Avec Simba, l’Onera teste les matériaux en conditions extrêmes

L’amélioration des performances des turboréacteurs et la réduction de consommation tiennent en grande partie sur l’emploi de matériaux, tels que céramiques et composites de nouvelle génération. Ces derniers doivent supporter des contraintes tant thermiques que mécaniques sans précédent, notamment sur certaines pièces telles que les aubes de turbine. Mais avant que celles-ci ne soient mises en service, il est nécessaire d’éprouver et caractériser la résistance de ces matériaux, qui constitueront ces pièces, dans des environnements dépassant allègrement les 1 000 °C et des atmosphères oxydantes pour ne citer qu’elles. C’est ici qu’intervient Simba, un banc d’essais unique en France, qui est sans équivalent à l’heure actuelle. Simba est l’acronyme de Sollicitation multi-physique et inspection multispectrale sur banc laser. Les applications peuvent se porter aussi bien dans le domaine de la défense aéronautique que dans celui de l’espace. « Simba intervient sur la partie purement expérimentale, mais en complément de tous les autres essais que l'on peut faire par ailleurs et que les motoristes font d’ailleurs eux-mêmes. Pour certains projets en cours, nous nous appuyons sur les données expérimentales issues de Simba pour améliorer les modèles de durée de vie des matériaux », commente Jean-Michel Roche, Directeur du département matériaux et structures à l’Onera. 

L'originalité de ce banc est de coupler des sollicitations thermiques et mécaniques. Plus précisément à très haute température, au moyen d'un laser capable d’aller au-delà de 2000 degrés, ce qui permet les essais de tout matériau envisagé pour toute application possible en aéronautique, défense, ou espace. Les sollicitations thermiques sont fournies par un laser de type CO2, qui chauffe en continu et dont la puissance max est 3 kilowatts, capable d’atteindre les 2500 degrés. Ce qui est largement suffisant, puisque à l’heure actuelle, rares sont les matériaux qui supportent une chaleur supérieure à cette température. « En termes de températures, nous n’avons pas de limitations. Ces sollicitations thermiques sont couplées à une machine d'essai mécanique qui permet de solliciter les matériaux en traction, en flexion et même en fatigue, sur quelques cycles à une fréquence de 1 Hz », explique Jean-Michel Roche. Ces essais thermomécaniques sont de plus réalisés sous une enceinte, ce qui permet également de jouer sur l'atmosphère et de répondre aux besoins industriels suivant l'application. Il est donc possible d’y ajouter de la vapeur d’eau, comme il est également possible de charger l’atmosphère en oxygène, en argon, suivant le cas souhaité. « Nous travaillons d’ailleurs continuellement à l’amélioration de Simba, pour être le plus proche possible de l’environnement réel auquel sont soumis les matériaux, une fois qu’ils sont en utilisation, avec notamment l’ajout d’un flux d’air », ajoute Jean-Michel Roche.

Ce qui distingue fondamentale le banc SIMBA et, plus largement, les installations du laboratoire de caractérisation « haute température » du Département Matériaux et Structures de l’ONERA, c’est le fait de chauffer les matériaux au moyen de faisceaux laser. « Simba diffère de ce qui se fait en France et même d’ailleurs dans le monde, pour caractériser les matériaux. Aujourd'hui, il y a deux types d'essais qui se font de façon assez classique. Il y a d’abord les essais en four. Dans ce cas, le matériau est disposé dans une enceinte, à iso température. Il est possible de monter très haut en température, mais on est isotherme. Ce type d’essai peut être couplé à une sollicitation mécanique. Mais le principal inconvénient, c'est le fait que l’essai se déroule à une température constante dans toute l'enceinte. Il n’est donc pas possible d’introduire dans le matériau des gradients de températures », explique Jean-Michel Roche. 

Or dans un moteur, suivant l'endroit où le matériau revêtu sera disposé, qu’il soit d’ailleurs métallique ou céramique, ce dernier va subir dans son épaisseur un gradient thermique, lequel est directement à l’origine des mécanismes de dégradation des matériaux. « D’où l'avantage d'exciter le matériau avec un laser, de façon localisée. Nous pouvons en outre jouer sur le faisceau laser, sur sa puissance, donc sur la température maximale. II est possible d’atteindre des températures allant jusqu'à 2 500 degrés et surtout d’introduire dans l'épaisseur du matériau un gradient. Par exemple en chauffant d'un côté avec le laser et en refroidissant de l'autre avec un flux d'air », détaille Jean-Michel Roche. Ce type d’essai est impossible à réaliser en four. Vient ensuite un autre type d'essais, qui repose sur des bancs à flammes ou des bancs moteurs, qui sont les plus représentatifs de ce que réellement va subir le matériau au sein d’un turboréacteur, par exemple. « Il faut imaginer une torche qui vient solliciter le matériau. En revanche, il est impossible de réaliser des mesures précises parce que la flamme perturbe tout l’équipement de prise de mesures, que ce soit des capteurs, des caméras, etc. C’est un créneau dont nous nous sommes emparés avec le banc Simba », ajoute Jean-Michel Roche. 

