Comment les alliages d'aluminium ont pris leur essor dans l'industrie aérospatiale

Au cours des 100 dernières années, les alliages d'aluminium ont conquis le monde. Sous forme minérale (généralement la bauxite ou la cryolite), l'aluminium est en fait le métal le plus abondant de la Terre et le troisième matériau le plus abondant (après le silicium et l'oxygène). Il n'est donc probablement pas surprenant que l'aluminium ait trouvé sa place dans presque tous les recoins de nos vies.

Aujourd'hui, cependant, nous allons nous intéresser à « Grand Al » et à ses amis pour découvrir comment et pourquoi ils sont devenus l'épine dorsale de l'industrie qui fabrique ces grands oiseaux métalliques dans le ciel.

Alors attachez votre ceinture, rangez vos bagages, et préparons-nous au décollage.

L'avion

Avant d'examiner l'aluminium et de commencer à comprendre pourquoi il est autant utilisé dans l'aérospatiale, je pense qu'il serait judicieux de nous familiariser d'abord avec l'avion. Je ne veux pas dire dans le sens où il a deux ailes, des fenêtres et des roues, même si c'est important. Mais plutôt, à quoi il est exposé et ce qui est exigé de lui. Cela aidera à illustrer les lacunes proverbiales que l'aluminium est venu combler dans nos avions.

Tout au long de leur vie, les avions sont exposés à des conditions environnementales, mécaniques et opérationnelles extrêmes. Certaines d'entre elles se manifestent au sol. Et d'autres dans le ciel. Par conséquent, le choix des matériaux est évidemment important, tout comme la conception, et je pourrais écrire des articles explorant chaque type de condition, car ce sont des sujets qui peuvent devenir très complexes. Pour aujourd'hui, cependant, regroupons et concentrons-nous sur quelques-uns.

Stress élevé

Je ne parle pas des accapareurs d'accoudoirs sur les longs courriers ou des ronfleurs bruyants. Mais des charges mécaniques élevées (sur une surface donnée). Le stress. Des composants comme le train d'atterrissage, les supports moteur et les longerons d'aile subissent des forces considérables pendant le décollage, l'atterrissage et le vol. Leur matériau doit résister à ces charges.

Environnements corrosifs

Sandwichs au poisson. Chaussures musquées. Sauce en vol. Ils peuvent être corrosifs pour vous et moi, mais moins pour l'avion. Celui-ci doit plutôt faire face à l'humidité, au rayonnement UV, aux températures extrêmes, aux polluants, à l'air salin (aéroports en bord de mer !) et aux traitements chimiques (comme les liquides de dégivrage). Les composants de l'avion doivent soit se protéger, soit pouvoir être protégés contre les divers environnements corrosifs.

Températures extrêmes

La piste d'atterrissage la plus chaude jamais enregistrée a atteint une chaleur étouffante de 54°C. Si vous vous approchez (ou entrez) dans l'un des moteurs, vous pourriez être exposé à des températures de plus de 1200°C. Et à l'extérieur, à 42 000 pieds, vous pourriez être confronté à un froid de -60°C. Les composants doivent donc conserver leur intégrité face à la chaleur et au froid. Régulièrement.

Fatigue

Et comme si un stress élevé ne suffisait pas. Une partie de celui-ci est cyclique… ces satanés mangeurs répétés de sandwichs au poisson et voleurs d'accoudoirs.

La fatigue peut survenir à la suite de charges cycliques pendant le décollage, l'atterrissage, les turbulences, les cycles répétés de pressurisation et de dépressurisation, l'aérodynamisme, les vibrations fréquentes et probablement des centaines d'autres facteurs. Lorsqu'elles sont combinées à des environnements corrosifs et à des changements thermiques cycliques, le stress peut provoquer des fissures de fatigue, qui peuvent ensuite entraîner la défaillance imprévisible des composants en dessous de leur résistance à la traction ultime.

C'est comme laisser un trombone tremper dans de l'eau salée, le plier plusieurs fois puis éternuer pour qu'il casse. Donc, oui, la résistance à la fatigue est importante.

Heureusement, l'aluminium coche, ou pardon, peut cocher ces cases. C'est un métal impressionnant avec de nombreuses propriétés excellentes, et j'aimerais vous faire part de ce qu'elles sont – et pourquoi.

Le bon côté de l'aluminium

L'aluminium brut, non allié, présente de nombreux avantages. Vous les connaissez probablement déjà, alors je vais les énumérer rapidement. 

