Etude par une approche expérimentale in situ de l'endommagement d'un composite à matrice céramique sous sollicitations multiaxiales

In-situ experimental study of damage for a ceramic matrix composite submitted to multi-axial loading

• Auteur / Autrice : Léonard Turpin
• Direction : Éric Martin, Zoheir Aboura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 16/07/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Zoheir Aboura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Martin, Zoheir Aboura, Nathalie Limodin, Lionel Gélébart, Éric Maire, Jean-Noël Périé, Stéphane Roux, Olivier Caty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Limodin, Lionel Gélébart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Microtomographie

Composites à matrice céramique

Mots clés libres

Composite à Matrice Céramique

Micro-Tomographie

Endommagement

Chargement thermomécanique

Chargement multiaxial

Approche intégrée

Corrélation d’images volumiques

Ceramic Matrix Composite

Micro-Tomography

Damage

Thermo-Mechanical loading

Multi-axial loading

Integrated approach

Digital volume correlation

Résumé

Dans les zones chaudes de moteur d’avion, les composites à matrice céramique SiC/SiC doivent remplacer les uperalliages. L’armure 3D des SiC/SiC est conçue pour optimiser leur tenue mécanique en service. Elle dépend de la géométrie des pièces et de leurs chargements thermomécaniques. La mésostructure comporte alors des zones complexes, par exemple au niveau de coudes ou de jonctions. Une bonne compréhension du comportement thermomécanique dans ces zones est nécessaire pour modéliser, dimensionner et certifier les pièces aéronautiques.Un essai thermomécanique in situ, suivi par tomographie X et par thermographie infrarouge, a été conçu afin de donner accès au comportement, et notamment aux premiers phénomènes d’endommagement, de zones critiques soumises à des chargements multiaxiaux. Pour exploiter au mieux la grande quantité de données obtenues, une procédure spécifique d’identification des paramètres matériaux a été développée. Les tomographies sont reconstruites grâce à un algorithme restaurant les sinogrammes incomplets. Elles sont notamment utilisées pour construire un maillage basé image de l’éprouvette. Après l’étalonnage du modèle projectif de la caméra infrarouge, le champ thermique est reprojeté surce maillage. Les champs mesurés (volume et température de surface) sont alors exprimés dans une base commune relative à la pièce. La mesure cinématique est enfin effectuée par corrélation d’images volumiques intégrée en couplant ces deux champs.Cette démarche permet de lier intimement la mésostructure du matériau à son comportement macroscopique.

SiC/SiC ceramic matrix composites are expected to replace super-alloys in aircraft engine hot area. Their 3D-woven structure is designed to match part geometry and loading. The meso-structure includes complex zones, for instance in bend or in junction. A good understanding of the thermo-mechanical behaviour of those zones is needed to model, to design and to certify aeronautical parts.An in-situ thermo-mechanical experiment is set up, instrumented with x-ray tomography and infrared camera. It provides the behaviour of critical zones submitted to multi-axial loadings and, namely, the first occurrences of damage. To efficiently exploit the (huge) amount of data provided by full-field measurement, a procedure is set up to identify material properties. Tomographies are reconstructedthanks to an algorithm which in-paints incomplete sinograms. They are namely used to build an image-based mesh of the sample. After pin-hole model calibration of the camera, the thermal field is re-projected into the mesh. The two measured fields (volume and surface temperature) are then put in a common referential relating to the part. Eventually, the kinematic measurement is made by integrated digital volume correlation coupling those two fields.This procedure closely links material meso-structure to macroscopical behaviour.