Fabricabilité des composants en SiCf-SiC - gedepeon

Direction de l’Energie Nucléaire
Département des Matériaux pour le Nucléaire
Service des Recherches Métallurgiques Appliquées
Laboratoire de Technologie des Matériaux Extrêmes
Laboratoire des Composites Thermostructuraux
UMR 5801 CNRS‐SNECMA‐CEA‐UB1
COMPOSITES SIC f /SIC POUR APPLICATIONS
NUCLÉAIRES
FABRICATION, PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES ET THERMIQUES
C. Sauder 1 , C. Lorrette 1,2 , A. Michaux 1 , L. Gélébart 1 , A. Coupé 1 , L. Chaffron 1 , J. L. Séran 1
CEA‐DEN/DANS ‐ DMN
et
MA. Dourges, B. Humez, F. Larribeau‐Lavigne, E.Rohmer
LCTS
Atelier GEDEPEON MATINEX –AREVA Lyon, le 20/03/2012
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 1/25

UTILISATION DES COMPOSITES POUR APPLICATIONS NUCLÉAIRES
2 applications ciblées de géométrie compatible avec les CMC
► Tube hexagonal pour RNR‐Na
Brevet CEA n° 09 57021
► Gaine combustible pour RNR‐G
Cote externe = 204.8mm
Cote interne = 198.3mm
Hauteur = 250mm
Spécifications
•Tronçons hexagonaux de forte épaisseur (3mm)
•Pas de fonction de transfert thermique
•Pas de contraintes thermomécaniques fortes
•Stabilité sous irradiation
•Réfractairité
démonstrateur àl’échelle 1/2:
Spécifications:
•Tolérances géometriques serrées
•Bon comportement thermomécanique sous
irradiation
•Réfractairité
•Herméticité
•Capacité d’ échange thermique
La R&D sur CMC est pilotée par le
cahier des charges de la gaine
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 2/25

LE COMPOSITE
Composite SiC/SiC = 3 éléments
Fibres SiC + Interphase + Matrice SiC
Caractéristiques mécaniques
exceptionnelles
Assure le caractère
non fragile
Assure la rigidité – forme
géométrique des pièces
700
600
500
Contrainte (MPa)
400
300
200
100
interphase 1
interphase 2
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Déformation (%)
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 3/25

LOGIGRAMME DE MISE AU POINT D’UN CMC
Fabrication des composites SiC/SiC
Procédé de
référence (CVI)
Procédés innovants
Optimisation des procédés ‐
matériaux ( Brevets)
Caractérisations (Microstructure,
mécanique, irradiations)
Conception ‐ Simulation
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 4/25

2 – FABRICATION DU COMPOSITE SiC f
/SiC : GAMME
FIBRES SIC
3 éme génération de type
Hi‐Nicalon S ou Tyranno SA3
MISE EN FORME DE L’ARCHITECTURE FIBREUSE
ENROULEMENT
FILAMENTAIRE
TRESSAGE 2D
TRESSAGE 3D
Respect cotes interne/externe
Lissage des surfaces
Conductivité thermique (V f
)
Résistance mécanique
ELABORATION DE LA MATRICE
Renforcement dans la
direction transverse (z)
Délaminage
INFILTRATION CVI
TRAITEMENT DE SURFACE
RECTIFICATION / REVÊTEMENT VOIE LIQUIDE ‐ CVD
Lissage de surface
Respect des cotes externes
Etanchéité domaine élastique
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 5/25

2 –FABRICATION DU SiC f /SiC : CHOIX DE LA FIBRE
Hinoki et al., 2002
2 renforts possibles (bon comportement sous irradiation):
Hi‐Nicalon S et Tyranno SA3 (fibres japonaises)
2 brevets en 2011 (thèse Emilien Buet) :
‐Procédé pour réduire la rugosité de surface du renfort SA3
‐Procédé de fabrication de composites àrenfort SA3 optimisés
+
HiS = 18 W/m/K
SA3 = 65 W/m/K
MAIS
Stress (MPa)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
SNECMA Hi-Nicalon S 3D (CVI)
CEA Hi-Nicalon S 3D (CVI)
CEA Tyranno SA 3D (CVI)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Strain (%)
Avant
Après
1 projet de brevet en cours (thèse Emilien Buet) :
‐Procédé d’optimisation du comportement mécanique des SiC/SiC à
renfort fibreux de haute pureté
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 6/25

