Analyse et modélisation du compactage par impact mécanique de revêtements pour la tenue à la corrosion

Analysis and modelling of the compaction process of corrosion protective coating by mechanical impacts

• Auteur / Autrice : Louise Eschard
• Direction : Laurent Barrallier, Régis Kubler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing - Mechanics surfaces and materials processing
• Jury : Président / Présidente : Delphine Retraint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Barrallier, Régis Kubler, Delphine Retraint, Thibaut Chaise, Cécile Langlade, Fanny Deloye, Léa Gani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thibaut Chaise, Cécile Langlade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement métallique

Acier

Thèses et écrits académiques

Avions -- Moteurs

Mots clés libres

Compactage mécanique

Revêtement multiparticulaire

Simulation numérique

Mpfem

Mechanical compaction

Multiparticulate coating

Numerical modelling

Mpfem

Résumé

Réalisées en acier à très haute résistance mécanique, certaines pièces de moteur d'avion, très sensibles à la corrosion, sont protégées par un revêtement à base de particules d'aluminium incorporées dans une matrice sol-gel. Suite à une étape de cuisson après dépôt sur la pièce, un réseau de fissures et porosités se développe. Une densification du revêtement est réalisée par un procédé de compactage par impact mécanique. Les objectifs de cette thèse sont l'analyse du procédé de compactage et ses effets sur la microstructure du revêtement pour améliorer sa tenue à la corrosion via des analyses expérimentales et le développement d'un modèle numérique. Des moyens de contrôle du procédé au travers des mesures de la vitesse d'impact des médias (corindon, bicarbonate de sodium) ainsi que du taux de recouvrement ont été mis en place. L'étude du revêtement avant et après compactage a permis de mettre en avant des descripteurs morphologiques et mécaniques. Il est noté la présence d'un fort gradient de propriétés dans l'épaisseur du revêtement avec un allongement des particules en surface dû à leur déformation plastique sous impact ainsi qu'une augmentation de leur dureté. Selon les paramètres procédé, les fissures et porosités initiales sont totalement refermées et des relations avec la tenue en corrosion peuvent être établies. Le modèle numérique développé se base sur la répétition d'impacts de médias sur un revêtement modélisé par la méthode MPFEM (MultiParticle Finite Element Method) en 2D. Après une calibration à l'aide d'essais d'indentation instrumentée, des études paramétriques mono puis multi-impacts ont permis d'analyser l'influence des différents paramètres procédé. Ces simulations ont également mis en avant la densification du revêtement par un réarrangement local des particules et par leur allongement par déformation plastique. Afin de prendre en compte le chargement complexe tridimensionnel du compactage, un modèle 3D est aussi développé. Le revêtement est modélisé à l'aide d'un modèle continu équivalent, basé sur une loi de comportement de Drucker-Prager/Cap dont les paramètres sont calibrés à partir de la MPFEM.

To ensure the corrosion protection of some aircraft engines parts, a coating made of aluminum particles embedded in a sol-gel matrix is deposited on a high-strength steel substrate. After a curing step, cracks and porosities are formed and need to be closed. The coating is densified by a compaction shot-peening process. The objectives of this thesis are to analyze the compaction process and its effects on the coating microstructure to understand its corrosion resistance through an experimental analysis and the development of a numerical model. Means of process control were implemented by measuring the impact velocity of the shots (corundum and sodium bicarbonate) and the coverage rate. A study of the coating before and after compaction identified morphological and mechanical descriptors. A strong gradient of properties was observed along the thickness of the coating, with an elongation of the particles at the surface due to plastic deformation under impact, and an increase in hardness. Depending on the process parameters, the initial cracks and porosities are completely closed, and relationships with corrosion resistance can be established. The developed numerical model is based on repeated media impacts on a coating modeled using MPFEM (MultiParticle Finite Element Method) in 2D. After calibrating the model using instrumented indentation tests, parametric single- and multi-impact studies were carried out to analyze the influence of process parameters. These simulations highlighted the densification of the coating through local particle rearrangement and elongation by plastic deformation. In order to take into account the complex three-dimensional loading during compaction, a 3D model was developed. The coating was modeled using an equivalent continuous model, based on a Drucker-Prager/Cap behavior law, whose parameters were calibrated compared to MPFEM.