Développement d'une technologie pour la réparation des moteurs d'avion avancés

L'un des moyens pour les compagnies aériennes de réduire les émissions est d'adopter des moteurs à réaction plus légers et plus aérodynamiques. Cette technologie avancée existe déjà, mais avant que ces moteurs plus économes en carburant puissent être largement adoptés par l'industrie, les chercheurs doivent d'abord trouver une méthode pour les réparer de manière rentable.

Une équipe de chercheurs canadiens dirigée par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) est à l'avant-garde dans ce domaine. « Les chercheurs du CNRC ont développé une vision et une stratégie pour une nouvelle technologie de réparation qui peut servir le marché mondial des moteurs à réaction », déclare le Dr Priti Wanjara, chercheur du portefeuille Aérospatiale du CNRC. « Nous avons mis en place une équipe de recherche pour faire avancer le projet. »

L'équipe comprend également des experts de l'Université de la Colombie-Britannique à Okanagan (UBC-Okanagan) et du Centre canadien de faisceaux de neutrons (CNBC). StandardAero, une société d'entretien et de révision de moteurs à réaction, a fourni à l'équipe des informations techniques sur les pratiques du secteur afin que les résultats soient aussi utiles que possible à l'ensemble de l'industrie. Conformément à l'accent mis sur les applications du monde réel, la recherche est appuyée par une subvention Engage du CRSNG, qui aide les universités à collaborer avec l'industrie.

« Le travail de l'équipe a débouché sur des connaissances industrielles pratiques et a permis de poursuivre le développement de nouvelles technologies dans l'industrie aérospatiale. »

La raison pour laquelle une nouvelle technologie de réparation est nécessaire réside dans la différence entre la fabrication des moteurs à réaction traditionnels et celle des moteurs à réaction plus avancés. Les moteurs à réaction utilisent des ensembles d'aubes de turbine sur des disques rotatifs pour comprimer puis expulser l'air afin de créer une poussée. Dans les moteurs à réaction traditionnels, ces pales et disques rotatifs sont fabriqués séparément puis fixés ensemble. Dans les moteurs plus perfectionnés, tels que ceux utilisés dans les avions militaires, les aubes et les disques sont fabriqués à partir d'une seule pièce forgée appelée « blisk ».

Les blisks sont plus économes en carburant que leurs homologues en plusieurs parties, non seulement parce qu'ils peuvent être plus aérodynamiques, mais aussi parce qu'ils nécessitent moins de matériaux, ce qui réduit le poids du moteur. En outre, les blisks peuvent être plus fiables parce qu'ils comportent moins d'endroits où des défauts peuvent apparaître dans le cadre d'une utilisation normale.

Si l'industrie aérospatiale commerciale reconnaît les avantages des blisks, elle craint que les moteurs qui les utilisent soient difficiles et coûteux à réparer. En effet, dans un moteur à réaction traditionnel, si une aube de turbine est endommagée, il suffit de la remplacer. Mais si une lame d'une blisk est endommagée, le moteur entier doit être retiré et la blisk remplacée, ce qui augmente considérablement les frais d'exploitation. Il n'est pas surprenant que les compagnies aériennes commerciales - qui dépensent déjà environ 15 milliards de dollars par an pour la réparation des moteurs dans le monde - souhaitent minimiser les coûts de réparation et éviter les pertes de revenus dues à l'immobilisation prolongée des avions.

C'est pourquoi l'équipe de recherche s'intéresse à une technologie de soudage avancée qui pourrait permettre de réparer les blisk de manière plus rentable. « Nous étudions comment le soudage par friction linéaire pourrait être utilisé pour réparer les blisks de manière efficace et efficiente, contribuant ainsi à fournir l'assurance dont l'industrie a besoin avant de déployer les blisks à plus grande échelle », explique le professeur Lukas Bichler de l'UBC-Okanagan.

