Etude de la durée de vie d'une barrière environnementale sur composite à matrice céramique sous sollicitations multi-physiques.

par Ines Hamadouche

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de François Hild, Pierre Beauchêne et de Thibaut Archer.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) , Secteur Mécanique et Matériaux (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Un des enjeux de l'aéronautique est de réduire l'impact environnemental des avions. Cet objectif se traduit par des évolutions dans le développement des appareils comme un allègement des structures, une réduction de la consommation de carburant ou un gain en performance des moteurs en augmentant la température de fonctionnement, sans pour autant mettre à mal la sécurité des appareils. Si l'introduction de technologies composites dans les moteurs d'avion civil est aujourd'hui limitée aux pièces "froides" par l'utilisation de fibres de carbone et de matrices organiques, les zones chaudes sont l'enjeu de la prochaine génération de moteur. Dans ce contexte, l'ONERA collabore avec le groupe SAFRAN sur le développement d'une solution alternative aux matériaux métalliques : les composites à matrice céramique. Pour les applications visées, les pièces sont soumises à des environnements thermomécaniques et physico-chimiques (oxydation/corrosion) très sévères pouvant mener à la dégradation du matériau et à une limitation de sa durée de vie. Pour protéger le composite à conséquence, le revêtement doit conserver son rôle de barrière étanche tout au long de la durée de vie de la pièce. La compréhension des mécanismes d'endommagement des EBC sur CMC est donc cruciale pour le développement de la technologie CMC. Parmi les difficultés associées, la compréhension du comportement sous sollicitations multiphysiques, représentatives de conditions moteur, à l'échelle matériaux présente de nombreux verrous scientifiques. Dans ce contexte, cette thèse a pour ambition d'étudier le comportement du système sous sollicitations thermiques, mécaniques et physico-chimiques pour mettre en évidence les conditions pouvant impacter la durée de vie d'un revêtement sur CMC. Il s'agit ainsi, d'une part, de mettre en place plusieurs essais à haute température (~1300°C) pour caractériser le comportement du système et établir les modes de dégradations possibles selon les conditions d'essais. Une attention particulière sera portée sur la mise en place de l'instrumentation des essais, utilisables dans ces conditions extrêmes, basées sur des méthodes optiques ou acoustiques. D'autre part les simulations thermomécaniques permettront de dimensionner les essais et de comprendre les mécanismes observés. Enfin ces différents résultats seront utilisés pour étudier les couplages entre les différents types de sollicitations et leurs impacts sur la tenue du système.

  • Titre traduit

    Fatigue life of an environmental barrier coating on a ceramic matrix composit under multiphysic loadings.


  • Résumé

    The aeronautic sector is facing the environmental issue of aircrafts pollution. One solution is the improvement of engine performances by increasing their operating temperature, altogether ensuring the safety of devices. The future challenges for next generation turbomachines is introducing composite materials in the warm zones of engines. In this context, ONERA and SAFRAN Group are collaborating to develop an alternative to metal materials : ceramic matrix composites. For the aimed applications, mechanical components are operating under extreme thermomechanical and physicochemical solicitations, wich can conduct to material degradation and thus the reduction of fatigue life. To protect ceramic matrix composites (CMC), the components are covered with environmental barriers coatings (EBC), wich allows to avoid recession phenomena.Thus, the EBC integrity must be ensured during all the component's lifetime in service. Then, understanding materials damage mechanisms of EBCs on CMCs is crucial. Among all the difficulties, understanding the behaviour under multiphysic solicitations, representative of conditions in the engine, at the material scale, is a scientific challenge. In this context, this PhD thesis aims to study the behaviour of CMC/EBC system under thermal, mechanical, physical and chemical solicitations to bring to light the conditions impacting the fatigue life of the system. In one hand, the first step consists in the characterization of the system behaviour throught several tests at hight temperature (around 1300°C), and the identification of the degradation modes depending on the experimental conditions. A particular attention will be given to the establishment of the instrumentation, based on optical and acoustic methods. In the other hand, numerical simulations will help the understanding of the observed mechanisms. Finally, all the results will be used to study the coupling of the different solicitations and their impact on the system integrity.