Assemblage métallurgique dans la construction des turboréacteurs

Les turboréacteurs qui équipent les avions civils et militaires actuels font appel à un très vaste et unique domaine de matériaux, du fait de la large plage de température de fonctionnement de ces derniers (− 50 ˚C à 1 250 ˚C). Ces matériaux ont d’ailleurs souvent trouvé leur source de développement à partir des besoins de cette industrie (alliages de titane pour haute température ou haute résistance, superalliages de nickel de la métallurgie des poudres ou monocristallins…).

Les progrès constants demandés aux concepteurs, pour augmenter le rapport poussée/masse de ces turboréacteurs et réduire de façon drastique les coûts de possession, ont conduit à la mise en œuvre de techniques d’assemblage métallurgique (soudage, brasage et procédés dérivés), disponibles ou spécifiques, pour réduire la masse des ensembles et pour pouvoir en réparer certains à grande valeur ajoutée, auparavant rebutés.

Une spécificité des assemblages propres à cette industrie aéronautique est le niveau élevé de qualité qui doit être démontré, eu égard aux risques associés au transport de personnes.

Les principales familles de pièces des turboréacteurs sont :

• les pièces tournantes : ensembles de disques de compresseurs « basse pression » et « haute pression », mettant en œuvre respectivement différents alliages de titane et des superalliages de nickel corroyés à fort durcissement structural. Ces pièces sont dimensionnées en fatigue oligocyclique et à durée de vie contractuelle. Les procédés mis en œuvre sont essentiellement le soudage par faisceau d’électrons et le soudage par friction inertielle ;

• les carters structuraux, en alliages de nickel et de cobalt, corroyés ou coulés. Ils sont dimensionnés en fatigue vibratoire. Les procédés mis en œuvre sont le soudage à l’arc (TIG : « tungsten inert gas », plasma) et le soudage laser ;

• les pièces fixes et mobiles de turbines travaillent de 700 ˚C à plus de 1 100 ˚C. Elles sont, pour la part essentielle, en superalliages de nickel coulés à la cire perdue, à structure équiaxe, colonnaire ou monocristalline. Du fait de la très faible soudabilité de ces alliages, les principaux procédés mis en œuvre sont le brasage-diffusion et ses dérivés.

Pour ces trois familles de pièces, nous décrivons successivement :

• les domaines de fonctionnement des pièces, les contraintes mécaniques et éventuellement liées à l’environnement de fonctionnement et les alliages retenus par les concepteurs et mis en œuvre ;

• les données générales connues sur la soudabilité (ou brasabilité) des principaux alliages mis en œuvre. Cette donnée générale couvre de nombreux aspects : principalement la maîtrise de la non-fissuration des soudures mais aussi les notions de préparation avant soudage, de protection contre l’oxydation, ainsi que celles de relaxation des contraintes résiduelles et de caractéristiques mécaniques des liaisons obtenues ;

• l’expérience acquise et publiée illustrant la démarche pour arriver à la réalisation de pièces assemblées de qualité spécifiée, en tenant compte des contraintes de fabrication. Les différentes composantes de la mise en œuvre des procédés choisis, sont illustrées : préparation avant soudage, qualité des assemblages, opérations mécaniques et thermiques postsoudage, contrôle de la qualité. L’aspect essentiel de la réparabilité des pièces de grande valeur ajoutée est abordé.