Academic literature on the topic 'Composites à matrice céramique – Effets de la chaleur'

L’industrie aéronautique est actuellement confrontée à différentes problématiques environnementales et sociétales. Afin de répondre à ces problématiques et permettre notamment de réduire l’émission des gaz à effet de serre, de nouveaux matériaux sont envisagés pour remplacer les superalliages métalliques présents dans les moteurs. Dans cette optique, les Composites à Matrice Céramique (CMC) ont montré leurs qualités en tant que remplaçants de ces alliages : leurs bonnes propriétés mécaniques à haute température permettent d’augmenter la température atteinte dans les moteurs et ainsi réduire la consommation de kérosène. Cependant, à haute température, ces pièces composites subissent une récession de surface importante par réaction avec la vapeur d’eau présente dans l’enceinte du moteur. Cette récession réduit leur durée de vie. Pour les protéger, une barrière environnementale (EBC) est déposée à leur surface. Pendant les cycles thermiques des moteurs, de nombreux mécanismes physicochimiques et thermomécaniques peuvent endommager le revêtement. Ces travaux de thèse se concentrent sur deux principaux types d’endommagement : l’endommagement par oxydation/corrosion de la sous-couche d’accroche et les contraintes thermomécaniques à travers ce système multicouche : sous-couche/TGO/EBC. Le système étudié dans ces travaux se compose d’un CMC SiCf/SiCm revêtu successivement par une sous-couche d’accroche en silicium et un revêtement en disilicate d’yttrium. A haute température et sous atmosphère oxydante, le silicium s’oxyde en formant une couche de silice sous l’EBC. Des essais d’oxydation/corrosion (air humide) ont été menés à différentes conditions environnementales sur des échantillons de silicium polis et sur des échantillons revêtus pour caractériser l’effet de la rugosité d’interface et l’efficacité du revêtement sur les cinétiques d’oxydation et l’endommagement du système. Les observations morphologiques et les données de diffusion sont ensuite utilisées dans une modélisation par éléments finis (EF) pour prévoir le comportement du système CMC/EBC en fonction du temps, de la température et de l’environnement moteur. Cette modélisation s’appuie sur un champ de phase pour décrire l’évolution physicochimique du système avec l’avancement de l’interface Si/TGO au cours du temps en fonction des conditions environnementales
The aerospace industry is currently facing environmental and social issues. In order to address these issues, and in particular to reduce the production of greenhouse gases, new materials are being considered to replace the metallic superalloys currently used in engines. To this end, Ceramic Matrix Composites (CMC) have demonstrated their potential as a replacement for these alloys : their high temperature mechanical properties enable the increasement of the temperature reached in engines, thereby reducing fuel consumption. However, at high temperatures, these composite parts undergo significant surface recession through reaction with the water vapor present in the engine environment. This recession reduces their service lifetime. To protect them, an environmental barrier (EBC) is deposited on their surface. During engine thermal cycles, various physicochemical and thermomechanical mechanisms can damage the coating. This thesis focuses on two main types of damage : oxidation/corrosion damage to the bonding undercoat and thermomechanical stresses across this multilayer system : bondcoat/TGO/EBC. The system studied is a SiCf /SiCm CMC successively coated with a silicon bondcoat and an yttrium disilicate coating. At high temperatures and in an oxidizing atmosphere, the silicon oxidizes, forming a silica layer under the EBC. Oxidation/corrosion tests (under humid air) were carried out at different environmental conditions on polished and coated silicon samples to characterize the effect of interface roughness and coating efficiency on oxidation kinetics and system damage. Morphological observations and diffusion data are then used in finite element (FE) modeling to predict the behavior of the CMC/EBC system as a function of time, temperature and corrosive conditions. This modeling relies on a phase field to describe the physicochemical evolution of the system with the advancement of the Si/TGO interface over time as a function of environmental conditions

Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de mesure de champs par corrélation d’images numériques (CIN) à haute température couplée à des mesures thermiques sur une éprouvette technologique en CMC sollicitée dans des conditions thermiques représentatives d’un environnement moteur et de mettre en place une méthodologie d’identification des propriétés thermiques et thermomécaniques du matériau, en quantifiant à chaque étape de la chaîne les incertitudes associées aux quantités d’intérêt et en les réduisant. Il a pour cela été nécessaire de traiter les défis inhérents à la CIN à chaud, que ce soit au niveau de l’acquisition des images (saturation, perte du contraste) ou de la mesure (artefacts dus à l’effet mirage, aussi appelé "brume de chaleur").Ces travaux ont ainsi donné lieu au développement d’un protocole d’étalonnage d’un banc multi-instrumenté par l’utilisation soit d’une mire in-situ, soit par auto-étalonnage en utilisant l’éprouvette elle-même et son environnement. Les mesures de déplacements 3D surfaciques (approches de stéréocorrélation globales) et les mesures thermiques ont permis de mettre en évidence ce phénomène de brume de chaleur. Des stratégies de régularisation spatiotemporelles des déplacements mesurés ont été proposées et ont permis d’obtenir des résultats satisfaisants (réduction significative des incertitudes de mesure). De même, des approches par réduction de modèles (POD) ont permis de traiter les données thermiques et de quantifier les incertitudes associées aux phénomènes convectifs. Enfin, un algorithme de recalage de modèle éléments finis pondéré sur les données de températures et de déplacements a été implémenté en vue d’identifier un ensemble de propriétés thermiques et thermomécaniques, en tenant compte de la sensibilité de chaque paramètre par rapport aux incertitudes de mesures
The aim of this thesis is firstly to develop procedures of full-field measurements with Digital Image Correlation (DIC), coupled to thermal measurements, suitable for high-temperature experiments on CMC specimens under thermal conditions representative of an engine environment. Secondly, a methodology is proposed for identifying the thermal and thermomechanical properties of the material, quantifying at each stage of the chain the uncertainties associated with the quantities of interest and strategies to reduce them. It was necessary to deal with the challenges due to high temperatures, especially for DIC, either in terms of acquisition (saturation, loss of contrast) or measurement (artefacts due to the mirage effect, also called "heat haze effect").This work has led to the development of a calibration protocol for a multi-instrumented bench using either an in-situ calibration target or by self-calibration using the specimen itself and its environment. 3D surface displacement measurements (with global stereocorrelation approaches) and thermal measurements have made it possible to highlight the heat haze effect phenomenon. Spatiotemporal regularisation strategies of the measured displacements were proposed and allowed satisfactory results to be obtained (significant reduction of measurement uncertainties). Similarly, model reduction approaches (POD) have been used to process thermal data and quantify the uncertainties associated with convective phenomena. Finally, a weighted Finite-Element Model Updating (FEMU) algorithm on both temperature and displacement data was implemented in order to identify a set of thermal and thermomechanical properties, taking into account the sensitivity of each parameter with regard to measurement uncertainties

L'étude se proposait d'accroître la conductivité thermique de composites à matrice céramique multicouche et autocicatrisante au moyen du procédé d'imprégnation par le silicium liquide. L'introduction préalable de xérogels de carbone, dont la texture est maîtrisée par contrôle des paramètres de synthèse du gel initial, permet de réduire et d'homogénéiser la porosité de ces matériaux. Les études de l'imprégnation des composites par le slilicium liquide ont montré que la production in situ de gaz à haute température nécessite un dispositif et des conditions particulières afin d'atteindre une porosité finale nulle. L'évacuation de ces espèces gazeuses est favorisée par un flux de silicium lent et unidirectionnel et en maintenant le plus longtemps possible, les tranches latérales du matériau perméables au gaz et non mouillables par le silicium. Les composites ainsi densifiés possèdent une conductivité thermique multipliée par 4 par rapport à ceux densifiés par voie gazeuse (CVBI)

