Les alliages d’aluminium pour l’allégement des structures dans l’aéronautique et la carrosserie automobile

Figure 1 : Les différents types de matériaux de grande diffusion en fonction de leurs performances spécifiques, 
rapportées à la densité. PMMA = polyméthacrylate de méthyle ; PC = polycarbonate ; PA = polyamide ; PET = polyéthylène ; PEEC = polyéther éther cétone ; PRFV = plastique renforcé à la fibre de verre ; PRFC = plastique renforcé à la fibre de carbone. 
Source : GrantaDesign-CES Edupack (entreprise spécialisée en technologie de l’information sur les matériaux)

Tableau 1 : Surcoûts d’allégement typiques acceptables pour les matériaux (€/kg).

Tableau 2 : Les défis de la chimie dans l’aéronautique (d’après Eberl et coll., Constellium, 2011).

Figure 2 : Normes sur les émissions de CO2 (en grammes d’équivalents CO2 par kilomètre) selon les années et pays. *NEDC (New European Driving Cycle) = nouveau cycle européen de conduite. C’est un cycle de conduite automobile conçu pour imiter de façon reproductible les conditions rencontrées sur les routes européennes. Source : www.theicct.org

Figure 3 : La masse d’aluminium par automobile en Europe selon les années et les types de pièces. 
Source : Ducker WW – EAA Aluminium penetration in cars – 2012.

Figure 4 : Les contributions des phases du cycle de vie de l’automobile à l’émission de gaz à effet de serre.
Source : Haberling, Audi, Global Automotive Light-weight conf., 2012.

Tableau 3 : Les défis et leviers de durabilité pour l’automobile. Source : White, Jaguar Land Rover, Global Automotive Lightweight Solutions Conference, Londres, 2012.

Figure 5 : Familles d’alliages d’aluminium pour structures et caractéristiques mécaniques typiques.

Figure 6 : Diagramme d’équilibre des phases binaire aluminium-cuivre (teneur en Cu en poids %). La phase d’équilibre Al2Cu (composé intermétallique contenant environ 53 % de Cu) n’est pas représentée sur la droite.

Figure 7 : Les traitements thermiques des produits laminés en alliages d’aluminium à durcissement structural.

Figure 8 : Les stades successifs du durcissement structural lors du traitement thermique de revenu. Le durcissement est lié à la formation, lors du revenu, de fins précipités, qui constituent des obstacles au passage des dislocations (déformation plastique). Le durcissement passe par un maximum (pic) puis décroît (surrevenu).

Figure 9 : Influence des précipités sur le mouvement des dislocations. Photo : image de précipités fins à morphologie en plaquettes cisaillés par des dislocations, observés sur la tranche en microscopie électronique à transmission à haute résolution dans un alliage Al-Cu-Li à l’état revenu. Source : Nie et Muddle, Mat. Sc. Eng, 2001.

Figure 11 : Conception et développement des alliages et produits : une démarche scientifique faisant appel à la chimie. 
D’après Ch. Sigli, Constellium.

Figure 12 : Schéma simplifié des sollicitations mécaniques complexes auxquelles est soumis un avion.

Figure 13 : Domaines de composition de nouveaux alliages de la famille Al-Cu-Li-(Mg-Ag) pour l’allégement des aérostructures. Source : Ehrström et coll., Matériaux 2010, FFM.

Figure 14 : Phase T1-Al2CuLi contribuant au durcissement structural des alliages Al-Cu-Li par co-précipitation. A) Disposition des atomes dans la phase T1 (Al2CuLi) ; B) images de microscopie électronique en transmission (MET) des plaquettes hexagonales sur plans {111}Al ; C) à plus fort grandissement (MET à haute résolution). Source : (A) Van Smaalen et coll., 1990 ; (B) Decreus et coll., 2011 ; (C) Donnadieu et coll., 2011.

Figure 15 : Phase métastable δ’-Al3Li de durcissement structural (faible durcissement). Source : Langan & Pickens, ICAA5, 1989.

Figure 16 : Phase métastable θ’-Al2Cu contribuant au durcissement structural. Source : Dubost et Sainfort, Techniques de l’Ingénieur M 242.

Figure 17 : Évolution du potentiel en circuit ouvert avec la cinétique de revenu. La matrice aluminium est d’autant plus « noble » que sa concentration en soluté cuivre (solution solide dans l’aluminium) est élevée. Source : Hénon. et coll., ICAA13, 2012.

Figure 18 : Comparaison de propriétés d’emploi des alliages des tôles épaisses en 2050 (Airware) et 7050.

Figure 19 : Position des différentes pièces faisant intervenir des tôles épaisses en alliage AIRWARE® 2050 dans l’Airbus A350 XWB.

Figure 20 : Les différentes familles de matériaux utilisées selon les parties de l’avion Bombardier CSeries.

Figure 21 : Comparaison des alliages Airware 2198 et de l’alliage 2024 du fuselage (tôles minces) pour différents paramètres.

Figure 22 : Démarche de co-optimisation des matériaux, des technologies de fabrication et de la conception des aérostructures à hautes performances (d’après Eberl et coll., Constellium, 2011).

Figure 23 : Potentiel de gain de masse estimé pour la voilure d’avions monocouloir et d’avions de transport régional par utilisation d’alliage à haute résistance mécanique de la technologie AIRWARE® en synergie avec les propriétés mécaniques et la re-conception des composants structuraux. Source : Ehrström et coll., Constellium, Matériaux 2010, FFM.

Figure 24 : Tendances dans l’évolution des alliages d’aluminium pour carrosserie automobile et structure de caisse en blanc, en fonction de leur formabilité et limite d’élasticité. Source : d’après Henry et coll., Constellium, Matériaux 2010, FFM.

Figure 25 : Exigences multiples sur la formabilité, solutions « alliages » pour carrosserie automobile. D’après Lequeu, Constellium, RIFT 2012 et Henry et coll., Matériaux 2010 ; (B, haut) : photo Audi.

Figure 26 : Procédé de prétraitement de surface sans chrome en continu (A) ; microstructure de dépôt nanométrique d’oxyde observée en microscopie électronique à balayage (B).

Tableau 4 : Positionnement des solutions aluminium par rapport aux autres matériaux pour pièces de structures dans l’automobile. Source : Füller, New developments in sheet môtal forming, Schwabenlandhall Fellbach, 2010.