Les joints rivetés servent de principale méthode de fixation en génie mécanique et structural depuis des siècles, depuis la construction navale jusqu'aux systèmes modernes d'aérospatiale et de production d'électricité. Toutefois, lorsque ces joints sont déployés dans des environnements à haute température, comme les boîtiers de moteurs à turbine à gaz, les récipients à pression de chaudière ou les peaux de cellule supersoniques, les règles de conception standard ne s'appliquent plus. Les températures élevées introduisent le fluage des matériaux, l'oxydation, la fatigue thermique et l'expansion différentielle entre les composants qui peuvent compromettre l'intégrité des joints.

Comprendre les articulations rivetées dans des paramètres à haute température

Les joints rivetés à haute température sont généralement présents dans des applications où la fixation mécanique doit survivre à des températures durables supérieures à 400°C (752°F) et parfois supérieures à 1000°C (1832°F).

  • Les ensembles de moteurs à turbine à gaz – où les disques, boîtiers et vanes de compresseur et de turbine sont rivetés ensemble en utilisant des superalliages à haute teneur en nickel.
  • Tuyaux et en-têtes de chaudières à énergie – où les rivets sécurisent les pièces sous pression soumises à des températures de vapeur jusqu'à 650°C.
  • Peaux de véhicules d'une grande personnalité – où le chauffage aérodynamique provoque des températures de surface extrêmes, nécessitant des matériaux rivets à faible conductivité thermique et une résistance à l'oxydation élevée.
  • Doublures industrielles pour four – où les matériaux réfractaires sont fixés pour soutenir les cadres.

Le défi fondamental dans les joints rivetés à haute température est que les matériaux et les géométries qui fonctionnent bien à la température ambiante échouent souvent sous une exposition thermique à long terme. La déformation de la crevette, la relaxation de la contrainte, la perte de force de serrage et la corrosion accélérée sont des mécanismes de défaillance courants.

Il est essentiel de comprendre ces modes de défaillance avant de plonger dans les paramètres de conception.

  • La rupture de la crepe[ – Une exposition prolongée à une tension élevée ou à une contrainte de cisaillement à une température élevée provoque une élongation progressive et éventuellement une rupture du rivet ou du matériau de base autour du trou.
  • La relaxation de la contrainte[ – La force de serrage initiale de l'installation du rivet se dégrade au fil du temps, ce qui entraîne une séparation des articulations (gapping) et une perte de transfert de charge.
  • Oxydation et corrosion[ – L'oxydation à haute température (écaillage) attaque les surfaces du rivet et de la plaque, réduisant la section efficace et causant une fragilisation.
  • La fatigue thermique – La dilatation et la contraction thermique cycliques génèrent des contraintes alternées à l'interface rivet-trou, provoquant souvent des fissures qui se propagent à travers l'articulation.

Par conséquent, la conception de la température élevée exige une vision globale qui combine la science des matériaux, l'analyse des contraintes et les considérations de fabrication.

Principales considérations de conception

1. Sélection du matériel

Le choix des matériaux est la décision la plus critique pour les joints rivetés à haute température. Le rivet et les matériaux de base doivent posséder une résistance suffisante à la résistance au fluage, à l'oxydation et à la stabilité thermique. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) doit également être étroitement assorti pour minimiser les contraintes induites thermiquement.

Matériaux de base – Les matériaux de structure à haute température typiques comprennent:

  • superalliages à base de nickel (p. ex. Inconel 718, Waspaloy, Haynes 230) – utilisés dans les turbines à gaz jusqu'à 1000 °C pour leur résistance exceptionnelle au fluage et à l'oxydation.
  • Les alliages à base de cobalt (p. ex. Haynes 188) offrent une excellente résistance à la corrosion et une résistance à haute température.
  • Steaks[ (p. ex. 304H, 316H, 321) – fréquents dans les applications de chaudières jusqu'à 700°C, mais limités par oxydation à des températures plus élevées.
  • Alliages de titane (p. ex. Ti-6Al-4V) – utilisés dans des applications hypersoniques et aérospatiales, bien qu'ils soient limités à environ 600°C en raison du fluage et de l'oxydation.
  • (p. ex., molybdène TZM, alliages de niobium) – pour des températures extrêmes supérieures à 1000 °C, mais avec des défis d'oxydation et de joint importants.

