COmportement Mécanique Et Tribologique des composites à matrice Titane – COMETTi

Les matériaux composites à Matrice Métallique (CMM) à matrice d?aluminium sont désormais assez largement répandus dans l?industrie mécanique et en particulier dans le secteur aéronautique pour des pièces soumises à des chargements et des températures modérées. Ces composants CMM réalisés par métallurgie des poudres, présentent des propriétés très attrayantes, du fait de l?addition de particules céramiques fines (généralement SiCp<5 µm) : module d?Young très élevé, très bon comportement en fatigue et fretting-fatigue, très bonne résistance à l?usure. L?enjeu est désormais d?étendre ce procédé pour des structures plus fortement chargées et/ou soumises à des hautes températures avec l?objectif d?une réduction de poids (économies d?énergie). Autrement dit, de remplacer des pièces en acier par ces nouveaux matériaux plus légers. Pour cela la solution consiste à développer des CMM à matrice de titane. Les alliages de titane présentent l?avantage d?être beaucoup plus légers que les aciers et surtout beaucoup plus résistants vis-à-vis de la corrosion. En revanche, ils présentent des modules plus faibles et donc induisent des déformations plus grandes ce qui peut induire des problèmes de dimensionnement. Différentes recherches sont déjà en cours pour résoudre ce problème en introduisant des particules de renforts (carbures, borures) qui augmentent les propriétés volumiques de ces alliages (module élastique), tout en gardant une ductilité suffisante. Un second problème, tout aussi important, est que les alliages de titane, contrairement aux aciers, présentent de très mauvaises propriétés tribologiques et en particulier une très mauvaise réponse vis-à-vis du fretting-fatigue (sollicitations couplées de fatigue et de contact associées à des micro déplacements alternés). Cela se traduit par une réduction catastrophique de l?endurance en fatigue. L?objectif de COMETTi est de résoudre ce problème en optimisant la composition des alliages et en effectuant des traitements de surface appropriés. Cette optimisation portera sur trois axes : - Augmentation du module de façon à diminuer les déformations et donc les mouvements relatifs dans les assemblages, - Amélioration du seuil d?initiation des fissures par fretting grâce aux particules dures contenues dans le matériau et aux traitements de surface qui doivent améliorer le comportement au frottement, - Diminution de la vitesse de propagation des fissures (effet arrêt de propagation lié à la présence des particules). La voie la plus prometteuse pour obtenir un CMM optimisé est celle de la métallurgie des poudres, par mélange et/ou broyage de poudres de titane et de renforts, elle laisse une grande flexibilité pour optimiser la taille et le taux de renfort, et donc jouer sur les propriétés mécanique, tribologique, usinabilité. Différentes natures de renforts et de matrices seront étudiées et les relations conditions d?élaboration/microstructure/propriétés mécaniques seront analysées. Le principale challenge sera de réaliser ce développement matériau à l?échelle industrielle. Pour renforcer leur résistance à l?usure, des traitements de surface compatibles avec les CMM seront développés (OAS, nitruration et dépôt HVOF). Le comportement en fatigue-fretting sera caractérisé au travers d?essais de fatigue, de fretting simple et de fretting-fatigue sur éprouvettes élémentaires et technologiques. De façon à rationaliser l?analyse « fretting-fatigue », on introduira le concept de carte de Fretting-Fatigue. Par ailleurs, un aspect modélisation multi-échelle du CMM est prévu afin d?adapter les modèles de fretting-fatigue à un matériau hétérogène. Ce projet se positionne principalement dans l?axe 1 « Fonctionnalité et Matériau associé » (introduction d?une nouvelle fonctionnalité : le comportement tribologique , sans modifier les bonnes propriétés volumiques du matériau de base), mais également dans l?axe 2 « Multi-matériaux et matériaux composites », (composite à matrice titane et renforts céramiques) et enfin dans l?axe 3 « Nanomatériaux, matériaux hybrides organiques/inorganiques » par les techniques d?élaboration mises en ?uvre (broyage de type mécanosynthèse , SPS). COMETTi permettra ? de proposer une solution alternative aux aciers permettant un concept de rotor plus compact réduisant sa trainée aérodynamique et donc la consommation d?énergie mais aussi une diminution importante des coûts de maintenance. Ces différents aspects seront des avantages concurrentiels importants pour MECACHROME et EUROCOPTER. Au niveau scientifique, COMETTi permettra de développer une compétence nationale sur les mécanismes d?endommagement et modèles associés, en fatigue-fretting de matériaux hétérogènes.