Étude des mécanismes d'adhésion dans un assemblage collé titane-composite avec prise en compte du vieillissement environnemental

Study of the adhesion mechanisms in a titanium - composite bonded joint with consideration of environmental aging.

• Auteur / Autrice : Corentin Perderiset
• Direction : Pierre Montmitonnet, Jean-Luc Bouvard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 14/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Paroissien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Montmitonnet, Jean-Luc Bouvard, Maëlenn Aufray, Anthony Grunenwald, Frédéric Georgi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Nassiet, Romain Créac'hcadec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage (matériaux)

Matériaux

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Traitement de surfaces

Adhésion

Collage titane-composite

Essai TAST

Interfaces

Vieillissement

Surface treatment

Adhesion

Titanium-composite bonding

TAST testing

Interfaces

Aging

Résumé

Les collages structuraux offrent aujourd'hui une alternative convaincante aux métaux bruts dans le but de la réduction de la masse des structures dans le domaine aéronautique. Aussi, des renforts en titane sont désormais collés à des matrices en composite. Cependant les matériaux métalliques n’ont pas de bonnes prédispositions au collage c’est pourquoi il est nécessaire d’effectuer une préparation de surface pour promouvoir l’adhésion.L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des mécanismes d'adhésion d'une liaison par collage d’une pièce en alliage titane assemblée sur une pièce en composite à matrice organique, faisant intervenir un traitement de surface et un primaire d'adhérence. Le point d’intérêt principal est notamment l’étude des interfaces titane/primaire et primaire/adhésif. Le comportement de celles-ci dans le temps est également étudié. Pour cela, elles ont été soumises à un vieillissement accéléré en chaleur humide (70°C, 80 % RH, jusqu’à 1000h).Dans un premier temps un essai d’adhérence TAST décentré a été choisi pour permettre de solliciter l’assemblage au niveau de ces interfaces et permettre ainsi de dégager des paramètres clés du procédé de traitement de surface. Grâce aux exploitations des essais mécaniques conjointement à l’étude des faciès de rupture à plusieurs échelles, il a été possible de déterminer que plusieurs mécanismes d’adhésion interviennent dans cet assemblage. Les paramètres qui influencent le plus les propriétés d’adhérence de l’interface sont la microstructure initiale du TA6V et l’épaisseur de primaire déposée. Une épaisseur trop importante de primaire dégrade les propriétés d’adhérence après vieillissement en limitant l’ancrage mécanique de l’adhésif sur la surface de titane car elle réduit sa rugosité. L’absence de primaire réduit aussi les propriétés d’adhérence car l’adhésif mouille moins bien la surface que le primaire. Ce dernier permet aussi de retarder la dégradation de l’interface dans des conditions humides.En ce qui concerne la microstructure initiale du TA6V, la présence de nodules α permet de créer une surface rugueuse qui sert à favoriser l’ancrage mécanique de l’adhésif. En revanche, ces zones sont souvent peu recouvertes de primaire et ce dernier possède une meilleure affinité avec l’adhésif, notamment après vieillissement. La présence de grains lamellaires, de plus faibles dimensions (lamelles α de l’ordre de 200 à 400 nm), offre une meilleure mouillabilité pour le primaire et ainsi permet à ces zones de mieux résister au vieillissement en environnement humide.

Structural bonds today offer a convincing alternative to raw metals for the purpose of reducing the mass of structures in the aeronautical field. Also, titanium reinforcements are now bonded to composite matrices. However, metallic materials do not have good predispositions to bonding, which is why it is necessary to carry out a surface preparation to promote adhesion.The objective of this thesis is to contribute to the understanding of the adhesion mechanisms after bonding a titanium alloy part with an organic matrix composite, involving a surface treatment and an adhesion primer. The main point of interest is in particular the study of titanium/primer and primer/adhesive interfaces. Their behavior over time is also studied. For this, they were subjected to accelerated aging in damp heat (70 °C, 80 % RH, up to 1000h).Initially, a shifted-TAST test was chosen to stress the assembly at these interfaces and thus make it possible to identify key parameters of the surface treatment process. Thanks to the exploitation of mechanical tests in conjunction with the study of fracture facies at several scales, it was possible to determine that several adhesion mechanisms are involved in this assembly. The parameters that most influence the adhesion properties of the interface are the initial microstructure of the TA6V and the thickness of primer deposited. Too thick a primer degrades the adhesion properties after aging by limiting the mechanical anchoring of the adhesive on the titanium surface because it reduces its roughness. The absence of a primer also reduces the adhesion properties because the adhesive wets the surface less well than the primer. The latter also makes it possible to delay the degradation of the interface in humid conditions.Regarding the initial microstructure of TA6V, the presence of α nodules allows the creation of a rough surface that serves to promote the mechanical anchoring of the adhesive. On the other hand, these areas are often poorly covered with primer and the latter has a better affinity with the adhesive, especially after aging. The presence of lamellar grains, of smaller dimensions (α lamellae of the order of 200 to 400 nm) offers better wettability for the primer and thus allows these areas to better resist environmental aging.