Etude de l'endommagement des matériaux pour face échappement des moteurs automobiles en service

Study of the damage mechanisms of exhaust components during service

• Auteur / Autrice : André Ebel
• Direction : Jacques Lacaze, Benoît Malard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Delagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Lacaze, Benoît Malard, Denis Delagnes, Valérie Parry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Hazotte, Fabien Szmytka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Groupes motopropulseurs

Traitement thermique

Automobiles -- Industrie et commerce

Mots clés libres

Oxydation

Vapeur d'eau

Vieillissement thermique

Fatigue thermomécanique

Oxidation

Water vapor

Thermal ageing

Thermomechanical fatigue

Résumé

Dans un contexte général de réduction de la pollution atmosphérique, l’industrie automobile cherche à augmenter le rendement des moteurs thermiques pour en limiter la consommation et les émissions. Pour satisfaire cet objectif, les températures de combustion sont en constante augmentation, ce qui entraîne une augmentation de la sollicitation thermique de la face d’échappement de ces moteurs. Ces pièces n’étant pas refroidies, elles sont exposées à des températures toujours plus élevées, ce qui nécessite une durabilité à haute température accrue des matériaux. Cette thèse a pour objectif d’évaluer la durabilité des pièces de fonderie de la face échappement telles que les collecteurs, corps de turbine ou turbo collecteurs réalisées en fonte GSSiMo+ et en acier inoxydable moulé 1.4826Nb à des températures supérieures à leur température maximale actuelle d’utilisation. Une première étape a porté sur l’effet de la vapeur d’eau sur l’oxydation de la surface pendant des traitements thermiques continus et cycliques et sur l’évolution associée de la microstructure. La seconde étape a porté sur l’effet de ces traitements thermiques sur les propriétés mécaniques à température ambiante. Enfin, un montage de fatigue thermomécanique par dilatation différentielle entre un support en carbure de silicium et une éprouvette métallique en V a été conçu pour être utilisé sur un banc d’oxydation cyclique sous atmosphère contrôlée afin d’étudier les mécanismes de fissuration et d’endommagement en fatigue thermomécanique ainsi que l’effet de l’environnement sur l’initiation de fissures dans ces conditions. L’augmentation de la température maximale des cycles thermiques appliqués de 700 à 800°C pour la fonte GS SiMo+ et de 850 à 950°C pour l’acier 1.4826Nb a pour principale conséquence une accélération de la perte de section par oxydation et une diminution des propriétés mécaniques du fait de l’évolution de la microstructure. Cette perte de section paroxydation est fortement accélérée en présence de vapeur d’eau. Les essais préliminaires réalisés avec le montage de fatigue thermomécanique ont permis de valider son dimensionnement et de mettre en avant les cycles thermomécaniques pour lesquels l’initiation et la propagation de fissures étaient les plus rapides sur des cycles 300-800°C pour la fonte et 300-950°C pour l’acier.Une plus ample campagne d’essai reste à réaliser pour évaluer les mécanismes de fissuration et l’effet de l’environnement en fonction de la température maximale

Due to tightening environmental standards, the automotive industry is constantly trying to improvethe efficiency of the internal combustion engines in order to increase their fuel economy andreduce their carbon emissions. The main way to meet this goal on a turbocharged engine is toincrease the combustion temperature. This leads to increasing exhaust gas temperature andincreasing thermal loads on exhaust manifolds and turbine housings. These components beinguncooled, their maximum temperature is increasing and require better durability at hightemperature. The main objective of this thesis is to evaluate the durability of SiMo spheroidalgraphite iron (SGI) and 1.4826Nb cast stainless steel (CSS) at higher temperature than the actualmaximum operating temperature in order to evaluate their use on engines with higher power. Thefirst part of the study focuses on the effect of water vapor on high temperature oxidation duringcontinuous and cyclic heat treatments and on the underlying microstructure evolution. The secondpart focuses on the effect of these heat treatments on the tensile properties at room temperature.At last, a thermomechanical fatigue test setup has been designed to study the effect ofenvironment on crack initiation during thermomechanical fatigue (TMF). This setup uses thedifference in thermal expansion between silicon carbide and metallic materials to generatemechanical strain and stress in a V-shaped specimen during thermal cycling in a controlledatmosphere cyclic oxidation test bench. Increasing maximum temperature during thermal cyclingfrom 700 to 800°C for SiMo SGI and from 850 to 950°C for 1.4826Nb CSS leads to acceleratedwall thickness loss due to increased oxidation and to a drop in mechanical properties duemicrostructure evolution. The wall thickness loss is further accelerated in humid atmosphere.Preliminary tests performed with the TMF setup demonstrated the design is valid and enabled toidentify the thermomechanical loads leading to faster crack initiation and propagation for 300-800°C thermal cycling of SiMo SGI and 300-950°C thermal cycling of 1.4826Nb CSS. More testsare necessary to identify the crack initiation mechanisms according to the maximum temperatureof the thermal cycle and the atmosphere