Troisième corps à l'interface céramique métal sous chargement de fretting usure à hautes températures

• Auteur / Autrice : Ariane Viat
• Direction : Siegfried Fouvry, Maria Isabel De Barros Bouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siegfried Fouvry, Maria Isabel De Barros Bouchet, Sylvie Descartes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Boher, Pierre Montmitonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux

Matériaux céramiques

Frottement

Mots clés libres

Frottement

Usure

Glaze layer

Essai micro-mécanique

Contact céramique-métal

Friction

Wear

Glaze layer

Micro-mechanical testing

Ceramic-metallic contact

Résumé

Dans un turboréacteur civil, le contact aube/disque de la turbine basse pression est soumis à un cyclage thermomécanique dû aux dilatations et déplacements différentiels des pièces pendant les phases de vol. Ce cyclage implique des micro-mouvements alternés relatifs, c’est-à-dire du fretting, à l’interface aube/disque. Le fretting à l’étude ici concerne un contact céramique-métal, en vue de comprendre le comportement tribologique des futures aubes revêtues de céramique en remplacement des pièces métalliques traditionnelles. Dans un premier temps, différents revêtements sont comparés vis-à-vis de leur tenue à l’usure par fretting à la température de fonctionnement des pièces (700°C). L’alliage métallique du contrecorps est celui du clinquant protégeant le disque, à savoir l’alliage base cobalt HS25. Pour le contact HS25/céramique le plus prometteur, le taux d’usure très bas ainsi que le faible frottement observés sont associés à la formation d’une glaze layer. La glaze layer est un troisième corps formé à partir des débris d’usure qui apparaît dans des contacts frottant à haute température. Traditionnellement observée pour des contacts métal/métal, sa formation pour un contact métal/céramique est nouvelle. La glaze layer est alors étudiée en détail. D’un point de vue tribologique, on établit sa cinétique et ses conditions de formation en température et en fonction des paramètres tribologiques, afin de garantir une usure faible en conditions de vol. D’un point de vue morphologique, la glaze layer est caractérisée comme étant un matériau nanostructuré amorphe et cristallin, formé à partir de débris à la fois métalliques et oxydés. Enfin, la glaze layer nanostructurée est associée à un comportement mécanique ductile dans son domaine de stabilité, alors que les débris sont fragiles en conditions d’usure forte. La corrélation des angles d’étude de la glaze layer permet alors de connaître les modalités de sa formation, en vue d’anticiper la protection d’un contact vis-à-vis de l’usure grâce à la création d’une glaze layer.

In a civil turbojet motor, the blade/disk contact in the low pressure turbine undergoes thermomechanical cycling due to relative displacements between parts during the different flight phases. This cycling results in reciprocating micro-movements named “fretting” at the blade/disk interface. This study focuses on a ceramic versus metallic contact under fretting, aimed at describing the tribological behavior of developing ceramic-coated blades to replace phased-out metallic parts. Firstly, different ceramic coatings are compared regarding their wear resistance under fretting at in-flight temperature (700°C). The counterbody is the HS25 (cobalt-based alloy) protecting foil of the disk. The most favorable ceramic/metallic tribocouple evidences a very low wear rate as well as low friction that match the formation of a glaze layer. The glaze layer is a third body formed from wear debris in high temperature rubbed contacts. Such tribofilm has been commonly observed in metallic/metallic interfaces but its occurrence in a ceramic/metallic contact is new. Then the glaze layer is precisely characterized. Tribologically speaking, its kinetics and formation conditions are determined over temperature and tribological parameters, in order to ensure low wear under flight conditions. Morphologically, the glaze layer is a nanostructured amorphous and crystalline sintered from both metallic and oxidized worn debris. Finally, the nanostructured glaze layer is mechanically described as a ductile material in its stability domain, whereas debris from severe wear are brittle. The correlation of morphological, physico-chemical and mechanical studies enlighten the glaze layer formation criteria, with the aim of predicting glaze layer occurrence, hence wear protection for a given contact.