2 –FABRICATION DU SiC f /SiC : ARCHITECTURE FIBREUSE
Travaux menés en partenariat avec des spécialistes du tressage (2D et interlock) et de l’enroulement filamentaire pour
définir les meilleurs paramètres/procédés permettant d’atteindre les spécifications requis
► ENROULEMENT
FILAMENTAIRE
Développement d’outillages dédiés à l’utilisation
de fibres SiC TSA3 et Hi‐NS
= 30°
Torsion
Flexion/traction
Pression interne
55°
0° 90°
-
Angle
+
► TRESSAGE 3D INTERLOCK
Mouvement
(direction horaire et anti‐horaire)
Caractéristique de la machine :
L’interconnectivité des fils tressés est assurée par un
système àengrenage rotatif
10 chemins de circulation sont possibles
Capacité d’emport et de tressage de 320 fils simultanément
(avec possibilité de renfort dans la direction axiale)
Production jusqu’à 5 couches tressées interlock
Tube tressé
Exemples d’échantillons
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX tressés 3D interlock 7/25
Machine de tressage 3D multi‐chemins horizontale

2 – FABRICATION DU SiC f
/SiC : infiltration
Installation CVI (procédé de référence) mise en place au CEA pour l’application
La matrice SiC‐CVI est obtenue par le craquage de gaz circulant àtravers les
pores de préformes, maintenues àhaute température dans un four spécifique
H 2 + MTS
Fonctionnement autonome
Taille des pièces
jusqu’à 140 mm de diamètre
200 mm de longueur
Préformes
Laveur
Pompe Vide I aire
3 brevets déposés en 2011 :
Maitrise des cotes et tolérances des pièces en composites:
Produit industriel
Produits CEA
Après rectification sans centre
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 8/25

SOLUTION D’ÉTANCHÉITÉ (APPLICATION GAINE)
Procédé de fabrication d’une gaine «sandwich»étanche jusqu’à rupture (Brevet CEA DEC/DMN)
Toutes les étapes du
procédé mises au
point au LTMEx
tube interne SiC/SiC:
liner Ta :
tube externe SiC/SiC:
e~0.3mm
e

Optimisation des procédés – fabrication des matériaux
Fabrication de matériaux pour les thèses menées par le CEA:
Thèse F. Bernarchy‐Barbe (approche multi échelle)
Thèse E. Rohmer (comportement tubes)
Thèse J. Braun (environnement Na et UO2)
Thèse E. Buet (optimisation CMC TSA)
Fabrication de matériaux pour les caractérisations diverse :
Caractérisations mécaniques àchaud et tests de perméation (DRT)
Fabrication de matériaux pour les irradiations:
Irradiation Bor60 (environnement sodium jusqu’à 78‐85 dpa Fe )
Irradiation prévue dans OSIRIS en 2014
Synergie avec le pilote de nanopoudres ( 2 brevets communs)
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 10/25

