Krytox™ – Applications des Lubrifiants PFPE dans l’Aérospatial

Applications des Lubrifiants PFPE dans l’Aérospatial

krytox-aerospace lubricants

Les applications aéronautiques et spatiales présentent certaines des exigences de lubrification les plus rigoureuses. Par rapport au secteur automobile, par exemple, un lubrifiant doit rester performant sur des plages de température considérablement plus larges. Et l’aviation militaire peut impliquer des extrêmes encore plus sévères, sans parler d’autres exigences telles qu’une longue durée de stockage.

(Image courtesy of Chemours.)

Steve Johnston, Responsable Assistance Technique, Lubrifiants, The Chemours Company, donne l’exemple suivant : « Prenez un avion en attente sur le tarmac en Arabie Saoudite, où la température ambiante est peut-être de 50 °C. Lorsqu’il aura décollé et atteint son altitude de croisière, la température ambiante sera d’environ -55 °C. Les applications situées à proximité du moteur peuvent quant à elles atteindre une température de service de plus de 200 °C, et subiront peut-être un retour de chaleur de 50 à 100 °C de plus. »

Lubrifiants Perfluoropolyéther (PFPE) Krytox™

Les lubrifiants perfluoropolyéther (PFPE) ont connu leurs premières applications commerciales dans l’aviation en 1965, sous la marque Krytox. Produits par The Chemours Company, ils n’ont cessé depuis lors d’être utilisés dans l’aéronautique – ce qui n’a rien d’étonnant compte tenu de leur stabilité thermique, de leur inertie chimique et de leurs faibles pressions de vapeur à de très bas poids moléculaires.

À la base, les PFPE contiennent uniquement du carbone, du fluor et de l’oxygène, différents taux de carbone et d’oxygène fournissant différentes propriétés. Par rapport aux autres lubrifiants, les PFPE sont les moins courants et les plus coûteux.

(Image courtesy of Steve Johnston/Chemours.)

(Avec l’aimable autorisation de Steve Johnston/Chemours)

Et voici pourquoi : la chaîne d’approvisionnement des PFPE est bien plus complexe et demande un capital bien plus important que les autres lubrifiants. C’est en effet à raison de milliards de kilos par an que sont produits le pétrole brut, les monomères que l’on en tire et les lubrifiants synthétiques issus de ces monomères.

La production des lubrifiants Krytox™, en revanche, commence avec du fluorure de calcium (Fluorspar), que l’on convertit en acide fluorhydrique (HF). Celui-ci est ensuite utilisé pour fabriquer des 1-carbone hydrochlorofluorocarbones, qui sont transformés en tétrafluoroéthylène (TFE) ou hexafluoropropylène (HFP). Les PFPE sont ensuite dérivés de ces monomères, soit directement, soit avec des monomères supplémentaires.

Le volume diminue à chacune de ces étapes : faible volume et transformations supplémentaires font augmenter le prix, ce qui restreint les applications dans lesquelles les PFPE sont compétitifs ; l’aéronautique fait partie de ces applications.

« Il existe de très bonnes raisons expliquant que les lubrifiants de spécialité conçus pour l’aviation et les applications spatiales tendent à être plus coûteux », indique Bob Moffett, Consultant Senior, Assistance Technique, The Chemours Company. « Ces produits exigent bien souvent des travaux de développement importants – se comptant en années – alors que ces applications requièrent généralement de petits volumes, parfois seulement 10 kilogrammes par an. »

Propriétés clés des PFPE

Dans les applications aéronautiques et spatiales, les défaillances de composants peuvent être catastrophiques, non seulement au niveau du coût des pièces elles-mêmes, mais également en regard des frais annexes liés aux réparations – sans oublier les risques de sécurité potentiels. La volatilité revêt une importance toute particulière dans les applications aéronautiques et spatiales, dans lesquelles le lubrifiant doit pouvoir rester opérationnel dans le vide. De nombreuses applications aérospatiales requièrent des lubrifiants capables de rester opérationnels pendant toute la durée de vie du composant, toute relubrification étant impossible.

