DÉFI DU CLIENT
Les turbines des moteurs à réaction doivent fonctionner parfaitement dans des environnements aux températures extrêmes, pendant de nombreuses années d’utilisation et à des millions de kilomètres dans les airs. Les revêtements de barrière thermique sont l’une des technologies qui y contribuent. Ces fines couches de matériau céramique conduisent très peu de chaleur, ce qui permet aux aubes de turbine de résister à des températures très élevées et aux moteurs à réaction de fonctionner plus efficacement.
Des recherches avancées sur les revêtements de barrière thermique sont actuellement en cours à l’université de Floride centrale (UCF), à Orlando. L’établissement est une université partenaire du Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP), un organisme de recherche financé par l’Etat et créé pour développer une main-d’œuvre hautement qualifiée et concevoir de nouvelles technologies pour l’industrie aérospatiale. A l’UCF, les chercheurs du département de génie mécanique, des matériaux et aérospatial étudient l’évolution de la déformation dans les oxydes des revêtements de barrière thermique, afin d’en tirer des informations qui aideront à améliorer les performances des turbines.
Seetha Raghavan, titulaire d’un doctorat, dirige une équipe d’étudiants qui se consacre à l’analyse du comportement de la couche d’oxyde des revêtements de barrière thermique sous des charges thermiques et mécaniques spécifiques. L’équipe utilise à la fois la spectroscopie et les rayons X à haute énergie pour obtenir des mesures in situ des éprouvettes soumises à des charges thermiques et mécaniques. Cette approche permet à l’équipe de la Dre Raghavan d’observer exactement comment les céramiques à haute résistance se dégradent en temps réel.
Auparavant, l’observation des signaux spectraux en fonction de la déformation était limitée à une configuration d’essai basée sur une microsonde. Cependant, cette approche, avec ses contraintes d’espace inhérentes, présente des défis exigeants en matière d’intégration des équipements. Les tentatives pour concevoir un équipement de chargement spécialisé qui s’adapterait à l’espace de la microsonde ont jusqu’à présent donné lieu à des systèmes dont les plages de charge maximale, le contrôle et la précision étaient compromis.
Pour surmonter ce défi, la Dre Raghavan a décidé d’utiliser un spectromètre Raman Renishaw avec une sonde à fibre optique et de le coupler à un système MTS, ce qui permet d’acquérir des données de Raman/photoluminescence de précision avec un chargement in situ via un laser sans contact à distance. Cependant, d’autres défis sont apparus. Les données du spectromètre et du système de chargement devaient interagir et les deux flux de données devaient être représentés en temps réel sous forme de cartes de contraintes pendant la compression ou la tension.
La nature des déformations de compression élevées au sein même des oxydes des revêtements de barrière thermique a constitué un défi supplémentaire. Pour calibrer les pics spectraux avec la déformation dans les essais de compression, il a fallu appliquer des charges importantes sur des éprouvettes de section transversale relativement petites d’alumine polycristalline. La résistance à la compression de ces éprouvettes étant supérieure à la résistance à la traction de plus d’un ordre de grandeur, générer des données de haute qualité et éviter une défaillance prématurée nécessitaient d’appliquer des charges de compression parfaitement uniformes et précises.
« Nous avions besoin d’un chargement précis et très fiable, avec un niveau de contrôle supérieur, dans une configuration complexe comprenant plusieurs autres instruments », a indiqué la Dre Raghavan.
SOLUTIONS MTS
Pour répondre à ces besoins, la Dre Raghavan a choisi un système MTS Insight 50, doté d’une conception de table à deux colonnes de 50 kN. Ce système garantit un contrôle haute résolution pendant les charges continues, ainsi que le maintien de la charge pendant la génération automatique des cartes de contraintes, deux éléments essentiels pour déterminer le comportement de déformation des oxydes dans les revêtements de barrière thermique à l’aide de la spectroscopie.
« Nous avons choisi le système MTS Insight 50, car il nous permet de tester sous contrainte des céramiques à haute résistance avec la spectroscopie in situ », a expliqué la Dre Raghavan. « Qui plus est, nous avons l’avantage de travailler avec des techniciens de MTS qui savent comment intégrer ces configurations complexes. »
Le bâti de charge électromécanique MTS Insight est commandé par le meilleur logiciel de sa catégorie, TestWorks®, qui constitue un élément essentiel pour répondre aux besoins de l’équipe de l’UCF. Le logiciel doit s’interfacer parfaitement avec le logiciel propriétaire du spectromètre et garantir que les signaux spectraux sont enregistrés exactement au moment où les charges sont appliquées, afin que les graphiques de charge spectrale soient précis.
« Les techniciens de MTS ont apporté une aide précieuse pour faire correspondre le logiciel TestWorks aux heures de collecte de données et pour modifier le logiciel afin de conserver les déformations », a souligné la Dre Raghavan. « Ils voulaient vraiment que cette nouvelle combinaison d’instruments réponde exactement à nos besoins. »
Même si l’instrumentation et les méthodes du laboratoire sont très sophistiquées, il est important que les commandes soient intuitives et faciles à utiliser.
« Les étudiants en conception de cycle supérieur de notre département ont relevé le défi de concevoir des modules d’intégration de matériel et de logiciel pour cette nouvelle instrumentation. L’ensemble de la solution MTS a été très utile lorsque l’équipe de conception principale intégrait l’instrumentation, car elle n’a pas eu besoin de passer trop de temps à découvrir le logiciel TestWorks », a confié la Dre Raghavan. « Il est vraiment flexible et l’interface est simple à utiliser pour les étudiants. Il sera également très utile pour nos cours en laboratoire. »
AVANTAGES CLIENTS
La Dre Raghavan estime que les recherches menées par le département sur les revêtements de barrière thermique permettront de mettre au point des outils de caractérisation des structures et des matériaux plus efficaces pour l’ensemble de l’industrie aérospatiale.
« C’est une technologie très passionnante et prometteuse », a-t-elle affirmé. « Grâce à ces capacités d’essais, nous disposons d’une méthode de mesure non invasive hautement sophistiquée, qui fera considérablement évoluer la caractérisation mécanique in situ. Cette méthode présente un fort potentiel pour l’évaluation en temps réel des céramiques à haute résistance et des matériaux composites à base d’additifs de carbone sur le terrain. Elle fournira des résultats à fort impact pour l’aérospatiale et pour le domaine plus large de la science des matériaux. »
Pour ce faire, il faut calibrer les pics spectraux avec des charges très précises et appliquées de manière cohérente, ce qui peut être facilement réalisé à l’aide du logiciel TestWorks et du système MTS Insight 50.
« Il est essentiel pour notre laboratoire d’effectuer un chargement fiable et très précis et de fournir systématiquement des mesures de charge de haute qualité et à haute résolution. C’est pourquoi nous avons choisi de travailler avec MTS », a confié la Dre Raghavan.
Outre le matériel de précision, l’approche proactive des techniciens de MTS a permis au laboratoire de créer rapidement et facilement une solution d’essais efficace.
« Les techniciens de MTS étaient enthousiasmés par notre projet », a précisé la Dre Raghavan. « Ils se sont vraiment montrés proactifs pour nous aider à comprendre ce dont nous avions besoin pour cette application d’essai très unique. Nous avons longuement discuté d’intégration avant d’acheter des produits MTS et MTS s’est même entretenue directement avec le fabricant du système de spectroscopie au sujet de la compatibilité des logiciels. Ils ont tout mis en œuvre pour nous aider à atteindre nos objectifs. Ensemble, nous parvenons à repousser les limites de ce qui est possible en matière de caractérisation non invasive des matériaux. »
