Mécanismes de ruine d'un matériau CMC à fibres Hi-Nicalon S en oxydation / corrosion

High temperature degradation mechanisms of melt infiltrated SiC/SiC CMC in oxidative environments

• Auteur / Autrice : Solenne Willemin
• Direction : Francis Rebillat, Jérôme Roger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de la matière condensée
• Date : Soutenance le 21/12/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Rebillat, Jérôme Roger, Gilles Bonnet, Loïc Favergeon, Pascal Reynaud, Thierry Cutard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Favergeon, Pascal Reynaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de bore

Corrosion

Oxydation

Composites à matrice céramique

Mots clés libres

Oxydation

Corrosion

Nitrure de Bore

Melt-Infiltration

Cicatrisation

Oxidation

Corrosion

Boron Nitride

Melt-Infiltration

Self-Healing

Résumé

Dans le cadre de la fabrication de pièces structurales pour l’industrie aéronautique, de nouveaux matériaux composites à matrice céramique sont envisagés par le motoriste Safran. Lors de l’utilisation dans des environnements sévères de combustion, et sous chargement mécanique, la matrice pourra s’endommager par fissuration et la capacité du matériau à s’auto-protéger sera réduite. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d'identifier les mécanismes prépondérants de ruine de ce type de matériaux composites en fonction de différentes sollicitations thermiques, mécaniques et environnementales. Une démarche multi-échelle a été adoptée, de manière à considérer les phénomènes à une échelle microscopique (chaque constituant) et macroscopique (synergie entre les constituants au sein du matériau). Le comportement en oxydation/corrosion du matériau composite et de chacun de ses constituants a été caractérisé puis modélisé pour être extrapolé à des environnements de combustion. Différents domaines de protection du matériau ont ainsi été mis en évidence. Dans cette même optique, le comportement thermomécanique des constituants matriciels et du composite a fait l’objet d’essais de fluage pour déterminer les paramètres d’une première modélisation, et analyser les dégradations associées. En couplant les différents résultats obtenus, il est ainsi possible d’évaluer la criticité des différents phénomènes de ruine. Des scenarii de ruine sont donc présentés.

To design and manufacture CMC structural components for aeronautics, Safran develops a new CMC grade, provided to resist severe combustion environments. Understanding this new composite material damaging and failure mechanisms is essential: environmental conditions, mechanical loading, and matrix damages, can lead to a decrease in its self-protective properties. The aim of this work is to identify prevailing high temperature degradation mechanisms of those MI SiC/SiC CMCs, depending of different thermal, mechanical and environmental stresses. To fulfill that outcome, a multi-scale approach was considered, by examining phenomena from single constituents to complex composite architecture (effects of constituents’ synergy). High temperature oxidation/corrosion behaviors of the composite material and each of its constituents were characterized, and modeled to meet representative combustion environment. Different operating areas of efficient self-protection of the composite material were therefore highlighted. In the same perspective, themomechanical behaviors of both matrix constituents and composite were experimentally explored, enabling the determination of behavior laws. Related degradations in the composite material were also analyzed. Crossing all results, it was thereby possible to evaluate kinetics and criticality of failure mechanisms: different damaging scenarios are thus proposed, depending on environmental conditions.