FR3107959A1 - CHARACTERIZATION TEST PROCEDURE OF A COMPOSITE MATERIAL TEST AND CORRESPONDING INSTALLATION - Google Patents

CHARACTERIZATION TEST PROCEDURE OF A COMPOSITE MATERIAL TEST AND CORRESPONDING INSTALLATION Download PDF

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Matteo MINERVINO
Hervé Grelin
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Abstract

TITRE : PROCEDE D’ESSAI DE CARACTERISATION D’UNE EPROUVETTE EN MATERIAU COMPOSITE ET INSTALLATION CORRESPONDANTE L’invention concerne un procédé d’essai de caractérisation d’une éprouvette (10) en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes : fourniture d’une éprouvette (10) en matériau composite représentative d’une pièce (1), telle qu’une pièce de turbomachine, l’éprouvette (10) étant réalisée avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique et comportant une première extrémité (11) et une deuxième extrémité (12) s’étendant de part et d’autre d’une zone utile (13) suivant une direction longitudinale L, fixation des première et deuxième extrémités (11, 12) respectivement à un premier et un deuxième module de serrage (22, 23) d’une installation d’essai de caractérisation (20), sollicitation en fatigue thermomécanique de l’éprouvette (10) dans laquelle : la zone utile (13) de l’éprouvette (10) est chauffée suivant une succession de cycles thermiques (CT) où la zone utile (13) de l’éprouvette est chauffée d’une première température à une deuxième température pendant une première période de temps prédéterminée, et l’éprouvette (10) est soumise simultanément à une première succession de cycles (CM1) de contraintes mécaniques entre une contrainte mécanique minimale et une contrainte mécanique maximale pendant la période de temps prédéterminée. Figure pour l’abrégé : Figure 4TITLE: CHARACTERIZATION TEST METHOD OF A COMPOSITE MATERIAL TEST AND CORRESPONDING INSTALLATION The invention relates to a characterization test method of a composite material test piece (10), the method comprising the following steps: providing a specimen (10) of composite material representative of a part (1), such as a turbomachine part, the specimen (10) being produced with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix and comprising a first end (11) and a second end (12) extending on either side of a useful area (13) in a longitudinal direction L, fixing the first and second ends (11, 12) respectively to a first and a second module of clamping (22, 23) of a characterization test installation (20), thermomechanical fatigue stress of the test piece (10) in which: the useful zone (13) of the test piece (10) is heated according to a succession of thermal cycles (TC) where the useful zone (13) of the specimen is heated from a first temperature to a second temperature for a first predetermined period of time, and the specimen (10) is simultaneously subjected to a first succession of cycles (CM1) of mechanical stresses between a minimum mechanical stress and a maximum mechanical stress during the predetermined period of time. Figure for the abstract: Figure 4

Description

PROCEDE D’ESSAI DE CARACTERISATION D’UNE EPROUVETTE EN MATERIAU COMPOSITE ET INSTALLATION CORRESPONDANTECHARACTERIZATION TEST PROCEDURE FOR A COMPOSITE MATERIAL SPECIMEN AND CORRESPONDING INSTALLATION

Domaine de l’inventionField of invention

La présente invention concerne le domaine des essais de caractérisation d’échantillons de matériaux de manière à étudier leurs comportements et propriétés sous certaines sollicitations.The present invention relates to the field of characterization tests on samples of materials in order to study their behavior and properties under certain stresses.

Arrière-plan techniqueTechnical background

Il est connu de soumettre des échantillons de matériau ou éprouvettes à des essais de caractérisation mécanique ou thermique afin de déterminer leur résistance dans un environnement souvent agressif où les pièces composées de ces matériaux évolueront et ainsi leur durée de vie. C’est le cas des pièces dans le domaine aéronautique et notamment des pièces de turbomachine réalisées avec ces matériaux.It is known to submit material samples or specimens to mechanical or thermal characterization tests in order to determine their resistance in an often aggressive environment where the parts made of these materials will evolve and thus their lifespan. This is the case for parts in the aeronautical field and in particular turbomachine parts made with these materials.

Les pièces de turbomachine sont réalisées depuis ces dernières années en matériau composite dans le but d’améliorer leurs capacités de résistances thermomécaniques et de réduire leurs masses. Les matériaux composites à matrice organique (siglé CMO) qui comprennent un renfort fibreux réalisé par un tissage et noyé dans une matrice organique, permettent par exemple la fabrication d’aubes de soufflante ou des carters de soufflante. Ces matériaux composites sont sensibles aux températures élevées, telles que supérieures à 120°C, qui peuvent entraîner des dégradations comme l’oxydation thermique qui est susceptible de conduire à une perte prématurée des propriétés mécaniques et/ou physiques de la pièce. D'autre part, les sollicitations mécaniques que subit la pièce dans cet environnement peuvent accélérer l’endommagement de la pièce.Turbomachine parts have been made in recent years in composite material in order to improve their thermomechanical resistance capacities and reduce their masses. Composite materials with an organic matrix (signed CMO) which include a fibrous reinforcement made by weaving and embedded in an organic matrix, allow for example the manufacture of fan blades or fan casings. These composite materials are sensitive to high temperatures, such as above 120°C, which can lead to degradation such as thermal oxidation which is likely to lead to premature loss of the mechanical and/or physical properties of the part. On the other hand, the mechanical stresses that the part undergoes in this environment can accelerate the damage of the part.

Lors d’un essai de caractérisation d’éprouvette dans une machine d’essai, en particulier des essais de caractérisation thermique qui utilisent des cycles thermiques, les dégradations observées sont en particulier la déformation de la matrice, voire la fissuration de celle-ci qui peut se développer lors des cycles thermiques sous environnement oxydant et sans qu’aucune charge mécanique ne soit appliquée à l’éprouvette. Parallèlement, à une échelle plus locale, des décohésions aux interfaces fibres/matrice peuvent se développer au cours de l’essai thermique. Ces décohésions fournissent des nouvelles surfaces directement exposées à l'environnement, en facilitant la diffusion de l'oxygène, et accélèrent la dégradation du matériau composite.During a specimen characterization test in a testing machine, in particular thermal characterization tests which use thermal cycles, the degradations observed are in particular the deformation of the matrix, or even the cracking of the latter which can develop during thermal cycles in an oxidizing environment and without any mechanical load being applied to the specimen. At the same time, on a more local scale, decohesions at the fibre/matrix interfaces can develop during the thermal test. These decohesions provide new surfaces directly exposed to the environment, facilitating the diffusion of oxygen, and accelerating the degradation of the composite material.

Les éprouvettes sont ensuite soumises à des essais de caractérisation afin d’étudier leurs comportements mécaniques. Cependant, les essais de caractérisation thermique s’étalent sur environ une période d’au moins un mois, nécessaire pour activer les mécanismes de dégradations alors qu’un essai classique en fatigue mécanique dure environ une semaine. Ces essais en fatigue thermique et mécanique sont donc distincts ce qui empêche de caractériser le couplage entre l’endommagement induit par l’effet thermique et celui généré par la sollicitation mécanique, ce phénomène de dégradation «thermomécanique» pouvant être plus néfaste pour la tenue du CMO que la simple succession des sollicitations. Or, en condition réelle, les pièces sont en effet exposées à des températures élevées et subissent des contraintes mécaniques plus ou moins faibles simultanément et cela sur plusieurs années.The specimens are then subjected to characterization tests in order to study their mechanical behavior. However, the thermal characterization tests are spread over approximately a period of at least one month, necessary to activate the degradation mechanisms, whereas a conventional mechanical fatigue test lasts approximately one week. These thermal and mechanical fatigue tests are therefore distinct, which prevents characterization of the coupling between the damage induced by the thermal effect and that generated by the mechanical stress, this "thermomechanical" degradation phenomenon possibly being more harmful for the behavior of the CMO than the simple succession of solicitations. However, in real conditions, the parts are indeed exposed to high temperatures and undergo more or less low mechanical stresses simultaneously and this over several years.

L’objectif de la présente invention est de caractériser le vieillissement d’un matériau composite de manière à activer les mécanismes de dégradation par vieillissement thermique parallèlement aux mécanismes d’endommagement mécanique, dans des conditions quasi proches de l’environnement de travail de la pièce en matériau composite.The objective of the present invention is to characterize the aging of a composite material so as to activate the mechanisms of degradation by thermal aging in parallel with the mechanisms of mechanical damage, under conditions almost close to the work environment of the part. in composite material.

Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un procédé d’essai de caractérisation d’une éprouvette en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes:We achieve this objective in accordance with the invention thanks to a characterization test method of a specimen made of composite material, the method comprising the following steps:

  • fourniture d’une éprouvette en matériau composite représentative d’une pièce, telle qu’une pièce de turbomachine, l’éprouvette étant réalisée avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique et comportant une première extrémité et une deuxième extrémité s’étendant de part et d’autre d’une zone utile suivant une direction longitudinale L,supply of a test piece made of composite material representative of a part, such as a turbomachine part, the test piece being made with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix and comprising a first end and a second end extending from either side and on the other side a useful zone along a longitudinal direction L,
  • fixation des première et deuxième extrémités respectivement à un premier et un deuxième module de serrage d’une installation d’essai de caractérisation,fixing the first and second ends respectively to a first and a second clamping module of a characterization test installation,
  • sollicitation en fatigue thermomécanique de l’éprouvette dans laquelle:
    • la zone utile de l’éprouvette est chauffée suivant une succession de cycles thermiques où la zone utile de l’éprouvette est chauffée d’une première température à une deuxième température pendant une période de temps prédéterminée, et
    • l’éprouvette est soumise simultanément à une première succession de cycles de contraintes mécaniques entre une contrainte mécanique minimale et une contrainte mécanique maximale pendant la période de temps prédéterminée.
    thermomechanical fatigue stress on the specimen in which:
    • the useful zone of the specimen is heated according to a succession of thermal cycles where the useful zone of the specimen is heated from a first temperature to a second temperature for a predetermined period of time, and
    • the specimen is simultaneously subjected to a first succession of mechanical stress cycles between a minimum mechanical stress and a maximum mechanical stress during the predetermined period of time.

Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, un tel procédé permet de caractériser la nocivité du couplage entre l’endommagement généré par le vieillissement à haute température (isotherme et/ou cyclique) et l’endommagement mécanique à l’échelle mésoscopique d’un matériau composite avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique. Le vieillissement est dit «isotherme» si l’exposition de l’éprouvette à haute température est réalisée de manière continue. Le terme «cyclage» est employé lorsque l’éprouvette cycle entre une température minimale et une température maximale. Cette fatigue thermomécanique permet également d’accélérer les essais car les cycles de fatigues thermiques et de fatigues mécaniques oligocycliques sont opérés sur la même période de temps. La durée des essais est également prolongée car les première et deuxième extrémités de l’éprouvette sont correctement maintenues, ne glissent pas, et ne se déforment pas à cause de la sollicitation thermique. Le vieillissement du matériau composite réalisé est plus proche du comportement réel du matériau composite.Thus, this solution achieves the above objective. In particular, such a method makes it possible to characterize the harmfulness of the coupling between the damage generated by aging at high temperature (isothermal and/or cyclic) and the mechanical damage at the mesoscopic scale of a composite material with a fibrous reinforcement. embedded in an organic matrix. Aging is said to be “isothermal” if the exposure of the specimen to high temperature is carried out continuously. The term "cycling" is used when the specimen cycles between a minimum temperature and a maximum temperature. This thermomechanical fatigue also makes it possible to accelerate the tests because the cycles of thermal fatigue and low-cycle mechanical fatigue are operated over the same period of time. The duration of the tests is also extended because the first and second ends of the specimen are correctly maintained, do not slip, and do not deform due to thermal stress. The aging of the composite material produced is closer to the real behavior of the composite material.

Nous entendons dans la présente invention par le terme «thermomécanique» les phénomènes de dégradation de la matrice qui se mettent en place à partir d’une température supérieure à 120°C (thermo-oxydation), ainsi que la fatigue et le fluage (mécanique).We understand in the present invention by the term "thermomechanical" the phenomena of degradation of the matrix which are put in place from a temperature higher than 120°C (thermo-oxidation), as well as fatigue and creep (mechanical ).

Le procédé comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises seules ou en combinaison:The method also includes one or more of the following features and/or steps, taken alone or in combination:

  • la première période de temps prédéterminée dure au moins deux heures.the first predetermined period of time lasts at least two hours.
  • chaque cycle thermique comprend une plage de maintien en température à la deuxième température avant d’être refroidie à la première température.each thermal cycle includes a temperature holding range at the second temperature before being cooled to the first temperature.
  • la plage de maintien en température à la deuxième température dure au moins deux heures.the temperature holding range at the second temperature lasts at least two hours.
  • la première température est comprise entre -55°C et 60°C et la deuxième température est comprise entre 120°C et 200°C.the first temperature is between -55°C and 60°C and the second temperature is between 120°C and 200°C.
  • chaque première succession de cycles de contraintes mécaniques comprend une deuxième succession de cycles de contraintes mécaniques appliquées de manière discontinue sur un intervalle de temps correspondant à la plage de maintien en température.each first succession of mechanical stress cycles comprises a second succession of mechanical stress cycles applied discontinuously over a time interval corresponding to the temperature maintenance range.
  • le procédé comprend une étape de refroidissement des premier et deuxième modules de serrage à une température dont la valeur est inférieure à la température de transition vitreuse de la matrice organique.the method comprises a step of cooling the first and second clamping modules to a temperature whose value is lower than the glass transition temperature of the organic matrix.
  • les premier et deuxième modules de serrage sont refroidis à une température dont la valeur est inférieure à 50°C.the first and second clamping modules are cooled to a temperature whose value is less than 50°C.
  • les contraintes mécaniques sont des contraintes de compression et de traction dont le rapport est de -1.the mechanical stresses are compressive and tensile stresses whose ratio is -1.
  • les cycles thermiques sont réalisés à une fréquence inférieure ou égale à 2Hz.the thermal cycles are carried out at a frequency less than or equal to 2Hz.
  • les moyens de refroidissement de la zone utile de l’éprouvette comprennent un réfrigérateur ou dispositif de ventilation.the means of cooling the useful area of the specimen include a refrigerator or ventilation device.
  • les éléments de mesure de température comprennent un thermocouple.the temperature sensing elements include a thermocouple.
  • l’éprouvette est réalisée en une seule pièce.the specimen is made in one piece.
  • le renfort fibreux est obtenu par un tissage tridimensionnel ou bidimensionnel.the fiber reinforcement is obtained by three-dimensional or two-dimensional weaving.

L’invention concerne également une installation d’essai de caractérisation d’une éprouvette en matériau composite, l’installation comprenant:The invention also relates to a test facility for characterizing a specimen made of composite material, the facility comprising:

  • un premier et un deuxième module de serrage destinés à retenir respectivement une première et une deuxième extrémités d’une éprouvette en matériau composite représentative d’une pièce, telle qu’une pièce de turbomachine, l’éprouvette étant réalisée avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique,a first and a second clamping module intended to retain respectively a first and a second end of a test specimen made of composite material representative of a part, such as a turbomachine part, the test specimen being made with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix,
  • un module de traitement thermique d’une zone utile de l’éprouvette agencée entre la première extrémité et la deuxième extrémité,a module for heat treatment of a useful zone of the specimen arranged between the first end and the second end,
  • un système électronique de commande destiné à piloter le module de traitement thermique et les modules de serrage de manière à réaliser une sollicitation thermomécanique dans laquelle:
    • la zone utile de l’éprouvette est chauffée et/ou refroidie suivant une succession de cycles thermiques où la zone utile de l’éprouvette est chauffée d’une première température à une deuxième température pendant une première période de temps prédéterminée, et
    • l’éprouvette est soumise simultanément à une première succession de cycles de contraintes mécaniques entre une contrainte mécanique minimale et une contrainte mécanique maximale pendant la période de temps prédéterminée.
    an electronic control system intended to control the heat treatment module and the tightening modules so as to produce a thermomechanical stress in which:
    • the useful zone of the specimen is heated and/or cooled according to a succession of thermal cycles where the useful zone of the specimen is heated from a first temperature to a second temperature for a first predetermined period of time, and
    • the specimen is simultaneously subjected to a first succession of mechanical stress cycles between a minimum mechanical stress and a maximum mechanical stress during the predetermined period of time.

L’installation comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison:The installation also includes one or more of the following features, taken alone or in combination:

  • un système de refroidissement monté sur un bâti et destiné à refroidir les modules de serrage (à une température inférieure à la température de transition vitreuse du matériau composite.a cooling system mounted on a frame and intended to cool the clamping modules (to a temperature below the glass transition temperature of the composite material.
  • le système de refroidissement comprend des moyens de refroidissement de la zone utile de l’éprouvette.the cooling system includes means for cooling the useful zone of the specimen.
  • le module de traitement thermique comprend un organe de chauffage installé sur l’éprouvette et agencé autour de la zone utile de l’éprouvette.the heat treatment module comprises a heating device installed on the specimen and arranged around the useful zone of the specimen.
  • l’organe de chauffage est une résistance à spirale.the heating element is a spiral resistor.
  • des éléments de mesure de la température de l’éprouvette sont disposés au niveau de la zone utile de l’éprouvette et sont reliés au système électronique de commande.elements for measuring the temperature of the specimen are placed at the level of the useful zone of the specimen and are connected to the electronic control system.

