Etude des propriétés micromécaniques des lits de débris pour une modélisation physique des phénomènes d'usure

par Vivien Lefranc

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Véronique Aubin.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec MSSMAT - Mécanique des sols structures et Matériaux (laboratoire) et de CentraleSupélec (référent) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    L'évolution de la cinétique d'usure d'un contact TA6V/TA6V (problématique d'un contact aube disque d'un turbo réacteur) sous sollicitations variables de fretting (micro-débattements alternés) est relativement complexe [1]. Durant les phases dites de glissement total (mise en glissement généralisé de l'interface), l'énergie de frottement génère une augmentation linéaire du volume d'usure ainsi que la formation d'un lit de débris piégé dans l'interface. Ce lit de débris présente une structure composite composée d'une couche de transferts de titane (Transformation Tribologique Surfacique), et d'un 3ème corps constitué de débris pulvérulents oxydés issu d'un phénomène d'usure abrasive. Lorsque ce contact bascule en glissement partiel, l'énergie de frottement devient très faible n'induisant pas en théorie de dégradations des premiers corps (massifs de TA6V en contact). Cependant, le chargement cyclique engendre un processus de fissuration par fatigue oligocyclique de la TTS qui par nature est plus fragile que les substrats en TA6V. Lorsque le contact rebascule en glissement total, la TTS ainsi fracturée est rapidement éliminée ce qui induit une discontinuité de l'augmentation du volume d'usure (Fig. 1) [1,2]. Des premières recherches ont permis de formaliser de façon semi-empirique la cinétique d'usure d'une interface TA6V soumise à des blocs séquentiels de glissements variables. Cependant, pour modéliser de façon plus fiable ce processus, il est désormais nécessaire d'établir une modélisation multi échelle prenant en compte le comportement mécanique du lit de débris présent dans l'interface. A l'aide d'un essai de fretting installé sur un banc hydraulique (Fig. 1), une étude expérimentale sera réalisée de façon à établir les cinétiques de formation et de destruction du lit de débris. Le doctorant s'intéressera en particulier aux conditions permettant de générer des phases recristallisées de type TTS ; L'objectif étant d'identifier une loi d'usure permettant de quantifier la dynamique de l'endommagement des interfaces en fonction des conditions de pression, d'amplitude de glissement et d'ouverture du contact. Le second volet de l'étude consistera à caractériser le comportement des couches de TTS ainsi formées. Ces dernières mesurant de l'ordre de 50µm d'épaisseur, on propose pour cela d'utiliser les essais micromécaniques développés récemment au laboratoire grâce aux moyens de l'Equipex Matmeca : mesure de contrainte résiduelle par découpe FIB, essais mécaniques sur micro-éprouvettes découpées au FIB, caractérisation de la topographie de surface au MEB après déformation [3,4] (Fig. 2). Des essais de traction, fatigue et flexion seront effectués sur des micro-éprouvettes de quelques m2 de section prélevées dans la TTS et dans le 3ème corps afin de mesurer leur comportement mécanique en utilisant différents moyens de caractérisation : les champs de déplacement par corrélation d'images numériques et les déplacements hors plan par mesure de la topographie de surface. Comme les déformations plastiques dues au frottement sont intenses, un phénomène de recristallisation de nano-grains (grains de quelques dizaines de nm) a lieu et leur orientation cristalline doit alors être étudiée au MET [5,6]. Le dernier volet de l'étude consistera en l'identification du comportement par simulation des mesures expérimentales. La simulation de la réponse des micro-éprouvettes permettra d'extraire par analyse inverse la loi de comportement de la TTS mais aussi son comportement cyclique (fissuration par fatigue) et sa ténacité (KIC). Disposant de ces données, on réalisera une modélisation éléments finis multi-échelle de l'usure qui intégrera le gradient de propriétés mécaniques sous le contact de façon à établir une description plus physique des phénomènes d'endommagement observés [2]. Cette recherche, qui nécessitera de développer à la fois des expérimentations et des simulations en intégrant une analyse micromécanique des lits de débris est très innovante et permettra à terme une modélisation plus représentative des phénomènes d'usure des contacts.

  • Titre traduit

    Study of the micromechanical properties of debris beds for physical modelling of wear phenomena


  • Résumé

    The evolution of the wear kinetics of a TA6V/TA6V contact (disc blade contact problem in turbojet engine) under variable fretting stresses (alternating micro-sliding) is relatively complex [1]. During the so-called gross slip (generalized sliding of the interface), the frictional energy generates a linear increase in the wear volume as well as the formation of a debris bed trapped in the interface. This debris bed has a composite structure composed of a titanium transfer layer (Tribologically Transformed Surface), and a third body made of oxidized pulverulent debris resulting from an abrasive wear phenomenon (Fig.1). When this contact switches to partial slip, the frictional energy becomes very low and does not, in theory, induce degradation of the first bodies (main TA6V bodies). However, cyclic loading generates a process of low cycle fatigue cracking of the TTS which by nature is more fragile than the TA6V substrates. When the contact switches again to gross slip, the fractured TTS is rapidly eliminated, resulting in a discontinuity in the increase in wear volume (Fig. 1) [1,2]. Initial research has made it possible to formalize in a semi-empirical way the wear kinetics of a TA6V interface subjected to sequential blocks of variable fretting slip. However, in order to model this process reliably, it is now necessary to establish a multi-scale model taking into account the mechanical behaviour of the debris bed present in the interface. Using a fretting test installed on a hydraulic machine (Fig. 1), an experimental study will be carried out in order to establish the kinetics of formation and destruction of the debris bed. The PhD student will particularly focus on the conditions allowing the generation of TTS recrystallized phases. The objective is to identify a wear law allowing to quantify the dynamics of interface damage as a function of pressure conditions, slip amplitude and contact opening. The second part of the study will consist in characterizing the behaviour of the TTS layers thus formed. As the TTS layers are about 50µm thick, it will be conducted using the micromechanical tests recently developed in the laboratory with the help of Matmeca Equipex: residual stress measurement by FIB cutting, mechanical tests on micro-samples cut by FIB, characterization of the surface topography by SEM after deformation [3,4] (Fig. 2). Tensile, fatigue and bending tests will be carried out on micro-samples of a few µm2 cross-section taken from the TTS and the 3rd body in order to measure their mechanical behaviour using different means of characterisation: displacement fields by digital image correlation and out-of-plane displacements by measurement of the surface topography. As the plastic deformations due to friction are intense, a phenomenon of recrystallization of nano grains (grains of a few tens of nm) takes place and their crystalline orientation must then be studied with TEM [5,6]. The last part of the study will consist in identifying the material behaviour by simulation of the experimental measurements. The simulation of the response of the micro test specimens will allow to extract by inverse analysis the behaviour law of the TTS but also its cyclic behaviour (fatigue cracking) and its toughness (KIC). Using these data, a multi-scale finite element modeling of the wear will be carried out. It will integrate the identified gradient of mechanical properties under contact in order to establish a more physical description of the observed damage phenomena [2]. This research, which will require the development of both experiments and simulations by integrating a micromechanical analysis of debris beds, is very innovative and will eventually allow a more representative modelling of contact wear phenomena.