Étude de l'usinage par jet d'eau abrasif de pièces multimatériaux de moteur d'aéronefs en vue de leur réparation

Abrasive waterjet machining of multimaterial engine parts in the context of repair

• Auteur / Autrice : Xavier Sourd
• Direction : Redouane Zitoune, Laurent Crouzeix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Collombet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Redouane Zitoune, Laurent Crouzeix, Jean-François Maire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zoheir Aboura, Abdelhadi Moufki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entretien et réparations

Avions -- Moteurs

Abrasifs

Usinage

Mots clés libres

Jet d'eau abrasif

Composites tissés 3D

Alliage Ti6Al4V

Défauts d'usinage

Caractérisation de surface

Comportement en fatigue

Propriétés adhésives

Réparation

Abrasive Water Jet

3D woven CFRP composites

Ti6Al4V alloy

Machining defects

, Surface characterization

Fatigue behaviour

Adhesive properties

Composite repair

Résumé

Le procédé d'usinage par jet d'eau abrasif (JEA) a récemment été considéré par les constructeurs aéronautiques comme une technique alternative à l'usinage conventionnel pour les applications de réparation de structures composites ou hybrides. En effet, ce procédé d'enlèvement de matière présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles lorsqu'on considère des matériaux avancés. Pour des raisons à la fois économiques et écologiques, Safran Aircraft Engines, en collaboration avec l'Institut Clément Ader, propose d'utiliser l'usinage JEA pour réparer les aubes de soufflante de ses moteurs LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion), composées d'un Polymère Renforcé de Fibres de Carbone (PRFC) tissées en 3D et de l'alliage de titane Ti6Al4V. Ce procédé représente une alternative pertinente à l'usinage chimique actuellement employé dans l'industrie aéronautique. Compte tenu des réglementations de maintenance strictes établies par les agences gouvernementales, telles que l'Agence Européenne de la Sécurité Aérienne (AESA), les connaissances sur de nombreux aspects du processus d'usinage JEA sont actuellement trop limitées pour pouvoir utiliser ce procédé de manière fiable à une échelle industrielle. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'est porté sur trois principaux thèmes. Dans un premier temps, l'influence des paramètres d'usinage par JEA sur l'enlèvement de matière et la qualité de surface (défauts, contamination...) du PRFC tissé 3D et de l'alliage de titane Ti6Al4V est étudiée. Le critère de qualité de surface appelé volume de cratère (Cv), basé sur la quantification des défauts en forme de cratère induits par les particules abrasives, s'avère adapté pour décrire les surfaces générées par usinage JEA. Une étude approfondie a également été réalisée sur la quantification de la contamination de surface par les grains d'abrasif lors de l'usinage du Ti6Al4V. Dans le but de réduire ce taux de contamination sans modification de la qualité de surface des éprouvettes, une solution basée sur l'utilisation de jet d'eau pure (sans abrasif) a été proposée. Dans un second temps, l'effet des défauts induits par l'usinage JEA sur le comportement mécanique en statique (traction) et en fatigue (traction-traction) des éprouvettes texturées est investigué. De bonnes corrélations sont établies entre la qualité de surface décrite par le critère Cv et la résistance à rupture en traction et la limite d'endurance. Les scénarios d'endommagement des éprouvettes sont analysés grâce à une multi-instrumentation des essais (corrélation d'images numériques, thermographie, tomographie aux rayons X, émission acoustique). Enfin, l'influence de la texturation de surface par JEA sur les propriétés adhésives des assemblages PRFC/PRFC est étudiée via des essais DCB (Double Cantilever Beam). Une fois de plus, le volume du cratère est un indicateur approprié pour corréler la qualité de surface des adhérents et les propriétés adhésives des assemblages. De plus, tous les assemblages dont les surfaces ont été préparées par texturation JEA possèdent un meilleur taux de libération d'énergie critique en mode I (GIc) que ceux préparés par sablage comme cela est habituellement fait dans le contexte industriel. Les résultats de ces travaux confirment l'efficacité du procédé d'usinage JEA pour des opérations de réparation dans l'industrie aéronautique.

Abrasive Water Jet (AWJ) machining process has been recently considered by the aviation manufacturers as an alternative to conventional machining for the repair of composites or hybrid structures. The material removal by AWJ presents many advantages over the conventional process, particularly when advanced materials are considered. For economic and ecological reasons, Safran Aircraft Engines, jointly with Clément Ader Institute, proposes the use of AWJ process to repair the fan blades of the Leading Edge Aviation Propulsion engines (LEAP), made of 3D woven Carbon Fibre Reinforced Polymer composite (CFRP) and titanium alloy Ti6Al4V. AWJ is suitable alternative to the chemical machining currently used in the aviation industry. Given the stringent regulations established by government agencies regarding maintenance, such as the European Aviation Safety Agency (EASA), the current scarce knowledge on many aspects of AWJ machining needs to be expanded to promote its industrialization. In this context, this PhD work focuses on three main topics. Firstly, the influence of the AWJ machining parameters on the material removal and the surface quality of 3D woven CFRP and Ti6Al4V is studied. The innovative surface quality criterion called crater volume (Cv), which is based on the quantification of the defects in form of crater induced by the abrasive particles, has been proven to properly describe the surfaces generated by the AWJ during milling. The thesis also focuses on the quantification of surface contamination by abrasive grits when milling Ti6Al4V. In order to reduce the contamination rate without modifying the surface quality of the specimens, a solution based on Plain Water Jet (PWJ - without abrasive) has been proposed. Secondly, the effect of the AWJ induced defects on the mechanical behaviour of textured specimens is investigated. A good correlation between the Cv criterion and both tensile strength and endurance limit is established. The damage mechanisms of the specimens are analysed using different instrumentation techniques. Thirdly, the influence of the textured surfaces by AWJ process on the adhesive properties of CFRP/CFRP assemblies is evaluated via Double Cantilever Beam tests. Again, the crater volume is found to be a suitable indicator to correlate the surface quality of the adherends and the adhesive properties of the assemblies. Further, all bonded assemblies whose surfaces have been prepared by AWJ texturing have a better critical energy release rate in mode I (GIc) than those prepared by sanding as usually done in industry. The results of this work confirms the suitability of AWJ machining process to perform repair operations in the aviation industry.