Brève description des figuresBrief description of figures

L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels:The invention will be better understood, and other aims, details, characteristics and advantages thereof will appear more clearly on reading the detailed explanatory description which follows, of embodiments of the invention given as purely illustrative and non-limiting examples, with reference to the attached schematic drawings in which:

La figure 1 est une vue en perspective d’un exemple d’aube de turbomachine et en particulier d’une aube de soufflante réalisée en matériau composite à matrice organique à laquelle s’applique l’invention; FIG. 1 is a perspective view of an example of a turbine engine blade and in particular of a fan blade made of a composite material with an organic matrix to which the invention applies;

La figure 2 est une vue de dessus d’un exemple d’éprouvette représentative d’une pièce réalisée en matériau composite à matrice organique selon l’invention; FIG. 2 is a top view of an example of a specimen representative of a part made of composite material with an organic matrix according to the invention;

La figure 3 est une vue schématique et en perspective d’un exemple d’installation de caractérisation dans laquelle est installée une éprouvette selon l’invention; et FIG. 3 is a schematic view in perspective of an example of a characterization installation in which a specimen according to the invention is installed; And

La figure 4 représente un exemple de cycle de fatigue thermomécanique que subit une éprouvette selon l’invention. FIG. 4 represents an example of a thermomechanical fatigue cycle undergone by a specimen according to the invention.

Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention

La figure 1 montre une vue en perspective d’une aube de turbomachine 1 d’aéronef réalisée dans un matériau composite. L’aube 1 est avantageusement destinée à équiper une soufflante d’une turbomachine double flux et double corps.Figure 1 shows a perspective view of an aircraft turbomachine 1 blade made of a composite material. The blade 1 is advantageously intended to equip a fan of a dual-flow, dual-body turbomachine.

Une turbomachine d’axe longitudinal X double flux et double corps comprend typiquement une soufflante qui est montée en amont d’un générateur de gaz ou moteur (non représenté) suivant la circulation des gaz dans la turbomachine et ici suivant l’axe longitudinal X. Le générateur de gaz comprend d’amont en aval, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. La soufflante comprend une pluralité d’aubes de soufflante qui s’étendent chacune suivant un axe radial Z perpendiculaire à l’axe longitudinal X et dont les extrémités libres sont entourées par un carter de soufflante. Le flux d’air qui traverse la soufflante est divisé en un flux d’air primaire qui traverse le générateur de gaz et en particulier dans une veine primaire, et en un flux d’air secondaire qui circule autour du générateur de gaz dans une veine secondaire entourant la veine primaire.A double-flow, double-body longitudinal axis X turbomachine typically comprises a fan which is mounted upstream of a gas generator or motor (not shown) following the circulation of the gases in the turbomachine and here along the longitudinal axis X. The gas generator comprises, from upstream to downstream, a low pressure compressor, a high pressure compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine and a low pressure turbine. The fan comprises a plurality of fan blades which each extend along a radial axis Z perpendicular to the longitudinal axis X and whose free ends are surrounded by a fan casing. The air flow which passes through the fan is divided into a primary air flow which passes through the gas generator and in particular in a primary stream, and into a secondary air flow which circulates around the gas generator in a stream secondary surrounding the primary vein.

Des pièces ou organes de la turbomachine décrite ci-dessus tels que les aubes de soufflante, aube de stator ou encore le carter de soufflante, peuvent être réalisées dans un matériau composite avec un renfort fibreux noyé dans une matrice. Bien entendu l’invention s’applique à tous types de pièces pouvant être réalisées en matériaux composites.Parts or components of the turbomachine described above, such as the fan blades, stator blade or even the fan casing, can be made of a composite material with a fibrous reinforcement embedded in a matrix. Of course, the invention applies to all types of parts that can be made of composite materials.

Le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, notamment de turbomachine, comprend les étapes suivantes:The process for manufacturing a composite material part, in particular a turbomachine, comprises the following steps:

  • réalisation d’une préforme (ou texture fibreuse ou tissu ou encore pli) avec un renfort fibreux. Le renfort fibreux est destiné à apporter la résistance à la pièce finale.production of a preform (or fibrous texture or fabric or fold) with a fibrous reinforcement. The fibrous reinforcement is intended to provide resistance to the final part.
  • injection d’une matrice dans une enceinte d’injection dans laquelle est disposée la préforme. La matrice peut être injectée par voie liquide tel que par la technologie RTM (dont l’acronyme signifie en anglais Resin Transfert Moulding pour moulage par transfert de résine).injection of a matrix into an injection enclosure in which the preform is placed. The matrix can be injected by liquid means such as by RTM technology (whose acronym stands for Resin Transfer Molding in English).
  • polymérisation ou durcissement de la matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux pour obtenir une pièce finale rigide.polymerization or hardening of the matrix in which the fibrous reinforcement is embedded to obtain a final rigid part.

Le renfort fibreux de la préforme est obtenu par un tissage tridimensionnel (ou tissage 3D) ou bidimensionnel (tissage D2) de fils. Le renfort fibreux peut encore être obtenu par une stratification de plusieurs plis tissés bidimensionnels. Dans la présente invention, nous entendons par l’expression «tissage tridimensionnel» ou «tissage 3D» un mode de tissage dans lequel des fils de chaîne sont liés à des fils de trames sur plusieurs couches.The fibrous reinforcement of the preform is obtained by three-dimensional weaving (or 3D weaving) or two-dimensional (D2 weaving) of yarns. The fibrous reinforcement can also be obtained by a lamination of several two-dimensional woven plies. In the present invention, we mean by the expression “three-dimensional weaving” or “3D weaving” a mode of weaving in which warp threads are linked to weft threads on several layers.

Le tissage peut présenter une armature, structure ou motif de tissage de type satin, sergé, toile, taffetas, ou interlock, etc.The weave may have a weave, structure or weave pattern such as satin, twill, canvas, taffeta, or interlock, etc.

Les fibres peuvent être des fibres courtes ou des fibres continues unidirectionnelles.The fibers can be short fibers or unidirectional continuous fibers.

De préférence, le tissage du renfort fibreux est tridimensionnel lequel offre une meilleure résistance au délaminage.Preferably, the weaving of the fibrous reinforcement is three-dimensional which offers better resistance to delamination.

Les matériaux des fils ou torons utilisés pour réaliser le tissage du renfort fibreux comprennent des fibres de carbone, de verre, de céramique, de silice, de carbure de silicium, de kevlar, de polyamide, d’alumine ou un mélange de ces fibres. Les fibres de carbone ou de verre peuvent être courtes ou continues unidirectionnelles.The materials of the yarns or strands used to carry out the weaving of the fibrous reinforcement comprise carbon, glass, ceramic, silica, silicon carbide, Kevlar, polyamide, alumina fibers or a mixture of these fibers. Carbon or glass fibers can be short or continuous unidirectional.

Dans le présent exemple, le tissage 3D présente une structure (ou armature) interlock. Cette structure interlock permet d’avoir une meilleure tenue à l’impact (tel que des impacts d’oiseaux, de grêlons, etc.).In this example, the 3D weave has an interlock structure (or weave). This interlock structure provides better resistance to impact (such as bird strikes, hailstones, etc.).

La matrice permettant une densification du renfort fibreux est choisie en fonction de l’application souhaitée, ici pour l’aube de soufflante. La matrice est organique. Cette dernière peut être une matrice polymérique telle qu’une résine thermodurcissable à base d’époxy ou une résine phénolique telle que les polybismaléimides (BMI). La matrice polymérique peut encore être une résine thermoplastique. Dans la présente description, les termes «résine» et «matrice» sont équivalents.The matrix allowing densification of the fibrous reinforcement is chosen according to the desired application, here for the fan blade. The matrix is organic. The latter can be a polymeric matrix such as an epoxy-based thermosetting resin or a phenolic resin such as polybismaleimides (BMI). The polymer matrix can also be a thermoplastic resin. In the present description, the terms “resin” and “matrix” are equivalent.

Afin de vérifier que les pièces en matériau composite, notamment avec un renfort fibreux, telles que susmentionnés présentent une durée de vie optimale et compatible avec les exigences des programmes civiles et résistent aux environnements agressifs, une éprouvette 10 est réalisée dans le même matériau (matériau composite avec un renfort fibreux noyé dans un matrice organique (CMO)) que celui de la pièce à tester (l’aube de soufflante 1) et est destinée à être installée dans une installation d’essai de caractérisation 20 décrite plus loin dans la description.In order to verify that the parts made of composite material, in particular with a fibrous reinforcement, as mentioned above have an optimal lifespan compatible with the requirements of civil programs and are resistant to aggressive environments, a test specimen 10 is made of the same material (material composite with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix (CMO)) than that of the part to be tested (the fan blade 1) and is intended to be installed in a characterization test installation 20 described later in the description .