Matériaux de rivet[ – Les rivets doivent être fabriqués à partir d'alliages compatibles avec les matériaux de base et capables d'être formés de façon plastique pendant l'installation (un rivetage chaud peut être nécessaire).Les choix courants sont les rivets Inconel 718 pour les structures en alliage de nickel, Monel 400 ou K-500 pour la résistance à la corrosion dans les centrales électriques et A286 pour l'acier inoxydable à des températures modérées jusqu'à 700°C. Le tableau 5.1 de ASME BPVC Section II, partie D fournit des contraintes admissibles pour de nombreux matériaux à haute température.

Les ingénieurs devraient également tenir compte de la compatibilité des appariements de matériaux[ en ce qui concerne la corrosion galvanique (moins de problème à haute température mais toujours pertinent avec l'humidité) et la liaison de diffusion qui peuvent survenir au fil du temps. Par exemple, les rivets en aluminium ne devraient jamais être utilisés avec l'acier inoxydable dans des environnements oxydants à haute température en raison de la formation et de la fragilisation rapides d'intermétalliques.

2. Matériel et taille du rivet

La sélection du matériau de rivet correct ne suffit pas; la taille et la géométrie doivent tenir compte de l'expansion thermique, de la méthode d'installation et du transfert de charge. À des températures élevées, le matériau de rivet peut être beaucoup plus doux qu'à la température ambiante, nécessitant des diamètres plus grands ou des longueurs de prise plus courtes pour maintenir une résistance adéquate au cisaillement et au roulement.

Diamètre du rivet et longueur de la poignée[ – Les directives standard de calibrage du rivet (p. ex., MIL-HDBK-5/MIL-HDBK-17) sont basées sur les propriétés de température ambiante. Pour les applications à haute température, les concepteurs devraient augmenter le diamètre du rivet d'un facteur de sécurité de 1,25–1,5 pour compenser la réduction de la résistance au rendement et le fluage.

– Dans de nombreuses attaches aérospatiales à haute température, un ajustement d'interférence initial est utilisé pour s'assurer qu'il n'y a pas d'écart à la température de fonctionnement après l'expansion des pièces. Cependant, trop d'interférence peut causer une contrainte excessive de roulement à basse température. L'interférence diamétrale optimale -d est donnée par:

αd = d * (αrivet – αplate) * ΔT

Par exemple, l'utilisation d'un rivet Inconel 718 (α α , 13 μm/m·°C) dans une plaque de base nickelée (α , 12 μm/m·°C) avec Δ T = 800 °C provoque une interférence d'environ 0,8 % du diamètre. Ces calculs sont critiques et doivent être vérifiés par l'analyse des éléments finis (AFE) et par l'essai à chaud.

Tête de rivet style[ – Les têtes de contre-brassier sont souvent utilisées pour réduire la traînée aérodynamique en courant à grande vitesse, mais elles réduisent la zone de cisaillement à la jonction tête-signe. Pour les joints à haute température, une tête saillante (par exemple, la tête universelle ou la tête ronde) fournit une plus grande résistance et est moins sujette à l'arrachement de la tête sous contrainte thermique.

3. Compensation pour l ' expansion thermique

La dilatation thermique différentielle entre le rivet et les plaques jointes est la principale cause de délirage des articulations et de rupture de fatigue. La conception doit permettre un mouvement relatif sans trop de stress pour le rivet ou les bords des plaques.

  • Operations allongées – Les trous en fente ou surdimensionnés dans une des plaques permettent au rivet de glisser pendant l'expansion thermique, réduisant la charge axiale. Cependant, les trous allongés réduisent la surface de cisaillement efficace et peuvent augmenter l'usure du frettage. La longueur de la fente -L=(α1 – α2) * L[0 * ΔT, où L[0 est la distance jusqu'au point fixe le plus proche.
  • – L'utilisation d'un rivet avec un module élastique inférieur ou une géométrie plus conforme (p. ex., une tige creuse) peut absorber l'expansion différentielle de façon élastique.
  • Les barrières thermiques – L'introduction d'une couche de matériau à faible CTE (par exemple, céramique ou molybdène) entre les plaques peut réduire l'inadéquation efficace des CTE.
  • Supports mobiles[ – Pour les grandes structures (p. ex., les garnitures de four), les rivets peuvent être combinés avec des joints d'expansion ou des supports coulissants qui permettent le mouvement indépendant des plaques.