Optimisation des procédés – fabrication des matériaux
Procédés innovants
1 brevet déposé en 2011 : (thèse A. Malinge)
procédé d’élaboration de fibres SiC en cru par coagulation d’alcool polyvinylique
Procédé de fabrication en voie liquide:
nano SiC
pyrolyse LTMEx
Procédés hybrides CVI + EPI + PIP
Objectif : Amélioration de la conductivité thermique SiC f
/SiC (gaines)
C f
/ PyC/
SiC nano
Réduction de la porosité
Tissu CVI Interphase PyC
C f
ou SiC f + Pré‐densification SiC
Matériau en cru
C f
/ PyC/
SiC nano + Polymère
pré‐céramique
EPI + PIP
Matrice SiC
en cru
C f
/ PyC/ SiC/
SiC nano + Polymère
pré‐céramique
T°, P
Densification
t = 4 min
Bulles: Réaction
Polymère/Résine
Elaboration de revêtement SiC sur plaques et tubes composites par pistoletage
Objectif : Densification et Lissage composites SiC f
/SiC (application TH)
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 11/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS
MÉCANIQUES
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 12/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► DÉPENDANCE DE L’ARRANGEMENT DES FIBRES : QUELLE TEXTURE POUR QUEL
COMPORTEMENT ?
1 – Sollicitation mécanique en « TRACTION UNIAXIALE »
2010 : Développement d’un moyen d’essais adapté aux tubes CMC et protocoles associés (LCTS) (*)
Mors hydraulique haut
Tube éprouvette
Talons
► Moyen d’essais (25°C)
‐ Bâti INSTRON 4505, cellule de force ±50 kN
‐ Asservissement en déplacement (v = 0,05 mm/min)
► Préhension et alignement
‐ Eprouvettes solidaire de talon AU4G
‐ Mors hydrauliques en partie supérieure
‐ Collage à une tige filetée en partie inférieure
Caméra
Extensomètres
► Instrumentation
‐Deux extensomètres en vis‐à‐vis ( zz
)
‐ Corrélation d’images (
)
‐ Emission acoustique ( el
)
Emission acoustique
(*)Validation du dispositif sur céramique isotrope de type alumine
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 13/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► RÉSULTATS : TEXTURES TRESSÉES ‐ DISCRIMINATION ET COMPORTEMENT
MÉCANIQUE
500
400
Traction
uniaxiale
T3D‐INTERLOCK
CEA
Tex 03
Contrainte (MPa)
300
T2D‐45° CEA
Tex 08
200
E T3D‐CEA
~240 GPa
E T2D‐CEA
~260 GPa
100
T2D‐45°‐ IRRDEMO
Tex 11
E T2D‐IR
~200 GPa
Tex 03.1 Tex 03.2 Tex 03.2bis Tex 04 Tex 06
Tex 08 Tex 09 Tex 10 Tex 11 Tex 12
Tex 13 T2D ‐ IRRDEMO T2D ‐ CEA
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Tex 12
Déformation ZZ (%)
Déformation àrupture élevée pour l’ensemble des matériaux tressés
Bien que les textures 3D interlock soient poreuses, leur comportement mécanique en traction est excellent
(influence légère du type d’architecture)
Limite élastique (> 70‐80 Mpa) relativement élevée pour un composites SiC/SiC CVI
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 14/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► RÉSULTATS : TEXTURES TRESSÉES 3D INTERLOCK
Comparaison tubes / plaques –(T3D Texture 3)
R
Tube (monotone)
Tube
0
Plaque
P 2 R
x
Tube (cyclé)
Plaque (monotone)
Comportement plaque/tube àpriori identique, pas d’effet de structure (?)
Faibles déformations résiduelles lors des cycles, largeurs àmi‐hauteur des cycles peu élevées (liaison F/M optimisée)
Matériaux stables, fabrications maîtrisées et reproductibles
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 15/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► RÉSULTATS : APPORT DU TRESSAGE TRIAXIAL (T2D‐UD)
400
350
Tube T2D/UD‐2C 45° 45°
Tube T2D‐3C 45° (diam 7 mm)
Tube T2D/UD‐2C 60°
Traction
uniaxiale
300
Tube T2D‐3C 60°
= 45°
Angle de tressage
Contrainte (Mpa)
250
200
150
Fil axial (UD)
Tressage 2D
100
= 60°
50
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Déformation (%)
Contribution significative du renforcement dans la direction axiale pour la contrainte àrupture
R 45° = +25%
R 60° = +150%
En contraste, diminution de la déformation àrupture observée mais reste au‐delà du critère des 0,5 %
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 16/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► RÉSULTATS : EFFET DE L’ANGLE D’ENROULEMENT
Lissage en interne obtenu quelque soit l’angle permet une sélection selon un critère mécanique
450
Tube ENR 30°‐3C‐Rectifié
400
350
Tube ENR 45°‐3C‐Rectifié
Tube ENR 55°‐3C‐Rectifié
Tube ENR 70°‐3C‐Rectifié
= 30°
Traction
uniaxiale
Contrainte (Mpa)
300
250
200
150
100
50
0
= 70°
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Déformation (%)
= 45°
= 55°
Matériau à 70° peu densifié
(mauvaise infiltration, fort f
)
Comportement mécanique consistant avec celui d’un composite SiC f /SiC CVI conventionnel
Sensibilité significative de l’angle àla limite àrupture : meilleurs résultats obtenus en contrainte pour les faibles angles
R
30° > R
45° > R
55° > R
70°
En attente de pouvoir réaliser des essais de pression interne
Couplage des angles réalisé sur tubes enroulés tri‐couches (30°/45°/30°), résultats àvenir…
!
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 17/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► RÉSULTATS : EFFET DE LA RECTIFICATION POUR LE LISSAGE EXTERNE
Utilisation d’une couche sacrificielle pour le lissage externe
Contrainte (Mpa)
500
450
400
350
300
250
200
150
Tube EF 30° brut
Tube EF 30° Rectifié
Tube EF 45° Brut
Tube EF 45°Rectifié
Tube T2D 45° Brut
Tube T2D 45° Rectifié
100
50
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Déformation (%)
RUGOSITÉ
R RMS ~ 1 – 5 µm R RMS ~ 50 – 100 µm
Rectification «centerless»
Effet négligeable d’une rectification superficielle sur le comportement mécanique :
Validation du procédé pour le lissage de surface externe
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 18/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
2 – Sollicitation mécanique en «PRESSION INTERNE»
Mise en place récent d’un dispositif d’essai de gonflement (*)
‐ Pression appliquée par un manchon élastomère gonflé à l’huile
‐ Effet de bord limité par la présence de bague acier
Caméra
y
x
3
2
1
Rupture selon une
génératrice
► PREMIERS RÉSULTATS :
Tube Ø ext (mm) e (mm) P(bar) σ R max (MPa) ε R (%) E (GPa)
T2D‐3C‐45° 8,8 0,975 823 335 0,75 ±0,02 293 ±9,4
Résultat CEA 8,77 ±0,06 0,96 841 ±62 348 ±30 0.928 ± 0,174 265 ±52
(*) Développement P.Rigaud, CEA‐Marcoule
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 19/25

