4. Dégradation de la surface de frottement du composite C/C 2,5D à sec
4.2. Effet du frottement dans l’épaisseur de C/C
Le changement d’angle de vue lors de l’observation des coupes tangentielles (T) éclaire sur le comportement au cisaillement du matériau C/C.
(a) (b)
Figure IV.31 – Surface portante - Observation en coupe T - Échantillon N07 à sec La Figure IV.31 montre les deux conséquences de l’arrasage de la surface. `A gauche (a), une aspérité est coupée nette en son sommet par les efforts de frottement. Sur cette zone de frottement, la portance était uniquement assurée par une petite surface. Pour les zones où toute la surface est soumise au frottement, la mise en conformité des surfaces de frottement provoque un aplanissement global (b).
Sur le même échantillon, en addition du phénomène d’arrasage, des fissures obliques sont observées (Fig. IV.32). Ce qui prouve que sous certaines conditions, des fissures de type cisaillement peuvent se créer dans le matériau. Elles sont peu profondes, de quelques dizaines de μm et sont orientées à 45°.
4. Dégradation de la surface de frottement du composite C/C 2,5D à sec
(a) (b)
Figure IV.32 – Fissurations - Observation en coupe T - Échantillon N07 à sec
Cependant, ces fissures sont différentes de celles observées dans la littérature. Ainsi, le détachement de débris [Ozcan 2005] pourrait se faire à partir de la zone la plus fragile du matériau, c’est-à-dire la liaison fibre-matrice (Fig. IV.33a) ou directement en sous couche (Fig. IV.33b). Au lieu de cela, les fissures du C/C 2,5D traversent à la fois les fibres et la
matrice avec un angle de l’ordre de 45° par rapport à la surface de l’échantillon.
Figure IV.33 – Fractures et détachement de matière (a) à partir de zones fragiles - (b) en sous-couche [Ozcan 2005]
5. Conclusions du chapitre
Les essais tribologiques présentés dans ce chapitre ont permis de mettre en évidence les phénomènes intervenant dans le comportement tribologique à sec du matériau composite Carbone/Carbone 2,5D.
Les essais MVC ont permis de dégager le comportement tribologique caractéristique des différents états de surface de référence (neufs, polis, RS). Toutes les valeurs moyennes du coefficient de frottement se sont avérées être fonction du paramètre de rugosité Sk, selon une
courbe maîtresse en « cloche ». Cela permet d’estimer le coefficient de frottement moyen d’un échantillon à partir de sa rugosité, sans connaissance préalable de sa provenance. De plus, en fonction de la vitesse de frottement, le comportement tribologique en MVC présente une évolution caractéristique. Alors que le coefficient de frottement des disques revenant de service baisse lorsque la vitesse de frottement augmente, celui des disques neufs est plutôt stable et celui des polis en laboratoire a tendance à augmenter légèrement. Cela s’explique par l’évolution des propriétés d’état de surface de chaque type d’échantillon.
Les essais tribologiques longue distance mis en œuvre ont modifié l’état de surface des échantillons autant sur le plan topographique que sur le plan morphologique. Les informations recueillies montrent, qu’avec une énergie spécifique suffisante, l’état de surface acquiert des propriétés similaires aux disque revenant de service.
Cependant, la transformation des états de surface n’est pas suffisante pour atteindre les caractéristiques des disques revenant de service. Une énergie spécifique supérieure ou des conditions environnementales différentes pourraient permettre la transformation complète de la surface.
Les propriétés observées durant les essais longue durée permettent de construire un mécanisme de dégradation des composites C/C soumis à un frottement sec.
Ce mécanisme est basé sur une concomitance de 2 phénomènes : un écrêtage des pics de rugosité les plus élevés, produisant des débris qui participent aux comblements des creux topographiques. Cela est prouvé par la baisse de 2 paramètres de rugosité, Svk et Spk. De
plus, les observations MEB montrent la présence d’un film fin sur la surface de frottement. Ce phénomène est valable sur tous les échantillons tribologiques à sec, mais à des degrés divers.
Enfin, une conséquence des efforts de frottement subis par les éprouvettes tribologiques en environnement sec est l’apparition de fissures en sous-couche, peu nombreuses, observables par des coupes transverses des échantillons. Elles traversent la structure fibreuse avec orientation de 45˚et une profondeur maximale de 40 μm.