Il est fortement recommandé d'effectuer une FEA couplée à une contrainte thermique pour évaluer la répartition de la contrainte autour du rivet aux températures maximale et minimale du cycle. De nombreux rapports techniques de la NASA (p. ex. NASA TM-1992-104242) fournissent des lignes directrices pour l'analyse des articulations rivetées sous charge thermique.

4. Traitement thermique et revêtements

Le traitement thermique et les revêtements de surface peuvent prolonger de façon significative la durée de vie des joints rivetés à haute température en améliorant la résistance au fluage et la protection contre l'oxydation.

Traitement de la chaleur – Les alliages résistants aux précipitations (p. ex. Inconel 718) sont généralement traités en solution et vieillis pour maximiser leur résistance. Après l'installation du rivet (réversement à chaud), un traitement thermique post-rivet peut être nécessaire pour restaurer les propriétés mécaniques du matériau du rivet s'il était sur-âge pendant la formation.

Revêtements – Les revêtements à haute température communs pour rivets comprennent :

  • Enduits en aluminium – Fournissez une excellente résistance à l'oxydation pour les superalliages nickel-base jusqu'à 1000°C en formant une échelle Al2O3 protectrice.
  • MCrAlY superpositions[ – Appliquées par pulvérisation de plasma ou dépôt de vapeur physique par faisceau d'électrons (EB-PVD), ces revêtements offrent une résistance supérieure à l'oxydation et à la corrosion et sont largement utilisées dans les sections chaudes de turbine à gaz.
  • Les revêtements de barrière thermique céramique (TBC) – tels que la zircone stabilisée par yttria (YSZ) appliquée par APS ou EB-PVD, réduisent la température du métal sous-jacent, diminuant les vitesses de fluage.
  • Les barrières de diffusion[ – Des couches minces de nickel, de platine ou d'alumine empêchent l'interdiffusion entre les matériaux du rivet et de la plaque à haute température, ce qui peut provoquer des phases de brassage (p. ex. phase de sigma dans les aciers inoxydables).

L'épaisseur du revêtement et la méthode d'application doivent être compatibles avec la géométrie de la tête de rivet et le processus d'assemblage. Par exemple, les TBC épais peuvent être chip lors de la mise en place du rivet; par conséquent, les têtes de rivet sont souvent revêtues après installation avec un lisier ou une bande qui est ensuite guérie.

5. Distribution des charges

Dans les applications à haute température, cet effet est exacerbé par la relaxation du fluage qui redistribue davantage les charges. Les concepteurs doivent s'assurer que la charge transportée par chaque rivet ne dépasse pas la résistance admissible au fluage-rupture du matériau à la température de fonctionnement.

Les principales stratégies de répartition des charges comprennent :

  • Des motifs de rivets surgissants – L'aménagement de rivets en rangées alternées (plutôt qu'en chaîne droite) réduit le facteur de concentration de contrainte au premier trou de rivet et améliore le partage de la charge. Le tangage (distance centre-centre) devrait être au moins 3 à 5 fois le diamètre du rivet pour éviter une défaillance de la section nette entre les trous.
  • Distance d'écoulement et espacement – La distance minimale de bord (du centre du trou au bord de la plaque) devrait être de 2 à 2,5 fois le diamètre du rivet pour empêcher l'arrachement du bord. Pour les articulations à haute température, augmenter la distance de bord de 25 % supplémentaire pour tenir compte de la ductilité réduite à des températures élevées.
  • Le nombre et le placement des rivets – L'utilisation de rivets plus petits améliore la répartition et la redondance des charges, mais doit être contrebalancée par l'augmentation des trous qui affaiblit le matériau parent. L'optimisation des éléments Finite peut trouver le nombre et l'arrangement optimaux.
  • Limitations de la contrainte de roulement – La contrainte de roulement sur la plaque et le rivet doit être limitée à une valeur qui ne provoque pas de déformation plastique excessive ou de fluage sur la durée de vie de conception.

Une approche de conception courante consiste à utiliser un facteur d'efficacité [ (habituellement 60 à 80 % pour les joints à haute température) qui explique la réduction de la résistance due aux trous et aux cycles thermiques. Ce facteur est multiplié par la résistance du matériau de base pour obtenir la charge admissible de joint.

