis boule et bâton", a déclaré Glover. "Dans l'alliage en vrac, vous placeriez les boules représentant les composants de l'alliage, environ 10 éléments différents, dont le nickel, l'aluminium, le chrome, le tantale et le titane, de manière assez aléatoire, et lorsque vous arrivez au précipité gamma-prime, vous placez cet arrangement ordonné d'aluminium dans les coins et de nickel au milieu. e précipité."

Mais cela ne se fait pas naturellement. Pour fabriquer les aubes, la première étape est un « noyau » en céramique, de la forme des canaux de refroidissement internes tortueux. De la cire est injectée autour de celle-ci pour former la forme de la lame aérodynamique, ainsi que plusieurs autres caractéristiques qui facilitent le processus de coulée. Des épingles en platine sont insérées pour soutenir le noyau à l'intérieur de la cire; puis la forme est "coquille" en l'enduisant d'une suspension de matériau alumine-silicate pour former une couche de céramique. Plusieurs autres couches de compositions différentes sont appliquées, puis la cire est fondue pour laisser un vide dans la forme de la lame. Il s'agit d'investissement ou de moulage à la « cire perdue », la même technique que les sculpteurs de la Grèce antique utilisaient pour fabriquer les bronzes de Riace.

Le métal en fusion est ensuite versé dans le moule, qui est placé à l'intérieur d'un four pour maintenir le métal en fusion. À la base du moule se trouve l'une des caractéristiques de moulage supplémentaires : une structure hélicoïdale ayant à peu près la même forme que trois tours d'un tire-bouchon standard. Connu sous le nom de queue de cochon, celui-ci est fixé à une plaque refroidie par de l'eau. Une fois rempli, le moule est lentement retiré du four dans une chambre plus froide. Le métal commence à se solidifier sur la plaque réfrigérée et les cristaux commencent à se développer dans la queue de cochon. Les cristaux se développent en ligne droite dans la direction dans laquelle le moule est retiré, mais en raison de la forme torsadée de la queue de cochon, tous les cristaux sauf les plus rapides sont éliminés. Seul un cristal avec l'orientation correcte émerge dans le moule de lame proprement dit, et le retrait progressif du moule garantit que le cristal continue de croître à travers la fonte dans le reste de l'espace.

La formation des précipités vitaux résulte d'un contrôle minutieux de la température extérieure et de la conception du moule ; ces multiples couches de céramique déterminent la vitesse à laquelle la chaleur du métal en fusion peut se dissiper, ce qui fournit la finesse supplémentaire pour obtenir la structure interne requise. Les picots de platine maintenant le noyau en place diffusent dans l'alliage sans affecter ses propriétés.

Une fois solidifiée, la pièce moulée est retirée du moule et le premier des quelque 20 processus commence à la préparer pour l'assemblage dans un moteur. Tout d'abord, les noyaux en céramique sont dissous avec des alcalis caustiques. Ensuite, les fonctionnalités supplémentaires pour la coulée sont usinées. Les trous permettant à l'air de refroidissement de s'échapper sont percés à l'aide d'un usinage par décharge électrique, qui forme la géométrie de trou requise pour diriger l'air vers les points où il est nécessaire. Enfin, la lame reçoit son revêtement céramique isolant par dépôt plasma par faisceau d'électrons.

L'ABCF de Rotherham se concentre sur les composants pour les gros moteurs d'avions de ligne civils car, avec l'avènement d'avions comme l'Airbus A350 XWB, pour lequel Rolls-Royce a développé le moteur Trent XWB, c'est de là que l'entreprise voit venir sa principale croissance.

D'un coût d'environ 110 millions de livres sterling, l'ABCF a été conçu pour automatiser autant que possible le processus de production. "La coulée de monocristal coûte cher et de nombreuses parties du processus ont traditionnellement été très pratiques", a déclaré Steve Pykett, directeur de la fabrication chez ABCF. "Nos employés sont incroyablement qualifiés, mais ils sont humains, et aucun humain ne produira la même qualité de travail à la fin d'un quart de travail qu'au début."

La production de l'assemblage en cire est un bon exemple de cette philosophie. "Vous trouverez toujours une salle de cire dans une fonderie de moulage de précision", a déclaré Pykett. "Cela nécessite une coordination œil-main et de la dextérité pour former la cire, mais cela n'offre pas de cohérence."

En collaboration avec le centre de technologie de fabrication près de Coventry, Rolls-Royce a développé un système automatisé pour maintenir le noyau en céramique, injecter de la cire, fixer le noyau en place et mener le processus d'assemblage. "Auparavant, il fallait tout un quart de travail pour faire un assemblage; maintenant, cela prend une heure", a déclaré Pykett. "Mais le temps n'était pas le principal moteur ici. Nous savons maintenant que nous avons un produit cohérent sortant du processus de cire, quelle que soit l'heure de la journée, et cela nous donne une plate-forme solide à partir de laquelle nous pouvons réduire les coûts."

Certains autres processus ont également été automatisés, notamment l'opération de dressage pour supprimer les caractéristiques sacrificielles du moulage. Les pales passent ensuite en inspection, où Rolls-Royce a remplacé cinq processus par deux. Les pièces moulées sont ensuite expédiées vers une autre usine à Crosspointe, en Virginie, pour un usinage supplémentaire des éléments qui leur permettront d'être fixés à leurs disques dans le moteur et pour le perçage des trous de refroidissement; ils reviennent à une usine à Annesley, Nottinghamshire, pour le revêtement.

"Ce processus est si complexe, avec un contrôle précis des températures et de la manipulation des matériaux pour gérer, pratiquement atome par atome, la façon dont les pales sont formées", a déclaré Mark Hulands, directeur de la fabrication de moulage. "Ce que nous avons fait, c'est transférer certaines des compétences nécessaires à la fabrication de ces composants des ingénieurs de fabrication sur la ligne aux développeurs de processus", a déclaré Hulands. "Et cela ne signifie pas que nous avons perdu nos compétences. Nos ingénieurs doivent encore être hautement qualifiés pour assurer le bon fonctionnement des processus, mais ce sont des compétences différentes et nous avons amélioré la cohérence afin de réduire les coûts."

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