• Il est de faible densité et léger (environ un tiers de l'acier inoxydable)
• Il est résistant à la corrosion, grâce à la couche protectrice (et réparatrice) naturelle d'oxyde d'aluminium
• Et il est également très ductile, ce qui le rend idéal pour les composants aux formes complexes

Ces propriétés seules en font un excellent point de départ pour les composants d'avion. Mais le point de départ est le mot clé ici. Car, non allié, l'aluminium est en fait un très mauvais choix pour la plupart des avions. Il a un défaut majeur que je vais partager ensuite.

Le côté obscur de l'aluminium

Grand Al a beau être léger, ductile et résistant à la corrosion, il n'aime pas les environnements stressants (toi et moi aussi, Al… toi et moi aussi). Généralement, ductilité et résistance ne vont pas de pair. Donc, Al se pliera et continuera de se plier — sans casser — mais il ne faudra pas grand-chose pour le faire plier. Exemple exagéré : l'aluminium brut, c'est comme avoir un train d'atterrissage fait de papier peint.

Al n'aime pas non plus la chaleur. Parce que, contrairement au cuivre (1084°C) ou à la fonte (1204°C), il commencera à se ramollir et à fondre à 660°C.

Donc oui, sous sa forme brute, l'aluminium peut avoir de grands avantages et des propriétés favorables, mais son manque de résistance l'exclut des applications aérospatiales. Alors, Grand Al a besoin de ses amis – ses alliages – pour bâtir sur ses fondations et le rendre apte au vol. 

Les fondations CFC de l'aluminium

Vous êtes probablement familier avec les atomes et la façon dont leur organisation diffère dans les solides, les liquides et les gaz. Si ce n'est pas le cas, l'image ci-dessous devrait vous aider. (Remarquez comment ils sont plus serrés dans les solides, un peu moins dans les liquides et encore moins dans les gaz)

Structures d'empilement de particules de base

Eh bien, ce qui précède est vrai. Mais en réalité, c'est un peu plus complexe que ça. Vous voyez, lorsqu'un métal se solidifie (cristallise), il produit une structure d'atomes répétée. Cette structure varie d'un métal à l'autre en fonction de facteurs tels que la taille atomique et la liaison — et comme on peut s'y attendre, cela affecte les propriétés du métal.

Il existe trois types principaux de structures cristallines : cubique centrée (CC), cubique à faces centrées (CFC) et hexagonale compacte (HC). Les structures CC et CFC sont présentées ci-dessous.

Structure cristalline cubique centrée et cubique à faces centrées

 

L'aluminium a une structure cristalline CFC. Ainsi, en regardant l'image ci-dessus, vous verrez que la cellule a un atome à chaque coin et un autre atome au centre de chaque face (par opposition au corps de la cellule dans le CC). Il s'agit d'une structure cristalline très symétrique — et c'est en fait la plus densément emballée des trois. (La faible masse atomique, le rayon et les liaisons plus faibles de l'aluminium réduisent sa densité globale)

Quoi qu'il en soit, grâce à sa symétrie, lorsque cette structure cristalline est sous charge, les atomes peuvent glisser les uns sur les autres à de nombreux endroits – du moins comparativement. Ce mouvement est appelé glissement, et le plan cristallographique le long duquel ils se déplacent, celui qui a la plus grande densité, est connu comme le plan de glissement. 

(Pour votre information : Plus les atomes sont densément emballés sur un plan, moins il faut d'énergie pour qu'ils se déplacent les uns sur les autres. Ainsi, le glissement se produit plus facilement sur ces plans car il y a moins de résistance au mouvement.)

D'autres structures cristallines ne sont pas aussi symétriques, ni aussi densément compactes, et ont donc moins de plans de glissement. Cela les rend moins ductiles et plus fragiles. Ainsi, l'aluminium doit sa ductilité au fait qu'il possède de nombreux plans de glissement.

Au sein des structures cristallines, vous avez également des imperfections. Celles-ci sont connues sous le nom de dislocations (et il en existe plusieurs types, mais c'est un sujet pour un autre jour). Parce que la structure CFC de l'aluminium possède de nombreux plans de glissement, les dislocations peuvent se déplacer assez librement lorsque vous les pliez. D'où la ductilité.

Mais lorsque vous pliez un métal, vous induisez en fait plus de dislocations. Et elles commencent à s'accumuler, limitant progressivement leur mouvement. Cela, en surface, semble mauvais. Et je suppose que dans certains contextes, cela pourrait l'être. Mais pour le pauvre Al, c'est une bonne chose. Car en induisant des dislocations, vous augmentez la résistance du métal.

À titre d'exemple, pensez à couper une canette de boisson et à la plier à plusieurs reprises. Que se passe-t-il ? Elle devient de plus en plus rigide. 

