Surface de charge
Monocristal, alliage à solidification dirigée, polycristal
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Dans les moteurs aéronautiques, les aubes de turbines des étages les plus chauds sont des pièces qui fonctionnent à très haute température. Elles conditionnent le rendement du réacteur, et elles sont donc l'objet d'une attention toute particulière. Leur développement mobilise des aérodynamiciens, des thermiciens, des métallurgistes et des mécaniciens. |
| D'importants progrès ont été réalisés au cours des dernières années grâce à l'apparition de nouvelles technologies. Le refroidissement par des canaux internes a été l'une des principales évolutions apportées par les concepteurs. Elle a permis au cours des 30 dernières années d'augmenter d'environ 500°C la température d'entrée turbine. Elle a bien entendu augmenté les gradients thermiques dans les aubes, donc également la complexité des champs de contrainte. |  |
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Ceci nécessite le recours systématique au calcul de structures pour calculer la durée de vie des pièces. Comme la plupart des grands groupes industriels, Snecma utilise plusieurs codes de calculs. Les calculs d'aubes de Snecma Moteurs sont réalisés à l'aide du code abaqus et du code ZéBuLoN. Ce dernier code, développé en France au Centre des Matériaux de l'Ecole des Mines et à l'Onera, en coopération avec NorthWest Numerics aux Etats-Unis, a permis de réaliser sur machine parallèle des calculs portant sur plusieurs centaines de milliers d'éléments (ci contre, exemple de maillage décomposé en sous-domaines; chaque sous-domaine est calculé sur un processeur, puis un algorithme itératif permet d'effectuer le "recollement" de la structure). |
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Matériaux de la photo de droite, resp. polycristal, alliage à solidification directionnelle, monocristal
Les progrès réalisés en conception mécanique et thermique ont été accompagnés par des progrès sur les matériaux. Le matériau traditionnel est un matériau de fonderie, comportant de gros grains, à base Nickel (schéma et photo de gauche). Ayant constaté que les joints de grains étaient des sites privilégiés pour l'amorçage de petites fissures menant à la rupture de l'aube, les métallurgistes ont proposé de passer du matériau polycristallin à des alliages à solidification directionnelle (DS="directionnally solidified", au centre sur le schéma et la photo). Dans ce cas, tous les grains constituant la pièce ont un axe cristallin (001) en direction de l'axe de l'aube, les directions secondaires étant aléatoires. Ils ont ensuite réussi à fabriquer des aubes monocristallines (schéma et image de droite), par croissance cristalline à partir d'un germe sélectionné. L'aube a donc partout la même orientation cristalline, à savoir (001) dans l'axe de l'aube.
Surface de charge pour un monocristal, un alliage DS, un polycristal
Pour représenter correctement ces nouveaux matériaux dans les calculs, il faut donc que le mécanicien dispose de modèles adaptés. Le matériau polycristallin sera modélisé de façon satisfaisante en utilisant un critère de von Mises. Ce n'est pas du tout le cas du monocristal : la déformation plastique s'effectue dans ce cas par glissement cristallographique selon un certain nombre systèmes de glissement , de directions bien définies (vecteurs de type <110>) dans des plans déterminés (normale de type (111)). Le glissement se déclenche lorsque la cission résolue , projection sur la direction de glissement de la composante tangentielle du vecteur contrainte dans le plan dépasse un seuil critique. La surface de charge est donc obtenue par réunion de plusieurs critères linéaires, un par système de glissement. Classiquement, la famille de systèmes octaédriques est la plus active dans ces matériaux, qui possèdent une structure cubique à faces centrées, CFC (un atome à chaque coin et un atome au centre de chaque face de la maille cubique). Il s'agit donc de 12 systèmes, répartis par groupe de 3 sur 4 plans, resp. (1 1 1), (-1 1 1), (1 -1 1) et (1 1 -1).
Le matériau à solidification directionnelle va être une sorte d'hybride entre les deux, comportant suffisamment de systèmes de glissement dans une section d'aube pour présenter dans ce plan un critère de matériau isotrope, mais il reste fortement marqué par son caractère cristallographique dans les plans qui contiennent l'axe de l'aube.
Evaluation numérique des surfaces de charge
On trouvera ICI des applications permettant de tracer des surfaces de charge en traction-cisaillement pour monocristal, alliage à solidification dirigée et polycristal