Dans le but d’une introduction en aéronautique civile, la certification des composites à matrice céramique(CMC) requiert la justification de la tenue du matériau durant toute la durée de vie de l’avion (50000h environ),dans des milieux oxydants à haute température et sous les contraintes élevées rencontrées en application. Lebut de cette thèse est d’identifier comment accélérer les essais de vieillissement pour obtenir sur de pluscourtes périodes de temps des essais représentatifs du comportement du matériau en conditions standard. Lecomposite étudié étant doté d’une matrice auto-cicatrisante dont l’efficacité est liée de manière complexe à latempérature et à l’humidité présente dans le milieu oxydant, une compréhension fine des mécanismes dedégradation est nécessaire afin de choisir des leviers d’accélération pertinents. L’influence de paramètresd’essai sélectionnés (pression partielle d’eau, type de chargement mécanique, fréquence de cyclagemécanique, température) sur les cinétiques d’endommagement est analysée, tout en vérifiant que lesmécanismes de dégradation ne sont pas modifiés. La mise en place de méthodes de suivi d'endommagementnon-destructives est indispensable pour quantifier en temps réel les niveaux de dégradation des matériauxsous différentes conditions expérimentales: le suivi par émission acoustique a été utilisé et une techniqueoriginale de suivi par mesure de résistance électrique durant des essais de longue durée a été développée.Deux modèles électro-mécaniques ont été proposés concernant l’évolution de résistance électrique àtempérature ambiante et sous conditions oxydantes. Des estimations de durées de vie basées sur cestechniques ont permis de proposer une méthodologie vers l’accélération d’essais sur CMC
With the aim of an introduction in civil aeronautics, the certification of Ceramic Matrix Composites (CMC)requires to demonstrate the correct behavior of the material during the whole lifetime of the aircraft (about50000h), in high-temperature oxidizing environments and under the stress levels required by the applications.The goal of this thesis is to identify a methodology to accelerate ageing tests in order to get, in shorterdurations, results that are representative of the behavior of the material in standard conditions. The studiedcomposite includes a self-healing matrix which efficiency is linked in a complex way to temperature andhumidity. A thorough understanding of degradation mechanisms is therefore required in order to identifyrelevant accelerating levers. The influence of the selected test parameters (water partial pressure, type ofmechanical loading, frequency of cyclic loading, temperature) on the damage kinetics has been analyzed, whilechecking that the damage mechanisms were not modified. Non destructive monitoring techniques are essentialto quantify in real time the damage level of materials under different test conditions: acoustic emissionmonitoring has been used, and an original method of damage monitoring using electrical resistivity has beendeveloped. Two electromechanical models were proposed, describing the evolution of electrical resistance atroom temperature and under oxidizing conditions. Lifetime estimations based on these techniques led topropose a methodology towards accelerated testing on CMCs

Les matériaux composites à matrice céramique (CMCs) à matrice auto-cicatrisantes (MAC) sont développées depuis plusieurs années pour leurs possibilités d'application dans le domaine de la propulsion aéronautique où ils se révèlent trés intéressants en termes de résistance à des conditions sévères et de légèreté. Dans le cadre d'un programme d'étude du comportement des CMC-MAC et de leurs mécanismes d'endommagement, l'objectif de ces travaux est de construire un modèle numérique multi-physique permettant de déterminer la durée de vie d'un échantillon d'un tel matériau soumis à une contrainte mécanique dans un environnement oxydant. L'étude porte sur la mise en place d'un couplage entre deux codes de calcul : un code d'endommagement mécanique et un code physico-chimique qui a été développé au cours de cette thèse. De façon inédite, on se place dans la géométrie 2D d'un plan de fissure, partant d'une image détaillée de l'arrangement des constituants (fibres, interphases, matrice multi-couche). Les différentes parties du programme ont été validées indépendamment et des résultats du calcul complet sont présentés et discutés
Self-Healing Ceramics Matrix Composites (HT-CMC) are developed since several years for theirapplication in aeronautic applications and are interesting for their good resistance to criticalenvironments. As part of a study program of the HT-CMC behavior and their damagemechanisms, the objective of this thesis is to build a multi-physics numerical model todetermine the lifetime of a sample such a material subjected to a mechanical stress in anoxidizing environment. The study focuses on the establishment of a coupling between twocomputer codes: a code of mechanical damage and a physical-chemical code that wasdeveloped during this thesis. In an unprecedented way, we place ourselves in the 2D geometryof a crack plane, starting from a detailed picture of the arrangement of the components (fiber,interphase, multi-layer matrix). The different parts of the code have been independentlyvalidated and the results of the complete calculation are presented and discussed

