Les alliages qui forment la coque d’un avion sont tous des alliages d’aluminium et ils appartiennent à deux séries d’alliages, la série 2000 et la série 7000 qui sont respectivement des alliages d’aluminium avec du cuivre et du zinc.
Les propriétés de l’aluminium sont certes intéressantes mais au regard de ces seules propriétés, que nous verrons plus tard, on pourrait penser qu’il serait plus avisé d’utiliser des alliages de titane.
Mais il s’avère en fait que le titane reste un métal trop couteux, il faut en effet toujours regarder le rapport qualité/prix.
Nous allons donc d’abord étudier les propriétés de l’aluminium et de ses alliages dans l’aéronautique, puis nous allons voir en quoi le traitement thermique de ces alliages peut fortement influer sur leurs propriétés.
L'aluminium est très utilisé en général car sa masse volumique est très faible, ce qui présente un grand intérêt en aéronautique. En effet, plus l'avion est léger, moins il consommera de carburant. L'aluminium est aussi très apprécié pour sa bonne résistance à la corrosion qui est dû à la formation au préalable d'une couche d'alumine qui va ensuite empêcher la corrosion d'atteindre l'aluminium. L’un des problèmes majeurs des alliages d’aluminium vient de là, la résistance à la corrosion est en effet diminuée dès lors que l’on réalise des alliages avec des métaux plus électropositifs (comme le cuivre ou le zinc) car cela va détruire la couche d'alumine qui ne va donc plus protéger l'aluminium.
L’aluminium est aussi assez facilement malléable ce qui rend la construction des parties un peu plus élaborées de l’avion plus facile.
En dehors des points précédemment cités, l’aluminium a des propriétés assez réduite surtout dans le cadre de l’aéronautique, un de ses principaux défauts vient notamment du fait que ses propriétés mécaniques sont très faibles. C’est pourquoi on l’utilise quasiment toujours dans des alliages.
On va donc utilisé des alliages qui permettront de corriger au mieux les défauts de l’aluminium. Comme le montre le schéma suivant, les alliages contenant du cuivre sont ceux qui ont les meilleures propriétés mécaniques.
Mais ils sont aussi ceux qui du coup ont une résistance à la corrosion très faible.
Les alliages que l’on utilise en aéronautique étant les alliages de la seconde et de la dernière ligne, qui sont respectivement appelés 2024 et 7075.
Lorsque l’on utilise du cuivre dans un alliage celui-ci va augmenter les propriétés mécaniques et la dureté de l’ensemble. Mais il va aussi faire fortement baisser la résistance à l’usure.
Les propriétés des alliages précédemment cités peuvent être fortement modifiées par la préparation de ceux-ci. On peut ainsi améliorer la limite d’élasticité ou la résistance à la corosion de l’alliage.
En fait le traitement thermique va permettre de modifier la taille du précipité. Plus ce dernier sera petit (de l’ordre du nanomètre), plus la limite d’élasticité sera grande.
Ainsi, le premier échantillon de ces trois alliages a de meilleures propriétés élastiques que les deux autres qui ont des précipités beaucoup plus grands.
Afin d’augmenter la dureté de l’alliage, on doit jouer sur la taille du précipité.
En effet, le phénomène de dislocation peut être dût à deux actions différentes dont la force va dépendre de la taille du précipité. Ces deux actions sont le cisaillement et le contournement.
On voit ici que lors de la préparation de l’alliage on va chercher à s’approcher de l’optimum et donc du pic de dureté.
Le cisaillement n’apparait que lorsque la ligne de dislocation peut glisser de manière continue de la matrice dans les précipités et quand les précipités sont de très petites tailles.
L’action de contournement apparaît lorsque les précipités sont un peu plus grand.
La préparation de ces alliages est une suite de procédés différents.
Le schéma suivant montre bien quels sont les procédés utilisés (reffroidissement subit, …).
La trempe consiste à refroidir brutalement la solution, cela va permettre d’empêcher le décomposition de la solution solide avec la formation d’équilibre grossier.
La trempe permet aussi de piéger les lacunes stables à haute température (les lacunes sont des défauts du cristal dû à l'absence d'un atome à un endroit où il aurait dût être).
Un matériau composite est un assemblage constitué au minimum de deux matériaux qui ne fusionnent pas mais qui ont une forte capacité d’adhésion. Ils sont assemblés en une structure particulière qui lui donne ses caractéristiques. Donc bien évidemment il existe plusieurs structures de matériaux composites.
Le fait d’utiliser des matériaux composites permet d’améliorer la qualité de la matière dans des domaines tels que l’aéronautique.
