Etude par une approche expérimentale in situ de l'endommagement d'un composite à matrice céramique sous sollicitations multiaxiales

par Léonard Turpin

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Éric Martin, Olivier Caty et de Stéphane Roux.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de lu2019ingénieur , en partenariat avec Laboratoire des Composites ThermoStructuraux (laboratoire) et de Mécanique et thermique (equipe de recherche) depuis le 27-11-2017 .


  • Résumé

    Contexte et objectifs : Dans un objectif d'amélioration des rendements des moteurs d'avion civils, l'utilisation de composites thermostructuraux permettra la réduction de la masse volante et l'augmentation des températures de fonctionnement. Les composites à matrice céramique (CMC) développés conjointement par Safran Ceramics et le LCTS sont de bons candidats pour les aubes de turbines et les anneaux de confinement. Ces pièces de formes complexes sont soumises à de forts gradients thermiques et à diverses sollicitations mécaniques. Les contraintes locales induites sont généralement multiaxiales et peuvent mener à des dommages qu'il est nécessaire de comprendre et maîtriser. Pour ceci, on se propose de développer une démarche d'observation et de caractérisation quantitative de l'endommagement par essais thermo-mécaniques avec observation in-situ par micro-tomographie X. L'objectif est de réaliser des essais simulant les contraintes vues par le matériau dans les pièces volantes, de mesurer ces sollicitations, d'observer le comportement thermo-mécanique du matériau et d'établir les mécanismes d'amorçage et de propagation des endommagements. Ces données seront nécessaires pour développer des modèles simulant le comportement de ces pièces et établir des critères d'endommagement et de rupture. Moyens et méthodes : Les études réalisées aux laboratoires LCTS et LMT ont démontré l'intérêt d'observer le comportement endommageable des composites thermostructuraux à haute température. Les moyens de sollicitation disponibles au LCTS permettent aujourd'hui de réaliser des essais sur éprouvettes simples à haute température dans un tomographe de laboratoire ou sur une ligne de lumière synchrotron. L'objectif de la thèse est de se rapprocher de l'application : pièces de plus grandes dimensions, de formes complexes, et soumises à des sollicitations thermomécaniques réalistes par rapport à l'application visée. Dans ce but, un nouveau moyen expérimental sera développé avec pour objectif de réaliser des essais sur pièces de géométrie réaliste et in situ, pour bénéficier de l'imagerie 3D comme moyen de caractérisation morphologique et microstructurale, et comme moyen de mesure cinématique grâce à la corrélation d'images volumiques (DVC). Les champs de température seront caractérisés par imagerie infrarouge. Les essais optimisés seront réalisés sur ligne synchrotron. La mise au point de ces essais pourra s'appuyer sur des tomographes de laboratoire. Des stratégies spécifiques seront développées pour l'exploitation optimale de la multi-modalité d'imagerie à associer en espace et en temps. La thèse comportera également un volet de modélisation numérique thermique et mécanique visant à reproduire de façon réaliste la pièce et la sollicitation réelle. Un couplage intime de l'imagerie et de la modélisation permettra d'accéder à des chargements transitoires tridimensionnels. La finalité de ce travail est d'élaborer des critères d'endommagement thermo-mécanique multiaxiaux utilisables en conception de pièces aéronautiques. Les scénarii possibles d'amorçage et de propagation des dommages seront testés et (in)validés.

  • Titre traduit

    In-situ experimental study of damage for a ceramic matrix composite submitted to multi-axial loading


  • Résumé

    Context and objectives : To enhance the efficiencies of civil aircraft engines, using thermo-structural composites will reduce the flying mass and increase operating temperatures. Ceramic matrix composites (CMC) developed by Safran Ceramics and the LCTS are promising materials for turbine blades and containment rings les. Those complex-shaped parts are submitted to high thermal gradients and to several mechanical loadings. Induced local stresses usually are multi-axial and can lead to damages which have to be understood and controlled. Thus, a process, using thermo-mechanical testing and X-ray micro-computed tomography in situ observations, is considered to quantitatively characterise damage. The aim is to design and implement tests simulating the stresses in a flying part, to measure the loadings, to observe the thermo-mechanical behaviour of the material and the occurrence and the propagation of damage. Then, those data will be used on a numerical model simulating the behaviour of those parts to specify damage and failure criteria. Means and method : Studies carried out at LCTS and LMT have exhibited the interest to observe the damage behaviour of thermo-structural composite under high temperature. Today, the loading devices available at LCTS allow to conduct tests on simple-shaped samples at high temperature in tomography or on a synchrotron beam. The goal of the thesis is to get closer to industrial application : bigger parts with a more complex shape submitted to a more realistic thermo-mechanical loading. So, an original experimental process will be designed aiming to carry out in situ tests on a part geometrically realistic such as 3D-imagery devices will be used to characterise the morphology and the microstructure of the sample and, coupled with digital volume correlation (DVC) and to measure the damage kinematics. Temperature fields will be evaluated by IR imagery. Optimised tests will be carried out on synchrotron beam, they could be designed first with the help of a laboratory tomography device. Specific strategies are to be developed to optimally exploit the space and time multi-modality of the images. The thesis also includes thermal and mechanical numerical simulations using a loading as close as possible to the real one. A close coupling of imagery and simulation will provide access to tri-dimensional transitory loadings. The ultimate purpose of this work is to establish multi-axial thermo-mechanical damage criteria to be used on aeronautic part designs. The possible scenarii of occurrence and propagation of damage will be tested and (in)validated.