Modeling of launcher's combustion chambers (materials and calculations)

• Auteur / Autrice : Wissam Bouajila
• Direction : Geneviève Inglebert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Cu4Cr2Nb

Paroi de chambre de combustion

Essai de disque

Propriétés mécaniques

Caractérisation

Modélisation

Fragilisation par hydrogène

Plasma formage sous vide

Résumé

Développer des lanceurs réutilisable revient principalement à augmenter la durée de vie du moteur, et plus particulièrement celle de la paroi de la chambre de combustion, élément le plus critique du moteur. Parmi les nombreuses solutions explorées dans la littérature, ce travail de recherche s’oriente sur la caractérisation mécano-chimique d’un matériau prometteur, candidat pour la fabrication des parois de la chambre de combustion : l’alliage de cuivre Cu4Cr2Nb obtenu par plasma formage sous vide. La détermination de ses propriétés thermomécaniques ainsi que l’influence de l’environnement sur celles-ci doivent être déterminés afin d’établir une décision sur l’utilisation de ce matériau. Afin d’être au plus près des conditions d’exploitation de la paroi de la chambre de combustion (i. E. Hautes températures et vitesses de déformation, paroi fine et environnement sous hydrogène), des essais de disques utilisant de fins disques plats sous pression gazeuse ont été réalisés pour caractériser les propriétés mécaniques du matériau. Une méthode de calcul basée sur des hypothèses relatives à la déformation du disque est utilisée afin de déterminer les propriétés mécaniques vraies du matériau à partir des données de l’expérience. La pertinence ainsi que la précision des résultats obtenus ont été vérifiés avec plusieurs matériaux ayant des comportements mécaniques différents. Les propriétés thermomécaniques de l’alliage Cu4Cr2Nb ont été déterminées à des températures de 300K à 1100K et pour des vitesses de déformation moyennes de 5. 10-4 à 5. 10-1 s-1. La fragilisation par l’hydrogène externe (FHE) ainsi que la fragilisation par l’hydrogène interne (FHI) de l’alliage Cu4Cr2Nb ont été mesurées à trois températures significatives 300K, 700K et 1100K et pour différentes vitesses moyennes de déformation. Une diminution de la résistance de l’alliage Cu4Cr2Nb (environ -10%) a été mesurée en environnement hydrogène pour des conditions d’essai particulières. Le comportement mécanique de l’alliage Cu4Cr2Nb a été modélisé à l’aide de la loi de comportement élasto-viscoplastique de Chaboche, particulièrement adaptée à la description de comportements cycliques. Le modèle de Chaboche a été adapté car l’essai de disque nous permet d’atteindre de très hautes vitesses de déformation : la dépendance du modèle à la vitesse de déformation est définie à travers l’amplitude d’écrouissage en plus de la contrainte visqueuse. Les différentes simulations utilisant une modélisation par éléments finis de l’essai de disque intégrant la loi de Chaboche modifiée ont fourni des résultats en très bonne adéquation avec l’expérience pour l’alliage Cu4Cu2Nb sur de larges gammes de températures et de vitesses de déformation. D’après les nombreuses comparaisons réalisées avec succès, toutes les méthodologies expérimentales ainsi que les méthodes de calcul et de simulations associées peuvent être utilisées pour la caractérisation du comportement mécanique et la sensibilité à l’environnement d’autres métaux avec une bonne fiabilité et précision.