III –PROPRIÉTÉS
THERMIQUES
Fissuration d’un minicomposite
après essai de traction
El Jagoubi, LCTS
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 20/25

III –PROPRIÉTÉS THERMIQUES
► PROPRIÉTÉS
THERMIQUES Les (*) propriétés de conduction thermique dépendent de la nature du composite (fibre et matrice),
du mode d’élaboration (CVI, voie liquide, autres) et de l’arrangement des fibres (tissage, tressage, autres)
Conductivité thermique transverse (W.m -1 .K -1 )
25
20
15
10
5
0
HiNS-tissu 2D
HiN-tissu 2D (**)
HNS à 25°C
= 3/4 W.m ‐1 .K ‐1
TSA3-tissu 3D
HiNS à 25°C
= 18 W.m ‐1 .K ‐1 (tdg 18 µm)
TSA3 à 25°C
= 65 W.m ‐1 .K ‐1 (tdg 60/70 µm)
TSA3-tissu 2D
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
(**) Fibres non stables sous irradiation
T°C, t
Diffusivité flash,
Mesure de conductivité indirecte
d=2,73
d=2,25
d=2
a c p
Fortes dispersions entre les mesures
(caractère hétérogène des composites)
Cartographies de propriétés locales
(*) Mesures S.Urvoy, CEA‐DMN/SRMA, 2008
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 21/25

III –PROPRIÉTÉS THERMIQUES
► PROPRIÉTÉS THERMIQUES –TEXTURES TUBULAIRES TRESSÉES DENSIFIÉES ÀPLAT
Diffusivité thermique en face arrière, Caméra IR, Estimation Parker, Méthode de Mourand
20 mm
25 mm
B
C
A
APPLICATION ÀLA TRESSE 3D INTERLOCK –MOTIF TEX 3 –FIBRES
HI‐NS
Zone A
Diffusivités transverses moyennes
Zone A : a Tmoy,A = 6,44.10 ‐6 ±0,34 m 2 .s ‐1
30,0
Zone A
Zone B : a Tmoy,B = 5,63.10 ‐6 ±0,31 m 2 .s ‐1
29,5
29,0
Zone B
Zone C
Zone C : a Tmoy,C = 6,78.10 ‐6 ±0,37 m 2 .s ‐1
28,5
28,0
27,5
27,0
26,5
26,0
!
Incertitude due à l’erreur
sur la mesure d’épaisseur
25,5
25,0
Thermogrammes
‐ Diffusivités thermiques locales ‐
CARTOGRAPHIE
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 22/25