Vous pouvez le faire à plus grande échelle. C'est ce qu'on appelle l'écrouissage. Vous pouvez également appliquer de la chaleur et le faire aussi - bien que vous ne puissiez pas le faire avec tous les alliages d'aluminium. Plus d'informations à ce sujet bientôt.

Pour l'instant, quittons le domaine de la science des matériaux et revenons à celui des alliages.

La terre d'alliages ! (Oh attendez, ce sont des bateaux…)

Mise à niveau de l'Al

L'aluminium brut est léger, résistant à la corrosion et ductile. Mais, malheureusement, faible. Donc, pour le rendre plus solide et capitaliser sur ces excellentes bases, nous introduisons d'autres métaux dans le mélange. 

Voici ce qui est couramment ajouté à l'aluminium pour fabriquer des alliages d'aluminium populaires : 

Le cuivre pour améliorer la résistance, en particulier la résistance à la compression et la dureté. Trop de cuivre réduit la résistance à la corrosion et la ductilité. 

Le magnésium pour améliorer la résistance et les résultats de l'écrouissage. Il peut également améliorer la résistance à la corrosion et la soudabilité, mais au détriment de l'usinabilité.

Le nickel pour améliorer la dureté, la résistance à haute température et la résistance à la corrosion. Mais il rend l'alliage plus fragile et plus difficile à usiner et à souder. 

Le zinc améliore considérablement la résistance de l'alliage et produit des alliages traitables thermiquement. Cependant, il réduit la résistance à la corrosion.

Le silicium rend l'alliage plus moulable (idéal pour les formes complexes) en réduisant son point de fusion. Généralement, cela rend l'alliage plus fragile.

Le manganèse améliore la résistance à la corrosion et la résistance de l'alliage. Mais, ajouter trop de manganèse peut en fait réduire la résistance. 

Le fer améliore la résistance et la résistance à l'usure, mais risque d'introduire des composés intermétalliques défavorables qui endommagent les propriétés mécaniques. Il réduit également la résistance à la corrosion de l'alliage.

Le chrome améliore la résistance à la corrosion et contribue à entretenir une microstructure favorable (il favorise l'affinage du grain, de sorte que la microstructure est plus uniforme, ce qui améliore les propriétés mécaniques). Cependant, il peut réduire la ductilité et également conduire à ces composés intermétalliques gênants, qui peuvent endommager les propriétés mécaniques.

Le titane agit de manière similaire au chrome et contrôle la croissance des grains, de sorte que la microstructure est plus uniforme et que les propriétés mécaniques s'améliorent. Il est également excellent pour améliorer la résistance à la fatigue. Mais il est plus cher que les autres éléments d'alliage, et en ajouter trop peut entraîner une plus grande fragilité.

Comme vous pouvez le constater, il existe de nombreuses combinaisons possibles. Vous aurez vos principaux éléments d'alliage, puis d'autres pour presque contrecarrer les effets secondaires (ou améliorer d'autres), puis d'autres encore pour contrecarrer ceux-là. C'est un peu comme le jeu de la taupe. En fait... euh... ce n'est pas du tout ça.

Quoi qu'il en soit… pour nous aider à identifier les alliages, voici comment nous les regroupons.

Série d'aluminium corroyé

Note latérale 1 : Consultez les désignations des alliages d'aluminium moulé ici. Spoiler : elles sont assez similaires mais se terminent par un « .0 ».

Note de bas de page 2 : Pour rendre les choses plus confuses, les traitements thermiques et les procédés d'écrouissage modifient le codage. Pour en savoir plus, lisez l'article ici de Righton Blackburns.

Alliages d'aluminium pour l'aérospatiale

Comme vous le savez, ou pouvez probablement le deviner, il existe BEAUCOUP d'alliages d'aluminium. Et de plus en plus trouvent leur place dans l'industrie aérospatiale. Pour l'instant, concentrons-nous sur les alliages déjà bien établis et où vous pourriez les trouver sur un avion.

Alliage d'aluminium 2024

C'est l'alliage d'aluminium le plus utilisé dans l'aérospatiale — et ce depuis un certain temps. Il offre une grande résistance aux contraintes et une résistance à la traction élevée, et peut être traité thermiquement pour améliorer encore ses propriétés. Il présente également une très bonne résistance à la fatigue. L'inconvénient, cependant, est qu'il peut être sensible à la corrosion. Il est donc souvent revêtu ou traité pour le protéger lorsqu'il est utilisé dans les ailes ou les structures de fuselage d'avion.

