Étude du vieillissement de pièces en matériaux composites à matrice organique de moteurs d’aéronefs et de ses conséquences sur leur réparation collée

Study of the ageing of organic matrix composite components of aircraft engines and its consequences on their bonded repair

• Auteur / Autrice : Camille Gillet
• Direction : Valérie Nassiet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lachaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Nassiet, Stéphane Benayoun, Emmanuel Richaud, Arnaud Ponche, David Bigaud, Fabienne Poncin-Epaillard, Bouchra Hassoune, Tatiana Siwavi Tchalla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Benayoun, Emmanuel Richaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Détérioration

Corrosion

Durée de vie (ingénierie)

Mots clés libres

Matériau composite tissé 3D

Vieillissement hygrothermique

Vieillissement pré-collage

Réparation collée

Plasma atmosphérique

Adhérence

3D woven composite material

Hygrothermal ageing

Pre-bond ageing

Bonded repair

Atmospheric plasma

Adherence

Résumé

Ce travail vise à étudier les conséquences du vieillissement hygrothermique sur la réparation collée de matériaux composites tissés 3D carbone/époxy, qui constituent les aubes fans du moteur CFM LEAP. Dans un contexte d’introduction massive de pièces en matériaux composites à matrice organique dans les moteurs d'avions, la maîtrise de leur réparation, notamment par collage, devient essentielle et prend de l'essor. L'optimisation de ces réparations collées est rendue possible par l'utilisation de traitements de surface, comme le traitement plasma atmosphérique dont l'intérêt a déjà été prouvé. Cependant, ces pièces en composite sont sensibles aux conditions climatiques dans lesquelles elles évoluent, notamment la chaleur et l'humidité, et subissent de ce fait des dégradations. La première étape de ce travail a permis de mettre en lumière les paramètres influençant la diffusion d'humidité via une étude statistique. Par la suite, l'analyse des effets vieillissement hygrothermique sur les matériaux composites tissés 3D a mis en évidence des altérations physico-chimiques, massiques et surfaciques, telles que la migration de particules, un lessivage de la matrice, ou l'apparition de fissures, ce qui va affecter l'efficacité des collages. L'utilisation du plasma atmosphérique sur le matériau vieilli a montré un effet désorbant sur les surfaces et des niveaux d'oxydation semblables à ceux des surfaces neuves traitées au plasma, ce qui pourrait permettre d'activer chimiquement la surface en vue d'un collage et de restaurer certaines de ses propriétés. La caractérisation mécanique via des tests d’adhérence des assemblages matériau composite vieilli/colle a montré une nette amélioration de la résistance mécanique suite à l’utilisation du traitement de surface par plasma.

This work aims to study the consequences of hygrothermal ageing on the bonded repair of 3D woven carbon/epoxy composite materials, which constitute the fan blades of the CFM LEAP engine. In the context of massive introduction of polymer matrix composite material parts in aircraft engines, the control of their repair, especially by bonding, becomes essential and is taking off. The optimisation of these bonded repairs is enabled thanks to surface treatments, such as atmospheric plasma treatment, which has already proved its worth. However, these composite parts are sensitive to the climatic conditions in which they are exposed, especially heat and humidity, and are therefore subject to degradation. The first step of this work was to highlight the parameters influencing the humidify diffusion via a statistical study. Subsequently, the analysis of hygrothermal ageing effects on 3D woven composites revealed bulk and surface physicochemical alterations, such as particle migration, matrix leaching, and cracks development, which will affect the bonding effectiveness. The use of atmospheric plasma treatment on aged material has shown a desorbing effect on surfaces and similar levels of oxidation to new plasma-treated surfaces, which could allow the surface to be chemically activated for bonding and restore some of its properties. Mechanical characterisation via adhesion tests of the aged composite/adhesive assemblies showed a significant improvement in mechanical strength following plasma surface treatment.