Le soudage par friction linéaire permet d'assembler des alliages sans les faire fondre. Comme toutes les méthodes de soudage, le soudage par friction linéaire modifie les propriétés de l'alliage, y compris sa tension, qui est un indicateur clé de la manière dont le composant se comportera en service. Par conséquent, pour garantir la fiabilité d'un moteur réparé selon cette méthode, les modifications de l'alliage soudé doivent être mesurées, comprises et, le cas échéant, atténuées.

Pour répondre à ce besoin de l'industrie, Mme Wanjara et son collègue de CNRC Aérospatiale, le Dr Javad Gholipour, ont reproduit les principaux aspects d'une réparation de moteur dans laquelle une lame endommagée pourrait être découpée dans un blisk usagé et une nouvelle lame soudée en place à l'aide de la méthode proposée. Suivant les pratiques de l'industrie, ils ont préparé un disque de turbine usagé, provenant d'un véritable moteur à réaction, en vue de sa remise à neuf. Le disque a été fabriqué en INCONEL® 718, l'alliage le plus couramment utilisé pour les pales et les disques de turbines. Grâce à l'installation de soudage par friction linéaire du CNRC, unique au Canada, ils ont étudié les protocoles de soudage et appliqué la procédure la plus prometteuse pour cette soudure inédite afin d'assembler une nouvelle pièce d'INCONEL 718 à une section prélevée sur le disque usagé.

Mathew Smith, doctorant supervisé par Bichler et Wanjara, a examiné le bloc combiné d'INCONEL 718 neuf et usagé à l'aide de diverses techniques afin de déterminer comment la soudure affectait les propriétés de l'alliage. Il est important de noter que ces études sont les premières à examiner les effets du soudage par friction linéaire sur l'INCONEL 718 après qu'il ait été utilisé en service ou exposé à des conditions de service réalistes.

Guidée par le Dr Dimitry Sediako du CNBC, Smith a utilisé des faisceaux de neutrons au CNBC pour mesurer de manière non destructive les contraintes à l'intérieur du bloc soudé. Les résultats des mesures de contraintes ne montrent aucune raison pour laquelle le soudage par friction linéaire ne pourrait pas être utilisé pour réparer des blisks en INCONEL 718. L'équipe de recherche compare maintenant ces résultats aux données de contrainte obtenues en collaboration avec l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), qui a utilisé une technique d'évaluation destructive pour obtenir des données sur un échantillon identique. Jusqu'à présent, les résultats suggèrent que le soudage par friction linéaire est une technologie prometteuse pour la remise en état des moteurs d'avion.

Les recherches menées par l'équipe de chercheurs au CNBC démontrent notamment la capacité de mesurer les contraintes à des endroits précis du bloc soudé à l'aide de faisceaux de neutrons. En fait, « les faisceaux de neutrons étaient le seul outil capable de fournir des données sur les contraintes de manière non destructive dans ce cas, qui est compliqué par la façon dont le soudage affecte la microstructure à l'intérieur du bloc », explique M. Sediako.

L'équipe de recherche prévoit de continuer à tester et à caractériser les propriétés microscopiques des matériaux soudés par réparation, avec pour objectif général d'optimiser le processus de soudage par friction linéaire afin d'obtenir les meilleures performances mécaniques possibles. En outre, les chercheurs ont l'intention de déterminer comment les conditions de service contribuent à la perte de performance au fil du temps, et de développer des protocoles de traitement thermique pour restaurer cette performance. Il est important de noter que les neutrons peuvent fournir des mesures essentielles pour atteindre ces objectifs.

Kim Olson, vice-président senior de StandardAero, commente les travaux de l'équipe : « Ils ont permis d'obtenir de nouvelles données scientifiques fondamentales, ainsi que des connaissances industrielles pratiques, et de poursuivre le développement de nouvelles technologies pour la fabrication, la réparation et l'entretien des composants dans l'industrie aérospatiale. »

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.