SIMULATION MULTI-PHYSIQUE ET MULTI-ÉCHELLE DU COMPORTEMENT DES REVÊTEMENTS ABRADABLES – APPLICATION A L’INDUSTRIE AÉRONA

1. SIMULATION MULTI-PHYSIQUE ET MULTI-ÉCHELLE DU COMPORTEMENT DES REVÊTEMENTS ABRADABLES – APPLICATION A L’INDUSTRIE AÉRONAUTIQUE 1LERMPS, UTBM, FRANCE 2 MTU Aero Engines GmbH & Co. KG, GERMANY 3 Sulzer Metco (Canada) Inc, Fort Saskatchewan, CANADA 4 Rolls-Royce plc, Derby, UNITED KINGDOM F. Peyraut1, J.-L. Seichepine1, H. I. Faraoun1, M. Hertter2 , D. Sporer 3, N. Hopkins 4, C. Coddet1 10ème Colloque National AIP-PRIMECA - La Plagne – 17-20 avril 2007

2. PLAN • Le projet européen Sealcoat, • Les matériaux abradables, • Propriétés élastiques, • Test de dureté HR15Y, • Propriétés plastiques, • Test d’abradabilité, • Conclusions et perspectives.

3. PROJET EUROPÉEN SEALCOAT – LESOBJECTIFS Abradable Seal Coatings and Claddings for Compressor Applications : modélisation et conception de joints abradables innovants pour les turbomachines Consommation de carburant Rendement du moteur Jeu ailette-stator Usinage du jeu minimum par l’ailette à l’aide d’un revêtement abradable

4. PROJET EUROPÉEN SEALCOAT – LES PARTENAIRES RALSA

5. PROJET EUROPÉEN SEALCOAT – LES CHIFFRES • Mai 2002-Mai 2006, • 9 partenaires - 6 nationalités, • Budget : 3.3 M€ (2 M€ UE), • UTBM (leader du projet, 0.54 M€, 10 chercheurs, • 87homme-mois) Logiciels utilisés : • ANSYS (ANSYS Inc.), • OOF (National Institute of Standards and Technology ), • ImageJ (National Institutes of Health), • ACSP (ERCOS, SET, UTBM).

6. LES MATÉRIAUX ABRADABLES Exemple typique d’un revêtement abradable Gauche : vue sur la surface – Droite : Micrographie d’une section • Matériaux hétérogènes aléatoirement distribués, • Revêtements obtenus par projection thermique d’une • poudre métallique mélangée à un dislocateur, • Echelles : mm=hétérogénéités ; mm=revêtement.

7. CALCUL DES PROPRIÉTÉS ÉLASTIQUES Micrographie revêtement AlSi-hBN ; 1 Matrice AlSi ; 2 Dislocateur hBN ; 3 inclusions et fissures ImageJ Ellipses équivalentes Calcul traction simple Maillage OOF

8. Ø 14,8 8,7 Indenteur 0,4 R 6,35 5,2 Revêtement 2 Ø 25,4 a) Charge : 29 N b) Charge : 147 N c) Décharge : 29 N hp e hi hm TEST DE DURETÉ HR15Y hi=profondeur d’indentation initiale, hm=profondeur d’indentation maximum, hp=profondeur d’indentation permanente, e=hp-hi HR15Y=100-e Chargement

9. MODÈLE ÉLÉMENT FINIS DU TEST DE DURETÉ HR15Y Vue de face Indenteur : acier élastique isotrope Eléments contact et cible Epaisseur revêtement paramétrée Revêtement : loi plastique isotrope bilinéaire 360° Modèle axisymétrique Vue iso

10. LOI PLASTIQUE BILINÉAIRE Identification inverse avec ANSYS Limite élastique sy Moduletangent ET Identification inverse avec ANSYS OOF + ImagJ Module d’YoungE

11. COMPARAISON RÉSULTATS NUMÉRIQUES-MESURES sy=2.95 MPa ET=1.5% E 2,3

12. COMPARAISON RÉSULTATS NUMÉRIQUES-MESURES sy=2.95 MPa ET=1.5% E

13. RÉSULTATS NUMÉRIQUES sy=2.95 MPa ET=1.5% E dureté  cste  12

14. TEST D’ABRADABILITÉ Objectif : validation du comportement des revêtements abradables en condition de fonctionnement. Vrot Principe du test d’abradabilité Traces d’usure

15. MODÈLE ÉLÉMENTS FINIS DU TEST D’ABRADABILITÉ • Modèles ANSYS de différentes • ailettes, • Contact ailette-revêtement, • Génération de chaleur par frottement, • Couplage thermique-mécanique, • Revêtement avec comportement • plastique, • Analyse dynamique. Eléments contact Ailette Westaim : 1312 éléments Ailette Innotec : 1350 éléments

16. MODÈLE ÉLÉMENTS FINIS DU TEST D’ABRADABILITÉ Résultats : champs de contraintes et de température en fonction du temps. Contraintes de Von Mises

17. Conditions de calcul

18. COMPARAISON RÉSULTATS NUMÉRIQUES-MESURES Contraintes (a) et températures (b) calculées en fonction de l’usure mesurée de l’ailette. .

19. CONCLUSION Mesure de 2 duretés H1 et H2 avec 2 épaisseurs de revêtement différentes t1 et t2 Micrographie d’une coupe de revêtement Analyse d’images : ImageJ H1, t1 H2, t2 Analyse éléments finis avec OOF Optimisation ANSYS : identification des paramètres de plasticité Paramètres élastiques :Ex, Ey, nx, ny, G Loi élasto-plastique sy, ET Calcul de la dureté en fonction de l’épaisseur du revêtement avec ANSYS Analyse éléments finis du test d’abradabilité avec ANSYS Valeur de dureté indépendante de l’épaisseur

20. PERSPECTIVES • Projet Européen Newac (New Aeroengine Concepts) : • Mai 2006-mai 2010, • Budget : 170 M€ (85 M€ UE), • 40 partenaires - 11 nationalités, • Modélisation plus fine du contact ailette-revêtement • abradable, • Université de Liège : pilote modélisation EF, • UTBM : métallographie, analyse d’image, contribution • aux calculs EF de l’ULG. • Projet Européen Sealcoat 2 en discussion.