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09 décembre 2019

De nouveaux matériaux pour l'aéronautique

La traque des kilogrammes !


L’industrie aéronautique a toujours été en quête de matériaux innovants afin de réduire la masse des machines volantes. C’est d’autant plus vrai aujourd’hui, avec le développement accéléré des véhicules électriques/ hybrides. Chaque kilogramme économisé permet de parcourir davantage de distance avec la même énergie. Autrement dit, c’est aussi moins de kérosène, et donc moins de CO2 produit, pour le même vol. Sachant que le carburant représente environ 30 % des coûts d’exploitation d’une compagnie aérienne, on comprend facilement pourquoi Airbus et Boeing ont un intérêt économique évident à construire un aéronef le moins gourmand et le plus léger possible.

Parmi les matériaux métalliques les plus utilisés en aéronautique, on trouve les alliages d’aluminium. Avec une densité de 2,7 g/cm³, c’est l’un des alliages métalliques de structures les plus légers qui soit. À titre de comparaison, la densité du titane est de 4,5 et celle de l’acier 8 g/cm³.

Toutefois, il existe des matériaux moins connus du grand public et pourtant encore plus légers que les alliages d’aluminium : les alliages de magnésium. Avec une densité de 1,8 g/cm³, ils offrent des perspectives extrêmement intéressantes pour la conception de nouveaux programmes aéronautiques. De nombreux alliages de magnésium ont été développés depuis les années 30 mais n’ont jamais vraiment réussi à se démocratiser.

Ils ont connu leur âge d’or dans les années 50 puis ont décliné. Les propriétés mécaniques étaient médiocres, avec notamment des faibles performances lors des tests de fluage. De plus, les principales difficultés, qui semblaient insurmontables, étaient alors d’élaborer des alliages résistant à la corrosion et qui puissent passer les tests au feu des autorités de sûreté aérienne.

En effet, le magnésium pur sous forme de poudre s’enflamme violemment lors d’une réaction d’oxydation avec l’oxygène de l’air. Cette réaction exothermique produit une flamme vive qu’on retrouve dans les feux d’artifices ou dans les leurres d’autodéfense des avions militaires pour imiter la signature thermique des moteurs et tromper le tir adverse.

Même si c’est une autre paire de manches que d’enflammer un solide bloc d’alliage de magnésium, les accidents en lien avec ce dernier, bien que rarissimes,  marquent les esprits. L’industrie aéronautique se souvient par exemple d’un départ de feu en 1967, sur le SR-71 Blackbird, l’avion de chasse le plus rapide du monde. À la suite de l’explosion des pneus du train d’atterrissage, les roues en  magnésium, saturées de chaleur, se sont enflammées et ont propagé les flammes sur le reste de la carlingue.

De nouveaux alliages, plus résistants

Ces quinze dernières années, de nombreux travaux de recherche ont permis la genèse de nouveaux alliages de magnésium à hautes performances compatibles avec ces exigences  aéronautiques. Aujourd’hui, ils pointent le bout de leur nez et ouvrent de nouvelles perspectives. En particulier, certains alliages, dopés aux terres rares (néodyme, yttrium par exemple), présentent une résistance à la corrosion 10 fois supérieure aux anciennes générations. De plus, lors des tests au feu, ces terres rares semblent créer une couche d’oxyde protectrice qui réduit voire empêche la propagation du feu.

Ces alliages ont en plus l’avantage d’avoir une excellente tenue mécanique à des températures jusqu’à 200 °C alors que même les alliages d’aluminium vont progressivement s’affaiblir au delà de 150 °C. Ils permettent désormais de produire des pièces aéronautiques complexes en fonderie au sable ou en usinant un bloc de métal à l’aide de machines à commande numérique à 5 axes. Cela permet un gain de masse significatif de l’ordre de 20 à 30 % comparé aux alliages d’aluminium en conservant des procédés de fabrication traditionnel.

Les principales applications aujourd’hui sont des pièces des moteurs d’avions à réaction ou à pistons ainsi que des carters de boîtes de transmission d’hélicoptères. Demain, de nombreuses pièces en alliages de  magnésium équiperont les futurs aéronefs hybrides ou électriques et permettront l’essor de ces nouvelles technologies.

Auteur

Thibaut Caritey (ECM11) a commencé sa carrière sur le site d’Airbus Helicopter, pour ensuite s’expatrier 4 ans à Singapour chez Naval Group. Aujourd’hui, basé à Toulouse, il conseille les bureaux d’études
aéronautiques dans leur choix de matériaux.

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