Sur la figure 2, l’éprouvette 10 a une forme générale plane et une forme générale parallélépipédique. L’éprouvette 10 est réalisée en une seule pièce. Celle-ci s’étend entre une première extrémité 11 et une deuxième extrémité 12 suivant une direction longitudinale L. Nous employons les expressions direction longitudinale L, direction radiale R et direction transversale T pour définir les dimensions de l’éprouvette 10. Ces directions sont perpendiculaires entre elles. L’éprouvette 10 comprend une zone utile (portion centrale) 13 ou médiane allongée située axialement (suivant la direction longitudinale L) entre les première et deuxième extrémités 11, 12. La zone utile 13 présente une section inférieure à celle des sections des première et deuxième extrémités. En particulier, l’éprouvette 10 est de type haltère. Chaque première extrémité 11 et deuxième extrémité 12 présente deux faces d’appui dites première face d’appui 14, 14’ et deuxième face d’appui qui sont opposées suivant la direction transversale T.In FIG. 2, the test piece 10 has a generally planar shape and a generally parallelepipedic shape. The specimen 10 is made in one piece. This extends between a first end 11 and a second end 12 along a longitudinal direction L. We use the expressions longitudinal direction L, radial direction R and transverse direction T to define the dimensions of the specimen 10. These directions are perpendicular to each other. The specimen 10 comprises a useful zone (central portion) 13 or elongated median located axially (along the longitudinal direction L) between the first and second ends 11, 12. The useful zone 13 has a section smaller than that of the sections of the first and second ends. In particular, specimen 10 is of the dumbbell type. Each first end 11 and second end 12 has two bearing faces called first bearing face 14, 14' and second bearing face which are opposite in the transverse direction T.

La figure 3 illustre une installation d’essai caractérisation 20 de l’éprouvette 10 de manière à tester sa résistance mécanique et thermique. L’installation 20 comprend un bâti 21 sur lequel sont agencés un premier module de serrage 22 et un deuxième module de serrage 23. Les premiers et deuxième modules de serrage 22, 23 sont destinés à maintenir les première et deuxième extrémités 11, 12. L’éprouvette 10 s’étend axialement entre les deux modules de serrage. Plus précisément, chaque premier et deuxième module de serrage 22, 23 comprend une paire de mors (un premier mors 24 et un deuxième mors 24’) qui sont disposés en regard l’un de l’autre. Les deux mors 24, 24’ sont mobiles l’un par rapport à l’autre suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale L (lorsque l’éprouvette 10 est installée dans l’installation). Chaque premier et deuxième mors 24, 24’ comprend une surface 25 ayant une complémentarité de forme avec au moins une des première et deuxièmes faces d’appui 14, 14’ des première et deuxième extrémités de l’éprouvette 10.FIG. 3 illustrates a characterization test installation 20 of the specimen 10 so as to test its mechanical and thermal resistance. The installation 20 comprises a frame 21 on which are arranged a first clamping module 22 and a second clamping module 23. The first and second clamping modules 22, 23 are intended to hold the first and second ends 11, 12. The specimen 10 extends axially between the two clamping modules. More specifically, each first and second clamping module 22, 23 comprises a pair of jaws (a first jaw 24 and a second jaw 24') which are arranged facing each other. The two jaws 24, 24' are movable relative to each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction L (when the specimen 10 is installed in the installation). Each first and second jaws 24, 24' comprises a surface 25 having a shape complementarity with at least one of the first and second bearing faces 14, 14' of the first and second ends of the specimen 10.

Chaque premier et deuxième module de serrage 22, 23 comprend des moyens de déplacement (non représentés) permettant de mouvoir les premier et deuxième mors 24, 24’ de chaque module de serrage 22, 23 l’un par rapport à l’autre de manière à venir serrer respectivement une des premières et deuxièmes extrémités de l’éprouvette 10. Le serrage est réalisé de telle sorte qu’il n’y ait aucun déplacement de l’éprouvette 10 par rapport aux mors 24, 24’. Les moyens de déplacement sont commandés par un système électronique de commande 30. En d’autres termes, les mors 24, 24’ sont commandés de manière que les premières et deuxième extrémités soient immobiles respectivement entres une paire de mors 24, 24’. Les moyens de déplacement des mors peuvent être à actionnement mécanique, hydraulique ou pneumatique. L’actionnement hydraulique ou pneumatique peut comprendre un vérin hydraulique ou pneumatique. Dans ce cas, au moins un des vérins comprend un corps et une tige mobile par rapport au corps du vérin. La tige du vérin comprend une extrémité distale qui est solidaire d’un des premier et deuxième mors 24, 24’. Le corps du vérin est installé dans un module de serrage. Dans le cas de l’actionnement mécanique, les deux mors comprennent un système de vis permettant leurs déplacements.Each first and second clamping module 22, 23 comprises moving means (not shown) making it possible to move the first and second jaws 24, 24' of each clamping module 22, 23 with respect to each other in such a way to clamp respectively one of the first and second ends of the specimen 10. The clamping is carried out in such a way that there is no movement of the specimen 10 relative to the jaws 24, 24'. The displacement means are controlled by an electronic control system 30. In other words, the jaws 24, 24' are controlled so that the first and second ends are immobile respectively between a pair of jaws 24, 24'. The means for moving the jaws can be mechanically, hydraulically or pneumatically actuated. Hydraulic or pneumatic actuation may include a hydraulic or pneumatic cylinder. In this case, at least one of the cylinders comprises a body and a movable rod relative to the body of the cylinder. The cylinder rod comprises a distal end which is secured to one of the first and second jaws 24, 24'. The cylinder body is installed in a clamping module. In the case of mechanical actuation, the two jaws include a screw system allowing their movement.

Les modules de serrage peuvent comprendre également des moyens de traction de l’éprouvette 10 suivant une direction de traction. La direction de traction est parallèle à la direction longitudinale. Il est bien entendu possible que la direction de traction soit orientée différemment en fonction de la configuration de l’installation d’essai de caractérisation. Ces moyens de traction sont également reliés au système électronique de commande 30 qui applique la charge de traction aux première et deuxième extrémités de l’éprouvette. De la sorte, les forces centrifuges auxquels sont soumises les aubes de soufflante 1 par exemple sont reproduites. Les aubes sont également soumises à du cisaillement local dû aux forces centrifuges qui s’appliquent sur celles-ci, aux impacts d’oiseaux, de grêlons, etc., et aussi à des sollicitations aérodynamiques. En particulier, le système électronique de commande 30 comprend un module de simulation en fatigue dite «HCF» pour «High Cycle Fatigue» en anglais et qui signifie cycle fatigue-endurance dans le but de réaliser plusieurs cycles de contraintes. Dans le cas de cette simulation dite HCF, le nombre de cycles est supérieur à 1 million. Les contraintes de sollicitation mécaniques appliquées seront faibles. Le système électronique de commande 30 peut comprendre également un module de simulation en fatigue dite «LCF» pour «Low Cycle Fatigue» en anglais et qui signifie fatigue plastique oligocyclique. Dans ce dernier cas, les contraintes de sollicitation mécanique seront plus élevées.The tightening modules can also comprise means for pulling the specimen 10 along a pulling direction. The tensile direction is parallel to the longitudinal direction. It is of course possible that the tensile direction is oriented differently depending on the configuration of the characterization test installation. These tensile means are also connected to the electronic control system 30 which applies the tensile load to the first and second ends of the specimen. In this way, the centrifugal forces to which the fan blades 1 for example are subjected are reproduced. The blades are also subject to local shear due to the centrifugal forces which apply to them, to the impact of birds, hailstones, etc., and also to aerodynamic stresses. In particular, the electronic control system 30 comprises a so-called “HCF” fatigue simulation module for “High Cycle Fatigue” in English and which means fatigue-endurance cycle with the aim of carrying out several stress cycles. In the case of this so-called HCF simulation, the number of cycles is greater than 1 million. The mechanical stresses applied will be low. The electronic control system 30 can also include a fatigue simulation module called “LCF” for “Low Cycle Fatigue” in English and which means low cycle plastic fatigue. In the latter case, the mechanical stresses will be higher.

Les moyens de traction peuvent comprendre également des moyens d’actionnement hydraulique ou pneumatique. Dans le présent exemple, l’installation comprend une traverse qui s’étend en partie supérieure du deuxième module de serrage 23 et qui est reliée à ce dernier. La traverse est déplacée par un vérin hydraulique ou pneumatique lequel est monté sur le bâti. De manière alternative, le premier ou le deuxième module de serrage comprend un vérin hydraulique ou pneumatique pour se déplacer par rapport à l’autre module.The traction means can also comprise hydraulic or pneumatic actuation means. In the present example, the installation comprises a crosspiece which extends in the upper part of the second clamping module 23 and which is connected to the latter. The crosshead is moved by a hydraulic or pneumatic cylinder which is mounted on the frame. Alternatively, the first or second clamping module includes a hydraulic or pneumatic cylinder to move relative to the other module.