III –PROPRIÉTÉS THERMIQUES
► EFFET DE L’ENDOMMAGEMENT MÉCANIQUE SUR LE COMPORTEMENT THERMIQUE
…Cas d’un composite C f /SiC, sollicité en traction uniaxiale (Etude de la texture tissée interlock)
Défaut lié à l’élaboration
Micrographie post‐essai mécanique
Développement important de la fissuration
a T = 3,3.10 ‐6 m 2 .s ‐1
Flux
d’excitation
thermique
B
A
B
A
A
A
Distribution bi‐modale
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 23/25
.
Fissuration matricielle (A) des fils longitudinaux et
(B) transversales, perpendiculairement àl’effort

III –PROPRIÉTÉS THERMIQUES
(0)
300
4,0E‐06
(2)
(4)
(6)
(8)
Contrainte (MPa)
250
200
150
100
50
Epr. Mécanique A (contrainte/déformation)
3,5E‐06
3,0E‐06
2,5E‐06
2,0E‐06
Diffusivité thermique moyenne (m 2 .s ‐1 )
Epr. Thermique B (diffusivité/déformation)
0
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
Déformation (%)
1,5E‐06
Affaissement des propriétés de conduction thermique dû à l’endommagement mécanique (jusqu’à 30%)
Néanmoins, ce nouveau résultat montre que l’on peut limiter la chute de propriété thermique
par le choix de l’architecture fibreuse (interlock préférée), et par le procédé de densification (porosité min.)
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 24/25

Bilan et perspectives
‐ Maitrise de l’ensemble du procédé de fabrication acquise au LTMEX
Achat de moyens de mise en forme en cours (machine enroulement filamentaire
prévue fin 2012 + tresseuse envisagée en 2013)
‐ Matériaux paramétrables suivant le cahier des charges d’une application
Choix de la fibre ‐ Angle de mise en forme du renfort fibreux –nature et épaisseur de
l’interphase – composition de la matrice
‐ Programme de validation des propriétés bien engagé
Propriétés mécaniques (de l’ambiante aux hautes tempértures)
Etanchéité sous contrainte
Conductivité thermique
Résistance àla corrosion en milieu Na
‐ Travail actuel entièrement porté sur l’optimisation pour applications nucléaires de
types GFR (gaine sandwich) et RNR (tube hexagonal) mais d’autres applications sont
possibles.
Lyon, le 20/03/2012
Atelier GEDEPEON MATINEX
25/25

ECHÉANCIER SUR LE SIC/SIC
Les attendus pour fin 2012:
1 er dossier de synthèse SiC/SiC devant comporter:
•Démonstration de faisabilité et 1 ères justification de propriétés de base
concernant un assemblage réfractaire àTH & gaine SiC/SiC
•Instruction des dossiers de propriétés d’un TH SiC/SiC pour RNR‐Na et d’un
élément combustible tubulaire àbase SiC/SiC étanche et fermé aux deux bouts
pour applications génériques en cœur de réacteurs nucléaires
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 26/25

Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 27/25

‐ ANNEXE ‐
PRINCIPAUX RESULTATS
DE LA THESE EL YAGOUBI, LCTS 2011
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 28/25

THÈSES CEA DEN
BDIE/DMN (2007‐2010) Jalal El Yagoubi
« Effet de l’endommagement l
mécanique m
sur les propriétés s thermiques des SiC f /SiC »
Encadrement : J.Lamon (Dir), J.C.Batsale (Co‐dir), M.Le Flem (suivi CEA)
► Objectifs et démarche : Evaluer l’impact de la fissuration matricielle sur la conductivité des matériaux :
► Principaux résultats :
2008 : Biblio + étude critique des dispositifs de mesures, choix exp.
2009 : Etude sur minicomposites 1D (Analyses microstructure, modélisation)
Développements expérimentaux
‐ Mesure de la diffusivité thermique au cours d’un essai de traction sur mini.
Modélisation + caractérisation par l’expérience in‐situ (thermographie IR)
Fibre HNS ( faible)
Caméra IR
Fibre HNS ( forte)
Fissuration d’un minicomposite
après essai de traction
Domaine
Elastique
Fissuration
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 29/25

