FR3139910A1

FR3139910A1 - Éprouvette d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal d’une pièce aéronautique et ensemble de caractérisation comportant une telle éprouvette

Info

Publication number: FR3139910A1
Application number: FR2209436A
Authority: FR
Inventors: Alexandre JOUAN
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-22

Abstract

Éprouvette d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal d’une pièce aéronautique et ensemble de caractérisation comportant une telle éprouvette Un aspect de l’invention concerne une éprouvette (100) d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal (10) d’une pièce aéronautique, comportant une forme globalement cylindrique formée de : deux couches en métal (110), d’un même diamètre (d1) et comportant chacune un orifice borgne central (130), etune couche centrale (120) co-polymérisée d’un matériau composite à matrice organique, positionnée entre les deux couches en métal (110) et ayant un diamètre (d2) sensiblement supérieur au diamètre desdites couches en métal. Un autre aspect de l’invention concerne un ensemble de caractérisation comportant un banc d’essai (200) sur lequel est montée l’éprouvette (100). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2

Description

Éprouvette d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal d’une pièce aéronautique et ensemble de caractérisation comportant une telle éprouvette

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne une éprouvette d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal d’une pièce aéronautique. Elle concerne également un ensemble de caractérisation de la tenue mécanique de l’interface d’un tel assemblage.

L’invention trouve des applications dans le domaine de la caractérisation des interfaces de pièces de turbomachine fabriquées dans un assemblage de matériaux co-polymérisés de type métal/composite/métal. Elle trouve en particulier des applications dans le domaine de la caractérisation de ces interfaces sous sollicitation suivant une direction perpendiculaire au plan de l’interface.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

En aéronautique, de plus en plus de pièces de turbomachine sont fabriquées par assemblage d’un métal ou d’un alliage et d’un matériau composite, tel qu’un composite à matrice organique (ou CMO). Un tel assemblage, appelé assemblage sandwich CMO/métal ou composite/métal, peut comporter deux couches du matériau métallique (appelées aussi couches en métal) et une couche du matériau composite intermédiaire. La couche de matériau composite (appelée aussi couche composite ou couche centrale) est positionnée entre les deux couches en métal et adhère auxdites couches en métal suite à l’étape de polymérisation de la résine du matériau composite.

D’une façon générale, pour caractériser un matériau, il est connu d’utiliser une éprouvette représentative du matériau à caractériser, d’installer cette éprouvette sur un banc d’essai et de la soumettre à des tests et essais représentatifs des conditions auxquelles le matériau sera soumis lorsque la turbomachine sera en fonctionnement. Pour caractériser un assemblage sandwich composite/métal, et notamment pour caractériser l’interface entre la couche en métal et la couche composite dudit assemblage sandwich, lorsque ladite interface est soumise à une sollicitation en traction, plusieurs contraintes doivent être respectées. En particulier, les effets de bord (c'est-à-dire des singularités de contraintes) dus au saut de rigidité des matériaux de chaque côté de l’interface testée doivent être évités sous peine d’invalider l’extraction d’un admissible des résultats de l’essai. Les pics locaux de chargement attenant aux bords libres de l’éprouvette doivent également être évités ou du moins limités le plus possible.

Différentes techniques d’essai prenant en compte ces contraintes ont été envisagées ou testées à partir d’une éprouvette formée dans un assemblage sandwich CMO/métal, de forme classique, c'est-à-dire prismatique, par exemple en forme de pavé droit.

Selon une technique, des substrats métalliques, ou plots, sont rapportés par un collage secondaire à l’assemblage sandwich CMO/métal, appelé aussi assemblage de matériaux. Ces substrats sont ensuite fixés à une machine de traction, par divers moyens tels qu’une goupille, un appui plan-plan, etc., pour réaliser les essais en traction. Cette technique présente cependant un risque quant à la tenue du collage secondaire des substrats rapportés. En effet, pour que l’interface CMO/métal puisse être testée, la tenue du collage secondaire doit être meilleure que la tenue de l’interface elle-même, sous peine de non-conformité de l’essai et d’obtention d’une unique borne inférieure de la tenue de l’interface CMO/métal étudiée. La tenue de l’interface CMO/métal étant considérée en moyenne aussi performante que le collage secondaire des substrats rapportés, il est considéré que le risque avec cette technique est trop élevé pour entreprendre des essais.