Ce travail de thèse a comme but la modélisation et l’investigation du transfert de chaleur et de masse dans une particule composite bicouche (coeur métal / enveloppe céramique) en vol avant impact, projetée dans un jet de plasma Ar-H2 75-25 % vol. D’arc soufflé et courant continu. Les poudres de configuration bicouche sont une nouveauté et dès lors, elles ont été peu étudiées. Elles offrent la possibilité de produire des revêtements métalliques à matrice composite de type MMC. Le modèle thermique présenté s’applique aux procédés de projection utilisant un ensemencement de particules sans effets de charge. La solution numérique est basée sur le modèle enthalpique et la discrétisation des équations est obtenue par une technique de volumes finis du second ordre en temps et en espace. Une formulation de la résistance thermique de contact RTC, fonction des fractions solides des deux matériaux est introduite afin de tenir compte de la nature physique du contact. Le suivi de la particule sur des trajectoires dans le jet de plasma, a permis d’étudier finement les différentes cinétiques du transfert de chaleur et de masse en fonction des paramètres comme la taille de la particule, la nature des matériaux ou de la résistance thermique de contact. Divers scénarios sont simulés afin de corréler au mieux les résultats expérimentaux obtenus par le laboratoire SPCTS de l’Université de Limoges
The aim of this work is the modelling and the investigation of heat and mass transfer for in flight composite metal/ceramic particles (obtained by mecanofusion process) and sprayed in Ar-H2 75-25% vol. Arc-jet DC plasma. The use of coated powder has the potential for producing metal matrix composite MMC coatings. To date, the thermal behaviour of these coated powders has not been studied yet. The thermal modelling presented, apply to the spraying process under low loading conditions and the numerical solution is based on enthalpy formulation and finite volume discretization technique of the second order in time and space. A thermal contact resistance TCR based on the volume solid fraction of the materials under consideration is proposed, to take into account solid-liquid phase transition. The thermal behaviour of the composite particle in the jet and within the trajectories is investigated and the influence of the main parameters like the size of the particle, physical nature of the materials, and thermal resistance of contact are clearly identified. Finally, some numerical results are obtained, which are in agreement with experimental results previously obtained by SPCTS laboratory ot Limoges University

L'objectif de ce travail est d'établir une synthèse bibliographique sur la microstructure, la caractérisation colloïdale et rhéologique des suspensions de bentonite sans et avec l'ajout de polymères/tensioactifs ; d'aboutir à une caractérisation des propriétés rhéologiques de complexes argile-additif et de comprendre les mécanismes d'interactions entre les feuillets d'argile et le polymère. Les mesures rhéologiques, granulométriques et de diffraction par rayons X ont contribué à la compréhension du caractère rhéologique des mélanges eau-bentonite-polymères anioniques (CMC, SDS, xanthane) ainsi que la nature des interactions particule-particule et particule-additif. La partie modélisation a abouti à l’adoption du modèle de Tiu et Boger pour modéliser la thixotropie des suspensions de bentonite sans additif. Ainsi, un modèle original, avec des paramètres physiques, a été proposé pour une meilleure corrélation du comportement rhéologique des différents mélanges étudiés
The aim of the present work is to establish a bibliographical synthesis on the microstructure, the colloidal and rheological characterization of bentonite suspensions with and without polymer/surfactant addition; to lead to a rheological characterization of clay-additive mixtures and to understand the interaction between the clay particles and polymer/surfactants. Different experimental measurements: rheology, particle sizing, and x-ray diffraction were used to study the rheological character of the water-bentonite-anionic additive mixtures (CMC, SDS, xanthane) as well as the nature of the particle-particle interactions and particle-additive. The modeling part led to the adoption of Tiu and Boger's model to predict the thixotropy of the bentonite suspensions without additive. Thus, a new model is proposed with physical parameters for a better correlation of the rheological behavior of the various studied mixtures

