Brevet FR3139911A1 — publié le 20240322

L’invention concerne un procédé et un dispositif pour un essai de fatigue oligocyclique pour tester le matériau d’une pièce tournante de turbomachine. Le dispositif comporte un arbre d’entrainement sur lequel une pièce de test est montée, une motorisation et une boite de vitesse qui entraine l’arbre d’entrainement à une vitesse de rotation basse et haute, un capteur adapté à la mesure en temps réel de la déformation radiale de la pièce de test et une unité de contrôle qui pilote la motorisation et/ou la boite de vitesse selon une succession de cycles , ladite unité contrôlant la vitesse de rotation en fonction de la déformation radiale mesurée, pour que les déformations radiales de la pièce de test à vitesse basse et haute correspondent à des déformations radiales cibles imposées à vitesse basse et haute. Figure pour l’abrégé : Fig. 4a Procédé et dispositif d’essais de fatigue oligocycliques pour tester des matériaux de pièces tournantes de turbomachine La présente invention se rapporte aux essais de fatigue oligocycliques mis en œuvre dans le domaine de l’aéronautique pour tester des matériaux de pièces tournantes. Elle trouve avantageusement, mais non limitativement, application pour le développement de matériaux pour de telles pièces. Domaine technique général et art antérieur Les performances demandées pour une turbomachine sont de plus en plus exigeantes. Ainsi les rotors travaillent à des vitesses de rotation de plus en plus élevées et dans un environnement de plus en plus chaud. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des matériaux toujours plus résistants. Dans le cadre de la montée en maturité d’un matériau de pièces de turbomachine, on met classiquement en œuvre des essais de fatigue oligocycliques (LCF ou « Low Cycle Fatigue » selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée). Généralement, ils sont réalisés dans un premier temps sur des éprouvettes, puis sur plusieurs disques de taille réduite appelés « disques simulacres ». Des essais sur des disques à l’échelle ou sur des pièces de test aux dimensions de la pièce finale peuvent également être réalisés. Ces essais de fatigue LCF sont des essais au cours desquels un chargement cyclique est appliqué par exemple jusqu’à défaillance. Ces essais sont utilisés pour générer des données sur la résistance à la fatigue, la croissance des fissures, identifier les emplacements critiques et démontrer la sécurité d’une structure qui peut être sensible à la fatigue. Comme illustré sur les figures 1a et 1b, les essais de fatigue LCF réalisés sur éprouvette ( – éprouvette linéaire E) sont généralement réalisés à l’aide de machines servohydrauliques qui permettent d’appliquer un chargement cyclique de traction et/ou compression sur l’éprouvette (déplacement U). L’essai est ainsi piloté en déplacement ( ) selon un cycle de déformations répété à une fréquence donnée faisant passer successivement l’éprouvette E d’un état comprimé ou au repos à un état allongé (typiquement 15 ou 20% d’allongement par rapport au premier état). En revanche les essais sur disques ou pièces de test sont réalisés à l’aide d’un arbre d’entrainement AE. Dans l’exemple illustré sur la figure 2a, un disque D en un matériau à tester est monté coaxialement sur ledit arbre AE. Celui-ci est entrainé en rotation par un moteur et entraîne lui-même le disque D en rotation (vitesse de rotation ω) (Figure 2a). Le chargement cyclique provient de l’effort centrifuge induit par la rotation du disque entre un régime bas (vitesse de rotation basse ) et un régime haut (vitesse de rotation haute ) ( ). L’essai est ainsi piloté en régime de rotation, ce qui est permis par la grande précision actuelle des mesures de régime de rotation. Pour des disques en rotation autour d’un axe, la contrainte est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation. Avoir un pilotage à iso-régime permet donc d’imposer une contrainte cible. Lors de la phase de développement d’un matériau et de la montée en maturité d’un matériau, plusieurs disques ou pièces sont testés en fatigue LCF. Cependant, il peut exister une dispersion de la qualité d’un matériau d’un disque à l’autre. Ainsi deux disques ou pièces de test constitués d’un même matériau (même composition / élaboration) peuvent réagir différemment sous un même régime et ainsi voir leur déformation différer. Ces deux disques ou pièces ne subissent alors pas les mêmes variations de contraintes lors du test. Les résultats de l’essai sont dès lors dispersés. C’est ce qu’illustre la figure 3 : pour deux disques ou pièces en un même matériau, des dispersions dans la qualité du matériau entre les deux disques génèrent pour ceux-ci des courbes de réponses contrainte/déformation différentes. Pour une vitesse de rotation