L’installation 20 comprend également un module de traitement thermique 28 de l’éprouvette 10. Le module de traitement thermique 28 comme nous pouvons le voir sur la figure 3 est agencé entre les premiers et deuxième modules de serrage 22, 23 de l’éprouvette 10 suivant la direction longitudinale L. Le module de traitement thermique 28 comprend une enceinte thermique qui entoure au moins en partie la zone utile 13 de l’éprouvette 10. L’enceinte comprend des orifices traversants qui débouchent chacun d’une part, à l’intérieur de l’enceinte et d’autre part, à l’extérieur de l’enceinte. Les orifices traversants sont d’axe coaxial avec la direction longitudinale L. L’éprouvette 10 traverse l’enceinte et les première et deuxième extrémités 11, 12 s’étendent de part et d’autre de l’enceinte. En d’autres termes, les première et deuxième extrémités s’étendent à l’extérieur de l’enceinte (du module de traitement thermique).The installation 20 also comprises a heat treatment module 28 of the specimen 10. The heat treatment module 28 as we can see in Figure 3 is arranged between the first and second clamping modules 22, 23 of the specimen 10 in the longitudinal direction L. The heat treatment module 28 comprises a thermal enclosure which at least partially surrounds the useful zone 13 of the specimen 10. The enclosure comprises through-holes which each open on the one hand, at the inside the enclosure and on the other hand, outside the enclosure. The through holes have an axis coaxial with the longitudinal direction L. The test piece 10 passes through the enclosure and the first and second ends 11, 12 extend on either side of the enclosure. In other words, the first and second ends extend outside the enclosure (of the heat treatment module).

Avantageusement, mais non limitativement, le module te traitement thermique 28 présente une forme cylindrique dont l’axe est coaxial à la direction longitudinale de l’éprouvette. Le module de traitement thermique 28 se compose d’une première demi-coquille 31 et une deuxième demi-coquille 32 qui sont articulées entre elles suivant un axe d’articulation parallèle à la direction longitudinale de sorte à pouvoir installer le module 28 autour de l’éprouvette 10. Chaque première et deuxième demi-coquilles 31, 32 comprend des oreilles 33 permettant leurs fixations l’une par rapport à l’autre et de fermer l’enceinte thermique.Advantageously, but not limitatively, the heat treatment module 28 has a cylindrical shape, the axis of which is coaxial with the longitudinal direction of the specimen. The heat treatment module 28 consists of a first half-shell 31 and a second half-shell 32 which are hinged together along a hinge axis parallel to the longitudinal direction so as to be able to install the module 28 around the specimen 10. Each first and second half-shells 31, 32 comprises lugs 33 allowing them to be fixed relative to each other and to close the thermal enclosure.

La fixation des demi-coquilles 31, 32 est réalisée au moyen d’organes de fixation qui sont installés au niveau des oreilles. Les organes de fixation comprennent par exemple des vis, goujons, ou organes analogues permettant une ouverture et une fermeture faciles de ces demi-coquilles. Des moyens d’étanchéité sont disposés autour des demi-coquilles pour éviter les fuites. Le module 28 est revêtu à l’intérieur d’une mousse d’isolation thermique permettant de réduire les pertes de chaleur vers l’extérieur et obtenir ainsi des cycles thermiques plus rapides. Avantageusement, des éléments de mesure tels que des thermocouples peuvent être installés sur la surface des demi-coquilles et peuvent être maintenus sur celles-ci par des moyens adhésifs 34 (par exemple des bandes adhésives).The fixing of the half-shells 31, 32 is carried out by means of fixing members which are installed at the level of the ears. The fasteners include for example screws, studs, or similar members allowing easy opening and closing of these half-shells. Sealing means are arranged around the half-shells to prevent leaks. Module 28 is lined on the inside with thermal insulation foam to reduce heat loss to the outside and thus obtain faster thermal cycles. Advantageously, measurement elements such as thermocouples can be installed on the surface of the half-shells and can be held thereon by adhesive means 34 (for example adhesive strips).

Le module de traitement thermique 28 est équipé d’un organe de chauffage 35 (représenté sur la figure 2) qui est disposé autour de la zone utile 13 de l’éprouvette 10 de manière à faire passer la zone utile d’une première température à une deuxième température et inversement. La première température est inférieure à la deuxième température. Seule la zone utile 13, qui est isolée de l’environnement extérieur dans le module 28, est chauffée. En installant l’organe de chauffage 35 uniquement autour de la zone utile13 de l’éprouvette 10, les première et deuxième extrémités 11, 12 de celle-ci sont à une température dont la valeur est inférieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composite CMO (matrice organique + renfort fibreux). Cette température Tg correspond à une région de transition où le matériau passe d’un état vitreux caractérisé par un module d’élasticité (ou module de Young) d’environ 5 GPa à un état «caoutchouteux» où le module d’élasticité est inférieure à l’état vitreux d’environ 1Gpa. La température de transition vitreuse Tg d’un renfort fibreux avec une résine à base d’époxy est comprise entre 100°C et 150°C.The heat treatment module 28 is equipped with a heating member 35 (shown in FIG. 2) which is arranged around the useful zone 13 of the test specimen 10 so as to cause the useful zone to pass from a first temperature to a second temperature and vice versa. The first temperature is lower than the second temperature. Only useful area 13, which is isolated from the external environment in module 28, is heated. By installing the heater 35 only around the useful zone 13 of the specimen 10, the first and second ends 11, 12 thereof are at a temperature whose value is lower than the glass transition temperature Tg of the material. CMO composite (organic matrix + fibrous reinforcement). This temperature Tg corresponds to a transition region where the material passes from a glassy state characterized by a modulus of elasticity (or Young's modulus) of approximately 5 GPa to a “rubbery” state where the modulus of elasticity is lower. in the vitreous state of about 1Gpa. The glass transition temperature Tg of a fibrous reinforcement with an epoxy-based resin is between 100°C and 150°C.

L’organe de chauffage 35 est relié à une source d’alimentation électrique. Avantageusement, l’organe de chauffage 35 est une résistance à spirale. L’énergie électrique qui alimente la résistante est convertie en chaleur pour chauffer la zone utile 13. La résistance est agencée autour de la zone utile 13 de l’éprouvette 10 de sorte que son axe soit coaxial à la direction longitudinale de l’éprouvette.The heater 35 is connected to an electrical power source. Advantageously, the heating member 35 is a spiral resistor. The electrical energy which supplies the resistor is converted into heat to heat the useful zone 13. The resistor is arranged around the useful zone 13 of the test piece 10 so that its axis is coaxial with the longitudinal direction of the test piece.

L’installation 20 comprend en outre un système de refroidissement 40 destiné à refroidir les premier et deuxième modules de serrage 22, 23. En particulier, le système de refroidissement 40 comprend des conduits ménagés dans les modules de serrage, et en particulier dans les mors où circule un premier fluide caloporteur de manière à refroidir les premiers et deuxième mors 24, 24’ des modules. Les mors sont refroidis pour que les première et deuxième extrémités 11, 12 restent toujours à une température dont la valeur est inférieure à la température de transition vitreuse Tg du matériau composite. Avantageusement, les mors sont refroidis à une température dont la valeur est de l’ordre de 50°C.The installation 20 further comprises a cooling system 40 intended to cool the first and second clamping modules 22, 23. In particular, the cooling system 40 comprises ducts formed in the clamping modules, and in particular in the jaws where a first heat transfer fluid circulates so as to cool the first and second jaws 24, 24' of the modules. The jaws are cooled so that the first and second ends 11, 12 always remain at a temperature whose value is lower than the glass transition temperature Tg of the composite material. Advantageously, the jaws are cooled to a temperature whose value is of the order of 50°C.

Le système de refroidissement 40 comprend un dispositif de ventilation destiné à refroidir au moins la zone utile 13 de l’éprouvette 10 pour que celle-ci atteigne la deuxième température. Le dispositif de ventilation comprend une canalisation 41 qui est reliée d’une part, à un boîtier 42 et d’autre part, au module thermique 28. Ce dernier comprend une ouverture aménagée dans une des demi-coquilles et qui la traverse. De la sorte, la canalisation 41 est couplée à cette ouverture et débouche à l’intérieur de l’enceinte du module thermique 28. Dans le boîtier 42 est installé un ventilateur (non représenté) qui brasse de l’air qui circule dans la canalisation 41 pour refroidir la zone utile13 de l’éprouvette 10 installée dans l’enceinte du module thermique 28.The cooling system 40 comprises a ventilation device intended to cool at least the useful zone 13 of the specimen 10 so that the latter reaches the second temperature. The ventilation device comprises a pipe 41 which is connected on the one hand to a casing 42 and on the other hand to the thermal module 28. The latter comprises an opening arranged in one of the half-shells and which passes through it. In this way, the pipe 41 is coupled to this opening and opens inside the enclosure of the thermal module 28. In the housing 42 is installed a fan (not shown) which stirs the air which circulates in the pipe. 41 to cool the useful zone 13 of the specimen 10 installed in the enclosure of the thermal module 28.

