Avec plus de 25 ans d’expérience dans les essais de matériaux, la métallurgie et l’ingénierie des systèmes, le Dr Erik Schwarzkopf, scientifique chez MTS, apporte une expertise unique aux clients. Dans ces questions-réponses, il présente les défis et les compromis inhérents à plusieurs types d’essais de matériaux à haute température.
Q : Qu’est-ce qui motive le besoin de mesurer les propriétés des matériaux à des températures élevées ?
R : Les concepteurs d’aéronefs, d’automobiles et de systèmes de production d’électricité ultra-efficaces ont besoin de matériaux présentant un rapport résistance/poids plus élevé, ainsi que de matériaux capables de résister à des températures de fonctionnement plus élevées pendant de plus longues périodes. Dans les deux cas, l’objectif est le même : l’efficacité énergétique.
Q : Pourquoi ce genre d’essai est-il aussi compliqué ?
R : Le terme « température élevée » n’a pas la même signification pour tous les chercheurs. En général, nous distinguons trois plages de températures distinctes pour les matériaux qui présentent les rapports résistance/poids les plus élevés. La première est celle des matériaux composites à matrice polymère, ou PMC, qui vont de 200 °C à 500 °C. La deuxième concerne les métaux, qui varient entre 800 °C et 1 000 °C. La troisième s’applique aux matériaux composites à matrice céramique, ou CMC, qui sont testés jusqu’à 1 500 °C. Dans chaque plage, il existe des compromis que les ingénieurs d’essais doivent prendre en compte avec beaucoup d’attention pour réaliser des essais efficaces, mesurer les propriétés des matériaux à des températures élevées et obtenir des résultats de haute qualité.
Q : Quels types de compromis affectent la précision des données d’essai ?
R : Il est plus difficile de composer avec des objets qui doivent toucher l’éprouvette ou se trouver à proximité de celle-ci. Il peut s’agir de mors, d’extensomètres, de fours et de chambres. Les problèmes ont tendance à être systémiques, c’est-à-dire que la résolution d’un problème avec un composant tend à soulever des problèmes avec un autre composant.
Q : Comment ces problèmes interdépendants apparaissent-ils lors de la configuration de l’essai ?
R : Dans de nombreux cas, l’origine du problème est l’éprouvette. Les éprouvettes de PMC et de CMC sont plates. Elles ne peuvent pas être saisies de la même manière qu’une éprouvette métallique ronde, filetée ou à tête bombée. Pour les PMC, nous recommandons de choisir des mors à mâchoires hydrauliques économiques et faciles à utiliser. Les éprouvettes de PMC sont souvent fragiles et la pression uniforme des mâchoires hydrauliques protège les fibres de la matrice polymère, pour éviter qu’elles soient écrasées, et maintient la bonne pression lorsque la chambre et la tête des mâchoires chauffent. Ces mors sont relativement grands, ils sont donc souvent associés à une chambre climatique plus grande. La chambre climatique est généralement plus grande que les fours requis pour les essais à haute température, mais la masse thermique des mors et de la chambre permet d’avoir des températures très stables.
Q : Que se passe-t-il lorsque vous placez les mors les plus grands dans la chambre ?
R : Du fait de la grande taille de la chambre, il est difficile d’utiliser des extensomètres à contact, que les ingénieurs d’essais utiliseraient normalement dans ces applications. Avec une chambre plus petite, vous pouvez placer la technologie de détection à l’extérieur de la chambre et l’utiliser pour traduire le mouvement du bras de contact. Mais avec une chambre plus grande, vous ne pouvez pas transposer efficacement ce mouvement à l’extérieur de la chambre, car le bras devient trop long. L’extensomètre doit être à l’intérieur de la chambre, mais la température élevée endommage les composants électroniques sensibles.
Q : Comment résolvez-vous ce problème d’extensométrie ?
