Quelles sont les principales méthodes d'essai de fluage et de fatigue pour les aubes de turbine ?
Méthodes d'essai de fluage pour l'évaluation de la déformation à long terme
L'essai de fluage évalue la déformation dépendante du temps d'un matériau sous charge constante et température élevée, simulant directement les conditions de fonctionnement des aubes de turbine. La méthode principale est l'Essai de rupture par fluage uniaxial (selon ASTM E139), où une éprouvette normalisée est soumise à une charge de traction constante dans un four à haute température. Les résultats clés sont les courbes de déformation de fluage en fonction du temps et le temps jusqu'à la rupture. Pour une évaluation plus avancée, l'Essai de relaxation des contraintes et l'Essai de propagation de fissure par fluage sont utilisés. Ce dernier utilise des éprouvettes de traction compactes pour mesurer les taux de propagation des fissures sous charge soutenue à température, fournissant des données cruciales pour l'analyse de tolérance aux dommages des alliages d'aubes comme Inconel 738 ou Rene N5.
Méthodes d'essai de fatigue à faible et à grand nombre de cycles
L'essai de fatigue est catégorisé par le nombre de cycles jusqu'à la rupture. L'Essai de fatigue à faible nombre de cycles (LCF) (ASTM E606) simule des événements à haute déformation et basse fréquence comme les démarrages et arrêts de moteur. Il utilise des cycles contrôlés en déformation sur des éprouvettes lisses ou entaillées aux températures pertinentes. L'Essai de fatigue à grand nombre de cycles (HCF) applique des amplitudes de contrainte plus faibles à des fréquences plus élevées (souvent en utilisant des machines à résonance) pour simuler les vibrations dues aux forces aérodynamiques. Pour une validation complète, ces essais sont effectués sur des éprouvettes extraites de véritables aubes moulées à la cire perdue, y compris du matériau provenant de régions critiques comme le profil et la racine.
Essai de fatigue thermo-mécanique et essai en environnement combiné
La méthode la plus représentative et complexe est l'Essai de fatigue thermo-mécanique (TMF). Ce cyclage en opposition de phase ou en phase de la déformation mécanique et de la température reproduit les gradients sévères subis par les aubes en service. Un équipement spécialisé est nécessaire pour contrôler précisément les deux paramètres simultanément. De plus, l'Essai en environnement combiné introduit des facteurs comme l'oxydation ou les systèmes de revêtement barrière thermique (TBC) pour évaluer l'effet synergique de la dégradation environnementale sur la durée de vie en fatigue, ce qui est crucial pour les applications aérospatiales.
Essai et validation au niveau composant
Au-delà des éprouvettes standard, un Essai au niveau composant à pleine échelle est mené. Cela inclut l'essai en fosse de rotation d'aubes réelles sous charge centrifuge, les essais sur banc brûleur exposant les aubes à des flux de gaz à haute température avec cycles thermiques, et les essais complets sur moteur. Ces validations sont soutenues par les données antérieures d'éprouvettes et constituent la preuve ultime des performances. Tous ces essais alimentent un programme complet d'essais et analyses de matériaux, garantissant que les aubes fabriquées via le moulage monocristallin ou d'autres procédés avancés répondent aux exigences strictes de durée de vie pour la production d'énergie et l'aviation.
