Experimental study and modeling of the damage process of the blade/disque contact under fretting fatigue loading
ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DE L'ENDOMMAGEMENT D'UN CONTACT AUBE/DISQUE DE SOUFFLANTE SOUMIS A DES CHARGEMENTS DE FRETTING FATIGUE
Résumé
Optimization of structure design can only be obtained by a better understanding of their damage process. This study focuses on the characterisation of blade/disk contact damaging of aircraft engines. This mechanical structure is subjected to a normal load (centrifugal forces) combined with a tangential force (blade dynamic). The Ti-6Al-4V disk seat sees a complex fretting fatigue loading. This type of solicitation can generate a series of degradations like cracking. Experimental and numerical simulation of this damaging is very difficult considering the present state of arts. The first aim of this work is to develop a new experimental set-up with the appropriate instrumentation in order to conduct a qualitative and a quantitative analysis of the cracking in a Ti-6Al-4V/Ti6-Al-4V contact. The second goal is to build a life prediction numerical model that would be able to use the data obtain by the new experimental tests. The new dual actuator fretting fatigue set-up is now operational. It allows to run single contact test under different loading combinations: fretting and fatigue loads can be applied in phase or in a way to simulate the real 'in flight' configuration. A new instrumentation has been added in order to follow the crack initiation and propagation: potential drop technique and acoustic emission. Thanks to this new test, the first fretting Wöhler curve to crack nucleation have been described (fretting load vs number or cycles to crack nucleation) for two contact geometries (cylinder on flat and flat on flat). The separate influences of fatigue and fretting parameters have been determined. The mains parameters are: the contact characteristic, the stresses level and the forces combination mode ('in phase' cycles or 'in-flight' cycles). Moreover, the very firsts crack propagation kinetics have been drowned. A major influence of the fretting on the crack propagation has been exposed. The qualitative analysis conducted with the acoustic emission has revealed a three steps crack propagation process: evolving with the decrease of the contact influence. A model has been developed in order to predict the crack initiation and propagation lifetimes. Even if the model suffers of a major limit due to the difficult consideration of the stress gradient effects, it has showed very good results though its ability to directly include experimental data. Those data are used to identify the crack initiation and propagation laws. This work has led to major breakthrough in the understanding of the cracking mechanisms and their simulation. This forms solid foundation for a future prediction of the blade/disk interface durability.
L'optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d'endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l'endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautiques. Cet assemblage mécanique est soumis à une combinaison d'un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l'aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V est donc soumise à un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraîne, entre autres dégradations, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les moyens et les connaissances actuels. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d'essai et une instrumentation associée afin d'étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d'un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d'utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d'essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d'essai permet notamment de simuler des efforts de fretting appliqué en phase ou alors de telle manière à simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wöhler en fretting à amorçage (Effort de fretting, Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l'amorçage ont pu être quantifiés. Les paramètres influant sont : la force normale, le gradient des contraintes, les niveaux des efforts appliqués et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l'émission acoustique a montré un mécanisme d'amorçage et de propagation en 3 étapes, suivant la perte d'influence du contact. Un modèle de prédiction de l'amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limité dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l'identification des lois d'amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d'importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation, ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l'endommagement des contacts aube/disque.