Selon une autre technique, la couche en métal de l’assemblage sandwich CMO/métal est directement usinée pour faire passer, dans ladite couche en métal, un élément de liaison, tel qu’une goupille ou un boulon, permettant la fixation de l’assemblage de matériaux sur un banc d’essai. Cependant, cette technique nécessite de passer l’élément de liaison dans l’épaisseur de la couche métallique sans perturber l’état de sollicitation de l’interface CMO/métal étudiée, car cette sollicitation doit être la plus uniforme possible. Cette technique est donc particulièrement difficile à mettre en œuvre pour des épaisseurs de couche métallique inférieures à 25 mm environ.

Selon encore une autre technique, des plots de traction perpendiculaire ou des substrats de type ARCAN (avec une géométrie goupillée) ou SCARF modifié (avec une géométrie mordue dans des mors plan/plan) sont co-moulés directement dans l’assemblage sandwich CMO/métal. Cependant, une telle technique présente, d’une part, un coût prohibitif car les substrats doivent être dans le même métal technique que l’assemblage de matériaux (par exemple l’alliage titane TA6V) et, d’autre part, le montage nécessaire au co-moulage de la couche de CMO sèche et des substrats est particulièrement complexe et donc couteux à mettre en œuvre.

Il existe donc un réel besoin d’une technique de caractérisation des assemblages sandwich CMO/métal prenant en compte le coût des matériaux et de l’outillage ainsi que la complexité de conception, de fabrication et d’utilisation de cet outillage.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de coût et de complexité des techniques de caractérisation proposées jusqu’à maintenant, le demandeur propose une éprouvette d’essai fabriquée par co-polymération d’une couche composite et de deux couches en métal, dont la forme est globalement cylindrique et qui est équipées de deux orifices par lesquels l’éprouvette peut être fixée au banc d’essai.

Selon un premier aspect, l’invention concerne une éprouvette d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal d’une pièce aéronautique, caractérisée en ce qu’elle comporte une forme globalement cylindrique formée de :

deux couches en métal, d’un même diamètre et comportant chacune un orifice borgne central, et
une couche centrale co-polymérisée d’un matériau composite à matrice organique, positionnée entre les deux couches en métal et ayant un diamètre sensiblement supérieur au diamètre desdites couches en métal.

Cette éprouvette présente l’avantage, d’une part, de ne comporter ni effet de bord, ni pic local de chargement et, d’autre part, de permettre une sollicitation en traction relativement uniforme. Elle présente, en outre, l’avantage d’être relativement simple et peu couteuse à fabriquer car elle ne nécessite aucun outillage spécifique.

Dans la description qui suit, on appelle « interface », la surface de contact entre une couche en métal et la couche en matériau composite de l’assemblage sandwich composite/métal, c'est-à-dire la surface co-polymérisée assurant l’adhérence du métal et du composite.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’éprouvette selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

les orifices borgnes des deux couches en métal sont alignés suivant un même axe de traction XX.
l’éprouvette comporte, dans chaque couche en métal, au voisinage de la couche centrale, une zone évasée de raccordement des diamètres de la couche en métal et de la couche centrale.
l’orifice borgne de chacune des couches en métal comporte un filetage adapté pour recevoir un dispositif de fixation d’un banc d’essai.
les orifices borgnes comportent chacun une profondeur inférieure à une épaisseur des couches en métal.
l’éprouvette est découpée dans une chute d’un panneau sandwich co-polymérisé de métal et CMO.
chaque couche en métal comporte une épaisseur minimale de 10 mm.
l’éprouvette comporte, dans chaque couche en métal, une épaisseur vierge minimale de 3 mm entre un fond de l’orifice borgne et la couche centrale.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un ensemble de caractérisation d’une tenue en traction d’un assemblage sandwich CMO/métal d’une pièce aéronautique. Cet ensemble se caractérise par le fait qu’il comporte un banc d’essai sur lequel est montée une éprouvette telle que définie ci-dessus, ledit banc d’essai comportant un premier et un second dispositifs de fixation montés chacun dans un des orifices borgnes de l’éprouvette.

Avantageusement, le banc d’essai comporte des moyens pour appliquer un effort de traction, sur l’éprouvette, dans une direction perpendiculaire à un plan de l’interface entre la couche centrale et une des couches en métal de l’éprouvette.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La représente schématiquement une vue en coupe d’un exemple d’assemblage sandwich CMO/métal dans lequel est réalisé l’éprouvette selon l’invention ;

La représente schématiquement une vue en perspective d’une éprouvette selon l’invention ;

La représente schématiquement une vue de dessous de l’éprouvette selon l’invention de la ;

La représente schématiquement une vue en coupe de l’éprouvette selon l’invention de la ;

La représente schématiquement un exemple de banc d’essai sur lequel est montée l’éprouvette selon l’invention ; et

La représente, par des courbes, une comparaison de l’état de sollicitation hors-plan de l’interface d’une éprouvette selon l’invention avec deux lois de comportement de l’interface différentes, correspondant respectivement à une interface CMO/métal co-polymérisée et à une interface CMO/métal assemblée par collage secondaire (pour illustration).

