Conception, réalisation et étude de matériaux composites à bases bimétallique et métallique avec architecture contrôlée obtenue par procédé mixte : fabrication additive / fonderie / métallurgie des poudres pour transfert thermique dans les systèmes de freinage

Design, realization and study of bimetallic and metallic based composite materials with controlled architecture obtained by mixed process : additive manufacturing/foundry/powder metallurgy for heat exchange in braking systems

• Auteur / Autrice : Tao An
• Direction : David Balloy, Vincent Magnier, Ion-Cosmin Gruescu, Anne-Lise Cristol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Laurence Giorgi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Dendievel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Cauvin, Philippe Jacquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments finis

Métallurgie des poudres

Moulage à la cire perdue

Composites à matrice métallique

Mousses métalliques

Diffusivité thermique

Propriétés thermiques

Matériaux

Freins

Mots clés libres

Patin de frein

Diffusivité thermique

Mousse de cuivre

Méthode des éléments finis

Bimétallique

Fonderie à la cire perdue

Braking pad

Thermal diffusivity

Cu foam

Finite element method

Bimetallic

Investment casting

Résumé

Les sollicitations thermiques élevées et répétées subies lors des freinages des trains à grande vitesse provoquent des fissures de fatigue thermique, entraînant une défaillance des matériaux de frein. Les patins de frein composites à base de cuivre (Cu) utilisés sous forme de poudres sont choisis pour améliorer la dissipation thermique des systèmes de freinage. Cependant, les nouvelles normes environnementales internationales exigent une réduction de la teneur en Cu, entrant en conflit avec le bon maintien des propriétés thermiques. Il est proposé dans ce travail d'utiliser des mousses de Cu architecturées avec un réseau continu sous la forme d'un volume élémentaire représentatif (VER) permettant un meilleur contrôle du flux thermique. Des simulations numériques FEM sont d'abord réalisées pour étudier la faisabilité de l'optimisation de la capacité de transfert de chaleur en passant par des mousses de Cu. Les résultats de la simulation montrent que la diffusivité thermique considérant les VERs peut être considérablement améliorées. En particulier localement, lorsque la taille du VER est réduite. Ainsi, le travail suivant se concentre sur la réduction de la taille du VER des mousses de Cu produites par la méthode de fabrication additive (FA) assistée par la fonderie à la cire perdue. Des patins bimétalliques basés sur des mousses de Cu sont ensuite produits par une technologie de pressage à chaud. Leur comportement thermique est étudié. Expérimentalement, les résultats montrent d'une part que les mousses de Cu avec une taille de VER jusqu'à 2 mm sont techniquement fabricables. D'autre part, un essai tribologique est effectué. Les mousses de Cu avec une taille réduite de VER peuvent optimiser la capacité de transfert de chaleur des patins de frein de manière significative en accord avec les résultats numériques. Enfin, cette nouvelle configuration montre la stabilité du freinage en favorisant la formation d'un troisième corps.

The high and repeated thermal stresses during the braking of high-speed trains result in thermal fatigue cracks, leading to braking material failures. Composite braking pads based on copper (Cu) matrix in powder form are chosen to improve thermal dissipation of braking system. However, new international environmental standards require a reduction in Cu content, conflicting with maintaining the proper thermal properties. It is proposed in this work to utilize Cu foams architected with a continuous network in the form of a representative elementary volume (REV) enabling better control of heat flow. FEM numerical simulations are first carried out to investigate the feasibility of optimizing heat transfer ability by using Cu foams. Simulation results show that the thermal diffusivity considering REVs can be significantly improved. Especially locally, when the REV size is reduced. Thus, the following work focuses on reducing REV size of Cu foams produced by additive manufacturing (AM) assisted investment casting. Bimetallic pads based on Cu foams are then produced by a hot-pressing technology. Their thermal behavior of the produced pads is studied. Experimental results show that Cu foams with a REV size of up to 2 mm can be technically fabricated. In addition, a tribological test is also carried out. Cu foams with a reduced REV size can significantly optimize the heat transfer capacity of braking pads, in line with the numerical results. Finally, this new configuration demonstrates braking stability by promoting the formation of a third body.