Déterminer les propriétés des matériaux à haute température

Note de l’éditeur

Cet article aborde les défis entourant la réalisation d’essais de traction à haute température et la méthodologie menant à la conception d’une micromachine pouvant effectuer des tests de traction sous atmosphère contrôlée. Un deuxième article intitulé Une micromachine de traction à chaud pour l’aéronautique présentera la micromachine conçue.

Introduction

L’intérêt croissant pour maximiser l’espace de conception et la performance des structures à haute température dans divers secteurs industriels (aéronautique, aérospatiale, énergétique, gestion des déchets) conduit à la nécessité de développer de nouveaux matériaux, mais aussi à mieux comprendre le comportement des matériaux à haute température à différentes échelles, allant de la structure à la microstructure [1]. En effet, certaines pièces, comme les moteurs d’avion à réaction, doivent résister à de très hautes températures (températures supérieures à 1200 °C) et en plus, doivent offrir une bonne durabilité dans des atmosphères relativement difficiles [2]. Caractériser, modéliser, simuler et prédire la réponse mécanique des matériaux à des températures élevées et à des échelles de plus en plus fines sont devenus les objectifs principaux des communautés industrielles et universitaires.

Ces matériaux, du fait des sollicitations externes (température, chargement mécanique, environnement) auxquelles ils sont soumis, évoluent dans le temps [3]. Il devient dès lors primordial d’intégrer les évolutions microstructurales et les propriétés mécaniques locales dans le dimensionnement des pièces ou des composantes de structure. La caractérisation expérimentale de ces matériaux à l’échelle de ce gradient de microstructures et de propriétés reste délicate, d’autant plus à haute température. Afin d’obtenir ces données matériaux, soit ces données de conception, il est nécessaire d’effectuer des essais mécaniques sur des échantillons de taille représentative du gradient de microstructures et de propriétés, c’est-à-dire sur des échantillons de taille micrométrique (quelques microns d’épaisseur), mais aussi sur des échantillons de taille conventionnelle (quelques millimètres d’épaisseur). D’où la nécessité de développer des bancs de caractérisation multi-échelles dans le but d’alimenter les modèles de dimensionnement, de comportement, de prédiction de durée de vie, afin d’obtenir des propriétés locales de matériaux, évolutives dans le temps. Tester des matériaux aussi minces dans cette gamme de température (allant de la température ambiante à des températures avoisinant les 1200 °C) en maîtrisant les effets d’atmosphères est un véritable défi.

Bancs d’essai sous atmosphère contrôlée

Cette problématique (caractérisation des matériaux à haute température par l’emploi d’échantillons ultraminces) a fait l’objet de quelques développements de bancs d’essai, et ce depuis le début des années 2000 [4] (équipe du prof. K.J. Hemker à l’Université Johns Hopkins) [5]. L’adaptation des outils employés en caractérisation micro-optoélectronique à haute température a permis de poser les prémices de la caractérisation à plus de 1000 °C d’échantillons dits freestanding au moyen de l’échauffement par effet Joule (épaisseur d’échantillons allant de 10 à 100 microns et largeur de plusieurs centaines de microns). Des bancs d’essai similaires ont été mis en place par Alam et al. [1] pour la réalisation d’essais uniaxiaux sur des alliages réfractaires, de la température ambiante jusqu’à 1200 °C, avec des vitesses de déformation allant de 10^-5 à 10^-1 s^-1.

Le chauffage par effet Joule facilite l’accès à l’éprouvette (pas d’éléments chauffants autour de l’échantillon), permettant ainsi le couplage de différentes techniques complémentaires (moyens optiques pour le suivi de la déformation, caméras thermiques pour la cartographie de température, etc.). Cette technique permet ainsi l’emploi aisé de techniques complémentaires. Néanmoins, le chauffage par effet Joule est très sensible aux variations de section utile et à l’endommagement créé lors d’essais mécaniques. Ainsi, cette technique présente des limites considérables lors d’une striction« Réduction localisée de la section transversale, qui peut se produire dans une matière soumise à une contrainte de traction. » Définition normalisée par l’ISO. Réf. Termium Plus. d’éprouvette ou lors de la localisation de la déformation et développement d’endommagement, mais aussi du fait de l’éventail de matériaux testables, c’est-à-dire les matériaux conducteurs. La création récente de bancs de caractérisation micromécanique sous atmosphère contrôlée comprenant un chauffage par four à lampes infrarouges a permis de palier les limitations thermiques associées à la déformation des échantillons durant l’essai mécanique [6, 7]. Ces bancs d’essai avaient l’avantage de permettre la réalisation d’essais à très haute température (au-delà de 1100 °C), sous atmosphère contrôlée. Une vue détaillée de cette micromachine est présentée à la Figure 2.

Cependant la conception de ce type de micromachines rencontre des limites par rapport au besoin que nous désirons combler dans notre recherche en ce qui concerne les atmosphères corrosives. De plus, cette solution de conception ne permet pas une manipulation aisée pour la mise en place d’échantillons ultraminces, demandant une grande dextérité. Cette étude a quand même permis de lever des verrous scientifiques et technologiques et a pu démontrer la faisabilité de ce type d’essais mécaniques, délicats à mettre en œuvre, portant sur les revêtements aéronautiques et leur influence sur le substrat [8, 9].

Méthodologie de conception de la micromachine

Ainsi face à ces limites présentes dans la littérature, ce projet de recherche propose le développement d’un prototype de caractérisation micromécanique offrant la possibilité de réaliser des essais à haute température (jusqu’à 1200 °C) sur tout type de matériaux, sous atmosphère contrôlée (atmosphères neutres, corrosives ou oxydantes). L’instrumentation qui accompagnera cette micromachine devra aussi être capable d’aller chercher les déformations macroscopiques et locales sur l’échantillon sans contact, en utilisant des techniques récentes appliquées à la photomécanique.

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le projet OGFPA, financé par le ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation (MESI) québécois (PSR-PSIIRI 954 – Volet 4) et porté par le professeur Philippe Bocher de l’ÉTS. Le développement de ce banc d’essai fait l’objet d’un projet de maîtrise recherche mené par James William Chuitcheu IV Tchouambe. Ce projet est réalisé en étroite collaboration avec Jean-Marc Zisa, directeur de l’entreprise Instruments Innovatorr Inc. et Intercovamex, et avec Damien Texier, chargé de recherche CNRS à l’Institut Clément Ader.

Après élaboration du cahier de charges pour l’ensemble des spécifications technologiques à respecter, l’analyse fonctionnelle arrêtée est détaillée ci-dessous (Figure 3) :

Afin de remplir les exigences contenues dans cette analyse fonctionnelle, la méthodologie résumée à la figure ci-dessous a été adoptée (figure 4) :

À suivre

La micromachine conçue sera présentée bientôt dans un article intitulé Une micromachine de traction à chaud pour l’aéronautique.

Remerciements

• Un grand merci au programme du Ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation du Québec (PSR-SIIRI-954).
• Un grand merci à Damien Texier, chargé de recherche CNRS à l’Institut Clément Ader, pour ses conseils techniques ayant aidé à peaufiner ce travail.
• Un grand merci à mon directeur de recherche, le Professeur Philippe Bocher pour son encadrement et les idées pertinentes qu’il a suggérées pour l’accomplissement de ce travail.
• Merci à l’entreprise québécoise Instruments Innovatorr Inc. Et Intercovamex.