DESCRIPTION DETAILLEE

Un exemple de réalisation d’une éprouvette de caractérisation d’une interface d’assemblage sandwich CMO/métal selon l’invention est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Un exemple d’une éprouvette selon l’invention est représenté sur les figures 2, 3 et 4. Cette éprouvette est fabriquée dans un assemblage sandwich CMO/métal 10 dont un exemple est représenté sur la . Cet assemblage sandwich CMO/métal 10 est l’un des assemblages les plus utilisés pour la fabrication des pièces aéronautiques telle que les aubes de turbomachine. Un tel assemblage sandwich composite/métal peut également être utilisé, par exemple, pour l’intégration d’inserts métalliques (écrous, brides,…) dans les pièces composites, ou pour des bielles composite/métal avec un corps composite co-polymérisé avec deux extrémités métalliques, ou d’autres applications. Cet assemblage de matériaux est constitué de deux couches en métal 12 et d’une couche en CMO 14. Les couches en métal 12 peuvent être des couches formées dans un matériau métallique, comme le titane, ou dans un alliage comme l’acier ou le TA6V. La couche de CMO 14 est une couche d’un matériau composite à base de fibres et de résine.

Les couches en métal 12 sont les couches extérieures de l’assemblage sandwich CMO/métal et la couche de CMO 14 est la couche intermédiaire, ou couche centrale, dudit assemblage sandwich CMO/métal 10. Autrement dit, la couche de CMO 14 est positionnée entre les deux couches en métal 12 et est co-polymérisée avec ces deux couches en métal par la résine contenue dans le CMO.

On appelle « co-polymérisation », la réaction chimique initiée par la résine du CMO pour assurer l’adhérence du CMO avec le métal. La co-polymérisation comprend la co-injection et la pré-imprégnation. En effet, selon un mode de réalisation, le CMO comporte une préforme de fibres de carbone sèches, placées dans un moule, et une matrice en résine époxy injectée sous forme liquide dans le moule ; dans ce cas, l’assemblage du CMO et du métal est obtenu par « co-injection » (technique RTM, pour Resin Transfer Molding en terminologie anglo-saxone). Dans un autre mode de réalisation, le CMO est un composite dit « pré-imprégné » ; la matrice en résine crue du composite est alors imprégnée dans les plis des fibres de carbone, avant la mise en moule. Quel que soit le mode de réalisation, la résine polymérise dans le moule et assure l’adhérence du CMO et du métal par co-polymérisation.

Dans l’exemple de la , chacune des couches en métal 12 présente une épaisseur d’environ 10mm et la couche en CMO 14 présente une épaisseur d’environ 5mm. Bien entendu, l’assemblage de matériaux peut être réalisé à partir d’autres métaux, alliages et/ou composites, avec des épaisseurs différentes de celle de l’exemple de la , les épaisseurs des couches métalliques données dans cet exemple de la étant des épaisseurs minimales. Les matériaux et épaisseurs décrits en liaison avec la ont l’avantage d’être approximativement les mêmes que ceux des matériaux d’assemblage réellement utilisés pour la fabrication des pièces aéronautiques. L’éprouvette 100, qui va être décrite par la suite, peut donc être obtenue par découpe dans une chute de l’assemblage de matériaux utilisé pour la fabrication d’une pièce aéronautique. Utiliser une chute de l’assemblage de matériaux, ou une pièce mise au rebus, permet d’obtenir une éprouvette dont le matériau est strictement identique au matériau réellement utilisé pour la fabrication des pièces aéronautiques, sans aucun surcoût d’achat de matériau ou d’outillage spécifique.

Un exemple d’éprouvette 100 selon l’invention est représenté sur les figures 2, 3 et 4. Cette éprouvette 100 a une forme globalement cylindrique, c'est-à-dire qu’elle présente une section circulaire mais un diamètre non-constant sur toute son épaisseur e. Plus particulièrement, l’éprouvette 100 comporte deux couches en métal 110, identiques l’une à l’autre et une couche en CMO 120. La couche en CMO 120, ou couche centrale, est positionnée entre les deux couches en métal 110 et co-polymérisée avec lesdites couches en métal. Les couches en métal 110 présentent toutes deux un même diamètre d1 et une même épaisseur e1. La couche en CMO 120 présente un diamètre d2 et une épaisseur e2. L’épaisseur e2 peut être différente ou égale à l’épaisseur e1. Le diamètre d2 de la couche en CMO120 est sensiblement supérieur au diamètre d1 des couches en métal 110. Une zone évasée 140 raccorde les diamètres d1 des couches en métal au diamètre d2 de la couche en CMO. Cette zone évasée 140, proche de l’interface CMO/métal, est usinée, de préférence, dans chacune des couches en métal 110, dans la partie de ladite couche en métal proche de la couche en CMO 120.

