La technologie clé, la technologie avancée et la technologie de base de la fabrication des moteurs aérospatiaux avancés

Le rapport poussée-poids et le rapport puissance-poids sont les indices techniques les plus importants pour mesurer et évaluer la modernité des moteurs aéronautiques. Afin de poursuivre un rapport poussée-poids du moteur supérieur à 10, le moteur aéronautique utilise continuellement de nouveaux matériaux et introduit de nouvelles structures pour réduire le poids des composants du moteur tout en augmentant considérablement la température avant la turbine. Cela impose des exigences techniques plus élevées pour la fabrication des moteurs et favorise l'émergence et le développement continus de nouvelles technologies dans la fabrication des moteurs aéronautiques. Une série de technologies de fabrication clés développées pour le développement des moteurs aéronautiques haute performance deviendront ou sont déjà devenues la direction du développement des technologies de fabrication avancées. Cet article présente les technologies de fabrication clés des moteurs aéronautiques sous trois aspects : technologie clé, technologie chaude et technologie de base. La technologie de fabrication clé est la technologie nécessaire pour développer un moteur aéronautique avancé. La technologie de fabrication d'actualité est une technologie qui doit être étudiée pour améliorer l'efficacité et la qualité de fabrication du moteur. La technologie de fabrication de base est une technologie qui doit être progressivement accumulée et développée lors du développement du moteur et de sa production en masse, représentant la force douce du niveau de technologie de fabrication et de la capacité de production des moteurs.

Technologie clé de la fabrication des moteurs aérospatiaux

Technologie de fabrication de la pale de turbine en monocristal

La température avant la turbine des moteurs aéronautiques modernes a considérablement augmenté, et la température avant la turbine du moteur F119 atteint jusqu'à 1900~2050K. Les pales de turbine fabriquées par un procédé traditionnel ne peuvent simplement pas résister à une telle température élevée, et risquent même de fondre, rendant leur fonctionnement inefficace. Les pales de turbine en monocristal ont réussi à résoudre le problème de résistance à haute température des pales de turbine des moteurs avec un rapport poussée/poids de 10 étages. La bonne résistance à haute température des pales de turbine en monocristal repose principalement sur le fait qu'il n'y a qu'un seul cristal dans toute la pale, éliminant ainsi les défauts liés aux performances à haute température entre les joints de grains causés par la structure polycristalline des pales équiaxiales et directionnelles.

La pale de turbine monocristalline est la pièce moteur qui nécessite le plus de processus de fabrication, avec un cycle le plus long, un taux de qualification le plus faible et une blockade et monopole étrangers les plus stricts. Le processus de fabrication des pales de turbine monocristallines comprend : pressage du cœur, réparation du cœur, sintering du cœur, inspection du cœur, appariement du cœur et du moule, injection de la cire, inspection X-ray de la cire, détection de l'épaisseur de la paroi en cire, finition de la cire, assemblage de la cire, extraction du système cristallin et combinaison de la porte de coulée, enlèvement de peinture et de sable, séchage de l'enveloppe, décapage de la cire, cuisson de l'enveloppe, coulée des feuilles, solidification monocristalline, soufflage de l'enveloppe, inspection initiale, inspection par fluorescence, retrait du cœur, affûtage, mesure de la largeur de corde, inspection radiographique de la pale, inspection de la radiographie, inspection de profil, affinage de la lame, détection de l'épaisseur de la paroi de la lame, et vérification finale du processus de fabrication. De plus, il est nécessaire de terminer la conception et la fabrication du moule d'investissement pour la pale de turbine.

Actuellement, seuls quelques pays dans le monde, tels que les États-Unis, la Russie, le Royaume-Uni, la France et la Chine, sont capables de fabriquer des lames de turbine en monocristal. Ces dernières années, d'importants progrès ont été réalisés en Chine dans la fabrication de lames de turbine en monocristal. Les lames de turbine en monocristal des moteurs à rapport poussée/poids de 10e génération ont été développées et les lames de turbine en monocristal des turbomoteurs à haut rapport puissance/poids sont produites en série.

Technologie de usinage à haute efficacité, haute précision et faible coût pour les disques intégraux à ailettes

L'application de la technologie de disque à pales intégrales favorise l'innovation dans la conception de la structure du moteur aérospatial et le saut qualitatif des procédés de fabrication, réalisant ainsi l'objectif de réduction du poids du moteur et d'augmentation de son efficacité, tout en améliorant la fiabilité du fonctionnement du moteur. En même temps, l'épaisseur fine des pales, les grandes courbures et la conception aérodynamique haute efficacité entraînent une faible rigidité des pales, une facilité de déformation et des problèmes difficiles à contrôler ; Le canal d'écoulement étroit et profond entre les pales rend la réalisation de la technologie de traitement du disque à pales difficile. Les matériaux de haute résistance tels que l'alliage de titane et les superalliages sont difficiles à usiner et présentent une faible efficacité. Les États-Unis et le Royaume-Uni ont commencé à appliquer la nouvelle technologie de disque monobloc pour les nouveaux moteurs dans les années 1980, tandis que la technologie de disque monobloc chinoise a débuté vers 1996.