donnée, la contrainte centrifuge imposée au matériau est la même, mais la déformation du disque est différente. Ainsi, le rapport de charge « déformation à / déformation à » dépend de la qualité de matière et n’est pas constant d’un disque à l’autre. Or, ce rapport de charge joue à l’ordre 1 sur la durée de vie de la structure. C’est la raison pour laquelle la mise en œuvre d’essais de fatigue LCF sur des disques ou pièces de test impose aujourd’hui un contrôle important sur la qualité de la matière, afin d’éviter la dispersion des résultats. Présentation générale de l’invention Un but général de l’invention est de proposer une solution qui ne présente pas les inconvénients des techniques connues à ce jour. A cet effet, selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de pilotage d’un essai de fatigue oligocyclique pour tester le matériau d’une pièce tournante de turbomachine, dans lequel au moins une pièce de test (D) est entrainée en rotation selon une succession de cycles de chargement où ladite pièce de test (D) est soumise alternativement à une vitesse de rotation basse (ωmin) et à une vitesse de rotation haute (ωmax), caractérisé en ce que la déformation radiale de la pièce de test est mesurée en temps réel et en ce que la vitesse de rotation basse et la vitesse de rotation haute (ωmax) sont contrôlées en fonction de la déformation radiale mesurée pour que les déformations radiales à vitesse basse de la pièce de test et celles à vitesse haute correspondent à des déformations radiales cibles imposées à vitesse basse et à vitesse haute pour la pièce de test . Avec un tel pilotage, la vitesse de rotation basse et la vitesse de rotation haute de la pièce de test sont asservies à la mesure de la déformation du disque. Les déformations subies par les pièces de test lors du cycle de chargement sont imposées par ce pilotage et peuvent donc être les mêmes d’une pièce de test à une autre, même s’il y a une certaine dispersion dans la qualité du matériau. Un tel pilotage en déformation imposé des essais de fatigue LCF permet d’être cohérent avec des essais sur éprouvettes et d’être indépendant de la qualité de la matière, ce qui permet d’obtenir des résultats moins dispersés. Selon un deuxième aspect, l’invention propose un procédé de test dans lequel on met en œuvre des essais de fatigue oligocycliques sur une pluralité de pièces de test en un matériau à tester, dans lequel on met en œuvre un pilotage des essais avec des déformations radiales cibles imposées identiques pour les différentes pièces de test. Selon un autre aspect encore, il est proposé un dispositif de test pour la mise en œuvre d’un essai de fatigue oligocyclique pour tester le matériau d’une pièce tournante de turbomachine, comportant un arbre d’entrainement sur lequel une pièce de test (D) est montée ou est destinée à l’être, une motorisation pour entrainer ledit arbre, une boite de vitesse qui entraine l’arbre d’entrainement à une vitesse de rotation basse (ωmin) et à une vitesse de rotation haute (ωmax), caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de mesure de déformation adapté à la mesure en temps réel de la déformation radiale de la pièce de test (D) et une unité de contrôle qui pilote la motorisation et/ou la boite de vitesse selon une succession de cycles de chargement où la pièce de test est soumise alternativement à une vitesse de rotation basse (ωmin) et à une vitesse de rotation haute (ωmax), ladite unité contrôlant la vitesse de rotation basse et la vitesse de rotation haute en fonction de la déformation radiale mesurée, pour que les déformations radiales de la pièce de test à vitesse basse et celles à vitesse haute correspondent à des déformations radiales cibles imposées à vitesse basse et à vitesse haute pour la pièce de test. Ce procédé et ce dispositif trouvent avantageusement application pour des essais de fatigue oligocycliques sur au moins un matériau de pièce d’aéronef, et notamment pour des essais de fatigue oligocycliques sur au moins un matériau de pièce tournante de turbomachine. Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives : la pièce de test peut être un disque simulacre de rotor ; le disque simulacre peut être un disque de rotor de turbine de turbomachine. L’invention concerne en outre un banc de test comportant un tel dispositif. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : La illustre un essai de fatigue sur éprouvette piloté en déplacement connu dans l’état de la technique ; La illustre le cycle de déformations imposé à l’éprouvette ; La illustre est une représentation schématique d’un dispositif de test pour essais de fatigue oligocycliques sur des disques simulacres, connu ; La illustre le cycle de vitesse de rotation imposé à un tel disque simulacre ; La illustre la dispersion des comportements de deux disques simulacres du fait de la qualité du matériau ; la est une représentation schématique d’un dispositif de test pour essais de fatigue oligocycliques sur des disques simulacres, conforme à un mode de réalisation de l’invention ; la est une représentation d’un exemple de forme de pièce de test (disque simulacre ou disque à l’échelle) ; la illustre les cyclages des vitesses de rotation et l’adaptation de celles-ci à la qualité de la matière du disque testé ; la est un graphe contrainte/déformation illustrant le principe d’un essai de fatigue LCF sur disque à déformation imposée. Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation Sur la , le dispositif de test 1 comporte schématiquement un arbre d’entrainement AE sur lequel est monté axialement une pièce de test D, qui est par exemple un disque simulacre, un disque à l’échelle ou encore une pièce aux dimensions de la pièce finale. Ce disque D ou cette pièce est dans le matériau que l’on souhaite tester quant à sa résistance à la fatigue. Dans l’exemple illustré sur la , un disque simulacre ou un disque à l’échelle présente une partie principale 2a radiale pouvant par exemple être plat et d’épaisseur constante, ainsi qu’un moyeu 2b définissant un alésage pour le passage de l’arbre AE et une jante 2c de forme annulaire cylindrique. Typiquement, le diamètre extérieur d’un disque simulacre ou d’un disque à l’échelle est par exemple compris entre 20 et 150 cm, son épaisseur (partie 2a) étant comprise entre 1 et 15cm. Des exemples de dimensionnements pour un disque de simulacre D ou d’un disque à l’échelle 1 sont les suivants : Disque Simulacre Disque échelle 1 Largeur de la jante et du moyeu : l 20 – 70 mm 40 – 150 mm R alésage 15 – 50 mm 30 - 150 mm R jante 80 - 120 mm 150 – 400 mm D‘autres formes plus complexes que celle représentées, où le disque est plat et d’épaisseur constante, peuvent bien entendu être envisagées pour les disques et les pièces testées. Une motorisation 3 entraine ledit arbre AE et le disque D par l’intermédiaire d’une boite de vitesse 4. Un capteur de déplacement 5 permet de suivre la déformation de la jante 2 et de mesurer les variations de rayon de la pièce testée. Un tel capteur de déplacement 5 peut être un capteur laser orienté radialement vers la jante 2 du disque D. Un tel capteur 5 permet typiquement une mesure de déformation radiale en temps réel, avec une précision de mesure adaptée au matériau à tester (par exemple, de l’ordre de ou inférieure à 10µm), D’autres technologies de capteurs sont bien entendu possibles, telles que par exemple des capteurs capacitifs et des capteurs inductifs dont la précision courante est de 100µm. La mesure ainsi réalisée est traitée par une unité de contrôle 6 qui pilote la rotation de l’arbre AE et de la pièce testée pour soumettre ladite pièce à un cycle de déformation radiale donné. Par exemple, l’unité de contrôle 6 commande la rotation de l’arbre AE et du disque D pour faire varier la déformation de la pièce testée entre un rayon maximum et un rayon minimum à une fréquence donnée. Du fait de cette déformation imposée, la vitesse de rotation basse ωmin et la vitesse de rotation haute ωmax des cycles ainsi commandés varient d’une pièce testée à une autre ( ). Pour toutes les pièces, la valeur ωmin se trouve entre ω min, Matériau Mini et ω min, Matériau Maxi , tandis que la valeur ωmax se trouve entre ω max, Matériau Mini et ω max, Matériau Maxi . Typiquement, les vitesses de rotation que l’on fait subir aux pièces sont variables et dépendent du régime maximum attendu pour le moteur. Elles dépendent des niveaux de fatigue que l’on souhaite tester et doivent être représentatives de ce qui est subit dans l’environnement moteur. Par exemple, pour les tests de matériaux de pièces de turbomachine, ces vitesses de rotation dépendent de l’appartenance de la pièce au rotor HP ou BP, du régime maximum du moteur, ainsi que de l’échelle de la pièce testée. Des exemples de gammes de vitesses de rotation sont les suivants : - 1 000 5 000 Tr/min - 10 000 25 000 Tr/min - 5 000 50 000 Tr/min Un exemple de déformation typique pour un disque D est un déplacement radial de la jante du disque de 1% du rayon de la jante (0.5 – 5 mm), par exemple. La fréquence des cycles imposés à un disque peut être comprise entre 0.01Hz et 1Hz. Dans l’exemple donné, les cycles de déformation sont triangulaires. D’autres formes de cycles peuvent bien entendu être envisagées : par exemple de forme trapèze (avec palier de stabilisation à haut et/ou bas régime). Les cycles de déformations que l’on fait subir au disque simulacre D sont arrêtés au bout d’un temps de test prédéterminé ou encore s’il y a rupture de la pièce. Un tel essai de fatigue peut par exemple durer plusieurs jours voire plusieurs mois. Les matériaux sont ensuite