Cette forme globalement cylindrique de l’éprouvette 100 permet d’éviter les arêtes vives des géométries classiques (de formes prismatiques). Elle permet également un usinage au tour de l’éprouvette, qui est économiquement accessible, et qui garantit une sollicitation à symétrie de révolution. Le fait d’avoir un diamètre non-constant permet à l’éprouvette de respecter les contraintes relatives à la caractérisation de l’interface CMO/métal et, en particulier, de supprimer les effets de bords (c'est-à-dire les singularités de contrainte) ainsi que le pic de chargement local engendré généralement par les conditions de bords libres des surfaces latérales des éprouvettes à géométrie classique (en traction hors-plan comme en cisaillement).

L’éprouvette 100 selon l’invention comporte, dans chacune des couches en métal 110, un orifice borgne 130 s’étendant le long de l’axe de traction XX de l’éprouvette. Les orifices borgnes 130 de chacune des couches en métal 110 sont alignés l’un avec l’autre le long de cet axe XX. Chaque orifice borgne 130 est formé au centre de la couche en métal 110, autour de l’axe de traction XX, en regard l’un de l’autre. Chacun des orifices borgnes 130 s’étend sur une profondeur p, inférieure à l’épaisseur e1 de la couche en métal, et débouche sur la face extérieure 115 de ladite couche en métal 110. Ces orifices borgnes 130 sont conçus pour recevoir chacun un dispositif de fixation 250 (visible sur la ) assurant la liaison entre l’éprouvette 100 et le banc d’essai 200 sur lequel l’éprouvette 100 est montée lors des essais en traction.

Une épaisseur minimale est conservée vierge entre le fond de l’orifice borgne 130 et la couche de CMO 120 pour permettre un chargement en traction homogène. Dans l’exemple de l’assemblage de matériaux de la , l’épaisseur vierge v conservée entre le fond de l’orifice borgne 130 et la couche de CMO 120 est d’environ 3mm. Cette épaisseur vierge v permet une diminution minime du chargement hors-plan de l’interface CMO/métal sous l’orifice borgne 130 ; elle permet, en outre, de garder la zone la plus chargée de ladite interface en zone courante, non proche des surfaces libres. Plus l’épaisseur vierge v est élevée, plus le chargement est homogène.

Dans un mode de réalisation préféré, les orifices borgnes 130 sont des taraudages ; ces orifices borgnes 130 comportent alors chacun un filetage adapté pour recevoir un élément à vis du dispositif de fixation 250. Ces taraudages permettent d’atteindre le maximum des contraintes en pleine zone courante de l’interface, ce qui limite l’effet de ces contraintes. Autrement dit, lorsque l’éprouvette est soumise à un effort en traction, la sollicitation maximale de l’interface est localisée dans la zone centrale de l’assemblage de matériaux, c'est-à-dire dans une zone plus proche de l’axe de traction XX que du rayon externe. Dans ce mode de réalisation, chaque orifice borgne 130 peut, par exemple, avoir une profondeur p minimale, égale à environ 4 à 5 fois le filet de la vis, plus quelques mm de marge pour le passage du taraud. Pour un assemblage de matériaux conforme à celui de la , l’orifice borgne 130 présente une profondeur p d’environ 7mm correspondant à un filetage de 4 à 5mm et une marge de passage du taraud de 2 à 3mm ; l’épaisseur vierge v est alors d’environ 3mm. Une telle épaisseur vierge permet de limiter la diminution de la sollicitation au centre de l’interface, c'est-à-dire au niveau de l’axe XX, de sorte à conserver une sollicitation relativement uniforme sur l’ensemble de ma surface de l’interface.

La géométrie de l’éprouvette 100 telle que décrite ci-dessus convient à de nombreux métaux et, en particulier, aux métaux et alliages réputés « durs » (c'est-à-dire dont la dureté est équivalente à celle d’un acier de classe 12.9) de sorte que la charge en traction puisse être supportée par le dispositif de fixation 250. Elle convient en particulier à l’acier et au titane de type TA6V. Pour des métaux réputés « mous », par opposition aux métaux durs, comme par exemple l’aluminium, il peut être économiquement intéressant de choisir des couches en métal dont l’épaisseur est bien supérieure aux exemples donnés précédemment, par exemple 15 à 16 mm, de sorte que les orifices borgnes soient sensiblement plus profonds que dans le cas de couches en métal dur, avec un nombre de filets plus élevé, par exemple de l’ordre de 2 à 2,5 fois plus de filets pour un métal mou que pour un métal dur. L’exemple d’épaisseur donné pour un métal mou correspond, par exemple, à une dizaine de filets minimum à 1mm/filet, une épaisseur vierge d’environ 3 mm et 2 à 3 mm de marge pour le passage du taraud.