L'application de la technologie de lame-disque intégrale a favorisé le développement de la technologie d'intégration des structures des composants moteurs. Les ensembles lame-disque en tandem avec tambour, disque-lame avec arbre, combinaison disque-tambour-arbre, disque-lame fermé avec anneau, disque-lame statoréacteur annulaire et les combinaisons de disques-lames à deux ou plusieurs étages ont été successivement appliqués dans le développement de nouveaux moteurs aéronautiques. Sur la base du disque à écoulement axial et de l'impeller centrifuge, on a développé les disques à structure de grandes et petites lames ainsi que les disques cotylédons à écoulement oblique.

Depuis l'application du disque de pales monolithique dans les moteurs aérospatiaux haute performance, la technologie de fabrication des disques de pales monolithiques s'est développée et améliorée. Actuellement, le processus de traitement des disques de pales monolithiques comprend principalement les 5 méthodes de procédé suivantes : le disque de pales monolithique obtenu par fonderie précise à cire perdue, le disque de pales monolithique par soudage au faisceau d'électrons, le disque de pales monolithique par usinage électrochimique, le disque de pales monolithique par soudage au frottement linéaire et le disque de pales monolithique par usinage sur une machine-outil CNC à cinq axes.

Le procédé de fabrication des disques à pales intégraux par machine-outil CNC à cinq coordonnées est le plus ancien, avec une application ingénieuse la plus étendue et un haut niveau de maturité technique dans le processus de fabrication des disques à pales intégraux des moteurs aérospatiaux domestiques. Parmi eux, l'élément clé du développement et de l'application de cette technologie réside dans la technologie d'alésage et de fraisage, la technologie de finition symétrique en spirale pour le profilage des pales, la technologie de compensation des erreurs de machinage des arêtes avant et arrière des pales, ainsi que la technologie d'usinage adaptatif du profil global du disque à pales [1]. Les moteurs étrangers T700, BR715 (étape de suralimentation) et EJ200 utilisent cette méthode de traitement pour fabriquer leurs disques à pales intégraux, tout comme les moteurs d'avions chinois CJ1000A, WS500 et autres, qui sont également fabriqués à l'aide de la technologie d'usinage CNC à cinq axes. La figure 1 montre le premier stade du disque à pales intégral du compresseur haute pression d'un moteur aéronautique commercial fabriqué en Chine.

Technologie de fabrication de pales creuses

L' ventilateur du moteur à réaction à flux mixte est éloigné de la chambre de combustion, et la charge thermique est faible, mais les exigences des moteurs aéronautiques avancés en termes d'efficacité aérodynamique et de capacité à prévenir les dommages causés par des objets étrangers s'améliorent constamment. Le ventilateur du moteur aéronautique haute performance adopte une conception à corde large, sans épaule et avec des pales de ventilateur creuses.

La pale d'éventail creuse à structure de truss triangulaire développée par la société Luo Luo est une amélioration de la pale sandwich à nid d'abeille originelle. La société Luo Luo l'appelle la deuxième génération de pale d'éventail creuse. Le procédé consiste à utiliser la combinaison des méthodes de formation superplastique/diffusion (SPF/DB) pour transformer les trois plaques en alliage de titane en une pale d'éventail creuse à corde large. La partie creuse de la pale a une structure de truss triangulaire, qui est déjà utilisée sur les moteurs Trent des avions Boeing 777 et A330. La technologie de fabrication de pales d'éventail creuses à structure de truss triangulaire en Chine a également fait des progrès (la figure 2 montre la pale d'éventail creuse et sa structure interne triangulaire), mais afin de répondre aux applications d'ingénierie, un grand nombre de travaux de recherche sur la résistance, les vibrations, la fatigue et l'optimisation des procédés doivent encore être menés.

Le processus de fabrication de la lame creuse est le suivant : Tout d'abord, il faut préparer 3 plaques en alliage de titane et les placer dans les couches supérieure, moyenne et inférieure. La couche moyenne est la plaque centrale, les couches supérieure et inférieure sont respectivement la plaque du bassin de la lame et la plaque du dos de la lame. Ensuite, les lames creuses des ventilateurs sont formées par trois plaques en alliage de titane après élimination de l'huile et lessivage, revêtement de la couche intermédiaire avec un flux de contrôle, soudage des plaques en titane, chauffage du moule, purification à l'argon, connexion par diffusion, formation superplastique, refroidissement dans le four, lavage de surface, traitement des racines de la lame et des bords d'entrée et de sortie, inspection de la lame et autres procédures [2] formation superplastique/connexion par diffusion (SPF/DB).