Alliage d'aluminium 5052

Le 5052 est très résistant à la corrosion, possède une résistance à la fatigue impressionnante et une grande ductilité, ce qui le rend très malléable. Contrairement au 2024, il n'est pas traitable thermiquement, donc seul le travail à froid améliorera encore ses propriétés. Sa résistance à la corrosion signifie qu'il est souvent utilisé pour fabriquer des réservoirs de carburant d'avion. (Il est également utilisé dans les applications marines et même les ustensiles de cuisine !)

Alliage d'aluminium 6061

Maintenant, un alliage de la série 6000. Le 6061 a également une grande résistance à la corrosion, mais, contrairement à d'autres, il peut être soudé et brasé un peu plus facilement, ce qui le rend idéal pour le prototypage rapide. Il est généralement utilisé pour les composants d'ailes et de fuselage, en particulier dans les petits avions (car il n'est pas aussi solide que d'autres). Les variantes trempées sont parfois utilisées comme bouteilles de plongée.

Alliage d'aluminium 7050

Premier des alliages de la série 7000 : le 7050. Cet alliage Al-Zn présente une excellente résistance à la corrosion et une grande solidité, et se retrouve souvent dans le revêtement d'aile et les composants du fuselage. Il est populaire auprès des avions militaires et aurait été développé à partir du 7075 en raison de son manque de résistance à la corrosion.

Alliage d'aluminium 7068

L'aluminium 7068 est l'un des alliages d'aluminium les plus résistants du marché. Sa résistance apporte un véritable zen aux environnements très stressants (ce qui explique peut-être pourquoi il est parfois utilisé dans les arcs de tir à l'arc haut de gamme ?...). Comme tous les alliages de la série 7000, il est également traitable thermiquement.

Alliage d'aluminium 7075

L'alliage 7075 est le deuxième alliage d'aluminium le plus populaire dans l'aérospatiale. Il a été utilisé à l'origine pendant la Seconde Guerre mondiale parce que sa résistance est similaire à celle de l'acier (grâce au zinc) mais qu'il est beaucoup plus léger. Il est également très résistant à la fatigue, ce qui, nous le savons, est important dans l'aérospatiale. Et il est également facile à usiner. Sa popularité n'est donc pas surprenante. Le plus grand défaut du 7075 ? Sa résistance à la corrosion. (Voir le 7050...)

Origines de l'aluminium aérospatial

Les composés d'aluminium sont utilisés depuis des milliers d'années – les plus anciens remontent à plus de 5000 ans ! À l'époque, les applications typiques incluaient le tannage du cuir ou la teinture textile. Et même s'ils pourraient encore fonctionner comme avant, l'aluminium sert maintenant un tout autre but.

En 1808, Sir Humphry Davy, l'électrochimiste britannique qui a découvert plusieurs éléments, dont le sodium, le potassium et le calcium, a théorisé et identifié l'existence de l'aluminium. Mais malgré ses efforts, il n'a pas réussi à en produire.

17 ans plus tard, cependant, en 1825, le chimiste danois Hans Christian Ørsted a réussi à isoler l'aluminium et à en « produire »… une petite pastille impure (et inutilisable).

Friedrich Wöhler, un chimiste allemand, intervint en 1827 et isola à nouveau l'aluminium. Cette fois, en mélangeant du chlorure d'aluminium anhydre avec du potassium. Plus important encore, cependant, Wöhler calcula la gravité spécifique de l'aluminium, identifiant à quel point le métal était léger.

Mais jusqu'alors, la production d'aluminium était un processus difficile et inefficace. Le métal était donc rare et, prétendument, plus cher que l'or et l'argent. En fait, il était si rare que Napoléon III utilisait des couverts en aluminium lors des banquets royaux — des banquets où les moins distingués recevaient de l'or et de l'argent. (Imaginez si le voyage dans le temps existait ?! Je lui livrerais des rouleaux de papier d'aluminium Tesco à la main !)

Ce n'est qu'en 1886 que le procédé Hall-Héroult a été inventé. Ce procédé désormais très bien établi utilise l'électrolyse pour extraire l'aluminium de l'alumine. Ce qui est excellent... si l'on dispose d'alumine. Heureusement, en 1888, Karl Bayer a développé le procédé Bayer, qui permet d'extraire l'alumine du minerai de bauxite, très abondant. Ces deux procédés ont rendu l'aluminium accessible à un usage industriel. Et l'industrie l'a (finalement) utilisé.

