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Tester la tenue en fatigue et en fluage des composites à matrice céramique


Dans Quality Magazine,  deux responsables techniques d’Exova font le point sur les tests de fatigue et de fluage des composites à matrice céramique utilisés dans les turboréacteurs.

Application des composites à matrice céramique aux  turboréacteurs

Pour réduire la masse et augmenter les performances, les motoristes aéronautiques ont introduit récemment les composites à matrice céramique (CMC) dans leurs turboréacteurs, en particulier pour réaliser les aubes de turbine.

Comme les céramiques techniques conventionnelles, les CMC ont d’excellentes propriétés mécaniques (module et résistance) à des températures élevées. Les CMC présentent de plus l’avantage d’être moins fragiles : ils résistent mieux aux fissures et aux chocs thermiques, et supportent des déformations à rupture supérieures. Ces améliorations sont dues au fait que les fibres continuent à transmettre des charges même si des fissures se propagent dans la matrice.

Cependant, avant de pouvoir utiliser de nouveaux matériaux pour des pièces critiques du moteur, des justifications approfondies étaient nécessaires.

Évaluer la tenue en fatigue et en fluage pour garantir la durée de vie du moteur

Les tests de fluage et de fatigue contribuent à l’évaluation de la durée de vie des structures.

Le test de fatigue consiste à appliquer de nombreuses fois sur le composant un niveau de contrainte ou de déformation inférieur à celui qui causerait une déformation permanente ou la rupture du composant. Chaque chargement et relâchement constitue un cycle. L’évolution du niveau de chargement en fonction du temps, pour chaque cycle, est caractéristique du type de test.

Le test de fluage est l’application d’une charge statique à un niveau inférieur à celui qui causerait la rupture.

Lors de ces deux tests, le matériau se dégrade à l’échelle microscopique : des fissures de petite dimension se forment dans la matrice, et la rupture intervient lorsque la section utile résiduelle n’est plus suffisante pour supporter le chargement,  la cohésion entre la matrice et les fibres n’est plus assurée, ou un délaminage se propage.

Le nombre de cycles appliqués jusqu’à rupture est un élément qui contribue à prédire la rupture du composant en conditions réelles. Les essais peuvent durer jusqu’à plusieurs semaines.

Précautions lors de la mise en œuvre des tests de fluage et de fatigue

Usinage

Comme pour tous les matériaux, les paramètres d’usinage des échantillons sont critiques. En ce qui concerne les CMC, des précautions particulières doivent être prises pour ne pas amorcer de délaminages, qui dégraderaient les performances en fatigue ou en fluage. Les échantillons sont généralement contrôlés par tomodensitométrie avant utilisation.

Chargement thermique

L’installation d’essai est compliquée par la nécessité de tester les échantillons en température (entre 600°C et 1300°C). Comme les éléments d’interface entre le moyen d’essai et l’échantillon sont habituellement métalliques, leur usage est limité à environ 1000°C.

La solution la plus fréquemment adoptée est de ne chauffer que la surface critique de l’échantillon, et de limiter les dimensions de celle-ci. Les éléments d’interface restent à l’extérieur.

Des fours spécifiques, constitués eux aussi de CMC sont utilisés, pour augmenter les vitesses d’échauffement. Jusqu’à 1000°C, la température de la zone critique de  l’échantillon ne doit pas varier de plus de 3°C pendant la durée du test. Pour des tests à plus de 1000°C, la variation tolérée est de 6°C. De plus, le gradient de température entre deux points de la zone critique ne doit pas dépasser 1%.

Thermocouples

La température est contrôlée par des thermocouples de type R (platine/platine-rhodium). Le nombre de thermocouples dépend de la dimension de la surface critique de l’échantillon. Le contact du platine avec l’échantillon CMC peut cependant provoquer des réactions chimiques qui fausseraient les résultats.

Les thermocouples sont donc positionnés au plus près de la surface à contrôler, sans la toucher. Un étalonnage préalable est nécessaire, avec un jeu de thermocouples au contact de l’échantillon, et un jeu de thermocouple à distance représentative des conditions d’essai.

Extensomètres

Lors de tests sur les CMC, il est préférable de piloter l’effort et de mesurer la déformation à l’aide d’extensomètres céramiques. Les déformations des CMC sont cependant minimes, environ 10 fois plus faibles que celles d’échantillons métalliques pour des essais comparables. Les extensomètres utilisés devront être calibrés en conséquence – de l’ordre de 1% de déformation pour la course maximale.

Des précautions particulières doivent être prises aussi lors de la mise en place des extensomètres : les extrémités pointues pourraient amorcer des microfissures dans le spécimen, et la surface irrégulière des échantillons CMC peuvent provoquer des glissements de l’extensomètre en cours d’essai.

L’environnement du laboratoire – température, ventilation et vibrations – doit être strictement contrôlé. Les extensomètres sont refroidis à l’eau pour éviter toute dérive thermique, et le circuit d’eau doit à son tour être protégé des courants d’air.

Chargement mécanique

Les efforts appliqués pendant les tests de fatigue et de fluage sont de l’ordre de 100–200 MPa. Les exigences sur l’alignement des interfaces d’introduction d’effort sont plus sévères que pour les matériaux métalliques, car les CMC sont moins souples, et les effets du désalignement seraient amplifiés. Le pourcentage de flexion toléré est donc limité à 3%.

Les fréquences des tests de fatigues sont comprises entre 0.001 et 30Hz. Une fréquence trop élevée pourrait échauffer l’échantillon. En présence d’extensomètres, la fréquence d’essai est davantage limitée.

Source : Overview of Fatigue and Creep Testing of Ceramic Matrix Composites for Aerospace, Andrew Harrison et Daniel Traudes, Quality Magazine, 9 novembre 2015


A propos de Magalie Castaing

Après 10 ans d’ingénierie mécanique dans le secteur de la défense, j’ai créé une entreprise de développement web : Kasutan. Le Journal du composite est l’intersection de mes différents métiers : ingénierie, langues et internet.