Etude des mécanismes d'endommagement d'érosion à la pluie et développement de revêtements anti-érosion pour applications aéronautiques

Study of rain erosion mechanisms and development of anti-erosion coatings for aviation applications

• Auteur / Autrice : Benjamin Luiset
• Direction : Alain Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 24/05/2013
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. LERMPS - Laboratoire d'Études et de Recherches sur les Matériaux- les Procédés et les Surfaces / IRTES - LERMPS
• Jury : Président / Présidente : Thierry Grosdidier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Billard, Thierry Grosdidier, Thierry Czerwiec, Delphine Retraint, Patrick Boschet, Daniel Alliaga, Frédéric Sanchette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Czerwiec, Delphine Retraint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Matériaux -- Érosion

Mots clés libres

Erosion

Pluie

Revêtement

PVD Magnetron

Simulation

Impact

SPH

Rain Erosion

Droplet impact

PVD Magnetron

Simulation

SPH

Résumé

Nous étudions les mécanismes d’endommagement dus à l’érosion pluie sur des matériaux massifs et sur des matériaux revêtus. Pour cela, un banc d’essais spécifique a permis de mener des recherches en laboratoire. Le principe de l’essai repose sur l’émission de jets à haute vitesse et à haute fréquence.L’étude des matériaux massifs met en évidence un mécanisme de propagation de fissures par fatigue qui aboutit à des pertes de matière. Ces mêmes endommagements ont été observés sur des échantillons usés en service. Il a été confirmé que la dureté augmente la résistance à l’érosion pluie des matériaux métalliques.L’étude des revêtements s’est focalisée sur 2 technologies, à savoir la pulvérisation cathodique magnétron, qui est un procédé de déposition phase vapeur, et la projection thermique sous flamme supersonique. Les revêtements obtenus par projection thermique (dont l’épaisseur était supérieure à 200 μm), se sont révélés moins résistants à cause d’un manque d’adhérence ou de la présence de défauts au sein du matériau. Les revêtements obtenus par PVD (dont l’épaisseur était inférieure à 30 μm) ont permis d’obtenir des gains de résistance significatifs. Dans tous les cas, quel que soit la technologie utilisée, l’adhérence du revêtement s’est révélé être un paramètre critique en ce qui concerne la résistance de la surface à l’érosion pluie. Enfin, une simulation numérique en dynamique a permis d’étudier les champs de contraintes dans des feuillets métalliques, et ce, en faisant varier leurs épaisseurs, les matériaux qui les composent, et la vitesse d’impact. Les résultats de la simulation tendent à prouver que la propagation des ondes de contraintes dans le matériau peut entrainer des phénomènes de sur-contraintes dans les feuillets les plus fins à cause de la réflexion des ondes sur la face antérieure de la plaque.

The study deals with the rain erosion mechanisms of both bulk and coated materials. For that purpose, a specific test bench has been built, enabling laboratory research. The principle of the test is based on the emission of high-speed water jets at high frequency.Studying bulk materials confirmed the positive influence of hardness on rain erosion resistance for metallic materials. The mechanism found responsible for material losses is the propagation of fatigue cracks. These fatigue damages were also observed on in-service worn out samples.The analysis of coated materials focused on two covering technologies, namely physical vapor magnetron sputtering deposition (Magnetron PVD) and high velocity oxy-fuel coating spraying (HVOF). The coatings obtained by HVOF (> 200μm) weren’t resistant enough due to lack of adhesion and/or due to specific defects within the material. The coatings obtained by PVD (< 30μm) have yielded to significant improvements on the surface resistance. However, the adhesion of the coating appeared as a critical parameter for the rain erosion resistance.Finally, a numerical simulation has been designed to study dynamic stress fields in metal sheets. Moreover the model allowed the sheets thicknesses, the materials, and the speed of impact to vary. The simulation showed that the propagation of stress waves in the material may cause over-stresses phenomena in the thinner sheets, due to the reflection waves on the back side of the plate.