Interprétation et apport des résultats

Notre objectif était de construire un modèle apte à reproduire l’impact d’une goutte d’eau et les mécanismes associés.

Le modèle développé est pertinent puisqu’en alliant SPH et FEM nous avons contourné certaines difficultés et les résultats globaux sont cohérents avec l’expérience.

En ce qui concerne la description théorique de l’impact d’une goutte d’eau, nos calculs ont pu faire apparaitre les différentes “étapes“ de l’impact aqueux. Le “water hammer” est apparu au contact de la goutte sous la forme d’une contrainte ponctuelle extrêmement élevée. Puis la simulation a mis en

évidence le jeu d’ondes émis dans le matériau entre le moment d’impact et le moment de décompression de la goutte.

De plus, nous avons observé un maximum de pression (induisant un maximum de contraintes) en périphérie de la zone de contact juste avant la décompression de la goutte et l’émission des jets latéraux.

L’étude de la vitesse d’impact a permis d’assoir le modèle puisqu’avec l’augmentation de l’énergie d’impact, il était prévisible d’avoir une pression d’impact plus importante.

L’étude de l’influence de l’épaisseur du feuillet est très intéressante. En effet, il n’y a pas de doute sur le fait que ce soit la réflexion et la confrontation des différents fronts d’ondes de contraintes qui soient à l’origine des très forts maxima observés. Or dans l’industrie, et plus précisément dans la protection des pales d’hélicoptères, on ouvre actuellement des pistes de réflexion sur des protections temporaires qui prennent en compte la forme de feuillets minces (dont l’épaisseur est inférieure à 100 µm). Ces feuillets pourraient donc souffrir d’une rupture prématurée du fait de ces concentrations de contraintes. Par ailleurs, on retrouve cette problématique de réflexion d’ondes avec les revêtements métalliques qui, grâce à leur interface, ont l’aptitude de réfléchir une partie des ondes de contraintes. La modélisation peut devenir ici un outil précieux pour prédéfinir la structure de revêtements optimisés qui favoriseraient la dispersion des fronts d’ondes.

Enfin, lors des premiers calculs, les contraintes équivalentes de Von Mises pouvaient dépasser la limite d’élasticité de nos matériaux. Une loi de comportement élasto-plastique de Cook-Johnson a alors été utilisée. Pour les calculs, nous avons pris les caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables austénitiques et de l’alliage de titane T40. Les résultats montrent bien le rôle de la ductilité du matériau sur son comportement à l’impact. Ce modèle est toutefois encore incomplet puisqu’il ne prend pas en compte l’aptitude à la déformation et à la rupture de nos matériaux.

5. Conclusion

Cette première approche de la simulation remplit une grande partie de nos objectifs. En effet le modèle est viable et robuste. Il permet de faire varier les différents paramètres d’impact sur de grandes amplitudes et les résultats sont cohérents avec les ordres de grandeurs attendus.

Ceci a permis d’observer que la vitesse d’impact est corrélée avec les contraintes maximales émises dans le matériau. Ceci explique l’influence prépondérante de la vitesse dans les conditions d’essais en laboratoire.

De plus, lors de notre étude, nous avons observé l’émission d’ondes de contraintes successives au sein du matériau impacté comme ce qui était décrit par la théorie dans la littérature.

De plus, les résultats ont également le mérite de mettre en évidence la forte influence des phénomènes de réflexion des ondes et de sur-contraintes. Les revêtements obtenus par PVD peuvent donc agir sur la mécanique de l’impact par deux biais. D’une part, l’interface générée entre le revêtement et le substrat peut réfléchir une partie de l’onde de contrainte. D’autre part, le dépôt par PVD engendre des contraintes internes qui vont modifier l’impact des ondes de contraintes localement.

Aujourd’hui, de nombreuses études pourraient être menées pour augmenter l’apport de notre modèle. Tout d’abord, le maillage qui a été retenu peut sembler toujours trop grossier et on peut noter que l’étude de l’influence de l’épaisseur de la plaque n’a pas été menée à taille de maille constante. Une solution pourrait être de refaire le maillage pour avoir un affinement progressif de la maille au fur et à mesure que l’on se rapprocherait de la surface. L’étude des plaques plus fines pourrait alors se faire en tronquant la plaque initiale. Jusqu’à présent, le gain que cela représenterait n’a pas été jugé comme certain.

Notons maintenant que seuls des matériaux massifs ont été modélisés. L’objectif serait maintenant de modéliser des revêtements de manière suffisamment fiable pour étudier les mécanismes et permettre à l’industrie d’utiliser la simulation comme un premier outil de conception. Cependant, on ouvre ici la problématique associée à la définition de l’interface. En effet, doit-on la définir comme parfaite ? Et sinon, sur quelle base définir la part d’énergie qu’elle absorbe ou qu’elle réfléchit ? Enfin, la simulation est restée élémentaire en ce que la rupture n’ait pas été gérée. Il conviendrait donc d’établir une loi de rupture pour permettre d’une part d’observer les mécanismes d’endommagement propres à la réitération de chocs, et d’autre part pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux revêtus.