De manière alternative, le système de refroidissement 40 comprend un réfrigérateur destiné à refroidir la zone utile 13 de l’éprouvette 10. Le réfrigérateur comprend un évaporateur, un compresseur, un condensateur et un fluide caloporteur. L’évaporateur comprend au moins un premier circuit qui est relié à une source froide et dans lequel circule le fluide caloporteur. Le fluide caloporteur circule à l’aide du compresseur. L’évaporateur comprend un deuxième circuit dans lequel circule un fluide de travail qui est destiné à refroidir la zone utile de l’éprouvette. En particulier, le fluide de travail qui circule à travers l’évaporateur est refroidi par le fluide caloporteur. La source froide peut être de l’eau ou de l’azote liquide. Le fluide de travail est avantageusement, mais non limitativement, de l’air. L’échangeur de chaleur est agencé dans le boitier 42 et l’air qui est refroidi circule dans la canalisation 41 vers l’enceinte thermique qui entoure la zone utile de l’éprouvette.Alternatively, the cooling system 40 comprises a refrigerator intended to cool the useful zone 13 of the specimen 10. The refrigerator comprises an evaporator, a compressor, a condenser and a heat transfer fluid. The evaporator comprises at least a first circuit which is connected to a cold source and in which the heat transfer fluid circulates. The heat transfer fluid circulates using the compressor. The evaporator includes a second circuit in which circulates a working fluid which is intended to cool the useful zone of the specimen. In particular, the working fluid circulating through the evaporator is cooled by the heat transfer fluid. The cold source can be water or liquid nitrogen. The working fluid is advantageously, but not exclusively, air. The heat exchanger is arranged in the box 42 and the air which is cooled circulates in the pipe 41 towards the thermal enclosure which surrounds the useful zone of the specimen.

Des éléments de mesure 45 de la température de l’éprouvette 10 sont disposés au niveau de la zone utile 13 de l’éprouvette 10 pour mesurer la température de l’éprouvette pendant le procédé d’essai de caractérisation. Les éléments de mesure 45 sont reliés au système électronique de commande 30 qui pilotent l’organe de chauffage 35 (la résistance à spirale) en fonction des informations de température émises par les éléments de mesure pendant la durée des essais. De manière avantageuse, les éléments de mesure comprennent un thermocouple. Ce dernier est fixé sur une face de la zone utile de l’éprouvette au moyen d’un adhésif à prise rapide tel que l’HBM XB 280.Elements 45 for measuring the temperature of the specimen 10 are arranged at the level of the useful zone 13 of the specimen 10 to measure the temperature of the specimen during the characterization test process. The measuring elements 45 are connected to the electronic control system 30 which controls the heating element 35 (the spiral resistor) according to the temperature information emitted by the measuring elements during the duration of the tests. Advantageously, the measuring elements comprise a thermocouple. The latter is attached to one side of the useful area of the specimen using a quick-setting adhesive such as HBM XB 280.

Le système de refroidissement 40 est relié au système électronique de commande 30. Avantageusement, le cycle thermique (chaud et froid) est piloté en boucle fermée avec le thermocouple au centre de l’éprouvette.The cooling system 40 is connected to the electronic control system 30. Advantageously, the thermal cycle (hot and cold) is controlled in a closed loop with the thermocouple in the center of the specimen.

Nous allons maintenant décrire un procédé d’essai de caractérisation de l’éprouvette 10 telle que susmentionnée. Le procédé comprend une étape a) de fourniture d’une éprouvette en matériau composite représentative d’une pièce en matériau composite, et en particulier de turbomachine d’aéronef. Le procédé comprend une étape de fixation b) de la première extrémité 11 et de la deuxième extrémité 12 de l’éprouvette 10 entre le premier module de serrage et le deuxième module de serrage. En particulier, chaque première et deuxième extrémités 11, 12 est fixée entre un premier et un deuxième mors 24, 24’ par serrage de ceux-ci contre les surfaces d’appui des premières et deuxième extrémités 11, 12. Le module thermique 28 est disposé (étape c) autour de la zone utile 13 de l’éprouvette 10. Pour cela, les demi-coquilles sont ouvertes de manière à permettre l’insertion de l’éprouvette 10 dans l’enceinte puis refermées par les organes de fixation.We will now describe a characterization test method of the specimen 10 as mentioned above. The method comprises a step a) of supplying a specimen made of composite material representative of a part made of composite material, and in particular of an aircraft turbomachine. The method comprises a step b) of fixing the first end 11 and the second end 12 of the test piece 10 between the first clamping module and the second clamping module. In particular, each first and second ends 11, 12 is fixed between a first and a second jaws 24, 24' by clamping them against the bearing surfaces of the first and second ends 11, 12. The thermal module 28 is arranged (step c) around the useful zone 13 of the test specimen 10. For this, the half-shells are opened so as to allow the insertion of the test specimen 10 into the enclosure and then closed by the fastening members.

Préalablement à l’installation du module de traitement thermique 28, l’organe de chauffage 35 (ici la résistance à spirale) est monté sur l’éprouvette 10 et autour de la zone utile 13.Prior to the installation of the heat treatment module 28, the heating device 35 (here the spiral resistor) is mounted on the specimen 10 and around the useful zone 13.

Le premier module de serrage 22 est commandé pour maintenir immobile la première extrémité 11 et aucune contrainte n’est appliquée sur la première extrémité non plus. En revanche, le deuxième module de serrage 23 est commandé pour exercer une contrainte mécanique sur l’éprouvette 10. Avantageusement, mais non limitativement, cette contrainte est une traction exercée vers le haut sur la deuxième extrémité 23 et/ou une compression (traction pure, compression pure ou ratio intermédiaire traction/compression) exercée vers le bas sur la deuxième extrémité). En d’autres termes, le deuxième module de serrage 23 est configuré pour appliquer des efforts de compression et/ou de traction sur l’éprouvette (via les moyens de traction).The first clamping module 22 is controlled to hold the first end 11 stationary and no stress is applied to the first end either. On the other hand, the second tightening module 23 is controlled to exert a mechanical stress on the specimen 10. Advantageously, but not limitingly, this stress is a traction exerted upwards on the second end 23 and/or a compression (pure traction , pure compression or intermediate tension/compression ratio) exerted downwards on the second end). In other words, the second clamping module 23 is configured to apply compressive and/or tensile forces to the specimen (via the tensile means).

En référence à la figure 4, l’éprouvette 10 est soumise à une sollicitation en fatigue thermomécanique (étape d) de manière à estimer la durée de vie précise d’un matériau composite en situation proche de son environnement réel de travail. La fatigue thermomécanique combine des efforts d’origine mécaniques et thermiques. Lors de cette sollicitation en fatigue thermomécanique la zone utile 13 de l’éprouvette est chauffée suivant une succession de cycles thermiques CT prédéterminés. L’éprouvette 10 est soumise simultanément à une succession de cycles de contraintes mécaniques déterminées pendant les cycles thermiques.Referring to Figure 4, the specimen 10 is subjected to a thermomechanical fatigue stress (step d) so as to estimate the precise lifetime of a composite material in a situation close to its real working environment. Thermomechanical fatigue combines forces of mechanical and thermal origin. During this thermomechanical fatigue stress, the useful zone 13 of the specimen is heated according to a succession of predetermined CT thermal cycles. The specimen 10 is simultaneously subjected to a succession of mechanical stress cycles determined during the thermal cycles.

