Durabilité tribologique de revêtements pour applications aéronautiques à haute température

par Marine Bernard

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Philippe Kapsa et de Vincent Fridrici.

Le président du jury était Cécile Langlade.

Le jury était composé de Viviane Turq, Christine Boher.

Les rapporteurs étaient Hamid Zaïdi.


  • Résumé

    De nombreuses pièces sont sujettes à des sollicitations de frottement à haute température dans le domaine de l’aéronautique. En effet, dans ce domaine, l’augmentation constante des puissances des réacteurs implique une augmentation de la température de fonctionnement des systèmes mécaniques et en particulier des contacts frottants. Cette augmentation de température a pour conséquence la diminution de la durabilité des matériaux lubrifiants solides actuellement utilisés pour ce type de contact. C’est pourquoi il est indispensable de sélectionner de nouveaux revêtements aux propriétés tribologiques à chaud améliorées. Dans cette optique, une thèse ayant pour sujet la durabilité de rotules aéronautiques d’attache mât-moteur de l’A380 soumises à des conditions extrêmes de fonctionnement en termes de température et de conditions glissement, a été effectuée au LTDS. Dans un premier temps, les endommagements de surface (abrasion, adhésion) des pièces réelles ont été analysés, à travers des analyses MEB/EDX du revêtement d’argenture déposé dans le contact entre les bagues intérieure et extérieure de la rotule. Des essais tribologiques en configuration classiquement utilisée, cylindre/plan (sur Cameron-Plint), ont ensuite été réalisés sur le revêtement d’argenture afin de comparer les endommagements observés in situ et sur banc. Dans le but de sélectionner un revêtement ou un couple de revêtements susceptibles de remplacer l’argenture dans le contact étudié, une dizaine de revêtements différents (couches accommodantes et couches dures) ont ensuite été testés individuellement en configuration cylindre/plan dans les mêmes conditions d’essai que dans le cas de l’argenture. Cette campagne d’essai a permis de dégager les plus performants/endurants tribologiquement. Parallèlement, un tribomètre original a été conçu au laboratoire afin de pouvoir simuler au mieux les conditions de contact réelles (sollicitations mécaniques, température de contact…). Ce tribomètre rotatif à haute température (TRHT), utilisable en configuration couronne/plan, permet d’appliquer simultanément au contact une force normale pouvant aller jusqu’à 50 kN, un mouvement rotatif alternatif, et une température de contact pouvant aller jusqu’à 1000°C grâce à un système de chauffage par induction. Les revêtements ayant démontré le meilleur comportement en termes de résistance à l’usure et au frottement au cours des essais en configuration cylindre/plan ont également été testés individuellement sur ce tribomètre en configuration couronne/plan. Les essais finaux ont été réalisés en interface complète, c'est-à-dire avec une couche accommodante déposée sur la pièce représentant la bague intérieure de la rotule, une couche dure déposée sur la pièce représentant la bague extérieure, et une couche à bas frottement (graisse ou vernis). Deux solutions de lubrification de ce type ont été déterminées pour le contact rotulé : une pour les rotules d’attache mât-moteur avant qui fonctionnent jusqu’à 160°C (CuNiIn + vernis Everlub / WC-C) et une pour les rotules d’attache mât-moteur arrière qui fonctionnent jusqu’à 570°C (stellite + vernisEverlub / TiHfCN).


  • Résumé

    In aeronautics tribology, mechanical parts are required to operate with increasing temperature. The increased functioning temperature of the contacts prone to friction and wear (such as bearings and other structural parts) is a direct consequence of the increasing power of jet engines. In the case of ball bearings, the substrate materials as well as the coating durability are affected by temperature. There is then a pressing need to introduce new coatings demonstrating effective tribological behaviour at high temperature. A PhD research subject was defined in partnership with Airbus Aerospace and SKF Aerospace and conducted at LTDS. The main goal of this research is to study the durability of ball bearings functioning under extreme conditions in terms of temperature and sliding friction. First, SEM/EDX analyses were done on the silver coating deposited in the contact between the ball bearings rings, in order to acknowledge the actual bearings surface damage. Tribological testing of the silver coating was then performed in a standard cylinder-on-flat configuration in order to compare in situ and experimental damages. More than ten different coatings (both soft and hard coatings, with solid lubrication properties and/or wear resistance properties) were then tested in the same configuration and conditions as the silver coating. These tests allowed us to identify the best suitable coatings for the application. An original test rig was also designed in the lab, in order to better simulate the bearings functioning conditions. This tribometer (TRHT) makes it possible to perform tests in ring-on-flat configuration (close contact) and to simultaneously apply a normal force up to 50 kN and a reciprocating rotating motion. Using this tribometer, the final tests were conducted on the best candidates among the different coatings, individually at first to assess their tribological behavior, and then in a configuration as close to reality as possible, with a hard coating covered ring and a soft coating covered flat, the contact between the two being greased or varnished. Finally, several possible solutions were determined, for two different functioning temperatures:160°C (CuNiIn + varnish Everlub / WC-C) and 570°C (stellite + varnish Everlub / TiHfCN).



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 19-03-2023


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Informations

  • Détails : 1 vol. (198 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 19 mars 2023

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