Conclusion Générale

Nous avons tenté de comprendre et d’analyser les mécanismes d’érosion à la pluie dans l’objectif de développer des solutions anti-érosion performantes et innovantes. Pour se faire, nous avons commencé par analyser des bords d’attaque usés en service. Nous avons ensuite testé des matériaux identiques sur PJET, un banc d’essais d’érosion à la pluie en laboratoire. Par comparaison des endommagements, nous avons pu évaluer la représentativité et la sévérité de nos essais.

Fort de ces premiers résultats, nous avons réalisé des revêtements qui ont été testés sur PJET. Deux technologies ont été utilisées, à savoir la projection thermique à flamme supersonique (HVOF) et la pulvérisation cathodique magnétron. La projection HVOF a permis d’obtenir des revêtements épais (avec une épaisseur de l’ordre de 250 µm) tandis qu’avec la pulvérisation cathodique, nous avons obtenus des revêtements minces (d’épaisseur inférieure à 30 µm) mais de natures très diverses (gommes métalliques, dépôts durs, DLC, etc.).

Enfin, nous avons abordé l’érosion pluie par le biais de la simulation à l’aide d’un modèle mixte EF-SPH (Eléments Finis – Smoothed Particles Hydrodynamics). L’objectif était ici de créer un premier modèle cohérent avec nos essais et avec les éléments présents dans la littérature.

Dans la première partie de notre travail, la représentativité de l’essai PJET a été étayée par le fait d’observer, en laboratoire et en service, des défauts qui impliquent les mêmes mécanismes d’arrachement par fatigue. Nos observations montrent que l’érosion à la pluie fait intervenir en premier lieu l’écrouissage du matériau, avant que des fissures intra-granulaires se développent par fatigue et aboutissent à des pertes de matière. On observe au summum de l’érosion que ces défauts de fatigue se multiplient. Les défauts premiers semblent favoriser l’apparition des défauts suivants, notamment en offrant de nouveaux sites d’initiation.

La représentativité de l’essai PJET a également été étayée par l’obtention, en laboratoire et en service, d’endommagements de profondeurs similaires à ceux observés en service. L’approfondissement s’étant révélé proportionnel au nombre d’impacts, nous avons estimé qu’il existait une corrélation entre nos essais à 10 millions d’impacts et l’endommagement maximal observé en service après 4000h de vol.

Finalement, pour les matériaux massifs, le meilleur comportement a été obtenu pour l’acier inoxydable austénitique très fortement écroui. Il se distingue ainsi de l’acier martensitique et de l’alliage de nickel-cobalt le plus résistant.

Dans la deuxième partie de notre travail, nous voulions identifier les mécanismes d’endommagement des matériaux revêtus et nous voulions identifier les revêtements les plus prometteurs.

Les revêtements obtenus par projection HVOF ont été les premiers à être testés mais ils se sont révélés extrêmement décevants. Tout d’abord, l’adhérence des revêtements était mauvaise. Nous supposons que le sablage, qui permet l’accroche mécanique du revêtement, était insuffisant. Cependant la finesse de nos substrats imposée par le contexte industriel (0,9 mm d’épaisseur) ne permet pas de faire un sablage plus important sous peine d’obtenir des déformations trop fortes. De plus, la caractérisation des dépôts HVOF a révélé des porosités et de nombreux défauts de fusion. Des dépôts de meilleure qualité peuvent être obtenus en optimisant les paramètres de déposition mais il a clairement été observé que ces défauts inhérents à la technologie rendaient les revêtements sensibles à l’érosion pluie.

Enfin les revêtements fins, obtenus par pulvérisation cathodique, ont apporté un gain significatif de résistance à l’érosion. Pour la première fois avec un essai aussi sévère que PJET, nous avons observé un gain à l’initiation supérieur à 1 million d’impacts. Qui plus est, si on considère la différence de volume érodé sous 5 millions d’impacts, la PVD Magnétron permet d’ors et déjà de réaliser un gain de l’ordre de 3 millions d’impacts.

Pour les revêtements fins, plusieurs comportements ont été observés. Dans le cas des revêtements à l’adhérence insuffisante, le revêtement est arraché et laisse l’interface nue. Lorsque l’adhérence était extrêmement forte, deux cas sont apparus selon l’épaisseur du revêtement. Si l’épaisseur est supérieure à 3 µm, il y a rupture par fatigue dans le revêtement. Si le revêtement a une épaisseur inférieure à 3 µm, les fissures traversent du revêtement lors de l’initiation et se propagent ensuite dans le substrat. Il y a alors arrachement du dépôt avec le substrat.

Aujourd’hui, nos résultats nous orienteraient à privilégier, pour les revêtements obtenus par PVD, des revêtements avec des épaisseurs comprises entre 3µm et 10µm. Nous retiendrons également que la résistance du dépôt dépend en premier lieu de son adhérence qui s’est révélée être un paramètre critique.