« De nombreux lubrifiants utilisés dans les avions peuvent aussi être utilisés au sol dans des applications plus terre à terre, mais certaines de leurs caractéristiques de performance clés seront les mêmes que pour les applications aérospatiales », précise Bob Moffett, « telles que la faculté d’apporter une très haute valeur ajoutée – souvent liée à la sécurité – dans des conditions extrêmement exigeantes. »

Les lubrifiants Krytox™ présentent plusieurs propriétés clés qui les rendent bien adaptés aux applications aéronautiques et spatiales :

Ils ne brûlent pas et ne favorisent pas la combustion, même dans de l’oxygène pur liquide ou gazeux.
Les différents grades de lubrifiants Krytox™ couvrent une large plage de températures, allant de -75 °C à +360 °C en service continu, avec des pics à plus de 400 °C.
Les lubrifiants Krytox™ ne se dégradent pas ni ne se décomposent en présence de produits chimiques agressifs, et possèdent une longue durée de vie sans aucun dépôt carboné.
La forte épaisseur du film lubrifiant les protège sous des charges importantes et sur toute une plage de vitesses.
Ils sont compatibles avec la plupart des polymères et élastomères, ainsi qu’avec une grande variété de métaux. De plus, ils sont non dangereux, non toxiques, non réglementés et totalement inertes chimiquement.

Production et tests des graisses Krytox™

F-35 cutaway. (Image courtesy of Charles R. Davis/USAF.)

Les graisses Krytox™ sont généralement composées de trois ingrédients de base : huile PFPE Krytox™, poudre de polytétrafluroroéthylène (PTFE) Teflon, et divers additifs. Ces additifs comprennent des composés anti-corrosion ou anti-usure, tels que le nitrate de sodium ; des composés pour les environnements où règnent des pressions extrêmes, tels que le b*-

sulfure de molybdène ; et d’autres additifs spécialement conçus pour des applications spécifiques.

Les graisses Krytox™ sont testées selon de nombreuses procédures standards afin d’évaluer leur durée de vie, notamment avec les méthodes d’essais ASTM D-3336 et SKF R0F+.

La première procédure consiste à faire tourner un roulement SAE n° 204 à 10 000 ou 20 000 tr/min sous une température élevée. Une charge en poussée de 5-15 lbs (22-67N) et une charge radiale de 15 lbs (67N) sont appliquées au roulement au moyen de broches de type CRC. La température de test est appliquée selon un cycle de 20 heures suivies d’un temps de repos de 4 heures. Le résultat indique pendant combien d’heures cumulées le roulement reste opérationnel sans dépasser le point de consigne de surcharge du moteur, son point de consigne de surcharge de couple, ou la limite de température maximale.

Le tableau 1 compare les résultats de test d’une graisse Krytox™ et de graisses standards dans des roulements de moteur électrique selon la norme ASTM D-3336 :

The ASTM D3336 evaluates the endurance life of greases in ball bearings at high speeds and temperatures. These results are for a lightly loaded 6204 bearing at 10,000 rpm. The test cycle was 20 hours on and 4 hours off. (Image courtesy of Steve Johnston/Chemours.)

Tableau 1. Le test ASTM D3336 évalue le comportement à l’endurance (durée de vie) des graisses des roulements à billes à grande vitesse et sous haute température. Ces résultats ont été obtenus avec un roulement 6204 légèrement chargé tournant à 10 000 tr/min, selon un cycle de 20 heures suivies de 4 heures de repos.
(Avec l’aimable autorisation de Steve Johnston/Chemours)

La méthode de test des graisses de roulement SKF R0F+ s’effectue sur cinq groupes de deux roulements. Différents types et formats de roulements peuvent être utilisés à des vitesses allant de 5 000 à 25 000 tr/min, depuis la température ambiante jusqu’à un maximum de 230°C. Les charges pneumatiques portées sur ces roulements peuvent être fixées de 50 à 900 N radialement et de 100 à 1100 N axialement. Les roulements tournent jusqu’à leur défaillance, ce qui permet de déterminer la durée de vie selon une distribution statistique Weibull après seulement un test.

Le tableau 2 montre les résultats du test SKF R0F+ de roulements à billes 6204 lubrifiés avec une graisse Krytox™ et des graisses standards :

Results from SKF R0F+ bench bearing life test using 6204 bearings at 10,000 rpm at 177C. (Image courtesy of Steve Johnston/Chemours.)