Dans l’aéronautique, on utilise plusieurs types de composites pour la structure d’un avion et non un même matériau composite pour toutes les différentes parties qui constituent un avion.
En effet, du fait que ceux-ci soient un assemblage de plusieurs matériaux, on peut créer toutes sortent de matériaux différents qui peuvent être utilisés dans des applications bien différentes.
Dans notre cas, en aéronautique, plusieurs types de matériaux composites sont utilisés, car aucun ne peut présenter toutes les caractéristiques nécessaires à la réalisation de la structure entière d’un avion.
Le développement de tels matériaux a débuté en 1975 pour servir dans l’aviation militaire, mais s’est peu à peu étendu dans l’aviation civile aujourd’hui.
Néanmoins ce ne sont que les débuts de ces matériaux dans le monde de l’aviation civile, ils ne sont donc pas utilisés pour toute une structure.
Nous allons tout d’abord voir les caractéristiques des matériaux composites qui sont utilisés dans l’aviation civile, puis nous verrons ensuite quelques exemples de structures d’avion utilisant des matériaux composites.
En général les matériaux composites présentent certains avantages par rapport aux autres matériaux.
Ils présentent une rigidité plus élevée, d’excellentes caractéristiques mécaniques, et d’excellentes résistances à la fatigue et à la corrosion. Un autre avantage des matériaux composites est qu’ils ne favorisent pas la propagation des dommages lors de choc par exemple.
Ce type de matériaux apporte aussi une grande souplesse au niveau de la conception.
Néanmoins ces matériaux présentent certains inconvénients :
Il existe essentiellement deux structures de matériaux composites. Les matériaux composites à fibres de renforcement et les matériaux composites à matrices organiques.
Les matériaux composites à fibres de renforcement sont des matériaux auxquels ont été ajoutés des fibres pour les rendre plus résistants.
Il existe différents types de fibre de renforcement : les fibres de verre, de carbone et des fibres organiques.
Nous allons maintenant étudier une comparaison de la masse de pièces existantes dans la structure d’un avion.
D’un coté la pièce réalisée en matériaux métalliques et d’un autre côté la même pièce réalisée à partir de matériaux composites.
On voit bien que la pièce étant réalisée à l’aide de matériaux composites présente une masse inférieure à celle de la pièce en matériaux métalliques classiques.
Ce gain de masse peut aller de 20% à 30%, ce qui n’est pas négligeable.
Les matériaux composites sont donc un bon moyen de réduire considérablement la masse totale d’un avion.
Nous allons maintenant analyser quelques structures d’avion réalisées avec des matériaux composites et les comparer avec les structures sans matériaux composites.
Nous allons donc étudier les structures de certains Boeing et de l’Airbus A380.
Le Boeing 777 est un avion qui présente une structure détenant un grand nombre de pièces en matériaux composites. Il en présente plus que le Boeing 767.
Ceci montre une réelle progression du développement des matériaux composites durant les années 80.
- Date du premier vol du Boeing 777 : 12 juin 1994
- Date du premier vol du Boeing 767 : 26 septembre 1981
A la base de ce projet, cet avion ne devait être réalisé qu’avec des matériaux composites. Néanmoins le constructeur a bien vu qu’il n’était pas encore possible de réaliser un tel projet car les matériaux composites ne sont pas encore tout à fait au stade de développement suffisant pour réaliser ce genre de projets. Il reste encore des inconvénients et des imperfections qui font qu’il est impossible de réaliser une structure entièrement en composites.
Comme on peut le voir avec le tableau ci-contre, les matériaux composites ont été introduit petit à petit dans la structure des avions de Airbus.
Airbus est arrivé aujourd’hui à introduire un grand nombre de pièces en matériaux composites dans l’A380, et pas seulement des pièces secondaires.
En effet, quelques pièces dites primaire (ayant un rôle plus important que les secondaires) dans la structure de l’A380 sont également réalisées en matériaux composites.
Quelques exemples avec ces images ci-dessous :
Les matériaux les plus utilisés dans la structure d’un avion de nos jours sont donc les alliages d’aluminium et les matériaux composites car ce sont des matériaux qui remplissent le plus de critères de choix d’un matériau.
Les composites commencent à prendre une place de plus en plus importante dans la structure d’un avion, néanmoins ils sont toujours en cours de développement, ce qui permet aux alliages d’aluminium d’être encore très utilisés.
Les matériaux composites devraient donc, par la suite, être plus utilisés dans la structure que les alliages d’aluminium. Les matériaux composites se présentent donc comme l’avenir d’une structure idéale pour un avion de transport civile ou de transport de marchandises.
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