Fretting et fretting-fatigue à haute température d'alliages de titane revêtus

• Auteur / Autrice : Benjamin Van Peteghem
• Direction : Siegfried Fouvry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 19/09/2013
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Nélias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Berthel, Viviane Turq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Richard, François Robbe-Valloire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Titane -- Alliages

Frottement

Mots clés libres

Fretting

Alliages de titane

Contact aube-disque

Résumé

Les endommagements provoqués par le fretting sont multiples et peuvent causer de sévères disfonctionnements. Il est donc nécessaire d’étudier le fretting, en particulier dans le cas des alliages de titanes fréquemment employés dans l’aéronautique. Les endommagements générés par fretting peuvent être de l’usure, de la fissuration ou bien une combinaison des deux. La distinction entre ces deux comportements entraine régulièrement une dichotomie dans le choix des sujets traités. L’étude présentée ici fait le choix de rassembler en une seule démarche les études d’usure et de fissuration. Cette approche permet d’avoir une vision d’ensemble du comportement en fretting et fretting-fatigue d’un contact aube-disque dans un compresseur haute pression. Afin de respecter les contraintes industrielles, l’étude est réalisée à haute température (450°C) avec un contact plan sur plan revêtu. Pour réaliser cette étude, un dispositif expérimental original a été mis en place et validé. Les premiers résultats tribologiques montrent un effet majeur de la pression de contact sur le comportement tribologique de l’interface. Le coefficient de frottement du traitement de surface étudié diminue quand la pression de contact augmente. Une hypothèse d’expulsion du lubrifiant solide inclus dans le dépôt est proposée pour expliquer ce phénomène. Les résultats d’usure et notamment les analyses physicochimiques montrent un comportement sacrificiel du dépôt qui est usé préférentiellement au contre-corps. Cette caractéristique est bénéfique car dans l’application industrielle le contre-corps (le disque) doit être protégé en priorité par rapport à la pièce revêtue (l’aube). Les résultats d’usure dans la configuration industrielle sont complétés par une étude plus fondamentale mettant en évidence l’influence de la fréquence et du cycle de chargement du contact. La morphologie des traces d’usure est modifiée par ces deux facteurs, et le taux d’usure énergétique est également modifié. L’étude de la fissuration est menée en fretting simple et en fretting-fatigue. La fissuration du contre-corps non revêtu est modifiée par l’application d’un dépôt sur le poinçon revêtu. L’effet est principalement observable sur la longueur maximale de fissure, qui est divisée par deux dans le cas revêtu. Les résultats en fretting-fatigue sont également modifiés par la présence du revêtement, dont l’effet est plus présent pour les grands nombre de cycles. Enfin, une représentation des résultats sous forme de diagramme polaire normalisé est proposée afin de donner une image claire de l’ensemble des performances du dépôt.

Fretting damage is a major cause of defect. It is mandatory to study fretting in order to improve material performances, especially for titanium alloys used in aeronautics. Fretting induces wear, cracking or both damages in bodies in contact. The usual topics of fretting studies deal with one of these damages. In the one presented here, wear and cracking are studied simultaneously. This point of view allows a global approach of the blade-disk contact behavior in case of fretting in a turbojet high pressure compressor. Due to industrial constraints, the temperature of this study is 450°C and the contact geometry is coated plane on plane. This study is performed on an original experimental setup made for it. This setup enables fretting-fatigue tests at constant fretting force even if fatigue force varies. The first’s results regard tribological behavior. A significant effect of pressure is shown: the more the pressure, the smaller the coating friction coefficient. The given hypothesis is an expulsion of solid lubricant contained in surface treatment. Wear results show a sacrificial behavior of the coating. The surface treatment is worn preferentially than counter-body. From an industrial point of view, this characteristic is a good way to protect the uncoated counter-body (disk) instead of coated part (blade). In parallel, another study shows effect of frequency and load variation during cycle in a more fundamental case. Wear scar profile and wear rate is modified by these two parameters. Plain fretting tests and fretting-fatigue tests are performed to study fretting cracking process. Fretting induced cracking on counter-body is modified by coating on the punch. Maximal crack length is twice as short in coating condition as in uncoated condition. In fretting-fatigue, the coating is more efficient in high cycle fatigue. As a conclusion, a polar diagram is used in order to present global results and performances of the coating.