THÈSES CEA DEN
2010 : Etude sur composite 2D tissé (Matériau SPS –INERI)
Difficultés : ‐ Composite de qualité médiocre, présence d’un pré‐endommagement dû à la fabrication
‐ Hétérogénéité
‐ Délaminage des couches observé lors des essais méca.
Chemins thermiques
Chemins « court » Chemins « long »
+
Diffusivité thermique
Tomographie X
Cartographie de
diffusivité thermique
transverse
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 30/25

THÈSES CEA DEN
Essai de traction cyclé : confrontation mécanique/thermique
Comportement mécanique
Diffusivité thermique transverse
I II III IV
I II
II
I
IV
linéaire élastique
activation des endommagements
fissuration matricielle
+ décohésions F/M
Rupture des fibres
80%
► Exploitation :
‐ On retrouve les conséquences des 4 stades d’endommagement sur les propriétés thermiques
‐ Perte de la conductivité lors de l’endommagement : + important dans le sens T (80% contre 40% dans le sens long)
‐ Non retour à l’état initial lors de la descente des cycles (fermeture des fissures)
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 31/25

THÈSES CEA DEN
Modélisation thermique en 2D
Modèle «Discrete Model Damage » développé par G. Couegnat au LCTS
Description de l’échelle micro à l’échelle macroscopique (Eléments finis)
Micrographie
Maillage EF
Évaluation des diffusivités mesurées avec grande précision
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 32/25

Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 33/25

II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► SIC f
/SIC : UN COMPORTEMENT MÉCANIQUE DIT « ÉLASTIQUE ENDOMMAGEABLE »
Cas théorique d’un composite 1D soumis en traction uniaxiale
Contrainte
R
C
el
C
(a)
E c
(b)
(c)
E f
V f
(d)
X
(a) Comportement élastique linéaire
«Pas d’endommagement, déformation
élastique du composite »
E
c
E
m
V
m
E
f
V
(b) Fissuration matricielle
«Phase d’endommagement, répartition de la charge
sur la matrice puis transfert progressif vers les fibres »
(c) Chargement élastique des fibres
Saturation de la fissuration matricielle,
la charge est supportée par les fibres
f
(d) Rupture ultime du composite
el
C
sat
m
R
C
Déformation
► LES MODES D’ENDOMMAGEMENT (CAS D’UN COMPOSITE
2D) [1] fissuration des fils transverses, perpendiculaires à l’effort
[2] fissuration des fils longitudinaux, perpendiculaires à l’effort
[3] fissuration des fils longitudinaux, parallèlement à l’effort
[4] fissuration des fils longitudinaux, perpendiculairement àleur axe
[5] décohésion inter‐fils
[2]
[5]
[4]
[1]
[3]
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 34/25

I –COMPOSITE SiC f
/SiC POUR LA GAINE COMBUSTIBLE
DENSIFICATION PROCESS
► RÉSULTATS REMARQUABLES APRÈS
DENSIFICATION
ENROULEMENT
FILAMENTAIRE
TRESSAGE 2D
TRESSAGE 3D INTERLOCK
200 µm
Réseau homogène de porosités
intra‐fil de petite taille
250 µm 250 µm
Même porosité intra‐fil homogène que celle obtenue par enroulement fil.,
mais présence de porosité inter‐couches : éparse pour T2D, significatif pour T3D
DISTRIBUTIONS DIFFÉRENTES SUIVANT LA NATURE DE LA PRÉFORME
TEXTURES F (%) M (%) (%) EPAISSEUR (MM) DENSITÉ GÉOMÉTRIQUE
TRESSE 2D –3C–45° 43 45 12 0,925 2,75
TRESSE 2D –3C–60° 46 43 11 1,125 2,75
TRESSE 3D 34 33 33 0,800 2,05
ENROULEMENT –4C–30° 44 37 19 1,100 2,50
!
La conductivité thermique des tresses 3D peut être affectée par les faibles taux de fibres et densité
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II – COMPORTEMENT ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
► IMPORTANCE DE LA LIAISON FIBRE/MATRICE
LIAISON FORTE
Forte contrainte de cisaillement
Aucun déplacement possible
Propagation des fissures aux fibres
Rupture fragile
Contrainte
matrice
Traction uniaxiale
Composite
f
fibre
fissure
Déformation
matrice
fibre
LIAISON FAIBLE
Frottement constant
Fissuration matricielle instantanée
Support de la charge par les fibres seules
Extraction des fils
Contrainte
matrice
Composite
fibre
m
Déformation
LIAISON
INTERMÉDIAIRE
Fissuration matricielle progressive
Bon transfert de charge
Comportement optimisé
Contrainte
matrice
Composite
fibre
m
f
Déformation
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 36/25