Technologie de fabrication des roulements haut de gamme

L'élément de roulement est l'un des composants clés du moteur aérospatial. Le roulement fonctionne à haute vitesse, atteignant des dizaines de milliers de tours par minute pendant de longues périodes, tout en supportant la force centrifuge énorme générée par la rotation rapide du rotor du moteur ainsi que divers types de contraintes de compression, de frottement et d'effets de températures ultra-élevées. La qualité et les performances des roulements affectent directement les performances du moteur, sa durée de vie, sa fiabilité et la sécurité du vol. Le développement et la production de roulements haut de gamme sont étroitement liés aux recherches interdisciplinaires en mécanique du contact, théorie de la lubrification, tribologie, fatigue et endommagement, traitement thermique et organisation des matériaux, et doivent également résoudre un grand nombre de problèmes techniques liés à la conception, aux matériaux, à la fabrication, aux équipements de fabrication, aux essais et tests, ainsi qu'à la graisse et à la lubrification.

Actuellement, la recherche et le développement, la fabrication et la vente de roulements haut de gamme sont essentiellement monopolisés par des entreprises de fabrication de roulements occidentales telles que Timken, NSK, SKF et FAG. La technologie de fabrication des moteurs d'avion en Chine est en retard, et la capacité de production et le niveau de développement des entreprises nationales de fabrication de roulements ne permettent pas de produire à court terme des roulements haut de gamme adaptés aux moteurs d'avions avancés. Le roulement est devenu le "Mont Everest" difficile à franchir dans la recherche et le développement des moteurs aéronautiques en Chine, ce qui limite considérablement le développement des moteurs aéronautiques haute performance en Chine.

Technologie de fabrication du disque turbine en poudre

Le disque de turbine d'aérofusée est soumis à une superposition de haute température et de fortes contraintes, des conditions de fonctionnement sévères, un processus de fabrication complexe et une difficulté technique, ce qui en fait l'un des défis dans le développement des moteurs en Chine. Les superalliages en poudre sont largement utilisés dans les moteurs aériens de haute performance à l'étranger en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leur bonne aptitude aux traitements thermiques et froids. La fabrication du disque de turbine en poudre inclut une série de technologies de fabrication clés telles que le développement de matériaux, la fusion de l'alliage maître, la préparation et le traitement de la poudre, la compactage par pression isostatique chaude, le forgeage isotherme, le traitement thermique et la détection et l'évaluation à haute précision, entre autres. Elle porte les technologies de fabrication essentielles pour la fabrication des moteurs aériens avancés. La tendance de la recherche étrangère sur le disque de turbine en poudre est de passer d'un disque de turbine à haute résistance à un disque de turbine résistant aux dommages en termes de performance d'utilisation, et le processus de pulvérisation vers une poudre ultra-pure et fine. En plus du compactage par pression isostatique chaude, les procédés de mise en forme par extrusion et forgeage isotherme sont également développés. En Chine, l'Institut de Pékin des matériaux aéronautiques a développé une variété de disques de turbine en poudre pour moteurs aériens, ce qui a résolu les problèmes techniques majeurs de fabrication des disques de turbine en poudre pour moteurs aériens avancés, mais le problème de fabrication industrielle des disques de turbine en poudre n'est pas encore complètement résolu.

Technologie de fabrication de matériaux composites

La technologie des matériaux composites est désormais largement utilisée dans les moteurs aéronautiques haute performance. Pour répondre aux besoins du développement du moteur LEAP, Sniema adopte la technologie de tissage 3D avec moule de transfert de résine (RTM) pour fabriquer des carénages de ventilateur composites et des pales de ventilateur composites. Les pièces du moteur LEAP fabriquées avec la technologie RTM ont une grande résistance, et leur masse n'est que la moitié de celle des pièces en alliage de titane de même structure. Pendant le développement du moteur F119, Pratt & Whitney a développé des pales de ventilateur à large corde en matrice de titane renforcé par des fibres continues de SiC. Ce type de pale composite présente des propriétés de grande rigidité, légèreté et résistance aux impacts, et est appelé troisième génération de pales de ventilateur à large corde. Les trois étages des rotors de ventilateur du turboréacteur F119 sont tous fabriqués à partir de ce matériau. En Chine, la technologie de fabrication des matériaux composites a également été appliquée dans la fabrication de pièces d'engins aéronautiques, et les progrès considérables ont été réalisés avec les pales de ventilateur en aluminium matricé renforcé par des particules TiB2 autogène. Cependant, l'usinage efficace des pales de ventilateur en aluminium matricé renforcé par des particules TiB2, le renforcement de la surface usinée, la résistance à la fatigue et la technologie de résistance aux dommages causés par des objets étrangers restent les points clés et difficiles à réaliser pour l'application industrielle de ce type de pale.