Dans la dernière partie de notre travail, nous avons réussi à développer un modèle mixte EF-SPH pour simuler l’impact d’une goutte d’eau sur une plaque d’acier. Les résultats de nos calculs concordent avec nos observations et avec la littérature. Les maxima des contraintes, calculés par Von Mises, sont de l’ordre du gigapascal (GPa). Ces valeurs sont proches de celles données récemment dans la littérature, et elles justifient un comportement plastique de nos matériaux.

Dans les simulations, nous avons observé l’émission et la propagation des ondes de contraintes à travers le feuillet impacté comme le prévoyait le modèle théorique. La propagation et la réflexion de ces ondes sont d’ailleurs à l’origine de sur-contraintes dans les feuillets les plus fins. En effet, dans les feuillets de 0,3 mm et de 0,1 mm d’épaisseur, une partie des ondes de contraintes sont réfléchies par la face antérieure du feuillet ce qui provoque des sur-contraintes lors des confrontations avec les ondes ultérieures. L’amincissement du coffrage des pales d’hélicoptère est donc limité par ce phénomène de réflexion des ondes.

Perspectives

Cette thèse a permis de mettre en avant des résultats qui pourraient orienter les futures recherches.

Les mécanismes d’érosion des matériaux massifs sont maintenant mieux appréhendés mais un matériau donné peut voir son comportement altéré par des spécificités. A ce titre, la recherche devrait aujourd’hui se focaliser sur de telles spécificités car elles pourraient révéler les matériaux de demain.

Dans cette optique, nous aurions aimé approfondir l’étude de l’acier inoxydable austénitique qui est plus résistant que l’acier inoxydable martensitique à caractéristiques mécaniques similaires. L’étude consisterait alors à vérifier si cette différence provient de la transformation de l’austénite en martensite par écrouissage sous la pression d’impact.

L’étude des alliages de nickel-cobalt pourrait également être approfondie. En effet, la résistance à l’érosion des échantillons a augmenté avec la teneur en cobalt dans l’alliage. Nous nous attendions à ces résultats car l’échantillon le plus allié était plus dur. Cependant, la littérature fait état pour le cobalt de la capacité à générer des macles mécaniques, capacité qui pourrait alors jouer comme un facteur de résistance. Nous pourrions donc réitérer des essais pour évaluer le taux de cobalt nécessaire pour observer la création de macles mécaniques.

Si on se tourne maintenant vers les solutions anti-érosion, on s’aperçoit que les perspectives de recherches sont encore très larges.

L’objectif global, notamment en ce qui concerne les revêtements fins obtenus par PVD, est d’améliorer la dissipation des contraintes émises dans le matériau. Pour ce faire, nous devrions en premier lieu veiller à avoir une maîtrise parfaite des interfaces car c’est la condition nécessaire à l’élaboration d’un dépôt résistant.

Ensuite, nous devrions exploiter la possibilité de créer par PVD des revêtements multicouches et/ou à gradient de composition. Mais pour concevoir un revêtement optimal contre l’érosion pluie, il faudrait dans un premier temps identifier la structure la plus prometteuse pour dissiper les ondes de contraintes, faire face aux pressions d’impacts, et avoir un comportement stable. Cela exige de passer par une analyse modale de la propagation des ondes dans les milieux élastiques, ce qui permettra d’orienter la conception vers une structure donnée. Un travail important pourra alors être dédié au développement et à l’évaluation de revêtements multicouches, ce qui pourrait faire en soi l’objet d’une prochaine thèse.

Enfin, un certain nombre de solutions potentielles n’ont pas pu être étudiées. Par exemple des revêtements "Phases MAX", des matériaux nano-lamellaires qui peuvent être obtenus par PVD, pourraient se révéler résistants à l’érosion pluie du fait de leur propriété de déformation. D’autre part, nous pourrions abandonner un moment les revêtements et étudier par exemple les renforcements de surface tels que les cémentations.

Pour finir ce chapitre, nous souhaiterions vivement encourager la suite des travaux sur la simulation de l’impact d’une goutte d’eau à haute vitesse. Notre modèle est cohérent mais il pourrait maintenant être amélioré. Tout d’abord, il faudrait affiner le maillage du feuillet impacté en surface et éviter les changements brusques de tailles de mailles. Avec un maillage suffisamment fin (de l’ordre du micromètre pour l’épaisseur), on pourrait obtenir des informations pour nous orienter sur la mise au point de revêtements anti-érosion (localisation précises des maxima de contraintes en fonction de la vitesse d’impact, etc.).

Ensuite, il serait intéressant de mettre en place une loi de rupture. Ceci nous permettrait de comparer les résultats des calculs avec les essais en laboratoire. Une loi simple serait par exemple d’associer l’énergie de rupture au double de l’énergie de surface créée.

Enfin, l’idéal serait de réussir à modéliser le comportement des revêtements anti-érosion. La définition des interfaces devra alors être réfléchie de manière à représenter le mieux le comportement réel. Une fois sa fiabilité établie, le modèle pourrait être utilisé comme un outil de conception pour aider à définir la structure des revêtements à tester (le nombre de couche, leurs épaisseurs respectives, etc.).

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