De la coutellerie fantaisie aux moteurs volants

La première utilisation de l'aluminium dans l'aérospatiale remonte aux frères Wright qui, en 1903, ont réalisé le tout premier vol habité, et ont utilisé un bloc-cylindres en aluminium ainsi que d'autres pièces de moteur en aluminium.

C'est une véritable percée. Non seulement parce que c'était le tout premier vol habité (évidemment !), mais parce qu'à l'époque, les blocs moteurs de voiture (et leurs toutes-puissantes performances de 8 CV) étaient fabriqués en fonte, et pesaient une petite tonne. Bien que le moteur des frères Wright n'ait eu que 12 CV, son rapport puissance/poids amélioré les a aidés à décoller (et atterrir) avec succès avec un pilote à bord. Cliquez ici pour voir le « Wright Flyer ».

Oui, en 1903, les procédés Hall-Héroult et Bayer avaient été inventés et fonctionnaient, mais l'aluminium n'était encore qu'à ses débuts. Il était coûteux et difficile à obtenir. Ainsi, le reste de l'avion des frères Wright était fabriqué en épicéa, bambou et toile, des applications qui deviendraient finalement celles de l'aluminium.

Une amitié volante

Pendant la Première Guerre mondiale, l'aluminium a commencé à remplacer le bois comme matériau clé dans la fabrication aéronautique. L'ingénieur aéronautique allemand Hugo Junkers a construit le premier avion entièrement métallique en 1915, dont le métal principal était un alliage Al-Cu (probablement ce qui est aujourd'hui un alliage de la série 2000). C'est cet alliage qui, au cours des 40 années suivantes, ferait des avions et du "Grand Al" les meilleurs amis du monde.

Avant la Seconde Guerre mondiale, ces « quarante années » étaient connues sous le nom d'Âge d'or de l'aviation. Les courses d'avions sont devenues populaires aux États-Unis et en Europe et ont conduit à de nombreuses innovations, améliorant l'efficacité et les performances. Les monoplans ont remplacé les biplans. Le train d'atterrissage est devenu rétractable. Le revêtement est devenu porteur. Et les cadres entièrement en alliage d'aluminium sont devenus la norme.

Grâce à ces améliorations (et à la Seconde Guerre mondiale), la demande d'aluminium et de ses alliages a explosé. Les États-Unis ont à eux seuls fabriqué plus de 290 000 avions entre 1940 et 1945 ! (Y compris le P-51 Mustang)

Mais, bien sûr, le progrès ne s'arrête jamais.

Bien que les alliages d'aluminium 2024 et 7075 soient déjà bien établis dans l'aérospatiale, le développement du Concorde a entraîné l'arrivée sur le marché de nouveaux alliages de la série 7000. Ceux-ci visaient des propriétés encore meilleures en termes de résistance, de résistance à la corrosion et de fatigue. Du modeste 7075 sont nés les 7150, 7050 et 7055.

Et avec l'argent comme carburant, le potentiel de l'aluminium continue d'atteindre de nouveaux sommets. Ses alliages continuent de rendre les vols plus efficaces, de réduire les composants et de permettre aux compagnies aériennes de transporter plus de personnes sur de plus longues distances. Il n'est pas étonnant que le Boeing 737 – l'avion commercial le plus vendu – soit désormais fabriqué à 80 % en aluminium. Je pense qu'il est juste de dire que l'aluminium a vraiment pris son envol, et il ne semble pas vouloir atterrir de sitôt.

Avions, tournevis et clés

Si l'aluminium a révolutionné l'aviation, vous devriez voir son impact dans le monde des tournevis, des clés et des clés à molette... (désolé, un petit coup de pub s'impose)

Le réglage du MetMo Grip utilise de l'aluminium 6061 anodisé. Il est léger, durable et ajoute de la fonctionnalité sans poids. Jouez avec. Ouvrez des bouteilles. Ou, tout simplement, serrez à votre guise. En savoir plus sur le Grip ici.

Le Driver et le Pocket Driver de MetMo, en revanche, utilisent de l'aluminium 7075 et 2024 de qualité aérospatiale. Ils sont aussi solides que l'acier, pèsent beaucoup moins lourd et sont beaucoup plus faciles à usiner que le titane. Ainsi, vous pouvez vivre l'expérience de conduite de votre vie, puis le ranger dans votre poche.

En savoir plus sur notre Driver et notre Pocket Driver.

J'espère que vous avez apprécié cette lecture. De nombreux matériaux ont évolué – ou ont été développés – pour l'aviation. Alors, qui sait, peut-être qu'à l'avenir nous partagerons davantage. Si vous avez des faits amusants ou des utilisations créatives de l'aluminium, nous serions ravis de les entendre sur notre forum CubeClub.