Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

MAUREL Vincent

Centre des Matériaux

26/09/2023

Propagation de fissure en fatigue, superalliages, barrières thermiques, mesures de champs, fatigue

Fatigue crack growth, superalloys, Thermal barrier coatings, full field measurements, thermo-mechanical fatigue, Finite Element Analysis

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The combustion chambers of aeronautical turbomachines, located between the high-pressure compressor and the high-pressure turbine, are bearing high thermomechanical loading. The high operating temperatures can cause damage and lead to the appearance of cracks. Competitiveness, a major challenge for aeroengine manufacturers, depends in particular on satisfying airlines in terms of reliability and cost of ownership. The service life claimed by engine manufacturers is therefore a crucial factor in customer choice, in addition to performance in terms of specific fuel consumption, efficiency and noise. Increasing the availability of equipment in service and better forecasting of maintenance intervals is a major focus of work. Previous work carried out by the Materials Center and Safran Aircraft Engines has focused on predicting the behavior and service life of combustion chambers. The methodology for this type of mechanical calculation was validated using a highly instrumented technological test and its digital twin by finite element analysis. The continuation of the studies relates to the prediction of the propagation of a possible crack having started in order to assess its evolution in exploitation and thus to be able to rule on the maintenance in navigability of these chambers, in particular in the presence of thick thermal barriers.
The thermomechanical fatigue loads observed on the targeted parts are complex, being, on the one hand, made up of a succession of cycles of variable amplitude and, on the other hand, presenting strong stress gradients. High loading levels can also generate general scale yielding condition on the component. This complexity of the loading and the structure raises the question of the modelling of the propagation mechanisms and their experimental validation, in particular on a technological specimen. The challenge is to develop both experimental and numerical techniques to reproduce the propagation observed on structure. The sensitivity to loading parameters (gradients, temperature) is a key point of the study.
To achieve this, tests of increasing complexity will allow the simulation of spatial gradients and temporal evolutions consistent with those known on the part. The measurement of temperature and displacement fields will allow to refine the knowledge of these loads. A systematic analysis by electron microscopy will allow to specify the mechanisms of evolution of the cracks under these conditions, as well as the role of the thermal barrier coatings in the propagation of these cracks. The modeling of the experimental conditions will allow to establish and validate associated crack propagation models. The different tests will be simulated using the finite element method and the proposed generalized plasticity propagation criteria. In particular, non-local approaches to evaluate crack growth will be evaluated.

Les chambres de combustion des turbomachines aéronautiques, situées entre le compresseur haute pression et la turbine haute pression, sont soumises à de fortes contraintes thermomécaniques. Ces sollicitations et les températures élevées de fonctionnement peuvent générer un endommagement et provoquer l'apparition de criques. La compétitivité, enjeu, majeur des motoristes, passe notamment par la satisfaction des compagnies aériennes en termes de fiabilité et de coûts de possession. Les durées de vie revendiquées par les motoristes forment ainsi un enjeu crucial dans le choix des clients en complément des performances portant sur la consommation spécifique, le rendement et le bruit. L'augmentation de la disponibilité du matériel en service et la meilleure prévision des intervalles de maintenance constituent ainsi un axe majeur de travail et nécessite la tolérance aux dommage comme outil de dimensionnement.

Des travaux précédents, réalisés entre le Centre des Matériaux et Safran Aircraft Engines, ont porté sur la prédiction du comportement et de la durée de vie à l'amorçage des chambres de combustion. La méthodologie de ce type de calculs mécaniques a été validée à l'aide d'un essai technologique fortement instrumenté et de son recalage par calcul aux éléments finis.

La poursuite des études porte sur la prédiction de la propagation d'une éventuelle crique ayant amorcé afin d'en prévoir l'évolution en exploitation et pouvoir ainsi statuer sur le maintien en navigabilité de ces chambres, notamment en présence de barrières thermiques épaisses.

Illustration des méthodes de mesures de champs de déplacement in situ pour la mesure de l'ouverture et de fermeture de fissure en conditions anisothermes / displacement field measurement by digital image correlation (DIC) technique for crack opening/closure analysis for anisothermal fatigue [Leost et al, 2023]

Directeur de thèse: Vincent MAUREL - Centre des Matériaux

Co-encadrant 1: Djamel Missoum-Benziane
Co-encadrant 2: Jean-Michel Scherer

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Des connaissances en métallurgie et/ou en calcul aux éléments finis sont nécessaires pour la bonne réalisation du projet. Une formation adaptée à l'un ou l'autre des champs sera obligatoire dans les premiers mois de la thèse pour une mise à niveau nécessaire. Un gout pour la réalisation d'essais est un plus.



Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):

Skills in metallergy and/or finite element analysis are needed for the project. Courses will be mandatory if one of the topic is not adressed by the applicant.


Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Enjeux scientifiques

Les chargements de fatigue thermomécanique observés sur les pièces visées sont complexes étant, d'une part constitués d'une succession de cycles d'amplitude variable et, d'autre part présentant de forts gradients de sollicitation. Les niveaux de chargement élevés peuvent également générer une plasticité étendue sur le composant. Cette complexité du chargement et de la structure pose la question de la modélisation des mécanismes de propagation et de leur validation expérimentale, en particulier sur éprouvette technologique.

L'enjeu est ainsi de mettre au point à la fois des techniques expérimentales et numériques permettant de reproduire la propagation observée sur structure. La sensibilité aux paramètres de chargement (gradients, température) est un point clé de l'étude.

Pour y parvenir, des essais de complexité croissante permettront de simuler des gradients spatiaux et des évolutions temporelles cohérents avec ceux connus sur pièce. La mesure des champs de température et de déplacement permettra d'affiner la connaissance de ces chargements. Une analyse systématique par microscopie électronique permettra de préciser les mécanismes d'évolution des fissures dans ces conditions, ainsi que le rôle de la barrière thermique dans la propagation de ces fissures.

La modélisation des conditions expérimentales permettra d'établir et de valider des modèles de propagation de fissure associés. Les différents essais seront simulés à l'aide de la méthode des éléments finis et des critères de propagation en plasticité généralisée proposés. Des approches non-locales pour évaluer les avancées de fissures pourront en particulier être évaluées. Le potentiel des méthodes de type champs de phase sera étudié afin d'estimer les directions de déviation de fissure.

[1] Norman J. Marchand, R. M. Pelloux, and Bernhard Ilschner. Non-isothermal fatigue crack growth in Hastelloy-X. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 10:59–74, 1987.
[2] V. Maurel, A. Köster, L. Rémy, M. Rambaudon, D. Missoum-Benziane, V. Fontanet, F. Salgado-Goncalves, A. Heudt, H. Wang, and M. Trabelsi. Fatigue crack growth under large scale yielding condition: the need of a characteristic length scale. International Journal of Fatigue, 102:184–201, 2017.
[3] Nicolas Léost, Alain Köster, Djamel Missoum - Benziane, Matthieu Rambaudon, Laurent Camériano, François Comte, Brice Le Pannerer, Vincent Maurel, Full-field analysis of damage under complex thermomechanical loading, International Journal of Fatigue 170 (2023) 107513

Convention CIFRE

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