R : Il est possible de résoudre ce problème grâce à l’extensométrie vidéo et à la corrélation d’images numériques, qui peuvent être situées à l’extérieur de la chambre. Une chambre munie d’une fenêtre vous permet de regarder à l’intérieur et de mesurer le mouvement en temps réel. Mais cette solution n’est pas non plus sans complications. Il est nécessaire d’avoir une lumière à l’intérieur de la chambre qui éclaire l’éprouvette pour la caméra. Et à certaines températures, l’éclairage de l’éprouvette (ou rayonnement du corps noir) réduit le contraste et la précision de l’extensométrie vidéo. Nous avons conçu un moyen d’utiliser des LED bleues pour éclairer la chambre et un filtrage optique pour minimiser les effets du corps noir et améliorer le contraste.
Q : Compte tenu de tous ces problèmes, pourquoi ne pas utiliser des éprouvettes rondes en premier lieu ?
R : Les PMC et les CMC sont généralement conçus comme des composants structurels plats. Même avec les métaux, il est rarement possible d’obtenir une quantité suffisante de matériau pour réaliser une éprouvette ronde, surtout si l’objectif est de tester un matériau qui a été utilisé. Parfois, il faut extraire une petite éprouvette d’un composant plus gros, notamment les aubes de turbine des moteurs à réaction. Les aubes qui connaissent les températures d’application les plus élevées sont issues de germes monocristallins avec des trous de refroidissement pour laisser passer l’air. Ces aubes de forme complexe ne sont pas assez volumineuses pour créer une éprouvette ronde. Lorsque l’espacement interdendritique du monocristal est similaire aux dimensions de l’éprouvette, celle-ci peut agir très différemment d’une éprouvette ronde massive.
Q : Les compromis sont-ils les mêmes dans chaque plage de températures ?
R : Pas du tout. Par exemple, nous recommandons normalement les mors haute température MTS pour la plupart des applications à haute température. Mais la plage des CMC dépasse les 1 000 °C et ces mors commenceraient à perdre de leur résistance. Idéalement, il faut que le mors soit aussi chaud que possible pour minimiser le gradient, mais pas au point que le mors lui-même commence à devenir mou. Si l’éprouvette est suffisamment longue, vous pourriez utiliser des mors froids. Mais certaines éprouvettes ne peuvent pas être suffisamment longues, pour les mêmes raisons qui empêchent de les arrondir. Et même si vous utilisez des mors froids, vous introduisez des gradients plus importants et vous devrez donc effectuer plus d’essais en raison des variations de ces gradients, ce qui augmente les coûts.
Q : Quelle est la solution pour saisir des éprouvettes dans la plage de températures la plus chaude ?
R : Nous avons conçu un mors qui est activement refroidi de deux manières différentes, en fonction de la plage de températures requise. Ces deux méthodes reposent sur le même concept, qui consiste à placer le mors dans une zone du four qui est relativement moins chaude que la zone centrale. Si la zone centrale est à 1 200 °C, les parties supérieure et inférieure sont plus proches de 1 000 °C. Avec le refroidissement actif, le mors peut rester dans la partie la moins chaude et maintenir l’éprouvette en place avec un gradient acceptable. Pour les essais sur les métaux jusqu’à 1 000 °C, nous avons élaboré un mors qui est modérément refroidi. Pour les essais sur les CMC jusqu’à 1 500 °C, nous disposons d’un mors refroidi de manière agressive.
Q : Pourquoi est-il important de travailler avec un fournisseur de solutions qui comprend l’intégralité de l’essai ?
R : C’est important, car il existe peu de solutions commerciales prêtes à l’emploi pour ce type d’essai. De nombreux laboratoires tentent de créer ces solutions en interne en assemblant des composants provenant de différents fournisseurs. Le problème est que les compromis sont trop enchevêtrés. L’expert en extensométrie peut ne pas comprendre comment faire fonctionner sa solution à travers une fenêtre ou à l’intérieur d’une chambre. Les experts en mors peuvent être en mesure de faire fonctionner des mors froids, mais le gradient est tellement important qu’il remet en question les résultats de l’essai. MTS peut mettre en place la solution complète. L’expertise en intégration de systèmes est très utile pour les essais innovants à haute température, car elle réduit la variabilité et vous permet de réaliser moins d’essais pour obtenir des résultats précis.