Pendant la sollicitation thermique, la zone utile 13 de l’éprouvette est chauffée d’une première température T1 à une deuxième température T2 pendant une période de temps prédéterminée d’au moins deux heures pour chaque cycle thermique. Avantageusement, mais non limitativement, la durée d’un cycle thermique CT est de trois heures. Chaque cycle thermique CT comprend une plage P de maintien en température de la zone utile 13 de l’éprouvette 10 à la deuxième température T2 avant d’être refroidie à la première température T1. La première température est comprise entre -55°C et 60°C. Quant à la deuxième température celle-ci est comprise entre 120°C et 200°C. La zone utile 13 de l’éprouvette est refroidie jusqu’à une température inférieure à 60°C (idéalement jusqu’à la température ambiante + 5°C, soit environ 25°C) lorsque le refroidissement est réalisé avec le dispositif de ventilation et jusqu’à -55°C lorsque le refroidissement est réalisé avec le réfrigérateur.During the thermal stress, the useful zone 13 of the specimen is heated from a first temperature T1 to a second temperature T2 for a predetermined period of time of at least two hours for each thermal cycle. Advantageously, but not limitingly, the duration of a CT thermal cycle is three hours. Each thermal cycle CT includes a range P for maintaining the temperature of the useful zone 13 of the specimen 10 at the second temperature T2 before being cooled to the first temperature T1. The first temperature is between -55°C and 60°C. As for the second temperature, this is between 120°C and 200°C. The useful zone 13 of the specimen is cooled down to a temperature below 60° C. (ideally down to ambient temperature + 5° C., i.e. approximately 25° C.) when the cooling is carried out with the ventilation device and down to -55°C when cooling is carried out with the refrigerator.

La fréquence de sollicitation mécanique est inférieure ou égale 2 Hz ce qui permet d’éviter une surchauffe locale de l’éprouvette et ainsi d’obtenir un profil thermique uniforme de l’éprouvette. La fréquence correspond aux nombres de cycles mécaniques réalisés par la machine en 1 seconde.The mechanical stress frequency is less than or equal to 2 Hz, which makes it possible to avoid local overheating of the specimen and thus to obtain a uniform thermal profile of the specimen. The frequency corresponds to the number of mechanical cycles performed by the machine in 1 second.

S’agissant des sollicitations mécaniques, l’éprouvette 10 est soumise à une première succession de cycles CM1 de contraintes mécaniques entre une contrainte mécanique minimale σmin et une contrainte mécanique maximale σmax. Cette première succession de cycles CM1 est réalisée pendant la période de temps prédéterminée d’un cycle thermique CT (ici entre deux heures et trois heures).With regard to the mechanical stresses, the specimen 10 is subjected to a first succession of cycles CM1 of mechanical stresses between a minimum mechanical stress σmin and a maximum mechanical stress σmax. This first succession of CM1 cycles is carried out during the predetermined period of time of a thermal cycle CT (here between two hours and three hours).

Les contraintes mécaniques déterminées (contraintes de traction et/ou de compression) sont inférieures à la contrainte limite de fatigue σD du matériau composite de sorte à ne pas entrainer la rupture de l’éprouvette 10 pendant l’essai par la simple sollicitation mécanique et d’avoir ainsi l’opportunité de mettre en évidence l’influence du vieillissement par thermo-oxydation. La contrainte limite de fatigue est d’environ 30% de la contrainte à rupture en statique. Avantageusement, le nombre de cycles mécaniques choisi est supérieur à 1 million de cycles. Ces cycles mécaniques sont ensuite répartis de manière uniforme sur au moins 500 cycles thermique. La durée totale de l’essai sera de l’ordre de 1000 heures, ce qui permet d’activer le phénomène de dégradation thermique parallèlement à la réalisation des cycles mécaniques.The determined mechanical stresses (tensile and/or compressive stresses) are lower than the fatigue limit stress σD of the composite material so as not to cause the specimen 10 to break during the test by simple mechanical stress and thus have the opportunity to highlight the influence of aging by thermo-oxidation. The fatigue limit stress is about 30% of the static breaking stress. Advantageously, the number of mechanical cycles chosen is greater than 1 million cycles. These mechanical cycles are then distributed evenly over at least 500 thermal cycles. The total duration of the test will be of the order of 1000 hours, which makes it possible to activate the phenomenon of thermal degradation in parallel with the realization of the mechanical cycles.

La contrainte mécanique maximale σmax est comprise entre 0 Mpa et 300 MPa. La contrainte mécanique minimale σmin est inférieure à la contrainte maximale et peut aller jusqu’à -300 MPa. Dans le cas d’une contrainte de traction, la contrainte mécanique minimale est comprise entre 0 MPa et 300 MPa. Et dans le cas d’une compression (pure) la contrainte mécanique minimale est comprise entre 0 et -300 MPa. Ces exemple concernent un matériau composite interlock mais pourrait être différents pour un autre matériau.The maximum mechanical stress σmax is between 0 MPa and 300 MPa. The minimum mechanical stress σmin is lower than the maximum stress and can go up to -300 MPa. In the case of tensile stress, the minimum mechanical stress is between 0 MPa and 300 MPa. And in the case of (pure) compression, the minimum mechanical stress is between 0 and -300 MPa. These examples relate to an interlock composite material but could be different for another material.

Dans le présent exemple, les contraintes de compression et de traction ont un rapport de l’ordre de -1. Les efforts de traction permettent de créer des fissures dans la matrice ce qui permet à l’oxygène de rentrer et de fragiliser la matrice. Les efforts de compression sollicitent davantage la matrice que le renfort fibreux et sous cette sollicitation le comportement de l’éprouvette est plus sensible à une éventuelle évolution de la tenue de la matrice.In this example, the compressive and tensile stresses have a ratio of the order of -1. The tensile forces create cracks in the matrix which allows oxygen to enter and weaken the matrix. The compressive forces stress the matrix more than the fibrous reinforcement and under this stress the behavior of the specimen is more sensitive to a possible change in the behavior of the matrix.

Afin de ne pas entraîner une rupture mécanique précoce par rapport en nombre de cycles, les contraintes mécaniques sont appliquées de manière discontinue. En particulier, chaque première succession cycles CM1 de contrainte mécanique comprend une deuxième succession de cycles CM2 de contraintes mécaniques où les contraintes mécaniques sont appliquées de manière discontinue pendant un intervalle de temps prédéterminé. Dans le présent exemple, l’intervalle de temps correspond à la plage P de maintien en température du cycle thermique, soit deux heures. Sur cet intervalle de temps prédéterminé, l’éprouvette est sollicitée mécaniquement de la contrainte minimale à la contrainte maximale au moins deux milles fois (2000 fois). Nous comprenons que l’éprouvette subit 2000 cycles de contraintes mécaniques par intervalle. Dans le présent cas, la contrainte maximale est égale à la contrainte de limite de fatigue.In order not to cause early mechanical failure in relation to the number of cycles, the mechanical stresses are applied discontinuously. In particular, each first succession of mechanical stress cycles CM1 comprises a second succession of mechanical stress cycles CM2 where the mechanical stresses are applied discontinuously for a predetermined time interval. In this example, the time interval corresponds to the temperature maintenance range P of the thermal cycle, i.e. two hours. Over this predetermined time interval, the specimen is mechanically stressed from minimum stress to maximum stress at least two thousand times (2000 times). We understand that the specimen undergoes 2000 cycles of mechanical stress per interval. In this case, the maximum stress is equal to the fatigue limit stress.

De la sorte, le procédé permet de ne pas se limiter à tester l’effet d’une exposition isotherme, mais de prendre en compte aussi l’endommagement généré par cyclage thermique.In this way, the process makes it possible not to be limited to testing the effect of isothermal exposure, but also to take into account the damage generated by thermal cycling.

Pendant l’étape de sollicitation thermomécanique, une étape de mesure (étape d) de la température de l’éprouvette est réalisée. Cette mesure est réalisée en continu. En particulier, les éléments de mesure 45 de température (le thermocouple) mesurent en continu la température de la zone utile 13 de l’éprouvette et transmettent des informations de température au système électronique de commande 30. La zone utile de l’éprouvette est chauffée jusqu’à ce qu’elle atteigne une valeur de consigne (ici de 150°C en référence à la figure 4). Lorsque le thermocouple envoie une information de température correspondant à la première valeur de température au système électronique de commande 30, celui-ci pilote l’organe chauffant 45 pour maintenir cette température pendant la période de temps de deux heures.During the thermomechanical loading step, a measurement step (step d) of the specimen temperature is performed. This measurement is carried out continuously. In particular, the temperature measuring elements 45 (the thermocouple) continuously measure the temperature of the useful zone 13 of the test piece and transmit temperature information to the electronic control system 30. The useful zone of the test piece is heated until it reaches a set value (here 150° C. with reference to FIG. 4). When the thermocouple sends temperature information corresponding to the first temperature value to the electronic control system 30, the latter controls the heating element 45 to maintain this temperature during the time period of two hours.

Lorsque la période de temps prédéterminé s’est écoulée, le système électronique de commande 30 envoie un ordre de commande au système de refroidissement 30 pour refroidir la zone utile 13 à une deuxième valeur de consigne (ici de 23° et en référence à la figure 4).When the predetermined period of time has elapsed, the electronic control system 30 sends a control command to the cooling system 30 to cool the useful zone 13 to a second setpoint value (here 23° and with reference to FIG. 4).

