Etude expérimentale et modélisation de la durabilité d'un contact représentatif de l'interface aube / disque de soufflante grenaillé soumis à des chargements de fretting / fatigue / usure

• Auteur / Autrice : Romain Ferré
• Direction : Siegfried Fouvry, Bruno Berthel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 24/05/2013
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes / LTDS
• Jury : Président / Présidente : David Nowell
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Palin-Luc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Charkaluk, Habibou Maitournam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Matériaux -- Fissuration

Frottement

Usure (mécanique)

Mots clés libres

Fretting

Fatigue

Fissuration

Amorçage

Usure

Gradient de contrainte

Multiaxialité

Approche non locale

Contraintes résiduelles

Ti-6A1-4V

Fretting

Fatigue

Crack nucleation

Wear

Stress gradient

Multiaxial fatigue

Non-local approach

Residual stresses

Ti-6A1-4V

Résumé

Ce travail porte sur l’étude du risque d’amorçage de fissure en fretting/fatigue du contact aubes/disque de soufflante en alliage de titane Ti-6Al-4V d’un turboréacteur civil. De part les vibrations du moteur et le passage du flux d’air, le contact aube/disque est sujet à de microdéplacements: le fretting. Ce problème complexe concerne des zones en contact de faibles dimensions subissant des pressions de contact importantes et des micro-déplacements associées à des structures soumises à des chargements eux-mêmes complexes. Des essais de fretting simple, fretting précontraint et fretting fatigue sont réalisés en vue d’identifier les conditions d’amorçage de fissure pour plusieurs géométries présentant des gradients de contraintes différents. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage. Ainsi, via des essais présentant une gamme étendue de gradient, il a été confirmé que les gradients de contraintes retardent l’initiation de fissure. Une approche non-locale couplée à un critère de fatigue multiaxiale et identifiée sur une unique condition expérimentale de fretting simple a permis la prédiction de l’ensemble des résultats expérimentaux. Ainsi, une méthodologie prédictive des durées de vie à amorçage a été proposée. Cette approche numérique intègre la multiaxialité du chargement, l’effet du gradient des contraintes, la réponse élastoplastique de l’interface et les limites de fatigue en traction/compression et torsion alternée du matériau. L’interface aube/disque grenaillée du moteur subit une alternance de sollicitations de faibles amplitudes générant l’amorçage de fissure, et de grandes amplitudes favorisant l’usure des zones en contact. Le phénomène de compétition usure/fissure a alors été étudié via les courbes en cloches (durée de vie en fonction de l’amplitude de déplacement) ainsi que l’influence des contraintes résiduelles de grenaillage. Une première conclusion sur l’effet bénéfique de l’usure a pu être apportée dans le cas d’un matériau sans traitement de surface. Si les contraintes résiduelles de grenaillage permettent d’apporter un gain notable sur les durées de vie pour des sollicitations de glissement partiel, à l’inverse, il a été observé que le matériau avec le traitement de surface de grenaillage présente des durées de vie plus faibles pour des sollicitations favorisant l’usure. À travers d’essais inédits avec un dispositif expérimental à trois vérins, le chargement complexe de l’interface aube/disque du moteur a pu être reproduit à l’échelle du laboratoire. Ainsi, la durabilité globale du contact représentatif de l’interface aube/disque de soufflante a été étudiée. Une synergie des sollicitations oligocycliques et polycycliques à l’interface a été constatée provoquant des phénomènes de réorganisation de contraintes résiduelles et l’accélération des cinétiques d’usure. Cette étude a montré l’importance de prendre en compte les sollicitations polycycliques dans le dimensionnement des structures aubes/disque. Ces sollicitations couplent les aspects de fatigue « fissuration » aux phénomènes de cumul de dommage et de cinétique d’usure des interfaces.

This work aims at studying the crack initiation risk of a blade/disk contact under fretting/fatigue loading. The fan stage of a civil engine is studied and the material used is a titanium alloy: Ti-6Al-4V. This complex issue concerns small contacts which are subjected to high contact pressures and micro-displacements. Thus, a complex multiaxial loading occurs on the structure. Fretting, static stressed fretting and fretting fatigue testing are performed in order to quantify the crack nucleation thresholds. In addition, several geometries which present different stress gradient values are used. The experimental results show a stress gradient effect on the crack initiation. Thus, using a wide range of stress gradient, it has been confirmed that stress gradient delays crack nucleation. A multiaxial fatigue criterion is used to determine the equivalent stress field under the contact. Then, a non-local approach, identified thanks to one fretting experimental condition, is employed in order to consider the stress gradient effect. This approach provides the prediction of the whole experimental results. In this way, a predictive method of the initiation fatigue life has been introduced. This numerical approach takes into account the multiaxial loading, the stress gradient effect, the plastic-elastic behavior of the interface and the fatigue strength limits of the material. The blade/disk contacts of the engine are shot-peened. During the flight, interfaces are subjected to low displacement amplitudes leading to crack initiation. On the other hand, during landing and take-off, contacts are submitted to high displacement amplitudes leading to the interface wear. As a consequence, competition between wear kinetic and nucleation one is studied and “bell curves” are plotted (i.e. fatigue life time versus displacement amplitude).Moreover, the effect of the shot-peening residual stresses on fatigue life time is observed. In case of un-treated material, a beneficial impact on the fatigue life time is observed due to wear process. Compressive residual stresses of shot-peening increase the fatigue life when fretting/fatigue on partial slip regime occurs. Nevertheless, a decrease of the fatigue life time is observed when wear process is activated by the gross slip condition. Finally, the complex loading of the engine blade/disk contact has been reproduced in the laboratory. To achieve this, a new testing, using an experimental machine composed of three hydraulic actuators is developed. Thus, the global life time of the representative interface of the fan stage is studied. Oligocyclic (low frequency) and polycyclic (high frequency) solicitations interact themselves and lead, firstly, to a rearrangement of the residual stresses, and secondly, to an increase of the wear kinetics. This research work highlights the interest to consider the polycyclic loadings to design the blade/disk structure. These solicitations reproduce the “cracking” fatigue phenomenon, the cumulative damages and the wear kinetics of the interface.