L’Onera ne dégrade pas simplement le matériau en l'excitant avec un faisceau laser et en le sollicitant mécaniquement, puisque l'essai est instrumenté. Ainsi, des mesures sont réalisées au moyen de thermocouples, de caméras infrarouges, de caméras optiques pour la corrélation d'images afin de mesurer les déformations mécaniques. Des capteurs d’émission acoustique sont également utilisés pour identifier les différents mécanismes d'endommagement sur la durée. Ce ne sont donc pas des pièces qui sont testées, mais le matériau lui-même qui les constituera. 

« Avec Simba, nous testons des petites éprouvettes de dimensions centimétriques, assez éloignées des essais réalisés sur Jericho (voir A&C n°2952) avec ses structures métriques. Les éprouvettes testées sur Simba sont en général d’une dizaine de centimètres de long de deux à trois centimètres de large ». En ce qui concerne la nature même du matériau, les essais se portent sur des super alliages avec des barrières thermiques typiques des moteurs de nouvelle génération, mais également beaucoup de composites à matrice céramique qui eux aussi sont revêtus. Pour les matériaux céramiques, l’attention se porte plus sur la barrière environnementale en raison de la fonction de protection par rapport à l'environnement. Du côté des métalliques, la protection est centrée par rapport à la température. 

« Ces revêtements sont projetés par divers moyens sur le matériau nu lui-même, qui peut être de type métallique ou céramique, dans le but de prolonger leur durée de vie. Nous effectuons des tests qui sont centrés sur ces barrières thermiques, car lorsque cette dernière commence à se dégrader, il y a un effet quasi immédiat sur la durée de vie », explique Jean-Michel Roche. Plus précisément, l’Onera cherche à surveiller deux phénomènes en particulier. Le premier stade de dégradation de la barrière thermique, ou faïençage. Ce phénomène se caractérise à l’image d’une peinture qui, avant de se décoller complètement, commence à se fissurer de toutes parts. « C'est le stade d'alerte, parce que l'on sait qu’après le faïençage vient l'écaillage, soit le décollement de la barrière thermique. À l'instant où la barrière se décolle, le matériau devient alors incapable de tenir aussi bien en température qu’en condition d'oxydation », poursuit Jean-Michel Roche. 

Pour détecter le faïençage, l’Onera dispose d’un module supplémentaire sur Simba, sous forme de contrôle non destructif, qui n’est autre qu’un autre laser, de quelques centaines de watts, utilisé à différents stades de l'essai. Ce dernier vient scanner le matériau de façon non destructive, dans le but de l’inspecter et pour arriver à détecter ces éventuels réseaux de fissures. « C’est un balayage non destructif du matériau au moyen d'un faisceau laser. Tant que le matériau est sain et qu’il ne présente pas de fissurations, la propagation de la chaleur générée par le laser va être homogène », explique Jean-Michel Roche. 

Côté matériau, ce sont principalement des composites à matrice céramique (CMC) qui sont testés, mais pas seulement. « En termes de nature du matériau, l’on rencontre des carbures de silicium (SiC), des matrices SiC et fibres SiC ou carbone SiC  ou encore des matériaux à fibres et matrice alumine. Nous testons également, pour le domaine espace car je pense notamment aux lanceurs et de tout ce qui est du domaine relevant de l’hypersonique et de la dissuasion, des protections thermiques ». Lesquelles peuvent se matérialiser sous la forme d’élastomères chargés, c’est-à-dire avec un voire plusieurs composant(s) spécifique(s) qui modifie(nt) la propriété de l’élastomère. « ArianeGroup ou MBDA sont très intéressés par la tenue et le processus de dégradation des matériaux, moins par leur durée de vie, en vertu des temps d’utilisation visés, puisqu’il s’agit de cycles plus courts par définition, en comparaison à l’emploi d’un turboréacteur dans l’aéronautique civile. En revanche, ces industriels veulent s'assurer de la réutilisation possible de la protection thermique s’il est question d'un lanceur, ou au moins que la durée de l'unité qui est visée pour la protection thermique ablative est conforme aux spécifications », détaille Jean-Michel Roche. 

Pour Simba, l’Onera travaille beaucoup avec Safran, mais également MBDA, ainsi qu’ArianeGroup et le CNES, partenaires auxquels s’ajoute l'IRT Saint-Exupéry. « Nous avons une thèse qui vient de démarrer avec eux, qui fait appel au banc Simba. L'Onera a par ailleurs un accord de partenariat historique avec DSO, qui est notre équivalent à Singapour. Nous venons de lancer une thèse avec eux sur une gamme de matériaux similaire », commente Jean-Michel Roche. Le carnet de commandes relatif à Simba, que ce soit pour des sous-traitances, des programmes de recherche pluriannuels (financés par la DGAC ou la DGA) ou des thèses, est déjà plein et des discussions sont engagées avec Dassault et d’autres clients potentiels. « Au point où nous en sommes à potentiellement envisager la construction d’un deuxième banc, qui pourrait être plus spécifiquement dédié aux applications défense, parce que nous sommes déjà en surcharge en termes de commandes », conclut Jean-Michel Roche.