Comportement mécanique à haute température d'un composite alumine/alumine

High temperature mechanical behaviour of an alumina/alumina composite

• Auteur / Autrice : Antoine Débarre
• Direction : Michel Boussuge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cutard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Boussuge, Zoheir Aboura, Aurélie Julian-Jankowiak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anita Catapano, Thierry Chotard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fluage

Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Composites à matrice céramique (CMC)

Oxyde/oxyde

Comportement mécanique

Modèle d'endommagement

Haute température

Fluage

Ceramic matrix composites (CMC)

Oxide/oxide

Mechanical behaviour

Damage modelling

High Temperature

Creep

Résumé

L’utilisation de composites oxyde/oxyde est envisagée dans la réalisation de moteurs aéronautiques de nouvelle génération. Ces matériaux ont été étudiés à température ambiante et à des températures supérieures à 1100°C. Dans ce travail, le comportement mécanique du matériau élaboré à l’ONERA a été investigué de l’ambiante jusqu’à 1300 °C. Deux types de comportements très différents, qui se chevauchent à une température d’environ 800 °C, ont pu être distingués grâce à des essais de traction. A basse température, le comportement du matériau est de type élastique-endommageable. Au-delà, un comportement visqueux apparait progressivement, pouvant conduire à des déformations anélastiques de plusieurs pourcents. Par rapport aux résultats obtenus en traction à basse température, le comportement en flexion a révélé une dissymétrie entre traction et compression. Le comportement en compression demeure très proche de l’élasticité linéaire observée à basses contraintes en traction. Des essais de flexion réalisés in situ sous MEB ont mis en évidence l’apparition d’un endommagement en traction dès 150 MPa. Le comportement endommageable a été décrit par une loi inspirée de la famille des modèles ODM (ONERA Damage Model) développés à l’ONERA. Une adaptation de la loi s’est avérée nécessaire pour rendre compte de l’effet de la température. Les paramètres de la loi de comportement en traction ont été identifiés, un calcul par éléments finis des essais de flexion permettant de valider le modèle proposé. L’introduction de la loi d’endommagement dans la théorie des stratifiés (CLT), couramment employée pour l’étude d’empilements complexes de composites, a abouti sur une modélisation de la réponse du matériau en flexion. Ces résultats de simulation ont été discutés par une confrontation avec l’expérience. Une analyse statistique de la résistance à la rupture en flexion a été conduite à température ambiante et à 800 °C. Le module de Weibull, qui caractérise la dispersion, n’est pas paru significativement affecté par la température. Enfin, le fluage du matériau a été étudié en traction et en flexion 4 points. Une très forte prééminence du stade stationnaire a été observée. La vitesse de déformation constante associée a été décrite en traction par une loi de Norton couplée à un terme d’Arrhenius. En parallèle, une modélisation du comportement visqueux reposant sur le principe de la CLT a été proposée.

The use of oxide/oxide composites is envisaged in the design of new generation aeronautical engines. These materials were studied at room temperature or at high temperature (>1100°C). The mechanical behaviour of the material developed at ONERA was studied in this case from room temperature to 1300°C. The characterisation carried out in traction allowed us to distinguish two very different types of behaviour which overlap at a temperature of about 800 °C. At low temperatures, the material's behaviour is elastic and damaging. Above this temperature, a viscous behaviour progressively appears, leading to anelastic deformations of several percent. Compared to the results obtained in tension at low temperatures, the behaviour in bending revealed a dissymmetry between tension and compression: unlike tension, compression does not cause damage, the behaviour remaining very close to the elastic domain observed in tension. Bending tests carried out in a SEM have made it possible to highlight this dissymmetry by revealing damage in tension starting at 150 MPa. The damageable behaviour was described by a law inspired by the family of ODM models developed at ONERA. An adaptation of the law was necessary to account for the effect of temperature. The parameters of the behaviour law in tension were identified. A finite element calculation of the bending tests validated the proposed model. The introduction of the damage constitutive equation in the classical laminate theory (CLT), commonly used for the study of complex composite laminates, led to a modelling of the material response in bending. These simulations were validated by comparison with experimental results. A statistical analysis of the bending strength was conducted at room temperature and at 800°C. The Weibull modulus, which characterises the dispersion, is not affected by temperature. Finally, the creep of the material was studied in tension and 4-point bending. A very strong predominance of stationary creep was observed. The creep kinetics in tension was identified by a Norton law coupled with an Arrhenius term. In parallel, a model based on the CLT was proposed for the modelling of viscous behaviour.