Caractérisation thermomécanique et identification des endommagements d’un revêtement abradable de compresseurs basse et haute pression en condition de contact sévère

Thermomechanical characterization and wear mechanisms identifica- tion of a low-pressure and high-pressure abradable coating under extreme

• Auteur / Autrice : Baptiste Martinet
• Direction : Sylvain Philippon, Andrea Cappella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Langlade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Philippon, Andrea Cappella, Yannick Desplanques, Gilles Dessein, Abdelhadi Moufki
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick Desplanques, Gilles Dessein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Green, Fonctions de

Compresseurs

Propriétés thermomécaniques

Revêtements protecteurs

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Revêtement abradable

Thermomécanique

Mécanismes d’endommagement

Dispositif expérimental

Mesure de la température

Abradable coating

Thermomechanical

Wear mechanisms

Experimental device

Temperature measurement

Résumé

La réduction des jeux fonctionnels aubes/carter permet d’augmenter le rendement global d’un turboréacteur en limitant les fuites inter-étages. Cependant, les vibrations inhérentes au système ou l’ingestion de corps étrangers tend à produire des interactions aube/carter initiées en bout d’aube qui peuvent mener à la ruine du turboréacteur. L’utilisation de revêtements dits « abradables » permet de limiter la conséquence de ces interactions. En cas de contact avec les parties tournantes, le matériau abradable va « s’abrader » de façon préférentielle par rapport au bout d’aube en limitant les énergies d’interaction. Ces matériaux sont étudiés depuis de nombreuses années sur des bancs expérimentaux dans le but de développer des modèles numériques prédictifs. L’objectif de ces travaux de thèse est la caractérisation expérimentale de deux revêtements abradables du compresseur basse pression – l’AlSi-PE – et haute pression – le Metco 2043 – sur un banc expérimental existant. La configuration adoptée est simplifiée et se dédouane de la dynamique d’aube et du turboréacteur. La caractérisation thermomécanique des deux revêtements de l’étude a été rendue possible grâce à la corrélation des efforts d’interaction, des échauffements produits par le contact et des endommagements induits. Les développements technologiques ont permis de réaliser des essais représentatifs jusqu’à 135 m s−1 et 720 ◦C. Une modélisation semi-analytique basée sur la technique des fonctions de Green a également été mise en place pour estimer la température au contact et les coefficients de répartition du flux thermique dans l’aube et le revêtement abradable. Les résultats numériques ont finalement été corrélés à un essai pilote pour valider l’approche.

Reducing gaps between blades and the casing allows an increasing of the aircraft engines effi- ciency. Moreover, blade/casing interactions, mainly due to engine vibrations, may occur. They are localized at the blade tip and may lead to the engine failure. Specific materials called « abradable materials » are used to reduce interactions impact. When an interaction occurs, the abradable ma- terial will be worn preferentialy to the blade and limits the interaction energies. Those materials are studied since many years on experimental devices to develop predictive numerical models. The purpose of this thesis is the experimental characterization of two abradable materials grades from the low-pressure compressor – the AlSi-PE grade – and from the high-pressure compressor – the CoNiCrAlY-hBN grade – on an experimental device. The experimental configuration is simpli- fied and doesn’t take in account the blade’s and casing’s dynamic phenomena. Thermomechanical characterization of two coatings was performed thanks to the correlation between forces, tem- peratures and wear mechanisms. Technological developments allowed representative tests up to 135 m/s and 720 °C. Semi-analytical modeling with Green’s techniques has been used to predict friction temperatures and heat distribution coefficients in the blade and the abradable material. Results have been correlated to an experimental test to approve the model.