Chapitre V
Étude tribologique des disques C/C
2,5D en environnement lubrifié
Sommaire
1. Matrice d’essais . . . 119 2. Essais Multi-Vitesses Courts et régimes de lubrification . . . 119 2.1. Caractérisation tribologique des états de surface de référence . 119 2.2. Caractérisation de l’état glacé . . . 126 3. Caractéristiques des essais lubrifiés longue distance . . . 128
3.1. Évolution du coefficient de frottement et de la température au cours des essais longs . . . 128 3.2. Paramètres influencés par la température . . . 130 3.3. Relation entre le coefficient de frottement et la température . . 132 3.4. Influence réciproque du coefficient de frottement et de la tempé-
rature . . . 134 4. Création d’états de surface particuliers - Plan d’expérience . 135 4.1. Présentation des essais réalisés . . . 135 4.2. Évolution du coefficient de frottement et de la température . . 136 4.3. Usure des éprouvettes C/C 2,5D . . . 138 4.4. Caractérisation des surfaces générées . . . 139 4.5. Résultats de l’influence des paramètres tribologiques . . . 144 5. Débris tribologiques et mécanismes spécifiques en environ-
nement lubrifié . . . 146 5.1. Analyses chimiques du lubrifiant chargé de débris par ICP . . . 146 5.2. Analyse chimique des débris par EDS . . . 147 5.3. Morphologie et taille des débris . . . 148 5.4. Évolution de la morphologie des particules détachées . . . 151 5.5. Évolution des surfaces portantes . . . 152 6. Conclusions du chapitre . . . 153
Ce cinquième chapitre traite du comportement tribologique du matériau C/C 2,5D dans un environnement lubrifié, avec le lubrifiant aéronautique Turbonycoil 160 (T160), étudié à la Section III.1.2. L’ajout de ce bain de lubrifiant permet dans le mécanisme industriel d’enrayer la corrosion de la contre-pièce en acier. Mais il modifie aussi le comportement tribologique des éprouvette en carbone contre acier, des débris contre premiers corps et la circulation des débris. Afin d’étudier le fonctionnement propre au composite C/C 2,5D en environnement lubrifié, des essais tribologiques multi-vitesses courts (MVC) puis des essais longue distance sont menés.
Les essais MVC sont pratiqués sur les échantillons de référence (neufs, polis, revenant de service) avec trois niveaux de pression normale appliquée. Les courbes de Stribeck issues de ces essais sont étudiées de façon à déterminer les régimes de lubrification pour chaque état de surface de référence. Cette méthodologie d’essais courts est aussi appliquée après les essais longs afin de caractériser tribologiquement les états de surface ainsi créés.
`
A partir des courbes de Stribeck, une définition de la perte de performance est alors donnée, mise en relation avec les caractéristiques morphologiques et topographiques.
Puis des essais longs prennent en compte les trois paramètres tribologiques que sont la vitesse de frottement, la pression normale et la distance sont réalisés selon un plan d’expérience. Les caractéristiques principales sont suivies : le coefficient de frottement, l’usure et l’évolution de l’état de surface.
La caractérisation complète de l’état topographique, de l’état morphologique, du com- portement des régimes de lubrification et de l’usure permet de tirer une conclusion sur l’évolution de l’état de surface et sur les conditions tribologiques menant à la création de surfaces avec perte de performance.
Enfin, les conséquences des essais longs sont considérées selon deux exploitations complémentaires. La première concerne les débris générés. Une étude de leur composition est faite par deux moyens d’analyse : l’ICP (Inductively Coupled Plasma) et l’EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Puis leur taille et leur morphologie sont déterminées. L’évolution de la morphologie de ces débris au cours du contact est constatée et un cycle de vie des débris est mis en lumière. La seconde exploitation porte sur des coupes micrographiques permettant l’étude des effets tribologiques dans l’épaisseur du composite C/C 2,5D.
1. Matrice d’essais
1. Matrice d’essais
L’ensemble des éprouvettes utilisées lors des essais lubrifiés est reporté dans le Ta- bleau V.1. La première partie des échantillons est consacrée aux caractérisations des surfaces neuves, polies et revenant de service. Pour cela, des relevés de rugosité, ainsi que des observations MEB et des essais tribologiques MVC sont effectués.
La deuxième partie du tableau regroupe les essais tribologiques longs, inclus dans le plan d’expérience notamment. Les conditions tribologiques de ces essais (vitesse de frottement, pression normale apparente et distance de frottement), sont reportées. `A la suite des essais longs, de nouvelles caractérisations sont entreprises. Il s’agit d’essais courts de type MVC, de caractérisations rugosimétriques et morphologiques (MEB) ainsi que de mesures de l’usure générée.
Toutes les caractéristiques morphologiques et topographiques des échantillons polis et revenant de service sont reportées dans l’Annexe C.