Stratégies de conception supplémentaires

Utilisation efficace des modèles de rivets décalés

Les structures à haute température présentent des patrons de rivets décalés de façon standard pour réduire les concentrations de contraintes et améliorer la durée de vie de la fatigue. Le patron doit être conçu de façon à ce que la section nette à travers n'importe quelle rangée de rivets ne soit pas le maillon le plus faible. Dans un arrangement à plusieurs rangées, la charge sur la première rangée (le plus près de la charge) est généralement la plus élevée; en étalant, la deuxième rangée prend une partie de cette charge, ce qui abaisse la contrainte maximale.

Une des lignes directrices pratiques de engineering toolbox ressources[ consiste à maintenir une diagonale de hauteur d'au moins 0,5 fois le diamètre du rivet pour éviter le chevauchement des contraintes entre les rangées adjacentes. De plus, l'orientation du motif par rapport à la direction de la charge est importante : les rangées décalées doivent être perpendiculaires à la ligne de charge pour une meilleure performance.

Comprenant des joints d'expansion ou des éléments flexibles

Pour les grandes structures minces ou où il existe des gradients de température importants (p. ex., des boucliers thermiques sur les véhicules de rentrée), il est souvent impossible de tenir compte de l'expansion différentielle uniquement par la géométrie du rivet. Dans de tels cas, on introduit des éléments de rivet souples[.

Les éléments flexibles peuvent être aussi simples qu'une laveuse ou un escabeau de surdimensionnement en élastomère à haute température (p. ex. silicone ou fluorocarbone jusqu'à 300°C) ou une laveuse à soufflets métallique qui produit un effet de ressort. Pour des températures plus élevées, les rivets à tige creuse (comme une fixation à friction) peuvent fournir une certaine conformité. Cependant, les éléments flexibles complexes augmentent les coûts et les exigences d'entretien.

L'analyse des éléments finis devrait modéliser l'ensemble du cycle thermique prévu pour s'assurer qu'il n'y a pas d'interférence ou de contrainte excessive.

Inspection et entretien réguliers

Aucune conception ne peut éliminer complètement la dégradation dans les environnements à haute température. Par conséquent, un plan d'inspection et d'entretien robuste est essentiel.

  • Inspection visuelle – Vérification des têtes de rivets lâches ou manquantes, de l'oxydation de surface et des fissures autour des trous, qui doivent être effectuées après chaque cycle thermique majeur ou à des intervalles définis par le fabricant.
  • Essais ultrasoniques[ – Peut détecter des défauts dans le rivet ou le matériau environnant, y compris des fissures de fluage ou des délaminations de revêtements.
  • Essais en courant d'Eddy – Efficace pour les fissures de rupture de surface dans les matériaux conducteurs, souvent utilisés sur les têtes de rivet et les surfaces de plaques adjacentes.
  • Thermographie – L'imagerie infrarouge pendant le fonctionnement peut révéler des points chauds ou une rupture d'isolation, indiquant une défaillance articulaire potentielle.
  • Essai de charge / couple[ – Mesure de la force de serrage des rivets à l'aide d'outils spécialisés (p. ex. mesure de tension de boulon) pour détecter la relaxation.

Pour les applications militaires et aérospatiales, la Force aérienne des États-Unis utilise le programme d'entretien des dépôts programmés (PDM)[ qui comprend l'inspection et le remplacement des rivets sur les structures de la cellule à haute température.

Conclusion

La conception de joints rivetés pour les environnements à haute température exige une dérogation aux méthodes classiques de température ambiante.Les principaux défis – relaxation, oxydation, et expansion thermique différentielle – doivent être abordés par une sélection minutieuse des matériaux, un calibrage approprié des rivets, une compensation pour les mouvements thermiques et l'utilisation de traitements et de revêtements thermiques. De plus, la répartition de la charge et l'incorporation de joints d'expansion ou d'éléments flexibles peuvent améliorer la fiabilité des joints.

À mesure que les industries continuent de faire monter les températures de fonctionnement dans les turbines à gaz de nouvelle génération, les vols hypersoniques et les réacteurs nucléaires de pointe, la conception des joints rivetés évoluera, intégrant de nouveaux alliages, des rivets fabriqués par des additifs et des techniques de modélisation avancées.