Un des enjeux de l'aéronautique est de réduire l'impact environnemental des avions. Cet objectif se traduit par le développement de solutions alternatives aux matériaux métalliques comme 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 matrice céramique (CMC), les pièces sont revêtues de barrières environnementales (EBC) qui limitent la corrosion du CMC. La compréhension des mécanismes d'endommagement des EBC sur CMC est donc cruciale pour le développement des pièces en CMC à base carbure.Dans ce contexte, cette thèse s'est focalisée sur le comportement aux interfaces des différents constituants du système pour analyser la tenue du revêtement sur CMC. Il s'agit ainsi, d'une part, de proposer et de mettre en place des essais à l'ambiante et à haute température pour quantifier l'amorçage et la propagation de décohésions aux interfaces et de caractériser les propriétés associées, telles que l'énergie d'adhérence du revêtement sur le CMC, en utilisant différentes méthodes expérimentales de suivi de fissuration par méthodes optiques. D'autre part, le but est de proposer un dialogue étroit entre les essais et les modélisations associées. Pour cela des essais de flexion 4 points ont été menés à température ambiante et à 1000°C afin de faire propager des fissures stables à l'interface du système. Des mesures de champs cinématiques par corrélation d'images ont permis d'alimenter des simulations éléments finis afin de suivre la propagation des fissures et d'extraire une énergie d'adhérence interfaciale à l'échelle macroscopique. Ces essais et leur exploitation ont servi à caractériser la phase de propagation pour les deux températures et de comparer l'adhérence de systèmes sains et de systèmes préalablement vieillis sous environnement oxydant. Dans un deuxième temps, des essais au banc laser avec la présence de gradients thermiques au sein du système ont permis de caractériser la phase d'amorçage. Des observations au microscope électronique à balayage, l'utilisation de caméras thermiques et de capteurs d'émission acoustique sont venus compléter la base de données expérimentales
One of the challenges in aeronautics is to reduce the environmental impact of airplanes. This objective is pursued through the development of alternative solutions to metallic materials such as ceramic matrix composites. For the intended applications, the components are exposed to extremely severe thermomechanical and physicochemical environments (oxidation/corrosion), which can lead to material degradation and limit their lifespan. To protect the ceramic matrix composite (CMC), the components are coated with environmental barrier coatings (EBC) that mitigate the corrosion of the CMC. Understanding the damage mechanisms of EBC on CMC is therefore crucial for the development of carbide-based CMC components.In this context, this thesis focused on the behavior at the interfaces of the different constituents of the system to analyze the adhesion of the coating on the CMC. The aim is, on the one hand, to propose and implement tests at ambient and high temperatures to quantify the initiation and propagation of delamination at the interfaces and to characterize the associated properties, such as the adhesion energy of the coating on the CMC, using various experimental crack-tracking methods based on optical techniques. On the other hand, the goal is to establish a close interaction between the tests and the associated modeling. For this purpose, four-point bending tests were conducted at room temperature and at 1000°C to propagate stable cracks at the interface of the system. Kinematic field measurements through image correlation were used to inform finite element simulations in order to track crack propagation and extract interfacial adhesion energy at the macroscopic scale. These tests and their analysis were used to characterize the propagation phase at both temperatures and to compare the adhesion of pristine systems with systems that had been previously aged in an oxidizing environment. In a second phase, laser bench tests with the presence of thermal gradients within the system allowed for the characterization of the initiation phase. Scanning electron microscope observations, along with the use of thermal cameras and acoustic emission sensors, complemented the experimental database

L'utilisation des ceramiques techniques dans des structures soumises a des sollicitations thermomecaniques necessite la connaissance du comportement de ces materiaux face a une charge thermique exceptionnelle: le choc thermique. Apres une etude bibliographique prealable, un banc d'essai a ete construit. Celui-ci permet de generer un choc thermique par trempe a l'eau d'un echantillon prealablement chauffe dans un four. Il permet egalement l'acquisition numerique des temperatures lors de la trempe. Enfin il est equipe de hublots grace auxquels les phenomenes apparaissant lors de la trempe peuvent etre observes et filmes en ultra-cinema. L'analyse de tels films permet de mettre en evidence les differents phenomenes d'ebullition apparaissant lors de la trempe dans de l'eau a differentes temperatures (20c-100c) et de leur associer, par l'intermediaire d'un calcul numerique utilisant la technique des differences finies, le coefficient d'echange superficiel de chaleur correspondant. Une phase transitoire entre le debut du choc et l'etablissement d'un regime d'ebullition a ete mise en evidence. L'evaluation des etats de contrainte dans l'echantillon a ete realisee grace a un calcul thermomecanique utilisant la methode des elements finis (code de calcul samcef). Un calcul de probabilite de rupture utilisant les hypotheses formulees par weibull permet d'acceder a la probabilite de rupture en fonction du temps. Une etude experimentale a ensuite ete conduite sur du carbure de silicium puis sur un composite a matrice ceramique de type sic/sic. La determination de l'ecart critique de temperature (ecart minimal entre la temperature initiale de la piece et celle du bac de trempe pour lequel apparait une degradation de l'echantillon) pour le sic en fonction de la temperature du bain de trempe a permis de confirmer les resultats des calculs precedents. Les eprouvettes en sic/sic ont ete choquees thermiquement puis soumises a un essai de traction impose. L'augmentation de l'ecart de temperatures provoque une diminution du coefficient de proportionnalite. Des observations micrographiques au microscope electronique a balayage ont mis en evidence des fissures a travers les torons de fibres et une degradation des interfaces fibre-matrice localisee en peripherie de l'echantillon