Choix et évolution des matériaux dans les roulements de turbopompe cryotechnique de moteur fusée

Materials selection and evolution for the bearings of rocket engine cryotechnic turbine pump

¹ Ingénieur en chef, Direction technique application, Aubert et Duval, Neuilly-sur-Seine
² Laboratoire Analyses mesures, Direction du Produit, SNR roulements, Annecy Cedex
³ Expert Conseil Responsable Développement Matériaux et Technologie de Mise en OEuvre, SNECMA Division SEP, Direction Grosse Propulsion à Liquides, Vernon

Résumé

Les conditions particulières de fonctionnement des roulements de la turbopompe hydrogène du moteur cryotechnique Vulcain sont telles que des roulements entièrement nouveaux ont dû être développés. Les axes des travaux ont porté, en dehors de l’optimisation de la géométrie des roulements, sur l’amélioration des caractéristiques mécaniques de l’alliage X105CrMol7 communément utilisé pour ce genre d’application. Les moteurs du futur demanderont une sévérisation, encore plus drastique, des conditions de fonctionnement, et la recherche de nouveaux alliages est en cours pour obtenir des propriétés encore plus performantes.

Dans ce cadre d’activités de recherche et technologie cofinancées par le CNES, la SNECMA division SEP, l’aciériste Aubert et Duval et le roulementier SNR ont réalisé, en coopération, un parcours d’évaluation de nouvelles nuances d’aciers parmi lesquelles les aciers à l’azote et en particulier l’alliage XD15NW (type X40CrMoVN 16-C) dont les propriétés démontrent la possibilité de fonctionnement dans de sévères conditions de température, de vitesse de rotation, de chargement et d’environnement oxydant. Cet alliage XD15NW est un acier inoxydable martensitique dopé à l’azote, dont l’avantage est d’utiliser une procédure d’élaboration classique et peut se substituer au X105CrMol7, en particulier de par son excellente tenue à la corrosion (due à sa teneur basse en carbone), ses propriétés métallurgiques et mécaniques excellentes (fine répartition des carbures) et, sa meilleure tenue en fatigue.

Ce document fait part des résultats intéressants obtenus tant du point de vue de l’élaboration de l’alliage que de son utilisation pour la réalisation de roulements, ou du niveau des propriétés métallurgiques et mécaniques à atteindre pour les applications spécifiques.

Abstract

The working conditions of the bearings in the hydrogen turbine pump of the cryotechnic Vulcain engine are so particular that fully new bearings had to be developed. Over and above geometry optimization, works focused on improving mechanical properties of X105CrMol7 steel. But the more and more severe working conditions lead to the study of new performance alloys. A research group composed of CNES, Snecma division SEP, the steelmaker Aubert & Duval and the bearing producer SNR, has evaluated new steel grades among which nitrogen steels, and particularly XD15NW steel (type X40CrMoVN16-C) show properties allowing work in severe conditions of temperature, rotation speed, load and oxidizing environment.