Simultanément, lorsque le maintien de la deuxième température est transmis à l’organe chauffant, le système électronique de commande 30 envoie un ordre de commande au deuxième module serrage 23 pour débuter la deuxième succession de cycles CM2 de contraintes mécaniques.Simultaneously, when the maintenance of the second temperature is transmitted to the heating element, the electronic control system 30 sends a control command to the second tightening module 23 to start the second succession of cycles CM2 of mechanical stresses.

La deuxième succession de cycles de contraintes mécaniques est répétée plusieurs centaines de fois pour avoir une durée de vieillissement importante d’environ 1000h, et la première succession de cycles de contraintes mécaniques ainsi que la succession de cycles thermiques sont répétées également plusieurs fois pour atteindre environ 1 million de cycles. Cela correspond aux conditions réelles dans lesquelles évolues une aube de soufflante par exemple.The second succession of mechanical stress cycles is repeated several hundred times to have a significant aging time of approximately 1000 hours, and the first succession of mechanical stress cycles as well as the succession of thermal cycles are also repeated several times to reach approximately 1 million cycles. This corresponds to the real conditions in which a fan blade evolves, for example.

Claims (15)

Procédé d’essai de caractérisation d’une éprouvette (10) en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes:
  • fourniture d’une éprouvette (10) en matériau composite représentative d’une pièce (1), telle qu’une pièce de turbomachine, l’éprouvette (10) étant réalisée avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique et comportant une première extrémité (11) et une deuxième extrémité (12) s’étendant de part et d’autre d’une zone utile (13) suivant une direction longitudinale L,
  • fixation des première et deuxième extrémités (11, 12) respectivement à un premier et un deuxième module de serrage (22, 23) d’une installation d’essai de caractérisation (20),
  • sollicitation en fatigue thermomécanique de l’éprouvette (10) dans laquelle:
    • la zone utile (13) de l’éprouvette (10) est chauffée suivant une succession de cycles thermiques (CT) où la zone utile (13) de l’éprouvette est chauffée d’une première température à une deuxième température pendant une période de temps prédéterminée, et
    • l’éprouvette (10) est soumise simultanément à une première succession de cycles (CM1) de contraintes mécaniques entre une contrainte mécanique minimale et une contrainte mécanique maximale pendant la période de temps prédéterminée.
Characterization test method for a specimen (10) made of composite material, the method comprising the following steps:
  • supply of a test piece (10) made of composite material representative of a part (1), such as a turbomachine part, the test piece (10) being made with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix and comprising a first end (11) and a second end (12) extending on either side of a useful zone (13) in a longitudinal direction L,
  • fixing the first and second ends (11, 12) respectively to a first and a second clamping module (22, 23) of a characterization test installation (20),
  • thermomechanical fatigue loading of the specimen (10) in which:
    • the useful zone (13) of the specimen (10) is heated according to a succession of thermal cycles (CT) where the useful zone (13) of the specimen is heated from a first temperature to a second temperature for a period of predetermined time, and
    • the specimen (10) is simultaneously subjected to a first succession of cycles (CM1) of mechanical stress between a minimum mechanical stress and a maximum mechanical stress during the predetermined period of time.
Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première période de temps prédéterminée dure au moins deux heures.Method according to the preceding claim, characterized in that the first predetermined period of time lasts at least two hours. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cycle thermique comprend une plage (P) de maintien en température à la deuxième température avant d’être refroidie à la première température.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each thermal cycle comprises a range (P) of maintaining the temperature at the second temperature before being cooled to the first temperature. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la plage (P) de maintien en température à la deuxième température dure au moins deux heures.Process according to the preceding claim, characterized in that the temperature maintenance range (P) at the second temperature lasts at least two hours. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première température est comprise entre -55°C et 60°C et la deuxième température est comprise entre 120°C et 200°C.Process according to one of the preceding claims, characterized in that the first temperature is between -55°C and 60°C and the second temperature is between 120°C and 200°C. Procédé selon l’une des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que chaque première succession de cycles (CM1) de contraintes mécaniques comprend une deuxième succession de cycles de contraintes mécaniques (CM2) appliquées de manière discontinue sur un intervalle de temps correspondant à la plage (P) de maintien en température.Method according to one of Claims 3 and 5, characterized in that each first succession of mechanical stress cycles (CM1) comprises a second succession of mechanical stress cycles (CM2) applied discontinuously over a time interval corresponding to the temperature maintenance range (P). Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de refroidissement des premier et deuxième modules de serrage (22, 23) à une température dont la valeur est inférieure à la température de transition vitreuse de la matrice organique.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a step of cooling the first and second clamping modules (22, 23) to a temperature whose value is lower than the glass transition temperature of the organic matrix . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les premier et deuxième modules de serrage (22, 23) sont refroidis à une température dont la valeur est inférieure à 50°C.Method according to the preceding claim, characterized in that the first and second clamping modules (22, 23) are cooled to a temperature whose value is less than 50°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les contraintes mécaniques sont des contraintes de compression et de traction dont le rapport est de -1.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical stresses are compressive and tensile stresses, the ratio of which is -1. Installation d’essai de caractérisation (20) d’une éprouvette (10) en matériau composite, l’installation comprenant:
  • un premier et un deuxième module de serrage (22, 23) destinés à retenir respectivement une première et une deuxième extrémités (11, 12) d’une éprouvette (10) en matériau composite représentative d’une pièce (1), telle qu’une pièce de turbomachine, l’éprouvette (10) étant réalisée avec un renfort fibreux noyé dans une matrice organique,
  • un module de traitement thermique (28) d’une zone utile (13) de l’éprouvette (10) agencée entre la première et la deuxième extrémité (11, 12),
  • un système électronique de commande (30) destiné à piloter le module de traitement thermique (28) et les modules de serrage (22, 23) de manière à réaliser une sollicitation thermomécanique dans laquelle:
    • la zone utile (13) de l’éprouvette est chauffée et/ou refroidie suivant une succession de cycles thermiques où la zone utile de l’éprouvette est chauffée d’une première température à une deuxième température pendant une première période de temps prédéterminée, et
    • l’éprouvette (10) est soumise simultanément à une première succession de cycles de contraintes mécaniques (CM1) entre une contrainte mécanique minimale et une contrainte mécanique maximale pendant la période de temps prédéterminée.
Characterization test installation (20) of a specimen (10) made of composite material, the installation comprising:
  • a first and a second clamping module (22, 23) intended to retain respectively a first and a second end (11, 12) of a test specimen (10) made of composite material representative of a part (1), such as a turbomachine part, the specimen (10) being made with a fibrous reinforcement embedded in an organic matrix,
  • a heat treatment module (28) of a useful zone (13) of the specimen (10) arranged between the first and the second end (11, 12),
  • an electronic control system (30) intended to drive the heat treatment module (28) and the tightening modules (22, 23) so as to produce a thermomechanical stress in which:
    • the useful zone (13) of the specimen is heated and/or cooled according to a succession of thermal cycles where the useful zone of the specimen is heated from a first temperature to a second temperature for a first predetermined period of time, and
    • the specimen (10) is simultaneously subjected to a first succession of mechanical stress cycles (CM1) between a minimum mechanical stress and a maximum mechanical stress during the predetermined period of time.
Installation (30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’il comprend un système de refroidissement (40) monté sur un bâti (21) et destiné à refroidir les modules de serrage (22, 23) à une température inférieure à la température de transition vitreuse du matériau composite.Installation (30) according to the preceding claim, characterized in that it comprises a cooling system (40) mounted on a frame (21) and intended to cool the clamping modules (22, 23) to a temperature lower than the temperature glass transition of the composite material. Installation (30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de refroidissement (40) comprend des moyens de refroidissement de la zone utile (13) de l’éprouvette (10).Installation (30) according to the preceding claim, characterized in that the cooling system (40) comprises means for cooling the useful zone (13) of the specimen (10). Installation (30) selon l’une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que le module de traitement thermique (28) comprend un organe de chauffage (35) installé sur l’éprouvette (10) et agencé autour de la zone utile (13) de l’éprouvette (10).Installation (30) according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the heat treatment module (28) comprises a heating member (35) installed on the specimen (10) and arranged around the useful zone ( 13) of the test piece (10). Installation (30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’organe de chauffage (35) est une résistance à spirale.Installation (30) according to the preceding claim, characterized in that the heating member (35) is a spiral resistor. Installation (30) selon l’une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que des éléments de mesure (45) de la température de l’éprouvette (10) sont disposés au niveau de la zone utile (13) de l’éprouvette (10) et relié au système électronique de commande (30).Installation (30) according to one of Claims 10 to 14, characterized in that elements (45) for measuring the temperature of the specimen (10) are arranged at the level of the useful zone (13) of the specimen (10) and connected to the electronic control system (30).
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