I –COMPOSITE SiC f
/SiC POUR LA GAINE COMBUSTIBLE
DENSIFICATION PROCESS
► SECTION TRANSVERSE ET RESPECT DES TOLÉRANCES GÉOMÉTRIQUES
ENROULEMENT
FILAMENTAIRE
TRESSAGE 2D
TRESSAGE 3D INTERLOCK
Seul l’EF permet d’assurer un bon état de surface interne (rugosité + circularité)
Le minimum d’une première couche d’EF parait àpriori incontournable
Aucune des techniques de mise en forme utilisées ne garantit un état de surface externe « lisse »
1. Rectification possible mais avec quel effet sur le comportement mécanique ?
2. Recours àun traitement de lissage (étude en cours)
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I –COMPOSITE SiC f
/SiC POUR LA GAINE COMBUSTIBLE
SIC COATING ON SIC/SIC COMPOSITES (PIP)
► UTILISATION DU POLYMERE AHPCS (ALLYLHYDRIDOPOLYCARBOSYLANE) + CHARGE DE
POUDRE SIC
BARBOTINE PCS/SIC
PROCÉDÉ SPIN‐COATING
(PLAQUE)
TRAITEMENT DE CONVERSION (JUSQU’À
1600°C)
► PREMIER RESULTATS :
Ra= 59
µm
Ra 60 %
Ra= 22 µm
Procédé en cours
d’optimisation pour diminuer la
Transposition rugosité aux Rgéométries
a
tubulaires envisagée par
adaptation du procédé
Sans dépôt
Avec dépôt
Objectif final :
Réduire la rugosité de surface et garantir l’étanchéité
du composite SiC/SiC jusqu’à sa limite élastique
Lyon, le 20/03/2012 Atelier GEDEPEON MATINEX 38/25

I –COMPOSITE SiC f
/SiC POUR LA GAINE COMBUSTIBLE
Matrice
Assure la protection du renfort
et la répartition des efforts
Interphase
Assure la liaison fibres/matrice
(+ rôle déviateur de fissure)
Renfort fibreux
Assure la tenue mécanique du matériau
Contrainte
Traction uniaxiale
fibre
matrice
Composite
liaison F/M intermédiaire
► 2 CONCEPTS DE GAINE ÉTUDIÉS
m
f
Déformation
GAINE «TOUT CÉRAMIQUE »
(100% céramique)
SiC Monolithique
Elaboration CVD
GAINE «CÉRAMIQUE / MÉTAL »
(Composite + liner)
Liner métallique
Etanchéité, nominal : Ta
Tressage
2D or 3D interlock
Enroulement
filamentaire
Une ou plusieurs couches avec
combinaison d’angles différents
(30, 45, 55 and 70°)
ENR.
TRESS
E
Traitement de surface
ou
ENR
.
TRESS
E
Traitement de surface
Mise en
compression
de la couche
monolithique
par le CMC
Enroulement
filamentaire
1 couches, angles étudiés :
30, 45, 55 ou 70°
(Nominal 55°)
ENR
.
ENR
.
TRESS
E
Traitement de surface
e ≤ 1 mm
BI‐COUCHE
e ≤ 1 mm
DUPLEX SIC
e ≤ 1 mm
SANDWICH
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Généralités
Description simplifiée du procédé de fabrication
1 – Approvisionnement du renfort fibreux (composante majeure du coût final)
2 – Mise en forme du renfort Fibreux
Tressage
Enroulement
filamentaire
3 – Dépôt de l’interphase (contraintes imposées par l’effet de l’irradiation)
4 – Infiltration de la matrice SiC
5 – Rectification sans centre (si surface lisse souhaitée)
Comportement mécanique dit
« élastique endommageable » idéal
Déformation à rupture liée à la
déformation à rupture du renfort fibreux
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