Tableau 2. Résultats du test SKF R0F+ visant à déterminer la durée de vie de roulements 6204 tournant à 10,000 tr/min à 177 °C.
(Avec l’aimable autorisation de Steve Johnston/Chemours)

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Applications courantes des lubrifiants PFPE dans l’aviation et le spatial

Les lubrifiants perfluoropolyéther sont utilisés dans une multitude d’applications aéronautiques et spatiales, notamment :

Systèmes d’oxygène : joints mécaniques, valves, régulateurs et garnitures d’étanchéité
Moteur de fusée à combustible liquide et systèmes de soutien au sol
Instruments, gyroscopes et cardans
Joints d’étanchéité, soupapes et pneumatiques
Roulements
Vis centrales et à billes
Actionneurs électromécaniques
Engrenage de transmission moteur auxiliaire
Supports anti-frottement, carter d’huile moteur
Lubrifiant non conducteur pour l’étanchéité des connecteurs électriques
Optiques et capteurs IR

Il existe également plusieurs exemples spécifiques d’utilisation de graisse Krytox™ :

La graisse Krytox™ 283 AD est utilisée pour l’arbre cannelé du démarreur du moteur dans les moteurs PW 400 – c’est d’ailleurs le seul produit spécifié pour cette application. La graisse Krytox™ 250 AD est homologuée pour les lignes des pompes hydrauliques et de carburant des moteurs PW équipant les avions A330, A340 et A380. De plus, Chemours travaille actuellement avec un constructeur majeur sur la prochaine génération de pompes à engrenages de carburant lubrifiées par graisse.
La graisse Krytox™ AGL 683 a été spécialement développée pour les roulements, engrenages et vis à billes des actionneurs électromécaniques. Elle est homologuée pour les dispositifs des systèmes de génération d’azote et de climatisation de la cabine. Cette graisse légère et semi-fluide est conçue pour une lubrification « à vie » sur la plage de température de -70 °C à +180 °C, et spécifiquement formulée pour le couple de démarrage à basse température avec des additifs anti-usure et anti-corrosion.
La graisse Krytox™ AGL 829 est ininflammable et a été développée pour les unités d’entraînement des inverseurs de poussée afin d’éliminer la nécessité de couvertures anti-feu extérieures. Cette graisse légère pour boîte de vitesses est spécifiquement conçue pour constituer une lubrification à vie des applications basse température (-60 °C) soumises à des charges et vibrations importantes.
La série de graisses Krytox™ XHT-BD, développée pour les applications ultra hautes températures, s’appuie sur des huiles de base à haute viscosité triplement fluorées ; elle contient un épaississant qui ne fond pas et assure une haute adhérence au substrat. Krytox™ XHT-BDX est spécifiée pour les joints toriques et les accouplements souples des systèmes de régulation utilisés pour diriger l’air chaud du moteur vers les systèmes de dégivrage des ailes et de la queue. Les composants de cette application sont régulièrement exposés à des températures de 315 °C.

On trouve l’une des applications les plus intéressantes des lubrifiants PFPE dans la variante à décollage court et atterrissage vertical (STOVL) du F-35. Là, les lubrifiants, Krytox™ Ultra Hautes Températures sont utilisés dans les roulements, engrenages d’entraînement et actionneurs des tubulures d’échappement, qui tous dépassent couramment 320 °C. Le F-35 offre aussi un exemple d’utilisation des lubrifiants PPFE afin d’accroître les performances de matériaux traditionnellement non lubrifiés, tels que les brosses Vespel™ des aubes à géométrie variable de la soufflante.

Les lubrifiants PFPE dans l’aéronautique

Les défaillances des applications aéronautiques et spatiales sont hors de question, pourtant les conditions de service peuvent être extrêmement rigoureuses. Une lubrification inadéquate ou un lubrifiant qui ne fonctionne pas comme il devrait peut augmenter les défaillances des composants et les temps d’arrêt pour maintenance.

« Toute défaillance est inenvisageable lorsque l’appareil transporte un équipage et des passagers », explique Chad Warriner, Ingénieur Service Technique, The Chemours Company. « La performance et la fiabilité d’un avion doivent avoisiner les 100 pour cent. Une fiabilité quasi parfaite a des répercussions positives sur le coût de fonctionnement et la facilité de maintenance. Plus les intervalles entre les maintenances sont longs, moins il y a de temps d’arrêt et de perte de productivité – économies qui peuvent alors être répercutées sur le client. »

F-35 STOVL lifting off at Eglin Air Force Base. (Image courtesy of USAF/Samuel King Jr.)

Grâce à leur combinaison de stabilité thermique, inertie chimique et capacité de faibles pressions de vapeur à de très faibles poids moléculaire, les lubrifiants Krytox™ sont idéaux pour toute une palette d’applications civiles et militaires. Des supports du moteur au robinet du réservoir de combustible, en passant par les galets d’ouverture du cockpit des avions de chasse et les mécanismes de réglage des sièges,