L’éprouvette 100 telle que décrite précédemment peut être montée dans un banc d’essai 200, comme représenté sur la . L’éprouvette 100 forme alors, avec le banc d’essai 200, un ensemble permettant de caractériser la tenue mécanique de l’interface CMO/métal de l’éprouvette 100 lorsque ladite éprouvette est soumise à des efforts en traction hors plan, c'est-à-dire des efforts suivant une direction sensiblement perpendiculaire au plan de l’interface CMO/métal. Pour cela, l’éprouvette 100 est fixée sur le banc d’essai 200 au moyen de deux dispositifs de fixation 250. Ces dispositifs de fixation 250 - fixés chacun, d’une part, dans un des orifices borgnes 130 de l’éprouvette et, d’autre part, sur le banc d’essai 200 - transmettent un effort en traction à l’éprouvette, dans une direction perpendiculaire au plan de l’interface entre la couche CMO et les couches en métal. L’éprouvette 100 étant conforme à l’assemblage de matériaux, les effets de la traction sur l’interface CMO/métal de l’éprouvette, correspondent aux effets réels d’une traction sur une pièce aéronautique en assemblage de matériaux.

La représente l’état de sollicitation hors-plan de l’interface CMO/métal, en fonction de la distance radiale, pour une éprouvette co-polymérisée selon l’invention (courbe C1) et pour une éprouvette selon l’état de la technique avec collage secondaire des couches métalliques à la couche composite (courbe C2). La comparaison de ces deux courbes montre que la géométrie de l’éprouvette proposée est exploitable aussi bien pour caractériser des assemblages CMO/métal obtenus par copolymérisation que par collage secondaire.

Bien que décrits à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, l’éprouvette selon l’invention, ainsi que l’ensemble de caractérisation comportant cette éprouvette, comprennent divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Éprouvette (100) d’essai en traction représentative d’un assemblage sandwich composite/métal (10) d’une pièce aéronautique, caractérisée en ce qu’elle comporte une forme globalement cylindrique formée de :
deux couches en métal (110), d’un même diamètre (d1) et comportant chacune un orifice borgne central (130), et

une couche centrale (120) co-polymérisée d’un matériau composite à matrice organique, positionnée entre les deux couches en métal (110) et ayant un diamètre (d2) sensiblement supérieur au diamètre desdites couches en métal.
Éprouvette selon la revendication 1, caractérisée en ce que les orifices borgnes (130) des deux couches en métal (110) sont alignés suivant un même axe de traction (XX).
Éprouvette selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comporte, dans chaque couche en métal (110), au voisinage de la couche centrale (120), une zone évasée (140) de raccordement des diamètres de la couche en métal et de la couche centrale.
Éprouvette selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’orifice borgne (130) de chacune des couches en métal (110) comporte un filetage adapté pour recevoir un dispositif de fixation (250) d’un banc d’essai (200).
Éprouvette selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les orifices borgnes (130) comportent chacun une profondeur (p) inférieure à une épaisseur (e1) des couches en métal.
Éprouvette selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu’elle est découpée dans une chute d’un panneau sandwich co-polymérisé de métal et CMO.
Eprouvette selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque couche en métal (110) comporte une épaisseur minimale de 10 mm.
Éprouvette selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comporte, dans chaque couche en métal (110), une épaisseur vierge (v) minimale de 3 mm entre un fond de l’orifice borgne et la couche centrale.
Ensemble de caractérisation d’une tenue en traction hors-plan d’un assemblage sandwich CMO/métal (10) d’une pièce aéronautique,
caractérisé en ce qu’il comporte un banc d’essai (200) sur lequel est montée une éprouvette (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit banc d’essai comportant un premier et un second dispositifs de fixation (250) montés chacun dans un des orifices borgnes (130) de l’éprouvette.
Ensemble de caractérisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le banc d’essai (200) comporte des moyens pour appliquer un effort de traction, sur l’éprouvette (100), dans une direction perpendiculaire à un plan de l’interface entre la couche centrale (120) et une des couches en métal (110) de l’éprouvette.