comparés en fonction du nombre de cycles au bout duquel une rupture est constatée ou en fonction de leur état de détérioration à l’issue du temps de test imposé (constatation de formation de criques, densité de celles-ci, etc.). Les essais peuvent être mis en œuvre sur des bancs de test, aussi bien à température et pression ambiantes, que dans des enceintes permettant de reproduire des conditions de température et de pression particulières (par exemple sous vide et à température représentative de ce que voit le disque dans le moteur : 100 – 600°C). Une telle méthode de test est par exemple utilisée en aéronautique dans le cadre d’essais de fatigue LCF menés sur des disques simulacres lors de développement de matériaux pour des pièces tournantes, notamment des pièces de turbomachines pour aéronef. Typiquement, le procédé proposé peut être utilisé pour tester différents types de matériaux et de pièces tournantes d’aéronef et notamment, dans le cas de turbomachines, des matériaux à base Nickel (Alliage Inco 718, par exemple), des disques de turbine Haute Pression (HP), des disques de turbine Basse Pression (BP). De cette façon, deux pièces de test différentes connaissent des cyclages de déformations identiques : les vitesses basses et les vitesses hautes sont adaptées à chaque disque D, et donc en fonction de la qualité de la matière pour que le disque soit sollicité entre les mêmes déformations cibles à ω min et à ω max . Les essais réalisés sur les disques simulacres sont cohérents avec des essais de fatigue réalisés sur éprouvette ; ils sont indépendants de la qualité de la matière et permettent des résultats moins dispersés et donc plus exploitables. Procédé de pilotage d’un essai de fatigue oligocyclique pour tester le matériau d’une pièce tournante de turbomachine, dans lequel au moins une pièce de test (D) est entrainée en rotation selon une succession de cycles de chargement où ladite pièce de test (D) est soumise alternativement à une vitesse de rotation basse (ω min ) et à une vitesse de rotation haute (ω max ), caractérisé en ce que la déformation radiale de la pièce de test (D) est mesurée en temps réel et en ce que la vitesse de rotation basse et la vitesse de rotation haute (ω max ) sont contrôlées en fonction de la déformation radiale mesurée pour que les déformations radiales à vitesse basse de la pièce de test (D) et celles à vitesse haute correspondent à des déformations radiales cibles imposées à vitesse basse et à vitesse haute pour la pièce de test (D). Procédé de test dans lequel on met en œuvre plusieurs essais de fatigue oligocycliques sur une pluralité de pièces de test (D) en un matériau à tester dans lequel on met en œuvre un procédé de pilotage des essais selon la revendication 1 avec des déformations radiales cibles imposées identiques pour les différentes pièces de test (D). Dispositif de test pour la mise en œuvre d’un essai de fatigue oligocyclique pour tester le matériau d’une pièce tournante de turbomachine, comportant un arbre d’entrainement sur lequel une pièce de test (D) est montée ou est destinée à l’être, une motorisation pour entrainer ledit arbre, une boite de vitesse qui entraine l’arbre d’entrainement à une vitesse de rotation basse (ω min ) et à une vitesse de rotation haute (ω max ), caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de mesure de déformation adapté à la mesure en temps réel de la déformation radiale de la pièce de test (D) et une unité de contrôle qui pilote la motorisation et/ou la boite de vitesse selon une succession de cycles de chargement où la pièce de test est soumise alternativement à une vitesse de rotation basse (ω min ) et à une vitesse de rotation haute (ω max ), ladite unité contrôlant la vitesse de rotation basse et la vitesse de rotation haute en fonction de la déformation radiale mesurée, pour que les déformations radiales de la pièce de test (D) à vitesse basse et celles à vitesse haute correspondent à des déformations radiales cibles imposées à vitesse basse et à vitesse haute pour la pièce de test (D). Dispositif selon la revendication 3 dans lequel la précision du capteur de mesure de déformation radiale est de l’ordre de ou inférieure à 100 préférentiellement inférieure à 10 . Dispositif selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel la pièce de test (D) est un disque simulacre de rotor. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le disque simulacre est un disque de rotor de turbine de turbomachine. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 ou 2 , dans lequel la pièce de test (D) est un disque simulacre de rotor. Procédé de pilotage selon la revendication 7, dans lequel le disque simulacre est un disque de rotor de turbine de turbomachine. Banc de test comprenant un dispositif selon la revendication 3.